基于双向温度梯度系统的槟榔萌发及生理响应

黄丽云 李东霞 陈君 刘立云 周焕起

摘  要  本研究以‘热研1号槟榔种子为供试材料，借助双向温度梯度系统控制面板设置49个昼夜温度处理（最高温区48 ℃，最低温区20 ℃），研究其对种子萌发率、生长状况及生理响应的影响。结果表明：槟榔种子萌发最佳昼夜温度组合为29/25 ℃，萌发率100%，生长态势最佳;20/20 ℃条件下槟榔种子有萌发，但发芽率为80%，种子长势一般;48/48 ℃条件下种子不萌发。根据长势状况，以及酶活（SOD、POD、GR）测定，明确了最适于种子萌发及生长的温度范围为25/20～34/25 ℃。另外种子萌发所需日积温560～744 ℃?h为宜，萌发总积温不宜超过24 864 ℃?h。实验还证实了槟榔种子变温处理比常温萌发效果更好。

关键词  双向温度梯度系统;槟榔;萌发;生理生化

中图分类号  S543.2      文献标识码  A

Abstract  The effect of germination rate， growth conditions， physiological response of Arecanut was studied using the 2-way grants thermogradient plate which allows 49 temperature combinations （regimes） （20 ℃ to 48 ℃） of single temperature and alternating temperature combination over a time continuum. Under the best temperature combination 29/25 ℃， the seed germination rate was 100% and the growth potential was the best. When temperature was 20/20 ℃， the germination rate was 80%， and the growth was general. The 48/48 ℃ treatment did not have any effect. According to the germination rate， growth conditions and physiological response （SOD， POD， GR）， the most suitable temperature range was 25/2034/25 ℃. In addition， the optimum reaction accumulated temperature was 560744 ℃?h， and the total germination temperature should not exceed 24 864 ℃?h. The experiment also supported that the alternate temperature treatment was better than the normal temperature treatment for the seed germination rate and growth of Arecanut.

Keywords  2-way grants thermogradient plate; areca; germination; physiological response

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.007

槟榔（Areca catechu L.）是棕榈科槟榔属多年生经济作物，目前已成为海南第一大农业支柱产业。槟榔是我国四大南药之一，种子、果皮、花等均可入药，槟榔中含有的槟榔碱、儿茶素、多糖、胆碱等具有杀虫、消积、下气、行水等功效。另外，槟榔嫩果（授粉受精后140～160 d采摘的未成熟果）作为咀嚼嗜好品供不应求[1]，目前全球约有10亿人咀嚼槟榔，是槟榔的主要消费方式。

不同种类植物种子的萌发温度要求不同，这是由植物本身特性所决定，也是植物长期适应环境的结果。槟榔属顽拗性种子，具有对温度、干旱等外界环境较为敏感的特性。槟榔生长于热带及南北回归线以内的亚热带边缘地区，种果成熟月份集中在4—5月，恰逢海南高温季节，如何控制合适的温度进行种果萌发处理，避免因温度过高造成大批量种果失活是最为关键的一步。由于种植的局域性与研究滞后的现状，针对槟榔种果萌发的研究报道较少。董志国等[2]研究了不同浓度NaCl胁迫对槟榔种果发芽的影响;陈思婷等[3]实验证明剥壳与切头处理对槟榔种果发芽有显著的促进作用。但探讨种果最适宜发芽温度研究尚未见报道，本文利用双向温度梯度系统，在广泛的温度范围内对种果进行发芽测试，探讨最佳发芽温度及生长效应，比较不同温度处理的生理生化差异，精准确定槟榔种果的最佳发芽温度，界定发芽的极限温度，为槟榔规模化育苗提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

试材为中国热带农业科学院椰子研究所国审品种‘热研1号槟榔（热品审2014011）[4]同串种果，种子均匀一致，无病虫害。采回种果人工剥去果肉，用洗洁精将种子上附着的果肉清洗干净，然后用2.5%次氯酸钠溶液将种子灭菌5 min，再用灭菌纯水将种子清洗3遍。实验仪器为温度梯度种子系统（GRD1 Gradient Plate 40674-A）。

1.2  方法

1.2.1  实验设计  设置了7×7矩阵共49个温度组合（20～48 ℃），如表1所示，高温端为48/48 ℃（白天/黑夜温度），低温端20/20 ℃，第1梯度在黑暗中由左向右移动，每8 h交替一次，第2次由前向后随光而变（光照强度4000 lx），每16 h交替一次。每个实验格放置15个种果（去皮洗净），每个处理3次重复。

1.2.2  测定指标及方法  生长指标观测：以观察到种子胚根、胚芽伸出种皮并发育到一定程度视为发芽;定期观测种子发芽率、胚芽、胚根及发

根数的生长动态;发芽率=n/N×100%（式中，n为实验结束后发芽粒数;N为供试种子总数）;积温T=TN?Nt+TD?Dt（式中，T为积温值，TD、TN分别为昼周期和夜周期对应的平均温度;Dt、Nt为种子萌发对应的昼夜小时数）。生理生化指标测定：取样点为播种28 d后距离萌发孔基部0.8～1.5 cm的胚芽部位。蛋白（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）等按照南京建成生物工程研究所提供的试剂盒进行测定，SOD和POD酶活性按每毫克蛋白中的酶活力单位数计算（U/mg）。每个指标重复测定3次取平均值。

1.3  数据处理

采用SPSS 19.0软件与office Excel软件对数据进行统计分析。

2  结果与分析

2.1  温度处理对种子萌发的影响

2018年4月20日将种子置于温度板上，4月28日开始萌发，最早是B2、B3、B4、C2、C3等温度组合出现萌发现象。种子发芽周期约28 d（5月18日）。结合表1，由图1可见，交替温度条件下，在25～43 ℃（夜）和25～38 ℃（日）范围内种子萌发速度最快，效果好，发芽率达100%。另外，可萌发的边缘区域温度组合为D5、F4、G1、G2发芽率分别为93.3%、80%、33.3%、20%。恒温条件下，A1（20/20 ℃）、B2（25/25 ℃）、C3（29/29 ℃）、D4（34/34 ℃）、E5（38/38 ℃）、F6（43/43 ℃）、G7（48/48 ℃）處于面板中轴斜线的位置，发芽率分别为80%、100%、100%、66.7%、0、0、0，发芽率呈“低-高-低”的抛物线形。

2.2  积温对种子萌发的影响

从表2可见，49个温度组合中25个萌发率达80%以上，占比51%。其中A3、A4、B2、B3、B4、C1、D1、D2共8个温度组合种子萌发率达80%仅需13 d，日积温范围为552～744 ℃?h，总萌发积温范围为7176～9672 ℃?h。17 d时种子萌发率达80%的有10个温度组合，日积温范围为520～808 ℃?h，总萌发积温范围为7 140～13 736 ℃?h，涵盖了13 d萌发率达80%的日积温及总积温范围。在28 d方可达到80%发芽率的温度组合20/20、34/43 ℃中，日积温分别为480、888 ℃?h，是处理组合达80%以上的最低值和最高值。

2.3  温度处理对种子生长势的影响

从图1可见，槟榔种子发芽温度范围较广，25～38 ℃均可正常发芽，但在相同发芽率情况下种子生长状况差异较大。如图2所示，槟榔长势最佳温区为A2～A4、B2～B4、C2～C3、D1～D3、E1～E2;其次为A1、B1、C1、E3、F1;A6～G6、A7～G7、G1～G7为不萌发状态。根据种子萌发生长的表征，选取发芽率为100%的3个温度处理B3（29/25 ℃）、C1（20/29 ℃）、D4（34/34 ℃），在不同的发育时期（5月8日，5月18日，5月28日）进行测量。从图3、图4和图5可见，无论是胚芽、胚根和发根数，B3处理均显著高于C1和D4，生长态势由高至低为B3（29/25 ℃）>C1（20/29 ℃）>D4（34/ 34 ℃），由此可见，合适的积温条件下，相同发芽率情况下，合适的积温条件种子长势有显著差异。

2.4  种子萌发的生理生化响应

以B3、C1、D4代表3个不同生长势区间材料，开展其生理生化研究。结果如图6、图7和图8所示。不同温度组合条件下对种子萌发过程中SOD、POD、GR活性影响不同，3种温度组合种子萌发过程中3种酶活性规律一致，由高到低为B3（29/25 ℃）>C1（20/29 ℃）>D4（34/34 ℃）。其中抗氧化物酶SOD、POD活性在三者之间差异达显著水平（P<0.05）。B3处理的SOD值为80 U/mg，比C1和D4处理显著高出40.79%和79.70%;POD的表现变化与SOD的较为一致，亦是B3处理POD值最大，比C1与D4分别高出60.04%和82.78%。

3  讨论

本研究所用仪器双向温度梯度系统是高效性的温度循环系统，是在铝板平面一侧加热同时另一侧制冷，从而在板面形成温度梯度，通过梯度板再次旋转90°，即可形成多孔温差条件。该系统可同时模拟196个不同的温差条件，可快速模拟和摸索培养最佳温度条件，一次性得出大量实验数据，替代了光照培养箱温度条件单一的缺陷。特别是用于探索种植地域优化筛选、种子最佳温度条件、种子活性鉴定等效果显著，可在保证准确性的条件下节省大量时间和实验测试，Joseph 等[5]和Asomaning等[6]均运用该仪器进行了艳丽榄仁、白卡雅楝种子的变温处理实验。

种子萌发温度具有最高温与最低温的范围需求，超出范围都会使酶失去催化能力，从而使种子失去萌发力。种子萌发是植物生长周期的重要阶段，此期间萌发生长极易受温度等环境的影  响[7]。理想条件下，种子生长势旺盛，酶活力强，催化能力亦强。本研究中最低温设置为20 ℃，是因为槟榔为忌低温的敏感性种子，加之槟榔发芽季平均温度为25～30 ℃;最高温设置为48 ℃，笔者在种果槟榔采摘后进行装袋堆沤（一般海南农户的种子处理方法），测定袋内温度，可高达50 ℃左右。温度高的原因主要是种子的呼吸作用、气候因素以及微生物发酵升温等，当种子贮藏置放不当极易引起高温损伤[8]。

在种子萌发方面，20 ℃常温处理槟榔种子有萌发，但发芽率为80%，种子长势一般;50 ℃处理种子萌发率为0;极限高温处理组合为34/43 ℃（日均温为37 ℃），发芽率为66.7%，种子长势差;最适于种子萌发及生长的温度范围为25/20～34/25 ℃（日均温为23.3～31 ℃），最佳的温度组合为29/25 ℃，这与棕榈种子萌发温度（30/20 ℃）较为接近[9]。由此计算出最佳萌发日积温范围为560～744 ℃?h，总萌发积温为7280～9672 ℃?h。

另外本研究还发现，槟榔种子温度交替变化处理比常温条件发芽效果好。实验中29/29和34/34 ℃日积温与25/34和38/25 ℃相似，但80%种子萌发率时间与生长势明显差别。类似的研究多见报道，恒温不利于羊草种子发芽[10]，变温能显著提高种子萌发率[11-14]，这可能是棕榈科大多数植物长期适应原生境的结果。关于变温促进种子发芽的机理目前尚未认识清楚，据分析可能与不同温度满足种子萌发不同生理过程有关。

POD、SOD和GR是植物体内清除自由基的重要保护酶。通常情况下，正常植株体内保护酶都具有较高的活性，可有效地清除细胞内的各种活性氧自由基。本研究中，SOD、POD、GR等酶协调一致，维持在一个相对高的稳定水平，从而防止生物自由基对细胞的毒害。本研究中种子萌发长势越好，酶活越强，反映了长势旺盛的种苗具有良好的防御系统。另外温梯度板的种子培养属于微逆境环境，无湿度控制，靠人为手动控湿，种子萌发相关酶活性也会随着环境条件而变化，曹红星等[15]、孙程旭等[16]、黄丽云等[17]和李佳等[18]以槟榔幼苗为试材开展低温、干旱、耐旱等抗逆性研究，表明在逆境条件下，随着胁迫程度的增加，抗氧化物酶活性均有不同程度的提高。本研究种子萌发过程会受湿度变化的影响，导致酶活变化，反映出不同温度处理种子自身生长调控的能力。

本研究探讨了温度对槟榔种子萌发的影响，明确了槟榔种子的最佳昼夜温度组合为29/25 ℃，最佳萌发恒温为23.3～31.0 ℃，日積温560～744 ℃?h，萌发积温不宜超过24 864 ℃?h。另外证实了槟榔种子变温交替处理比常温处理萌发效果好。

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