不同活力的小麦种子生理生化及其修复的研究

0 引言

小麦(Triticum aestivum)作为我国北方地区的主要粮食作物,种质资源的安全保存和适时更新显得尤为重要.在种子老化的研究方面,一直受到人们的关注[1].张加强等[2]对人工老化的玉米种子活力与一些生理指标变化进行了研究,钟希琼等[3]研究了水稻老化种子活力与生理性状的关系,但用人工加速老化法对小麦种子活力的研究相对较少[4].本研究以三种不同活力的小麦种子为试验材料,分析测定了与种子活力有关的一些生理生化指标,同时还对老化的种子进行了修复处理,旨在找出小麦种子发生劣变时某些生理生化的变化规律,以便了解种子老化的机理.这对种子的合理贮藏和陈种子的利用有一定的意义,也可为种子延缓贮藏中的劣变过程提供理论依据.

1 材料和方法

1.1 实验材料

小麦品种为晋麦80.选取未处理的种子和用(58±1)℃下热水老化4 min和9 min的种子进行萌发,其萌发率依次为91%、56%和28.3%,分别代表高、中、低三种活力的种子.

1.2 测定方法

种子浸泡5 h后用电导仪测浸出液的电导率、用蒽酮比色法测定可溶性糖含量.

呼吸速率用小篮子法(广口瓶法)测定[5],每种活力种子150粒,重复3次.

将种子在光照培养箱内(25℃)萌发,生长到1 cm左右时作为试材.MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法;AMY活性测定采用比色法;POD活性测定采用愈创木酚显色法;CAT和APX活性测定采用紫外吸收法[6].

1.3 种子修复处理

将上述3种活力的种子室温下用蒸馏水(对照)、500 mg/L ASA溶液和100 mg/L青霉素溶液浸泡24 h,随后萌发并进行MDA含量和呼吸速率、AMY及POD活性的测定.

2 结果与分析

2.1 不同活力种子膜的透性及其呼吸速率和MDA的变化

种子在老化过程中由于细胞膜的受损,膜的通透性增大而致使内部物质渗出.从图1可以看出,种子浸出液的电导率随着活力的降低而升高,但变化不显著(不同字母表示在P<0.05水平上差异显著,下同).

随着种子活力的下降,呼吸速率也明显下降(图2),膜脂过氧化产物MDA含量在中、低活力的种子中分别增加了7.5%和64.7%(图3),这种变化反映出小麦种子随着老化的加深细胞膜发生了深刻的变化,细胞呼吸代谢变弱.

图1 不同活力的小麦种子电导率变化Fig.1 Variation of the electro-conductivity rate in wheat seeds with different vigor levels

图2 不同活力的小麦种子呼吸速率变化Fig.2 Variation of the respiration rate in wheat seeds with different vigor levels

图3 不同活力的小麦种子MDA含量变化Fig.3 Variation of the content of MDA in wheat seeds with different vigor levels

2.2 不同活力种子的酶活性变化

种子活力下降的原因之一是各种酶活性发生了变化.从图4-图7可以看出,随着活力的下降,4种酶活性都在下降.在3种活力的种子中,POD和AMY活性变化趋势相同,表现为高、中活力的种子两种酶活性变化差异不显著,而低活力种子与高、中活力的种子差异显著.APX和CA T酶活力的下降趋势相同,在高、中活力间CAT和APX活性就有明显的降低,即前者从0.706μmolH2O2/min·gFw下降到0.459 μmolH2O2/min·gFw,后者从7.82μmolASA/min·gFw下降到4.03μmolASA/min·gFw,而中、低种子这两种酶的活性下降不大.小麦种子POD和AMY的活力比CAT和APX大,对种子活性起着主要的作用,因而高中活力间降幅不明显,并在种子活力下降初期仍能发挥一定的作用.CAT和APX对种子活力下降较为敏感,在高中活力间就发生了明显的降低,它们与特定的代谢相关联,也对种子活力产生一定的影响,但由于这两个酶的活性在种子中比较低,对小麦种子萌发初期的作用可能不及POD和AMY.

图4 不同活力的小麦种子POD活性变化Fig.4 Variation of the activity of POD in wheat seeds with different vigor levels

图5 不同活力的小麦种子AMY活性变化Fig.5 Variation of the activity of AMY in wheat seeds with different vigor levels

图6 不同活力的小麦种子CAT活性变化Fig.6 Variation of the activity of CAT in wheat seeds with different vigor levels

图7 不同活力的小麦种子APX活性变化Fig.7 Variation of the activity of APXin wheat seeds with different vigor levels

图8 抗坏血酸处理对不同活力的小麦种子MDA含量的影响Fig.8 Effects of ascorbic acid treatment on the content of MDA in wheat seeds with different vigor levels

图9 抗坏血酸处理对不同活力的小麦种子呼吸速率的影响Fig.9 Effects of ascorbic acid treatment on the rate of respiration in wheat seeds with different vigor levels

图10 抗坏血酸处理对不同活力的小麦种子AMY活性的影响Fig.10 Effects of ascorbic acid treatment on the activity of AMY in wheat seeds with different vigor levels

图11 抗坏血酸处理对不同活力的小麦种子POD活性的影响Fig.11 Effects of ascorbic acid treatment on the activity of POD in wheat seeds with different vigor levels

图12 青霉素处理对不同活力的小麦种子MDA含量的影响Fig.12 Effects of penicillin treatment on the content of MDA in wheat seeds with different vigor levels

图13 青霉素处理对不同活力的小麦种子呼吸速率的影响Fig.13 Effects of penicillin treatment on the rate of respiration in wheat seeds with different vigor levels

图14 青霉素处理对不同活力的小麦种子AMY活性的影响Fig.14 Effects of penicillin treatment on the activity of AMYin wheat seeds with different vigor levels

图15 青霉素处理对不同活力的小麦种子POD活性的影响Fig.15 Effects of penicillin treatment on the activity of POD in wheat seeds with different vigor levels

2.3 ASA处理对种子活力的影响

从图8-图11可以看出,经ASA处理后的种子MDA都比未处理的对照低,而几种酶活性都有一定程度的提高,尤其是中活力的种子其效果最为明显,在测定的4个指标中有3个差异显著,ASA显著提高了中活力种子的POD活性和呼吸速率,与对照相比,分别提高了20.1%和16.7%,且MDA含量降低,可见ASA对中活力种子的修复作用明显.虽然ASA对低活力的种子也有一定的修复,但不显著.另外,ASA还能使高活力种子的活力有所提高.

2.4 青霉素处理对种子活力的影响

与ASA处理相比,青霉素处理对小麦种子的修复效果较差(图12-图15).在本试验中青霉素虽然可以提高低活力的小麦种子呼吸速率和中活力种子的POD活性,但并未达到显著水平(P>0.05).另外,青霉素处理与ASA处理同样能显著降低高活力种子的MDA含量,但又显著降低了高活力种子POD活性.因此,青霉素处理对小麦种子活力产生的不同影响仍需作进一步探索.

3 讨论

种子老化过程中,其内部会发生一系列的生理变化,包括膜的自动氧化和膜完整性的破坏,染色体和核酸的损伤、种子组成成分和酶活性的变化、有毒物质的积累、合成及修复能力的降低等[7].

本试验通过测定不同活力种子浸出液的电导率和MDA后,发现随着种子活力的降低这些数值均升高,其中MDA变化显著.有报道[8]指出膜的完整性受到破坏的主要原因可能是膜脂过氧化.MDA产生于膜脂过氧化过程中,是一种反应性很强的交联剂,它可以与种子的蛋白质、酶、核酸等多种细胞成分发生反应,导致它们的功能降低甚至丧失[9,10].因此,MDA可以作为一个较敏感指标来反映种子劣变程度.小麦种子随着活力的降低淀粉酶活性发生了明显的变化.淀粉酶是淀粉类种子中分解储藏淀粉的主要酶,可以使种子内的淀粉降解为小分子的糖类物质,这些物质是种子呼吸作用最主要的基质.因此,淀粉酶活性的强弱是禾谷类作物种子萌发速率的主要决定因素[11].在我们的试验中也看到小麦种子的淀粉酶活性和呼吸速率与其活力的高低具有明显的一致性.种子活力在下降过程中会逐渐积累起来的有毒物质,有些可通过过氧化物酶等加以消除,从而防止细胞受到毒害.而种子活力的下降常伴随着这些酶活性的变化,在小麦种子活力下降的过程中CAT、APX和POD的活性都随之下降,CAT和APX下降速度较快,而POD较慢,说明POD在种子活力下降初期仍能发挥一定的保护作用.

ASA作为一种小分子量的抗氧化物质,在细胞中对清除O-2、H2O2和·OH等活性氧,防止细胞衰老具有重要作用.本试验选用ASA对不同活力的小麦进行修复处理,结果表明ASA对小麦种子活力有较好的修复效果,这与李珍珍等[12]用ASA提高高温高湿老化的小麦种子活力结果相一致.青霉素是一种高效低毒的广谱抗生素,可以促进小麦、玉米、棉花、黄瓜等种子的发芽和幼苗生长[13],而在本试验中青霉素对老化小麦种子的修复作用并不理想.

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Physiological Changes and Repairing of Wheat Seeds with Different Vigor Level

LIANG Hai-rong,XINGDong-ji,ZHOU Xiao-mei
(School of Lif e Science,Shanxi University,Taiyuan030006,China)

Wheat seeds with three vigor level were selected to investigate physiological changes and repairing.The results showed that the electro-conductivity of the seed soak solution,the soluble sugar and MDA contents increased,but the rate of respiration,the activities of POD,CAT,APXand AMYdecreased with seed vigor declining. Compared with the high vigor seeds,the activities of CAT and APXin the middle vigor seeds declined significantly, which was 35%and 48.5%,respectively.While the permeability and lipid peroxidation of membranes,the activities of POD and AMYin the low vigor seeds changed markedly.Moreover,the effects of ascorbic acid,penicillin treatments on different vigor seeds,it was found that ascorbic acid repairing effects on middle vigor seeds were significantly better than penicillin treatment.

Wheat seeds;seed vigor;physiological and biochemical changes;repairing

S351.1

0253-2395(2010)02-0286-05

2009-03-12;

2009-04-05

国家科技支撑计划项目(2006BAD13B10206)

梁海荣(1983-),女,山西朔州人,在读硕士研究生,研究领域为植物生理学.＊E-mail:zhouxm@sxu.edu.cn