北乌头种子休眠解除过程中营养物质的代谢变化研究

樊东昌， 穆赢通， 张晓明， 吕丽娟， 李晓杰， 王俊杰

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 呼和浩特 010019)

北乌头(AconitumkusnezoffiiReichb.)毛茛科乌头属多年生草本植物[1]。北乌头为重要中(蒙)药材，中药用北乌头干燥块根入药，称附子，具有祛风除湿、温经止痛之功效。蒙药使用北乌头的干燥叶、幼芽、花和块根等部位入药，用于风寒湿痹、关节疼痛、心腹冷痛、寒疝作痛及麻醉止痛等[2]。目前北乌头主要依赖于野生资源，近几年野生资源的大量开采，导致野生资源越来越少。此外野生北乌头乌头碱含量差异较大，给临床用药带来极大困难，因此进行北乌头的引种栽培迫在眉睫。北乌头种子具有形态生理双休眠，萌发率较低，自然条件下从播种到出苗需要4～5个月，给北乌头引种栽培生产带来了巨大的困难[3]。萨如拉等[4]、张跃华[5]和樊亚妮[6]都对破除北乌头种子休眠的方法进行了探讨。北乌头休眠解除过程中的生理学基础研究较少。因此，本研究对北乌头种子休眠解除过程中的生理指标进行测定，揭示北乌头种子休眠解除的生理学基础，为北乌头种子休眠解除和萌发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2020年9月在内蒙古自治区赤峰市巴林右旗的赛罕乌拉自然保护区收获的野生草乌头种子，净度94.23%，千粒重1.524 7 g，含水量9.20%。

1.2 种子发芽培养

选取大小均一的种子，经0.5%高锰酸钾溶液浸泡30 min消毒处理后蒸馏水冲洗干净(Ⅰ阶段)。在40 ℃恒温箱中对预处理的种子进行吸胀，吸胀2 d后取样(Ⅱ阶段)；将吸胀完成的种子置于-5 ℃/4 ℃变温条件下进行层积培养，在层积的28 d(Ⅲ阶段)、42 d(Ⅳ阶段，露白)取样；待种子露白后，放置于15 ℃光照培养箱中催芽处理，7 d后取样(Ⅴ阶段，出苗)。

1.3 生理生化指标测定

采用蒽酮比色法进行可溶性糖含量、淀粉含量测定；采用考马斯亮蓝G-250法进行可溶性蛋白含量测定；采用比色法、Folin-酚法、氮蓝四唑(NBT)光化还原法、愈创木酚比色法和紫外吸收法分别对α-淀粉酶和β-淀粉酶、蛋白酶活性、超氧化歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)进行测定[7-8]。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel软件和SAS 9.1软件进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 种子萌发过程中抗氧化酶活性变化

北乌头种子SOD活性在休眠解除过程中呈先下降后上升再下降的趋势(图1)，从44.8 U/mg下降到33.8 U/mg，再上升到50.93 U/mg，最后下降到45.97 U/mg。草乌头种子的SOD活性在露白过程中持续增强。说明种子在露白的过程中产出大量活性氧。北乌头种子POD活性随处理时间呈一直上升的趋势，从10.58 U/(mg·min)上升到32.97 U/(mg·min)，说明POD在清除种子中的过氧化物，为种子的露白提供适宜条件。北乌头种子CAT活性在休眠解除过程中呈先升后降的趋势，从2.3 U/(mg·min)上升到8.27 U/(mg·min)，后下降至4.4 U/(mg·min)，说明草乌头种子在休眠末期CAT活性最旺盛，清除种子中的H2O2，为种子的露白做准备。

2.2 种子萌发过程中营养物质及相应酶活性

2.2.1种子萌发过程中营养物质的变化

淀粉是植物种子萌发过程中重要的营养物质，北乌头种子的淀粉含量在休眠解除过程中呈不断下降的趋势(图2)，从12.5 mg/g下降到4.93 mg/g，下降60.5%；在种子露白的过程中，淀粉含量显著下降，从7.3 mg/g下降到4.9 mg/g，下降32.4%，在出苗过程下降幅度较小，因为此时一部分种子可以进行光合作用积累淀粉。北乌头种子的粗脂肪含量为15.73%，在北乌头种子休眠解除过程中从15.73%下降到8%。粗脂肪的含量在吸胀过程中下降较快，后期下降比较平缓。北乌头种子可溶性糖含量在休眠解除过程中呈先上升后下降的趋势，北乌头种子可溶性糖含量在露白之前从13.47 mg/g升高到26.37 mg/g，升高了95.8%；从露白开始北乌头种子可溶性糖含量下降到14.63 mg/g，下降44.5%；说明北乌头种子在露白以前大量的大分子物质分解成可溶性糖，为北乌头种子的露白和出苗积累能量。北乌头种子可溶性蛋白含量呈下降趋势，从40.94 mg/g下降到22.92 mg/g。在种子发育过程中大量的可溶性蛋白被消耗，给种子发育提供能量和氨基酸。

图2 休眠不同阶段北乌头种子营养物质含量

2.2.2种子萌发过程中酶活性的变化

α-淀粉酶和β-淀粉酶在淀粉分解过程中起重要的作用。北乌头种子α-淀粉酶和β-淀粉酶活性随处理时间呈先升后降的趋势，在露白以前α-淀粉酶从361 μg/(g·min)(FW)上升到500 μg/(g·min)(FW)，β-淀粉酶活性从513 μg/(g·min)(FW)上升到749 μg/(g·min)(FW)。出苗阶段北乌头种子两种淀粉酶活性均轻微下降。北乌头种子蛋白酶活性在休眠解除过程中呈一直上升的趋势(图3)，从1.25 μmol/(g·h)上升到1.7 μmol/(g·h)，升高36%。酸性磷酸酶在种子分解脂肪的过程中起重要的作用。北乌头种子的酸性磷酸酶活性在休眠解除过程中一直上升，从1.67 nmol/(min·mg)上升到4.13 nmol/(min·mg)，此外在露白阶段酸性磷酸酶活性上升最大，这是因为在露白阶段种子需要大量的能量。

图3 休眠不同阶段北乌头种子酶活性

3 结论与讨论

种子休眠和萌发是静态胚向动态胚的转化，在休眠解除的过程中种子中的大分子营养物质被各种酶转化成可被吸收的小分子营养物质[9]。本研究测定北乌头种子脂肪含量为15.73%，不属于油性种子，粗脂肪含量在吸胀过程中下降较快，这与孙海燕等[10]的研究结果一致。在休眠解除过程中北乌头粗脂肪含量从15.73%下降到8%，说明粗脂肪的分解在北乌头种子休眠解除过程中起重要的作用。北乌头种子淀粉含量为12.5 mg/g，在休眠解除过程中下降到4.93 mg/g。在露白阶段下降较出苗阶段快，因为出苗后一部分北乌头可以进行光合作用，北乌头淀粉得到了补充，这与赵婕等[11]、居萍等[12]的研究结果一致。可溶性糖是为种子提供能量的直接底物[13]，在本研究中露白以前可溶性糖含量一直增加，这是因为随着休眠的解除，粗脂肪和淀粉被分解成可溶性糖，北乌头种子可溶性糖的利用速率小于生产速率。在露白阶段和出苗阶段可溶性糖又开始下降，这是因为胚根和子叶的生长消耗了大量的可溶性糖。可溶性蛋白为种子的萌发提供氮源和能量，本研究中可溶性蛋白含量一直平缓下降。在北乌头种子休眠解除过程中营养物质的含量虽然下降趋势不同，但都为种子休眠的解除提供能量。

种子休眠的解除除了依靠营养物质的变化，还需要酶的作用。北乌头休眠解除过程中虽然3种抗氧化酶活性变化趋势不同，但在种子露白和出苗产生大量氧自由基的过程中三者都增加，清除自由基保护种子。这与孙晓梅等[14]研究结果一致。淀粉酶在淀粉的分解中起重要的作用，本研究中淀粉酶活性在露白阶段一直上升，在出苗阶段略微下降。蛋白酶和酸性磷酸酶在北乌头种子休眠解除过程中一直上升，这与可溶性蛋白和粗脂肪的变化相对应，与戴萍[13]研究结果一致。