不同物理处理方法对新疆紫草种子萌发特性的影响

丁晓霞，马生军，杨建波，马留纯，李淑珍，范金蕾，宋婷婷

1.新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052；2.中国食品药品检定研究院中药民族药检定所，北京100050

新疆紫草［Arnebia euchroma（Royle） Johnst］是紫草科多年生草本植物，生长于海拔2000～4200 m 高山草甸或向阳坡地，集中分布于新疆天山山脉有限的区域[1]。虽然对新疆紫草的历史记载甚少，但是因其资源丰富，品质最佳，现已成为商品紫草的主要来源。新疆紫草的根粗壮，外表紫红色，作为中药在《本草纲目》中以解表凉血、清热解毒、活血化瘀等广谱疗效被列为上品[2]。由于新疆紫草色素的色价高、附着力强，并具有较强的吸收紫外辐射的功能，被誉为红色素之王，具有广泛的应用价值[3]。

目前尚未见关于新疆紫草种子及其萌发过程中酶类物质变化的报道[4-5]。在本研究中，我们比较了新疆紫草种子在不同物理处理条件下的发芽情况，并对其萌发过程中过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）酶活力的变化进行探讨，以期为下一步人工大面积栽培提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新疆紫草种子分别于2016、2017 年采自新疆巴音郭楞蒙古族自治州和静县成熟果实；供试基质河沙购自新疆乌鲁木齐市明珠花卉市场。

1.2 方法

选取结构完整、均匀饱满的新疆紫草种子，分别设置不同贮藏时间（1、2 年）、不同光照（白炽灯光照、半遮荫、全遮荫）、不同温度［室温，60℃、90℃、110℃短时高温（5 min）］，然后在清水中浸泡24 h 后播种于河沙中，于光照培养箱中（25±1）℃全天光照培养。观察每日发芽情况，记录相关发芽指标[6-10]。同时，于种子置床后第11 d 开始发芽时测定CAT、POD、SOD 活力，直至种子停止发芽，共21 d。每个处理设3 个重复，每个重复30 粒种子。

1.3 指标测定

种子置于培养皿中，于恒温培养箱中培养21 d，待培养皿中露第一个芽尖起（1～2 cm），记录该培养皿中每天的发芽率。发芽率指在规定条件下（21 d 内）能正常发芽的种子数占提供检测的种子总数量的百分数。每日发芽率是指在规定条件下（21 d）当日发芽的种子数占提供检测的种子总数量的百分比。

试验结束后，每个处理随机选取8 株幼苗（不足8 株，则每株均测定），用毫米直尺测量幼苗根长，计算平均值，作为评价幼苗生长情况的依据。

1.4 酶活力测定方法

参考李合生等的方法，采用紫外吸收法、愈创木酚法、氮蓝四唑光化还原（NBT）法，分别测定CAT、POD、SOD 活力，并做合理性修改[11]。

1.5 数据处理

采用WPS Excel 2019 和SPSS Statistics 17.0进行做图和数据统计分析。

2 结果

2.1 不同贮藏时间对新疆紫草种子萌发特性的影响

不同贮藏时间新疆紫草种子萌发过程中生长指标的统计结果见表1，CAT、POD、SOD 活力变化见图1。

由表1 可知，贮藏1 年和2 年的新疆紫草种子总发芽数、发芽率间存在显著性差异（P＜0.05），而根长间差异不显著。贮藏2 年的种子发芽率为63.33%，相比贮藏1 年的种子发芽率（74.11%）下降了10.78%。由此说明，贮藏年限对新疆紫草种子的萌发存在一定的影响，种子贮藏年限越短发芽率越高。

由图1 可知，贮藏1 年的新疆紫草种子日均发芽率略高于贮藏2 年的种子，贮藏1 年和2 年的种子最大日均发芽率分别为5.33%、4.00%，二者相差1.33%。贮藏2 年的种子从第17 d 开始停止萌发，萌发持续时间7 d；而贮藏1 年的种子从第21 d 开始停止萌发，萌发持续时间11 d，其萌发持续天数也较前者更长。还可以看出，不同贮藏时间下新疆紫草种子萌发过程中CAT、POD、SOD活力整体呈现先上升后下降的趋势，且在相同时间贮藏1 年的种子3 种酶的活力均高于贮藏2 年的种子。CAT、POD、SOD 活力除贮藏1 年的种子其SOD 活力最大值在发芽后第7 d 外，其余均出现在发芽后第5 d。贮藏1 年和2 年的新疆紫草种子的CAT 活力最大值分别为78.88、65.79 U/（g·min），贮藏1 年的种子比2 年的高13.09 U/（g·min）；POD 活力最大值分别为100.86、69.79 U/（g·min），贮藏1 年的种子比2 年的高31.07 U/（g·min）；SOD 活力最大值分别为78.67、65.79 U/g，贮藏1 年的种子比2 年的高12.88 U/g。

表1 不同贮藏时间对新疆紫草种子萌发的影响（x±s，n=3）

图1 不同贮藏时间新疆紫草种子萌发过程中CAT（A）、POD（B）、SOD（C）活力的变化

2.2 不同光照处理对新疆紫草种子萌发特性的影响

不同光照处理贮藏1 年的新疆紫草种子萌发过程中生长指标的统计结果见表2，CAT、POD、SOD 酶活力变化结果见图2。

由表2 可知，白炽灯光照、半遮荫和全遮荫处理的新疆紫草种子总发芽数、发芽率间存在显著性差异（P＜0.05）；白炽灯光照和半遮荫处理间根长不存在显著性差异，但全遮荫处理与前二者间差异显著（P＜0.05）。白炽灯光照处理的种子发芽率最高为78.89%，其次为半遮荫处理为53.33%，全遮荫处理的种子发芽率最低仅为10.00%，相比白炽灯光照和半遮荫处理的种子其发芽率分别下降了68.89%、43.33%；白炽灯光照和半遮荫处理的种子根长分别为6.89、5.03 cm，是全遮荫处理种子根长（1.93 cm）的3.57 倍和2.61 倍。由此说明，光照和适度的遮荫处理（半遮荫）对新疆紫草种子的发芽有利，而全遮荫处理将严重阻碍其种子的萌发。

表2 不同光照处理对新疆紫草种子萌发的影响（x±s，n=3）

图2 不同光照处理新疆紫草种子萌发过程中CAT（A）、POD（B）、SOD（C）活力的变化

由图2 可知，全遮荫处理的新疆紫草种子日均发芽率在刚开始发芽阶段与白炽灯光照和半遮荫处理基本相同，但随着发芽时间的延长其日均发芽率持续下降，于发芽后第7 d 停止发芽不再有新的种子萌发；而白炽灯光照和半遮荫处理的种子日均发芽率则是先随发芽时间的延长持续增加，到第15 d 后才开始下降，且发芽持续天数也较全遮荫处理更长。还可以看出，不同光照处理下新疆紫草种子萌发过程中CAT、POD、SOD活力整体亦呈现先上升后下降的趋势，且在相同时间3 种酶活力依次为白炽灯光照＞半遮荫＞全遮荫处理。白炽灯光照和半遮荫处理的CAT、POD、SOD 活力最大值均出现在发芽后第5 d，而全遮荫处理的种子3 种酶活力最大值均出现在发芽后第3 d。各处理3 种酶活力最大值均为白炽灯光照＞半遮荫＞全遮荫处理，从大到小CAT 活力最大值分别为152.21、117.13、67.86 U/（g·min），白炽灯光照和半遮荫处理的种子比全遮荫处理的种子分别高84.35、49.27 U/（g·min）；POD 活力最大值分别为329.27、256.52、139.51 U/（g·min），前两者比后者分别高189.76、117.01 U/（g·min）；SOD 活力最大值分别为117.43、57.94、28.44 U/g，前两者比后者分别高88.99、29.50 U/g。

2.3 不同温度处理对新疆紫草种子萌发特性的影响

不同温度处理贮藏1 年的新疆紫草种子萌发过程中生长指标的统计结果见表3，CAT、POD、SOD 酶活力变化结果见图3。

由表3 可知，60℃短时高温和室温、90℃短时高温处理的新疆紫草种子间总发芽数不存在显著性差异，但与110℃短时高温间差异显著（P＜0.05）；60℃短时高温和其他3 个处理的种子发芽率间存在显著性差异（P＜0.05）；60℃短时高温处理的种子根长与室温、90℃、100℃短时高温3 个处理间存在显著性差异（P＜0.05）。60℃短时高温处理的种子发芽率最高为81.11%，其次室温处理为76.49%，110℃短时高温处理的种子发芽率最低为46.00%，相比60℃短时高温和室温处理的种子其发芽率分别下降了35.11%、30.49%；60℃短时高温和室温处理的种子根长分别为6.96、5.59cm，是110℃短时高温处理种子根长（4.45 cm）的1.56 倍和1.26 倍。由此说明，适度的短时高温处理（60℃）对新疆紫草种子的发芽有促进作用，而处理温度过高则会抑制其种子的萌发。

表3 不同温度处理对新疆紫草种子萌发过程的影响（x±s，n=3）

图3 不同温度处理新疆紫草种子萌发过程中CAT（A）、POD（B）、SOD（C）活力的变化

由图3 可知，室温和60℃、90℃、110℃短时高温处理的新疆紫草种子日均发芽率整体上呈先升高后下降的趋势；室温和60℃、90℃短时高温处理的种子于开始发芽后第11 d 停止发芽不再有新的种子萌发，而110℃短时高温处理的种子则于开始发芽后第9 d 停止萌发，其发芽持续时间与前3 者相比更短。还可以看出，不同温度处理下新疆紫草种子萌发过程中CAT、POD、SOD 活力整体亦呈现先上升后下降的趋势，且相同时间3种酶活力均为60℃短时高温处理的种子最高，110℃短时高温处理的种子最低。CAT、POD、SOD活力最大值出现时间变化不一，其中CAT 活力最大值为60℃短时高温＞90℃短时高温＞室温＞110℃短时高温处理，从大到小CAT 活力最大值分别为70.03、57.83、40.72、31.62 U/（g·min），60℃短时高温处理的种子比110℃处理的种子高38.41 U/（g·min）。POD 和SOD 活力最大值则为60℃短时高温＞室温＞90℃短时高温＞110℃短时高温处理，从大到小POD 活力最大值分别为166.60、148.41、138.79、73.26 U/（g·min），60℃短时高温处理的种子比110℃处理的种子高93.34 U/（g·min）；SOD活力最大值分别为156.23、146.42、140.25、64.87 U/g，60℃短时高温处理的种子比110℃处理的种子高91.36 U/g。

3 讨论

过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶一起被称为酶保护系统[12]。CAT 是生物演化过程中建立起来的生物防御系统的关键酶之一，它可以催化细胞内过氧化氢的分解。POD 是一类以过氧化氢为底物，氧化其他化合物的氧化还原酶，它存在于植物从萌发到衰老的整个生长发育过程，参与植物的生长代谢，木质素、细胞壁的生物合成，对植物的生长起到促进作用[13]。SOD 是活性氧清除反应中的参与者，在抗氧化酶系统中处于核心地位，广泛分布于植物细胞中[14]。因此，在种子萌发过程中普遍以这3 种酶活性的变化来衡量植物种子的发芽情况。

在种子萌发前期，酶活性普遍较低，表明种子内各种酶都在积蓄为种子的萌发做准备，随着种子的持续萌发其活性逐渐提高，继而促进种子的发芽[15]。本研究结果表明，新疆紫草种子萌发过程中CAT、POD、SOD 的活力整体呈先上升后下降的趋势，在3 种酶活性增加过程中日均发芽率也逐渐增加，种子发芽率也相应增大。新疆紫草种子贮藏1 年时的发芽率明显高于贮藏2 年的种子，其对应的3 种酶活力也相对更高，说明酶作为一类具有催化能力的蛋白质其催化作用具有一定的时效性，CAT、POD、SOD 促进种子发芽的作用会随贮藏时间的延长而不断下降。酶活力受多种因素的调节控制，有些酶的活性与辅助因子密切相关，光合作用、呼吸作用均离不开酶的参与，反之酶活性的大小亦受光照强弱的影响[16]。新疆紫草种子在白炽灯光照处理时其发芽率和3种酶的活性较半遮荫和全遮荫处理更高，说明白炽灯全天光照培养能更好地激活种子内3 种酶的活性，继而促进其种子的萌发。酶具有易变性失活的特性，尤其在受到外界高温、高压、强酸等因素影响时其结构会发生改变，不同植物体内酶的最适温度也不相同[16]。新疆紫草种子在60℃短时高温处理时发芽率显著高于室温和90℃、110℃短时高温处理便很好地证明了这一点，说明在该温度范围内其3 种酶的活性更强、酶促反应速度更大，对种子萌发的促进作用也更明显。

综上，贮藏1 年、白炽灯光照和60℃短时高温处理的新疆紫草种子发芽率更高、酶活力更大、长势也相对更好，综合考虑可作为促进其种子萌发的最佳物理处理方法推广应用。