不同成熟度棉花種子營(yíng)養(yǎng)成分與生理生化特征關(guān)系研究

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(1.遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所， 遼寧 遼陽 111000； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110161)

種子作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要生產(chǎn)資料，直接決定生產(chǎn)能否順利進(jìn)行并取得預(yù)期的成果。1976年，國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)( ISTA) 正式將種子在發(fā)芽和出苗期間的活性強(qiáng)度及特征的綜合表現(xiàn)定義為種子活力[1-2]，并以之作為衡量種子質(zhì)量和種用價(jià)值的主要指標(biāo)。

種子活力是在種子發(fā)育過程中形成的，大量研究表明，種子活力與種子成熟度密切相關(guān)[3-5]。伴隨著種子成熟，種子內(nèi)的蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)逐漸累積增加，種子的發(fā)芽率及活力也逐漸提高，至生理成熟期達(dá)到高峰[1]。種子內(nèi)的貯藏物質(zhì)主要是糖類、脂肪、蛋白質(zhì)和其他含氮物質(zhì)[6]。研究表明，糖類是種子的主要貯藏物質(zhì)，是種子生命活動(dòng)的呼吸基質(zhì)[7]。脂類可以限制種子的透水性，保持種子的生活力，但其較容易變性，從而對(duì)種子活力造成較大威脅[8]。由此可見，種子所含成分的差異，會(huì)對(duì)種子活力造成一定影響[9]。張自陽等通過對(duì)小麥種子活力與貯藏物質(zhì)變化規(guī)律研究認(rèn)為：種子的發(fā)芽率和活力指數(shù)與淀粉含量、千粒重的相關(guān)性較強(qiáng)，淀粉含量和千粒重可以作為衡量小麥種子活力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[10]。

在種子萌發(fā)過程中，會(huì)發(fā)生一系列生理生化變化，比如有毒有害物質(zhì)丙二醛(MDA)的積累，產(chǎn)生大量自由基等破壞膜的透性，甚至?xí)茐暮怂岽蠓肿?，引起染色體的畸變[11-12]等等。激素(hormone)作為一種信號(hào)小分子物質(zhì)，在轉(zhuǎn)化和破壞自由基方面起到了重要的作用，比如氧化還原酶，就起到保護(hù)種子的作用。有關(guān)種子萌發(fā)期間激素水平的變化規(guī)律，前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究并取得了諸多成果[1，6，14]。

棉花作為重要的生產(chǎn)生活和戰(zhàn)備物資，全國(guó)每年的播種面積保持在667萬hm2左右。但是，有關(guān)棉花種子活力的研究更多集中在種子引發(fā)[14-15]、老化和劣變等方面[16-19]，對(duì)于棉花種子成熟度、營(yíng)養(yǎng)成分及其與萌發(fā)期間生理生化反應(yīng)的關(guān)系，目前還未見報(bào)道。有鑒于種子的成熟度決定了種子營(yíng)養(yǎng)成分含量，同時(shí)直接影響了種子活力，因此，本試驗(yàn)將種子成熟度、營(yíng)養(yǎng)成分含量和種子特征特性、萌發(fā)期間生理生化反應(yīng)相結(jié)合，力圖探索其中的規(guī)律，為棉花生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 不同成熟度棉花種子群體的獲得

2016年，選擇遼棉25、遼棉31兩個(gè)棉花品種。從棉花開花時(shí)開始，分別于7月12日、7月19日、7月26日、8月2日、8月9日對(duì)當(dāng)日所開花進(jìn)行掛牌標(biāo)記。到棉花吐絮時(shí)，分別在9月19日、9月29日、10月12日收獲。將所收獲的棉花分別軋花，種子分別存放，構(gòu)成不同成熟度的棉花種子群體，共包含13份樣品。

表1 不同成熟度的棉花種子群體構(gòu)成明細(xì)

遼31日期(月/日)種子成熟度(植株停留時(shí)間)(d)遼25日期(月/日)種子成熟度(植株停留時(shí)間)(d)108/02—09/1948708/02—09/2958207/26—09/1955807/26—09/2965308/02—09/2958908/02—10/1271407/19—09/19621007/19—09/2972507/12—09/19691107/26—10/1278608/02—10/12711207/12—09/29791307/19—10/1285

1.2 棉花種子基本指標(biāo)的測(cè)定

從不同成熟度棉花種子群體中，每份樣品取適量，硫酸脫絨后，檢測(cè)百粒重，并進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。

1.2.1 種子百粒重

選擇大小均勻、無破損的種子，測(cè)量百粒重。每樣品重復(fù)3次，取平均值。

1.2.2 種子室內(nèi)發(fā)芽試驗(yàn)

每樣品取100粒種子，使用發(fā)芽盒，在溫度28 ℃、濕度40%的條件下，利用培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。在第4天測(cè)定發(fā)芽率。

1.3 棉花種子營(yíng)養(yǎng)成分含量的測(cè)定

利用索氏提取方法測(cè)定種子的粗脂肪含量，用蒽酮顯色方法測(cè)定種子的可溶性糖含量和淀粉含量。操作方法參考《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[20]。

1.4 棉花種子萌發(fā)期間酶含量/活性的測(cè)定

每樣品種子稱取1 g，使用發(fā)芽盒在溫度28 ℃、濕度40%的條件下，利用培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)芽。在發(fā)芽第4天時(shí)測(cè)定丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性。所有指標(biāo)的測(cè)定均重復(fù)3次，最終結(jié)果取平均值。

具體檢測(cè)方法：采用TBA比色法測(cè)定種子MDA濃度，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定種子過氧化物酶(POD)活性，采用紫外吸收法測(cè)定種子CAT和SOD活性。操作方法參考《植物生理學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析與整理

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和作圖，利用DPS軟件進(jìn)行分析和比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同成熟度棉花種子營(yíng)養(yǎng)成分含量

由表2可見，作為植物油類重要來源之一的棉花種子，粗脂肪含量較多，達(dá)到20%左右；可溶性糖含量居中，為5%左右；淀粉含量較少，為3%左右。同時(shí)，各成分含量在2個(gè)品種間沒有明顯差異。

表2 不同成熟度棉花種子營(yíng)養(yǎng)成分含量

序號(hào)粗脂肪(%)可溶性糖(%)淀粉(%)113.94±0.10jG4.99±0.13bcdAB3.19±0.31bcdAB221.35±0.37abcA4.64±0.59dB3.02±0.21bcdB320.03±0.67defBC4.98±0.08bcdAB2.76±0.28dB420.78±0.33bcdAB5.32±0.27abcdAB3.43±0.40abcAB519.85±0.37efBC5.79±0.71aA2.75±0.27dB621.41±0.78abA5.13±0.36abcdAB2.79±0.16cdB720.58±0.12cdeAB4.78±0.20cdB3.09±0.32bcdAB819.50±0.50fC5.18±0.19abcdAB3.93±0.42aA921.62±0.74aA5.46±0.46abcAB3.15±0.37bcdAB1016.21±0.44iEF5.49±0.37abcAB3.31±0.11bcdAB1118.24±0.05gD5.57±0.48abAB3.29±0.06bcdAB1217.12±0.27hE5.51±0.21abcAB3.52±0.40abAB1315.66±0.03iF5.22±0.35abcdAB3.01±0.63bcdB

注：表中大寫字母表示在1%水平上差異顯著，小寫字母表示在5%水平上差異顯著。下同。

相關(guān)分析結(jié)果：粗脂肪、可溶性糖、淀粉含量與種子成熟度的相關(guān)系數(shù)分別為0.153 5、0.650 1和0.092 8，可見，種子可溶性糖含量與種子成熟度呈中度正相關(guān)，粗脂肪和淀粉含量與種子成熟度相關(guān)極弱，說明棉花種子的成熟度主要影響到可溶性糖的積累。

2.2 種子百粒重和發(fā)芽情況與養(yǎng)分含量的相關(guān)分析

2.2.1 不同成熟度種子百粒重和發(fā)芽情況

由表3可見，除個(gè)別樣本外，不同成熟度種子的百粒重和第4天發(fā)芽率差異不顯著；同時(shí)，2個(gè)品種間也沒有表現(xiàn)出明顯差異。考慮到樣本同為棉花種子，這樣的結(jié)果也在預(yù)期之中。

相關(guān)分析結(jié)果：百粒重、第4天發(fā)芽率與種子成熟度的相關(guān)系數(shù)分別為0.564 4和0.584 9，為較弱中度相關(guān)；百粒重和第4天發(fā)芽率的相關(guān)系數(shù)為0.763 9，為較強(qiáng)的中度相關(guān)。可見，種子的成熟度對(duì)種子百粒重和第4天發(fā)芽率有一定的正向影響，百粒重較大的種子發(fā)芽率較高。

表3 種子百粒重和發(fā)芽情況

編號(hào)百粒重(g)第4天發(fā)芽率(%)19.68±0.20bcdAB8.33±5.69abA210.30±0.10aA9.33±8.50abA310.27±0.21aA12.00±6.56abA410.20±0.00abA13.67±5.51aA510.30±0.26aA13.00±5.29abA69.32±0.58dB4.33±4.16abA710.33±0.23aA8.67±5.69abA810.27±0.25aA12.67±6.66abA910.13±0.15abcA10.33±3.51abA109.61±0.53cdAB6.67±4.73abA119.70±0.42bcdAB6.00±1.00abA129.88±0.08abcAB3.33±2.89bA138.62±0.13eC3.67±2.89abA

2.2.2 種子百粒重和發(fā)芽情況與營(yíng)養(yǎng)成分的相關(guān)分析

以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量，以種子百粒重和第4天時(shí)的發(fā)芽率為因變量，進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析，結(jié)果見表4。

由表4可見，粗脂肪含量與百粒重呈較弱中度正相關(guān)，與第4天發(fā)芽率呈較強(qiáng)的低度正相關(guān)；可溶性糖含量和淀粉含量與百粒重和第4天發(fā)芽率相關(guān)極弱。逐步回歸方程也表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，2個(gè)指標(biāo)受粗脂肪含量影響較大。

表4 相關(guān)系數(shù)及逐步回歸方程

粗脂肪(%)可溶性糖(%)淀粉(%)百粒重(g)0.5717-0.1291y=7.6937+0.1161x10.1418第4天發(fā)芽率(%)0.4565-0.0337y=-3.9681+0.6643x10.0672

2.3 種子發(fā)芽期間激素水平與養(yǎng)分含量的相關(guān)分析

2.3.1 種子發(fā)芽第4天時(shí)激素水平

由表5可見，種子發(fā)芽期間，樣本間MDA濃度差異較明顯，其中濃度最大的是2號(hào)樣本，最低的是13號(hào)樣本。樣本間POD活性差異不顯著，其中活性較高的是9號(hào)樣本，較低的是8號(hào)樣本。樣本間CAT和SOD活性在5%水平上有一定差異，在1%水平差異不顯著，其中CAT活性較高的是5號(hào)樣本、較低的是4號(hào)樣本，SOD活性較高的是7號(hào)樣本、較低的是1號(hào)樣本。

表5 種子發(fā)芽第4天激素水平

編號(hào)MDA濃度(μmol/g)POD活性[U/(g·min)]CAT活性[U/(g·min)]SOD活性[U/(g·min)]121.91±1.05abA0.07±0.01aA240.44±61.04bA48.59±6.66bA222.77±0.80aA0.17±0.02aA295.99±29.32abA61.11±12.58bA320.49±0.89bcABC0.03±0.01aA302.85±65.45abA78.79±8.05bA421.21±1.50abAB0.18±0.06aA307.75±35.92bA113.32±42.88abA522.28±1.25abA0.02±0.01aA567.28±81.87aA101.23±15.23abA621.82±1.68abAB0.06±0.01aA309.01±11.22abA129.23±32.02abA722.65±0.77abA0.13±0.01aA300.60±39.51abA227.08±24.64aA822.27±0.78abA0.01±0.01aA436.80±55.09abA96.81±17.63abA922.52±0.36abA0.19±0.04aA476.53±41.81abA165.38±26.43abA1021.42±1.35abAB0.15±0.04aA438.20±40.60abA161.49±17.55abA1121.06±0.18abAB0.11±0.03aA456.75±35.13abA183.73±31.6abA1219.03±1.72cdBC0.09±0.03aA272.59±63.38bA111.63±38.74abA1318.07±1.14dC0.09±0.04aA534.24±30.53abA163.44±26.72abA

表6 相關(guān)系數(shù)及逐步回歸方程

粗脂肪(%)可溶性糖(%)淀粉(%)MDA 濃度(μmol/g)0.5223-0.2352y=15.6937+0.2984x1-0.033POD 活性[U/(g·min)]0.1801-0.1079y=0.0145+0.0044x10.0861CAT 活性[U/(g·min)]-0.02670.6332y=-705.7772+207.4083x2-0.0636SOD 活性[U/(g·min)]0.03770.4317y=-174.1801+56.3728x20.0501

2.3.2 激素水平與營(yíng)養(yǎng)成分的相關(guān)分析

以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量，以種子發(fā)芽第4天時(shí)的激素水平為因變量，進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析，結(jié)果見表6。

由表6可見，粗脂肪含量與MDA濃度呈較弱中度正相關(guān)，與POD、CAT、SOD相關(guān)極弱；可溶性糖含量與CAT活性呈中度正相關(guān)，與SOD活性呈較強(qiáng)低度正相關(guān)。與MDA含量和POD活性相關(guān)極弱；淀粉含量與各激素指標(biāo)相關(guān)極弱。逐步回歸方程也表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，MDA濃度和POD活性主要受粗脂肪含量影響，CAT和SOD活性主要受可溶性糖含量影響。

同時(shí)，種子成熟度與發(fā)芽期間MDA濃度、POD、CAT、SOD活性的相關(guān)系數(shù)分別為-0.630 5、-0.011 2、0.610 3和0.505 8，可見，除POD活性外，種子成熟度與MDA濃度呈中度負(fù)相關(guān)，與CAT活性和SOD活性呈中度正相關(guān)。逐步回歸方程為y=131.71-4.17x1+0.04x3+0.06x4，說明種子成熟度影響到MDA濃度、CAT和SOD活性，與相關(guān)分析的結(jié)果相符合。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同成熟度棉花種子營(yíng)養(yǎng)成分含量存在差異

種子成熟的過程又是種子貯藏物質(zhì)積累的過程[1]，因此，種子成熟度必然會(huì)影響到種子營(yíng)養(yǎng)成分的含量。這一點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)中得到了很好的體現(xiàn)：在所檢測(cè)的3個(gè)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)中，粗脂肪含量較多，樣本間差異較明顯；可溶性糖含量居中，樣本間差異居中；淀粉含量較少，樣本間差異進(jìn)一步縮小。

可溶性糖含量與種子成熟度呈中度正相關(guān)，粗脂肪和淀粉含量與種子成熟度相關(guān)極弱。

3.2 種子百粒重和第4天發(fā)芽率受粗脂肪含量和種子成熟度影響較大

因?yàn)樗峁颖径际敲藁ǚN子，所以種子百粒重和第4天發(fā)芽率2個(gè)指標(biāo)差異不明顯，且與粗脂肪含量呈低度到中度正相關(guān)，與種子成熟度呈中度正相關(guān)；且種子越大，發(fā)芽率越高。

值得注意的是，各成分之間，粗脂肪和淀粉含量與這2個(gè)指標(biāo)呈正相關(guān)，而可溶性糖含量呈負(fù)相關(guān)。前人研究認(rèn)為，可溶性糖是種子發(fā)芽到轉(zhuǎn)入光合作用之前的主要呼吸底物，為種子萌發(fā)提供能量[14]，因此，可溶性糖含量應(yīng)該與種子發(fā)芽率成正比，并且較多的影響到種子的發(fā)芽。但本試驗(yàn)結(jié)果卻與之不符，這個(gè)問題留待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3.3 種子萌發(fā)期間MDA濃度激素水平主要受粗脂肪和可溶性糖含量影響

種子萌發(fā)期間，樣本間MDA濃度差異較明顯，POD活性差異不顯著，CAT和SOD活性在5%水平上有一定差異，在1%水平差異不顯著。

相關(guān)和回歸分析認(rèn)為，MDA濃度和POD活性主要受粗脂肪含量的正向影響，這一點(diǎn)符合前人的研究結(jié)果，即脂類更容易發(fā)生變質(zhì)[8]，從而形成有害的MDA累積在種子中，而棉花作為脂肪含量較多的油料種子，在貯存和生產(chǎn)中更要注意脂類的變質(zhì)和氧化，這一點(diǎn)另作討論。CAT和SOD活性主要受可溶性糖含量的正向影響。由此可以假設(shè)，可溶性糖通過對(duì)氧化還原酶的影響，進(jìn)而影響到種子的呼吸和萌發(fā)。

同時(shí)，除POD活性外，種子成熟度與MDA濃度呈中度負(fù)相關(guān)，與CAT活性和SOD活性呈中度正相關(guān)，逐步回歸分析也得到了同樣的結(jié)果，說明種子的成熟度對(duì)種子萌發(fā)期間的生理生化反應(yīng)有一定的影響，進(jìn)而會(huì)影響種子活力。

3.4 對(duì)于試驗(yàn)的補(bǔ)充說明

首先，種子成熟度是一個(gè)很模糊的概念。賈然然等在研究毛葉山桐種子的過程中，以山桐子果實(shí)的顏色作為種子成熟度的衡量指標(biāo)[22]。本試驗(yàn)中，將棉花開花到收獲的植株停留時(shí)間作為種子成熟度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。但種子的發(fā)育成熟受到一系列因素的影響，還會(huì)發(fā)生種子“過成熟”現(xiàn)象，以及由于果實(shí)腐爛而造成的霉菌感染現(xiàn)象等；再考慮到物種不同，其生長(zhǎng)發(fā)育各有特性，所以，如何準(zhǔn)確定義種子的成熟度還有待商榷。本試驗(yàn)將“種子的植株停留時(shí)間”定義為“種子成熟度”，并以其作為比較標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行研究。

其次，種子萌發(fā)始于吸水膨脹，進(jìn)而種子代謝恢復(fù)，胚根突破胚乳和種皮等外圍包被組織，即完成萌發(fā)[8]。作為一個(gè)連續(xù)的過程，本試驗(yàn)也分別在種子發(fā)芽第1天、第4天、第7天時(shí)進(jìn)行了一系列指標(biāo)的檢測(cè)。經(jīng)過連續(xù)試驗(yàn)，認(rèn)為種子發(fā)芽第1天時(shí)，剛剛完成吸脹，種子內(nèi)部的生理活動(dòng)還沒有充分啟動(dòng)；發(fā)芽第7天時(shí)，部分棉花種子樣本腐爛現(xiàn)象嚴(yán)重，影響各指標(biāo)、尤其是激素指標(biāo)的測(cè)定。比較認(rèn)為第4天的數(shù)據(jù)具有代表性，因此根據(jù)當(dāng)天的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。另一方面，為解決發(fā)芽試驗(yàn)中棉花種子腐爛的問題，采取了很多措施，卻始終沒有取得有效的進(jìn)展，這一點(diǎn)在今后的工作中還需要進(jìn)一步摸索。

綜合上述結(jié)果，可以認(rèn)為，在保證種子質(zhì)量的前提下，即種子沒有發(fā)霉、發(fā)芽及過成熟等現(xiàn)象出現(xiàn)，種子成熟度越高，活力越強(qiáng)，越有利于其萌發(fā)和利用。同時(shí)，作為脂肪類種子，棉花種子的粗脂肪含量較高，在萌發(fā)過程中會(huì)造成MDA的大量積累，對(duì)其種子的萌發(fā)影響較大。圍繞以棉花為代表的種子活力的研究還在進(jìn)行中，隨著研究的深入，必然會(huì)得到更多翔實(shí)可靠的結(jié)論，為棉花及棉花種子的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。