不同品种小麦种子萌发及幼苗发育对外源过氧化氢处理的响应

周亚洁，陈朋，周鑫惠，沈海燕，胡春红

（周口师范学院生命科学与农学学院，河南 周口 466001）

小麦作为中国农业和人口增长大国的主要品种和粮食作物，与人们的日常生活息息相关，其种植的面积和分布区域范围已经遥遥领先于其他农作物。小麦的产量和质量对人们日常生活水平有着重要影响，而且其种子萌发状况和幼苗的生长发育情况是保证小麦产量和质量最为关键的环节之一［1］。

近年来，有关过氧化氢在农业领域的研究也越来越多，对植物生理变化的研究有了很大的进展，不论是内源性还是外源性过氧化氢，均可作为信号分子，参与植物体内众多生理过程，对植物的生长、发育、衰老、防御反应及抗逆性均有重要的影响［2］。过氧化氢属于活性氧成员，参与调控植物对逆境胁迫的响应，但过量积累就会破坏生物大分子，从而对植物细胞造成质膜氧化损害［1］。有研究表明，适宜浓度的过氧化氢对重金属逆境胁迫下的植物损伤有一定的缓解效果，表现为“低浓度促进，高浓度抑制”效果［3］；作为氧化剂，过氧化氢具有表面杀菌和提高种子发芽率的作用，适量浓度的外源过氧化氢对植物种子萌发和幼苗生长发育起着促进作用［4，5］。但到目前为止，比较不同品种的同一作物对外源过氧化氢处理敏感性的探究鲜见报道。为此，本试验研究过氧化氢处理下3种小麦种子萌发和幼苗发育的情况，并借助一些形态指标和生理指标的测定，初步了解其相关生理机制，比对不同品种小麦对过氧化氢响应的敏感性，其研究结果对于农业生产中提高小麦出芽率及促进苗期幼苗生长发育提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料处理

种子消毒处理：以中国春（国家级供小麦细胞遗传研究用的小麦标准栽培品种）、Fielder（目前科研领域的瞬时遗传转化系统用小麦品种之一）、周麦36（周口农业科学院培育的一种农艺性状优良的地方特色品种）3种小麦为试验材料。选用子粒饱满、大小均一的3种小麦种子各300粒，分别置于3个培养皿中。用去离子水先冲洗种子数次后，用75%乙醇消毒4 min，用5%的NaClO溶液浸泡消毒20 min，最后以去离子水冲洗4～5次。

过氧化氢浸种处理：取上述消毒后的种子，以25粒种子/皿的浓度将种子均匀点播在含有3层滤纸的培养皿中，分别用浓度梯度为0.0、0.1、0.3、0.6、0.9、1.2 μmol/L的过氧化氢溶液浸种，每个浓度下做3个重复，置25℃恒温培养箱中避光培养12 h。

播种：将上述过氧化氢浸种处理后的种子用去离子水冲洗后，在25℃恒温恒湿培养箱中继续培养，并于第2天开始，每天定时观察并记录种子的萌发情况［3］。

苗期过氧化氢处理：同上述种子消毒及培养方法（过氧化氢未处理），待种子萌芽3 d后移至常温下进行培养，培养至第4天，挑选发芽正常并长势一致的小麦幼苗，移栽至泡沫漂板上，分别置于浓度为0、0.1、0.3、0.6、0.9、1.2 μmol/L的过氧化氢溶液中水培，幼苗根基部以下做好遮光处理，幼苗根基部以上正常光照培养。在第3天和第6天测其株高并观察发根情况，在第7天称其整体鲜重，待幼苗长至二叶一心（即10天）测定相应生理指标。

1.2 试验方法

1.2.1 小麦种子萌发率测定胚根突破种皮视为种子萌发的标志，在小麦种子萌发第3天，统计种子发芽势，第7天计算种子发芽率［6］。

1.2.2 小麦幼苗形态指标测定从幼苗茎基部到叶子生长的最高点长度为幼苗株高［6］。在小麦种子萌发至第3天后，用直尺（以cm作单位）测每株株高，统计每株幼苗的发根情况。将幼苗根部水分吸干，分析天平称其整体鲜重，重复称重3次取均值。

1.2.3 小麦幼苗生理指标测定结合3种小麦幼苗形态指标变化情况，筛选中国春和周麦36为代表性实验材料，分别测定了不同浓度过氧化氢处理下幼苗中脯氨酸、丙二醛、过氧化氢酶含量的变化情况。丙二醛（MDA）含量的测定采用Predideri等［7］的方法，游离脯氨酸（Proline）含量的测定采用茚三酮显色法，过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用Kakmak等［8］的方法。

1.3 数据处理

采用SPSS 17.0软件对试验数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 过氧化氢处理下种子萌发情况

由图1a和图1d、图2a和图2d、图3a和图3d可以看出，与对照组相比，中国春、周麦36、Fielder 3种小麦种子随过氧化氢浓度增大，其萌发率和发芽势均呈先升高后又逐渐降低的趋势，在0.3 μmol/L过氧化氢浓度处理下的种子活力和萌发率最高，在1.2 μmol/L过氧化氢浓度处理下的萌发率和发芽势最低。这表明了低浓度下过氧化氢处理的小麦种子有明显的促进萌发作用，并且在0.3 μmol/L浓度下促进作用最强，高过氧化氢浓度处理下对小麦种子萌发有抑制作用。

2.2 过氧化氢处理下幼苗发育情况

2.2.1 过氧化氢处理下小麦幼苗株高情况由图1b可以看出，在过氧化氢处理中国春小麦幼苗时，0.1 μmol/L和0.9 μmol/L浓度下的作用效果不明显，0.3 μmol/L浓度下的株高有明显增高，1.2 μmol/L浓度下株高有明显降低。由图2b可以看出，在周麦36小麦幼苗中，幼苗与对照组比，0.1～1.2 μmol/L过氧化氢浓度处理下株高呈逐渐矮化效果。由图3b可以看出，Fielder小麦幼苗在0.1～0.6 μmol/L浓度的过氧化氢处理下株高均有增加，0.1 μmol/L浓度下株高增加最显著，0.9～1.2 μmol/L浓度下幼苗表现矮化现象，且1.2 μmol/L浓度矮化最严重。

2.2.2 过氧化氢处理下小麦幼苗鲜重的情况由图1c可以看出，中国春小麦幼苗时，在0.1 μmol/L过氧化氢处理下鲜重无明显变化，0.3 μmol/L浓度下的鲜重明显增加，0.6～1.2 μmol/L浓度下鲜重逐渐降低，1.2 μmol/L浓度下鲜重最低。由图2c可以看出，周麦36小麦幼苗鲜重在0.1 μmol/L过氧化氢处理下变化不明显，在0.3～1.2 μmol/L浓度下呈降低趋势，1.2 μmol/L浓度下鲜重降低最多。由图3c可以看出，Fielder小麦幼苗在0.1～0.6 μmol/L浓度下鲜重增加，0.1 μmol/L浓度下鲜重最高，0.9～1.2 μmol/L浓度下鲜重降低，且1.2 μmol/L浓度降至最低。

图1 过氧化氢处理下中国春小麦形态指标

图2 过氧化氢处理下周麦36小麦形态指标

综合图1至图3可知，过氧化氢对小麦种子萌发整体上均呈现“低浓度促进、高浓度抑制”现象，0.3 μmol/L浓度下过氧化氢的促进作用最为显著。但不同品种小麦幼苗对过氧化氢的敏感性不同：0.3 μmol/L浓度下中国春鲜重增加效果最显著；0.1 μmol/L浓度下Fielder鲜重增加作用效果最强；而周麦36在所试用过氧化氢浓度下均表现生长抑制现象。整体上，1.2 μmol/L浓度下过氧化氢对3种种子萌发及幼苗发育均呈现出显著的抑制效果。

2.2.3 过氧化氢处理对小麦幼苗发根情况的影响由表1可知，中国春幼苗在0.1～0.9 μmol/L过氧化氢浓度处理下的发根数变化不明显，0.3 μmol/L浓度下的发根数最少（5.25条），1.2 μmol/L浓度下的发根数显著增加（6.04条与对照组的5.39条相比增加了12.06%）（P＜0.05）。Fielder幼苗随过氧化氢处理浓度的增大，其发根数与中国春幼苗表现一致，呈现先降低后又逐渐增加的效果，其中0.3 μmol/L浓度下的发根数最少（5.09条），与对照组相比达到差异极显著水平（P＜0.01）。相反，周麦36幼苗发根数随过氧化氢浓度增加表现为先增加后降低的趋势，其中0.6 μmol/L处理下，其发根数达到最多（5.78条），与对照组（5.16条）相比增加了12.02%，而1.2 μmol/L浓度下少于对照组，其发根数最少（5.12条）。

综合比较图1e、图2e、图3e和表1发现，整体上小麦幼苗发根数与株高和根长成反比。在相应浓度处理下幼苗株高越高发根数就越少，但发根数越少其根长则较长。

表1 过氧化氢处理下3种小麦幼苗发根数

图3 过氧化氢处理下Fielder小麦形态指标

2.2.4 过氧化氢处理下小麦幼苗中各生理指标含量变化情况游离脯氨酸（Proline）是细胞内重要的渗透调节物质，参与调节植物受逆境胁迫下的渗透压，增强细胞结构的稳定性。由图4a可以看出，中国春小麦幼苗在0.1～0.6 μmol/L过氧化氢处理下的脯氨酸含量均降低，其中0.3 μmol/L脯氨酸含量最低。由图5a可以看出，与对照组相比，周麦36幼苗在过氧化氢处理下脯氨酸含量整体上呈现随处理浓度升高而增加的趋势，浓度为1.2 μmol/L过氧化氢处理下脯氨酸含量最高。

图4 中国春幼苗生理指标

丙二醛是植物受逆境胁迫后，反映细胞膜脂过氧化损伤程度的生理指标［9］，由图4b可以看出，中国春小麦幼苗在0.1～0.3 μmol/L过氧化氢处理下，丙二醛含量呈降低趋势，0.3 μmol/L浓度处理下，丙二醛含量最低。由图5b可以看出，周麦36幼苗丙二醛含量随过氧化氢处理浓度增加而升高，1.2 μmol/L过氧化氢处理下丙二醛含量最高。

过氧化氢酶是清除植物体内活性氧的重要酶［10］，由图4c可以看出，中国春小麦幼苗在0.1～0.3 μmol/L过氧化氢处理下，CAT活性无明显变化，但在0.6～1.2 μmol/L浓度处理下CAT活性均呈显著升高趋势，其中1.2 μmol/L浓度处理下CAT活性升高最多。由图5c可以看出，周麦36小麦幼苗在0.1～0.9 μmol/L浓度处理下，CAT活性整体上呈现升高趋势。在1.2 μmol/L浓度处理下，CAT活性呈现降低趋势。

图5 周麦36幼苗生理指标

3 讨论与结论

过氧化氢作为活性氧（ROS），在植物体内发挥着双重作用。有研究报道，低浓度过氧化氢对白沙蒿种子的萌发有一定的抑制作用，高浓度过氧化氢添加下，白沙蒿种子的萌发得到促进［11］。本试验研究结果与此相反，种子萌发和幼苗发育情况与过氧化氢的最适浓度相关，0.3 μmol/L低浓度外源过氧化氢处理下的3种小麦种子的活力和萌发率均有促进效果，这与李昆峰等［12］、卢金［13］报道的低浓度促进种子萌发结果一致。同时中国春和Fielder幼苗株高和鲜重分别在0.3 μmol/L和0.1 μmol/L浓度下也表现出最佳促进效果。上述结果表明适宜浓度的外源过氧化氢促进种子萌发和幼苗发育，这可能与过氧化氢的杀菌作用有关，一定程度保护了种子免受细菌感染，提高了种子活力和萌发率［14］。另一方面，过氧化氢分解成氧气，促进呼吸作用，打破种子休眠，提高种子的活力，进而促进种子萌发和幼苗发育［13-15］。

过氧化氢作为活性氧（ROS），在适量情况下，可在一定程度内通过酶促解毒系统（包括SOD、CAT、APX、POD等）和非酶促解毒系统（ASA、GSH等）多方面复杂的协同作用来清除过氧化氢，调节植物体内的活性氧保持动态平衡［16］，即植物体通过提高自身的渗透性调节物质含量、增强植物体内抗氧化酶活力等，保护体内细胞膜结构免受损害。但随过氧化氢浓度的增大，试验结果显示，周麦36幼苗高度和鲜重均出现抑制效果，并在1.2 μmol/L高浓度外源过氧化氢处理下，3种小麦种子的活力、萌发率以及幼苗高度和鲜重均出现最大抑制效果。这种现象有可能是由于高浓度的过氧化氢引起植物体内的活性氧（ROS）在植物体内过量积累，打破了植物体活性氧（ROS）保持的动态平衡状态，造成了细胞质膜过氧化，从而破坏植物体细胞的结构和机能，对植物造成氧化损伤［1］，抑制小麦种子的萌发和幼苗的生长。所以除周麦36外，整体表现出低浓度促进、高浓度抑制效果；另外，上述试验结果还表明，不同品种对外源过氧化氢的敏感度不同，这可能和不同品种小麦内源性过氧化氢积累水平相关。

植物根系的发育在农业上具有重要意义，根系发育的好坏关系到幼苗存活情况。本试验发现3种小麦在低浓度时促进发根长度，抑制发根数；高浓度促进发根数，抑制发根长度。这可能与小麦受过氧化氢的逆境胁迫的应激反应有关，高浓度过氧化氢处理，使根细胞受到了损害，抑制了根细胞伸长的过程，从而使其根长受到了抑制；亦或是施用过氧化氢会提前促进次生壁的形成，抑制了根细胞的伸长；但过氧化氢在抑制细胞伸长的同时，却没有抑制细胞的分裂，即植物为了缓解胁迫，通过增加侧根数量来增加根部总吸收表面积，来弥补过氧化氢抑制生长引起的根部的吸收表面积变小［17］。本试验中植物通过增加侧根数量在一定程度上能缓解胁迫效应，但也无法完全弥补高浓度过氧化氢造成的抑制作用，所以造成了高浓度过氧化氢处理下，虽然发根数多，但总体幼苗长势相对较差的现象。这与相关研究报道的在低磷或缺磷情况下，根组织中过氧化作用增强，过氧化氢含量增加，小麦侧根密度较高，平均侧根长度降低［18］；高浓度的过氧化氢处理后的小麦根细胞生长受到抑制［13］；铝胁迫下大麦根尖细胞过氧化氢大量累积会导致根系细胞死亡，从而抑制根系的伸长［16］；低剂量的过氧化氢可以增加根的质量和长度，过氧化氢诱导的氧化胁迫能促进幼苗新根生成，抑制根伸长［17］等试验结果一致。但也有研究发现渍水胁迫下，外源乙烯和过氧化氢的处理促进了小麦根系生长［19］。上述试验结果表明，不同环境条件下试验研究结果不同；相同条件下，不同植物对过氧化氢处理的响应也不尽一致。

过氧化氢可诱导酶促系统，提升清除活性氧的能力，一定程度缓解细胞膜的氧化损害［9］。由试验结果可知中国春幼苗在0.3 μmol/L过氧化氢处理下，其脯氨酸含量和丙二醛含量相对较低，过氧化氢酶活力略升高；在1.2 μmol/L浓度下3种生理指标均表现为显著增加趋势，这表明适宜浓度过氧化氢处理有助于小麦幼苗的发育，而高浓度过氧化氢处理下，对植物已经造成氧化损伤致使MDA积累增加，植物并通过提高脯氨酸及过氧化氢酶等来调节逆境胁迫的损害而减缓损伤程度。但逆境胁迫超过植物所能承受极限时，植物则表现为抗性降低而出现衰老死亡现象。比如，周麦36幼苗体内脯氨酸、丙二醛的含量及过氧化氢酶活力随过氧化氢处理浓度增大均表现出显著升高，表明低浓度过氧化氢处理时，植物体受到氧化损伤信号刺激下提高了自身的抗性；而在高浓度（0.9～1.2 μmol/L）过氧化氢持续作用下，过氧化氢酶活性又表现为迅速降低现象。这充分说明随植物遭受逆境胁迫压力升高，植物体受伤程度加重，植物整体上抗性协调能力降低，过氧化氢酶活性随之降低。

综上所述，中国春小麦在0.3 μmol/L浓度下种子发芽率和发芽势、幼苗株高和鲜重促进效果最好，1.2 μmol/L浓度处理下表现出明显抑制效果；Fielder小麦在0.3 μmol/L浓度下种子发芽率和发芽势，在0.1 μmol/L浓度下幼苗株高和鲜重促进效果最好，1.2 μmol/L浓度处理下表现出明显抑制效果；周麦36在0.3 μmol/L浓度下种子发芽率和发芽势促进效果最好，在0.1 μmol/L浓度下鲜重略有增加，随过浓度增大幼苗株高和鲜重逐渐受抑制。过氧化氢参与种子萌发和幼苗发育的调控，在植物体内发挥着双重的角色，即对小麦种子萌发和幼苗发育均表现为低浓度促进，高浓度抑制现象，并且在植物发育的不同时期，以及同一作物不同品种之间对外源过氧化氢处理的敏感性不同。