溫濕度對(duì)棉花種子萌發(fā)過(guò)程中生理生化反應(yīng)影響的研究

李瑞春, 李憬霖, 徐 敏, 葉福民, 朱 鶴, 王子勝

(1.遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所， 遼寧 遼陽(yáng) 111000； 2.中國(guó)農(nóng)科院棉花研究所， 河南 安陽(yáng) 455000)

種子作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，萌發(fā)由兩個(gè)方面的因素所決定：其本身的遺傳特性、成熟度情況，以及外界的環(huán)境條件、人為干擾等。在環(huán)境條件中，溫濕度條件對(duì)種子萌發(fā)的影響尤為顯著。

溫度影響著植物的光合作用、呼吸作用、蒸騰作用，以及水和礦質(zhì)元素的吸收、物質(zhì)的運(yùn)輸和分配等[1-2]，同時(shí)，溫度還通過(guò)影響酶的活性進(jìn)而影響植物的生理代謝。姜春明等研究認(rèn)為，在低溫下植物需要提高保護(hù)酶，如超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)等酶促防御系統(tǒng)來(lái)清除有害物質(zhì)，從而有效減輕因低溫造成的脅迫傷害[3]。Solomon等研究認(rèn)為，植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸可以作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保護(hù)劑及自由基清除劑，對(duì)低溫脅迫下的植物細(xì)胞起保護(hù)作用[4]。另一方面，短時(shí)間高溫處理能夠激活種子內(nèi)部酶系統(tǒng)，促進(jìn)其內(nèi)部的生理生化反應(yīng)，提升種子活力；但長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)的外滲量增加，引起種子劣變，活力下降[5]。Toh S等研究認(rèn)為，溫度過(guò)高時(shí)，脫落酸(ABA)合成的誘導(dǎo)會(huì)抑制赤霉素(GA)的合成，進(jìn)而抑制種子的萌發(fā)[6]。

濕度是影響種子萌發(fā)的另一個(gè)重要條件，不同種類植物的種子對(duì)發(fā)芽階段的濕度要求是不同的。吳紅等研究發(fā)現(xiàn)，落葉女貞種子在土壤含水量為2%～30%條件下都可以發(fā)芽[7]。馬亞杰等研究發(fā)現(xiàn)，牛筋草種子隨著水勢(shì)的上升，發(fā)芽率逐漸降低[8]。Singh D等[9]和Nakashima K等[10]研究認(rèn)為，在干旱脅迫下，許多轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)單獨(dú)發(fā)揮作用或者共同調(diào)控形成互作網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)激活該網(wǎng)絡(luò)控制的一系列生理生化反應(yīng)，在分子、細(xì)胞和整個(gè)植物水平上響應(yīng)和適應(yīng)干旱。

棉花是典型的喜溫作物，前人研究認(rèn)為，其種子萌發(fā)的最低溫度為10.5～12 ℃，最高溫度為40～45 ℃，最適溫度為28～30 ℃[11]，但是有關(guān)棉花種子發(fā)芽的濕度范圍卻一直缺少界定指標(biāo)。為了確定棉花種子在發(fā)芽期間適宜的溫度和濕度，揭示溫度和濕度對(duì)棉花種子萌發(fā)機(jī)制，在不同溫濕度條件下，研究比較了棉花種子萌發(fā)過(guò)程中MDA含量、POD活性和IAA濃度變化，以期從生理生化的角度探索棉花種子活力形成的基礎(chǔ)，為棉花的安全生產(chǎn)提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為遼棉23號(hào)棉花種子，于2017年收獲，光籽。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年在遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所進(jìn)行。

首先用蒸餾水將發(fā)芽紙充分浸濕，再用濾紙吸掉多余水分，鋪于發(fā)芽盒底部。種子在設(shè)定溫度下用蒸餾水浸泡24 h，吸干表面水分后，均勻排列在發(fā)芽盒內(nèi)。于設(shè)定溫度下，在人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。培養(yǎng)箱濕度為40%，光照為0(全黑暗處理，模擬種子在土壤內(nèi)的狀態(tài))。

溫度梯度利用培養(yǎng)箱進(jìn)行設(shè)定，共設(shè)7個(gè)溫度水平：10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃。濕度梯度利用加水量進(jìn)行設(shè)定，共設(shè)5個(gè)濕度水平：按照種子干重的20%、40%、60%、80%、100%加入蒸餾水。所有樣本按照設(shè)定的濕度水平每日進(jìn)行補(bǔ)水。同時(shí)另設(shè)一組試驗(yàn)測(cè)定計(jì)算種子的發(fā)芽率。

1.3 發(fā)芽率測(cè)定

發(fā)芽1～7 d，每天08：00—10：00時(shí)發(fā)芽率，同時(shí)根據(jù)設(shè)定濕度，補(bǔ)充水分。設(shè)3次重復(fù)，最終結(jié)果取平均值。

信息全面化和可視化是當(dāng)前智能電網(wǎng)調(diào)度工作的兩大特點(diǎn)，綜合了當(dāng)前主要工業(yè)控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)可以將變電站的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像信息通過(guò)現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)傳輸?shù)窖矙z中心等相關(guān)部門(mén)，進(jìn)行日常監(jiān)控、應(yīng)急分析和現(xiàn)場(chǎng)決策，提高電量供應(yīng)的可靠性以及電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的效率。

1.4 生化指標(biāo)測(cè)定

在發(fā)芽1 d、4 d、7 d時(shí)，取發(fā)芽盒內(nèi)已經(jīng)發(fā)芽的種子，測(cè)定MDA濃度和POD活性水平、IAA濃度。所有指標(biāo)的測(cè)定均重復(fù)3次，最終結(jié)果取平均值。

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POD活性，采用紫外吸收法測(cè)定IAA濃度。操作方法參考李玲等[12]和張治安等[13]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理和作圖，利用DPS軟件進(jìn)行分析和比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫濕度條件下棉花種子發(fā)芽情況

由圖1、圖2可以看出，累計(jì)發(fā)芽率較高的溫度是25 ℃和30 ℃，累計(jì)發(fā)芽率較高的濕度是20%和40%。

圖1 不同溫度條件下棉花種子發(fā)芽率

圖2 不同濕度條件下棉花種子發(fā)芽率

2.2 棉花種子萌發(fā)期間生化指標(biāo)變化情況

2.2.1MDA濃度變化情況

由圖3、圖4可知，隨著溫度的升高，MDA濃度總體呈先升高后降低的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在30 ℃左右。隨著濕度的升高，第1天的MDA濃度呈逐漸下降的趨勢(shì)，第4天、第7天的MDA濃度呈先降低后上升的趨勢(shì)，其最低值分別出現(xiàn)在濕度為80%和60%時(shí)；當(dāng)水分為20%時(shí)，MDA濃度較高?？傮w來(lái)看，MDA濃度的峰值與發(fā)芽率的峰值相對(duì)應(yīng)。

圖3 不同溫度條件下MDA濃度變化情況

圖4 不同濕度條件下MDA濃度變化情況

2.2.2POD活性變化情況

由圖5、圖6可知，發(fā)芽第1天時(shí)，POD活性隨溫度的升高而上升；隨著發(fā)芽進(jìn)程的推進(jìn)，POD活性總體呈下降、上升又下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在30 ℃左右。隨著濕度的升高，POD活性總體呈不斷上升趨勢(shì)，濕度為20%時(shí)，活性最低。

圖5 不同溫度條件下POD活性變化情況

圖6 不同濕度條件下POD活性變化情況

2.2.3不同溫濕度棉花種子發(fā)芽期間的生長(zhǎng)素(IAA)濃度變化情況

由圖7、圖8可知，隨溫度的升高，IAA濃度呈先升高后降低的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在25～30 ℃。隨著濕度的升高，IAA濃度總體呈下降趨勢(shì)?？傊?，IAA濃度的變化趨勢(shì)也與種子發(fā)芽的趨勢(shì)相符。

圖7 不同溫度條件下IAA濃度變化情況

圖8 不同濕度條件下IAA濃度變化情況

2.3 棉花種子發(fā)芽期間各指標(biāo)的相關(guān)和回歸分析

2.3.1各指標(biāo)的相關(guān)分析

以溫度、濕度為自變量，以發(fā)芽率、MDA濃度、POD活性和IAA濃度為因變量，進(jìn)行相關(guān)分析，所得結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 棉花種子發(fā)芽期間主要指標(biāo)的相關(guān)分析

由表1可見(jiàn)，隨著溫度的升高，各指標(biāo)都呈上升趨勢(shì)，其中POD活性與溫度相關(guān)極顯著。隨著濕度的升高，發(fā)芽率、MDA濃度、IAA濃度呈下降趨勢(shì)，POD活性呈上升趨勢(shì)；其中發(fā)芽率、IAA濃度與濕度極顯著負(fù)相關(guān)，MDA濃度與濕度顯著負(fù)相關(guān)。POD活性與濕度顯著正相關(guān)?？傮w來(lái)看，發(fā)芽情況與MDA濃度、IAA濃度呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即發(fā)芽越活躍，MDA、IAA濃度越高；而POD活性則與之相反，發(fā)芽越活躍，POD活性越低。

2.3.2種子發(fā)芽期間溫濕度與生化指標(biāo)的回歸分析

分別以溫度、濕度為自變量，以MDA濃度、POD活性、IAA濃度為因變量，進(jìn)行回歸分析和邊緣分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，溫度為25.0 ℃時(shí)，MDA濃度最高，溫度偏高或偏低時(shí)，MDA濃度都會(huì)下降；濕度在16.1%以上，MDA濃度逐漸上升。溫度在47 ℃時(shí)，POD活性最高，溫度偏高或偏低時(shí)，POD活性都會(huì)下降；濕度在38.3%時(shí)，POD活性最低，濕度偏高或偏低時(shí)，POD活性都會(huì)上升。溫度為25.5 ℃、濕度為37.9%時(shí)，IAA濃度最大，溫濕度偏高或偏低時(shí)，IAA濃度都會(huì)有所下降。

表2 種子發(fā)芽期間溫濕度與生化指標(biāo)的回歸模型

由于MDA濃度和IAA濃度直接反映了種子發(fā)芽的活躍程度，可以認(rèn)為棉花種子發(fā)芽的最適溫度為25.0～25.5 ℃，最適濕度在40%左右，這與相關(guān)分析的結(jié)果相符。POD的作用在于分解轉(zhuǎn)化種子發(fā)芽期間產(chǎn)生的過(guò)氧化物，是種子發(fā)芽期間的重要抗逆指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

3.1 棉花種子最適溫度及濕度

通過(guò)比較不同溫濕度條件下的種子發(fā)芽率，以及進(jìn)一步的相關(guān)分析和回歸分析。結(jié)果表明，棉花種子發(fā)芽的最適溫度為25.0～25.5 ℃，比以往研究的結(jié)果略高，推測(cè)其原因在于發(fā)芽的方式不同所致。在10 ℃條件下，發(fā)芽率幾乎為0，與前人的研究結(jié)果相符，即棉花種子萌發(fā)的最低溫度為10.5～12 ℃[11]。40 ℃條件下，雖然前期發(fā)芽較為活躍，但最終發(fā)芽率并不高，推測(cè)其原因在于較長(zhǎng)時(shí)間的高溫導(dǎo)致種子劣變，喪失發(fā)芽能力所致[5]。

棉花種子發(fā)芽的最適濕度在40%左右，隨著濕度的升高，種子的發(fā)芽率呈明顯的下降趨勢(shì)。由于本實(shí)驗(yàn)是在種子充分吸脹之后進(jìn)行的，可以認(rèn)為棉花種子在獲得充足水分，激活相關(guān)信號(hào)物質(zhì)之后，進(jìn)一步的發(fā)芽過(guò)程對(duì)水分的要求并不高；相反，如果水分過(guò)高還會(huì)引起一系列不良反應(yīng)。

3.2 不同溫濕度對(duì)棉花種子MDA濃度、IAA濃度的影響

本實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是從溫度還是濕度方面來(lái)說(shuō)，MDA濃度、IAA濃度的峰值都出現(xiàn)在發(fā)芽最活躍的階段：即發(fā)芽越活越，2種成分的含量越高。

朱鶴等研究表明，MDA的產(chǎn)生是細(xì)胞膜受到破壞的結(jié)果，是種子萌發(fā)過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象，逆境脅迫會(huì)引起MDA濃度提高，但不是MDA產(chǎn)生的必須條件[14]。本試驗(yàn)中，在最適發(fā)芽溫度和濕度條件下，MDA濃度最高，再次印證了這個(gè)觀點(diǎn)。

IAA作為自然界最常見(jiàn)的生長(zhǎng)激素，能夠促進(jìn)細(xì)胞的分裂、伸長(zhǎng)等，直接參與到種子發(fā)芽的一系列生化過(guò)程。種子休眠解除后，生長(zhǎng)素含量增加，之后開(kāi)始進(jìn)入萌芽狀態(tài)[15]。本實(shí)驗(yàn)中，IAA濃度的變化與種子發(fā)芽率的變化趨勢(shì)相一致，說(shuō)明IAA能夠促進(jìn)種子的萌發(fā)，這一點(diǎn)與預(yù)期相符合。

3.3 不同溫濕度條件下，棉花種子POD活性變化對(duì)種子內(nèi)部生理生化反應(yīng)的影響

POD的主要功能在于分解氧自由基，保護(hù)種子不受活性氧的傷害，其活性水平是種子抗逆性的重要指標(biāo)。隨著濕度的升高，種子受到的氧脅迫加劇，POD也會(huì)活躍起來(lái)以減輕這種脅迫，這一點(diǎn)與預(yù)期相符。

溫度方面，發(fā)芽初期POD活性隨溫度的上升而上升，說(shuō)明短期的高溫激活了種子內(nèi)部的酶系統(tǒng)，有利于種子的發(fā)芽[5]。發(fā)芽第4天和第7天時(shí)，隨溫度的升高，POD活性表現(xiàn)為稍下降-上升-再下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在30 ℃時(shí)左右。這與姜春明等[3]的研究結(jié)果相符。隨著溫度的升高，種子發(fā)芽率不斷提高，短時(shí)間內(nèi)積累了大量的氧自由基，引起POD活性上升，以清除氧自由基[16]。但是，長(zhǎng)時(shí)間高溫引起種子劣變，逐漸失去活性，各種生理生化反應(yīng)終止，POD活性也隨之降低[5]。因此，當(dāng)溫度高于30 ℃時(shí)，隨著種子劣變加劇，POD活性也逐漸降低。

綜上所述，棉花作為一種原產(chǎn)于溫帶、抗旱耐瘠薄的農(nóng)作物，其種子發(fā)芽對(duì)溫度要求較高，需要達(dá)到15 ℃以上才能夠順利萌發(fā)。對(duì)濕度要求不高，只要滿足其吸脹需要，后期維持較低水分即可萌發(fā)。從機(jī)理方面，溫濕度通過(guò)影響棉花種子的一系列生理生化過(guò)程，乃至分子層面的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等，進(jìn)而影響到種子的萌發(fā)。因此，要想深入研究溫濕度以及其他外界條件對(duì)種子活力的影響，還有許多工作要做。