引发对青菜和甘蓝陈年种子萌发、出苗以及幼苗生理生化指标的影响

吴凌云,姜 武,姚东伟,李 明

(1上海市农业科学院设施园艺研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201403;2盐城源怡农业科技有限公司,盐城 224633)

种子达到生理成熟期时活力水平最高,此后随着贮藏时间的增加,种子活力不断下降。种子老化劣变过程十分复杂,包括贮藏物质的变化、膜的损伤和修复、蛋白质和核酸的变化等等[1]。有关修复和提高种子活力方法的研究有很多,种子引发技术是其中之一[2]。种子引发是控制种子缓慢吸收水分使其停留在吸胀的第二阶段,让种子进行预发芽的生理生化代谢和修复作用,促进细胞膜、细胞器、DNA的修复和酶的活化[3]。引发的种子处于“发芽状态”,但是胚根没有伸出,具有较高的发芽势且发芽整齐[4]。

青菜(Brassica campestrisssp.chinensisMakino)和甘蓝(Brassica oleraceaL.var.capitataL.)同属十字花科芸薹属一、二年生蔬菜作物,营养丰富,栽培面积大,具有重要的经济和食用价值。青菜和甘蓝种子从采收到播种一般会经过一段时间贮藏,由于自然衰老或不适宜的贮藏环境,种子活力会逐年降低。随着贮藏时间的增加,青菜和甘蓝种子萌发速度减慢,田间出苗不整齐,出苗率降低,严重影响种子质量。种子引发技术作为一种种子播前处理技术,可以提高种子活力、发芽速度、幼苗质量和出苗的整齐度,增加产量[5-9]。国内研究报道,PEG渗透引发提高了人工老化小麦、辣椒的种子活力[10-11];PVA+KNO3引发提高了人工老化水稻种子活力,提高了种子的SOD、CAT、POD、脱氢酶活性和可溶性蛋白含量,降低了MDA含量[12]。固体基质引发和渗透调节引发是目前广泛应用的两种引发方法。固体基质如蛭石引发可提高低温下不结球白菜种子发芽特性和幼苗抗氧化特性[13];渗透调节如聚乙二醇、水杨酸、硝酸钙、氯化钠引发可提高甘蓝种子萌发特性,增强抗氧化酶活性[14-16]。目前,关于引发对修复和提高青菜和甘蓝老化种子活力以及不同引发方法的比较研究尚未见报道。

本试验拟采取固体基质蛭石、液体渗透调节物质硝酸钾和亚精胺对青菜和甘蓝陈年种子进行引发处理,研究引发对青菜和甘蓝陈年种子萌发、出苗以及幼苗生理生化指标的影响,旨在为利用种子引发技术修复和提高青菜和甘蓝陈年种子活力提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用一代交配青菜‘新夏青6号’和甘蓝‘争春’种子由上海市农业科学院设施园艺研究所提供。‘新夏青6号’于2014年收获,‘争春’于2016年收获,种子收获后常温贮藏于上海市农业科学院设施园艺研究所;蛭石由上海市农业科学院设施园艺研究所提供;硝酸钾由国药集团化学试剂有限公司提供;亚精胺由上海源叶生物科技有限公司提供。

1.2 种子引发处理

固体基质(SM)引发:将种子与蛭石按1∶1.5的质量比混合,再加入两者总质量50%的蒸馏水,搅拌均匀置于烧杯中,于20℃恒温箱中黑暗条件下引发(‘新夏青6号’引发66 h,‘争春’引发36 h),引发结束后,用筛子将蛭石筛除,将种子回干。

亚精胺(Spd)引发:用2.4 mmol∕L的亚精胺溶液引发‘新夏青6号’和‘争春’种子,于20℃恒温箱中黑暗条件下引发24 h,引发结束后,流水冲洗,均匀摊开,用吸水纸吸干表面水分将种子回干。

硝酸钾(KNO3)引发:用质量分数为1%的硝酸钾溶液引发‘新夏青6号’和‘争春’种子,于20℃恒温箱中黑暗条件下引发24 h,引发结束后,流水冲洗,均匀摊开,用吸水纸吸干表面水分将种子回干。

最佳引发时间、温度和引发剂浓度由预试验筛选得到。

1.3 种子萌发试验

以未处理的陈年种子为对照(CK),将引发和未引发的青菜和甘蓝陈年种子分别放入装有双层发芽纸的发芽盒(13 cm×19 cm×16 cm)内,加入7 mL蒸馏水,置于20℃培养箱内发芽。每个处理重复3次,每个重复70粒,发芽期内每天两次计数,以胚根伸出1 mm为发芽标准。计算第2天发芽势、第7天发芽率、发芽指数以及平均发芽时间。

1.4 幼苗生长测定

将对照和引发处理的青菜和甘蓝陈年种子分别播种于32孔穴盘中,置于20℃人工气候室进行育苗,每处理重复3次,每个重复32粒,每天记录出苗数,出苗结束后,每盘随机挑选8株幼苗用流水冲洗干净,吸干表面水分,测量其根长、苗高和鲜重,计算出苗率、出苗指数和平均出苗时间。

1.5 生理生化指标的测定

将对照和引发的青菜和甘蓝陈年种子分别播于穴盘中,置于20℃人工气候室进行育苗,播后9 d,取幼苗用液氮磨粉后测定以下生理指标,重复3次。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性以及丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)、可溶性蛋白含量均采用试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司)测定。

1.6 数据分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 21.0软件对数据进行处理和显著性分析(Duncan’s多重极差检验)。

2 结果与分析

2.1 引发对‘新夏青6号’和‘争春’陈年种子萌发和出苗的影响

与对照(未引发种子)相比,引发处理的‘新夏青6号’和‘争春’种子发芽势、发芽指数均有一定提高,平均发芽时间显著减少,发芽率与对照相当(表1),其中固体基质引发的效果最好。固体基质引发处理、硝酸钾引发处理、亚精胺引发处理的‘新夏青6号’发芽势分别比对照提高了167.8%、112.5%和65.5%,发芽指数分别比对照提高了95.4%、28.5%和10.5%,平均发芽时间分别比对照提前了1.1 d、0.5 d和0.2 d;固体基质引发处理、硝酸钾引发处理、亚精胺引发处理的‘争春’种子发芽势分别比对照提高了13.4%、7.3%和6.7%,发芽指数分别比对照提高了104.0%、32.4%和31.3%,平均发芽时间分别比对照提前了1.0 d、0.5 d和0.5 d。

表1 引发对‘新夏青6号’和‘争春’陈年种子萌发的影响Table 1 Effects of priming on germination of aged‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’seeds

由表2可见,固体基质引发、硝酸钾引发、亚精胺引发的‘新夏青6号’种子出苗率分别比对照增加56.9%、21.8%、43.4%;出苗指数分别比对照增加95.6%、33.5%、58.9%;平均出苗时间比对照分别减少2.0 d、0.9 d、0.9 d,幼苗株高分别比对照增加29.4%、44.8%、86.4%,鲜重分别比对照增加82.6%、16.1%、42.2%。固体基质引发、硝酸钾引发、亚精胺引发的‘争春’种子出苗率分别比对照增加11.0%、1.4%、6.9%;出苗指数分别比对照显著增加53.0%、13.8%、19.5%;平均出苗时间分别比对照显著减少1.2 d、0.4 d、0.4 d,幼苗鲜重分别比对照增加11.6%、13.6%、19.3%。其中,固体基质引发处理的‘新夏青6号’和‘争春’种子出苗率、出苗指数、平均出苗时间等指标均显著好于对照。

表2 引发对‘新夏青6号’和‘争春’陈年种子出苗的影响Table 2 Effects of priming on emergence of aged‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’seeds

以上结果表明,固体基质引发、硝酸钾引发、亚精胺引发均不同程度提高了‘新夏青6号’和‘争春’陈年种子的萌发和出苗特性,其中固体基质蛭石引发效果最好。

2.2 引发对‘新夏青6号’和‘争春’幼苗抗氧化酶活性和脂质过氧化的影响

与对照相比,固体基质引发、硝酸钾引发、亚精胺引发的‘新夏青6号’和‘争春’幼苗SOD、CAT、APX、GR、GPX活性均显著提高,MDA含量均显著降低(图1)。可见,3种引发处理均显著增加了青菜和甘蓝幼苗的抗氧化酶活性,提高了抗氧化酶系统的防御能力,降低了膜脂过氧化水平。其中,固体基质引发的‘争春’和‘新夏青6号’幼苗GR、GPX活性最高,MDA含量最小。固体基质引发的‘新夏青6号’幼苗SOD活性最高。

图1 引发对‘新夏青6号’和‘争春’幼苗抗氧化酶活性和脂质过氧化的影响Fig.1 Effects of priming on the antioxidant enzyme activity and lipid peroxidation in seedlings of‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’

2.3 引发对‘新夏青6号’和‘争春’幼苗可溶性蛋白和H2O2含量的影响

与对照相比,固体基质引发、硝酸钾引发、亚精胺引发的‘新夏青6号’幼苗可溶性蛋白含量分别显著提高了40.7%、30.6%、13.0%,H2O2含量分别显著降低了54.0%、38.0%、18.0%;固体基质引发、硝酸钾引发、亚精胺引发的‘争春’幼苗可溶性蛋白含量分别显著提高了49.5%、32.0%、18.6%,H2O2含量分别显著降低了38.2%、17.6%、23.5%。其中,固体基质引发的‘新夏青6号’和‘争春’幼苗可溶性蛋白含量最高,H2O2含量最低(图2)。试验表明,种子引发可促进幼苗可溶性蛋白的积累,减少ROS积累,从而促进渗透调节,减少氧化胁迫。

图2 引发对‘新夏青6号’和‘争春’幼苗可溶性蛋白和H2O2含量的影响Fig.2 Effects of priming on the content of soluble protein and H2O2 in seedlings of‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’

3 讨论

种子引发可以促进种子快速且整齐地萌发以及幼苗生长,不同引发方法的有效性随着作物种类及其品种的不同而不同[8]。种子引发可以修复和提高老化种子的活力。本试验表明,固体基质引发、硝酸钾引发和亚精胺引发能显著提高青菜和甘蓝陈年种子活力,减少平均出苗时间,提高幼苗素质。这与前人研究结果相似[17-20]。

种子在贮藏过程中活力不断下降。种子的老化是一个循序渐进的过程,通常是先发生生化变化,生化变化包括膜脂过氧化、抗氧化系统平衡被打破,劣变产物积累和酶活性的变化等[21]。McDonald[22]认为,活性氧的累积是造成种子老化的主要因素,ROS可以损伤蛋白质和核酸并启动不饱和脂肪酸的脂质过氧化反应。种子在自然老化过程中,活力下降与H2O2和丙二醛含量增加密切相关,抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX、GR活性随着种子老化而降低[23]。本试验中,经固体基质、硝酸钾和亚精胺引发处理后,青菜和甘蓝幼苗抗氧化酶(SOD、CAT、APX、GR、GPX)活性和可溶性蛋白含量显著增加,H2O2和MDA含量显著下降,说明3种不同引发处理均能不同程度地减缓幼苗抗氧化酶活性和渗透调节物质下降的幅度,缓解脂质过氧化,有利于消除体内有毒物质的积累,对细胞起保护作用。这与前人研究结果相一致[24]。

本试验表明,固体基质、硝酸钾和亚精胺引发均显著提高了青菜和甘蓝幼苗抗氧化酶SOD、CAT、APX、GR、GPX活性和可溶性蛋白含量,显著降低了MDA含量和H2O2积累,说明3种引发处理均显著提高了青菜和甘蓝幼苗抗氧化酶的活性,清除ROS的积累,减少幼苗脂质过氧化,保持较高的细胞膜相对完整性,提高渗透调节能力,从而提高了种子萌发和出苗特性。

在3种引发方法中,固体基质引发的幼苗在GR、GPX活性、MDA、可溶性蛋白和H2O2含量等多项指标方面优于硝酸钾引发和亚精胺引发,因此,固体基质引发的种子萌发和出苗特性均好于硝酸钾引发和亚精胺引发。

综上所述,固体基质(SM)、硝酸钾(KNO3)和亚精胺(Spd)引发均显著增加了青菜和甘蓝幼苗抗氧化酶活性,提高了抗氧化酶系统的防御能力,减少了H2O2的积累,降低了膜透性和膜脂过氧化水平,增加了渗透调节物质积累,从而提高了种子的萌发和出苗特性,一定程度上修复了老化种子的活力。其中,固体基质引发对青菜和甘蓝陈年种子活力和幼苗生理生化指标的有益影响优于硝酸钾引发和亚精胺引发。