微量元素对远志种子萌发及幼苗生理活性的影响

刘 佳，伊文博，高志忠，赵婉清，田洪岭，张虎芳

（1. 忻州师范学院生物系，山西 忻州 034000；2. 山西省农业科学院经济作物研究所，山西 汾阳 032200）

0 引言

【研究意义】远志（Polygala tenuifoliaWilld）以根入药，具有安神益智、交通心肾、祛痰、消肿等功效[1]。现代药理学研究发现，远志还在增强记忆[2,3]、消除自由基抗衰老[4-7]、调节血脂[8-9]血压[10]、保护心血管[11-13]、促进细胞凋亡抗癌变[14-15]等方面起到很好的作用。近年来，大众保健意识逐年增强，对中药和以中药材为原料的食品、保健品消费的快速增长，使得市场对中药材的需求量逐年上升[16]。远志约3年的长生长期使其野生资源无法满足市场需求，而人工栽培技术的不成熟导致远志种子的发芽率低、出苗质量低且不整齐，严重制约远志种植技术的发展。【前人研究进展】近年来，对远志种子的研究，主要是关于种子的储存、逆境、外源激素诱导后体内物质的变化等方面。对萌发的研究，主要是通过简单改变外界环境因素进行。赵停等研究表明，红光下远志种子的发芽指标及幼苗的生长指标高于白光，而光照强度对其无影响[17]。崔芬芬等研究发现，远志种子萌发的最适宜温度为20～30 ℃[18]。王晶等使用不同浓度的高锰酸钾、H2O2、6-BA溶液浸种，发现1.5%的高锰酸钾浸种15 min后萌发效果最好[19]。黄涛等使用4种外源激素浸泡12 h后，发现远志经150 mg·L-1GA3处理后，种子发芽整齐，出苗一致[20]。彭亮发现远志种子在萌发过程中，耐干旱能力强[21]。种子萌发是植物生命周期中最关键的阶段[22]，微量元素在植物体内含量虽然很少，却是维持正常生命活动不可或缺的物质，对种子的萌发起着关键的调节作用。当前，对远志种子萌发的研究处理单一，且仅以株高、根长等萌发指标来进行评价，但在种子萌发的过程中，多种微量元素是共同作用于萌发的各个环节的，因此通过研究多种微量元素对远志种子萌发的生理过程的影响，能够更准确地反映出田间远志种子质量及出苗的优劣，为提高远志的栽培种植效率奠定基础。【本研究切入点】多种微量元素对远志种子萌发的生理过程的影响有待深入探讨。【拟解决的关键问题】选用4种微量元素，配比不同浓度进行试验，测定种子萌发和幼苗生理活性指标的变化，综合评价，探索提高种子出苗能力的新技术，以期为远志的规范化高产栽培技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

远志种子，经山西农业大学经济作物研究所田洪岭副研究员鉴定为远志（Polygala tenuifoliaWilld）并由该所提供。

1.2 试验方法

挑选籽粒饱满、大小一致的远志种子，10%NaClO浸泡消毒15 min后，蒸馏水多次冲洗，晾干。配制不同质量浓度Fe、Mn、B、Mo的溶液，质量浓度梯度为：Fe：20、40、60、80、100 mg·L-1（硫酸亚铁配 置）；Mn：50、100、150、200、250 mg·L-1（硫酸锰配置）；B：0.5、1、1.5、2、2.5 mg·L-1（四硼酸钠配置）；Mo：10、20、30、40、50 mg·L-1（钼酸铵配置）。

每个处理将200粒种子放入铺有双层滤纸的培养皿中（直径=9 cm），加入10 mL不同质量浓度的溶液，以加入同等量的蒸馏水作为对照，3次重复。在25 ℃的光照培养箱中进行试验[18]，观察种子萌发情况并测量记录，7 d后测定幼苗生理指标。

1.3 试验指标测定

1.3.1 种子萌发指标测定 每天观察记录远志种子的萌发状况，计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数。

发芽指数（GI）=ΣGt/Dt，其中，Gt为在t天的发芽种子数，Dt为相应的种子发芽天数。

活力指数（VI）=SGt/Dt，其中，S为幼苗生长势（根的平均鲜重）。种子浸种第7天时测定根长、鲜重。

1.3.2 幼苗生理指标测定 培养一周后，从发芽数已经稳定的远志幼苗中选取新鲜叶片进行测定。叶绿素含量采用丙酮提取比色法、脯氨酸含量采用茚三酮法、可溶性糖含量采用蒽酮比色法、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT法、过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法、过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定[23]。

1.4 数据统计与分析

根据各个指标相应的公式在EXCEL里进行计算，使用SPSS Statistics 25.0对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 Fe、Mn、B、Mo对远志种子萌发及生长的影响

由表1可以看出，4种不同质量浓度的微量元素对远志种子的3个萌发指标均有不同程度的影响。随着质量浓度的逐渐升高，发芽率、发芽指数、活力指数，均呈现出先增大后减小的趋势。Fe元素处理后，0～60 mg·L-1范围内，3个指标均高于对照，40 mg·L-1时分别达到最高，依次为对照的1.07、1.14、1.18倍。超过这一质量浓度后，3个指标均开始下降，但发芽率仍高于对照，差异显著。Mn元素处理后，0～150 mg·L-1范围内，3个指标全部差异显著，150 mg·L-1时均达到最大值，依次为对照的1.08、1.12、1.19倍。高于这一质量浓度后，数值下降，但发芽率和发芽指数仍然高于对照，且差异显著。发芽率和发芽指数的适宜范围更广。B元素处理后，0.5～1.5 mg·L-1范围内，3个指标数值均高于对照，在1 mg·L-1时，达到最大值，分别为对照的1.03、1.06、1.20倍。随后质量浓度以0.5 mg·L-1的含量递增时，指标开始下降，当质量浓度为2.5 mg·L-1时，下降程度最大，仅为对照的0.95、0.77、0.65倍。Mo元素处理后，0～40 mg·L-1范围内，3个指标逐渐升高到最大值，为对照的1.05、1.06、1.13倍，差异显著，随后数值下降，但发芽指数仍高于对照。发芽率可以直观反映出种子发芽能力的强弱[24]，发芽指数体现了种子的活力强弱及整齐程度[25]，而活力指数则综合反映发芽速率与植物幼苗的生长势[26]。结果表明，4种微量元素在低质量浓度时对远志种子的萌发有一定的促进作用，高质量浓度时对种子萌发 产 生 抑 制。且 在40 mg·L-1Fe、150 mg·L-1Mn、1 mg·L-1B、40 mg·L-1Mo时，萌发效果最好，其中150 mg·L-1Mn处理后发芽率为4种元素中最高，40 mg·L-1Fe为发芽指数最高，1 mg·L-1B时种子活力最大。

表1 4种微量元素对远志种子萌发及生长的影响Table 1 Effects of trace elements on seed germination and seedling growth of P. tenuifolia

4种不同质量浓度的微量元素对远志种子根长和鲜重的影响不同，其中对根长的影响为随着质量浓度升高，根长先增大后减小，Fe元素处理后0～60 mg·L-1的范围内促进根的生长。Mn、B、Mo三种微量元素处理后，在各自质量浓度的试验范围内，根长均大于对照，均对根的生长有促进作用。其中，150 mg·L-1Mn、1 mg·L-1B、40 mg·L-1Mo时，达到最长，分别比对照增长了8.09、12.42、4.99、4.15 mm。4种微量元素对鲜重的影响趋势相同，先上升后下降，40 mg·L-1Fe、150 mg·L-1Mn、1 mg·L-1B、40 mg·L-1Mo时，重量最高，分别高于对照0.65、1.09、2.14、1.09 mg。其中Mn在试验全质量浓度范围内的种子鲜重均高于对照。结果表明，远志的主要药用成分来自根，通过不同微量元素处理后，低质量浓度时对根的生长具有强烈的促进作用，高质量浓度时抑制根类生长。其中150 mg·L-1Mn处理后，根系生长最长，达19.56 mm，利于吸收水分和营养物质，促进远志生长。不同微量元素对远志鲜重的促进作用不明显，差异均不显著，可能是由于种子萌发前期中需要消耗体内的营养物质，为萌发提供能量。

2.2 Fe、Mn、B、Mo对远志幼苗生理活性的影响

2.2.1 Fe、Mn、B、Mo对远志幼苗叶绿素的影响 不同质量浓度的Fe元素处理后，叶绿素含量均高于对照，差异显著，0～60 mg·L-1时，叶绿素含量逐渐增加，最高为对照的4.83倍，超过此质量浓度后，叶绿素含量减少（图1）；不同质量浓度Mn元素处理后，叶绿素含量与对照相比差异显著，随着质量浓度升高，叶绿素含量先增加后减少，150 mg·L-1时，含量最高，为对照的3.0倍（图2）；不同质量浓度B元素处理后，0.5～1.5 mg·L-1时，叶绿素含量高于对照，最高为对照的1.13倍，高于1.5 mg·L-1后，叶绿素含量下降，低于对照，最低仅为对照的49%（图3）；不同质量浓度Mo元素处理后，叶绿素含量先升高后降低，20 mg·L-1时最高，为对照的1.55倍，最高质量浓度时，叶绿素低于对照（图4）。结果表明，Fe、Mn、B 、Mo四种微量元素，一定质量浓度范围内可以促进叶绿素的生成，较高质量浓度产生抑制。B元素可促进叶绿素含量的质量浓度范围较窄。60 mg·L-1Fe对幼苗叶绿素的生成作用最强。

图1 微量元素铁对远志幼苗叶绿素含量的影响Fig. 1 Effect of Fe on chlorophyll content of P. tenuifolia seedlings

图2 微量元素锰对远志幼苗叶绿素含量的影响Fig. 2 Effect of Mg on chlorophyll content of P. tenuifolia seedlings

图3 微量元素硼对远志幼苗叶绿素含量的影响Fig. 3 Effect of B on chlorophyll content of P. tenuifolia seedlings

图4 微量元素钼对远志幼苗叶绿素含量的影响Fig. 4 Effect of Mo on chlorophyll content of P. tenuifolia seedlings

2.2.2 Fe、Mn、B、Mo对远志幼苗脯氨酸的影响 由表2可知，4种微量元素对远志幼苗体内脯氨酸的影响各不相同。随着Fe、Mn质量浓度的逐渐升高，脯氨酸含量逐渐升高，均高于对照，差异显著，100 mg·L-1Fe、250 mg·L-1Mn时含量最高，为对照的1.20、1.41倍。B、Mo处理后，脯氨酸的含量与其质量浓度之间没有相关性，无论质量浓度如何变化，脯氨酸的含量变化很小，均低于对照，差异不显著。结果表明，Fe、Mn对脯氨酸的生成起促进作用，远志种子在较低质量浓度时就可以促进脯氨酸的产生，在试验质量浓度的范围内，脯氨酸含量一直上升，说明脯氨酸的产生机制对Fe、Mn有较高含量的耐受性；B、Mo处理后对脯氨酸的含量无显著影响。

表2 4种微量元素对远志幼苗脯氨酸、可溶性总糖的影响Table 2 Effects of trace elements on proline and total soluble sugar in P. tenuifolia seedlings

2.2.3 Fe、Mn、B、Mo对远志幼苗可溶性总糖的影响 由表2可知，4种微量元素对远志可溶性总糖的影响，均呈现出先升高后降低的趋势。其中，Fe、Mn处理后，含量增长很少，当Fe质量浓度超过40 mg·L-1、Mn质量浓度超过150 mg·L-1时，总糖含量快速降低，最低时比对照减少43.56%、43.19%。B、Mo处理后，可溶性总糖含量逐渐增加，当质量浓度为1.5 mg·L-1B、40 mg·L-1Mo时，含量达到最高，分别高于对照65.75%、47.01%，超过这一质量浓度含量下降，但仍高于对照。结果表明，4种微量元素适宜质量浓度时，对可溶性总糖的产生起促进作用，高质量浓度时出现抑制。其中，Fe、Mn对可溶性糖的促进作用较弱，B、Mo对可溶性总糖的促进作用强，1.5 mg·L-1B处理后对远志幼苗可溶性总糖含量的促进作用最强。

2.2.4 Fe、Mn、B、Mo对远志幼苗抗氧化酶的影响 Fe元素处理后，SOD、POD、CAT酶活性趋势相同，随着质量浓度升高，3种酶活性先升高后降低，40 mg·L-1时，酶活性最高，分别是对照的1.43、1.10、2.59倍。高于40 mg·L-1后，酶活性降低，逐渐低于对照（图5）。Mn元素处理后SOD、POD、CAT酶活性趋势相同，随着质量浓度升高，3种酶活性先升高后降低，质量浓度为150 mg·L-1时，酶活性最高，达192.03 U·g-1、150.99 U·g-1·min-1、50.76 U·g-1·min-1，超出这一范围后，酶活性开始下降，SOD、POD的酶活性仍高于对照，CAT酶活性除最高浓度外，全部低于对照。（图6） B元素处理后，SOD、POD、CAT酶活性变化趋势相同，随着质量浓度的升高，酶活力逐渐增大，1.5 mg·L-1时，达到最大值，分别是对照的1.08、1.11、2.12倍，随后酶活力开始下降，到2.5 mg·L-1时，酶活力最低，但仍高于对照（图7）。Mo元素处理后，POD、CAT酶活力随质量浓度变化呈现先升高后降低的趋势，与对照相比差异显著，40 mg·L-1时，活力指数最高，分别为对照的1.32、1.97倍。SOD酶活力，随着质量浓度升高，活力增大，试验的质量浓度范围内，其活力值均低于对照。综合来看，150 mg·L-1Mn处理后SOD和POD酶活性最高，远志幼苗体内分别为192.03 U·g-1、150.99 U-1·g·min-1；40 mg·L-1Fe处理后CAT酶活性最高，高于对照123.82 U·g-1·min-1（图8）。

图5 微量元素铁对远志幼苗抗氧化酶活性的影响Fig. 5 Effect of Fe on antioxidant enzyme activity of P.tenuifolia seedlings

图6 微量元素锰对远志幼苗抗氧化酶活性的影响Fig. 6 Effect of Mg on antioxidant enzyme activity of P.tenuifolia seedlings

图7 微量元素硼对远志幼苗抗氧化酶活性的影响Fig. 7 Effect of B on antioxidant enzyme activity of P. tenuifolia seedlings

图8 微量元素钼对远志幼苗抗氧化酶活性的影响Fig. 8 Effect of Mo on antioxidant enzyme activity of P.tenuifolia seedlings

结果表明，Fe和B低质量浓度时可以增强3种抗氧化酶活性，高质量浓度时酶活性受到抑制，40 mg·L-1Fe和1.5 mg·L-1B时酶活力最高，Fe元素对CAT酶活性促进作用最强。Mn低质量浓度时可以促进SOD和POD酶活性的增加，高质量浓度时抑制酶活力，150 mg·L-1时对SOD和POD的促进作用最强。Mo元素低质量浓度时可以促进POD和CAT酶活力，高质量浓度时抑制活性。

3 讨论与结论

微量元素对种子萌发的各个环节都起到了作用，如呼吸作用、水分代谢、光合作用、酶和激素等，都对种子萌发产生影响[27]。因此本研究综合多个指标，对4种微量元素在远志萌发及幼苗生长过程中的影响进行综合评价。

Fe、Mn、B、Mo处理后对传统发芽指标、根长及鲜重均具有促进作用，这与Cairns[28]、毛仁俊[29]、王晶[19]等的研究结果一致。其原因可能是种子萌发初期，通过吸收水分及微量元素，打破休眠[30]，加速种子内部新陈代谢、使细胞迅速分裂和伸长，释放大量能量，伸出种皮，促进根系吸收营养物质为幼苗的生长做准备。从幼苗生长阶段的物质和能量代谢来看，不同微量元素对种子萌发的生理过程有着不同方面的影响。Fe（60 mg·L-1）处理后幼苗叶绿素含量（19.89 mg·L-1）增加最显著，其原因可能是Fe在植物中以Fe2+的形式存在于叶绿体中，直接参与叶绿素的形成及光合作用[31]。脯氨酸是一种渗透调节物质，当受到胁迫后，才会大量积累。本试验中B、Mo处理后脯氨酸含量没有变化可能因为设置的质量浓度值不构成胁迫。植物体内可溶性糖的主要成分是蔗糖，其含量的高低可以反映植物同化物供应能力的高低[32]。B与Fe和Mn等微量元素不同，不参与酶的形成、电子传递，也没有氧化还原能力[33]。但B可以参与植物体内糖类的运输，促进碳水化合物的生成与运输，提供给植物生长发育最旺盛的部位[29]。本试验发现B（1.5 mg·L-1）处理后幼苗可溶性糖（158.05 %）含量最高，这与前人研究结果一致[34]。随着幼苗的生长，不断发育的新的细胞器会出现越来越多的活性氧产生点[35]，抗氧化酶可以减轻这些活性氧对植物细胞的伤害，加快清除多余活性氧的速度，从而缓解植物体内的氧化伤害[36]。Fe和B处理后可以显著提高3种抗氧化酶的活性，其原因是Fe位于酶结构的活性部位，当Fe含量适宜时，可以促进体内氧化还原作用，加速电子传递，呼吸作用增强[33]。B可以激活质膜离子通道，参与膜融合过程，保持质膜的选择透性，维持细胞质膜的结构和功能的完整[34]。

种子萌发和幼苗的生成是植物能够正常繁殖的决定因素，具有重要的经济和生态意义[22]。其过程非常复杂，受多种物理因素和化学因素的影响[37-39]。本试验结果表明，适量的Fe、Mn、B、Mo，可以提高发芽率、发芽指数、活力指数，促进根的生长，增加鲜重，增加叶绿素的合成以及可溶性总糖的积累，提高抗氧化酶的活性。通过影响种子的种质活化和新陈代谢重建等生理生化活动，促进了远志种子的萌发及幼苗生长。种子萌发时期的生长状况直接影响作物以后的产量和质量。因此，科学合理的定量施用微量元素，充分发挥其在种子萌发时的巨大作用，意义重大。