光照对玉米种子萌发与生理指标的影响

郑 冉,吕 丹,罗红兵, 2

(1.湖南农业大学农学院,长沙 410128;2.湖南省玉米工程技术研究中心,长沙 410128)

【研究意义】玉米是一种珍贵的药食两用原材料[1-2],研究发现玉米食品具有抗氧化、抗衰老、抗动脉硬化和保护心血管等功效[3-4],广受消费者喜爱,但玉米籽粒的蛋白质中氨基酸构成不合理,大部分营养素摄入后需要被酶分解成小分子物质后才可被人体利用,发挥其抗氧化活性[5]。研究表明,适当的光照处理可以在一定程度上调整玉米的营养结构[6],同时降低或消除其中有毒有害或抗营养物质的含量[7],因此明确玉米萌发的最适光照,探索不同光照对玉米籽粒品质指标与抗氧化酶活性的影响十分重要。【前人研究进展】光照作为影响植物生长代谢的重要因素,除了可以控制种子萌发外,还影响着植物中诸多物质的积累[8]。康恒等[9]发现,粗茎秦艽种子光照下的胚根长度显著长于避光培育的芽苗,冉午玲等[10]通过对小麦进行光照处理,发现通过增加光照可以使小麦总淀粉含量提高,总蛋白质含量降低,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量随着光照时间的增加而呈下降趋势;刘博等[11]通过对水稻进行光照处理,发现蛋白质含量随着光照的减少而显著提高,直链淀粉含量则显著降低;光照能够诱导植物组织中抗氧化物质的积累,姚英政等[12]研究发现适量光照处理的发芽甜玉米中抗氧化物质含量均高于黑暗处理。以上研究表明,不同光照处理能影响谷物芽苗的功能活性物质。【本研究切入点】目前,关于发芽玉米的研究主要集中在营养成分的测定及活性成分的提取等方面,有关不同光照处理对玉米萌发过程中的生长状态、品质指标与抗氧化酶活性的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本试验以普通玉米品种湘农玉27号为材料,测定在3种不同的光照处理下(12 h光照/12 h黑暗、24 h光照和24 h黑暗)玉米萌发过程中的生长状态、品质指标与抗氧化酶活性的变化,并探索各项指标之间的相关性,以期确定玉米萌发的最适光照,揭示不同光照下种子萌发过程中的生长状态、品质指标与抗氧化酶活性变化规律,为玉米功能性食品的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为湘农玉27号,由湖南省玉米工程技术研究中心提供,是湖南重点推荐高产玉米品种。

1.2 光照处理方法

玉米种子经挑选后,在0.1% NaClO溶液中室温浸泡10 min,并用去离子水洗涤2次,随后在25 ℃条件下浸泡12 h,每4 h换水通气1次。将浸泡后的种子移种到充满土质的育苗盘(20×10)中,放入智能人工气候培养箱,于25 ℃、相对湿度为88%萌发5 d,每隔12 h进行浇水。按发芽12 h光照/12 h黑暗、24 h光照、24 h黑暗,设置3个处理,将玉米种子分别进行不同的处理,各处理种植100株,3次重复。

1.3 试验方法

分别在发芽后的第1、3、5天后取样,样品用蒸馏水冲洗干净,挑选20株长势一致的玉米芽苗,测定胚芽和胚根长度。将样品50 ℃下烘至恒重,磨粉至细度不大于80目,密封于塑料袋内,4 ℃保存待用。

考马斯亮蓝比色法测定样品蛋白含量,具体参照石桃雄等[13]的方法。采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)法测定还原糖含量,硫酸蒽酮法测定可溶性总糖含量。采用紫外吸光光度法测定直链淀粉含量,硫酸蒽酮法测定总淀粉含量,支链淀粉含量(%)=总淀粉含量(%)-直链淀粉含量(%)。茚三酮比色法测定赖氨酸含量。紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性,氯化硝基四氮唑蓝(NBT)光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性。

1.4 数据处理

各测定性状的描述统计量采用Excel 2016进行分析;利用Origin软件进行各性状的相关性分析,SPSS 24.0进行多重比较(Duncan法)。

2 结果与分析

2.1 不同光照处理下玉米种子的生长状态

发芽率随着萌发天数的增加呈升高趋势,发芽率在第5天达到最大值,分别为100%、98.61%和90.08%;种子的发芽率随着光照的增加呈上升趋势,其中24 h光照处理下发芽率最大,在萌发的第1天显著高于其他2个光照处理,在萌发的第3、5天显著高于24 h黑暗处理。胚根、胚芽长随种子的萌发不断伸长,萌发的第5天,胚根长和胚芽长达到最大值;胚根长在不同光照处理下存在显著差异,24 h光照的胚根长显著高于其他两个处理;胚芽长随光照时间的延长不断伸长,但仅在萌发的第5天,24 h光照下的胚芽长显著高于其他2个处理(图1)。

不同小写字母表示差异显著(P<0.01),下同。Different lowercase letters above bars indicate significant differences(P<0.05), the same as below.图1 不同光照下玉米种子的生长状态Fig.1 Growth state of seeds at different light

2.2 玉米种子萌发过程中蛋白组分的变化

由图2可知,玉米种子清蛋白含量在光照处理相同时随萌发天数的增加不断上升。相同萌发天数下在不同光照处理中测定玉米芽苗的清蛋白含量,结果表明除第5天外,随着光照时间的延长清蛋白含量呈现升高趋势。在玉米种子萌发的第1、3天,24 h光照处理下清蛋白含量的最大,其次是12 h光照/12 h黑暗,24 h黑暗。在萌发的第5天,清蛋白含量的最大值也出现在24 h光照,不同光照处理处理下的清蛋白含量未表现出显著差异。

图2 玉米种子萌发过程中蛋白组分的变化Fig.2 Changes of protein components in maize seeds during germination

同一光照处理下的球蛋白含量总体上表现为随着萌发天数的增加呈升高趋势,玉米种子萌发的第5天,球蛋白含量最大,球蛋白含量在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗处理下分别为2.00%±0.09%、1.72%±0.09%和1.65%±0.10%,相比未萌发种子(0.40%±0.02%)分别上升1.60%、1.32%和1.25%,并与其他2个阶段间存在显著差异。在玉米种子萌发的第1、3和5天,球蛋白含量随着光照时间的减少呈下降趋势,球蛋白含量在24h光照下出现最大值,显著高于其他2个光照处理(P<0.05)。

相同光照处理下,玉米种子谷蛋白含量随着萌发天数的增加而降低,在萌发的第5天,降到最低值,玉米种子谷蛋白含量在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分别为4.58%±0.01%、6.59%±0.42%和6.83%±0.31%。谷蛋白含量在萌发天数一致时,随着光照时间的减少呈现上升的趋势,12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗处理时谷蛋白含量显著高于24 h光照。

同一光照时间玉米种子内的醇溶蛋白含量随着萌发天数的增加呈下降趋势,在萌发的第5天,醇溶蛋白含量降到最低值,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分别为3.05%±0.20%、4.31%±0.06%和4.52%±0.06%。醇溶蛋白含量在同一天的不同光照处理下表现出一定的差异,醇溶白含量随着光照时间的减少呈现上升趋势,12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下的醇溶蛋白含量不存在显著差异(P>0.05),但显著高于24 h光照。

总蛋白含量在同一光照处理下,随着萌发天数的增加呈降低趋势,在萌发第5天,总蛋白含量最低,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分别为14.81%±0.62%、17.71%±0.38%、18.14%±0.48%。在萌发天数一致时,总蛋白含量在24 h黑暗处理下出现最大值,萌发的第1、3天,3个光照处理有显著差异;萌发的第5天,24 h黑暗和12 h光照/12 h黑暗处理下无显著差异,但均显著高于24 h光照。

2.3 玉米种子萌发过程中还原糖和总糖的变化

从图3可见,还原糖含量随萌发天数增加呈升高趋势。种子萌发天数一致时,玉米种子的还原糖含量随着光照时间减少呈下降趋势,24 h光照处理时还原糖含量最高,除第3天外,24 h光照下的还原糖含量显著高于其他2个处理。

图3 玉米种子萌发过程中还原糖和总糖的变化Fig.3 Changes of reducing sugar and total sugar in maize seeds during germination

在3种光照处理下,总糖含量均表现出随着萌发天数增加呈降低趋势,萌发第5天,总糖含量达到最低,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分别为2.90%±0.04%、4.19%±0.03%和4.26%±0.04%。在萌发天数一致时,总糖含量随着光照时间减少呈上升趋势,24 h黑暗处理下总糖含量最高,与12 h光照/12 h黑暗无显著差异,显著高于24 h光照。

2.4 玉米种子萌发过程中淀粉组分的变化

从图4可知,相同光照处理下,与未发芽玉米种子相比,发芽玉米种子中的支链淀粉含量随着萌发天数增加呈降低趋势。玉米种子萌发第1、3、5天时,发芽玉米种子中的支链淀粉含量与光照时间的延长未呈现明显规律,玉米种子萌发第1、3天时,12 h光照/12 h黑暗处理下支链淀粉含量最高,24 h光照下支链淀粉含量最低;萌发第5天时,24 h黑暗处理下支链淀粉含量最高,且显著高于其他2个光照处理。

图4 玉米种子萌发过程中淀粉组分的变化Fig.4 Changes of starch components in maize seeds during germination

相同光照处理下,与未发芽玉米种子相比,直链淀粉含量随着萌发天数增加逐渐降低,各处理间的差异达显著水平。种子萌发第1、3、5天时,玉米种子的直链淀粉含量随着光照时间减少呈上升趋势,24 h黑暗处理下直链淀粉含量最高,除种子萌发的第1天外,另外两个处理中24 h黑暗的直链淀粉含量显著高于24 h光照和12 h光照/12 h黑暗。

相同光照处理下,随着萌发天数增加,总淀粉含量呈降低趋势,不同萌发天数间的差异达显著水平。在同一天中玉米种子的总淀粉含量随着光照时间的减少呈上升趋势,玉米种子萌发的第1、3天,24 h黑暗处理下总淀粉含量最高,与12 h光照/12 h黑暗无显著差异,显著高于24 h光照处理下总淀粉含量;玉米种子萌发的第5天,24 h黑暗处理下总淀粉含量最高,显著高于其他2个处理。

2.5 玉米种子萌发过程中赖氨酸含量的变化

由图5可知,相同光照处理下,赖氨酸含量随萌发天数增加呈升高趋势,各处理之间差异显著,种子萌发的第5天,赖氨酸含量最高,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分别为0.29%±0.01%、0.19%±0.00%、0.18%±0.01%。种子萌发第1、3、5天时,玉米芽苗的赖氨酸含量随着光照时间减少呈下降趋势,24 h光照处理时赖氨酸含量最高,除种子萌发的第1天,显著高于其他2个处理。

图5 玉米种子萌发过程中赖氨酸含量的变化Fig.5 Changes of lysine content in maize seeds during germination

2.6 玉米种子萌发过程中酶活的变化

光照处理一致时,CAT活性随着萌发天数增加呈降低趋势,种子萌发第5天,CAT活性最低,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分别为(1.20±0.10)、(0.73±0.06)和(0.73±0.05)[U/(g·min)FW],各萌发天数处理间的差异均达到显著水平。在种子萌发的第1、3天,随着光照时间的减少,CAT活性表现出降低的趋势,在24 h光照处理下CAT活性最高,24 h黑暗处理下CAT活性最低,3个光照处理间差异显著;在种子萌发的第5天,24 h光照处理下CAT活性最高,且显著高于其他2个光照处理(图6)。

图6 玉米种子萌发过程中CAT活性的变化Fig.6 Changes of CAT in maize seeds during germination

光照处理相同时,POD含量随着萌发天数增加呈上升趋势,POD活性在各萌发天数下均存在显著性差异。萌发天数一致时,玉米种子的POD活性随着光照时间的缩减不断增加,POD活性的最大值出现在24 h黑暗,其次是12 h光照/12 h黑暗,24 h光照,三者间差异达到显著水平(图7)。

图7 玉米种子萌发过程中POD活性的变化Fig.7 Changes of POD in maize seeds during germination

相同光照处理下,SOD活性随着萌发天数增加呈降低趋势,不同萌发天数处理间的差异均达到显著水平。在萌发的第1、5天,随着光照时间的减少,SOD活性表现出降低的趋势,在24 h光照处理下SOD活性最高,24 h黑暗处理下SOD活性最低,3个光照处理间差异显著,种子萌发的第3天,24 h黑暗处理下SOD活性最低,显著低于其他2个光照处理(图8)。

图8 玉米种子萌发过程中SOD活性的变化Fig.8 Changes of SOD in maize seeds during germination

2.7 不同光照时间处理下玉米生长状态、品质指标与酶活性的相关性分析

由表1可知,POD与支链淀粉、总淀粉呈显著负相关;CAT与清蛋白、POD呈显著/极显著负相关,与支链淀粉、直链淀粉和总淀粉呈显著正相关;SOD与清蛋白、球蛋白、POD呈显著/极显著负相关,与支链淀粉、直链淀粉、总淀粉和CAT呈显著/极显著正相关,各酶活虽与部分品质指标存在显著相关,但均与生长特性无显著相关性。生长特性与品质指标存在密切联系,其中发芽率与胚根长、胚芽长、清蛋白、球蛋白、还原糖、赖氨酸呈显著/极显著正相关,与谷蛋白、醇溶蛋白、总糖、支链淀粉、直链淀粉、总淀粉呈极显著负相关;胚根长与胚芽长、清蛋白、球蛋白、还原糖、赖氨酸呈显著/极显著正相关,与谷蛋白、醇溶蛋白、总糖、支链淀粉、直链淀粉、总淀粉呈显著/极显著负相关;胚芽长与清蛋白、球蛋白和赖氨酸呈显著/极显著正相关,与谷蛋白、醇溶蛋白、总糖、直链淀粉呈显著/极显著负相关。

表1 不同光照处理下玉米生长状态、品质与酶活的相关性分析Table 1 Correlation analysis between growth indicator and quality and enzyme activity of maize under different light time

3 讨 论

萌发是植物生长发育的必需阶段,能够改变种子内一些营养物质的含量。苏艳玲等[14]研究发现,藜麦种子在整个萌发过程中,蛋白质含量最高可达21.88%,还原糖含量最高达到12.21%,淀粉酶活力也提高数倍;吕丹等[15]以发芽(0～3 d)的玉米为研究对象,研究表明玉米发芽后清蛋白、球蛋白含量均呈上升变化趋势;Tsai等[16]报道玉米种子的萌发提高了赖氨酸含量;也有研究发现,萌发后会降低种子内的粗脂肪和淀粉含量[17],以上研究结果表明,萌发处理对于营养物质的积累有双向效应。本研究通过对不同萌发时间玉米的营养指标进行测定,发现不同萌发时间下的品质指标存在显著差异,其中清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸含量随着萌发时间的增加而显著升高,醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白、总糖和淀粉组分含量则呈下降趋势。抗氧化酶的活性与种子的萌发密切相关,抗氧化酶系统中的重要成员包括SOD、POD和CAT,3个酶相互协同作用可以使植物内的活性氧维持在较低浓度,进而抵御外界的不良环境因素[18]。本研究发现,POD活性随着种子的萌发呈上升趋势,与长豇豆[19]和大豆[20]中的研究一致,其原因可能是POD不仅仅参与活性氧代谢过程,还参与其它物质代谢过程。CAT与SOD活性呈下降趋势,推测二者主要与休眠和逆境有关,在种子正常萌发的条件下体内活性氧含量低,因此二者含量也较低。

本研究通过记录不同光照条件下玉米种子的生长状态,发现其在任何光照处理下均会发芽,但光照的延长会增加其发芽率,因此说明玉米种子的萌发对光照条件不敏感,这与周海宇等[21]研究出玉米对光的敏感度较低的结论一致。本研究发现玉米种子的胚根长和胚芽长均在24 h光照条件下最长,表现出光照时间的延长促胚根和胚芽的生长,这一结果与秦爱丽等[22]、闫兴富等[23]的研究一致。

光照会影响萌发种子中营养物质的含量。研究表明,萌发后的玉米在适当的光照处理下,淀粉酶活力升高[24],马超等[25]认为延长光照可以促进大豆萌发过程中可溶性蛋白和可溶性糖的积累;吕兵兵等[26]研究发现,苦荞芽苗的芦丁含量会随着光照的延长不断增加;张毅华等[27]研究发现,与避光萌发的黑豆相比,长期光照处理的黑豆萌发后的生长状况和部分营养品质都得到提升。本研究结果表明,不同光照时间下各营养物质含量含量差异明显,光照改变了发芽玉米种子中各营养品质的比例,随着光照时间的延长,清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸的含量呈上升趋势,谷蛋白、醇溶蛋白、总蛋白、总糖、直链淀粉和总淀粉的含量呈下降趋势,这可能是因为长时间的光照处理下,种子除了进行正常呼吸外还需要进行光呼吸,会分解更多的总蛋白、总糖和总淀粉等大分子物质,生成容易利用的蛋白组分、还原糖和氨基酸。光照时间的变化可以直接影响种子植物细胞内的酶活和代谢,当光照过长或过短时,会使种子细胞不能进行正常的生理代谢,导致酶失活[28]。本研究发现24 h光照的SOD、CAT活性要显著高于其他光照处理,推测长时间光照可能是影响玉米生长的胁迫因子,SOD和CAT活性增强可能与活性氧的清除有关,但过量的积累会导致生理生化代谢异常,因此POD的降低,减弱了SOD和CAT对细胞造成的氧化作用,使抗氧化酶活达到平衡。

不同光照处理下玉米的生长状态、品质指标与酶活性的相关性分析表明:酶活性均与淀粉组分存在密切关系,其中CAT和SOD均与支链淀粉、直链淀粉和总淀粉呈显著/极显著正相关,这与周紫阳[29]研究表明高粱籽粒淀粉与CAT和SOD呈显著正相关的结论相似,而POD与支链淀粉、总淀粉呈显著负相关,这与秦丹[30]研究粉葛中的淀粉含量与POD活性呈显著负相关的结论一致,这表明玉米种子在光照处理萌发中淀粉组分代谢与抗氧化酶的作用有很大关系。此外,本研究发现发芽率、胚根长、胚芽长均与清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸呈显著或极显著正相关,发芽率与以上几个指标的相关系数较高,因此可以根据发芽率来间接衡量上述指标含量的高低。

4 结 论

光照不是玉米种子萌发的必要条件,但是光照的延长可以促进玉米种子萌发;24 h光照处理能提高玉米芽苗清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸含量,增加芽苗CAT和SOD活性;不同光照处理下,酶活与淀粉组分呈显著相关性,发芽率可以作为衡量清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸含量的一个指标。