离子注入对杉木种子发芽质量及保护酶活性的影响

张 斌

（中南林业科技大学林学院，湖南 长沙410004）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国栽培面积最大的速生用材树种之一［1］，也是我国南方速生丰产用材林区的主要造林树种，其栽培面积和蓄积量均居于我国前列，在我国经济建设中发挥了重要作用。经过“六五”至“十二五”的发展，杉木遗传改良取得了重大突破，已建成3代杉木种子园，林分蓄积增长量在10%以上，为我国杉木遗传改良奠定了良好的基础［23］，但同国外针叶树种的遗传改良相比，仍存在较大差距，杉木遗传质量仍有较大的上升空间［47］。离子注入作为一种新的育种手段，跟航天育种相比具有成本低、效率高的优点，近年来得到了广泛的应用，并在农作物及林木育种上取得了一定的成功［811］。将离子注入杉木的研究表明，离子注入对杉木苗木生长具有明显的促进作用，但对于杉木种子发芽及发芽生理的研究未见报道，以杉木种子为试材，探索不同离子注入处理对种子发芽率及种子萌发过程中生理酶活性的影响，其结果为杉木良种选育及遗传改良提供了新的途径。

1 材料与方法

1.1 实验材料

杉木种子采自湖南攸县2代杉木种子园，种子采集、调制后备用。种子优良度92%，千粒重（350±6）g，含水率8%。

1.2 研究方法

试验选用同创LZD1000型多功能离子注入机进行离子注入，分别采用氮、钛作为离子源，以未注入处理作对照。实验开始前，将3份各重400 g的种子分别放入不同的靶盘中，抽取真空，将真空度控制在（5.0～6.0）×10－3Pa，离子注入能 量为 30 Ke V／10 m A，注入总量为5×1016ions·cm－2，注入脉冲间隔时间为5 s。离子注入处理完成后，即进行发芽实验及种子保护酶活性的测试，实验4次重复。

1.3 统计指标及分析方法

发芽指数（GI）＝∑Gt／Dt（式中，Gt为t天内的发芽数，Dt为相应的发芽天数）；

活力指数（VI）＝S×GI（式中，S为已发芽种子的鲜重）。

保护酶活性测试：SOD活性测定采用氮蓝四唑光还原法（NBT法），POD活性测定采用愈创木酚法，CAT活性测定采用紫外吸收法，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法（TBA法），数据的整理及制图采用Excel 2013进行处理，数据分析采用SPSS 19.0进行ANOVA单因素分析和LSD多重比较，均值计算采用Data Analysis功能。

2 结果与分析

2.1 氮、钛离子注入对杉木种子发芽能力的影响

种子的发芽能力通常用发芽率、发芽势、发芽指数及种子活力指数表示，但又各有不同，发芽率强调种子的发芽潜力，发芽势和发芽指数突出种子发芽的整齐性，活力指数强调幼苗期的潜在活力大小。

从图1可看出，供试种子批的常规发芽率为38.89%，发芽率最低，经氮、钛离子注入处理后，种子发芽率分别提高了18.85%、20.00%，同未处理种子相比发芽率提高程度均达到了显著性水平（显著性分别为0.011、0.008）。对比氮、钛2种离子的处理效果来看，钛离子注入处理后，杉木种子发芽率略有提高，提高了0.97%，未达到显著性差异，从数据来看，氮、钛离子注入处理均能提高杉木种子的发芽率，但两者效果不存在明显差异。

图1 离子注入对杉木种子发芽率的影响

种子发芽势反映了种子批的发芽整齐状况，是种子质量的重要指标。由图2可发现，杉木种子的常规发芽势为22.44%，经氮、钛离子注入处理后，杉木种子的发芽势提高了34.67%（显著性水平0.001）和16.83%（显著性水平0.036），离子注入处理能显著提高杉木种子的发芽整齐性。对比氮、钛离子处理后的发芽势，氮离子注入处理显著优于钛离子处理（显著性水平0.029），发芽势提高了15.27%。

图2 离子注入对杉木种子发芽势的影响

发芽指数是种子活力的一种表述方式，种子发芽越快，发芽指数越大，种子活力越高、质量越好。常规处理条件下，杉木种子的发芽指数为11.85（图3），经氮、钛离子注入处理后，发芽指数分别提高到15.14和14.19，分别提高了27.76%（显著性水平0.003）和19.75%（显著性水平0.016），离子注入处理效果显著。不同离子注入处理间对比发现，氮离子注入后，杉木种子的发芽指数相比钛离子注入提高了6.69%，差异不显著（显著性水平0.227）。

图3 离子注入对杉木种子发芽指数的影响

活力指数不仅反映了种子的发芽速度，也反映了幼苗期的生长势，活力指数越大，种子活力越好，幼苗期的长势越好。氮、钛离子注入处理显著提高了杉木种子的活力指数（图4），由对照处理时的128.40，分别提高到202.15和184.22，分别较对照处理提高了57.44%和43.47%，达到了极显著性差异（显著性水平分别为0.000和0.000）。不同离子注入处理间未达到显著性差异（显著性水平0.057），但氮离子注入处理后杉木种子活力指数较钛离子注入处理略高出9.73%。

2.2 氮、钛离子注入对杉木种子保护酶活性的影响

植物在受到逆境影响后，会通过提高自身的保护酶活性来达到适应逆境环境、正常生长的要求，通过外在的手段刺激植物保护酶活性的提高，不仅有利于提高植物的抗性，同时也能促进植物的生长。在真空环境下通过氮、钛不同离子注入，促进杉木种子保护酶活性的变化，进而达到提高杉木种子生理活性的目的。

图4 离子注入对杉木种子活力指数的影响

图5 离子注入对杉木种子SOD活性的影响

不同离子注入对杉木种子SOD酶活性的影响不同（图5），氮离子注入处理后，杉木种子的SOD活性由1.41 U／mg提高到1.70 U／mg，提高了20.57%，但差异不显著（显著性水平0.098），而钛离子注入使SOD活性提高了55.43%，增加幅度极显著（显著性水平0.002）对比氮离子处理，钛离子注入处理对杉木种子的SOD活性影响较大，处理后SOD活性也高出29.22%，优势显著（显著性水平0.015）。

图6 离子注入对杉木种子POD活性的影响

离子注入对杉木种子POD活性的影响表现出同SOD活性类似的规律，在提高酶活性方面，离子注入的效果优于对照处理，钛离子的效果优于氮离子。离子注入对于杉木种子POD活性的提高有显著的促进作用，与对照相比，氮、钛离子注入后杉木种子的POD活性分别提高了20.63%（显著性水平0.001）和35.46%（显著性水平0.000），钛离子注入的效果相比氮离子处理的显著提高了12.29%（显著性水平0.003）。

逆境条件下产生的过氧化氢会对植物体产生伤害，过氧化氢酶活性的增加，有利于清除植物体内过多的过氧化氢。从图7可看出，氮离子注入的效果优于钛离子处理，CAT活性分别由对照时的1.16 U／（g·min）提高到1.69 U／（g·min）和1.56 U／（g·min），涨幅为45.56%（显著性水平0.000）和33.82%（显著性水平0.000），氮、钛离子处理间也达到了显著性的差异（显著性水平0.019）。

图7 离子注入对杉木种子CAT活性的影响

2.3 氮、钛离子注入对杉木种子质膜透性的影响

一般植物在逆境条件下就会产生质膜过氧化，而氧化产物为丙二醛（MDA），MDA的存在会对细胞具有毒性。MDA含量的多少往往反映了逆境对植物的伤害程度，MDA含量越高，受伤害程度越大。由图8可看出，离子注入处理对杉木种子的伤害程度较大，MDA含量分别比对照增加了47.83%和72.69%，均达到了极显著差异（显著性水平均为0.000），钛离子对种子的损伤也比氮离子大，MDA含量增加了16.82%，差异显著（显著性水平0.005）。

图8 离子注入对杉木种子MDA含量的影响

3 讨论与结论

离子注入处理作为一种较新颖的育种手段，国内众多学者最早将其作为航天育种的革新技术应用到农作物的育种和培育工作中，近年来，不断有学者尝试研究离子注入技术对木本植物的影响［1213］，笔者根据多年来在离子注入领域的尝试和探索，在前期实验的基础上，筛选出了对于安全含水量较低的木本植物种子具有广泛适应性的离子注入剂量和能量指标，本研究的开展即基于该离子注入能量和剂量指标。

杉木作为南方重要的速丰树种，其种子发芽率低，不利于工厂化育苗工作的开展，同时相比外来的桉树、湿地松等树种，其成材时间长。开展种子发芽及生理研究是杉木良种选育的第一步，离子注入杉木种子后，其发芽率显著提高，发芽的整齐性也增强，种子活力指数增加，说明离子注入处理对杉木种子具有明显的促进发芽效果，其结果与伞树［14］上表现一致，特别是氮离子的注入，由于在辐射过程中，部分氮离子会残留在种子内部，成为合成种子活性物质的组成成分，促进了种子内部生理物质的合成反应，也对种子体内包括赤霉素在内的生长素的合成产生了促进作用［15］，或打乱并嵌入DNA双链结构中［16］，从而促进杉木种子生理活性的提高；而钛离子作为重金属元素，在相同的能量条件下，轰击杉木种子的动能更大，所引起的生理活性物质合成和DNA片段更加多样［17］，既可引起促进植物生长的正变化，也会产生抑制生长发育的负变化。从处理后的杉木种子发芽情况分析，在实验设定的能量和剂量条件下，氮离子注入处理对提高杉木种子发芽率、发芽整齐性及苗木潜在活力具有最佳的影响，而且氮元素容易获得，对于杉木而言，采用氮离子注入的方式具有最好的发芽效果，但同时钛离子注入也能产生显著的影响，但效果略低于氮离子。

离子注入处理也是一种逆境胁迫，在真空条件下，高能离子束的不断轰击，除产生高温作用外，还能穿透种皮及细胞，高温及穿透作用，刺激杉木种子产生大量的超氧自由基及过氧化物等，诱使杉木种子启动自由基清除功能［18］。从SOD、POD活性变化规律来看，钛离子注入能产生更多的过氧化物和超氧化物，对杉木种子的结构损伤较大，因此也产生较多的MDA；氮离子注入对杉木种子的损失相对较小，但会刺激杉木种子产生更多的CAT。虽然氮、钛离子对杉木种子的结构产生了损伤，但在现有的能量和剂量条件下，并未产生负面的影响，在并未损害种子自我修复能力的同时，提高了种子的修复能力，而作为种子生命力最直观的体现，氮离子对杉木种子的发芽及种子活力产生的促进作用更明显，因此，从开展杉木实生苗培育及良种选育的角度来分析，氮离子注入更加适合，但哪种离子注入方式对杉木育种及培育效果更明显，还有待长期的观测。

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