北黃花菜種子的萌發(fā)特點及生理指標動態(tài)變化

(東北林業(yè)大學園林學院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

北黃花菜(Hemerocallislilioasphodelus)，萱草科萱草屬，多年生草本植物，生長在海拔500～2 300 m地區(qū)中的低矮樹叢和荒山草甸中。其花大型，金黃色，耐瘠薄、干旱，光照適應范圍廣，是一種可在城市園林綠化中靈活應用的優(yōu)良植物材料。當前研究中，大多數(shù)關于萱草屬植物的研究多以‘金娃娃’萱草(H.fulva‘GoldenDoll’)、大花萱草(H.middendorffii)、黃花菜(H.citrina)等幾個常見種類為主，研究內(nèi)容多以上述植物的生理特性[1-3]、繁殖技術[4-6]、親緣關系[7-8]、新品種繁育[9]、分子技術[10-11]等為主。對于北黃花菜的研究還較少。

種子是種子植物特有的延存器官，其萌發(fā)是種子植物生活史的重要階段。植物種子的萌發(fā)過程十分復雜，有很多酶參與調(diào)控[12-14]，貯藏時間長短可能會直接影響種子中貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和利用，同時影響植物細胞保護型酶的活性，改變種子的正常發(fā)育，影響種子品質(zhì)。這一現(xiàn)象在其它植物種子的相關研究中存在[15-16]。北黃花菜作為萱草屬中抗性良好的一種植物，其發(fā)展?jié)摿薮?，是進行萱草屬雜交育種、品種創(chuàng)新的優(yōu)秀資源。掌握北黃花菜種子不同貯藏時間的萌發(fā)情況和萌發(fā)過程中酶活性變化的影響，獲得保存時間對種子品質(zhì)影響的基礎數(shù)據(jù)，將對萱草屬植物的育種有十分重要而有意義的影響。本試驗旨在為萱草屬植物的育種繁殖工作提供一定科學依據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為北黃花菜種子，采集于黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣(124.449 37°E, 46.865 07°N)。從生長健壯、觀賞性較高且無病蟲害的植株上選取北黃花菜果實， 以果皮變黃頂端有裂口但還未干燥時采集的粒大飽滿種子為供試材料。采收后一部分放置于室溫干燥器內(nèi)分別儲存1年和2年。同時留取一部分新采收種子，分別進行如下項目的試驗：

1) 種子的形態(tài)特征及其質(zhì)量測定：隨機選取北黃花菜新采收種子各50粒，常規(guī)方法測量種子橫徑和縱徑、千粒重、含水量。并在S-530型掃描電鏡下，觀察種皮形態(tài)并拍照。

2) 種子吸水性及生活力的測定：采用TTC染色法，測定當年新采收的種子、常溫下儲存1年、2年的種子的生活力。通過常規(guī)方法進行種子吸水性的測量，首先在樣品中隨機選擇150粒種子，將其均勻分成3份。稱重并記錄初始數(shù)據(jù)，然后將它們分別放入裝有水的帶編號的培養(yǎng)皿中，并置于24 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每過2 h將培養(yǎng)皿中的種子取出1次，擦干表面的水分并稱重和記錄數(shù)據(jù)。至種子吸水量不再增加后，按照如下公式計算出種子吸水率的平均值。

注：1為種子形態(tài)；2為種子形態(tài)；3為種子表皮結(jié)構(gòu)；4為種子表皮縱向結(jié)構(gòu)。圖1 北黃花菜種皮的掃描電鏡

吸水率(%)=[(B-A)/A]×100%(A為吸水前重量，B為吸水后重量)。

3) 種子萌發(fā)試驗：預試驗后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，對當年新采收的種子、常溫儲存1年、2年的種子在全光照和28 ℃條件下進行發(fā)芽試驗。每組50粒種子，3次重復。將種子露白長度為種子長度的一半及以上為萌發(fā)標準。最后，基于所得數(shù)據(jù)，計算種子發(fā)芽的各項指標。

發(fā)芽率(%)=(n/N)×100%，式中：n是最終達到的正常發(fā)芽的種子的數(shù)量，N是測試種子數(shù)；

發(fā)芽勢(%)=(PV/N)×100%，式中：PV是發(fā)芽高峰期的發(fā)芽種子的數(shù)量，N是測試種子數(shù)；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，式中：Gt為當天發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù)。

4) 種子物質(zhì)含量和酶活性變化測定：對當年新采收、儲存1年的北黃花菜種子，分別將其萌發(fā)第0、5、10、15、20天種子，液氮固定后儲存于-80 ℃超低溫冰箱中。參照李合生[17]的試驗方法測定不同階段種子的可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、淀粉含量以及過氧化氫酶活性(CAT)、過氧化物酶活性(POD)和超氧化物歧化酶活性(SOD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 北黃花菜的種子形態(tài)

成熟的北黃花菜種子表皮為黑色，形狀近三棱狀橢圓形，種子縱徑(3.80±0.15)mm，橫徑(2.58±0.12)mm，屬于小型種子。種皮結(jié)構(gòu)相對致密緊湊。微形態(tài)基本紋飾為細網(wǎng)狀，由5條或6條細紋彼此連接形成不規(guī)則的閉合小間隙，內(nèi)部較為光滑(圖1)。種子千粒重(9.64±1.08)g。

2.2 北黃花菜種子的吸水性、生活力及含水量

新采收的北黃花菜種子在進行連續(xù)的吸水測定試驗后，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，吸水率在48 h左右達到恒定狀態(tài)，48 h時的吸水率為72.5%。貯藏1年和2年的吸水曲線基本一致，均為36 h左右吸水率達到恒定狀態(tài)。36 h的吸水率分別為71.1%和72.7%(圖2)。貯藏1年后種子吸水力較新采收種子強。但吸脹飽和后，部分種子已有露白現(xiàn)象。吸水曲線表明，北黃花菜種子的吸水性好，種皮透性良好。

圖2 北黃花菜種子的吸水曲線

種子活力是判定種子質(zhì)量好壞的一個重要指標[18]。北黃花菜種子的生活力測試結(jié)果表明，北黃花菜種子的生活力隨著常溫儲存時間的增加而降低(表2)。試驗結(jié)果表明，新采收種子的生活力可達91.0%，儲存1年和2年后種子活力僅為79.8%和71.2%，下降幅度達12.3%和21.8%。3者之間差異顯著(p<0.05)。同時，常溫儲存時間越長，北黃花菜種子的含水量也越低(表1)。在常溫儲藏1年后含水量由10%降至5%，下降程度顯著(p<0.05)。儲藏2年種子的含水量與儲藏1年種子的含水量沒有顯著變化，說明北黃花菜的常溫恒定含水量均為5%。

表1 北黃花菜種子的生活力及含水量 單位：%

生活力含水量新采收91.0±3.4a9.91±0.69a常溫儲藏1年79.8±4.9b5.37±0.41b常溫儲藏2年71.2±6.4c5.09±0.39b

注：不同的小寫字母代表0.05水平上差異顯著。下同。

2.3 北黃花菜種子的萌發(fā)試驗結(jié)果

試驗結(jié)果(表2)表明，北黃花菜種子的發(fā)芽率與儲存時間有顯著關系。當年新采收種子發(fā)芽率可達88.6%，常溫儲藏1年后為61.4%，常溫儲藏2年后為53.9%。后兩者數(shù)據(jù)與新采收種子數(shù)據(jù)之間差異顯著(p<0.05)。由此可見，常溫儲藏方式對北黃花菜種子的發(fā)芽率產(chǎn)生了極大影響，不僅使種子的發(fā)芽率顯著下降，而且隨著發(fā)芽天數(shù)延長，發(fā)芽指數(shù)逐漸降低。

表2 北黃花菜種子發(fā)芽指標

新采收常溫儲存1年常溫儲存2年始發(fā)芽日/d2.7±0.6a5.3±1.5b9.3±1.3c發(fā)芽天數(shù)/d15.6±1.5a32.7±3.1b36.7±1.5b發(fā)芽率/%88.6±3.8a61.4±5.0b53.9±6.7b發(fā)芽勢/%40.0±6.6a26.9±1.7b21.0±1.6b日均發(fā)芽率/%6.0±0.8a2.5±0.4b2.3±0.5b發(fā)芽指數(shù)8.7±1.4a2.7±0.8b1.6±0.4b

2.4 種子萌發(fā)過程中可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉含量和酶活性的動態(tài)變化

如圖3所示，北黃花菜種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量總體呈平緩下降趨勢，期間有一定波動?？扇苄蕴鞘欠N子能量的來源，其平穩(wěn)的含量能夠提供給種子持續(xù)的萌發(fā)動力。其中新采收種子的可溶性糖含量萌發(fā)期間一直高于貯藏1年的種子。

圖3 種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量的變化

由圖4可見，萌發(fā)使種子的淀粉含量不斷降低，淀粉降解為種子萌發(fā)所需的能量。新采收種子的降低速度更快，淀粉含量由萌發(fā)初期的5.45 mg·g-1不斷降低，至萌發(fā)第15天僅為2.86 mg·g-1，下降了47.5%。貯藏1年種子的淀粉含量15 d下降了30.9%。新采收種子的淀粉轉(zhuǎn)化效率更高。

圖4 種子萌發(fā)過程中淀粉含量的變化

如圖5所示，新采收的北黃花菜種子萌發(fā)過程中可溶性蛋白質(zhì)含量呈先升高后降低的趨勢。在萌發(fā)第6天可溶性蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)高峰，至萌發(fā)第15天可溶性蛋白質(zhì)含量與萌發(fā)初期持平。而貯藏1年的種子萌發(fā)期間可溶性蛋白含量基本呈上升的趨勢。新采收種子的蛋白質(zhì)含量較貯藏1年的高，有利于增加植物的抗逆境能力[19]，也有利于調(diào)節(jié)體內(nèi)的多種生理生化機制。

圖5 種子萌發(fā)過程中可溶性蛋白含量的變化

圖6 種子萌發(fā)過程中POD活性的變化

CAT、SOD、POD酶在種子發(fā)芽期間的活性均呈上升趨勢(圖6、圖7、圖8)。其中，新采收種子的CAT酶活性除萌發(fā)第6天有一個小幅的下降外，基本呈逐漸上升的趨勢，萌發(fā)第15天的CAT酶活性已經(jīng)達到萌發(fā)初始的4倍。POD酶活性亦呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，由萌發(fā)前的3.45μg·g-1不斷升高，到萌發(fā)末期達到18.98μg·g-1，也提高了4.5倍之多。SOD活性也明顯增加，在發(fā)芽12 d時活性最大，為97.37μg·g-1，貯藏1年種子的變化趨勢與新采收種子一致，但含量明顯低于新采收種子。

圖7 種子萌發(fā)過程中SOD活性的變化

圖8 種子萌發(fā)過程中CAT活性的變化

3 結(jié)論與討論

植物萌發(fā)是研究植株生活史繁殖對策中的重要且最具積極意義的方面[20-21]。有學者認為，萱草種子有休眠特性，需要經(jīng)過低溫和濕潤后才能發(fā)芽[22]。與之不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)，當年北黃花菜種子采收后立即播種有較高的發(fā)芽率。而采收后如未及時播種，發(fā)芽率降低幅度極大。常溫儲藏1年的種子發(fā)芽率可降低25%以上。并且隨著貯藏時間的增加，種子生活力逐漸降低，同時種皮含水量降低使得種皮硬化而無法透水，兩因素共同導致了陳種子萌發(fā)率低。這一結(jié)論與何琦等[23]的研究結(jié)果一致。Grime等認為，種子萌發(fā)速度和幼苗出苗率可能會影響植物生活史后期的繁殖和成活[24]。雖然，新鮮的北黃花菜種子發(fā)芽率會比較高，但是其發(fā)芽勢低，這表明出苗可能會不整齊，幼苗生長較弱。因此采收后可以采取低溫濕藏，以保證種子的萌發(fā)率及出苗整齊度。

北黃花菜種子萌發(fā)期間，旺盛的代謝和大量的新器官合成需要大量能量，因此淀粉必須降解成可溶性糖來滿足萌發(fā)能量的需求。與新采收種子相比，貯藏1年后種子淀粉、蛋白質(zhì)含量均低，品質(zhì)降低。淀粉轉(zhuǎn)化率不高，因此貯藏后種子可利用的可溶性糖萌發(fā)期間一直較低，導致其萌發(fā)率下降嚴重。貯藏1年后種子發(fā)芽率較新采收種子下降30.7%。SOD、POD、CAT酶是植物體內(nèi)起保護植物細胞功能的酶，其通過改變自身活性的高低，從而能夠達到維持活性氧代謝和正常的生長發(fā)育的目的[25-26]。北黃花菜的SOD、CAT、POD酶活性在種子萌發(fā)期間均具有升高趨勢，且在發(fā)芽初期酶活性變化幅度較大。這一結(jié)果與許多草本植物種子萌發(fā)過程相一致[27]。貯藏1年種子的3種酶活性較新采收種子低且差異較大，這表明常溫貯藏較長時間后，種子抑制脂質(zhì)過氧化水平能力下降，機體活力降低。發(fā)芽率的顯著下降與酶活性的顯著降低直接相關。