李立君 趙婷婷 錢存夢(mèng) 李淑嫻
(南京林業(yè)大學(xué),南京,210037)
翟金庭
( 鹽城林場(chǎng))
烏桕(Sapiumsebiferum)又名木子樹(shù)、蠟樹(shù)等,是大戟科(Euphorbiaceae)烏桕屬落葉喬木,在我國(guó)已有1 400多年的栽種歷史,是重要的秋色葉樹(shù)種[1-2]。烏桕葉、根、樹(shù)皮均可入藥,具有抑菌、抗炎、殺蟲等作用[3-4]。烏桕種子榨取的固體皮油和液體梓油可制作蠟燭、保護(hù)性涂料、生物柴油等[5-6],是我國(guó)亞熱帶地區(qū)重要的工業(yè)木本油料樹(shù)種[7],是國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)倡導(dǎo)開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)能源樹(shù)種之一[1],具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
生產(chǎn)上,烏桕以播種繁殖為主,但該種子具有明顯的休眠習(xí)性,休眠雖有利于烏桕的系統(tǒng)發(fā)育[8-9],但卻給育苗生產(chǎn)帶來(lái)極大不便。李淑嫻等[10]認(rèn)為,內(nèi)源抑制物質(zhì)的存在是導(dǎo)致該種子休眠的重要原因,并且低溫層積和赤霉素(GA3)處理有利于打破種子的休眠。關(guān)于種子發(fā)芽的內(nèi)源抑制物已有較多研究[11-13],并且不同種子中不僅內(nèi)源抑制物質(zhì)的種類差異較大,而且存在部位也有差異[14-15]。有研究表明,烏桕種子種皮及胚乳中均含有抑制物質(zhì),但胚乳提取物的抑制活性顯著高于種皮[16-17]。盡管人們對(duì)內(nèi)源抑制物與烏桕種子休眠的關(guān)系開(kāi)展了一些研究,但對(duì)造成其休眠的抑制物質(zhì)的種類的研究較少。為此,本研究以烏桕種子為供試材料,用系統(tǒng)分離法對(duì)低溫層積不同階段種子胚乳的甲醇提取液進(jìn)行分離,并對(duì)各分離相進(jìn)行生物活性測(cè)定;采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用和高效液相色譜技術(shù)對(duì)胚乳各分離相組分進(jìn)行分析,篩選種子休眠的內(nèi)源抑制物,并對(duì)這些物質(zhì)的質(zhì)量濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),分析內(nèi)源抑制物質(zhì)對(duì)烏桕種子萌發(fā)的影響。旨在為更好地解除烏桕種子的休眠、促進(jìn)育苗生產(chǎn)提供參考。
2020年11月份,烏桕(Sapiumsebiferum)種子采集于江蘇省南京市情侶園。新采集的種子用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液浸泡20 min,去除表面白色的蠟質(zhì)層,種子自然晾干后置于冰箱中4 ℃保存?zhèn)溆?。市售白菜矮腳黃(Brassicarapa)種子,純度≥95.0%,發(fā)芽率≥85%。
將烏桕種子在清水中浸泡一定時(shí)間,待其充分吸脹后,將種子與濕潤(rùn)細(xì)沙(濕度以手握成團(tuán),松開(kāi)即散為宜)按體積比V(種子)∶V(濕潤(rùn)細(xì)沙)為1∶3混勻,置于0~5 ℃層積0(未層積)、40、80、120 d;定期翻動(dòng)種子,保持良好的通氣條件。隨機(jī)數(shù)取層積不同階段的烏桕種子50粒,以濕沙作為發(fā)芽基質(zhì),在培養(yǎng)箱中25 ℃光照培養(yǎng),進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn);以子葉展開(kāi)、胚根伸長(zhǎng)2 cm作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),每天統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽粒數(shù),當(dāng)連續(xù)3 d每天的發(fā)芽率不超過(guò)重復(fù)粒數(shù)的1%時(shí)即認(rèn)為發(fā)芽結(jié)束,計(jì)算發(fā)芽率(發(fā)芽種子粒數(shù)與供試種子總數(shù)比值的百分?jǐn)?shù));試驗(yàn)3個(gè)重復(fù)。發(fā)芽結(jié)束后,未萌發(fā)的種子按國(guó)際種子測(cè)試協(xié)會(huì)(ISTA)[18]的要求,采用四唑染色法測(cè)定其生活力。
內(nèi)源抑制物的提?。弘S機(jī)數(shù)取各層積時(shí)間段的種子100粒,剝除種皮,取出胚乳,稱取胚乳5 g。將胚乳粉碎后置于錐形瓶中,再加入50 mL的甲醇溶液(分析純),在0~4 ℃密閉浸提,每隔一定時(shí)間攪拌1次,使其充分浸提。24 h后,將浸提液置于離心機(jī)中,以5 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心3 min。取上清液,在60 ℃減壓濃縮蒸餾,將濃縮液定容至5 mL。再以同樣轉(zhuǎn)速離心3 min,取上清液過(guò)0.45 μm微孔濾膜,所得濾液即浸提液。以上操作重復(fù)3次。
抑制物的初步分離:采用系統(tǒng)溶劑法[11-14]對(duì)“內(nèi)源抑制物的提取”中的浸提液進(jìn)行初步分離,將浸提液分離為5個(gè)組分(石油醚相、乙醚相、乙酸乙酯相、甲醇相、水相)。將胚乳各有機(jī)相溶液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-3000)中濃縮蒸餾,最后將4個(gè)有機(jī)相溶液(石油醚相、乙醚相、乙酸乙酯相、甲醇相)分別用定容瓶定容至100 mL,置于冰箱中4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
胚乳各分離相的生物活性測(cè)定:將“抑制物的初步分離”中各分離相的提取液進(jìn)行生物活性測(cè)定——在各培養(yǎng)皿中分別加入5 mL提取液,待有機(jī)相中的溶劑完全揮發(fā)后,再向各培養(yǎng)皿中加入5 mL蒸餾水(水相除外),并以相同體積蒸餾水作為對(duì)照。隨機(jī)數(shù)取白菜種子100粒,3個(gè)重復(fù),均勻放在培養(yǎng)皿中,將培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中,25 ℃光照培養(yǎng),進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。當(dāng)子葉展開(kāi)、胚根伸長(zhǎng)1 cm時(shí),認(rèn)為種子萌發(fā)。每8 h統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)量,記錄發(fā)芽需要的時(shí)間,發(fā)芽時(shí)間以d為單位。發(fā)芽結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)芽率計(jì)算同上,參考Riis et al.[19]的方法計(jì)算發(fā)芽指數(shù)(Ig),Ig=∑(Ng/tg);tg為發(fā)芽時(shí)間;Ng為與tg相對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)正常發(fā)芽的種子數(shù)。
胚乳各分離相的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀鑒定:取“抑制物的初步分離”中層積0 d時(shí)各有機(jī)相的濃縮液150 mL,置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行減壓濃縮蒸餾,將濃縮得到的物質(zhì)用相應(yīng)的有機(jī)溶劑溶解定容至3 mL,得到4個(gè)有機(jī)相提取物的濃縮樣品。取濃縮樣品,在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所分析測(cè)試中心測(cè)試。采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)Agelient 6890N/5973N GC-MS)進(jìn)行內(nèi)源抑制物的分離鑒定,氣相色譜條件——1NNOWAX石英毛細(xì)管柱30 m×250 μm×0.25 μm;柱溫50~280 ℃;升溫程序,50 ℃保持2 min,之后5 ℃·min-1升溫至280 ℃,保持20 min;載氣為氦氣,氣化室溫度325 ℃。質(zhì)譜條件——離子源為電子轟擊電離源(EI);源溫200 ℃;電離電壓70 eV;收集電流300 μA;發(fā)射電流1 mA;儀器分離率為600。將各分離相萃取液進(jìn)行氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀分析后,得到各有機(jī)相的總離子流色譜圖,將總離子進(jìn)行積分,采用峰面積歸一化法,獲得各有機(jī)物占總質(zhì)量比例。
將“內(nèi)源抑制物的提取”中低溫層積不同階段的烏桕種子胚乳提取液樣品送至清華大學(xué)化學(xué)分析測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試。
采用高效液相色譜儀(美國(guó)Agelient HP1100)對(duì)層積不同階段種子胚乳中2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚的質(zhì)量濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。2,6-二叔丁基對(duì)甲酚色譜條件——色譜柱為Discovery C18柱(4.6 mm×250.0 mm×5 μm),柱溫35 ℃;流動(dòng)相為甲醇-水(梯度洗脫),洗脫時(shí)間0~7 min時(shí)甲醇體積分?jǐn)?shù)為65%、7~13 min時(shí)甲醇體積分?jǐn)?shù)為65%~100%、13~25 min時(shí)甲醇體積分?jǐn)?shù)為65%,流速為1.0 mL·min-1;檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm,進(jìn)樣量為10 μL。鄰苯二酚色譜條件——色譜柱為Discovery C18柱(4.6 mm×250.0 mm×5 μm),柱溫35 ℃;流動(dòng)相為甲醇-水(40%甲醇+60%水),等度洗脫,流速為1.0 mL·min-1;檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm,進(jìn)樣量為10 μL。
采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)Agelient 6890N/5973N)對(duì)層積不同階段種子胚乳中棕櫚酸、亞油酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。兩種脂肪酸的氣相色譜條件——TR-WAXMS(Thermo Scientific,30 m×250 μm×0.25 μm)石英毛細(xì)管柱;進(jìn)樣口250 ℃,載體為高純氮?dú)猓髁繛? mL·min-1,分流比10。升溫程序——80 ℃保持2.5 min,以15 ℃·min-1升溫至210 ℃,然后以2 ℃·min-1升至230 ℃,保持10 min。質(zhì)譜條件——離子源為電子轟擊電離源(EI);源溫230 ℃;電離電壓70 eV;收集電流300 μA;發(fā)射電流1 mA;儀器分離率600;掃描范圍的質(zhì)荷比(m/z)為45~500。
由表1可見(jiàn):層積0 d烏桕種子的發(fā)芽率為0,但采用四唑染色法發(fā)現(xiàn),這些未萌發(fā)種子的生活力為85.0%;表明絕大部分未萌發(fā)種子仍有發(fā)芽能力,但因存在休眠而不能順利萌發(fā)。隨著層積時(shí)間的延長(zhǎng),烏桕種子的發(fā)芽率逐漸提高。層積至80 d時(shí),發(fā)芽率提高至45.0%,未萌發(fā)種子的生活力下降至38.2%,表明此時(shí)仍未能徹底解除烏桕種子的休眠。層積至120 d時(shí),發(fā)芽率達(dá)到89.3%,已顯著高于前面幾個(gè)處理,且此時(shí)未萌發(fā)種子生活力僅為2.7%,表明種子休眠已全部解除。
表1 層積不同時(shí)間烏桕種子的發(fā)芽率
由表2可見(jiàn):與對(duì)照相比,各層積階段胚乳的石油醚相、乙酸乙酯相、水相提取液,對(duì)白菜籽的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均無(wú)顯著影響,說(shuō)明這3個(gè)相的提取液對(duì)白菜籽發(fā)芽無(wú)抑制作用。而甲醇相、乙醚相的提取液對(duì)白菜籽發(fā)芽有一定的抑制作用:層積0 d時(shí),甲醇相提取液處理的白菜籽,其發(fā)芽率為16.0%、發(fā)芽指數(shù)為0.7,與對(duì)照相比分別下降了82.4%、95.5%;此時(shí)的乙醚相中,白菜籽的發(fā)芽率為50.7%、發(fā)芽指數(shù)為4.4,雖比照也有較大的下降,但與甲醇相相比,分別提高了216.9%、528.6%。層積120 d時(shí),甲醇相的發(fā)芽率為72.9%、發(fā)芽指數(shù)為3.1,比該相層積0 d時(shí)的結(jié)果分別上升了353.8%、342.8%,但仍比對(duì)照下降顯著,分別下降了44.1%、71.8%,說(shuō)明此時(shí)甲醇相的提取物對(duì)白菜籽發(fā)芽的抑制作用減弱,但仍有一定的影響。層積120 d時(shí),乙醚相中白菜籽的發(fā)芽率為89.9%,略低于對(duì)照,但二者差異不顯著,發(fā)芽指數(shù)為9.6,與對(duì)照相比差異顯著,說(shuō)明此時(shí)乙醚相的提取物雖對(duì)白菜籽發(fā)芽率沒(méi)有影響,但卻使白菜籽的發(fā)芽速度有所下降。
表2 不同層積時(shí)間烏桕種子胚乳各分離相提取液處理的白菜籽發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)
試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,隨著層積時(shí)間的延長(zhǎng),甲醇相和乙醚相的提取液對(duì)白菜籽發(fā)芽的抑制作用在逐漸減弱。在同一層積階段,甲醇相對(duì)白菜籽發(fā)芽的抑制作用較強(qiáng),乙醚相次之,因此抑制烏桕種子萌發(fā)的物質(zhì)主要存在于甲醇相和乙醚相中。
未層積的烏桕種子胚乳各分離相提取液,經(jīng)氣相質(zhì)譜鑒定得到總離子流色譜圖(見(jiàn)圖1)。石油醚相共分離出63個(gè)峰,乙醚相共分離出14個(gè)峰,乙酸乙酯相共分離出30個(gè)峰,甲醇相共分離出52個(gè)峰;通過(guò)質(zhì)譜系統(tǒng)檢索并與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對(duì),將得到的吻合性較好(相似度高于80)的物質(zhì)列于表3。
a為石油醚相;b為乙醚相;c為乙酸乙酯相;d為甲醇相。
表3 各分離相化合物的種類及占總質(zhì)量比例
從甲醇相鑒定出的有機(jī)化合物共19種,主要為亞油酸、棕櫚酸、鄰苯二酚,其占總質(zhì)量比例分別為9.48%、4.18%、2.80%。乙醚相中鑒定出的物質(zhì)共有9種,主要為2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、棕櫚酸,其占總質(zhì)量比例分別為65.37%、4.18%。有許多研究表明,酚類化合物是種子中抑制作用較強(qiáng)的物質(zhì)[16,20-21],這也是本研究生物測(cè)定中甲醇相、乙醚相的抑制作用較強(qiáng)的原因。石油醚相鑒定出的有機(jī)化合物有29種,主要為烷類、酯類物質(zhì);乙酸乙酯相鑒定出的有機(jī)化合物有12種,主要為酰胺類物質(zhì)。有研究表明,酰胺類等物質(zhì)具有一定的發(fā)芽抑制作用[22],但在烏桕胚乳中,它們的占總質(zhì)量比例較低,這是生物測(cè)定中石油醚相、乙酸乙酯相抑制作用較弱的原因。
已有研究表明,胚乳中2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚、亞油酸、棕櫚酸4種物質(zhì)的發(fā)芽抑制物質(zhì)的有效抑制中質(zhì)量濃度(即半抑制質(zhì)量濃度)分別為54.8[23]、45.7[12]、915.8[24]、602.6 mg/L[25]。由表4可見(jiàn):2,6-二叔丁基對(duì)甲酚在層積120 d時(shí)的質(zhì)量濃度比層積0 d時(shí)下降了68.5%;雖然質(zhì)量濃度下降明顯,但層積0 d時(shí)的質(zhì)量濃度已經(jīng)明顯低于其半抑制質(zhì)量濃度。鄰苯二酚在層積120 d時(shí)的質(zhì)量濃度比層積0 d時(shí)下降了82.6%,且層積0 d時(shí)的質(zhì)量濃度是其半抑制質(zhì)量濃度的1.3倍,層積120 d時(shí)的質(zhì)量濃度比半抑制質(zhì)量濃度低77.9%。亞油酸在層積120 d時(shí)的質(zhì)量濃度比層積0 d時(shí)下降54.4%,但質(zhì)量濃度始終高于半抑制質(zhì)量濃度。棕櫚酸在層積120 d時(shí)的質(zhì)量濃度比層積0d時(shí)下降了62.0%,層積0 d時(shí)的質(zhì)量濃度是其半抑制質(zhì)量濃度的1.8倍,層積120 d時(shí)的質(zhì)量濃度比半抑制質(zhì)量濃度低32.3%。
表4 休眠解除不同階段的烏桕種子中抑制物質(zhì)的質(zhì)量濃度
由表5可見(jiàn):層積時(shí)間,與發(fā)芽率之間呈顯著正相關(guān),與未萌發(fā)種子生活力之間呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明層積能解除種子休眠。層積時(shí)間和發(fā)芽率,與棕櫚酸、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚之間均呈顯著負(fù)相關(guān),與亞油酸之間無(wú)顯著相關(guān)性;未萌發(fā)種子生活力,與棕櫚酸、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚之間呈顯著正相關(guān),與亞油酸之間相關(guān)不顯著。
表5 休眠解除過(guò)程中烏桕種子各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)
許多種子休眠與內(nèi)源抑制物質(zhì)的存在有關(guān)[25-26]。以往對(duì)種子內(nèi)源抑制物的研究主要用系統(tǒng)溶劑法和生物測(cè)定法,鄒雨婷等[27]通過(guò)這兩種方法研究表明,綠山楂(CrataegusviridisL.)種子中抑制作用最強(qiáng)的是乙醚相,其次是甲醇相;李慶梅等[28]研究認(rèn)為,櫟屬(Quercusspp.)種子中對(duì)白菜籽發(fā)芽和生長(zhǎng)影響較大的是甲醇相、乙酸乙酯相。本研究結(jié)果表明,通過(guò)低溫層積解除種子休眠,在層積120 d時(shí),種子休眠解除;然后采用上述兩種方法提取并分離抑制物,并根據(jù)低溫層積不同階段5個(gè)分離相的生物活性測(cè)定結(jié)果,表明對(duì)白菜籽發(fā)芽抑制作用最強(qiáng)的是甲醇相,其次是乙醚相,且隨著層積時(shí)間的延長(zhǎng)抑制效果逐漸減弱,在試驗(yàn)范圍內(nèi)發(fā)芽抑制物質(zhì)主要存在于甲醇相、乙醚相中。
內(nèi)源抑制物的種類較多,主要包括有機(jī)酸類、酚類、酯類、醛類等[29-30]。已有研究表明種子的休眠性和抑制物含量的變化有關(guān),楊曉玲等[21]研究認(rèn)為,山楂(C.pinnatifidaBge.)種子休眠的解除與酚類物質(zhì)含量的下降有關(guān);郝西等[31]研究認(rèn)為,花生(Arachishypogaea)種子休眠性強(qiáng)弱,與油酸含量表現(xiàn)為顯著的正相關(guān),與亞油酸含量表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)。為探索對(duì)烏桕種子萌發(fā)有影響的物質(zhì)種類,本研究采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)技術(shù)分析未層積種子各分離相的組分和占總質(zhì)量比例,同時(shí)借鑒已有的研究成果,從抑制作用較強(qiáng)的甲醇相、乙醚相中,篩選出占總質(zhì)量比例較高的2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚、亞油酸、棕櫚酸4種對(duì)烏桕種子萌發(fā)有影響的物質(zhì),并用高效液相色譜、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)休眠解除過(guò)程中上述4種物質(zhì)的質(zhì)量濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);本研究結(jié)果表明,層積120 d時(shí)2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚、亞油酸、棕櫚酸的質(zhì)量濃度比層積0 d時(shí)的質(zhì)量濃度下降幅度較大,分別下降68.5%、82.6%、54.4%、62.0%。雖然亞油酸的質(zhì)量濃度下降幅度也比較大,但變化規(guī)律為“下降-上升-下降”,并且與層積時(shí)間、發(fā)芽率之間無(wú)顯著相關(guān)性,因此亞油酸對(duì)烏桕種子萌發(fā)的影響相對(duì)較小。棕櫚酸、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、鄰苯二酚,與層積時(shí)間、發(fā)芽率之間呈顯著負(fù)相關(guān);其中鄰苯二酚、棕櫚酸的質(zhì)量濃度,在未層積時(shí)分別比各自的半抑制質(zhì)量濃度高27.0%、78.3%,在層積120 d時(shí)比各自的半抑制質(zhì)量濃度又分別低77.9%、32.3%,可見(jiàn)鄰苯二酚、棕櫚酸的存在是導(dǎo)致烏桕種子休眠的主要原因。2,6-二叔丁基對(duì)甲酚的質(zhì)量濃度在未層積前(36.3 mg/L)已經(jīng)比其半抑制質(zhì)量濃度(CI,50,54.8 mg/L)低33.7%,在層積120 d時(shí)比其半抑制質(zhì)量濃度低79.1%。由于未層積前2,6-二叔丁基對(duì)甲酚的質(zhì)量濃度比較低,其對(duì)烏桕種子萌發(fā)的抑制作用不是特別強(qiáng),這也是乙醚相對(duì)白菜籽發(fā)芽的抑制率不高的主要原因。
本研究主要篩選了對(duì)烏桕種子的萌發(fā)有影響的內(nèi)源抑制物類別,而內(nèi)源激素對(duì)種子的休眠與萌發(fā)也發(fā)揮著重要作用[32-33],但氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)不能鑒定激素類物質(zhì),因此今后有必要深入開(kāi)展內(nèi)源激素物質(zhì)對(duì)烏桕種子萌發(fā)影響的研究。