木薯种茎活力的生理生化鉴评指标研究

陈晨,黄洁,刘子凡,*,魏云霞

1.海南大学热带作物学院,海口 570228

2.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所,农业农村部木薯种质资源保护与利用重点实验室,儋州 571737

0 前言

种子活力是指一批种子在不同环境条件下的萌发活性和各种性能的总和[1]。种子活力逐渐下降并表现出生理、生化乃至遗传的综合效应被称为老化,种子老化不仅影响萌发与幼苗的生长,还影响着后期的产量和品质[2],因此,筛选、评价活力高的种子是农业生产急需解决的问题。采用人工加速老化获取材料,于广度条件下进行发芽与幼苗生长测评是目前公认的可靠活力测定方法[3],但该方法繁琐、耗时长,难以高效快捷指导生产。为此,前人开始探索种子活力与生理生化指标间的关系。有研究表明:可溶性糖含量与不结球白菜种子活力极显著相关[4];过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶 (CAT)活性与玉米种子活力达显著或极显著相关[5];淀粉含量可作为衡量不同成熟期小麦种子活力的重要指标[6];小麦种子蛋白质含量与其幼苗活力及产量呈正相关[7];丙二醛(MDA)含量与大白菜种子活力关系紧密[8];种子活力与其含水量密切相关[9-14],等。

木薯(Manihot esculentaCrantz)是我国热带、亚热带地区的重要经济作物,主要以种茎种植,常因贮藏技术欠佳导致种茎质量差,种植时及苗期又易受高温干旱等逆境影响,导致成活率低、植株长势差,最终导致减产降质,选用优质种茎已是木薯增产的重要前提。为了保持或提高木薯种茎活力,前人研究了各种种茎处理[15-18]和种茎贮藏技术[19-21],但这些措施都需经田间试验后方能确定效果,时间长、受环境影响大。生产上,常以种茎老熟程度和种茎切口乳汁多少来衡量木薯种茎质量,主观经验性大,容易误判,且不适用于种茎处理措施优劣的判断。若能找到一种或几种简易的生理生化指标评价种茎活力,便可快速知晓该措施的优劣。目前,虽然有性繁殖材料种子活力的快速评价方法有较多报道,而无性繁殖材料木薯种茎活力的生理生化评价指标的研究尚为空白。为此,本文采用人工加速老化方法处理木薯种茎,在较短时间内获得不同活力的研究材料,于正常供水和干旱胁迫条件下,开展种茎发芽和幼苗生长试验,对不同老化程度的种茎,先通过主成分分析获得其综合活力得分,再与其生理生化指标进行相关性分析,遴选可快速评价木薯种茎活力的生理生化指标,并为种茎贮藏及其处理技术提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 种茎的采集

试验在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所(品资所)六坡木薯基地进行。木薯品种为当地主推且亲缘关系较远的华南8 号(SC8)和南植199 (NZ199),由品资所提供;2017年3月24日种植,株行距80 cm × 80 cm,2018年2月25日收获种茎。收获时于离地10 cm处砍断,去除20 cm顶梢及所有叶片;将种茎等长锯为顶部、中部、基部3 类,进而锯成长7.0 cm ± 0.5 cm 的茎段。

1.2 种茎的人工老化

把茎段分类放入人工老化箱,于40 ±2℃ ℃、相对湿度100%的条件下老化,共设老化0、2、4、6 d四个不同老化时间;当每个老化阶段结束时,随机取出部分种茎,于室温下(22 ±3℃ )℃平衡一晚(晚20 时至翌晨10 时)后再参与相应试验。

1.3 种茎发芽与幼苗生长试验

试验设正常和干旱胁迫2个处理,每个处理各3盘沙培(每盘30 段茎段)作为3 次重复。取洗净烘干的河沙,正常处理按每1 kg干沙加200 mL去离子水的比例拌匀;干旱胁迫处理以等体积的15% PEG 6000 溶液替代去离子水。

在870 mm × 305 mm × 70 mm 塑料育苗盘底层铺厚约4 cm 的上述拌匀河沙;取经老化的上、中、基部各10 段茎段,选留中间2 个芽眼后,用牙签(针刺法)刺死其余芽眼;平放于育苗盘内;覆上沙子,以刚好覆盖茎段为度;在25 ℃、75%湿度的24 h 光照培养箱内培养20 d。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 发芽与幼苗生长指标测定

培养20 天后,以重复为观测单元逐一统计发芽数,并测定所有幼苗的苗长SL、苗鲜重SFW、苗干重SDW。苗长为幼苗与茎段连接处至叶片最高点的长度,单位为cm;苗鲜重为各重复内所有幼苗的单株平均鲜重,单位为g;苗干重为各重复内所有幼苗于60 ℃下烘干的单株平均重量,单位为g。计算正常和干旱胁迫条件下的种茎发芽率、活力指数Ⅰ、活力指数Ⅱ和活力指数Ⅲ[22],计算公式如下:

1.4.2 生理生化指标的测定

从老化并平衡后的种茎段中随机选取10 段,用打孔器去除髓部,经液氮冷冻后,再混合液氮于粉碎机中粉碎,把粉末装于密封袋中,保存于-20℃的冰箱中备用测定。

硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA) 含量[23],茚三酮显色法测定游离脯氨酸含量[24],蒽酮比色法测定可溶性糖含量[24],考马斯亮蓝G-250 染色法测定可溶性蛋白质含量[25],氯化钙-旋光法测定淀粉含量,试剂盒法测定过氧化氢酶(CAT) 活性,愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[26]。

1.5 主成分分析与相关分析

主成分分析和相关性分析均采用DPS 7.55 软件。其中主成分分析按照累积贡献率大于85%的要求确定主因子数,活力综合得分权重。其中:j＝1,2,…,n,;Fj表示第j个主因子,Pj表示第j个公因子的贡献率[27]。

2 结果与分析

2.1 种茎发芽与幼苗生长指标的简单相关分析

种子活力的强弱表现在发芽率、根长、苗长、鲜重、干重、逆境条件发芽能力、耐藏性、抗老化等诸多方面,是由多基因控制的数量性状[28]。不同老化时间种茎于正常和干旱条件下的发芽与生长指标变化情况如表1、表2所示,随着老化天数的增加,种茎的发芽率、苗长、苗鲜重、苗干重均快速下降。分别对2 品种的14 个发芽与幼苗生长指标进行简单相关分析,相关系数见表3、表4。大多数指标间存在显著或极显著相关性。表明若使用单一的测定方法或指标来判断2 个参试品种的种茎活力高低,可能会存在偏差,需要综合评判。

2.2 种茎活力的主成分分析

主成分分析是一种常用的综合评价方法,是利用降维的思维,将多个指标在不丢失其全部信息的前提下转化为几个较少的新指标,从而使多变量问题分析得到简化,化繁为简。主成分分析的公因子特征值及贡献率结果表明:2 品种原来的14 个单项指标均可转换为1 个新的相互独立的综合指标F1。华南8 号的F1累积贡献率达93.95%,南植199 的F1累积贡献率达91.65%(表5),说明此方法计算种茎活力携带有原始指标的绝大部分信息。

表1 华南8 号种茎发芽与幼苗生长指标变化情况 Table1 Changes of germination and growth indices of SC8 cassava stem

表2 南植199 种茎发芽与幼苗生长指标变化情况 Table2 Changes of germination and growth indices of NZ199 cassava stem

表3 华南8 号种茎发芽与幼苗生长指标间的简单相关系数 Table3 Correlation coefficient of germination and growth indices of SC8 cassava stem

华南8 号及南植199 的F1中各指标特征向量值均为正,且大小相近,说明这些指标在F1中均为正贡献且贡献率相近(表6)。

表4 南植199 种茎发芽与幼苗生长指标间的简单相关系数 Table4 Correlation coefficient of germination and growth indices of NZ199 cassava stem

由表4中F1的特征向量值及其贡献率,可得种茎活力综合得分。华南8 号和南植199 种茎活力随老化时间的延长呈现出先慢后快的下降趋势(表7),说明通过人工老化获得了不同活力的种茎材料。

2.3 不同老化程度种茎生理生化指标变化

不同老化程度木薯种茎的生理生化指标变化见表8、表9。从表6可知,随着老化程度的加深,2 个木薯品种的种茎CAT 活性、POD 活性、MDA 含量总体呈现先升后降的趋势,种茎含水量总体先微降再上升至最大值。华南8 号种茎可溶性糖含量随老化时间的延长显著增加,而南植199 可溶性糖变化不明显;南植199 种茎游离脯氨酸含量显著增加,而华南8 号游离脯氨酸含量变化无一定规律;两品种的可溶性蛋白含量总体表现为逐步上升的趋势,而淀粉含量表现为显著的下降趋势。

表5 主成分的公因子特征值及贡献率 Table5 Common factor eigenvalues and contribution rates of principal components

表6 种茎的14 个活力指标特征向量 Table6 Characteristic vector of 14 vigor indicators of stem

表7 种茎活力综合得分 Table7 Comprehensive score of cassava stem vigor

表8 华南8 号种茎不同老化时间生理生化指标的变化 Table8 Physiological and biochemical indices within different aging times of SC8 cassava stem

表9 南植199 种茎不同老化时间生理生化指标的变化 Table9 Physiological and biochemical indices within different aging times of NZ199 cassava stem

2.4 种茎活力综合得分与其生理生化指标相关性分析

经不同老化时间获得了不同活力的种茎材料,故可由种茎活力综合得分与生理生化指标进行相关性分析,结果见表10。由表10 可知,华南8 号和南植199 种茎活力综合得分与种茎的可溶性蛋白含量呈显著负相关,与种茎淀粉含量呈显著正相关,另外,南植199 种茎活力综合得分还与其种茎脯氨酸含量呈极显著负相关。

3 讨论与结论

种子活力受其贮藏物质数量的制约[29],随着种 子内淀粉、蛋白质、脂肪等贮藏物质含量的提高而逐渐提高[30]。木薯种茎中大量积累的淀粉可为腋芽活力提供必需的能量和结构物质[31]。本研究表明:种茎活力综合得分与种茎淀粉含量呈显著正相关,这与玉米种子的出苗率与种子淀粉含量成正相关[32]和老化白菜种子淀粉含量与种子活力呈正相关[33]的结果一致。因此,可推荐木薯种茎淀粉含量作为种茎贮藏劣变过程中活力强弱的评价指标。

本研究还表明,木薯种茎可溶性蛋白含量随着老化程度的加深而不断升高,且与种茎活力综合得分呈显著负相关。本研究的蛋白质含量随老化程度加深而升高的变化规律,与薄丽萍的不结球白菜种子研究结果相一致[33],但与前人在小麦[7]、白菜[4]种子的研究结果不一致。本研究所揭示的种茎活力与蛋白质相关规律,契合张倩霞在粳稻种子上的研究结果[34]。Srivastava 发现,衰老组织中蛋白质含量在某个阶段表现出忽然上升的现象,他认为是由于合成了新蛋白质的缘故[35];此外,水稻种子老化时会产生一种老化响应热激蛋白OsHSP18.2,并通过限制ROS 积累,保护细胞蛋白在种子成熟脱水、干燥和种子老化过程中的损伤,改善种子活力和种子寿命[36]。据此推测,随着木薯种茎老化程度的加深,其可溶性蛋白含量不断上升的现象,可能是由于种茎不断产生新的逆境蛋白,且大于劣变所消耗可溶性蛋白的速率。因此,可推荐木薯种茎可溶性蛋白含量作为种茎贮藏劣变过程中活力强弱的评价指标。

表10 种茎活力综合得分与生理生化指标的相关性分析 Table10 Correlation analysis between comprehensive vigor scores with physiological and biochemical indices of the stem

植物体内积累大量的脯氨酸,除作为植物细胞质内渗透调节物质外,还在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原等方面起重要作用,常被用来评价种子活力[37]。玉米种子脯氨酸含量在老化过程中呈现上升趋势并与种子活力指标负相关[5],5.55%含水量的朴树种子在常温和4 ℃下贮藏时,种子活力与脯氨酸含量呈负相关[38]。本研究表明,脯氨酸含量与南植199 种茎活力综合得分呈极显著负相关,与华南8号种茎活力综合得分相关系数达-0.899,但未达显著水平。这说明脯氨酸在衡量木薯种茎活力时存在品种差异,不适用于所有品种。

综上,2 个木薯品种的种茎淀粉含量、可溶性蛋白含量与其种茎活力之间,均呈现一致的显著相关关系,因此,可作为木薯种茎贮藏劣变过程中活力强弱的评价指标,并可为筛选木薯种茎贮藏及处理技术提供一定的理论依据。