含水量和處理溫度對人工加速老化試驗中 水稻種子儲藏特性的影響

,雨萱,, , ,

(1.安徽省農業(yè)科學院水稻研究所,安徽合肥 230031; 2.華中師范大學生命科學學院,湖北武漢 430079)

水稻種子儲藏過程中米質劣變、發(fā)芽率下降一直是困擾生產、儲運和經營部門而又難以克服的問題,由此造成我國糧食儲藏損失平均達3.05%,每年損失糧食近50億kg[1-2];而水稻種子在儲藏過程中因活力下降,每年也造成巨大的經濟損失,并且還會影響幼苗的生長狀況,從而影響水稻的產量。因此,水稻種子的耐貯性已被人們日益關注[3-5]。

研究水稻種子耐貯性的一種常用方法即人工加速老化[6-8]。蔣家月等[9]公開的人工老化篩選耐儲藏作物種質的方法,其原理是將對照品種和待篩選的作物種質進行高溫高濕的人工老化,篩選耐儲藏作物種質。江玲等[10]利用人工加速老化方法證實LOX-3缺失的水稻品種W017具有較強的耐貯性。蔡秋華等[11]利用人工加速老化方法,篩選出了RP1579-1627-39-220、IR58082、源光1、Brazos、Nortai、MCP231-4和IR57298-174-2-2等耐貯藏種質。Xu等[12]利用高溫高濕人工加速老化方法,研究胚乳特異表達啟動子蛋白組學，結果表明,胚乳中LOX3基因的反義抑制能夠促使一系列的代謝途徑，包括脂肪酸代謝和糖酵解途徑發(fā)生變化,因而延長種子的壽命。Zhang等[13]利用高溫高濕人工加速老化方法,研究揚兩優(yōu)2號雜交稻種子過程蛋白組學,發(fā)現,種子人工加速老化條件下衰老是缺氧狀態(tài)下伴隨糖酵解酶類、乙醇脫氫酶、丙酮酸脫羧酶代謝途徑產生乙醇的過程。

然而,張瑛等[14]研究發(fā)現,新收獲的水稻種子高溫高濕人工加速老化試驗結果存在顯著差異和不穩(wěn)定性,其影響因素不僅與溫度、濕度,而且與人工氣候箱不同層數、老化種子數量有關。進一步研究表明[14],現有的人工氣候室、老化箱等控溫控濕條件有局限性。隨著箱體空間不同、放置材料數量的多少及其位置不同,在長時間的處理下,準確的高溫、高濕度難以達到,尤其是在高溫條件下,不是達不到高濕度就是濕度過高導致種子發(fā)芽,因而很難保證種子人工加速老化所需種子含水量和溫度保持均勻不變,從而嚴重影響耐儲藏篩選結果重復性、穩(wěn)定性。

多項研究表明:含水量和溫度是影響水稻種子儲藏特性的最重要因素[15-16]。Miura等[17]研究水稻種子儲藏壽命時,利用人工氣候箱30 ℃條件下飽和重鉻酸鉀(K2CrO4)溶液以維持種子含水量在15%～16%之間儲藏60 d。然而,該方法處理溫度不高,人工老化時間較長,含水量范圍窄,并仍有一定的波動性。

本研究采用密閉容器防止水分散失,從而確保人工加速老化的高溫、常濕條件下種子含水量保持穩(wěn)定,再通過高溫、常濕、不同含水量30 d處理,研究含水量和處理溫度差異對水稻種子儲藏特性影響。研究旨在為獲得穩(wěn)定的、可重復的人工加速老化新方法提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粳稻755和秈稻Ⅱ優(yōu)838 于2016年10月在安徽省農業(yè)科學院水稻研究所合肥基地各收獲2.5 kg,曬干后去除未成熟粒及癟殼,置于-20 ℃冰箱,待測初始含水量;去離子水 合肥冰凝商貿有限公司。

ZRX-258D智能人工氣候箱 杭州錢江設備有限公司;LRH-400-GS人工氣候箱 廣東省醫(yī)療器械廠;尼龍紗網袋 25×15(cm),浙江省臺州市路橋新橋農用篩網廠;蜀牛藍蓋試劑瓶 500 mL,四川蜀玻(集團)有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 梯度含水量材料獲得

1.2.1.1 稻米初始含水量的測定 取上述粳稻755和秈稻Ⅱ優(yōu)838材料,按照國家種子檢驗標準GB/T 3543.6-1995,精確測定其含水量,試驗設4次重復,誤差不超過1%。

1.2.1.2 水稻標準目標含水量的設置 將已精確測定初始含水量的水稻材料各100 g分別放入藍蓋試劑瓶中,根據式(1)計算出需要加入的純水重量,將純水加入至藍蓋試劑瓶中,旋緊蓋密封好,再將其置于8 ℃智能人工氣候箱中,每天振蕩5次以促進水分均勻,平衡14 d測定稻米含水量。本試驗目標含水量梯度設為12.00%、13.00%、14.00%、15.00%、16.00%、17.00%、18.00%。試驗設4次重復,誤差不超過1%。

純水重量(g)=[材料總重×(標準目標含水量-初始含水量)]/(1-標準目標含水量),水密度為1 g/mL

式(1)

1.2.2 不同濕度下透氣尼龍袋人工加速老化對稻米含水量的影響 試驗用透氣的尼龍紗網袋作為開放條件下老化袋。分別取上述7個梯度含水量的秈粳稻材料各100 g置于尼龍袋中,再放入智能人工氣候箱中,溫度(30±1) ℃,濕度分別設為75%和85%,進行45 d人工加速老化實驗,按0、15、30、45 d定期取樣測定含水量,試驗設4次重復,誤差不超過1%。

1.2.3 不同起始含水量、不同溫度密閉人工加速老化對稻米含水量的影響 利用具有密封作用的藍蓋試劑瓶用于密閉條件下的儲藏試驗,1.2.4同。分別取上述7個梯度含水量的秈粳稻材料各100 g置于密封的藍蓋試劑瓶中,再放入智能人工氣候箱(常濕),溫度(30±1) ℃和(34±1) ℃及常濕條件,進行30 d人工加速老化實驗,按0、5、10、15、20、25、30 d定期取樣測定含水量,試驗設4次重復,誤差不超過1%。

1.2.4 不同起始含水量、不同溫度密閉人工加速老化對稻米種子發(fā)芽率的影響 分別取上述7個梯度含水量的秈粳稻材料各100 g置于密封的藍蓋試劑瓶中,再放入智能人工氣候箱(常濕),設置溫度(30±1)、(34±1)、(38±1)、(42±1) ℃,進行30 d人工加速老化實驗,按0、5、10、15、20、25、30 d定期取樣,根據國標GB/T 3543.4-1995的方法測定種子發(fā)芽率。

1.3 數據統(tǒng)計分析

對原始數據進行標準化或歸一化處理,經過Decimal scaling方法轉換以后,用SPSS軟件進行方差分析或其他分析。

2 結果與分析

2.1 不同起始含水量、不同濕度開放儲藏試驗種子含水量變化

實驗結果如表1、表2所示。表3為數據處理結果。從表1及分析結果表3可以看出,起始含水量12.00%～18.00%、75%相對濕度的條件處理:對粳稻755,0～45 d的含水量平均值范圍自13.62%～15.46%,與初始含水量范圍相比,縮小為原來的31%,其標準偏差自0.70%～1.77%,變幅較大。對秈Ⅱ優(yōu)838,0～45 d的含水量平均值范圍自13.27%～14.84%,與初始含水量范圍相比,縮小為原來的26%,其標準偏差自0.16%～2.11%,變幅較大。說明材料間由于開放條件使其水分散失于人工氣候箱中,并實現了含水量的再平衡。

表1 30 ℃+RH75%+開放(尼龍袋)條件下稻米含水量(%)的變化Table 1 Change of the moisture contents(%)of rice under 30 ℃+Relative Humidity75%+open(Nylon bag)storage condition

表2 30 ℃+RH85%+開放(尼龍袋)條件下稻米含水量(%)的變化Table 2 Change of the moisture contents(%)of rice under 30 ℃+Relative Humidity85%+open(Nylon bag)storage condition

表3 含水量平均值(%)數據分析Table 3 Data analysis of the average moisture content(%)

從表2及分析結果表3可以看出,起始含水量12.00%～18.00%、85%相對濕度的條件處理:對粳稻755,0～45 d的的含水量平均值范圍自14.30%～15.76%,與初始含水量范圍相比,縮小為原來的24%,其標準偏差均大于1%,最高的達到2.24%,變幅較大;對秈Ⅱ優(yōu)838,0～45 d的含水量平均值范圍自13.73%～15.24%,與初始含水量范圍相比,縮小為原來的25%,其標準偏差自0.60%～1.87%,變幅較大。該結果進一步證明上述結論,并且隨濕度增加,縮小倍數更大。

比較表1、表2及分析結果表3,無論秈、粳稻,75%濕度和85%濕度條件下,對于起始含水量12.00%～18.00%的水稻材料,種子含水量平均值范圍均縮小為原來的24%～31%,范圍大大縮小,且標準偏差均較大。由此表明:種子含水量在人工氣候箱內開放條件下易受人工氣候箱濕度等環(huán)境條件的影響,實現對試驗材料的含水量再平衡,從而由此可能影響人工加速老化的進程。

2.2 不同起始含水量、不同溫度密閉儲藏試驗含水量變化

上述2.1研究結果表明,人工氣候箱開放條件對種子含水量影響較大。因此,繼續(xù)研究不同溫度+常濕+密閉(藍蓋)儲藏過程中種子含水量變化,并計算其不同取樣的含水量平均值,其結果如表4、表5。

表4 30 ℃+常濕+密閉(藍蓋)條件下稻米含水量(%)的變化Table 4 Change of the moisture content(%)of rice under 30 ℃+normal humidity+closed(Blue cover)storage condition

如表4及分析結果表6,起始含水量12.00%～18.00%,30 ℃密閉儲藏條件:對粳755材料,0～30 d的含水量平均值范圍自12.12%～17.75%,與初始含水量范圍相比縮小為原來的94%,其標準偏差自0.18%～0.53%,變幅較小;對于秈稻Ⅱ優(yōu)838材料,0～30 d的含水量平均值范圍自12.02%～17.43%,與初始含水量范圍相比縮小為原來的90%,其標準偏差自0.31%～0.57%,變幅較小。說明單個材料由于密閉條件減少其水分散失,從而保證了含水量的差異梯度。

如表5及分析結果表6,起始含水量12.00%～18.00%、34 ℃密閉儲藏條件:對粳755材料,0～30 d的含水量平均值范圍自11.89%～16.76%,與初始含水量范圍相比縮小為原來的81%,其標準偏差自0.23%～0.68%,變幅較小。對于秈稻Ⅱ優(yōu)838材料,0～30 d的含水量平均值范圍自11.81%～17.00%,與初始含水量范圍相比縮小為原來的87%,其標準偏差自0.37%～0.72%,變幅較小。該結果進一步證明密閉條件能減少其水分散失,從而保證了含水量的差異梯度,并且隨溫度增加,縮小倍數有所增加。

綜合表4、表5及分析結果表6,與2.1研究結果相比,30、34 ℃密閉儲藏條件,含水量平均值的范圍與起始含水量相比變化不大,標準偏差變幅也較小。由此說明:密閉條件能確保種子含水量基本保持穩(wěn)定。

表5 34 ℃+常濕+密閉(藍蓋)條件下稻米含水量(%)的變化Table 5 Change of the moisture content(%)of rice under 34 ℃+normal humidity+closed(Blue cover)storage condition

表6 平均含水量(%)數據分析Table 6 Data analysis of the average moisture content

2.3 不同初始含水量、不同溫度密閉儲藏的水稻種子發(fā)芽率

2.3.1 粳稻的發(fā)芽率變化趨勢 如圖1～圖4所示粳稻755,針對不同溫度密閉儲藏條件,粳稻755的起始發(fā)芽率85%,但隨著30、34、38、42 ℃的溫度不同,發(fā)芽率最低分別降至60%、29%、7%、0%,因此,溫度提高導致發(fā)芽率下降速度明顯加快;進一步計算12%和18%起始含水量材料30 d不同溫度的發(fā)芽率差值(表7),發(fā)現30 ℃+20 d、34 ℃+30 d、38 ℃+30 d、42 ℃+15 d處理條件下分別達到18%、24%、31%、56%(最值)。由此表明,起始含水量差異對粳稻發(fā)芽率有影響,隨溫度增加,對發(fā)芽率影響變大。

表7 粳755的12%和18%起始含水量材料的發(fā)芽率差值(%)*Table 7 The difference value of germination rate(%)of Japonica 755 with 12% and 18% initial moisture content*

另外,對比圖1～圖4,還可以看出:38 ℃密閉儲藏的不同初始含水量材料,粳稻發(fā)芽率最高為85%,最低僅7%,較其他溫度處理差異明顯。而42 ℃密閉儲藏條件,除12%的起始含水量外,其他起始含水量的水稻種子發(fā)芽率下降速度基本趨于一致,處理至20 d時已接近0,因而難以區(qū)分其儲藏性。

圖1 不同含水量30 ℃處理不同天數的粳稻755發(fā)芽率Fig.1 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 30 ℃ treatments

圖4 不同含水量42 ℃處理不同天數的粳稻755發(fā)芽率Fig.4 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 42 ℃ treatments

2.3.2 秈稻的發(fā)芽率變化趨勢 如圖5～圖8所示秈Ⅱ優(yōu)838材料,結果:針對不同溫度密閉儲藏條件,秈Ⅱ優(yōu)838的起始發(fā)芽率98.5%,但30、34 ℃時發(fā)芽率最低分別降至85%和79%,38 ℃時,發(fā)芽率最低降至77%,42 ℃時,發(fā)芽率最低降至11%,因此,隨溫度提高發(fā)芽率下降明顯;進一步計算的12%和18%起始含水量材料30 d不同溫度的發(fā)芽率差值(表8),發(fā)現30 ℃+30 d、34 ℃+30 d、38 ℃+25 d、42 ℃+30 d處理條件下分別達到11%、21%、18%、82%(最值)。由此表明,起始含水量差異對秈稻發(fā)芽率有影響,隨溫度增加,對發(fā)芽率影響變大。

圖8 不同含水量42 ℃處理不同天數的秈Ⅱ優(yōu)838發(fā)芽率Fig.8 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 42 ℃ treatments

圖5 不同含水量30 ℃處理不同天數的秈Ⅱ優(yōu)838發(fā)芽率Fig.5 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 30 ℃ treatments

另外,從表8還可以看出:30、34、38 ℃的發(fā)芽率差值最大也只有21%,遠遠小于42 ℃的82%。說明,42 ℃密閉儲藏時,起始含水量對秈稻發(fā)芽率的影響最大。

表8 秈Ⅱ優(yōu)838的12%和18%起始含水量材料的發(fā)芽率差值(%)*Table 8 The difference value of germination rate(%)of IndicaⅡYou 838 with 12% and 18% initial moisture content*

2.3.3 秈粳之間的發(fā)芽率變化趨勢比較 不同含水量30 ℃處理不同天數秈粳發(fā)芽率結果見圖1、圖5,30 ℃密閉儲藏條件的不同含水量材料,圖1粳稻種子發(fā)芽率均呈波浪形變化,其幅度在86.0%～60.0%之間,尤其是14%、15%、16%的3個初始含水量變化更為明顯,圖5秈稻種子發(fā)芽率也呈波浪形變化,幅度在99.0%～85.0%之間,變化幅度較小。分析:30 ℃時,溫度對秈粳種子發(fā)芽率的活動度均有影響,其中粳稻影響較大,而含水量只有在過高如粳稻17%、18%時才會有所影響。

不同含水量34 ℃處理不同天數秈粳發(fā)芽率結果見圖2、圖6,34 ℃密閉儲藏條件的不同含水量材料,秈粳稻種子發(fā)芽率的波動度均大為減小,含水量對秈稻不明顯(圖2),但對粳稻,其最低的發(fā)芽率已降至30%以下,影響較大(圖6)。說明:34 ℃時,秈粳稻種子發(fā)芽率變化受溫度影響不大,而粳稻發(fā)芽率開始受含水量影響。

圖2 不同含水量34 ℃處理不同天數的粳稻755發(fā)芽率Fig.2 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 34 ℃ treatments

圖6 不同含水量34 ℃處理不同天數的秈Ⅱ優(yōu)838發(fā)芽率Fig.6 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 34 ℃ treatments

不同含水量38 ℃處理不同天數秈粳發(fā)芽率結果見圖3、圖7,38 ℃密閉儲藏條件的不同含水量材料,粳稻發(fā)芽率最高為85%,最低僅7%,含水量對粳稻種子發(fā)芽率的影響較大(圖3);而秈稻除12%之外,種子的發(fā)芽率又開始波動,其波動范圍在98.5%～77.0%之間,波動幅度變大(圖7)。說明:38 ℃時秈稻種子發(fā)芽率變化對溫度有2次敏感性,而38 ℃時粳稻發(fā)芽率對含水量極其敏感。

圖3 不同含水量38 ℃處理不同天數的粳稻755發(fā)芽率Fig.3 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 38 ℃ treatments

圖7 不同含水量38 ℃處理不同天數的秈Ⅱ優(yōu)838發(fā)芽率Fig.7 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 38 ℃ treatments

不同含水量42 ℃處理不同天數秈粳發(fā)芽率結果見圖4、圖8及表9,42 ℃密閉儲藏條件的不同含水量材料,粳稻發(fā)芽率最低降至0,而秈稻12%和18%起始含水量30 d的發(fā)芽率差值已達到82%。說明:42 ℃時秈稻種子發(fā)芽率變化對含水量極其敏感,而42 ℃時粳稻發(fā)芽率對含水量不敏感。

2.4 水稻人工加速老化最適宜的處理條件

針對圖1至圖8的數據,進一步計算秈粳材料的30 d人工加速老化處理發(fā)芽率下降百分率如表9、表10,并以達到50%的發(fā)芽率下降百分率的起始含水量作為30 d人工加速老化處理的種子壽命的半衰含水量。

表10 秈Ⅱ優(yōu)838不同起始含水量不同溫度處理的 發(fā)芽率減少百分率(%)*Table 10 Percentage reduction(%)of the germination rate of IndicaⅡYou 838 under different initial moisture contents and temperature treatments

從表9可以看出:針對粳755材料,30 ℃處理條件時,各個起始含水量的30 d發(fā)芽率下降百分率均低于50%,最高僅28.99%,因而不存在半衰含水量;34 ℃處理條件時,起始含水量15.00%,其30 d發(fā)芽率下降百分率已高于50%,達到65.68%,因而,15.00%為34 ℃時的半衰含水量;38 ℃處理條件時,起始含水量14.00%,其發(fā)芽率下降百分率已高于50%,達到63.31%,14.00%為38 ℃時的半衰含水量;而42 ℃處理條件時,12.00%起始含水量的30 d發(fā)芽率下降百分率已高于50%,達到60.95%,12.00%為42 ℃時的半衰含水量。

表9 粳755不同起始含水量不同溫度處理的 發(fā)芽率減少百分率(%)*Table 9 Percentage reduction(%)of the germination rate of Japonica 755 under different initial moisture contents and temperature treatments

綜合半衰含水量數據并結合2.3結論,初步得出:38 ℃+常濕+14.00%起始含水量+30 d+密閉儲藏是粳稻粳755人工加速老化試驗最適宜的處理條件。

從表10可以看出:針對秈Ⅱ優(yōu)838材料,30、34、38 ℃處理條件,30 d發(fā)芽率下降百分率均低于50%,最高分別為13.71%、19.80%、12.69%;而42 ℃處理條件,14.00%的起始含水量,其發(fā)芽率下降百分率已高于50%,達到88.83%。因此,42 ℃處理條件時,14.00%是秈稻種子半衰期的起始含水量。由此得出:42 ℃+常濕+14.00%起始含水量+30 d+密閉儲藏是秈稻Ⅱ優(yōu)838人工加速老化試驗最適宜的處理條件。

3 討論

高溫高濕人工加速老化方法是判定種子耐藏性的一種比較好的方法,其與在自然貯藏的種子實際達到的效果有顯著的相關性[18]。然而,如前所述,張瑛等[14]的試驗結果表明,高溫高濕人工加速老化方法存在局限性,人工氣候箱溫度與濕度的控制往往難與達到實際效果。

本研究表明其根本原因可能在于對種子的含水量控制(表1、表2、表3),與初始含水量范圍相比,開放及75%和85%相對濕度條件下儲藏過程中，粳稻材料和秈稻材料的含水量范圍縮小3～4倍,從而導致試驗結果的穩(wěn)定性難以保證。進而,本文以人工氣候箱密閉常濕條件下處理試驗材料,則基本控制住了種子含水量的改變(表4、表5、表6)。在此基礎上,利用密閉常濕條件進行不同溫度、不同含水量的30 d人工加速老化試驗,結果表明:種子含水量與溫度共同起作用于秈粳稻發(fā)芽率變化(圖1～圖8、表7、表8);密閉條件下38 ℃和42 ℃人工加速老化30 d分別處理的梯度含水量的粳稻和秈稻材料發(fā)芽率,其差異最為明顯(圖5、圖8)。進而,計算秈粳材料密閉常濕條件下30 d人工加速老化種子發(fā)芽率下降百分率如表9、表10,并研究種子壽命的半衰含水量,結果表明:15.00%、14.00%、12.00%分別為34、38、42 ℃時粳稻半衰含水量,14.00%是42 ℃秈稻半衰起始含水量。最后綜合分析得出:38 ℃+常濕+14.00%含水量+30 d+密閉儲藏、42 ℃+常濕+14.00%含水量+30 d+密閉儲藏分別是粳稻755和秈稻Ⅱ優(yōu)838人工加速老化試驗最適宜的處理條件。

本研究意義在于首先確立了高溫+常濕+穩(wěn)定的含水量+密閉儲藏作為種子人工加速老化的必要條件,從而克服了現有的高溫高濕的人工老化方法受人工氣候箱的控溫控濕條件的局限性。在此基礎上,摸索出密閉+30 d+常濕+合適的溫度和含水量的秈粳稻較為合適的人工加速老化方案。

然而,本文僅利用粳稻755和秈稻Ⅱ優(yōu)838的2份試驗材料,其結果存在材料的局限性,下一步將該方法在其他秈粳稻材料中進行廣泛的應用,以期對該方法進一步進行改進,最終獲得穩(wěn)定的、可重復的的人工加速老化新方法。

4 結論

人工氣候箱內開放條件使種子含水量易受人工氣候箱濕度等環(huán)境條件的影響,難以控制,從而影響人工加速老化的進程,密閉條件能確保種子含水量基本保持穩(wěn)定;密閉條件下,起始含水量差異對秈粳稻發(fā)芽率影響隨溫度增加而變大,密閉條件38 ℃和42 ℃人工加速老化30 d分別處理的梯度含水量的粳稻和秈稻材料發(fā)芽率,其差異最為明顯;38 ℃+常濕+14.00%含水量+30 d+密閉儲藏、42 ℃+常濕+14.00%含水量+30 d+密閉儲藏分別是粳稻755和秈稻Ⅱ優(yōu)838人工加速老化試驗最適宜的處理條件。