甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂促進(jìn)干旱條件下小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的研究

董寶

（安徽省化工研究院，安徽 合肥230041）

干旱脅迫是農(nóng)業(yè)作物在發(fā)芽和生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很大危害，農(nóng)作物常因根系土壤養(yǎng)分的吸收受阻，而導(dǎo)致植物的發(fā)芽率降低[1-3]，同時(shí)由于體內(nèi)的清除自由基相關(guān)酶活性和自由基清除劑含量明顯下降，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化程度和自由基水平上升[4-6]，葉綠素含量減少[7-8]。此外，由于蛋白質(zhì)的分解加強(qiáng)，其合成卻受到抑制，從而蛋白質(zhì)含量減少，可溶性糖含量顯著增加[9-10]，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、停滯甚至死亡。

抗旱性包衣劑又稱保水劑，是解決干旱脅迫的有效方法。其作用機(jī)理是在種子周圍形成“蓄水球囊”[11-15]，為種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)發(fā)育提供水源。因此，保水劑的制備方法和其保水能力等物理化學(xué)性質(zhì)一直是研究的熱點(diǎn)[14-16]，但是其對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究[16]?？紤]到合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂（淀粉接枝共聚樹(shù)脂）是一種保水性能優(yōu)良的保水劑[17]，本文采用該單位制備的甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為種子包衣劑，在干旱脅迫下研究其對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響規(guī)律，為甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

小麥種子：淮麥20（Triticum aestivum L,huaimai 20），采購(gòu)于安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院（純度≥99.0%，發(fā)芽率≥85%）。甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂（包衣劑）：合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院制備[17]，吸水率約為1∶900（w:v）。

1.2 種子的包衣制備

本文選擇了包衣劑與種子的質(zhì)量比分別為1∶30，1∶40，1∶50，1∶60，1∶70 五個(gè)不同的包衣比。包衣步驟：首先每種包衣比取約5g種子加適量水濕潤(rùn)，按比例稱量甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂粉末，加適量水分后充分?jǐn)嚢枋蛊湮蛎?。最后將預(yù)先濕潤(rùn)的種子加入，充分混合均勻后，將種子平攤在搪瓷盤(pán)中風(fēng)干。

1.3 干旱脅迫和種子萌發(fā)生長(zhǎng)管理

干旱脅迫和種子萌發(fā)生長(zhǎng)管理參照已報(bào)道的文獻(xiàn)[5,8,18]。土壤采用肥沃大田表土，干旱脅迫條件為土重的9%（質(zhì)量百分比）。初期保持土壤30%的持水量（質(zhì)量百分比）5h左右，以促使種子萌發(fā)與包衣劑的吸水，之后將土壤持水量降為9%，維持生長(zhǎng)溫度25℃±1℃和10h光照時(shí)間。每個(gè)包衣比和對(duì)照組下有5個(gè)重復(fù)。

1.4 生理生化指標(biāo)測(cè)試

光照培養(yǎng)7天后，進(jìn)行生理生化指標(biāo)測(cè)試：H2O2含量測(cè)定參照文獻(xiàn)[19]；丙二醛（MDA）含量參照文獻(xiàn)[20]；采用NBT光化還原法測(cè)試超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈創(chuàng)木酚法測(cè)試過(guò)氧化物酶（POD）活性，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性測(cè)定參照文獻(xiàn) [21]；抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）活性測(cè)定參照文獻(xiàn) [22]；谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）測(cè)定參照試劑盒（南京建成生物技術(shù)公司）；葉綠素、谷胱甘肽（GSH）和抗壞血酸（ASA）測(cè)定參照文獻(xiàn)[23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

如圖1所示，甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑能有效提高干旱脅迫下小麥種子的萌發(fā)率，且促進(jìn)其幼苗生長(zhǎng)。此外，不同包衣比的小麥種子萌發(fā)和生長(zhǎng)差異也較大，其中1∶50和1∶60包衣質(zhì)量比時(shí)，種子萌發(fā)率和苗高最高（圖1）。結(jié)果表明，甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑對(duì)干旱下萌發(fā)的小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用是顯著的。

圖1 不同包衣比對(duì)小麥種子發(fā)芽率和苗高的影響Fig.1 Influence of different coat proportion on germination rate and length of stem in wheat

2.2 甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂對(duì)小麥幼苗膜脂過(guò)氧化的影響

本文檢測(cè)了不同包衣質(zhì)量比的小麥幼苗H2O2、MDA和葉綠素的含量，結(jié)果如表1所示，對(duì)照組的H2O2、MDA含量均高于包衣組，而葉綠素的含量卻低于包衣組，說(shuō)明甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑能夠降低干旱脅迫下小麥幼苗的膜脂過(guò)氧化程度。此外，和種子萌發(fā)率的結(jié)果一致，不同包衣質(zhì)量比對(duì)幼苗膜脂過(guò)氧化減輕的程度也不盡相同。其中1∶50和1∶60包衣質(zhì)量比的葉綠素的含量高于其他包衣比，同時(shí)MDA和H2O2含量則顯著低于其他包衣比。1∶50包衣質(zhì)量比下的葉綠素的含量最高，且MDA和H2O2含量最低。結(jié)果表明，1∶50包衣比時(shí)小麥幼苗的抗膜脂過(guò)氧化的效果最好。

表1 不同包衣質(zhì)量比對(duì)小麥幼苗H2O2、MDA和葉綠素含量的影響Tab.1 Influence of different coat proportion on H2O2,MDA and chlorophyl in wheat seedlings

2.3 甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂對(duì)小麥幼苗自由基清除相關(guān)酶活的影響

干旱脅迫下，農(nóng)作物體內(nèi)的自由基清除相關(guān)酶活性與其抗旱能力相關(guān)。因此，為了深入了解甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂處理下小麥幼苗的抗旱機(jī)理，本文重點(diǎn)考查了小麥幼苗的酶促活性氧清除系統(tǒng)的變化，自由基清除相關(guān)酶SOD、CAT、POD、GPX和APX的活性如表2所示。研究結(jié)果表明：1∶50和1∶60包衣比條件下SOD的活性最高，比對(duì)照組高了2.4倍；除1∶50包衣比外，其他衣比對(duì)幼苗POD活性影響不大，均與對(duì)照相當(dāng)；同時(shí)在1∶50包衣比時(shí)，其CAT、APX及GPX活性分別是對(duì)照組的2.0倍、3.3倍及4.9倍，且明顯高于其他包衣比。因此，對(duì)于提高自由基清除水平，1∶50包衣比無(wú)疑是最佳的比例。

表2 不同包衣比對(duì)小麥幼苗自由基清除相關(guān)酶活性的影響Tab.2 Influence of different coat proportion on enzymes related to cleaningup free radicals in wheat seedlings

2.4 甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂對(duì)小麥幼苗GSH和ASA含量的影響

作為Halliwell-Asa-da循環(huán)的底物和活性氧的清除劑，ASA和GSH是植物體內(nèi)兩種主要且重要的非酶促抗氧化物質(zhì),并在植物體內(nèi)和酶促系統(tǒng)一起維持自由基平衡[6]。如圖2所示，包衣劑明顯提高小麥幼苗中ASA和GSH的含量，且1∶50包衣質(zhì)量比是最佳比例。

圖2 不同包衣質(zhì)量比對(duì)小麥幼苗ASA和GSH含量的影響Fig.2 Influence of different coat proportion on ASA and GSH content in wheat seedlings

3 討論

種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)必須有充分的水分供應(yīng)，否則萌發(fā)率低下，且幼苗生長(zhǎng)緩慢。干旱脅迫下，抗旱包衣劑通過(guò)在種子周圍形成“蓄水球囊”，使得土壤中的水分緩慢釋放，保障種子萌發(fā)的水源供應(yīng)[13,24,25]。但是包衣層過(guò)厚則往往使種子吸水和氣體交換受阻，而包衣層過(guò)薄則不能形成有效“蓄水球囊”，且一定程度上阻礙了種子對(duì)水和氧氣等物質(zhì)的吸收，從而引起發(fā)芽率低和幼苗弱勢(shì)生長(zhǎng)[25-26]。本文以甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑，與對(duì)照組相比，在干旱脅迫下顯著提高了小麥種子的發(fā)芽率和幼苗生長(zhǎng)，其中1∶50和1∶60包衣質(zhì)量比的發(fā)芽率高于70%。

干旱條件下植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基的平衡受到破壞，嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)。H2O2和MDA是過(guò)氧化物的主要產(chǎn)物，因此是反映過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)[6,27]。本文研究結(jié)果表明，甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑，顯著降低了小麥體內(nèi)H2O2和MDA含量，且提高了葉綠素的水平，有效降低干旱條件下小麥幼苗的膜脂過(guò)氧化程度。

干旱脅迫往往導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧自由基含量增加，膜脂過(guò)氧化,細(xì)胞膜受損破壞。SOD、CAT、POD、APX、GPX等是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的主要酶促系統(tǒng)，而非酶促主要包含ASA與GSH。為更好地理解甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑對(duì)小麥種子萌發(fā)的作用機(jī)理，本文重點(diǎn)研究了小麥幼苗酶促系統(tǒng)的酶活性和非酶促物質(zhì)ASA、GSH的含量變化，結(jié)果表明，甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑同時(shí)提高了清除活性氧自由基的酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)的水平，從而保障了小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑可有效緩解小麥的干旱脅迫作用，且其最佳包衣質(zhì)量比為1∶50。此外，本文深入研究了小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中，甘薯淀粉高吸水樹(shù)脂作為包衣劑對(duì)膜脂過(guò)氧化水平和活性氧自由基清除能力的影響，為包衣劑的抗旱機(jī)理研究提供了數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

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