FeSO4引發(fā)提高秦艽種子萌發(fā)的生理機(jī)制*

牛曉雪, 牟 萌, 李保華, 董學(xué)會(huì)

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FeSO4引發(fā)提高秦艽種子萌發(fā)的生理機(jī)制*

牛曉雪1,2, 牟 萌1, 李保華1, 董學(xué)會(huì)2**

(1. 濰坊市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 濰坊 261071; 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 北京 100193)

為探討FeSO4引發(fā)提高秦艽種子萌發(fā)抗性的生理機(jī)制, 同時(shí)設(shè)置水引發(fā)處理, 以未作任何處理的種子為對(duì)照(CK), 研究了0.6% FeSO4引發(fā)處理24 h對(duì)種子膜透性、儲(chǔ)藏性物質(zhì)、能量、激素及抗性相關(guān)酶等方面的影響。結(jié)果表明: FeSO4引發(fā)降低了種子膜透性, 提高種子活力, 在吸水12 h和24 h時(shí), 電導(dǎo)率分別較CK降低了6.61%和11.67%; 調(diào)動(dòng)了種子內(nèi)部?jī)?chǔ)藏物質(zhì)的代謝, 蔗糖含量減少9.57%, 可溶性蛋白增加49.63%, 飽和脂肪酸中的豆蔻酸和木焦油酸甲酯含量分別增加4.93%和9.03%, 不飽和脂肪酸中的山崳酸、油酸、亞油酸和亞麻酸分別減少6.73%、8.18%、8.40%和6.70%; 改變了種子激素平衡, 其中脫落酸的含量下降64.78%, 赤霉素含量增加近22倍; 加速了種子能量代謝, ATP含量增加2.16倍, 細(xì)胞色素C氧化酶活性增加67.91%。此外, FeSO4引發(fā)使線粒體非酶促系統(tǒng)中谷胱甘肽含量和抗壞血酸的含量分別增加74.08%和10.89%, 使細(xì)胞內(nèi)酶促系統(tǒng)超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶活性分別增加285%、179%以及19.6%。因此, FeSO4引發(fā)對(duì)種子萌發(fā)是一個(gè)綜合過程, 一方面可促進(jìn)種子物質(zhì)代謝和提高能荷水平, 一方面可改善種子內(nèi)部生理狀態(tài)和提高脅迫響應(yīng)能力, 從而提高種子活力, 促進(jìn)種子快速和整齊萌發(fā)。

種子引發(fā); 秦艽; FeSO4引發(fā); 水引發(fā); 萌發(fā); 生理機(jī)制

秦艽()為龍膽科(Gentianaceae)龍膽屬的多年生草本植物, 以根入藥, 被用作中國草藥已有兩千多年的歷史[1], 是國家三級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物。秦艽主要靠種子進(jìn)行繁殖, 但其種子小、壽命短、產(chǎn)量低、有后熟作用, 且在生產(chǎn)實(shí)踐育苗過程中存在發(fā)芽率低、發(fā)芽不整齊、出苗時(shí)間長(zhǎng)等情況, 嚴(yán)重制約著秦艽的規(guī)范化種植與生產(chǎn)。種子引發(fā)是一項(xiàng)控制種子緩慢吸水并回干的播前種子處理技術(shù), 它可使種子處于“萌發(fā)”的狀態(tài), 而胚根不突破種皮?，F(xiàn)在, 種子引發(fā)技術(shù)在許多農(nóng)作物上被用來改變種子的萌發(fā)和出苗性質(zhì)[2]。經(jīng)過引發(fā)的種子不僅能夠提高農(nóng)作物的出苗速率、出苗整齊度、節(jié)約種子用量、減少成本, 而且還可提高幼苗素質(zhì), 增強(qiáng)苗期抗逆性能[3-11]。在比較多種引發(fā)劑對(duì)秦艽種子萌發(fā)影響的試驗(yàn)[12]中發(fā)現(xiàn), FeSO4效果最好, 不僅能夠解決生產(chǎn)實(shí)際育苗中存在的問題, 且提高了種子抗低溫和耐高溫的能力, 該方法顯著優(yōu)于目前研究中常采用的藥劑處理、溫差處理和物理處理等方法。在大豆()種子研究中[13], 也發(fā)現(xiàn)用FeSO4能夠提高種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。除此之外, 以FeSO4作為引發(fā)劑的研究鮮見報(bào)道, 有關(guān)FeSO4引發(fā)機(jī)理的研究未見報(bào)道。本文以秦艽種子為研究對(duì)象, 通過比較FeSO4引發(fā)的種子與未處理的種子在儲(chǔ)藏物質(zhì)、能量、激素以及某些酶等方面的差異, 了解FeSO4引發(fā)導(dǎo)致的種子內(nèi)部變化, 探討FeSO4引發(fā)提高種子萌發(fā)表現(xiàn)的相關(guān)機(jī)理, 為其在非生物脅迫應(yīng)答中的作用提供理論依據(jù), 也為FeSO4引發(fā)技術(shù)在其他植物種子生產(chǎn)中應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用秦艽種子于2012年采收于陜西省寶雞市隴縣八渡鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地, 種子試驗(yàn)前進(jìn)行以下處理: 1)通過風(fēng)選去掉大雜、秕粒及破損的種子; 2)通過0.45 mm篩子剔除小粒種子, 挑選大小均勻且飽滿的種子用于試驗(yàn), 種子試驗(yàn)前于4 ℃保存。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照文獻(xiàn)[12], 取一定重量的上述種子約5 g用0.6%(/)FeSO4溶液在20 ℃的恒溫環(huán)境下避光處理24 h, 用蒸餾水清洗掉表面多余的FeSO4溶液, 將處理的種子鋪放在20 ℃的恒溫環(huán)境下直至水分恒定, 所得樣品為FeSO4引發(fā)所得種子; 取一定重量的上述種子約5 g用蒸餾水在相同的環(huán)境下避光處理24 h, 之后于20 ℃的恒溫環(huán)境下直至水分恒定, 所得樣品為H2O引發(fā)所得種子, 此樣品作為FeSO4引發(fā)所得種子對(duì)照, 排除H2O影響; 另一對(duì)照(CK)為未作任何處理的上述供試種子。每個(gè)處理重復(fù)4次。FeSO4引發(fā)、H2O引發(fā)、CK所得種子立刻直接用于各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的測(cè)定, 待測(cè)樣品于4 ℃保存。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 種子電導(dǎo)率的測(cè)定

取各處理0.25 g()放入干凈的玻璃試管, 用去離子水沖洗3次, 然后加入去離子水15 mL, 用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定各處理的初始電導(dǎo)率(1)作為對(duì)照, 將其放在20 ℃的恒溫環(huán)境下, 分別在浸泡后的2 h、4 h、8 h、12 h、24 h測(cè)定浸泡液的電導(dǎo)率(2), 按公式[種子電導(dǎo)率(μS?cm-1?g-1)=(2-1)/]計(jì)算各處理的電導(dǎo)率。

1.3.2 種子儲(chǔ)藏物質(zhì)的測(cè)定

取各處理后的種子0.25 g, 參照植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[14]采用比色法測(cè)定各類可溶性糖(蔗糖、果糖、葡萄糖)、可溶性總糖和淀粉含量; 取各處理后的種子0.20 g, 研磨粉碎后采用凱氏定氮法測(cè)定粗蛋白含量; 取各處理1 g, 采用氣相色譜法測(cè)定脂肪酸含量, 在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部飼料效價(jià)與安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心完成。

1.3.3 激素、腺苷三磷酸及抗氧化酶活性含量的測(cè)定

取各處理后的種子0.2 g, 參照何鐘佩酶聯(lián)免疫法(ELISA)[15]測(cè)定激素ABA和GA3含量, 在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生理與生物化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成; 取各處理后的種子0.5 g, 參照種子生物學(xué)研究指南[16]采用熒光素酶法測(cè)定腺苷三磷酸含量，采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)含量。

1.3.4 線粒體完整性及內(nèi)相關(guān)酶的測(cè)定

取各處理后的種子5 g, 置于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中, 加入足量的蒸餾水, 在恒溫培養(yǎng)箱20 ℃光/暗交替環(huán)境下培養(yǎng)24 h, 取出吸干表面多余的水分, 迅速放入液氮中冷凍,-40 ℃保存待提取。種子線粒體的提取參照Yin等[17]的方法; 線粒體完整性的測(cè)定參照Hernández等[18]方法; 細(xì)胞色素氧化酶(COX)活性測(cè)定參考Neuburge[19]的方法; 谷胱甘肽(GSH)以及總谷胱甘肽(GSH+GSSG)含量, 抗壞血酸(ASC)和總抗壞血酸(ASC+DHA)含量的測(cè)定參照種子生物學(xué)研究指南[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均以4次重復(fù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示, 采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)和作圖, 用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析, 并運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異(<0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 FeSO4引發(fā)處理對(duì)秦艽種子電導(dǎo)率的影響

種子浸出液的電導(dǎo)率是種子活力檢驗(yàn)中的常規(guī)指標(biāo), 可以有效反映細(xì)胞膜透性能力的大小, 而浸出液的電導(dǎo)率又與種子活力呈負(fù)相關(guān)。由圖1可知, 隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng), CK、H2O引發(fā)和FeSO4引發(fā)種子電導(dǎo)率均呈升高趨勢(shì)。種子在浸泡8 h以前, 此階段種子處于吸水模式第Ⅰ階段快速吸水期, 電導(dǎo)率表現(xiàn)為FeSO4引發(fā)>CK>H2O引發(fā), 可能是由于FeSO4引發(fā)后存在于細(xì)胞間隙中的鐵離子外滲導(dǎo)致; 8 h以后吸水穩(wěn)定, 電導(dǎo)率CK>H2O引發(fā)>FeSO4引發(fā), FeSO4引發(fā)種子電導(dǎo)率與CK差異顯著(0.05), 在吸水12 h、24 h, 分別較CK降低了6.61%、11.67%, 說明FeSO4引發(fā)通過降低種子膜透性, 使種子活力均高于H2O引發(fā)和CK, FeSO4引發(fā)提高了種子活力。

圖1 不同引發(fā)劑處理對(duì)秦艽種子電導(dǎo)率的影響

同一時(shí)間不同字母表示處理間差異顯著(<0.05)。At the same soaking time, different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (0.05).

2.2 FeSO4引發(fā)處理對(duì)秦艽種子儲(chǔ)藏物質(zhì)的影響

表1表明, FeSO4引發(fā)能夠顯著降低蔗糖含量, 較CK降低9.57%, 對(duì)葡萄糖、果糖和淀粉含量無影響; H2O引發(fā)對(duì)種子內(nèi)可溶性總糖、葡萄糖、蔗糖、果糖和淀粉含量無影響。此外, 引發(fā)還能顯著提高種子內(nèi)可溶性蛋白的含量, H2O引發(fā)和FeSO4引發(fā)較CK分別增加13.0%和49.63%。

從表2中可以看出, 秦艽種子脂肪酸由豆蔻酸、棕櫚酸、棕櫚一烯酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、花生一烯酸、山崳酸、山崳酸甲酯和木焦油酸甲酯組成。以不飽和脂肪酸為主, 不飽和脂肪酸含量平均值可達(dá)91.34%, 其中亞油酸含量最高, 其次為油酸。FeSO4引發(fā)對(duì)飽和脂肪酸中的棕櫚酸、硬脂酸、花生一烯酸和山崳酸甲酯4種含量基本無影響, 但卻顯著(0.05)提高了豆蔻酸和木焦油酸甲酯的含量, 較CK分別增加4.93%和9.03%; 對(duì)不飽和脂肪酸中除棕櫚一烯酸外的其他4種脂肪酸山崳酸、油酸、亞油酸和亞麻酸有顯著降低的作用, 較CK分別減少6.73%、8.18%、8.40%和6.70%。H2O引發(fā)對(duì)除硬脂酸外的其他脂肪酸含量無顯著影響, 硬脂酸含量較CK降低5.05%。

表1 不同引發(fā)劑處理對(duì)秦艽種子內(nèi)儲(chǔ)藏物質(zhì)的影響

同列不同字母表示差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (0.05).

表2 不同引發(fā)劑處理對(duì)秦艽種子脂肪酸含量的影響

同行不同字母表示差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same line indicate significant differences (< 0.05).

2.3 FeSO4引發(fā)處理對(duì)秦艽種子內(nèi)激素和ATP含量的影響

CK、H2O引發(fā)和FeSO4引發(fā)秦艽種子內(nèi)源激素(包括ABA、GA含量及GA/ABA比值)和ATP含量結(jié)果如表3所示。從表中可以看出, FeSO4引發(fā)降低了種子內(nèi)ABA的含量, 分別較H2O引發(fā)和CK減少17.14%和64.78%; 提高了種子內(nèi)GA的含量, 分別較H2O引發(fā)和CK增加16.09倍和21.54倍。引發(fā)通過改變種子內(nèi)部ABA和GA含量而改變了GA/ABA的比值, FeSO4引發(fā)分別較H2O引發(fā)和CK增加24.07倍和39.78倍。FeSO4引發(fā)顯著提高了種子內(nèi)部ATP含量, 較H2O引發(fā)和CK分別增加2.18倍和2.16倍; H2O引發(fā)對(duì)秦艽種子內(nèi)部的ATP含量無顯著影響。

表3 不同引發(fā)劑處理對(duì)秦艽種子激素(ABA、GA)含量、GA/ABA比值及ATP含量的影響

同列中不同字母表示差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (< 0.05).

2.4 FeSO4引發(fā)處理對(duì)秦艽種子內(nèi)線粒體完整性及其內(nèi)部相關(guān)酶的影響

線粒體外膜完整性通過細(xì)胞色素氧化還原酶活性測(cè)定, Triton X-100能夠破碎完整的線粒體, 通過測(cè)定Triton加入前后細(xì)胞色素氧化還原酶活性之比來確定線粒體的完整性。從表4可以看出, FeSO4引發(fā)提高了種子內(nèi)線粒體COX的活性(加入Triton后), 分別較H2O引發(fā)和CK增加33.91%和67.91%, Triton加入前后兩者之間的差值即完整線粒體的活性, FeSO4引發(fā)、H2O引發(fā)和CK平均值分別為0.05 U×g-1×min-1、0.064 U×g-1×min-1和0.056 U×g-1×min-1, 三者之間差異不顯著; FeSO4引發(fā)降低了線粒體完整性, 分別較H2O引發(fā)和CK減少了35.83%和43.57%, 表明線粒體的數(shù)量有所增加, 引發(fā)過程中存在新的線粒體的合成。

表4 不同引發(fā)劑處理對(duì)秦艽種子線粒體完整性的影響

同列不同字母表示差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (< 0.05).

從表5可以看出FeSO4引發(fā)顯著提高了線粒體中GSH的含量, 分別較H2O引發(fā)、CK增加49.86%、74.08%; 顯著降低了GSSG的含量, 較CK減少22.59%, 與H2O引發(fā)差異不顯著。引發(fā)處理前后GSH的含量低于GSSH, FeSO4引發(fā)通過提高線粒體內(nèi)GSH的含量、降低GSSG的含量, 使得GSH/GSSG的比值升高, 相對(duì)于H2O引發(fā)和CK分別增加0.56倍和1.06倍。

從表5可以看出引發(fā)增加了線粒體內(nèi)ASC和DHA的含量, 降低了ASC/DHA的比值。與CK相比, FeSO4引發(fā)使ASC的含量顯著增加10.89%, H2O引發(fā)所得ASC含量與FeSO4引發(fā)差異不顯著; FeSO4引發(fā)顯著提高了DHA的含量, 分別較H2O引發(fā)和CK增加0.28倍和1.15倍。引發(fā)處理前后線粒體內(nèi)ASC的含量高于DHA, FeSO4引發(fā)雖然使得ASC、DHA含量增加, 但由于DHA增幅較快, 導(dǎo)致了種子內(nèi)ASC/DHA的比值急劇降低, 分別較H2O引發(fā)和CK顯著降低24.10%和48.64%。

表5 不同引發(fā)劑對(duì)秦艽種子線粒體內(nèi)非酶促保護(hù)系統(tǒng)酶的影響

同列不同字母表示差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (< 0.05).

2.5 FeSO4引發(fā)處理對(duì)秦艽種子抗性相關(guān)酶的影響

CAT、APX能有效清除代謝過程中生成的H2O2, 保護(hù)膜免受自由基傷害; SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的關(guān)鍵酶, 其活性的強(qiáng)弱與植物抗氧化能力密切相關(guān); MDA是脂質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物, 其含量高低可以反映植物膜系統(tǒng)的受傷程度。由表6可見, FeSO4引發(fā)增加了種子內(nèi)部CAT、APX和SOD活性, 3種酶的變化趨勢(shì)一致, 與H2O引發(fā)相比分別提高了52.88%、36.43%、和16.92%, 與CK相比分別提高了2.85倍、1.79倍和0.20倍, 差異顯著。FeSO4引發(fā)增加了種子內(nèi)部MDA的活性, 分別較H2O引發(fā)和CK顯著提高1.19倍和0.85倍。

表6 不同引發(fā)劑對(duì)秦艽種子抗性相關(guān)酶的影響

同列不同字母表示差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (< 0.05).

3 結(jié)論與討論

種子在儲(chǔ)藏過程中膜結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)使種子內(nèi)部有機(jī)物質(zhì)大量外泄, 導(dǎo)致種子活力下降。本研究發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng), 引發(fā)種子的電導(dǎo)率均降低, 且FeSO4引發(fā)后所得種子電導(dǎo)率最低, 與楊小環(huán)等[20]在大豆種子引發(fā)試驗(yàn)中的研究結(jié)果一致; 這或許是引發(fā)過程中存在損傷的細(xì)胞、細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重組, 使膜的完整性增強(qiáng)透性降低。另外, 在對(duì)線粒體研究過程中, 發(fā)現(xiàn)COX的活性明顯提高, 但線粒體的完整性降低, 這可能存在新的不完整的線粒體的合成, 而線粒體的活性與種子的活力密不可分。由此認(rèn)為, 引發(fā)通過提高種子活力來增強(qiáng)種子萌發(fā)過程中的耐逆性, 改變種子萌發(fā)特性。

對(duì)FeSO4引發(fā)的種子中各個(gè)代謝物質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 引發(fā)之所以能夠提高種子萌發(fā)的另一個(gè)主要原因是引發(fā)改變了種子的萌發(fā)狀態(tài), 提前啟動(dòng)萌發(fā)。蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的變化反映了種子的存在狀態(tài), 可溶性糖含量是種子能否順利萌發(fā)和生長(zhǎng)的重要生理基礎(chǔ); 脂類、淀粉是種子萌發(fā)期間所需養(yǎng)分和能量的主要來源; 可溶性蛋白大多數(shù)是參與各種代謝的酶類, 其含量的變化是顯示胚生命活動(dòng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), FeSO4引發(fā)后種子內(nèi)部糖、蛋白、脂肪酸等物質(zhì)代謝規(guī)律與種子萌發(fā)過程中變化規(guī)律一致[21-23]。激素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中起關(guān)鍵作用的物質(zhì), 種子從成熟到之后的萌發(fā)過程中都會(huì)受到激素的調(diào)控。GA具有解除種子休眠、促進(jìn)種子萌發(fā)和拮抗ABA的作用, 它可以通過促進(jìn)基因表達(dá)、激活種子中多種水解酶活性、合成與萌發(fā)相關(guān)的新酶來促進(jìn)種子萌發(fā); ABA在種子萌發(fā)過程中拮抗GA誘導(dǎo)儲(chǔ)藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化來誘導(dǎo)、維持種子休眠和抑制種子的萌發(fā)[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)FeSO4引發(fā)通過調(diào)控秦艽種子內(nèi)部ABA、GA的含量, 促進(jìn)了種子萌發(fā), 其變化趨勢(shì)同大量種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)定結(jié)果一致[26-32]。對(duì)FeSO4引發(fā)種子內(nèi)部ATP含量進(jìn)行測(cè)定, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)引發(fā)對(duì)ATP含量有顯著提高作用, 在番茄()、茄子()、南洋杉()、菠菜()、燕麥()和卷心菜()種子的引發(fā)研究中[33], 也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果, 而ATP的產(chǎn)生是種子萌發(fā)初期主要的代謝活動(dòng)變化[34], 由此說明引發(fā)促進(jìn)了種子萌發(fā)。

除此之外, 我們還認(rèn)為引發(fā)本身就是一個(gè)脅迫, 在引發(fā)過程中可以使植物產(chǎn)生抗性。植物體內(nèi)存在兩類保護(hù)系統(tǒng)[35]: 一類是包括SOD、POD等在內(nèi)的酶促保護(hù)系統(tǒng), 另一類是包括GSH、AsA等在內(nèi)的非酶促保護(hù)系統(tǒng)。它對(duì)于種子內(nèi)部ROS的清除、減少種子內(nèi)部細(xì)胞損傷具有重要作用。我們對(duì)FeSO4引發(fā)后的秦艽種子內(nèi)部的兩類保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)酶進(jìn)行測(cè)定, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), FeSO4引發(fā)使得SOD、APX、CAT、GSH、ASC等的活性均增強(qiáng), 說明種子在引發(fā)過程中, 可誘導(dǎo)建立防御體系, 在遇到同樣逆境條件下, 引發(fā)種子會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的萌發(fā)特性。本研究結(jié)果與Khaliq等[36]在玉米()種子硒引發(fā), 劉潔[37]在對(duì)老化葫蘆種子引發(fā)以及Chen等[35]對(duì)菠菜種子的引發(fā)結(jié)果一致。

綜上所述, 秦艽種子在FeSO4引發(fā)過程中, 提高了種子活力, 內(nèi)部發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng), 改變了種子的激素、儲(chǔ)藏物質(zhì)、能量物質(zhì)、酶等代謝水平, 使種子向著萌發(fā)的方向做準(zhǔn)備, 提前啟動(dòng)萌發(fā); 引發(fā)過程相當(dāng)于脅迫, 提高了種子內(nèi)部抗氧化系統(tǒng)活性。種子在回到原始含水量時(shí), 這些變化不會(huì)消失, 進(jìn)而提高了種子萌發(fā)特性。

[1] NIU X X, CHEN X W, SU H, et al. Changes of secondary metabolites and trace elements inflowers: A potential medicinal plant part[J]. Chinese Herbal Medicine, 2014, 6(2): 145–151

[2] BRADFORD K J. Manipulation of seed water relations via osmotic priming to improve germination under stress conditions[J]. Hortscience, 1986, 21(5): 1105–1112

[3] 阮松林, 薛慶中, 王清華. 種子引發(fā)對(duì)雜交水稻幼苗耐鹽性的生理效應(yīng)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2003, 36(4): 463–468 RUAN S L, XUE Q Z, WANG Q H. Physiological effects of seed priming on salt-tolerance of seedlings in hybrid rice (L.)[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(4): 463–468

[4] IQBAL M, ASHRAF M. Seed preconditioning modulates growth, ionic relations, and photosynthetic capacity in adult plants of hexaploid wheat under salt stress[J]. Journal of Plant Nutrition, 2007, 30(3): 381–396

[5] KORKMAZ A, KORKMAZ Y. Promotion by 5-aminolevulenic acid of pepper seed germination and seedling emergence under low-temperature stress[J]. Scientia Horticulturae, 2009, 119(2): 98–102

[6] CHEN K, ARORA R, ARORA U. Osmopriming of spinach (L. cv. Bloomsdale) seeds and germination performance under temperature and water stress[J]. Seed Science and Technology, 2010, 38(1): 36–48

[7] 楊小環(huán), 馬金虎, 郭數(shù)進(jìn), 等. 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19(1): 103–109 YANG X H, MA J H, GUO S J, et al. Effect of seed priming on sorghum (L.) seed germination and seedling growth under salt stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(1): 103–109

[8] 肖雪峰, 劉麗, 郭巧生, 等. 種子引發(fā)對(duì)NaCl脅迫下通關(guān)藤種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響[J]. 中國中藥雜志, 2015, 40(2): 218–225 XIAO X F, LIU L, GUO Q S, et al. Effects of seed priming on physiology of seed germination and seeding growth of Marsdenia tenacissima under NaCl stress[J]. China Journal of Chinese Materia Medica, 2015, 40(2): 218–225

[9] 謝娟娜, 路楊, 房琴, 等. 種子引發(fā)對(duì)小麥抗鹽及抗旱特性影響綜述[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 24(8): 1025–1034 XIE J N, LU Y, FANG Q, et al. Effect of seed priming on drought and salinity tolerance of wheat: An overview[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(8): 1025–1034

[10] 朱文彬, 王長(zhǎng)林. 種子引發(fā)對(duì)鹽堿地夏枯草出苗質(zhì)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 45(4): 106–108 ZHU W B, WANG C L. Effect of seed priming on seedling quality of Prunella vulgaris on saline-alkali land[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2017, 45(4): 106–108

[11] 馬超, 孔蓓蓓, 張均, 等. 不同引發(fā)劑處理對(duì)水分脅迫下小麥發(fā)芽及幼苗生理特性的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2017, 31(2): 357–363 MA C, KONG P P, ZHANG J, et al. Effects of seed priming with different agents on seed germination and seedling physiological characteristics of wheat under dehydration stress[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(2): 357–363

[12] 中國農(nóng)業(yè)大學(xué). 一種促進(jìn)秦艽種子萌發(fā)的方法: 中國, 201310157467.2[P/OL]. 2015-03-04[2018-03-12]. http://www. soopat.com/Patent/201310157467#thisChina Agricultural University. Method for promoting germination ofL. seed : CN, 201310157467.2[P/OL]. 2015-03-04[2018-03-12]. http://www. soopat.com/Patent/201310157467#this

[13] 周長(zhǎng)軍, 李建英, 田中艷, 等. 大豆芽菜萌發(fā)條件研究[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, (11): 12–14 ZHOU C J, LI J Y, TIAN Z Y, et al. Study on germination and determination of material content of soybean sprouts[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2010, (11): 12–14

[14] 張志良, 瞿偉菁. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003: 127–132 ZHANG Z L, QU W J. The Experimental Guide for Plant Physiology[M]. Beijing: Higher Education Press, 2003: 127–132

[15] 何鐘佩. 農(nóng)作物化學(xué)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 1993: 60–68HE Z P. The Experimental Guide for Crops Chemical Control[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 1993: 60–68

[16] 宋松泉. 種子生物學(xué)研究指南[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005: 67–75 SONG S Q. The Research Guide for Seed Biology[M]. Beijing: Science Press, 2005: 67–75

[17] YIN G K, SUN H M, XIN X, et al. Mitochondrial damage in the soybean seed axis during imbibition at chilling temperatures[J]. Plant and Cell Physiology, 2009, 50(7): 1305–1318

[18] HERNáNDEZ J A, CORPAS F J, GóMEZ M, et al. Salt-induced oxidative stress mediated by activated oxygen species in pea leaf mitochondria[J]. Physiologia Plantarum, 1993, 89(1): 103–110

[19] NEUBURGE M. Preparation of plant mitochondria, criteria for assessement of mitochondrial integrity and purity, survival in vitro[M]//DOUCE R, DAY D A. Higher Plant Cell Respiration. Berlin, Heidelberg: Springer, 1985: 7–24

[20] 楊小環(huán), 王玉國, 楊文秀, 等. 種子引發(fā)對(duì)水分脅迫下大豆幼苗生理特性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 17(6): 1191–1195 YANG X H, WANG Y G, YANG W X, et al. Effect of seed priming on physiological characteristics of soybean seedling under water stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2009, 17(6): 1191–1195

[21] 張青, 李隆云, 孫年喜. 青蒿種子萌發(fā)過程中生理生化變化的研究[J]. 種子, 2011, 30(3): 10–13 ZHANG Q, LI L Y, SUN N X. Study on the change of physiology and biochemistry during process ofseed germination[J]. Seed, 2011, 30(3): 10–13

[22] 劉鳳, 曹幫華, 蔡春菊, 等. 毛竹種子萌發(fā)過程中生理生化特性變化的研究[J]. 種子, 2009, 28(2): 12–14 LIU F, CAO B H, CAI C J, et al. Study on the change of physiology and biochemistry ofseed during germination[J]. Seed, 2009, 28(2): 12–14

[23] 楊忠仁, 郝麗珍, 張鳳蘭, 等. 沙蔥種子萌發(fā)特性及脂質(zhì)代謝變化規(guī)律試驗(yàn)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 40(1): 31–34 YANG Z R, HAO L Z, ZHANG F L, et al. Dynamic change of germination character and lipid metablism ofRegel seed[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2013, 40(1): 31–34

[24] LINKIES A, LEUBNER-METZGER G. Beyond gibberellins and abscisic acid: How ethylene and jasmonates control seed germination[J]. Plant Cell Reports, 2012, 31(2): 253–270

[25] NAMBARA E, OKAMOTO M, TATEMATSU K, et al. Abscisic acid and the control of seed dormancy and germination[J]. Seed Science Research, 2010, 20(2): 55–67

[26] SCHWEMBER A R, BRADFORD K J. A genetic locus and gene expression patterns associated with the priming effect on lettuce seed germination at elevated temperatures[J]. Plant Molecular Biology, 2010, 73(1/2): 105–118

[27] EI-ARABY M M, MOUSTAFA S M A, ISMAIL A I, et al. Hormone and phenol levels during germination and osmopriming of tomato seeds, and associated variations in protein patterns and anatomical seed features[J]. Acta Agronomica Hungarica, 2006, 54(4): 441–457

[28] NAKAUNE M, HANADA A, YIN Y G, et al. Molecular and physiological dissection of enhanced seed germination using short-term low-concentration salt seed priming in tomato[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2012, 52: 28–37

[29] WANG L, HU X Y, JIAO C, et al. Transcriptome analyses of seed development in grape hybrids reveals a possible mechanism influencing seed size[J]. BMC Genomics, 2016, 17(1): 898

[30] 鄭秀珍. 紫穗槐和刺槐種子萌發(fā)過程中內(nèi)源激素含量及相關(guān)酶活性的動(dòng)態(tài)變化[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 3(3): 163–165 ZHENG X Z. Dynamic changes of some endogenous hormone content and activities of some related enzymes during the germination of seeds ofL. andL.[J]. Journal of Yangtze University: Natural Science Edition, 2006, 3(3): 163–165

[31] 陳博雯, 劉海龍, 陳曉明, 等. 2個(gè)油茶品種種子萌發(fā)過程中激素生理初探[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(8): 840–843 CHEN B W, LIU H L, CHEN X M, et al. Hormone physiology of twoAbel. species during seed germination[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2012, 40(8): 840–843

[32] 蘇海蘭, 周先治, 李希, 等. 云南重樓種子萌發(fā)過程內(nèi)源激素含量及酶活性變化研究[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2018, 32(1): 141–149 SU H L, ZHOU X Z, LI X, et al. Dynamic changes of enzyme and endogenous ofSmith var.seed during different stages of germination[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2018, 32(1): 141–149

[33] CHEN K, ARORA R. Priming memory invokes seed stress-tolerance[J]. Environmental and Experimental Botany, 2013, 94: 33–45

[34] WEITBRECHT K, MüLLER K, LEUBNER-METZGER G. First off the mark: Early seed germination[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(10): 3289–3309

[35] CHEN K T, ARORA R. Dynamics of the antioxidant system during seed osmopriming, post-priming germination, and seedling establishment in spinach ()[J]. Plant Science, 2011, 180(2): 212–220

[36] KHALIQ A, ASLAM F, MATLOOB A, et al. Seed priming with selenium: Consequences for emergence, seedling growth, and biochemical attributes of rice[J]. Biological Trace Element Research, 2015, 166(2): 236–244

[37] 劉潔. 引發(fā)提高老化葫蘆種子活力的機(jī)理研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013: 21–23 LIU J. Research on mechanism of priming improving the vigor of aged gourd seeds[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2013: 21–23

Physiological mechanism of FeSO4priming improvement of seed germination performances of*

NIU Xiaoxue1,2, MU Meng1, LI Baohua1, DONG Xuehui2**

(1. Weifang Academy of Agricultural Sciences, Weifang 261071, China; 2. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

is a widely used ingredient in traditional Chinese medicine for more than 2 000 years. Now, it is under third-class protection in China and on the list of National Key Protected Wild Herbs.is a seed-propagated plant with extremely low germination rate. Short seed vigor, lower seed yield and after-ripening severely hinder its seedling establishment and significantly raise nursery cost. Various priming methods have shown that ferrous priming is better than other liquid priming, having higher germination performance under both optimal and adverse environments than non-primed seeds. The objectives of this study was to investigate the physiological mechanism of FeSO4priming increasing seed germination performance ofto lay the theoretical basis for FeSO4priming in abiotic stress response and application of FeSO4priming technology in other plants seeds. Compare with non-priming of seeds, we investigated the effects of 0.6% FeSO4priming on seed membrane permeability, stored material metabolism, energy metabolism, hormone homeostasis and enzyme activity. In this study, we noted that FeSO4reduced seed membrane permeability and improved seed vigor by decreasing electrical conductivity by 6.61% at 12 h, 11.67% at 24 h. The mobilization of stored materials such as sugars, proteins and fatty acids were activated, sucrose content decreased by 9.57%, and soluble protein content increased by 49.63%. With regard fatty acids, content of saturated fatty acids increased by 4.93% for myristic acid and 9.03% for methyl lignocerate. Then the content of unsaturated fatty acids decreased by 6.73% for behenic acid, 8.18% for oleic acid, 8.40% for linoleic acid and 6.70% for inolenic acid. In addition, FeSO4priming altered hormone homeostasis of seeds between ABA and GA, of which ABA content decreased by 64.78% and GA content increased by nearly 22 times. In terms of energy metabolism, FeSO4priming remarkably improved energy level, increased ATP content by 2.16 times and increased cytochrome C oxidase activity by 67.91%. Moreover, FeSO4priming acted as an initial stress-exposure, both enzyme-catabolized and non-enzyme-catabolized systems response to environmental stress were activated. This was specifically so for the activities of SOD, CAT, APX of enzyme-catabolized elements, which increased by 2.85 times, 1.79 times and 19.6%, respectively. The contents of non-enzyme-catabolized elements were increased by 74.08% for glutathione and 10.89% for ascorbic acid. In summary, our study indicated that regulation of FeSO4priming was a complex process that promoted stored material mobilization, ATP biosynthesis, key enzyme activation, phytohormone homeostasis between ABA and GA; and simultaneously regulated both enzymatic-catabolized and non-enzymatic-catabolized effecters in biotic and an-biotic stress. On the one hand, priming induced more advanced development in seeds towards complete germination than unprimed ones. On the other hand, priming was considered as a pre-germination stress-exposure that left seeds with “stress-memory” and improved anti-adversity ability. These changes were not eliminated even when seeds dried to original moisture content. This was the main reason why priming enhanced seed vigor and rapid, uniform seed germination performance.

Seed priming;Pall.; Ferrous sulfate priming; Hydro-priming; Germination; Physiological mechanism

, E-mail: xuehuidong@cau.edu.cn

Mar. 13, 2018;

Jun. 30, 2018

S330.2

A

1671-3990(2018)12-1828-08

10.13930/j.cnki.cjea.180257

* 國家“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(xiàng)(20122X09304006)資助

董學(xué)會(huì), 主要研究方向?yàn)榉N子生理學(xué)。E-mail: xuehuidong@cau.edu.cn

牛曉雪, 主要從事種子生理研究。E-mail: apple.xiaoxue@163.com

2018-03-13

2018-06-30

* This study was supported by the National Science and Technology Project of “Major New Drug Creation” of China (20122X09304006).

牛曉雪, 牟萌, 李保華, 董學(xué)會(huì). FeSO4引發(fā)提高秦艽種子萌發(fā)的生理機(jī)制[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1828-1835

NIU X X, MU M, LI B H, DONG X H. Physiological mechanism of FeSO4priming improvement of seed germination performances of[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1828-1835