IAA 對黃精種子萌發(fā)及生理特性的影響

岳賀偉，李連珍，王雨情，王溶溶，劉 旸，魏俊杰，萇建峰

（河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，河南 鄭州 450046）

黃精為百合科植物滇黃精（Polygonatum kingianumColl.et Hemsl.）、黃 精（Polygonatum sibiricumRed.）或多花黃精（Polygonatum cyrtonemaHua）的干燥根莖，具有滋腎潤肺、補脾益氣的功效[1]，為藥食同源的中藥材品種[2]，被廣泛應(yīng)用于藥品、食品和保健品等。黃精藥材供應(yīng)以往主要依賴野生資源，近年來隨著市場需求日益增大，野生資源呈現(xiàn)逐漸減少趨勢[3]，人工栽培成為解決黃精資源短缺的重要途徑。目前，黃精的人工繁殖方式主要是采用塊莖繁殖和種子繁殖，塊莖繁殖在生產(chǎn)過程中存在品種易退化、成本高且繁殖系數(shù)低等問題[4]，生產(chǎn)上更趨向于種子繁殖，但黃精種子存在嚴重休眠和自然萌發(fā)率低等現(xiàn)象[5-6]，給種子育苗造成了極大障礙。因此，打破黃精種子休眠、縮短種子萌發(fā)時間、提高種子發(fā)芽率是攻克黃精種子育苗技術(shù)障礙的重要環(huán)節(jié)。

打破種子休眠常用的方法有種皮去除、層積處理、外源激素及化學試劑處理等，其中，外源激素打破種子休眠具有高效、便捷等優(yōu)點。生長素是第一個被發(fā)現(xiàn)的植物激素，是植物體內(nèi)一種重要的信號分子，幾乎調(diào)控植物生長發(fā)育的所有方面，包括形態(tài)建成和對環(huán)境變化的響應(yīng)等[7]。生長素中最重要的化學物質(zhì)為吲哚乙酸（IAA）。前人研究表明，IAA作為一種植物生長調(diào)節(jié)劑，低濃度能有效破除植物種子休眠[8-9]，高濃度則抑制種子萌發(fā)[10]，適宜濃度的外源IAA 處理還能夠有效促進種子的萌發(fā)及幼苗生長[11]。關(guān)于不同濃度IAA 對黃精種子萌發(fā)及其生理特性影響的研究鮮有報道。鑒于此，擬通過設(shè)置不同質(zhì)量濃度的IAA 處理，觀察其對黃精種子萌發(fā)和生理特性的影響，探討打破黃精種子休眠及促進其生長發(fā)育的適宜IAA 質(zhì)量濃度，為黃精優(yōu)質(zhì)種苗繁育提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

黃精種子于2021 年10 月購自河南省三門峽市盧氏縣宏運農(nóng)貿(mào)中藥材合作社。挑選籽粒飽滿、無霉變、無病蟲害、表面無疤痕、顏色及大小一致的種子用作試驗材料。IAA 純度≥98%，購自北京索萊寶科技有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

黃精種子用清水清洗后，用3% H2O2消毒15 min，蒸餾水沖洗3 次。將消毒后的黃精種子分為4 組，根據(jù)浸泡液IAA 質(zhì)量濃度的不同分別標記為T1（50 mg/L）、T2（100 mg/L）、T3（200 mg/L），蒸餾水浸泡的標記為CK。4 組黃精種子浸泡24 h 后，用清水沖洗3 次，吸干表面水分，播種于穴盤（37 cm×27 cm）營養(yǎng)土中。每組2 個穴盤，每穴盤320 粒種子，覆土1 cm 左右。每組為1 個處理，每個處理設(shè)置3 個重復。穴栽后立即進行光照培養(yǎng)，25 ℃恒溫，在光照/黑暗為12 h/12 h 條件下培養(yǎng)，及時補充水分，保持土壤濕潤。每個處理隨機標記1個穴盤，觀察記載發(fā)芽數(shù)，定期測定生理指標。

1.3 指標測定

種子萌發(fā)率測定：從穴栽第2周開始每隔3 d定期觀察萌發(fā)率，萌發(fā)和出苗期限設(shè)定60 d，將突破種皮的下胚軸長度超過種子自身長度的視為萌發(fā)，統(tǒng)計萌發(fā)率，直到不再有新的種子萌發(fā)即止。

種子萌發(fā)率=萌發(fā)粒數(shù)/種子總粒數(shù)×100%。

農(nóng)藝性狀指標測定：調(diào)查主根長、側(cè)根數(shù)、種球直徑。取樣日期為種子處理后60 d。

干質(zhì)量測定：在種子處理后60 d，每個處理隨機取10 顆長勢一致的發(fā)芽的種子，稱鮮質(zhì)量后，80 ℃烘至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量并記錄，設(shè)置3次重復。

營養(yǎng)物質(zhì)含量測定：蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍法[12]；可溶性糖和淀粉含量測定采用苯酚法[13]；脂肪含量測定采用索氏提取法[14]；脂肪酶活性測定采用堿式滴定法。

抗氧化酶活性及丙二醛（MDA）含量測定：超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍四唑法；過氧化物酶（POD）活性測定采用比色法；MAD 含量測定采用硫代巴比妥酸法；過氧化氫酶（CAT）活性測定采用H2O2法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 和SPSS 25.0 等軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析；采用Pearson積矩相關(guān)系數(shù)法對黃精種子生理生化指標進行相關(guān)性分析；采用主成分分析法（Principal component analysis）篩選反映黃精種子萌發(fā)信息的主要生理生化指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 IAA對黃精種子萌發(fā)及生長的影響

由圖1 可知，處理后第15 天黃精種子開始萌發(fā)，處理后第18 天進入快速萌發(fā)期，處理后第27 天種子萌發(fā)率趨于穩(wěn)定。種子萌發(fā)率在處理15 d 以后，各處理均表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK，且T1、T2、T3 與CK 差異顯著（P＜0.05）。處理后第33 天，T1、T2、T3分別比CK提高52.82%、174.98%、68.05%。

圖1 IAA對黃精種子萌發(fā)率的影響Fig.1 Effect of IAA on seed germination rate of Polygonatum sibiricum Red.

由表1 可知，經(jīng)IAA 溶液處理后，黃精種球直徑、主根長和干質(zhì)量均高于CK，且與CK 差異顯著。其中，T2 處理種球的側(cè)根數(shù)、主根長和干質(zhì)量均顯著高于其他處理。

表1 IAA對黃精種子生長量的影響Tab.1 Effect of IAA on seed growth of Polygonatum sibiricum Red.

2.2 IAA對黃精種子抗氧化酶活性及MDA含量的影響

由圖2 可知，在整個種子萌發(fā)過程中，IAA 處理的種子其POD、SOD 和CAT 活性均顯著（P＜0.05）高于CK。POD 活性呈先上升后下降的趨勢，在處理后第22天達到最高，此時T1、T2、T3分別比CK 提高16.36%、30.12%、14.07%。其中，T2 處理在整個種子萌發(fā)過程中均顯著（P＜0.05）高于其他處理。

圖2 黃精種子萌發(fā)過程中抗氧化酶活性及MDA含量變化Fig.2 Change of antioxidant enzyme activity and MDA content in Polygonatum sibiricum Red.seeds during germination

SOD 活性表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在處理后的前15 d 緩慢上升，之后迅速增加，在處理后第22 天達到最高，此時T1、T2、T3 分別比CK 提高16.36%、32.33%、9.79%。其中，T2 處理在整個種子萌發(fā)過程中均顯著（P＜0.05）高于其他處理。

CAT 活性整體表現(xiàn)為先上升后下降，再上升再下降的趨勢，在處理后第22 天達到最高，此時T1、T2、T3 分別比CK 提高22.62%、63.43%、32.33%。其中，T2 處理在整個種子萌發(fā)過程中均顯著（P＜0.05）高于其他處理。

MDA 含量在處理8 d 以后快速增加，在處理后第15 天達到最高，之后快速下降，處理29 d 以后趨于穩(wěn)定。整個種子萌發(fā)過程中各處理均表現(xiàn)為CK＞T1＞T3＞T2。其中，T2處理在整個種子萌發(fā)過程中均與其他處理差異顯著（P＜0.05）。

2.3 IAA對黃精種子營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響

由圖3 可知，黃精種子中淀粉含量在開始萌發(fā)后各處理均呈迅速下降趨勢，處理22 d 之后逐漸穩(wěn)定。淀粉含量在整個種子萌發(fā)過程中均表現(xiàn)為CK＞T1＞T3＞T2；處理后第15天至第36天，T1、T2、T3與CK比較均差異顯著（P＜0.05）。

圖3 黃精種子萌發(fā)過程中營養(yǎng)物質(zhì)含量變化Fig.3 Change of nutrient content in Polygonatum sibiricum Red.seeds during germination

不同處理種子可溶性糖含量均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，均在處理后第22 天達到最低，之后迅速上升。處理后第22天，不同處理種子可溶性糖含量表現(xiàn)為CK 最高、T2 最低，二者均與T1、T3 差異顯著（P＜0.05）。在處理后第29 天和第36 天，不同處理均表現(xiàn)為T2 最高、CK 最低，二者均與T1、T3 差異顯著（P＜0.05）。

不同處理種子蛋白質(zhì)含量均呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，在處理后第22天達到最低，之后迅速上升。在處理后第22天，不同處理種子蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為T1＞T3＞CK＞T2。處理后第29 天和第36 天，均表現(xiàn)為T2 最高，CK 最低，二者與其余2 個處理均差異顯著（P＜0.05）。不同處理種子游離氨基酸含量均呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，均在處理后第22 天達到最低，之后迅速上升。處理后第22天，不同處理游離氨基酸含量表現(xiàn)為T1＞T3＞CK＞T2，且差異顯著（P＜0.05）。在處理后第29天和36天，表現(xiàn)為T2最高，CK 最低，二者均與其余2個處理差異顯著（P＜0.05）。

2.4 IAA對黃精種子脂肪含量和脂肪酶活性的影響

由圖4 可知，黃精種子脂肪含量在整個種子萌發(fā)過程中呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，其中處理后第15天至22 天下降迅速。處理后第36 天不同處理種子脂肪含量表現(xiàn)為CK 最高，T2 最低，T1、T3 間差異不顯著（P＞0.05）；其余時期表現(xiàn)為CK＞T1＞T3＞T2，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。

脂肪酶活性在整個種子萌發(fā)過程中呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，處理后第15天至第22天，T1、T2、T3處理迅速上升，CK 處理則逐漸趨于平緩。處理后第36天，T1、T2、T3 脂肪酶活性分別比CK 提高149.15%、175.42%、137.20%。處理后整個種子萌發(fā)過程中，脂肪酶活性均表現(xiàn)為T2最高，CK 最低，且二者均與T1、T3差異顯著（P＜0.05）。

2.5 黃精種子萌發(fā)期生理生化指標相關(guān)性分析

由表2 可知，淀粉含量與脂肪酶活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系；游離氨基酸含量與可溶性糖、蛋白質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與POD 活性呈極顯著負相關(guān)，與SOD 活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系；可溶性糖含量與蛋白質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與POD 活性呈負相關(guān)關(guān)系，與SOD 活性呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；蛋白質(zhì)含量與SOD 活性呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與POD 活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系；脂肪酶活性與CAT 活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與脂肪含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；脂肪含量與CAT 活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系。其余各指標間相關(guān)性不顯著。

2.6 黃精種子萌發(fā)生理生化指標主成分分析

由表3 可知，5 個主成分特征值中前2 個主成分的特征值均大于1，累積貢獻率達87.459%，可以用其進行黃精種子生理指標的主成分分析。

表3 成分特征值分布與累積貢獻率分析Tab.3 Distribution and cumulative contribution rateanalysis of characteristic values of components

由表4 可知，主成分1 的特征向量中，因子得分系數(shù)絕對值較高的是淀粉含量、可溶性糖含量、游離氨基酸含量、蛋白質(zhì)含量、POD 活性、SOD 活性、CAT 活性和脂肪酶活性。主成分2 的特征向量中，因子得分系數(shù)絕對值較高的是淀粉含量、游離氨基酸含量、蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、CAT 活性、MDA 含量和脂肪酶活性。由表3 可知，第一主成分反映原始數(shù)據(jù)信息量的64.380%，第二主成分為23.079%，綜合考量，篩選淀粉含量、可溶性糖含量、游離氨基酸含量、蛋白質(zhì)含量、POD 活性、SOD 活性、CAT 活性和脂肪酶活性作為反映黃精種子萌發(fā)與生長的主要指標。

表4 主成分得分系數(shù)分析Tab.4 Analysis of score coefficient of main components

3 結(jié)論與討論

3.1 IAA對黃精種子萌發(fā)及種球生長的影響

IAA 大多在植物頂端組織、新生葉片和萌發(fā)中的種子中合成，與脫落酸（ABA）協(xié)同調(diào)控和維持種子的休眠[16]，ABA、赤霉素（GA）和IAA 之間的激素平衡可能是種子萌發(fā)差異的物質(zhì)基礎(chǔ)[17]。有研究表明，IAA、ABA 和活性氧之間的串擾在調(diào)節(jié)種子萌發(fā)、根系生長等方面起著關(guān)鍵作用[18]，低濃度的IAA可促進植物的生長發(fā)育，濃度過高則會抑制植物的生長。IAA主要受其本身生物合成與分解代謝以及相關(guān)信號轉(zhuǎn)導途徑的調(diào)控，從而在種子休眠和萌發(fā)中發(fā)揮作用[7]。前人研究表明，適當濃度的IAA 能夠促進燕麥[19]和文冠果[20]等植物種子的萌發(fā)。本研究結(jié)果表明，不同質(zhì)量濃度的IAA 處理可以提高黃精種子萌發(fā)率，加快種球生長，促進根系發(fā)育。其中100 mg/L 的IAA 處理種子萌發(fā)率最高，主根長、側(cè)根數(shù)和干質(zhì)量等指標均優(yōu)于其他處理。

3.2 IAA對黃精種子酶活性的影響

SOD、POD 和CAT 同為種子內(nèi)重要的抗氧化酶，共同構(gòu)成清除活性氧系統(tǒng)[21]，能夠阻止O-2、H2O2在細胞內(nèi)積累。植物種子在萌發(fā)過程中會提高活性氧系統(tǒng)以改善種皮、珠孔的通透[22]，而此時抗氧化酶活性也會相應(yīng)提高，以保證種子正常萌發(fā)。前人研究表明，梔子種子[23]、火棘種子[24]等萌發(fā)過程中，抗氧化酶活性均有不同程度的提高，從而清除積累的活性氧。本研究結(jié)果表明，經(jīng)不同質(zhì)量濃度IAA處理后，SOD 與POD 的酶活性存在相似的變化趨勢，在黃精種子萌發(fā)前期逐漸上升，第22 天達到最高，之后迅速下降，說明SOD 與POD 在萌發(fā)前期作用最強。CAT 在黃精種子萌發(fā)過程中呈現(xiàn)上升后下降，再上升再下降的趨勢，在第22天達到最高，說明CAT 在種子萌發(fā)前期以及胚根突破種皮階段發(fā)揮重要作用。其中，100 mg/L IAA 處理的黃精種子，SOD、POD 和CAT 活性在整個種子萌發(fā)過程中均顯著高于其他處理。

MDA 可以作為反映膜脂過氧化程度的指標。植物在受到逆境脅迫時，會導致體內(nèi)的活性氧自由基不斷增加，從而引起MDA 含量增加[25]。本研究結(jié)果表明，MDA 含量在萌發(fā)前期趨于穩(wěn)定，在IAA 處理后第15 天達到最高，之后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，這與劉文東等[26]關(guān)于白術(shù)種子變化規(guī)律的研究結(jié)果基本一致。IAA 處理后的黃精種子在整個萌發(fā)階段，MDA 含量均低于對照，其中100 mg/L IAA 處理最低，且與其他處理差異顯著。

3.3 IAA對黃精種子營養(yǎng)物質(zhì)的影響

淀粉是種子萌發(fā)過程中能量代謝和物質(zhì)代謝的基礎(chǔ)。種子萌發(fā)和幼苗生長主要依賴于內(nèi)源淀粉和可溶性糖降解[27]。氨基酸是結(jié)構(gòu)蛋白、貯藏蛋白和酶類等的重要合成前體物質(zhì)及降解組分，游離氨基酸含量變化是種子蛋白質(zhì)代謝水平的重要指標。種子細胞調(diào)控酶通過蛋白質(zhì)代謝途徑調(diào)節(jié)相關(guān)酶的合成和降解[28]，進而調(diào)控種子代謝進程。粗脂肪在種子的萌發(fā)前期，能夠為種子提供一定的能量供應(yīng)，又可以將脂肪酸轉(zhuǎn)化為糖，以滿足萌發(fā)后期生物膜的構(gòu)建、信號轉(zhuǎn)導體系及激素甾醇類物質(zhì)的合成等[29]。種子萌發(fā)時，種子內(nèi)脂肪酶活性增加，將脂肪分解為甘油和脂肪酸供組織細胞利用。前人研究表明，種子萌發(fā)前期營養(yǎng)物質(zhì)快速消耗，為種子萌發(fā)提供必要的能量與物質(zhì)基礎(chǔ)[30-32]。本研究表明，黃精種子萌發(fā)過程中，淀粉、可溶性糖、蛋白質(zhì)、游離氨基酸和脂肪含量在萌發(fā)前期均呈現(xiàn)下降趨勢，第22 天以后，淀粉含量趨于平穩(wěn)，可溶性糖、蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量逐漸上升，脂肪含量又有所下降?？梢?，黃精種子在萌發(fā)前期，體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)分解代謝較快，能夠為萌發(fā)及形成新的細胞形態(tài)提供能量。在IAA 處理后第22 天，100 mg/L IAA 處理的黃精種子中淀粉、可溶性糖、蛋白質(zhì)、游離氨基酸和脂肪含量均顯著低于其他處理。

3.4 IAA對黃精種子生理生化指標影響的評價分析

種子在萌發(fā)和生長過程中會受到多個因子影響，而各因子之間彼此關(guān)聯(lián)，互相作用。本研究結(jié)果表明，黃精種子的萌發(fā)、生長與生理生化指標之間存在一定關(guān)聯(lián)。通過成分特征值分布和主成分分析可知，本研究10個指標中，淀粉含量、可溶性糖含量、游離氨基酸含量、蛋白質(zhì)含量、POD活性、SOD活性、CAT活性和脂肪酶活性等8個指標，可以作為反映黃精種子生長的主要指標。

綜上所述，不同質(zhì)量濃度的IAA 處理可以加速黃精種子體內(nèi)脂肪、蛋白質(zhì)和淀粉代謝，增加可溶性糖含量，提高POD、SOD和CAT酶活性，降低MDA含量，促進黃精種子萌發(fā)和種球生長，其中以100 mg/L IAA處理最優(yōu)。