水杨酸引发处理对低温吸胀期间玉米种子生理指标的影响

高巧红，丁希政，牛志浩，黄婷婷，曹高燚，向春阳，赵 飞，杜 锦

(天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384)

水杨酸引发处理对低温吸胀期间玉米种子生理指标的影响

高巧红，丁希政*，牛志浩，黄婷婷，曹高燚，向春阳，赵 飞，杜 锦**

(天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384)

为明确水杨酸(SA)引发处理下玉米种子在低温吸胀期间生理指标的变化规律，以玉米品种郑单958种子为试验材料，用0.1 mmol/L SA引发处理玉米种子36 h，在15 ℃低温下吸胀不同时间(0、12、24、36、48 h)，研究SA引发处理对玉米种子胚、胚乳及种皮在低温吸胀期间生理指标的影响。结果表明,SA引发处理显著提高玉米种子的发芽率；随着吸胀时间的延长，种子浸出液核苷酸含量呈先降低后升高的趋势，种胚可溶性糖含量呈先下降后上升的趋势，胚乳的POD活性呈逐渐上升趋势，种皮的CAT活性呈先上升后降低的趋势。与未引发种子相比，SA引发处理在大部分吸胀时间里，表现为可提高玉米种子胚乳和种皮的可溶性糖含量，增加胚、胚乳和种皮的可溶性蛋白含量，增强胚乳和种皮的CAT和POD活性，降低种子浸出液中核苷酸含量，从而增强玉米种子对低温胁迫的抵抗能力。

水杨酸； 玉米； 种子引发； 吸胀； 生理指标

我国各地温度差异很大。已有研究表明，随着温度降低，种子的发芽势、发芽率、发芽指数降低，不利于我国农业现代化生产，将对农业生产造成巨大损失。种子播种之后，低温会影响种子的发芽势和发芽率。种子引发是指控制种子缓慢吸水使其停留在吸胀的第二阶段，让种子进行预发芽的生理生化代谢和修复作用，促进细胞膜、细胞器、DNA的修复和酶的活化，使种子处于发芽的准备状态，但防止胚根的伸出[1-2]。经过引发的种子活力、抗性增强，耐低温，出苗快而齐并且成苗率高[3-5]。水杨酸(salicylic acid,SA)是植物体内普遍存在的小分子酚类化合物，其化学名称为邻羟基苯甲酸。研究表明，SA在植物抗旱、抗寒、耐高温、抗病等方面具有重要作用[6-8]。前人研究了SA处理对玉米幼苗应答低温胁迫的影响并取得了一定的进展。李可凡等[9]采用0.5 mmol/L外源SA对玉米幼苗进行叶面喷施，结果表明，在低温胁迫下，玉米幼苗叶片的电解质渗漏率和丙二醛含量降低，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、总蛋白质、叶绿素含量增加，气孔导度及胞间CO2浓度下降，净光合速率增加。杨德光等[10]研究发现，叶面喷施50 mg/L SA可以提高低温胁迫下玉米的株高、相对含水量和过氧化物酶(POD)活性。杜朝昆等[8]发现，SA预处理过的玉米幼苗过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性水平均高于未经 SA 处理。前人关于SA处理对玉米应答低温胁迫的影响研究主要集中在玉米幼苗期，而关于玉米种子吸胀期的研究尚少。鉴于此，以SA引发玉米种子，研究种子各部位(胚、胚乳、种皮)在低温吸胀期间生理指标的变化规律，为深入研究种子在低温胁迫下的抗寒机制奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

玉米品种郑单958，由天津中天大地有限责任公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 种子引发处理 在垫有2层滤纸的灭菌培养皿中，加入10 mL 0.1 mmol/L SA溶液，每个培养皿均匀摆放50粒种子(腹沟向下，种胚向上)，加盖后用封口膜密封，在15 ℃黑暗条件下引发36 h，引发结束后，用蒸馏水将种子快速冲洗3遍，滤纸吸干种子表面水分，种子放于室温下回干至原始含水量，以未引发处理的种子作对照，重复3次。

1.2.2 种子低温发芽试验 将引发和未引发的种子用0.1% HgCl2对种子消毒10 min，置于15 ℃恒温发芽箱中纸床上发芽。每天记录发芽数，第21天统计总的发芽数并计算发芽率。试验重复4次，每次重复100粒种子。

1.2.3 种子生理生化指标的测定 将引发和未引发种子摆放在垫有2层滤纸的灭菌培养皿中。在培养皿中加入11 mL蒸馏水，15 ℃低温吸胀0、12、24、36、48 h后，取出种子用滤纸将表面水分吸干，用刀片将种子的胚、胚乳、种皮切割分离，分别测定其POD、CAT活性，可溶性糖、可溶性蛋白含量，以及单粒种子浸出液的核苷酸含量，每个处理重复3次。采用愈创木酚法测定POD活性，蒽酮法测定可溶性糖含量，考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量，分光光度法测定CAT活性，参照Deswal等[11]的方法测定核苷酸含量。

1.3 统计分析

采用SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 SA引发处理对低温胁迫下种子发芽率的影响

试验结果发现，在低温胁迫下，SA引发处理玉米种子发芽率为93%，显著高于未引发处理(79%)。

2.2 SA引发处理对低温吸胀期间玉米种子可溶性糖含量的影响

由图1可知，随着吸胀时间的延长，SA引发和未引发处理的玉米种胚可溶性糖含量呈先降低后上升的趋势。吸胀12～48 h，引发和未引发处理的玉米种胚的可溶性糖含量均显著低于吸胀0 h的含量，未引发、引发处理的玉米种胚可溶性糖含量分别在吸胀24、36 h降到最低，分别为1.61%、1.73%。其中，引发处理玉米种胚在吸胀24 h的可溶性糖含量较未引发处理显著增加5.61个百分点。

引发处理玉米种子胚乳可溶性糖含量随着吸胀时间的延长呈先上升后降低的趋势，吸胀24、36、48 h比吸胀0 h分别显著增加3.21、4.34、2.24个百分点；吸胀0～24 h，未引发处理玉米种子胚乳可溶性糖含量呈上升趋势，吸胀24～48 h呈先下降后上升趋势，吸胀12、24、36、48 h比吸胀0 h分别显著增加1.32、5.73、4.26、6.06个百分点。在整个吸胀期间，除24 h外，引发处理的玉米种子胚乳可溶性糖含量均显著高于未引发处理。

引发、未引发处理的玉米种子种皮可溶性糖含量随着吸胀时间的延长总体呈先下降后上升的趋势。在吸胀48 h，引发和未引发处理种皮的可溶性糖含量分别比吸胀0 h显著增加0.89、2.85个百分点，在吸胀12、24、36 h均显著低于吸胀0 h。在吸胀0、12、36 h，引发处理的玉米种子种皮可溶性糖含量均显著高于未引发处理。

不同小写字母表示同一处理不同吸胀时间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一吸胀时间不同处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.3 SA引发处理对低温吸胀期间玉米种子可溶性蛋白含量的影响

随着吸胀时间的延长，SA引发、未引发处理玉米种胚可溶性蛋白含量总体呈降低趋势，其中，吸胀12～48 h均显著低于吸胀0 h(图2)。引发处理玉米种胚可溶性蛋白含量在吸胀24 h降到最低，为5.96 mg/g；未引发处理玉米种胚可溶性蛋白含量在吸胀48 h降到最低，为4.85 mg/g。引发处理玉米种胚可溶性蛋白含量在吸胀0、48 h较未引发处理分别显著提高32.2%、401.3%；吸胀36 h，引发处理玉米种胚可溶性蛋白含量高于未引发处理，但差异不显著；吸胀12、24 h，引发处理玉米种胚可溶性蛋白含量显著低于未引发处理，分别降低9.3%、47.1%。

引发、未引发处理的玉米种子胚乳可溶性蛋白含量随着吸胀时间的延长总体呈先升高后降低再升高最后降低的趋势。吸胀12～48 h，引发、未引发处理玉米种子胚乳可溶性蛋白含量均显著高于吸胀0 h，引发、未引发处理的可溶性蛋白含量均在吸胀12 h达到峰值，分别为125.4、117.9 mg/g。吸胀12～48 h，引发处理的玉米种子胚乳可溶性蛋白含量均高于未引发处理，但差异不显著。

图2 SA引发处理对低温吸胀期间玉米胚、胚乳和种皮可溶性蛋白含量的影响

随着吸胀时间的延长，引发和未引发处理的玉米种皮可溶性蛋白含量总体呈先上升后下降再上升的趋势。引发处理玉米种皮可溶性蛋白含量在吸胀12、48 h均显著高于吸胀0 h，未引发处理的玉米种皮可溶性蛋白含量在吸胀12 h比吸胀0 h显著增加4.17%。引发处理的玉米种皮可溶性蛋白含量在0、12 h高于未引发处理，但差异不显著；在吸胀24、36、48 h均显著高于未引发处理。

2.4 SA引发处理对低温吸胀期间玉米种子CAT活性的影响

由图3可以看出，随着吸胀时间的延长，SA引发处理玉米种胚CAT活性呈先降低后升高再降低的趋势，未引发处理玉米种胚CAT活性呈先降低后升高的趋势。其中，引发和未引发处理的玉米种胚CAT活性均在吸胀24 h降到最低值，分别为82.34、59.14 U/(g·min)，且在吸胀36、48 h CAT活性均显著高于吸胀0 h。引发处理玉米种胚CAT活性在吸胀24 h显著高于未引发处理，增幅达39.2%。

随着吸胀时间的延长，引发处理的玉米种子胚乳CAT活性呈先缓慢上升后降低的趋势，在吸胀36 h达到峰值[59.4 U/(g·min)]，而未引发处理的玉米种子胚乳CAT活性呈逐渐上升趋势。引发和未引发处理的玉米种子胚乳CAT活性在吸胀12 h与吸胀0 h差异不显著，在吸胀24、36、48 h均显著高于吸胀0 h。在吸胀0、12、24、36 h，引发处理玉米种子胚乳CAT活性均显著高于未引发处理。

图3 SA引发处理对低温吸胀期间玉米胚、胚乳和种皮CAT活性的影响

引发和未引发处理的玉米种皮CAT活性随着吸胀时间的延长总体呈先上升后降低的趋势，引发和未引发处理均在吸胀24 h出现峰值。引发处理玉米种皮在吸胀36、48 h CAT活性均显著低于吸胀0 h，在吸胀12、24 h与对照差异不显著；未引发处理种皮CAT活性在吸胀24、36、48 h均显著高于吸胀0 h。引发处理玉米种皮CAT活性在吸胀0、12、24、48 h显著高于未引发处理。

2.5 SA引发处理对低温吸胀期间玉米种子POD活性的影响

由图4可知，SA引发和未引发处理的玉米种胚POD活性随着吸胀时间的延长总体呈先降低后上升再降低的趋势，引发、未引发处理POD活性在吸胀24 h降到最低，分别为62.5、48.8 U/(g·min)。引发和未引发处理的玉米种胚在吸胀12、24、36、48 h POD活性均显著低于吸胀0 h。在吸胀0、12 h引发处理玉米种胚POD活性显著高于未引发处理，在吸胀24、36 h与未引发处理差异不显著。

引发和未引发处理的玉米种胚乳POD活性随着吸胀时间延长总体呈逐渐上升的趋势。引发和未引发处理的玉米种胚乳POD活性在吸胀12 h与吸胀0 h无显著差异，在吸胀24、36、48 h均显著高于吸胀0 h。在吸胀0、12、24、36 h引发处理的玉米种胚乳POD活性显著高于未引发处理，而吸胀48 h与未引发处理差异不显著。

随着吸胀时间的延长，引发处理玉米种皮POD活性呈先上升后降低再上升的趋势，未引发处理呈逐渐上升的趋势。引发和未引发处理的玉米种皮POD活性在吸胀24、36、48 h均显著高于吸胀0 h。在吸胀0、12、24、48 h引发处理玉米种皮POD活性均显著高于未引发处理。

2.6 SA引发处理对低温吸胀期间玉米种子浸出液中核苷酸含量的影响

由图5可知，随着吸胀时间的延长，SA引发和未引发处理玉米种子的核苷酸含量总体呈先下降后上升的趋势。引发处理的玉米种子在吸胀12、24、36 h均显著低于吸胀0 h，在吸胀48 h比吸胀0 h显著增加123.20%；而未引发处理的玉米种子在吸胀12 h与吸胀0 h差异不显著，在吸胀24 h较吸胀0 h显著降低42.13%，在吸胀36、48 h分别比吸胀0 h显著增加了52.73%、117.90%。引发处理玉米种子浸出液核苷酸含量在吸胀12、24、36 h均显著低于未引发处理，在0、48 h低于未引发处理，但差异不显著。

图4 SA引发处理对低温吸胀期间玉米胚、胚乳和种皮POD活性的影响

图5 SA引发处理对吸胀玉米种子浸出液中核苷酸含量的影响

3 结论与讨论

可溶性糖是一种渗透调节物，它主要来自淀粉等大分子碳水化合物的分解和光合作用中形成的蔗糖。已有研究表明，除少数作物外，可溶性糖含量与作物的抗寒性呈正相关[12]。本研究发现，经SA引发处理的玉米种子胚乳和种皮的可溶性糖含量高于未引发处理;未引发处理的玉米种胚吸胀24 h后可溶性糖含量升高，引发处理的玉米种胚吸胀36 h后可溶性糖含量也升高。这可能是由于低温条件下水解作用增强，淀粉、蛋白质等大分子化合物大量降解成可溶性糖等物质，细胞液浓度增加，以调节细胞渗透压，提高机体抗寒能力。在一定条件下，植物体内可溶性蛋白含量的提高是植物对逆境胁迫适应的一种表现，可作为植物相对抗性的一种衡量指标，已有研究表明，植物体内可溶性蛋白含量与抵抗冷害的能力呈正相关[13]。本试验结果表明，经SA引发处理后的玉米胚、胚乳、种皮的可溶性蛋白含量提高，有利于提高种子在萌发过程中对低温环境的抵抗能力。引发和未引发处理的玉种胚可溶性蛋白含量快速下降后基本保持不变，原因可能是由于玉米种胚在低温胁迫的初期，植物体尚未适应外界环境的变化，低温胁迫导致了蛋白质的降解，但随后可溶性蛋白含量基本保持不变，这可能是机体对低温胁迫适应的表现。

CAT是一种酶类清除剂，又称为触酶，是以铁卟啉为辅基的结合酶。它可促使H2O2分解为分子氧和水，清除体内的H2O2，从而使细胞免于遭受H2O2的毒害，是生物防御体系的关键酶之一。POD是由微生物或植物所产生的一类氧化还原酶，它可以催化H2O2氧化胺类和酚类化合物，具有消除H2O2和胺类、酚类毒性的双重作用，POD对细胞有保护作用。本试验结果表明，经SA引发处理后的玉米种胚、胚乳、种皮的CAT和POD活性总体上高于未引发处理的玉米种子，SA引发处理可以提高玉米种子各部位清除自由基的能力。植物处于低温胁迫环境下，由于活性氧代谢的加强，从而使H2O2含量增加，H2O2可以氧化细胞内核酸、蛋白质等生物大分子，并使细胞膜遭受损害，从而加速细胞的衰老和解体，CAT和POD可以清除H2O2[14]。本研究发现，引发和未引发处理的玉米胚乳CAT和POD活性逐渐升高，笔者认为原因可能是低温环境胁迫下种子活性氧代谢增强，体内积累了大量的H2O2和自由基，种子内部通过提高CAT和POD活性来清除体内的有害物质，提高种子的抗性。

低温胁迫下，植物遭受冷害的首要部位就是细胞膜系统[15]，低温吸胀期间植物的细胞膜有一定的伤害，细胞的通透性增大，电导率是检验植物细胞膜受伤害程度的一项重要指标。种子质膜若受破坏，会引起细胞内糖、氨基酸和核苷酸等物质外渗，种子渗出液中核苷酸含量与电导率呈显著正相关，渗出的核苷酸含量可以作为种子伤害指标[16]。本试验结果表明，引发处理玉米种子的核苷酸含量低于未引发处理玉米种子，说明引发处理后种子的生理生化特性得到修复，种子细胞膜得到修复，种子活力提高。吸胀前期引发和未引发处理的种子核苷酸含量降低，低温下种子浸泡液的电导率和核苷酸渗透量减少可能与低温下水的黏滞性降低有关[17]。低温下水的黏滞性降低，使种子吸水速率下降，减轻了吸水过快对细胞膜的损伤。吸胀后期引发处理和未引发处理的种子核苷酸含量升高，主要是由于种子细胞膜被破坏，种子吸水速率加快，核苷酸外渗，从而表现为核苷酸含量升高。

与未引发处理相比，SA引发处理的玉米种子在大部分吸胀时间里，总体表现为胚乳和种皮的可溶性糖含量提高，胚、胚乳和种皮的可溶性蛋白含量增加，胚乳和种皮的CAT、POD活性增强，种子浸出液中的核苷酸含量降低。总之，SA处理能提高玉米种子吸胀期间的耐冷性，提高低温胁迫下种子的发芽能力。

[1] McDonald M B.Seed deterioration:Physiology,repair and assessment[J].Seed Science and Technology,1999,27(1):177-237.

[2] Singh B,Usha K.Salicylic acid induced physiological and biochemical changes in wheat seedlings under water stress[J].Plant Growth Regulation,2003,39:137-141.

[3] 李淑梅,马俊,孙君艳,等.NaCl引发处理对高羊茅老化种子萌发及幼苗生长的影响[J].天津农业科学,2015,21(11):112-114.

[4] 梁文旭,靳志丽,陈和春,等.引发激活对烟草种子发芽特性和幼苗抗冷性的效应研究[J].河南农业科学,2012,41(8):62-65.

[5] Shao C X,Hu J,Song W J,etal.Effects of seed priming with chitosan solutions of different acidity on seed germination and physiological characteristics of maize seedling[J].Journal of Zhejiang University(Agriculture and Life Science),2005,31(6):705-708.

[6] Coronado M A G,Lopez C T,Saavedra A L.Effects of salicylic acid on the growth of roots and shoots in soybean[J].Plant Physiology and Biochemistry,1998,8:563-565.

[7] 蔡肖,江振兴,甄军波,等.水杨酸对低温胁迫下棉花种子萌发及幼苗生理特性的影响[J].河南农业科学,2016,45(7):39-43.

[8] 杜朝昆,李忠光,龚明.水杨酸诱导的玉米幼苗适应高温和低温胁迫的能力与抗氧化酶系统的关系[J].植物生理学通讯,2005,41(1):19-22.

[9] 李可凡,张蕊.外源水杨酸对玉米幼苗抗低温胁迫能力的影响[J].浙江农业科学,2015,56(6):789-791.

[10] 杨德光,秦东玲,李钊,等.低温胁迫下外源水杨酸对玉米幼苗生理特性的影响[J].玉米科学,2016,24(4):122-129.

[11] Deswal D P,Sheoran I S.A simple method for seed leakage measurement:Applicable to single seeds of any size[J].Seed Science and Technology,1993,21:179-185.

[12] 任永波,段拥军.作物抗寒性鉴定指标的分类及其应用[J].西昌农业高等专科学校学报,2006,16(2):43-46.

[13] 赵萌.外源NO调控吸胀冷害下紫花苜蓿种子萌发及抗冷性的研究[D].兰州:甘肃农业大学,2014:38-39.

[14] 朱政,蒋家月,江昌俊,等.低温胁迫对茶树叶片SOD、可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响[J].安徽农业大学学报,2011,38(1):24-26.

[15] 理向阳,刘晓静,郭晓阳,等.外源水杨酸对黄秋葵种子萌发及低温胁迫下幼苗生长的影响[J].河南农业科学,2016,45(5):126-129.

[16] 郑昀晔,曹栋栋,张胜,等.多胺对玉米种子吸胀期间耐冷性和种子发芽能力的影响[J].作物学报,2008,34(2):261-267.

[17] 胡晋,蔡素琴.超甜玉米种子低温吸胀的生理生化变化[J].作物学报,2001,27(3):374-375.

Effect of Salicylic Acid Priming on Physiological Indexes of Maize Seed during Seed Imbibition under Low Temperature

GAO Qiaohong,DING Xizheng*,NIU Zhihao,HUANG Tingting, CAO Gaoyi,XIANG Chunyang,ZHAO Fei,DU Jin**

(College of Agronomy﹠Resources and Environmental Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

In order to investigate how salicylic acid(SA) priming affect the physiological indexes of maize seed(embryo,endosperm and seed coat) during seed imbibition under low temperature,maize hybrid Zhengdan 958 was used as materials in this study,and the seeds were primed with 0.1 mmol/L SA for 36 h,subsequently manipulated by imbibition duration for 0,12,24,36,48 h under 15 ℃ respectively.The results indicated that SA priming significantly increased seed germination rate.The nucleic acid content in seed leakage decreased at first and then increased with prolonged imbibition time.Similarly,the soluble sugar content of embryo decreased at first and then increased.While POD activity of endosperm gradually increased,and CAT activity of seed coat increased at first and then decreased.Compared with no primed seed,during the majority of seed imbibition time,SA priming treatment could significantly increase the soluble sugar content of endosperm and seed coat,improve the soluble protein content of embryo and seed coat,enhance the CAT and POD activity of endosperm and seed coat,decline the nucleic acid content in seed leakage,and thus strengthen the resistance of maize seed to chilling stress.

salicylic acid; maize; seed priming; imbibition; physiological indexes

2016-12-02

天津农学院科技发展基金项目(2013N06)；天津农学院大学生创新创业训练计划项目(201510061092)

高巧红(1994-)，女，甘肃兰州人，在读本科生，研究方向：玉米种子萌发和贮藏机制。 E-mail:1164324030@qq.com。*表示同等贡献作者

**通讯作者：杜 锦(1984-)，男，山西阳泉人，实验师，硕士，主要从事玉米遗传育种和种子科学相关的研究。 E-mail:401558171@qq.com

S513

A

1004-3268(2017)03-0041-06