人工老化处理对糯玉米种子生理生化特性的影响

陈　婧，李建平，李　荣

(宁夏大学 农学院，银川　750021)

人工老化处理对糯玉米种子生理生化特性的影响

陈婧，李建平，李荣

(宁夏大学 农学院，银川750021)

摘要以糯玉米品种‘中糯1号’种子为材料，研究在高温(42 ℃)、高湿(相对湿度100%)条件下，人工老化处理过程中种子的活力、抗氧化酶活性、种子浸出液相对电导率、丙二醛(MDA)质量摩尔浓度、可溶性蛋白质以及浸出液可溶性糖质量分数的变化，以揭示其劣变机制。结果表明：人工老化处理糯玉米种子的芽长、根长、发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均随人工老化时间的延长逐渐降低；在糯玉米种子老化进程中，种子SOD、POD、CAT活性变化趋势相似，均随老化程度的加深而逐渐降低；随着人工老化时间的延长，糯玉米种子的浸出液相对电导率显著上升，浸出液可溶性糖质量分数逐渐升高，可溶性蛋白质质量分数表现显著下降趋势，而种子MDA质量摩尔浓度呈先升高后逐渐平稳的趋势。研究发现，在糯玉米种子人工老化进程中，种子劣变机制与膜损伤、氧化损伤和营养物质过度消耗有关。

关键词糯玉米；人工老化；生理生化特性

种子自成熟后即进入衰老过程，活力逐渐丧失，称为种子的老化或劣变，是种子贮藏过程中普遍存在的一种现象[1]。种子老化受到自身遗传特点影响，也受水分、氧气、温度、光等环境因素的影响。老化不但影响种子萌发和幼苗生长，也会影响后期植株生长、产量和品质。种子老化是农业生产中的一个严重问题，种子的老化及其调控研究一直受到广泛关注，具有非常重要的生物学和生产实践意义。

大量研究表明，利用人工老化使种子活力迅速下降，加速了种子内部的代谢过程，并无老化机理上的差别，因此，人工老化技术是完全可以模拟自然情况下种子老化和劣变过程[2]。国内外对种子的老化及劣变已有较多研究，Koostra等[3]最早提出膜的氧化是种子劣变的主要原因。但根据Kalpana等[4]和Lehner等[5]的研究，木豆和小麦种子的老化可能不涉及脂质过氧化作用。关于种子老化的生理生化特性在玉米[6-8]、小麦[9]、棉花[10]、白菜[11]、花生[12]、红麻[13]、以及芝麻[14]种子上均有报道，研究表明种子老化均导致种子活力降低，活力下降速度因老化条件不同而异，且均伴随种子超氧化物歧酶(SOD) 、过氧化氢酶(CAT) 、抗坏血酸过氧化物酶(APX) 等抗氧化酶活性的下降而降低。虽然人工老化在普通玉米及甜玉米种子上的应用研究较多，但人工老化在糯玉米种子上的研究报道较少。本研究以糯玉米种子‘中糯1号’为试验材料，探讨不同老化时间对种子活力及生理生化指标的影响，以揭示种子劣变的机制，为糯玉米种子储藏应用提供一定的理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试糯玉米品种为‘中糯1号’，由中国农业科学院作物育种栽培研究所提供。

1.2种子处理

将干燥器下部装水，放入恒温培养箱内，调节箱内温度，平衡2 d后，使干燥器内温度、湿度恒定(温度40 ℃，相对湿度100%)。称取8包平衡24 h的糯玉米种子(每包200 g)，将种子放入干燥器内距水6～8 cm的尼龙框上，老化处理的时间为 0 ( CK)、2、4、6、8、10、12、14 d共8个水平。处理完毕后取出种子在室温下晾1～2 d,使种子含水量降至原状态后进行各项指标测定。

1.3测定指标及方法

1.3.1种子活力指标种子发芽采用国际标准室内发芽法，每个培养皿均匀摆放50粒种子，放入光照培养箱中(恒温24 ℃)进行培养，每个水平各设3次重复。发芽第3天计算发芽势，第7天计算芽长、根长、发芽率、发芽指数和活力指数，发芽指标测定结果取平均值。各指标按以下公式计算：

发芽势=G3/N×100%；

发芽率(GR)=G7/N×100%；

发芽指数(GI)=Σ(Gt/Dt)；

活力指数(VI)=GI×S。

式中：G3为发芽3 d的总发芽数；G7为发芽7 d的总发芽数；N为供试种子总数：Gt为发芽开始后第t天的发芽数；Dt为相应的发芽天数；S为平均根长(cm)。

1.3.2种子生理生化指标分别在人工老化处理0、2、4、6、8、10、12、14 d后，取经老化处理并回干的种子用于生理生化指标的测定。

每个处理取种子50粒，重复3次。用自来水冲洗后再用去离子水冲洗2遍，用滤纸把浮水吸干，放入用去离子水洗净后的烧杯中，加入去离子水250 mL，取另外一只烧杯加去离子水作对照。在20 ℃恒温条件下放置24 h后用清洁的塑料网把种子取出，然后用DDS-307A型电导仪测定对照和浸出液的初电导率，最后将烧杯置于沸水中煮沸30 min后取出，待其冷却至室温测定终电导率，并计算相对电导率[15]。

将不同老化时间的糯玉米种子置于湿润滤纸上吸胀24 h，胚乳剥下，称取吸胀种子胚，参考文献[16-17]的方法，测定相关指标，各样品重复3次。SOD活性采用氮蓝四唑法测定，POD活性测定用愈创木酚法，CAT活性测定用H2O2反应比色法，丙二醛(MDA)质量摩尔浓度测定用巴比妥酸色法，可溶性蛋白质质量分数测定采用考马斯亮蓝法，种子浸出液中可溶性糖的质量分数采用蒽酮比色法测定。

1.4数据处理

采用DPS 7.05和Excel 2007软件对所有数据进行处理及方差分析。

2结果与分析

2.1人工老化处理对糯玉米种子活力的影响

随着人工老化处理时间的延长，糯玉米种子芽长、根长、发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数则均逐渐降低，且大多与CK差异极显著(表1)。随着人工老化时间的延长，糯玉米种子的芽长和根长均呈减小趋势，老化10 d时平均芽长和根长与CK相比减少5.24 和7.98 cm，老化12 d后糯玉米种子发芽率为0，因此可知，人工老化对糯玉米的芽和根有较大的影响。种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数在老化处理4 d至10 d后分别比CK显著降低35.29%～62.35%、17.89%～38.95%、39.95%～61.64%、62.20%～86.84%。老化12 d后糯玉米种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均降为0。相比较而言，糯玉米种子萌发指标中以活力指数的降幅最大、最快，发芽势又比发芽率降低更快，如老化处理2 d 后种子的活力指数比CK降低37.43%，而此时发芽势和发芽率仅降低14.11%和5.26%，活力指数是对老化处理最敏感的指标之一，说明种子劣变在经过老化2 d后开始加深，已对种子正常生长产生影响。以上结果表明，随着人工老化时间的延长，种子劣变程度不断加剧，人工老化处理显著抑制种子的萌发，导致种子活力的下降，进而影响萌发后正常幼苗的形成。

表1　人工老化过程中糯玉米种子的活力指标±s)

注：不同大写字母表示0.01水平上差异极显著，下同。

Note:Different capital letters mean extremely significant difference at 0.01 level，the same as below.

2.2人工老化处理对糯玉米种子抗氧化酶活性的影响

由表2可知，在糯玉米种子老化进程中，CAT、POD、SOD 活性变化趋势相似，其活性均随老化时间的延长而逐渐降低，且大多在老化处理4 d后较CK达显著差异。其中CAT活性在处理4～12 d变化迅速，分别较对照下降11.70%～78.48%，各处理间差异极显著。POD活性在老化初期(0～2 d)和后期(10～14 d)下降较快，而在老化中期变化比较平缓，与CK相比，老化10、12、14 d种子的POD的活性分别下降22.58%、52.91%和70.22%。SOD活性在老化初期(2～4 d)和中期(8～10 d)下降较快，4 d和10 d较CK分别下降13.21%和37.65%，但老化10 d以后，SOD活性变化基本保持稳定，处理间差异不显著。以上结果表明，糯玉米种子在老化进程中，因SOD活性下降，其对种子超氧阴离子的消除能力减弱，而POD、CAT等抗氧化酶活性也同时降低，种子对过氧化氢消除能力降低，从而致其过量积累，产生明显的过氧化伤害，使种子发生劣变。

表2　人工老化过程中糯玉米种子的抗氧化酶活性±s)

2.3人工老化对糯玉米种子的膜损伤效应

植物组织的膜损伤也是植物组织劣变的重要原因之一。通过测定人工老化过程中糯玉米种子浸出液的相对电导率变化，可以反映老化对种子的膜损伤情况。老化过程中糯玉米种子的相对电导率变化见图1。由图1可知，随着老化时间的延长，糯玉米种子相对电导率持续上升，0～8 d相对电导率变化平缓，老化2、4、6、8 d 时分别较CK上升1.47%、12.35%、35.33%、39.43%，10、12、14 d相对电导率上升迅速，分别较CK上升79.91%、107.13%和147.00%。说明随着老化时间的延长，糯玉米种子细胞膜功能不断受损，膜透性不断增加，有更多的细胞内容物渗透，细胞的完整性受到破坏，从而导致种子浸出液电导率的升高。

图1　人工老化过程中糯玉米的相对电导率

2.4人工老化对糯玉米种子MDA质量摩尔浓度、可溶性蛋白质和可溶性糖质量分数的影响

由表3可知，随着老化时间的延长，糯玉米种子MDA质量摩尔浓度呈现先升高后逐渐下降的趋势，老化0～8 d MDA质量摩尔浓度呈上升趋势，且在8 d时达到最高峰,较CK增加62.20%，老化10 d时MDA质量摩尔浓度开始下降，但10、12、14 d MDA质量摩尔浓度仍较CK分别上升48.03%、53.54%和47.24%。这说明随着老化处理时间延长，种子MDA质量摩尔浓度逐渐增加，但积累一定程度即不再大量增加。

糯玉米种子的可溶性蛋白质质量分数随人工老化时间的延长表现出逐渐下降趋势。且随着老化时间的延长，下降速度加快，在老化10 d时其质量分数降低最快，与CK相比可溶性蛋白质质量分数下降26.68%，而当老化12 d时其下降幅度减少。这可能是由于过氧化作用使细胞溶酶体受到破坏，从而加剧种子贮藏物质的降解速度。

另外，随着老化时间的延长，种子浸出液可溶性糖质量分数呈逐渐升高后降低再升高趋势。老化0～4 d可溶性糖质量分数呈上升趋势与CK相比，老化2、4 d时分别上升32.18%和79.31%；6～10 d呈下降趋势，但10 d的浸出液可溶性糖质量分数仍较CK上升72.14%；之后可溶性糖质量分数逐渐升高，12 d和14 d后极显著高于CK，浸出液可溶性糖质量分数分别与CK相比增加133.33%和336.78%。种子浸出液可溶性糖质量分数的增多说明劣变会对种子膜的透性造成损失，种子正常吸胀过程中，劣变种子会较正常种子由于膜透性的增加而损失更多的可溶性糖。

表3　人工老化过程中糯玉米种子中的MDA质量摩尔浓度、可溶性蛋白质和可溶性糖质量分数±s)

3讨 论

从‘中糯1号’种子活力指标的测定结果可以看出，随着种子老化程度的加深，促使糯玉米种子质量产生劣变，种子的萌发缓慢且健壮程度降低，芽长、根长、发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均降低。这与前人在玉米[6-8]、小麦[9]、棉花[10]以及蔬菜种子老化研究中的结果一致。

植物体内SOD、POD、CAT是植物体内活性氧的清除剂，称之为抗氧化酶类，它们共同作用可使细胞内的活性氧维持在正常水平，从而防止活性氧对植物细胞造成的伤害。本研究中随着种子老化程度加剧，抗氧化酶系统的破坏致其产生氧化损伤，3种酶含量逐渐降低，但降低的速率不同，表明三者在种子老化抗氧化防御中的贡献不同。另外，MDA是机体内脂质过氧化的最终产物之一，其含量高低一定程度上可反映植物受氧化伤害的程度。本研究中的种子MDA质量摩尔浓度随着老化时间的延长逐渐增加，但积累一定程度即不再大量增加。这与付艺峰等[18]、李春雷等[19]研究结果不一致，但与桔梗种子[20]和结球甘蓝种子[21]人工老化中MDA含量变化相似。推测可能与物种间的差异及老化时间的长短有关。

老化及劣变种子都有不同程度的膜损伤，这种损伤又会反应到膜透性的增强，膜的永久性损伤造成大量可溶性营养物质与激素、酶蛋白等物质的渗漏，严重影响正常的新陈代谢过程。在糯玉米老化处理过程中，种子浸出液的电导率和可溶性糖质量分数升高，即随着种子劣变程度的加深，引起种子细胞膜结构的变化，导致细胞膜透性的增大，使细胞内含物外渗，这与姚侠妹等[20]和孙春青等[21]研究结果一致。贮藏物质的变化对玉米种子萌发与胚的生长有着至关重要的作用。在本研究中，随着贮藏时间的不断延长，玉米种子的可溶性蛋白质质量分数呈现不断下降的趋势，这与姚入宇等[22]的研究结果一致。

综上所述，在糯玉米种子老化进程中，酶活性、种子膜结构及储藏营养物质均与对照有较大差异。由此可见，种子老化及劣变是一个非常复杂的过程，涉及到膜结构和功能的变化、抗氧化酶系统的变化及营养物质的过度消耗等，这一系列的生理生化变化又相互影响，加剧了种子老化及劣变。

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Received 2015-04-30Returned2015-07-28

First authorCHEN Jing,female,experimentalist.Research area:maize genetics and breeding. E-mail:tsnjglz@163.com

(责任编辑：史亚歌Responsible editor:SHI Yage)

Physiological and Biochemical Characteristics of Waxy Maize Seeds during Artificial Aging

CHEN Jing, LI Jianping and LI Rong

(School of Agriculture,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

AbstractUsing the seeds of waxy maize ‘Zhongnuo 1’ as material, we investigated seed vigor, antioxidase activity, relative conductivity,molality of MDA, soluble protein and soluble sugar mass fractions during artificial aging at 42 ℃ and RH 100%. The results showed that with the increase of artificial aging time, shoot length, root length, germination potential, germination rate, germination index and vigor index decreased. With the increase of the aging time, activities of SOD, POD and CAT decreased significantly. The relative conductivity and soluble sugar mass fraction increased and soluble protein mass fraction decreased. The molality of MDA firstly went up and then gradually stable trend. In conclusion, during artificial aging, membrane damage, the heavy oxidative injury and excessive consumption of nutrients are positively correlated with seed deterioration mechanisms.

Key wordsWaxy maize; Artificial aging; Physiological and biochemical characteristics

收稿日期：2015-04-30修回日期：2015-07-28

基金项目：宁夏大学科学研究基金(ZR1454)。

通信作者：李建平，男，讲师，研究方向为作物栽培与耕作。E-mail: lijianpingsas@163.com

中图分类号S513.01

文献标志码A

文章编号1004-1389(2016)06-0857-06

Foundation itemScientific Research Foundation of Ningxia University (No. ZR1454). LI Jianping,male,lecturer.Research area: crop cultivation and cultivation.E-mail: lijianpingsas@163.com

网络出版日期：2016-06-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160601.0914.018.html

第一作者：陈婧，女，实验师，研究方向为玉米遗传育种。E-mail:tsnjglz@163.com