人工老化过程中玉米种子活力生理指标的变化

吕巨智　贺囡囡　石达金　唐国荣　李发桥　谢小东　邹成林　程伟东　张述宽

摘要：通过测定不同老化程度玉米种子的发芽指标、幼苗形态指标和生理生化指标，研究玉米种子的生理生化、生命活力因人工老化而发生的变化，为玉米种子老化机制及种子活力修复研究奠定基础。以桂081和桂单162 2个玉米品种为试验材料，采用高温高湿（48 ℃、相对湿度95%）的人工老化方法，研究人工老化对玉米种子发芽指标、幼苗形态指标、相对电导率、丙二醛含量和过氧化物酶活性等指标的影响。结果证实了逐步增加老化时长，除2个品种种子的丙二醛（MDA）含量、相对电导率同步上升之外，其余生理指标如过氧化物酶活性、发芽指数、发芽率、发芽势、活力指数等均同步下降，老化10 d时，桂单0810和桂单162种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数分别比对照降低6032%和62.54%、55.44%和62.68%、49.52%和54.33%、65.63%和70.00%，而MDA含量大幅升高90.91%和9320%，过氧化物酶活性分别降低60.16%和83.04%。相关性分析表明，MDA含量、过氧化物酶活性与种子活力的相关性达到极显著水平。人工老化方式对玉米种子进行处理能够显著抑制其活力，影响幼苗的生长。相对电导率、MDA 含量和 POD 活性可用于衡量玉米种子的活力水平，而且种子耐老化能力存在品种间差异，桂单0810耐老化能力高于桂单162。

关键词：玉米；种子活力；人工老化；生理特性

中图分类号：S513.01文献标志码：A文章编号：1002-1302（2023）11-0068-05

种子发育成熟以后就会步入衰老阶段，在此阶段中的种子活力逐步降低而贮藏能力逐步增强，这一现象被称作种子老化［1］。正如种子的贮藏功能是自然发生的一样，种子老化现象也是不可逆的［2-3］。种子的活力指标待到其发育成熟时也变得最大，随后逐步下降直至其至种子完全丧失活力［4-6］。前人研究指出，随着种子老化的加剧，种子的结构成分以及生理功能都会发生变化，尤其种子活力、储藏能力出现衰弱迹象，同时植株生产性能、田间健植率也会出现变化［7-9］。人们通常利用种子活力来评价种子的老化程度［10］，它直接关乎于种子萌发及出苗率。受到多种因素的干扰，老化严重的种子几乎丧失了生理活性，栽种老化种子也会全面拉低出苗率、出苗整齐度以及幼苗质量等［11-12］。此外还可以根据种子萌发、幼苗生长性状以及抗逆性等来衡量种子老化问题［13］。本研究旨在探究种子老化的机理，通过人工老化的方式来模拟种子自然老化的过程，观察种子的生理指标变化来研究总结出种子老化的规律［14］，由此评估不同老化处理方式对于种子活力、种子田间出苗率的影响效果［15］。代小伟等指出，对玉米杂交种进行人工老化处理，其发芽势、发芽率、脱氢酶活性以及活力指数均有所下降，而种子浸出液电导率和MDA含量有所升高［16］，此外，通过对比试验证实了不同品种的玉米种子在耐老化方面存在显著差别。陈鹏等试验指出，甜玉米种子的含水量与其抗老化能力之间存在关联性［17］。黄雪彦等通过试验指出，相较于普通品种的玉米种子，高油玉米杂交种在人工老化处理过程中更加快速地丧失了活力［18］。乔燕祥等针对2个玉米自交系种子，刘明久等针对2个杂交种、1个玉米自交系种子进行试验研究，发现这些玉米种子因人工老化处理而表现为活力下降、发芽率降低，而MDA含量、电导率有所上升［19-20］。

通过人工老化的方式对种子进行处理使其快速丧失活力，从而为种子贮藏创造条件，这一手段受到国外学者的关注并且在种子贮藏领域得以实践应用。在最近2年间，国际种子市场出现了产出量超过消耗量的现象，因此必须考虑如何妥善地进行种子贮藏，虽然人们已经知道将种子储存在低温、低湿环境中有利于维持种子活力以及延长种子寿命，但仍不能遏制住种子老化过程，一旦种子因老化严重而发生劣变以后，其市场价值就会大打折扣［10］。早期研究已经证实了种子耐老化能力存在品种差异性，这也加重了种子长期储存的难度。本研究以广西主推的2个玉米杂交种——桂单162和桂单0810作为试验材料，采用高温高湿（48 ℃、相对湿度95%）的人工老化方法，研究人工老化对种子活力和生理特性的影响机理，以期为延缓种子的劣变提供科学依据，从而满足现实场景中的种子贮藏、调拨及经营所需。

1材料与方法

1.1供试材料

本次试验所用的2种材料是：桂单162和桂单0810（试验种子的采收时间一致，均是2020年12月）。本次试验的起止时间是2021年1—3月。试验地点在广西农业科学院玉米所栽培生理实验室。

1.2试验方法

1.2.1老化处理分别取用桂单162和桂单0810各300粒种子，将种子放入尼龙网袋内，然后将袋子转移到老化箱（LH-150S型号），设定温度48 ℃、相对湿度95%开始人工老化。在试验期内，每隔 2 d，分别取出1个处理樣，并进行自然风干至原质量。

1.2.2发芽试验依据GB/T 3543.4—1995《农作物种子检验规程发芽试验》进行发芽试验。第3天测定发芽势，第7天测定发芽率。7 d后将根取出，烘干，称量干质量。按照如下公式确定试验种子的发芽指数、发芽势、发芽率以及活力指数等指标，具体如下：

发芽势=第3天正常发芽种子数/供试种子数×100%；（1）

发芽率=第7天正常发芽种子数/供试种子总数×100%；（2）

发芽指数=∑第n天正常发芽种子数/相应发芽天数；（3）

活力指数=发芽指数×根质量。（4）

1.2.3生理指标测定本次试验选定的是POD活性、MDA含量以及电导率3项生理指标，参照《植物生理实验》［21］中的方法测定。具体来说，本次试验利用扬州嘉华生物科技有限公司销售的试剂盒来测定POD含量、MDA含量，每处理3个重复；利用电导率仪测定电导率，测定结果采用相对电导率的形式进行表示，每处理3个重复。

1.3统计分析

结合试验数据特点，利用DPS 19.05、Excel 2010软件开展数据整理及分析，用GraphPad Prism8 画图。

2材料与方法

2.1玉米种子人工老化过程中发芽情况和种子活力的变化

据表1分析，随着人工老化的时长增加，桂单0810和桂单162种子的发芽率、发芽势及活力指数均出现不同程度的下降。其中，桂单0810种子在经历了2 d的人工老化处理以后，其发芽势处于高水平状态，在经历了4 d的人工老化处理以后，其发芽指数、发芽率及活力指数处于高水平状态，但是在进一步延长人工老化时长以后，在经历了10 d的人工老化处理以后，种子的各项生理指标都出现明显降幅。以对照组种子的活力指标作为对比，其发芽势下降了60.32%，发芽率下降了55.44%，发芽指数下降了49.52%以及活力指数下降了65.63%。在人工老化处理前4 d，桂单162种子的各项指标处于高水平，但是在人工老化处理8 d后，其发芽率、发芽指数及活力指数均出现较大降幅，以人工老化处理10 d的试验数据来看，以对照组种子的活力指标作为对比，其发芽势、发芽率、发芽指数及活力指数等多项指标相较于对照组都出现了显著下降，降幅分别达到了62.54%、62.68%、54.33%及7000%。据以上结果，不同品种的玉米种子在耐老化方面存在异质性，与桂单162相比，桂单0810种子的耐老化能力更强，其耐贮性亦更强。

从表2可以看出，老化处理对桂丹0810和桂丹162的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数影响差异显著或极显著，但是不同品种之间除发芽指数差异极显著外，其余指标差异不显著。因此老化會明显降低玉米的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数，但是不同品种之间除发芽指数外，差异并不明显。

2.2玉米种子人工老化过程中幼苗苗高和根长的变化

从图1可以看出，老化处理2 d的玉米种子所长出的幼苗根长明显更短，这证实了人工老化能够抑制幼苗根系发育，与对照相比，桂单162、桂单0810的根长分别缩短了11.85%、15.05%；由老化处理4～6 d的玉米种子所长出的幼苗根长并无明显变化；及至老化10 d以后，桂单162、桂单0810的根长分别缩短了。此外，老化处理6 d的桂单162、桂单0810玉米种子所长出的幼苗苗高相较于对照组分别降低了25.58%、31.37%，而经过10 d老化处理，两品种幼苗苗高相较于对照组分别降低了56.68%、50.01%。可见，人工老化处理能够降低幼苗苗高，并且人工老化时间越长对幼苗苗高的抑制程度越深。

2.3人工老化处理对种子浸出液电导率、过氧化物酶（POD）活性MDA含量的影响

2.3.1人工老化处理对种子浸出液电导率的影响据图2分析，随着人工老化时长的增加，桂单0810和桂单162浸出液电导率均呈现升幅，尤其老化严重种子的浸出液电导率相对更高，这一结果与种子活力的变化规律相反。在本次试验中，老化2 d的玉米种子与对照组的浸出液相对电导率相近，这主要得益于种子膜系统在老化初期并未受到严重侵害。老化6 d的桂单0810、桂单162的相对电导率相较于对照组水平超出了6.61%、11.61%。老化10 d的桂单0810、桂单162的相对电导率相较于对照组水平超出了21.04%、20.61%。相关性分析表明，人工老化处理后的桂单0810和桂单162的相对电导率与其发芽率、活力指数、发芽势、发芽指数之间具有显著或极显著负相关性（表3）。

2.3.2人工老化处理对过氧化物酶活性的影响据图3分析，在逐步增加人工老化时长的过程中，桂单0810和桂单162的过氧化酶活性同步下降。在本次试验中，老化2 d后的种子过氧化酶活性降低缓慢；仅需老化4 d，种子中过氧化物酶活性就开始大幅下降；老化10 d时，2个品种过氧化物酶活性的降幅分别扩大至60.16%、83.04%。相关性分析表明，过氧化酶活性与各种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数呈正相关（表3）。

2.3.3人工老化处理对MDA含量的影响据图4分析，在逐步增加人工老化时长的过程中，桂单0810和桂单162的MDA含量随之上升，与对照组做比较，人工老化10 d的桂单0810、桂单162的MDA含量大幅升高了9091%、93.20%，这与发芽势等生理指标的变化规律是相反的（表3），其内因在于人工老化会造成种膜损伤，使其质膜透性增大。

3讨论

3.1人工老化对种子萌发的影响

利用种子萌发结果来评估种子活力是一种可取办法。前文已述，种子发芽率、发芽指数以及活

力指数均随着玉米种子的老化加深而出现下降趋势，这与祝煜中等多名学者的研究结论是一致的［22］。对玉米种子进行人工老化处理以后，其萌发能力随之减弱，这说明人工老化抑制了玉米种子的发芽活力。针对于老化时长相同的玉米种子来说，其活力指数、发芽指数的降幅都超过了发芽率的降幅，这一结果与毛竹、大豆等试验材料是一致的［23-24］。根据各项指标的相关性分析结果，证实了各理化指标与活力指数、发芽指数之间存在强关联性，这也说明活力指数、发芽指数能够更加准确地表征出玉米种子的活力水平。

3.2人工老化对幼苗生长的影响

选取不同方式对玉米种子进行老化处理，玉米种子的幼苗发育出现显著差异。王玉娇等观察了人工老化对于春小麦种子发芽指标、幼苗根系的影响结果，证实了经高温高湿处理后的春小麦种子所长出的幼苗发育迟缓，且幼苗根系不发达［25］。何学青指出，对柳枝稷种子进行人工老化处理，其幼苗发育并未受到显著干扰，而且幼苗根冠比有所升高［26］。还有以香椿作为对象，对种子老化与幼苗根长、苗高的相关性进行研究，证实了种子人工老化能够抑幼苗发育，具体来说，老化前期的种子所长出的幼苗根部更短，但苗高并未出现显著变化；老化后期的种子所长出的幼苗苗高明显更小，且根系发育迟缓［27］；老化4 d的种子所长出的幼苗根长有所上升，此时的人工老化发挥出种子筛选的功能，存活下来的种子具备更强的适应能力和发育能力［28-29］；老化7 d的种子所长出幼苗根长并未继续上升，这是因为幼苗的抗氧化酶活性升高。另有一些学者针对老芒麦进行试验研究，证实了对种子进行人工快速老化能够显著影响幼苗根长，但却不会显著影响幼苗苗高［30-31］。由于本次试验没有测验幼苗的理化指标，因此无从探究种子老化是否会造成幼苗形态指标发生显著改变。

3.3人工老化对种子膜系统的影响

人工快速老化造成玉米种子的生物膜结构发生质变，因细胞内含物质外渗到浸出液中，使得浸出液电导率升高［32-33］。膜脂过氧化会生成MDA，所以MDA含量是衡量细胞膜脂质过氧化程度的重要指标［34］。张海艳的研究证实了玉米种子浸出液电导率和MDA含量受到种子老化程度的显著影响［35］。在本次试验中，种子人工老化能够提高浸出液电导率、MDA含量，且此2项指标与其他各发芽指标之间存在负相关性。随着人工老化的加剧，种子内部生成了更多的活性氧，激发不饱和脂肪酸氧化反应，活性氧攻击细胞膜出现脂质过氧化现象，最终造成细胞膜损伤。同时在此过程中还生成了更多的脂质自由基、MDA，尤其MDA降低了抗氧化酶的活性，由此聚集的自由基加重了生物膜的损害程度，更多的细胞内质向外渗透，表现为种子浸出液电导率上升［36-37］。

过氧化物酶（POD）能够消除细胞膜的活性氧，从而保护细胞膜的完整和稳定，这对于维持种子活性是有利的［38］，因此，有活力的种子其过氧化物酶活性也较高。本试验中过氧化物酶的活性与与种子活力指标具有正相关性，它们的变化趋势基本保持一致。

4结论

利用高温高湿（温度48 ℃、相对湿度95%）的人工老化方式对玉米种子进行处理能够显著抑制其活力，继而影响幼苗生长过程，但老化后种子浸出液的相对电导率、MDA含量有所上升。在本次试验中，不断延长人工老化时间，种子的活力指数、发芽指数、发芽率、POD活性均出现降低趋势，而相对电导率、MDA含量则出现升高趋势。从机理上来讲，对玉米种子进行人工老化处理，种子内部的抗氧化酶系统功能失调以及膜脂过氧化作用侵害了种子膜系统，由此造成种子活力降低，我们可以通过观察POD活性、相对电导率、MDA含量等指标变化来评估玉米种子的老化程度及活力水平。

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