不同成熟度棉花种子营养成分与生理生化特征关系研究

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(1.辽宁省经济作物研究所， 辽宁 辽阳 111000； 2.沈阳农业大学农学院， 辽宁 沈阳 110161)

种子作为农业生产中的重要生产资料，直接决定生产能否顺利进行并取得预期的成果。1976年，国际种子检验协会( ISTA) 正式将种子在发芽和出苗期间的活性强度及特征的综合表现定义为种子活力[1-2]，并以之作为衡量种子质量和种用价值的主要指标。

种子活力是在种子发育过程中形成的，大量研究表明，种子活力与种子成熟度密切相关[3-5]。伴随着种子成熟，种子内的蛋白质、淀粉等物质逐渐累积增加，种子的发芽率及活力也逐渐提高，至生理成熟期达到高峰[1]。种子内的贮藏物质主要是糖类、脂肪、蛋白质和其他含氮物质[6]。研究表明，糖类是种子的主要贮藏物质，是种子生命活动的呼吸基质[7]。脂类可以限制种子的透水性，保持种子的生活力，但其较容易变性，从而对种子活力造成较大威胁[8]。由此可见，种子所含成分的差异，会对种子活力造成一定影响[9]。张自阳等通过对小麦种子活力与贮藏物质变化规律研究认为：种子的发芽率和活力指数与淀粉含量、千粒重的相关性较强，淀粉含量和千粒重可以作为衡量小麦种子活力的一项重要指标[10]。

在种子萌发过程中，会发生一系列生理生化变化，比如有毒有害物质丙二醛(MDA)的积累，产生大量自由基等破坏膜的透性，甚至会破坏核酸大分子，引起染色体的畸变[11-12]等等。激素(hormone)作为一种信号小分子物质，在转化和破坏自由基方面起到了重要的作用，比如氧化还原酶，就起到保护种子的作用。有关种子萌发期间激素水平的变化规律，前人已经进行了大量的研究并取得了诸多成果[1，6，14]。

棉花作为重要的生产生活和战备物资，全国每年的播种面积保持在667万hm2左右。但是，有关棉花种子活力的研究更多集中在种子引发[14-15]、老化和劣变等方面[16-19]，对于棉花种子成熟度、营养成分及其与萌发期间生理生化反应的关系，目前还未见报道。有鉴于种子的成熟度决定了种子营养成分含量，同时直接影响了种子活力，因此，本试验将种子成熟度、营养成分含量和种子特征特性、萌发期间生理生化反应相结合，力图探索其中的规律，为棉花生产实践提供指导。

1 材料与方法

1.1 不同成熟度棉花种子群体的获得

2016年，选择辽棉25、辽棉31两个棉花品种。从棉花开花时开始，分别于7月12日、7月19日、7月26日、8月2日、8月9日对当日所开花进行挂牌标记。到棉花吐絮时，分别在9月19日、9月29日、10月12日收获。将所收获的棉花分别轧花，种子分别存放，构成不同成熟度的棉花种子群体，共包含13份样品。

表1 不同成熟度的棉花种子群体构成明细

辽31日期(月/日)种子成熟度(植株停留时间)(d)辽25日期(月/日)种子成熟度(植株停留时间)(d)108/02—09/1948708/02—09/2958207/26—09/1955807/26—09/2965308/02—09/2958908/02—10/1271407/19—09/19621007/19—09/2972507/12—09/19691107/26—10/1278608/02—10/12711207/12—09/29791307/19—10/1285

1.2 棉花种子基本指标的测定

从不同成熟度棉花种子群体中，每份样品取适量，硫酸脱绒后，检测百粒重，并进行发芽试验。

1.2.1 种子百粒重

选择大小均匀、无破损的种子，测量百粒重。每样品重复3次，取平均值。

1.2.2 种子室内发芽试验

每样品取100粒种子，使用发芽盒，在温度28 ℃、湿度40%的条件下，利用培养箱进行发芽试验。在第4天测定发芽率。

1.3 棉花种子营养成分含量的测定

利用索氏提取方法测定种子的粗脂肪含量，用蒽酮显色方法测定种子的可溶性糖含量和淀粉含量。操作方法参考《植物生理学实验技术》[20]。

1.4 棉花种子萌发期间酶含量/活性的测定

每样品种子称取1 g，使用发芽盒在温度28 ℃、湿度40%的条件下，利用培养箱进行发芽。在发芽第4天时测定丙二醛(MDA)含量、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性。所有指标的测定均重复3次，最终结果取平均值。

具体检测方法：采用TBA比色法测定种子MDA浓度，采用愈创木酚法测定种子过氧化物酶(POD)活性，采用紫外吸收法测定种子CAT和SOD活性。操作方法参考《植物生理学模块实验技术》[21]。

1.5 数据分析与整理

利用Excel软件进行数据的整理和作图，利用DPS软件进行分析和比较。

2 结果与分析

2.1 不同成熟度棉花种子营养成分含量

由表2可见，作为植物油类重要来源之一的棉花种子，粗脂肪含量较多，达到20%左右；可溶性糖含量居中，为5%左右；淀粉含量较少，为3%左右。同时，各成分含量在2个品种间没有明显差异。

表2 不同成熟度棉花种子营养成分含量

序号粗脂肪(%)可溶性糖(%)淀粉(%)113.94±0.10jG4.99±0.13bcdAB3.19±0.31bcdAB221.35±0.37abcA4.64±0.59dB3.02±0.21bcdB320.03±0.67defBC4.98±0.08bcdAB2.76±0.28dB420.78±0.33bcdAB5.32±0.27abcdAB3.43±0.40abcAB519.85±0.37efBC5.79±0.71aA2.75±0.27dB621.41±0.78abA5.13±0.36abcdAB2.79±0.16cdB720.58±0.12cdeAB4.78±0.20cdB3.09±0.32bcdAB819.50±0.50fC5.18±0.19abcdAB3.93±0.42aA921.62±0.74aA5.46±0.46abcAB3.15±0.37bcdAB1016.21±0.44iEF5.49±0.37abcAB3.31±0.11bcdAB1118.24±0.05gD5.57±0.48abAB3.29±0.06bcdAB1217.12±0.27hE5.51±0.21abcAB3.52±0.40abAB1315.66±0.03iF5.22±0.35abcdAB3.01±0.63bcdB

注：表中大写字母表示在1%水平上差异显著，小写字母表示在5%水平上差异显著。下同。

相关分析结果：粗脂肪、可溶性糖、淀粉含量与种子成熟度的相关系数分别为0.153 5、0.650 1和0.092 8，可见，种子可溶性糖含量与种子成熟度呈中度正相关，粗脂肪和淀粉含量与种子成熟度相关极弱，说明棉花种子的成熟度主要影响到可溶性糖的积累。

2.2 种子百粒重和发芽情况与养分含量的相关分析

2.2.1 不同成熟度种子百粒重和发芽情况

由表3可见，除个别样本外，不同成熟度种子的百粒重和第4天发芽率差异不显著；同时，2个品种间也没有表现出明显差异。考虑到样本同为棉花种子，这样的结果也在预期之中。

相关分析结果：百粒重、第4天发芽率与种子成熟度的相关系数分别为0.564 4和0.584 9，为较弱中度相关；百粒重和第4天发芽率的相关系数为0.763 9，为较强的中度相关。可见，种子的成熟度对种子百粒重和第4天发芽率有一定的正向影响，百粒重较大的种子发芽率较高。

表3 种子百粒重和发芽情况

编号百粒重(g)第4天发芽率(%)19.68±0.20bcdAB8.33±5.69abA210.30±0.10aA9.33±8.50abA310.27±0.21aA12.00±6.56abA410.20±0.00abA13.67±5.51aA510.30±0.26aA13.00±5.29abA69.32±0.58dB4.33±4.16abA710.33±0.23aA8.67±5.69abA810.27±0.25aA12.67±6.66abA910.13±0.15abcA10.33±3.51abA109.61±0.53cdAB6.67±4.73abA119.70±0.42bcdAB6.00±1.00abA129.88±0.08abcAB3.33±2.89bA138.62±0.13eC3.67±2.89abA

2.2.2 种子百粒重和发芽情况与营养成分的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子百粒重和第4天时的发芽率为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果见表4。

由表4可见，粗脂肪含量与百粒重呈较弱中度正相关，与第4天发芽率呈较强的低度正相关；可溶性糖含量和淀粉含量与百粒重和第4天发芽率相关极弱。逐步回归方程也表现出同样的趋势，2个指标受粗脂肪含量影响较大。

表4 相关系数及逐步回归方程

粗脂肪(%)可溶性糖(%)淀粉(%)百粒重(g)0.5717-0.1291y=7.6937+0.1161x10.1418第4天发芽率(%)0.4565-0.0337y=-3.9681+0.6643x10.0672

2.3 种子发芽期间激素水平与养分含量的相关分析

2.3.1 种子发芽第4天时激素水平

由表5可见，种子发芽期间，样本间MDA浓度差异较明显，其中浓度最大的是2号样本，最低的是13号样本。样本间POD活性差异不显著，其中活性较高的是9号样本，较低的是8号样本。样本间CAT和SOD活性在5%水平上有一定差异，在1%水平差异不显著，其中CAT活性较高的是5号样本、较低的是4号样本，SOD活性较高的是7号样本、较低的是1号样本。

表5 种子发芽第4天激素水平

编号MDA浓度(μmol/g)POD活性[U/(g·min)]CAT活性[U/(g·min)]SOD活性[U/(g·min)]121.91±1.05abA0.07±0.01aA240.44±61.04bA48.59±6.66bA222.77±0.80aA0.17±0.02aA295.99±29.32abA61.11±12.58bA320.49±0.89bcABC0.03±0.01aA302.85±65.45abA78.79±8.05bA421.21±1.50abAB0.18±0.06aA307.75±35.92bA113.32±42.88abA522.28±1.25abA0.02±0.01aA567.28±81.87aA101.23±15.23abA621.82±1.68abAB0.06±0.01aA309.01±11.22abA129.23±32.02abA722.65±0.77abA0.13±0.01aA300.60±39.51abA227.08±24.64aA822.27±0.78abA0.01±0.01aA436.80±55.09abA96.81±17.63abA922.52±0.36abA0.19±0.04aA476.53±41.81abA165.38±26.43abA1021.42±1.35abAB0.15±0.04aA438.20±40.60abA161.49±17.55abA1121.06±0.18abAB0.11±0.03aA456.75±35.13abA183.73±31.6abA1219.03±1.72cdBC0.09±0.03aA272.59±63.38bA111.63±38.74abA1318.07±1.14dC0.09±0.04aA534.24±30.53abA163.44±26.72abA

表6 相关系数及逐步回归方程

粗脂肪(%)可溶性糖(%)淀粉(%)MDA 浓度(μmol/g)0.5223-0.2352y=15.6937+0.2984x1-0.033POD 活性[U/(g·min)]0.1801-0.1079y=0.0145+0.0044x10.0861CAT 活性[U/(g·min)]-0.02670.6332y=-705.7772+207.4083x2-0.0636SOD 活性[U/(g·min)]0.03770.4317y=-174.1801+56.3728x20.0501

2.3.2 激素水平与营养成分的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子发芽第4天时的激素水平为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果见表6。

由表6可见，粗脂肪含量与MDA浓度呈较弱中度正相关，与POD、CAT、SOD相关极弱；可溶性糖含量与CAT活性呈中度正相关，与SOD活性呈较强低度正相关。与MDA含量和POD活性相关极弱；淀粉含量与各激素指标相关极弱。逐步回归方程也表现出同样的趋势，MDA浓度和POD活性主要受粗脂肪含量影响，CAT和SOD活性主要受可溶性糖含量影响。

同时，种子成熟度与发芽期间MDA浓度、POD、CAT、SOD活性的相关系数分别为-0.630 5、-0.011 2、0.610 3和0.505 8，可见，除POD活性外，种子成熟度与MDA浓度呈中度负相关，与CAT活性和SOD活性呈中度正相关。逐步回归方程为y=131.71-4.17x1+0.04x3+0.06x4，说明种子成熟度影响到MDA浓度、CAT和SOD活性，与相关分析的结果相符合。

3 结论与讨论

3.1 不同成熟度棉花种子营养成分含量存在差异

种子成熟的过程又是种子贮藏物质积累的过程[1]，因此，种子成熟度必然会影响到种子营养成分的含量。这一点在本实验中得到了很好的体现：在所检测的3个营养指标中，粗脂肪含量较多，样本间差异较明显；可溶性糖含量居中，样本间差异居中；淀粉含量较少，样本间差异进一步缩小。

可溶性糖含量与种子成熟度呈中度正相关，粗脂肪和淀粉含量与种子成熟度相关极弱。

3.2 种子百粒重和第4天发芽率受粗脂肪含量和种子成熟度影响较大

因为所提供样本都是棉花种子，所以种子百粒重和第4天发芽率2个指标差异不明显，且与粗脂肪含量呈低度到中度正相关，与种子成熟度呈中度正相关；且种子越大，发芽率越高。

值得注意的是，各成分之间，粗脂肪和淀粉含量与这2个指标呈正相关，而可溶性糖含量呈负相关。前人研究认为，可溶性糖是种子发芽到转入光合作用之前的主要呼吸底物，为种子萌发提供能量[14]，因此，可溶性糖含量应该与种子发芽率成正比，并且较多的影响到种子的发芽。但本试验结果却与之不符，这个问题留待进一步试验研究。

3.3 种子萌发期间MDA浓度激素水平主要受粗脂肪和可溶性糖含量影响

种子萌发期间，样本间MDA浓度差异较明显，POD活性差异不显著，CAT和SOD活性在5%水平上有一定差异，在1%水平差异不显著。

相关和回归分析认为，MDA浓度和POD活性主要受粗脂肪含量的正向影响，这一点符合前人的研究结果，即脂类更容易发生变质[8]，从而形成有害的MDA累积在种子中，而棉花作为脂肪含量较多的油料种子，在贮存和生产中更要注意脂类的变质和氧化，这一点另作讨论。CAT和SOD活性主要受可溶性糖含量的正向影响。由此可以假设，可溶性糖通过对氧化还原酶的影响，进而影响到种子的呼吸和萌发。

同时，除POD活性外，种子成熟度与MDA浓度呈中度负相关，与CAT活性和SOD活性呈中度正相关，逐步回归分析也得到了同样的结果，说明种子的成熟度对种子萌发期间的生理生化反应有一定的影响，进而会影响种子活力。

3.4 对于试验的补充说明

首先，种子成熟度是一个很模糊的概念。贾然然等在研究毛叶山桐种子的过程中，以山桐子果实的颜色作为种子成熟度的衡量指标[22]。本试验中，将棉花开花到收获的植株停留时间作为种子成熟度的衡量标准。但种子的发育成熟受到一系列因素的影响，还会发生种子“过成熟”现象，以及由于果实腐烂而造成的霉菌感染现象等；再考虑到物种不同，其生长发育各有特性，所以，如何准确定义种子的成熟度还有待商榷。本试验将“种子的植株停留时间”定义为“种子成熟度”，并以其作为比较标准来进行研究。

其次，种子萌发始于吸水膨胀，进而种子代谢恢复，胚根突破胚乳和种皮等外围包被组织，即完成萌发[8]。作为一个连续的过程，本试验也分别在种子发芽第1天、第4天、第7天时进行了一系列指标的检测。经过连续试验，认为种子发芽第1天时，刚刚完成吸胀，种子内部的生理活动还没有充分启动；发芽第7天时，部分棉花种子样本腐烂现象严重，影响各指标、尤其是激素指标的测定。比较认为第4天的数据具有代表性，因此根据当天的数据进行比较分析。另一方面，为解决发芽试验中棉花种子腐烂的问题，采取了很多措施，却始终没有取得有效的进展，这一点在今后的工作中还需要进一步摸索。

综合上述结果，可以认为，在保证种子质量的前提下，即种子没有发霉、发芽及过成熟等现象出现，种子成熟度越高，活力越强，越有利于其萌发和利用。同时，作为脂肪类种子，棉花种子的粗脂肪含量较高，在萌发过程中会造成MDA的大量积累，对其种子的萌发影响较大。围绕以棉花为代表的种子活力的研究还在进行中，随着研究的深入，必然会得到更多翔实可靠的结论，为棉花及棉花种子的生产提供理论依据。