含水量和处理温度对人工加速老化试验中 水稻种子储藏特性的影响

,雨萱,, , ,

(1.安徽省农业科学院水稻研究所,安徽合肥 230031; 2.华中师范大学生命科学学院,湖北武汉 430079)

水稻种子储藏过程中米质劣变、发芽率下降一直是困扰生产、储运和经营部门而又难以克服的问题,由此造成我国粮食储藏损失平均达3.05%,每年损失粮食近50亿kg[1-2];而水稻种子在储藏过程中因活力下降,每年也造成巨大的经济损失,并且还会影响幼苗的生长状况,从而影响水稻的产量。因此,水稻种子的耐贮性已被人们日益关注[3-5]。

研究水稻种子耐贮性的一种常用方法即人工加速老化[6-8]。蒋家月等[9]公开的人工老化筛选耐储藏作物种质的方法,其原理是将对照品种和待筛选的作物种质进行高温高湿的人工老化,筛选耐储藏作物种质。江玲等[10]利用人工加速老化方法证实LOX-3缺失的水稻品种W017具有较强的耐贮性。蔡秋华等[11]利用人工加速老化方法,筛选出了RP1579-1627-39-220、IR58082、源光1、Brazos、Nortai、MCP231-4和IR57298-174-2-2等耐贮藏种质。Xu等[12]利用高温高湿人工加速老化方法,研究胚乳特异表达启动子蛋白组学，结果表明,胚乳中LOX3基因的反义抑制能够促使一系列的代谢途径，包括脂肪酸代谢和糖酵解途径发生变化,因而延长种子的寿命。Zhang等[13]利用高温高湿人工加速老化方法,研究扬两优2号杂交稻种子过程蛋白组学,发现,种子人工加速老化条件下衰老是缺氧状态下伴随糖酵解酶类、乙醇脱氢酶、丙酮酸脱羧酶代谢途径产生乙醇的过程。

然而,张瑛等[14]研究发现,新收获的水稻种子高温高湿人工加速老化试验结果存在显著差异和不稳定性,其影响因素不仅与温度、湿度,而且与人工气候箱不同层数、老化种子数量有关。进一步研究表明[14],现有的人工气候室、老化箱等控温控湿条件有局限性。随着箱体空间不同、放置材料数量的多少及其位置不同,在长时间的处理下,准确的高温、高湿度难以达到,尤其是在高温条件下,不是达不到高湿度就是湿度过高导致种子发芽,因而很难保证种子人工加速老化所需种子含水量和温度保持均匀不变,从而严重影响耐储藏筛选结果重复性、稳定性。

多项研究表明:含水量和温度是影响水稻种子储藏特性的最重要因素[15-16]。Miura等[17]研究水稻种子储藏寿命时,利用人工气候箱30 ℃条件下饱和重铬酸钾(K2CrO4)溶液以维持种子含水量在15%～16%之间储藏60 d。然而,该方法处理温度不高,人工老化时间较长,含水量范围窄,并仍有一定的波动性。

本研究采用密闭容器防止水分散失,从而确保人工加速老化的高温、常湿条件下种子含水量保持稳定,再通过高温、常湿、不同含水量30 d处理,研究含水量和处理温度差异对水稻种子储藏特性影响。研究旨在为获得稳定的、可重复的人工加速老化新方法提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粳稻755和籼稻Ⅱ优838 于2016年10月在安徽省农业科学院水稻研究所合肥基地各收获2.5 kg,晒干后去除未成熟粒及瘪壳,置于-20 ℃冰箱,待测初始含水量;去离子水 合肥冰凝商贸有限公司。

ZRX-258D智能人工气候箱 杭州钱江设备有限公司;LRH-400-GS人工气候箱 广东省医疗器械厂;尼龙纱网袋 25×15(cm),浙江省台州市路桥新桥农用筛网厂;蜀牛蓝盖试剂瓶 500 mL,四川蜀玻(集团)有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 梯度含水量材料获得

1.2.1.1 稻米初始含水量的测定 取上述粳稻755和籼稻Ⅱ优838材料,按照国家种子检验标准GB/T 3543.6-1995,精确测定其含水量,试验设4次重复,误差不超过1%。

1.2.1.2 水稻标准目标含水量的设置 将已精确测定初始含水量的水稻材料各100 g分别放入蓝盖试剂瓶中,根据式(1)计算出需要加入的纯水重量,将纯水加入至蓝盖试剂瓶中,旋紧盖密封好,再将其置于8 ℃智能人工气候箱中,每天振荡5次以促进水分均匀,平衡14 d测定稻米含水量。本试验目标含水量梯度设为12.00%、13.00%、14.00%、15.00%、16.00%、17.00%、18.00%。试验设4次重复,误差不超过1%。

纯水重量(g)=[材料总重×(标准目标含水量-初始含水量)]/(1-标准目标含水量),水密度为1 g/mL

式(1)

1.2.2 不同湿度下透气尼龙袋人工加速老化对稻米含水量的影响 试验用透气的尼龙纱网袋作为开放条件下老化袋。分别取上述7个梯度含水量的籼粳稻材料各100 g置于尼龙袋中,再放入智能人工气候箱中,温度(30±1) ℃,湿度分别设为75%和85%,进行45 d人工加速老化实验,按0、15、30、45 d定期取样测定含水量,试验设4次重复,误差不超过1%。

1.2.3 不同起始含水量、不同温度密闭人工加速老化对稻米含水量的影响 利用具有密封作用的蓝盖试剂瓶用于密闭条件下的储藏试验,1.2.4同。分别取上述7个梯度含水量的籼粳稻材料各100 g置于密封的蓝盖试剂瓶中,再放入智能人工气候箱(常湿),温度(30±1) ℃和(34±1) ℃及常湿条件,进行30 d人工加速老化实验,按0、5、10、15、20、25、30 d定期取样测定含水量,试验设4次重复,误差不超过1%。

1.2.4 不同起始含水量、不同温度密闭人工加速老化对稻米种子发芽率的影响 分别取上述7个梯度含水量的籼粳稻材料各100 g置于密封的蓝盖试剂瓶中,再放入智能人工气候箱(常湿),设置温度(30±1)、(34±1)、(38±1)、(42±1) ℃,进行30 d人工加速老化实验,按0、5、10、15、20、25、30 d定期取样,根据国标GB/T 3543.4-1995的方法测定种子发芽率。

1.3 数据统计分析

对原始数据进行标准化或归一化处理,经过Decimal scaling方法转换以后,用SPSS软件进行方差分析或其他分析。

2 结果与分析

2.1 不同起始含水量、不同湿度开放储藏试验种子含水量变化

实验结果如表1、表2所示。表3为数据处理结果。从表1及分析结果表3可以看出,起始含水量12.00%～18.00%、75%相对湿度的条件处理:对粳稻755,0～45 d的含水量平均值范围自13.62%～15.46%,与初始含水量范围相比,缩小为原来的31%,其标准偏差自0.70%～1.77%,变幅较大。对籼Ⅱ优838,0～45 d的含水量平均值范围自13.27%～14.84%,与初始含水量范围相比,缩小为原来的26%,其标准偏差自0.16%～2.11%,变幅较大。说明材料间由于开放条件使其水分散失于人工气候箱中,并实现了含水量的再平衡。

表1 30 ℃+RH75%+开放(尼龙袋)条件下稻米含水量(%)的变化Table 1 Change of the moisture contents(%)of rice under 30 ℃+Relative Humidity75%+open(Nylon bag)storage condition

表2 30 ℃+RH85%+开放(尼龙袋)条件下稻米含水量(%)的变化Table 2 Change of the moisture contents(%)of rice under 30 ℃+Relative Humidity85%+open(Nylon bag)storage condition

表3 含水量平均值(%)数据分析Table 3 Data analysis of the average moisture content(%)

从表2及分析结果表3可以看出,起始含水量12.00%～18.00%、85%相对湿度的条件处理:对粳稻755,0～45 d的的含水量平均值范围自14.30%～15.76%,与初始含水量范围相比,缩小为原来的24%,其标准偏差均大于1%,最高的达到2.24%,变幅较大;对籼Ⅱ优838,0～45 d的含水量平均值范围自13.73%～15.24%,与初始含水量范围相比,缩小为原来的25%,其标准偏差自0.60%～1.87%,变幅较大。该结果进一步证明上述结论,并且随湿度增加,缩小倍数更大。

比较表1、表2及分析结果表3,无论籼、粳稻,75%湿度和85%湿度条件下,对于起始含水量12.00%～18.00%的水稻材料,种子含水量平均值范围均缩小为原来的24%～31%,范围大大缩小,且标准偏差均较大。由此表明:种子含水量在人工气候箱内开放条件下易受人工气候箱湿度等环境条件的影响,实现对试验材料的含水量再平衡,从而由此可能影响人工加速老化的进程。

2.2 不同起始含水量、不同温度密闭储藏试验含水量变化

上述2.1研究结果表明,人工气候箱开放条件对种子含水量影响较大。因此,继续研究不同温度+常湿+密闭(蓝盖)储藏过程中种子含水量变化,并计算其不同取样的含水量平均值,其结果如表4、表5。

表4 30 ℃+常湿+密闭(蓝盖)条件下稻米含水量(%)的变化Table 4 Change of the moisture content(%)of rice under 30 ℃+normal humidity+closed(Blue cover)storage condition

如表4及分析结果表6,起始含水量12.00%～18.00%,30 ℃密闭储藏条件:对粳755材料,0～30 d的含水量平均值范围自12.12%～17.75%,与初始含水量范围相比缩小为原来的94%,其标准偏差自0.18%～0.53%,变幅较小;对于籼稻Ⅱ优838材料,0～30 d的含水量平均值范围自12.02%～17.43%,与初始含水量范围相比缩小为原来的90%,其标准偏差自0.31%～0.57%,变幅较小。说明单个材料由于密闭条件减少其水分散失,从而保证了含水量的差异梯度。

如表5及分析结果表6,起始含水量12.00%～18.00%、34 ℃密闭储藏条件:对粳755材料,0～30 d的含水量平均值范围自11.89%～16.76%,与初始含水量范围相比缩小为原来的81%,其标准偏差自0.23%～0.68%,变幅较小。对于籼稻Ⅱ优838材料,0～30 d的含水量平均值范围自11.81%～17.00%,与初始含水量范围相比缩小为原来的87%,其标准偏差自0.37%～0.72%,变幅较小。该结果进一步证明密闭条件能减少其水分散失,从而保证了含水量的差异梯度,并且随温度增加,缩小倍数有所增加。

综合表4、表5及分析结果表6,与2.1研究结果相比,30、34 ℃密闭储藏条件,含水量平均值的范围与起始含水量相比变化不大,标准偏差变幅也较小。由此说明:密闭条件能确保种子含水量基本保持稳定。

表5 34 ℃+常湿+密闭(蓝盖)条件下稻米含水量(%)的变化Table 5 Change of the moisture content(%)of rice under 34 ℃+normal humidity+closed(Blue cover)storage condition

表6 平均含水量(%)数据分析Table 6 Data analysis of the average moisture content

2.3 不同初始含水量、不同温度密闭储藏的水稻种子发芽率

2.3.1 粳稻的发芽率变化趋势 如图1～图4所示粳稻755,针对不同温度密闭储藏条件,粳稻755的起始发芽率85%,但随着30、34、38、42 ℃的温度不同,发芽率最低分别降至60%、29%、7%、0%,因此,温度提高导致发芽率下降速度明显加快;进一步计算12%和18%起始含水量材料30 d不同温度的发芽率差值(表7),发现30 ℃+20 d、34 ℃+30 d、38 ℃+30 d、42 ℃+15 d处理条件下分别达到18%、24%、31%、56%(最值)。由此表明,起始含水量差异对粳稻发芽率有影响,随温度增加,对发芽率影响变大。

表7 粳755的12%和18%起始含水量材料的发芽率差值(%)*Table 7 The difference value of germination rate(%)of Japonica 755 with 12% and 18% initial moisture content*

另外,对比图1～图4,还可以看出:38 ℃密闭储藏的不同初始含水量材料,粳稻发芽率最高为85%,最低仅7%,较其他温度处理差异明显。而42 ℃密闭储藏条件,除12%的起始含水量外,其他起始含水量的水稻种子发芽率下降速度基本趋于一致,处理至20 d时已接近0,因而难以区分其储藏性。

图1 不同含水量30 ℃处理不同天数的粳稻755发芽率Fig.1 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 30 ℃ treatments

图4 不同含水量42 ℃处理不同天数的粳稻755发芽率Fig.4 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 42 ℃ treatments

2.3.2 籼稻的发芽率变化趋势 如图5～图8所示籼Ⅱ优838材料,结果:针对不同温度密闭储藏条件,籼Ⅱ优838的起始发芽率98.5%,但30、34 ℃时发芽率最低分别降至85%和79%,38 ℃时,发芽率最低降至77%,42 ℃时,发芽率最低降至11%,因此,随温度提高发芽率下降明显;进一步计算的12%和18%起始含水量材料30 d不同温度的发芽率差值(表8),发现30 ℃+30 d、34 ℃+30 d、38 ℃+25 d、42 ℃+30 d处理条件下分别达到11%、21%、18%、82%(最值)。由此表明,起始含水量差异对籼稻发芽率有影响,随温度增加,对发芽率影响变大。

图8 不同含水量42 ℃处理不同天数的籼Ⅱ优838发芽率Fig.8 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 42 ℃ treatments

图5 不同含水量30 ℃处理不同天数的籼Ⅱ优838发芽率Fig.5 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 30 ℃ treatments

另外,从表8还可以看出:30、34、38 ℃的发芽率差值最大也只有21%,远远小于42 ℃的82%。说明,42 ℃密闭储藏时,起始含水量对籼稻发芽率的影响最大。

表8 籼Ⅱ优838的12%和18%起始含水量材料的发芽率差值(%)*Table 8 The difference value of germination rate(%)of IndicaⅡYou 838 with 12% and 18% initial moisture content*

2.3.3 籼粳之间的发芽率变化趋势比较 不同含水量30 ℃处理不同天数籼粳发芽率结果见图1、图5,30 ℃密闭储藏条件的不同含水量材料,图1粳稻种子发芽率均呈波浪形变化,其幅度在86.0%～60.0%之间,尤其是14%、15%、16%的3个初始含水量变化更为明显,图5籼稻种子发芽率也呈波浪形变化,幅度在99.0%～85.0%之间,变化幅度较小。分析:30 ℃时,温度对籼粳种子发芽率的活动度均有影响,其中粳稻影响较大,而含水量只有在过高如粳稻17%、18%时才会有所影响。

不同含水量34 ℃处理不同天数籼粳发芽率结果见图2、图6,34 ℃密闭储藏条件的不同含水量材料,籼粳稻种子发芽率的波动度均大为减小,含水量对籼稻不明显(图2),但对粳稻,其最低的发芽率已降至30%以下,影响较大(图6)。说明:34 ℃时,籼粳稻种子发芽率变化受温度影响不大,而粳稻发芽率开始受含水量影响。

图2 不同含水量34 ℃处理不同天数的粳稻755发芽率Fig.2 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 34 ℃ treatments

图6 不同含水量34 ℃处理不同天数的籼Ⅱ优838发芽率Fig.6 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 34 ℃ treatments

不同含水量38 ℃处理不同天数籼粳发芽率结果见图3、图7,38 ℃密闭储藏条件的不同含水量材料,粳稻发芽率最高为85%,最低仅7%,含水量对粳稻种子发芽率的影响较大(图3);而籼稻除12%之外,种子的发芽率又开始波动,其波动范围在98.5%～77.0%之间,波动幅度变大(图7)。说明:38 ℃时籼稻种子发芽率变化对温度有2次敏感性,而38 ℃时粳稻发芽率对含水量极其敏感。

图3 不同含水量38 ℃处理不同天数的粳稻755发芽率Fig.3 Germination rates of Japonica 755 of different moisture contents and days under 38 ℃ treatments

图7 不同含水量38 ℃处理不同天数的籼Ⅱ优838发芽率Fig.7 Germination rates of IndicaⅡYou 838 of different moisture contents and days under 38 ℃ treatments

不同含水量42 ℃处理不同天数籼粳发芽率结果见图4、图8及表9,42 ℃密闭储藏条件的不同含水量材料,粳稻发芽率最低降至0,而籼稻12%和18%起始含水量30 d的发芽率差值已达到82%。说明:42 ℃时籼稻种子发芽率变化对含水量极其敏感,而42 ℃时粳稻发芽率对含水量不敏感。

2.4 水稻人工加速老化最适宜的处理条件

针对图1至图8的数据,进一步计算籼粳材料的30 d人工加速老化处理发芽率下降百分率如表9、表10,并以达到50%的发芽率下降百分率的起始含水量作为30 d人工加速老化处理的种子寿命的半衰含水量。

表10 籼Ⅱ优838不同起始含水量不同温度处理的 发芽率减少百分率(%)*Table 10 Percentage reduction(%)of the germination rate of IndicaⅡYou 838 under different initial moisture contents and temperature treatments

从表9可以看出:针对粳755材料,30 ℃处理条件时,各个起始含水量的30 d发芽率下降百分率均低于50%,最高仅28.99%,因而不存在半衰含水量;34 ℃处理条件时,起始含水量15.00%,其30 d发芽率下降百分率已高于50%,达到65.68%,因而,15.00%为34 ℃时的半衰含水量;38 ℃处理条件时,起始含水量14.00%,其发芽率下降百分率已高于50%,达到63.31%,14.00%为38 ℃时的半衰含水量;而42 ℃处理条件时,12.00%起始含水量的30 d发芽率下降百分率已高于50%,达到60.95%,12.00%为42 ℃时的半衰含水量。

表9 粳755不同起始含水量不同温度处理的 发芽率减少百分率(%)*Table 9 Percentage reduction(%)of the germination rate of Japonica 755 under different initial moisture contents and temperature treatments

综合半衰含水量数据并结合2.3结论,初步得出:38 ℃+常湿+14.00%起始含水量+30 d+密闭储藏是粳稻粳755人工加速老化试验最适宜的处理条件。

从表10可以看出:针对籼Ⅱ优838材料,30、34、38 ℃处理条件,30 d发芽率下降百分率均低于50%,最高分别为13.71%、19.80%、12.69%;而42 ℃处理条件,14.00%的起始含水量,其发芽率下降百分率已高于50%,达到88.83%。因此,42 ℃处理条件时,14.00%是籼稻种子半衰期的起始含水量。由此得出:42 ℃+常湿+14.00%起始含水量+30 d+密闭储藏是籼稻Ⅱ优838人工加速老化试验最适宜的处理条件。

3 讨论

高温高湿人工加速老化方法是判定种子耐藏性的一种比较好的方法,其与在自然贮藏的种子实际达到的效果有显著的相关性[18]。然而,如前所述,张瑛等[14]的试验结果表明,高温高湿人工加速老化方法存在局限性,人工气候箱温度与湿度的控制往往难与达到实际效果。

本研究表明其根本原因可能在于对种子的含水量控制(表1、表2、表3),与初始含水量范围相比,开放及75%和85%相对湿度条件下储藏过程中，粳稻材料和籼稻材料的含水量范围缩小3～4倍,从而导致试验结果的稳定性难以保证。进而,本文以人工气候箱密闭常湿条件下处理试验材料,则基本控制住了种子含水量的改变(表4、表5、表6)。在此基础上,利用密闭常湿条件进行不同温度、不同含水量的30 d人工加速老化试验,结果表明:种子含水量与温度共同起作用于籼粳稻发芽率变化(图1～图8、表7、表8);密闭条件下38 ℃和42 ℃人工加速老化30 d分别处理的梯度含水量的粳稻和籼稻材料发芽率,其差异最为明显(图5、图8)。进而,计算籼粳材料密闭常湿条件下30 d人工加速老化种子发芽率下降百分率如表9、表10,并研究种子寿命的半衰含水量,结果表明:15.00%、14.00%、12.00%分别为34、38、42 ℃时粳稻半衰含水量,14.00%是42 ℃籼稻半衰起始含水量。最后综合分析得出:38 ℃+常湿+14.00%含水量+30 d+密闭储藏、42 ℃+常湿+14.00%含水量+30 d+密闭储藏分别是粳稻755和籼稻Ⅱ优838人工加速老化试验最适宜的处理条件。

本研究意义在于首先确立了高温+常湿+稳定的含水量+密闭储藏作为种子人工加速老化的必要条件,从而克服了现有的高温高湿的人工老化方法受人工气候箱的控温控湿条件的局限性。在此基础上,摸索出密闭+30 d+常湿+合适的温度和含水量的籼粳稻较为合适的人工加速老化方案。

然而,本文仅利用粳稻755和籼稻Ⅱ优838的2份试验材料,其结果存在材料的局限性,下一步将该方法在其他籼粳稻材料中进行广泛的应用,以期对该方法进一步进行改进,最终获得稳定的、可重复的的人工加速老化新方法。

4 结论

人工气候箱内开放条件使种子含水量易受人工气候箱湿度等环境条件的影响,难以控制,从而影响人工加速老化的进程,密闭条件能确保种子含水量基本保持稳定;密闭条件下,起始含水量差异对籼粳稻发芽率影响随温度增加而变大,密闭条件38 ℃和42 ℃人工加速老化30 d分别处理的梯度含水量的粳稻和籼稻材料发芽率,其差异最为明显;38 ℃+常湿+14.00%含水量+30 d+密闭储藏、42 ℃+常湿+14.00%含水量+30 d+密闭储藏分别是粳稻755和籼稻Ⅱ优838人工加速老化试验最适宜的处理条件。