棉花種子活力與其植株停留期間氣象因子的關(guān)系研究

徐敏，李憬霖，葉福民，朱鶴，金路路，單瑩，王子勝*

（1.遼寧省經(jīng)濟作物研究所，遼寧 遼陽111000；2.中國農(nóng)科院棉花研究所，河南 安陽455000）

1976 年，國際種子檢驗協(xié)會（ISTA）將種子發(fā)芽和出苗期間活性的綜合表現(xiàn)，定義為種子活力[1]，并以之作為衡量種子質(zhì)量的主要指標。在種子萌發(fā)過程中， 會發(fā)生一系列生理生化變化，如信號和激素物質(zhì)被激活， 種子的休眠被打破，大分子物質(zhì)的修復(fù)[2]，氧化還原酶（Peroxidase,POD，過氧化物酶；superoxide dismutase， SOD 超氧化物化酶；catalase，CAT，過氧化氫酶等）被激活等，從而決定了種子活力。 大量的研究表明，種子活力與種子成熟度密切相關(guān)[3]。 種子所含成分的差異也會對種子活力造成一定影響[4-5]。 棉花生長發(fā)育期間的氣象條件必然會影響到種子的發(fā)育。 張旺峰[6]等通過比較不同生態(tài)區(qū)棉花鈴重變化與氣象因子之間的關(guān)系， 認為新疆棉區(qū)日照時間長、平均溫度高、日溫差大，有利于光合物質(zhì)的產(chǎn)生及在棉鈴中的積累，是新疆棉區(qū)獲得高產(chǎn)的生理基礎(chǔ)。張麗娟等[7]、馬富裕等[8]研究認為，棉花纖維比強度是對氣候變化最為敏感的品質(zhì)指標，而溫度是其最主要的影響因素。王友華等[9]研究認為，不同棉花品種纖維比強度的穩(wěn)定性存在較大差異，變異的主要來源在于其對溫度變化敏感性的差異。 可見，關(guān)于棉花生長與氣象條件的關(guān)系，前人更多關(guān)注棉鈴發(fā)育、纖維品質(zhì)等方面。 另一方面，關(guān)于種子和種子活力的研究，林業(yè)和其他經(jīng)濟作物的研究受到一定的重視， 而有關(guān)大田作物種子的研究較少。 有關(guān)棉花種子活力的研究更多集中在種子引發(fā)[10-14]、老化和劣變等方面[15-17]。陳莉等[13]研究認為，褪黑素能夠影響棉花種子的萌發(fā)；劉瑞顯等[14]研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈的浸提液和腐解液具有極強的化感效應(yīng)，能夠抑制棉花種子的萌發(fā)和幼苗生長。 棉花種子作為重要的生殖器官，其生長發(fā)育的過程必然會受到外界條件的影響。 張文強等[18]研究了不同果位和結(jié)鈴期對棉花種子活力的影響，認為高活力種子生產(chǎn)以采收中部果位的伏桃種子為宜。

那么， 氣象因子是如何通過影響種子的發(fā)育，進而影響種子活力呢？ 本試驗通過比較不同成熟度棉花種子的特征以及萌發(fā)過程中的生理生化指標的變化，力圖發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，為生產(chǎn)實踐提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試棉花品種

本試驗選擇遼棉25、遼棉31 兩個棉花品種。這兩個品種都是遼寧省經(jīng)濟作物作物研究所選育的，遺傳差異較大。 其中：遼棉25 號于2011 年審定，編號為：遼審棉[2011]27 號。 生育期122 d左右，長勢較旺，植株塔形、松散，葉片較大，葉色深綠；鈴卵圓形，較大。種子較大。衣分40.20%。抗病性強，高抗枯萎病，抗黃萎病。 棉絮潔白，纖維品質(zhì)優(yōu)良。 遼棉31 號于2014 審定，編號：遼審棉2014002。 生育期130 d 左右；長勢中等，植株塔形、較松散；葉片較小，葉色較深；鈴卵圓形，較大。種子大小中等。衣分40.98%?？共⌒詮?，抗枯萎病，抗黃萎病。 棉絮乳白色，纖維品質(zhì)優(yōu)良。

1.2 不同植株停留時間棉花種子群體的獲得

2016 年， 在遼寧省經(jīng)濟作物研究所試驗地，于棉花花期（7 月12 日、7 月19 日、7 月26 日、8月2 日、8 月9 日）對當日所開花掛牌標記。 在棉花吐絮期（9 月19 日、9 月29 日、10 月12 日）分別收獲。 將所收獲的棉花分別軋花收取種子，構(gòu)成不同成熟度的棉花種子群體。 兩個品種共包含13份樣品。 詳見表1。

1.3 棉花種子特征指標的測定

從不同成熟度棉花種子群體中取適量種子，硫酸脫絨后，檢測百粒重，并進行發(fā)芽試驗。

1.3.1 種子百粒重測定。 選擇大小均勻、無破損的種子，測量百粒種子質(zhì)量，每樣品重復(fù)3 次，取平均值為種子百粒重。

表1 不同成熟度棉花種子群體Table 1 Cotton seed population with different maturity levels

1.3.2 種子發(fā)芽試驗。 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)箱進行發(fā)芽試驗。 在第7 天時計算種子發(fā)芽率，3 次重復(fù)，取平均值。

1.4 棉花種子營養(yǎng)成分含量的測定

利用索氏提取法測定種子的粗脂肪含量，所用儀器為FOSS Soxtec 8000 索氏提取儀。 用蒽酮顯色法測定種子的可溶性糖含量和淀粉含量[19]。

1.5 棉花種子萌發(fā)期間酶水平的測定

各樣品取10 粒種子（約1 g），使用發(fā)芽盒在在溫度28 ℃、濕度40%的條件下，利用培養(yǎng)箱進行發(fā)芽試驗。 分別在發(fā)芽第1 天、第4 天、第7 天測定種子丙二醛 （MDA） 濃度及過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性。 所有指標的測定均重復(fù)3 次，最終結(jié)果取平均值。 具體檢測方法：采用TBA 比色法測定種子丙二醛（MDA）濃度，采用愈創(chuàng)木酚法測定種子過氧化物酶（POD）活性，采用紫外吸收法測定種子過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性[20]。

1.6 氣象數(shù)據(jù)收集整理

本文所有氣象數(shù)據(jù)皆采自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.7 數(shù)據(jù)整理與分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 種子植株停留期間氣象因子匯總

經(jīng)過檢索中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)， 選擇了降水量X1、相對濕度X2、平均氣溫X3、≥12 ℃積 溫X4、日最高溫X5、日最低溫X6、日溫差X7和日照時間X8共8 個因子。 根據(jù)各樣本的開花日期和植株停留時間，對各指標分別取值。 如表2。

由表2 可見， 隨著種子植株停留時間的增加，降水量、日照時間和≥12℃積溫3 個累計指標和日溫差共4 個指標呈現(xiàn)不穩(wěn)定的上升趨勢，與預(yù)期相符。 相對濕度以及日均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫4 個平均指標與種子的掛牌時間表現(xiàn)一定的同步趨勢，即：掛牌時間越晚，各指標值越低。 總體來看：第一次掛牌時（7 月12 日）正值伏季， 為一年中高溫高濕季節(jié)；7 月底開始，溫度下降、降水減少，同時日照增加、日溫差加大，綜合氣象條件有利于植株的干物質(zhì)積累和成熟。本試驗正是基于這個出發(fā)點而設(shè)計和進行的。

表2 種子植株停留期間的主要氣象因子Table 2 Main meteorological factors during seed resident on the plants

2.2 種子百粒重和發(fā)芽率

由表3 可見：樣本間百粒重差異顯著，并且與種子的植株停留時間顯著負相關(guān)（r＝－0.584 9，α＝0.05 時相關(guān)系數(shù)臨界值r＝0.552 9)： 種子的植株停留時間在50～70 d 之間時， 百粒重可達10 g 以上；低于50 d 或高于70 d 都會下降。 各樣本種子的7 d 發(fā)芽率差異較小， 與種子的植株停留時間無顯著相關(guān)。 無論是百粒重還是7 d 發(fā)芽率，遼棉31（10.01 g，82.28%）都稍高于遼棉25（9.79 g，80.19%）。

2.3 種子主要營養(yǎng)成分含量

由圖1 可見， 棉花種子中粗脂肪含量最高，達到20%左右，因此，棉花種子被歸類為脂肪類種子[21]；其次是可溶性糖，5%左右；淀粉含量最低，3%左右?？傮w看來，樣本間粗脂肪含量差別較大，淀粉含量和可溶性糖含量差別較小。遼棉31的粗脂肪含量（19.56%）高于遼棉25 號（18.42%），兩個品種間差異顯著（P＝0.001 6）；遼棉31 的可溶性糖含量和淀粉含量（5.14%，2.99%）稍低于遼棉25（5.32%，3.33%），兩個品種間差異不顯著。各營養(yǎng)成分中，只有可溶性糖含量與種子的植株停留時間表現(xiàn)顯著相關(guān)（r＝0.650 1，α＝0.05 時相關(guān)系數(shù)臨界值r＝0.552 9）。

表3 種子百粒重和發(fā)芽率統(tǒng)計表Table 3 100-seed weight and germination rate

圖1 種子主要成分含量Fig. 1 Content of main nutrients in seeds

2.4 種子發(fā)芽期間丙二醛（MDA）濃度變化情況

由圖2 可見， 種子發(fā)芽期間MDA 濃度呈先升高后下降趨勢。 發(fā)芽1 d 時，種子的生理活性較小，MDA 濃度較低（7.57 μmol·g－1）且樣品間差異較大。發(fā)芽4 d 時，種子被充分激活，進入萌發(fā)旺盛期，MDA 濃度上升明顯（21.35 μmol·g－1）且樣品間差異縮小。 發(fā)芽7 d 時，已經(jīng)到發(fā)芽末期， 種胚的活性降低，MDA 濃度也隨之降低（18.19 μmol·g－1），樣品間差距繼續(xù)縮小。 總體來看，遼棉25 的MDA 濃度（9.79 μmol·g－1）低于遼棉31（10.01 μmol·g－1），兩個品種間差異不顯著。

圖2 MDA 濃度變化情況Fig. 2 Change of MDA concentration

2.5 種子發(fā)芽期間酶活性變化情況

2.5.1 過氧化物酶（POD）活性變化情況。 由圖3可見， 種子發(fā)芽期間POD 活性呈先升高后下降趨勢，下降較明顯，且樣品間差別明顯。 發(fā)芽1 d時， 平均POD 活性為0.055 △OD·（min·g）－1；4 d時為0.109 △OD·（min·g）－1，幾乎是發(fā)芽1 d 時的2 倍；7 d 時迅速下降為0.046 △OD·（min·g）－1，比1 d 時還要低。 總體來看， 遼棉25 的POD 活性（0.13 △OD·（min·g）－1） 高于遼棉31 （0.08 △OD·（min·g）－1），但兩個品種間差異不顯著。

圖3 POD 活性變化情況Fig. 3 Changes of POD activity

2.5.2 過氧化氫酶（CAT）活性變化情況。 由圖4可見， 種子發(fā)芽期間CAT 活性呈先下降再升高趨勢，下降明顯，但升高有限；且樣品間差別明顯。 發(fā)芽1 d 時，CAT 活性（以蛋白質(zhì)含量計）為663.40 μmol·（min·mg）－1；4 d 時為375.31 μmol·（min·mg）－1，幾乎下降了50%；7 d 時微有上升，達到439.21 μmol·（min·mg）－1。 遼棉25 的CAT活性（437.96 μmol·（min·mg）－1）稍高于遼棉31（302.22 μmol·（min·mg）－1） ，但兩個品種間差異不顯著。

圖4 CAT 活性變化情況Fig. 4 Changes of CAT activity

圖5 SOD 活性變化情況Fig. 5 Changes of SOD activity

2.5.3 超氧化物歧化酶（SOD）活性變化情況。 由圖5 可見，種子發(fā)芽期間SOD 活性呈明顯下降趨勢， 且樣本差別較小。 發(fā)芽1 d 時，SOD 活性為560.49 △OD·（min·g）－1，4 d 時 為126.30 △OD·（min·g）－1，7 d 時為14.94 △OD·（min·g）－1，遼棉25的SOD 活性158.51 △OD·（min·g）－1高于遼棉31 的88.71 △OD·（min·g）－1，但兩個品種間差異不顯著。

2.6 棉花種子基本特征與發(fā)芽期間生理生化指標與氣象因素的相關(guān)分析

根據(jù)徐敏等[21]研究的結(jié)果，種子發(fā)芽4 d 時為發(fā)芽盛期，其各項指標更具有代表性，因此，以發(fā)芽4 d 時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 計算種子的特征指標和氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系（表4）。

由表4 可見：可溶性糖含量與降水量和日溫差呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)， 與≥12 ℃積溫和日照時間顯著正相關(guān)。MDA 含量與降水量、≥12 ℃積溫、日溫差和日照時間呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。 CAT 活性與降水量、≥12 ℃積溫、日溫差和日照時間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。 此外，百粒重與日照時間呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。

由此可見，從氣象因子方面來說，降水量、≥12 ℃積溫、日溫差和日照時間與種子的部分生理生化指標顯著或極顯著相關(guān)；從種子的生理生化指標來說， 可溶性糖含量、MDA 濃度和CAT 活性與部分氣象因子的相關(guān)達到顯著或極顯著水平。 因此，以下主要圍繞百粒重、可溶性糖含量、MDA 濃度和CAT 活性4 個種子的特征指標和降水量、≥12℃積溫、 日溫差和日照時間4 個氣象因子進行分析。

2.7 棉花種子特征指標與氣象因子的數(shù)學模型模擬

在以上分析的基礎(chǔ)上，將相關(guān)顯著或極顯著的指標進行二次多項式逐步回歸分析，以氣象因子為自變量， 以棉花的生理生化特征值為因變量，建立模擬方程。 由于本試驗選用2 個品種，因此，選用兩品種平均值及遼棉31、遼棉25 各自的數(shù)據(jù)分別進行模擬， 其中25 個模型模擬成功（r2≥0.5，P≤0.05），詳見表5。

所有模擬成功的25 個模型中， 所表現(xiàn)的趨勢與相關(guān)分析的結(jié)果基本相符， 選擇其中符合y＝ax2+bx+c 的二次曲線的方程， 進一步利用邊緣分析方法考察氣象因子對各指標的邊際效應(yīng)（表6）。

邊際效應(yīng)值反映了種子基本指標對氣象因子的反應(yīng)特征。 表中所有指標中， 除CAT 活性與≥12 ℃積溫、日照時間的邊際效應(yīng)與預(yù)期相差較大外，其余指標基本符合預(yù)期。參考張旺峰等[6]的研究，從逐步回歸模型和邊際效應(yīng)的數(shù)學模型可以看出，氣象因子對棉花種子特性影響的特定特征值都有一個最適值（Optimum value,OV），也就是所說的邊際效應(yīng)。 當OV＝xi＝b/2a 時，y'＝2axi－b＝0，即是氣象因子的最適值。 當OV＜xi時，由于y' 變化率不同，表現(xiàn)出不同的趨勢：y'＞0，邊際效應(yīng)值為正，即隨著各氣象因子數(shù)值的提高， 種子的特征值會上升；y'＜0， 邊際效應(yīng)值為負，即隨著各氣象因子數(shù)值的提高，種子的特征值則會下降。當OV＞xi時，情況剛好相反。同時，y' 變化率絕對值也能代表y' 值的穩(wěn)定程度，即y'值對x 值的利用效率，變化率越大則y'值穩(wěn)定程度越低。 由表中可見，降水量的波動對種子各指標的影響不明顯，日照時間波動對各指標的影響稍大，而日溫差的波動對各指標的影響最大。

表4 棉花種子特征指標與氣象因素的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among samples

所選擇的棉花種子特征值并非越大或者越小越好， 同時各指標之間還有一定的互作效應(yīng)。綜合各指標的邊際效應(yīng)認為，降水量的最適值為305～480 mm，日溫差的最適值7.3～7.83 h，日照時間的最適值為421～508 h。 由此推斷種子在植株的最佳停留時間為65～72 d。

3 討論

3.1 棉花種子形成、發(fā)育和萌發(fā)過程中各項指標互相影響

棉花種子的形成、發(fā)育和萌發(fā)是一個完整的生理過程，尤其是萌發(fā)出苗的過程，受到外部條件和內(nèi)在因素的共同作用。 僅以本試驗所選擇的4 個指標來說，同種作物種子，百粒重大代表種子成熟度好，儲藏豐富，有利于種子萌發(fā)；可溶性糖作為能量物質(zhì)，一般在幼苗能夠自主光合作用以前，為種子萌發(fā)和出苗提供能量；MDA 是種子萌發(fā)期間膜脂過氧化的產(chǎn)物， 但作為有害物質(zhì)，種子會通過自身的生理作用對其進行分解以消除影響；CAT 是一種活躍的過氧化物酶， 是種子自身保護系統(tǒng)的重要組成成分。 綜合來看，MDA 含量增加必然會引起CAT 活性的提高，CAT 的活動又會消耗更多的能量，進而影響其他的生理過程。 因此，所有的指標并非簡單的升高或下降就有利于提高棉花種子的活力。

3.2 MDA 來自于膜脂過氧化， 環(huán)境脅迫并非必要條件

有觀點認為，MDA 的形成是由于環(huán)境脅迫造成的，在環(huán)境條件良好的情況下，種子能夠順利萌發(fā)，不會形成MDA 的積累。 也有研究認為，MDA 來源于膜脂的過氧化， 其產(chǎn)生是種子發(fā)芽過程中不可避免的生理活動[4]。 本試驗的結(jié)果更傾向于第二種觀點。 另一方面，有關(guān)種子的試驗研究一般采用人工發(fā)芽的形式進行，提供理論上最適的溫度和濕度條件，因此認為種子是在最適條件下萌發(fā)。 但人工環(huán)境與自然環(huán)境存在差異，即使提供了理論最適的條件，種子仍然需要通過一系列自我調(diào)節(jié)，能夠順利萌發(fā)，這一點需要重新加以認識。

表5 種子生理生化指標與氣象因子的二次多項式逐步回歸模型Table 5 Quadratic polynomial stepwise regression models of seed characteristic indices and meteorological factors

3.3 種子自身的抗氧化系統(tǒng)能夠起到自我調(diào)節(jié)和保護的能力

根據(jù)El-Maarouf-Bouteau 等[22]的研究，在種子萌發(fā)過程中，活性氧（ROS）作為信號分子參與調(diào)控種子的休眠釋放、胚乳的松弛和儲存物質(zhì)的動員。 但是，活性氧的過量積累又會起到毒害作用，抑制種子的萌發(fā)。隨著O2－自由基的積累，種子自身具有的抗氧化系統(tǒng)將被激活，以清除O2－自由基，起到自我保護的作用[5]。 本試驗所檢測的過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶CAT、超氧化物歧化酶（SOD）就是種子抗氧化系統(tǒng)的重要組成成分。

表6 種子特征指標與氣象因子的邊際效應(yīng)模型Table 6 Marginal effect model of seed characteristic indices and meteorological factors

本試驗中，POD、CAT 活性都在發(fā)芽4 d 時達到頂峰，此時也是發(fā)芽的高峰，種子的生理活動活躍，O2－自由基產(chǎn)生較多。 1 d 時種子剛剛萌動、7 d 時種子發(fā)芽活動接近尾聲， 所產(chǎn)生的O2－自由基濃度較低，酶活性也相應(yīng)較低，以減少能量的消耗?？傊?，種子發(fā)芽期間O2－自由基含量變化會直接影響酶活性的變化，并且與發(fā)芽的趨勢基本一致，這一點與預(yù)期相符。

3.4 部分氣象因子通過影響種子部分特征指標進而影響種子活力

棉花起源于熱帶和溫帶地區(qū)，屬喜溫無限生長類型植物[9]。隨著棉花種植范圍的擴大，氣象因子對棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響逐漸成為人們研究的熱點，棉花生產(chǎn)標準化、機械化水平的提高，更加重了對這方面研究的需求。

本試驗最初選擇了8 個氣象因子，其中相對濕度、日最高溫、日最低溫和日均氣溫4 個指標由于與種子的特征指標相關(guān)不顯著而剔除，而降水量、≥12 ℃積溫、 日溫差和日照時間4 個氣象因子通過影響種子的百粒重、 可溶性糖含量、MDA 濃度以及CAT 活性， 進而影響種子活力。隨著4 個氣象因子指標的上升， 可溶性糖含量、CAT 活性隨之上升， 而MDA 濃度呈下降趨勢?？梢姡渥愕娜照?、降水、積溫及較大的日溫差有利于種子發(fā)育，營養(yǎng)物質(zhì)積累增加，酶活性提高，促使種子順利萌發(fā)。 邊際效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)日溫差和日照時間的變化更容易引起可溶性糖含量和CAT 活性的變化，即其對種子的發(fā)育和成熟影響較明顯，這一點與預(yù)期相符。

3.5 關(guān)于種子后熟對種子活力影響的研究

后熟作用是指成熟種子離開母體后，經(jīng)過一系列的生理生化變化，完成生理成熟而具備發(fā)芽能力的生理過程。 后熟期長短因植物種類而異，同時，外部條件對種子的后熟有一定的影響。 有研究表明，棉花種子有很明顯的后熟過程，陸地棉的棉籽在棉鈴剛吐絮時就有發(fā)芽能力，但發(fā)芽率很低，僅有14%～18%；經(jīng)曬干、儲藏2～4 個月，棉籽完成后熟作用，能夠顯著提高發(fā)芽率[23]。關(guān)于棉花種子的后熟，前人進行了一些研究。 李艷萍等[24]研究了棉花種子后熟過程中活力變化的規(guī)律，認為棉花種子后熟期主要決定于種子干燥脫水的程度。 張曉潔等[25]的研究結(jié)果與之相似。

本試驗僅比較了種子在植株上停留期間氣象條件對其活性的影響。 試驗所需種子皆于棉鈴正常吐絮后收獲，于當年10 月底軋花，后即入庫統(tǒng)一保存。 第二年4 月初統(tǒng)一硫酸脫絨，6～7 月統(tǒng)一進行發(fā)芽試驗和檢測。 關(guān)于后熟對種子活力的影響，將另外安排試驗。

4 結(jié)論

本試驗通過綜合比較各氣象因子的邊際效應(yīng)，認為棉花種子在遼河流域的最適植株停留時間為65～70 d，也就是開花時間為7 月中旬。 該類種子大部分來自早伏桃以及部分伏前桃。