扁穗雀麥種子成熟過程生理響應(yīng)及適宜收獲期研究

田 宏，張鶴山，熊軍波，劉 洋

(湖北省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所/湖北省動物胚胎工程及分子育種重點實驗室，武漢 430064)

雀麥屬(Bromus)是天然草地和人工牧場中有利用價值的牧草資源，我國有71種[1]。該屬下的扁穗組(Sect.Ceratochloa)植物有3種，其中扁穗雀麥(BromuscartharticusVahl.)主要分布在美洲的溫帶和熱帶山地，具有秋冬季生長速度快、分蘗多、生物產(chǎn)量高和種子收獲后植株仍保持青綠等特點，現(xiàn)在全世界溫帶地區(qū)栽培較廣[2]。我國20世紀40年代引進，最早在南京種植，表現(xiàn)為一年生或越年生，屬冷季型牧草。目前多分布在華中、西南、西北等地，且很多地方存在大量逸生種[3]。顯著的產(chǎn)量、強于一年生黑麥草(Loliummultiflorum)的抗旱和適應(yīng)性讓扁穗雀麥越來越受到種、養(yǎng)殖戶的青睞，尤其在長江流域及以南地區(qū)，是解決草食家畜冬春飼草缺乏的優(yōu)質(zhì)牧草[4-5]。

優(yōu)良牧草的推廣利用，離不開高質(zhì)量的種子。作為應(yīng)對復(fù)雜生態(tài)環(huán)境的種子，其發(fā)育和成熟屬一種進化優(yōu)勢，大多數(shù)植物因為具備了這一特征，可在不利條件下中斷生命周期，而在有利條件下恢復(fù)生長延續(xù)種族[6]。但種子收獲過早，種子活力不足，品質(zhì)降低[7]；過晚則種子脫落，造成減產(chǎn)[8]，因此確定適宜的收獲期是種子生產(chǎn)和保證其質(zhì)量的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，種子的含水量、千粒重、脫氫酶活性等指標與收獲期有密切關(guān)系[9-10]。因此，本研究以扁穗雀麥“江夏”和“黔南”兩個品種為試驗材料，對其種子成熟過程中的生理響應(yīng)進行探討，旨在為其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子生產(chǎn)適時收獲提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在湖北省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所牧草種質(zhì)資源圃，東經(jīng)114°10′，北緯30°18′，海拔29.6 m。土壤為丘陵黃壤，瘠薄粘重，結(jié)構(gòu)性差。pH=5.16，有機質(zhì)1.82%，堿解氮110.0 mg·kg-1，有效磷36.7 mg·kg-1；速效鉀240 mg·kg-1。

1.2 材料和方法

供試材料為扁穗雀麥品種“江夏”和“黔南”，均為國家認定品種。2018年播種，穴播，株行距60 cm×60 cm，種植面積3 m×5 m，3次重復(fù)。生長期間常規(guī)管理，無灌溉和施肥。當群體50%的植株開花時，隨機選擇花期相對一致的單株20個掛牌，從第8天開始每隔4 d取樣1次，直至種子成熟。每次取樣品3份，一份直接測水分和干重、一份經(jīng)液氮冷凍處理后放-80 ℃冰箱保存用于生理指標測定、一份自然風干后測千粒重。

1.3 測定內(nèi)容

種子含水量采用高恒溫烘箱法[11]；千粒重用分析天平稱重法[12]；淀粉和可溶性糖含量用蒽酮比色法[13]；ATP和脫氫酶活性分別用熒光素酶和TTC法[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2017軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，用DPS 17.10統(tǒng)計軟件對同年份各指標進行單因素方差分析，用新復(fù)極差法(Duncan)比較不同處理間的差異顯著性(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子含水量和干重變化

由圖1可知，扁穗雀麥種子含水量隨其發(fā)育成熟呈持續(xù)下降趨勢，且各時期差異顯著(p<0.05)。發(fā)育初期(花后第8天)“江夏”和“黔南”種子含水量最高，達74%左右。直至花后第23天，兩品種種子水分雖已減少，但含水量仍高達60%。自花后第28天，“江夏”種子含水量開始急劇下降，到第38天含水量僅有21.83%，每天的失水率達4.94%?！扒稀陛^“江夏”有所不同，該階段含水量仍較高(42.06%)，之后種子嚴重失水，到花后第43天，每天失水率高達6.45%，種子含水量相比發(fā)育初期(花后第8天)下降77.96%。

與此同時，扁穗雀麥種子干重變化也較大。初期“江夏”和“黔南”干重最低，分別為0.25 g和0.30 g，隨著時間的推移，種子干重逐漸增加。“江夏”在花后第13～28天表現(xiàn)尤為突出，每天干重的增加量為0.05～0.07 g，到花后第38天干重達最高值(1.22 g)，與花后第42天差異不顯著?！扒稀备芍刈兓c“江夏”略有不同，其物質(zhì)積累最快時期出現(xiàn)在花后第13～18天(0.08 g·d-1)，之后日增重略有減少，但在花后第23～33天又出現(xiàn)小高峰(0.05～0.06 g·d-1)，該品種干重最大值出現(xiàn)在花后第43天(1.37 g)。

2.2 千粒重變化

扁穗雀麥“江夏”和“黔南”千粒重變化在花后第8～33天基本一致(見圖2)，隨著種子的發(fā)育成熟千粒重顯著增加(p<0.05)，其中“黔南”在第33天千粒重達最大值(14.13 g)。之后兩品種差異較大，“江夏”表現(xiàn)出先降后增的趨勢，且各時期差異顯著(p<0.05)，至花后第43天千粒重達最大(12.73 g)，顯著高于其他階段(p<0.05)。“黔南”則持續(xù)下降，到花后第43天比最大千粒重減少了28.94%。

2.3 種子可溶性糖和淀粉含量變化

由圖3可知，“江夏”扁穗雀麥種子可溶性糖在開花后7 d內(nèi)含量較高，而淀粉含量相對較低?；ê蟮?3天可溶性糖含量達最大值(112.80 mg·g-1)，之后開始下降，到花后第28天含量減少到最低(31.23 mg·g-1)，隨后各時期盡管有增有減，但差異不顯著。淀粉含量變化與可溶性糖相反，花后第8～38天持續(xù)增加，尤其在花后第28～38天積累迅速，每日的增加量達36.13 mg·g-1和26.65 mg·g-1?；ê蟮?3天雖然淀粉含量(506.30 mg·g-1)稍有下降，但與花后第33天和第38天差異不顯著?！扒稀笨扇苄蕴呛孔兓c“江夏”在種子發(fā)育早期一樣，均呈增加趨勢，于花后第13天達最大(106.76 mg·g-1)，之后開始下降，自花后第23天開始其含量保持在35.00～45.00 mg·g-1之間。淀粉含量除花后第28天出現(xiàn)了一個下降的轉(zhuǎn)折外，其余各階段均隨著種子的發(fā)育成熟逐漸增加，與“江夏”不同的是其淀粉含量最大值(429.27 mg·g-1)出現(xiàn)在花后第43天，與花后第33天和第38天差異不顯著。

2.4 種子ATP變化

在種子發(fā)育過程中，兩品種的ATP含量變化差異較大(見圖4)?！敖摹北馑肴耕湻N子ATP變化呈現(xiàn)“降-升-降”趨勢，在發(fā)育初期ATP含量相對較高，為2.88 μmol·g-1，花后第13天顯著下降，之后又開始增加，到花后第23天達小高峰，但與花后第18天ATP含量(2.57 μmol·g-1)差異不顯著。隨著種子水分的散失，ATP含量持續(xù)下降，到花后第43天僅為1.77 μmol·g-1?！扒稀北馑肴耕湻N子ATP含量在不同收獲期變化較小，前期含量也是相對較高，花后第8～28天基本保持在2.7～2.9 μmol·g-1之間，到花后第33天，雖然達最高值(3.09 μmol·g-1)，但與前期差異不顯著。與“江夏”相同的是，“黔南”同樣在花后第43天ATP含量最低，且差異顯著(p<0.05)。

2.5 種子脫氫酶活性變化

如圖5所示，“江夏”在種子發(fā)育初期脫氫酶活性最高，為0.253 0 μg·(min·g)-1，隨著種子的發(fā)育，脫氫酶活性下降，在花后第28天顯著低于花后第8天(p<0.05)。之后脫氫酶活性開始顯著增加，到種子成熟末期達0.250 7 μg·(min·g)-1，與花后第33天和第38天差異不顯著?！扒稀泵摎涿富钚宰兓诨ê蟮?3～28天也呈下降趨勢，但與“江夏”不同之處是在花后第13天和第33天脫氫酶活性相對較高，分別為0.256 8 μg·(min·g)-1、0.260 2 μg·(min·g)-1，且在花后第33天表現(xiàn)為持續(xù)下降?！扒稀北馑肴耕湻N子不同收獲期脫氫酶活性雖然有高有低，但差異不顯著。

3 結(jié)論與討論

種子含水量和干重是種子生理成熟的兩個重要指標。通常認為，種子在達到最大干重并趨于穩(wěn)定時進入生理成熟期，扁穗雀麥“江夏”和“黔南”兩品種生理成熟期基本一致，為花后第38天。隨著種子的發(fā)育，含水量與其關(guān)系密切，研究者們都希望通過種子含水量的變化規(guī)律得出最適宜的收獲條件。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著扁穗雀麥種子的成熟，含水量在各階段顯著下降，這與Hebblethwaite等[15]的研究結(jié)果相一致，而這種變化在其他牧草青海扁莖早熟禾(Poapratensis)[16]、小花堿茅(Puccinelliatenuiflora)[17]、柳枝稷(Panicumvirgatum)[18]中也存在。雖然含水量變化規(guī)律整體相同，但在此過程中最大失水率出現(xiàn)的時期卻不同，“江夏”為花后第33～38天，“黔南”為花后第38～43天，這可能與種子成熟快慢有較大關(guān)系。試驗中發(fā)現(xiàn)，“江夏”在花后第28天種子大部分顏色已變?yōu)闇\黃，穎果有一定硬度；而“黔南”種子顏色多為綠色，還處于乳熟期。到花后第33天，“江夏”種子已到完熟初期，淀粉含量接近最大值，種子基本可以收獲；但“黔南”種子處于蠟熟期，且淀粉含量還在繼續(xù)增加。隨著時間的推移，扁穗雀麥種子成熟度增加，種子脫水顯著?！敖摹钡缴沓墒炱诤績H為21.83%，而“黔南”盡管前期種子發(fā)育速度較“江夏”慢，但在外界逐漸升高的氣溫條件下成熟進程加快，導(dǎo)致其種子在花后第38～43天顯著脫水。這種變化與Hebblethwaite等[15]、Hill等[19]對十幾種牧草的研究結(jié)果相同，說明種子含水量的變化與草種、天氣都有不可分割的關(guān)系。

種子千粒重的變化可以反映種子在成熟過程中物質(zhì)積累量的變化，同時千粒重大小對種子活力有一定的影響。顧日良等[20]發(fā)現(xiàn)，玉米(Zeamays)種子百粒重和容重隨著收獲期的推遲而顯著增加，到授粉后59 d達最大值。宮晶等[21]研究表明，不同基因型的小麥(Triticumaestivum)在6個灌漿期種子的千粒重變化趨勢一致，隨著時間的推移不斷增加，且差異顯著。蘭劍等[22]研究認為，可通過千粒重是否達到恒定值來確定多年生黑麥草(Loliumperenne)的適宜收獲時間。本研究發(fā)現(xiàn)，扁穗雀麥兩品種的千粒重在花后第33天之前表現(xiàn)與其他禾本科作物基本一致，隨著生育期逐漸增加，但之后略有差異。“江夏”千粒重最大值出現(xiàn)在花后第43天，“黔南”則于花后第33～38天趨于穩(wěn)定，而這與其落粒性有較大關(guān)系。扁穗雀麥屬散逸種栽培馴化而來，種植時間相對較短，和其他禾本科牧草類似，存在較嚴重的種子成熟不一致和脫落現(xiàn)象。研究中發(fā)現(xiàn)，“江夏”種子相對“黔南”種子成熟較早，在花后第28天種子達形態(tài)成熟，種子干重持續(xù)增加，到花后第33天種子飽滿，顏色黃亮，但種子落粒嚴重。到花后第38天采樣種子有的是植株后期發(fā)育種子，千粒重下降，而到花后第43天時，植株上所有種子都已完全成熟飽滿?！扒稀狈N子成熟稍晚，且小穗在植株上持久性相對較好，因此在花后第33～38天種子相對飽滿穩(wěn)定，隨著種子的成熟，落粒嚴重，后熟種子占據(jù)主體，千粒重下降。

可溶性糖是植物光合作用產(chǎn)物中的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物，主要包括蔗糖、葡萄糖和果糖等，種子中可溶性糖種類和含量在發(fā)育、成熟、貯藏和萌發(fā)中有很大變化。對于扁穗雀麥兩個品種，可溶性糖含量變化基本一致，在花后第13天達最高，之后逐漸減少，到花后第28～43天差異不顯著。作為禾本科植物種子中最主要的貯藏物質(zhì)淀粉，與可溶性糖含量關(guān)系密切，其中蔗糖濃度直接影響著淀粉的積累速率[23]。隨著扁穗雀麥種子的發(fā)育，淀粉含量逐漸增加，“江夏”和“黔南”均于花后第33～43天趨于穩(wěn)定。本試驗中，扁穗雀麥種子收獲后期可溶性糖和淀粉變化與課題組前期研究略有差異[13]，但與劉文輝等[16]、孫建陽等[18]、王思思等[24]的研究結(jié)果相同。這種不同年份間的兩貯藏物質(zhì)的變化可能與當?shù)貧夂驐l件有較大關(guān)系，2018年種子成熟后期降雨較多，造成淀粉水解；而2019年同時期氣候相對干旱，種子成熟飽滿，淀粉含量相比較高。

ATP作為可被生物直接利用的細胞內(nèi)能量傳遞的“分子通貨”，是表征生命體活力最直接的因子，在種子貯存、輸送和釋放能量過程中起著重要作用，直接反映種子的能量代謝水平。扁穗雀麥和“黔南”和“江夏”兩品種ATP含量相對較高時期正是種子籽實快速增加階段，而含量較低大多出現(xiàn)在早熟飽滿種子脫落、后熟種子由蠟熟向完熟轉(zhuǎn)化的時期。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，在同一時期，“黔南”種子的ATP含量相比“江夏”品種高，這可能與其種子飽滿粒大有一定關(guān)系。顧增輝等[25]認為，種子質(zhì)量大則具有更多的線粒體和較高的磷酸化效應(yīng)，這種效應(yīng)可使種子具有較高的發(fā)芽潛力；段乃彬等[26]對國家種質(zhì)資源中期庫不同保存時間的4種作物種子ATP含量研究也發(fā)現(xiàn)，單粒質(zhì)量大的種子ATP含量相對較高，其順序為玉米>大豆(Glycinemax)>小麥>水稻(Oryzasativa)。

在種子發(fā)育過程種，脫氫酶是種子呼吸過程中的一類重要催化劑，通常認為其活性大小與種子呼吸作用的強弱及種子活力的高低有著密切關(guān)系。Perry[27]發(fā)現(xiàn)，脫氫酶活性、ATP含量作為活力的測定指標與各類種子活力有很好的相關(guān)性，是種子活力較為靈敏的生化指標。張桂蓮等[28]對水稻的研究發(fā)現(xiàn)，隨著種子的發(fā)育脫氫酶活性大小與種子活力高低基本呈正相關(guān)；王寧等[29]對6個不同小麥品種不同收獲期下的種子活力研究發(fā)現(xiàn)，成熟度好，脫氫酶活性高。本試驗中，扁穗雀麥“江夏”和“黔南”脫氫酶活性并未表現(xiàn)出明顯的隨種子成熟增加的趨勢，這與前期對該草種的研究有所不同[13]，說明TTC含量作為檢測扁穗雀麥種子活力的指標還有待進一步驗證。