引发对老化大麦种子可溶性物质及抗氧化酶活性的影响
2019-12-16
(石河子大学农学院， 新疆 石河子 832003)
蛋白质和糖类是种子中最主要的贮藏物质[1]。糖类为胚的生长发育提供营养和能量来源，促进种子萌发[2]。可溶性糖是植物生长发育和基因表达的重要调节因子[3]，它不仅是能量来源和结构物质，而且在信号传导中具有类似激素的初级信使作用[4]，参与植物体内渗透压调节，保证细胞的正常生理功能[5]。蛋白质包括贮藏蛋白和结构蛋白，是种子中重要的营养成分，并控制和调节遗传物质[6]。植物体内的可溶性蛋白大多数是参与各种代谢的酶类，可溶性蛋白含量是了解植物体总代谢的一个重要指标[7-8]。超氧化物歧化酶(SOD)能清除超氧阴离子自由基，保护细胞免受损伤，对机体的氧化与抗氧化平衡起着至关重要的作用。种子老化处理后种子胚中可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性以及过氧化氢酶活性都会发生不同程度的变化，引发处理后这些指标也会发生改变[9]。本研究采用人工加速老化法对甘啤4号大麦种子进行处理，采用PEG和CaCl2引发处理，测定种子胚中可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、CAT活性的变化，筛选出最优引发试剂，为大麦种子贮藏和生产实践上活力的保持提供科学参考。
图1 老化和引发对甘啤4号种子吸胀过程中可溶性糖含量的影响
1 材料与方法
1.1 材 料
选取甘啤4号大麦种子为实验材料，于2017年7月采自石河子大学实验站，保存于-20 ℃种子库。
1.2 种子人工老化处理
种子人工老化采用高温(40 ℃)、高湿(相对湿度80%)老化法[10]。
1.3 种子引发处理
挑选经老化处理后饱满、大小均匀一致的大麦种子适量，经消毒后冲洗干净待用。
PEG引发：取上述处理后的种子适量分别放于烧杯中，加入配制好的PEG溶液中引发，PEG设置0、10%、20%、30%这4种浓度，引发12 h、24 h、36 h。
CaCl2溶液中引发：设置0、5、10、15 mg·L-1这4种浓度，引发12 h、24 h、36 h。将种子置于25 ℃恒温培养箱中浸泡24 h，取出后用蒸馏水冲洗干净，室温下回干备用。
1.4 测定方法
可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[12]，SOD活性的测定采用氮蓝四唑法[13]，POD活性的测定采用愈创木酚法[14]，CAT活性的测定采用比色法[15]。
1.5 数据处理与统计分析
利用Excel软件进行原始数据的计算，SPSS软件进行相关性分析，多重比较采用Duncans法进行，Origin 8.5软件作图。
2 结果与分析
2.1 引发对大麦种子可溶性糖含量的影响
由图1可见，随老化时间延长，干种子胚中可溶性糖含量也显著降低。4种不同活力类型的种子在吸胀24 h时种子胚中可溶性糖含量最低，吸胀72 h时老化0 d、3 d和6 d的种子胚中可溶性糖含量最高，而老化9 d的种子在吸胀48 h时种子胚中可溶性糖含量达到最高，为72.54 mg·g-1(FW)。由此可知，吸胀时间和老化时间都会影响甘啤4号大麦种子胚中可溶性糖含量。
对老化9 d的甘啤4号大麦种子来说，随吸胀时间增加，种子胚中可溶性糖含量呈先缓慢降低，再缓慢升高，最后迅速降低的变化趋势。经过20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，随吸胀时间增加，老化种子胚中可溶性糖含量呈先缓慢降低后缓慢升高，最后又迅速升高的变化趋势。吸胀72 h时种子胚中可溶性糖含量比对照高5 mg·g-1(FW)和3 mg·g-1(FW)。由此可知，引发处理后甘啤4号大麦种子胚中可溶性糖含量升高，并且20% PEG引发效果明显优于10 mg·L-1CaCl2引发。
2.2 引发对大麦种子可溶性蛋白含量的影响
由图2可见，随老化时间延长，种子胚中可溶性蛋白含量也显著降低。由图2可知，吸胀时间和老化时间都会影响甘啤4号大麦种子胚中可溶性蛋白含量。
对老化9 d的甘啤4号大麦种子来说，随吸胀时间增加，种子胚中可溶性蛋白含量呈先缓慢降低、再缓慢升高、最后又缓慢降低的变化趋势。经过20% PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，老化种子胚中可溶性蛋白含量显著升高，明显高于对照。20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，吸胀0 h时种子胚中可溶性蛋白含量明显高于对照，吸胀72 h时反而低于对照，说明引发效果受到吸胀时间的影响，所以在引发过程中必须严格控制吸胀时间。由此可知，引发处理后甘啤4号大麦种子胚中可溶性蛋白含量升高，并且20% PEG引发效果明显优于10 mg·L-1CaCl2引发。
图2 老化和引发对甘啤4号种子中可溶性蛋白含量的影响
图3 老化和引发对甘啤4号种子吸胀过程中超氧化物歧化酶活性的影响
2.3 引发对大麦种子SOD活性的影响
由图3可见，随老化程度加深，种子中SOD活性降低，说明老化降低了甘啤4号大麦种子中SOD活性，而且吸胀时间也显著影响种子中SOD活性。
对老化9 d的甘啤4号大麦种子来说，随吸胀时间增加，种子中SOD活性呈先降低再升高的变化趋势。经过20% PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，老化种子中SOD活性显著升高，明显高于对照。这说明引发效果受到吸胀时间的影响，所以在引发过程中必须严格控制吸胀时间。由此可知，引发处理后甘啤4号大麦种子中SOD活性升高。
2.4 引发对大麦种子POD活性的影响
由图4可见，随老化程度加深，种子中POD活性降低。对老化9 d的大麦种子来说，随吸胀时间增加种子中POD活性呈先降低后升高的变化趋势，吸胀24 h时POD活性最高，为10.65 mg·(g·min)-1，吸胀12 h时POD活性最低，为7.72 mg·(g·min)-1。由此可知老化降低了甘啤4号大麦种子中POD活性，而且吸胀时间也显著影响种子中POD活性。
对低活力甘啤4号大麦种子，随吸胀时间增加，种子中POD活性呈先降低后持续上升的变化趋势。经过20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，老化种子中POD活性显著升高，明显高于对照。20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，吸胀12 h时种子中POD活性分别比对照增加4.8 mg·(g·min)-1和4.62 mg·(g·min)-1；当种子吸胀24 h时种子中POD活性分别比对照增加2.11 mg·(g·min)-1和2.3 mg·(g·min)-1，这说明引发效果受到吸胀时间的影响，所以在引发过程中必须严格控制吸胀时间。由此可知，引发处理后甘啤4号大麦种子中POD活性升高。
2.5 引发对大麦种子CAT活性的影响
由图5可见，随老化程度加深，种子中CAT活性降低。对老化9 d的大麦种子来说，随吸胀时间增加种子中CAT活性呈先升高后降低最后又升高的变化趋势，吸胀12 h时CAT活性最高，为5.98 mg·(g·min)-1，吸胀18 h时CAT活性最低，为5.12 mg·(g·min)-1。老化降低了甘啤4号大麦种子中CAT活性，而且吸胀时间也显著影响种子中CAT活性。
随吸胀时间增加，低活力种子中CAT活性呈先升高后降低最后又升高的变化趋势。经过20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，老化种子中CAT活性显著升高，明显高于对照。20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发处理后，吸胀6 h时种子中CAT活性分别比对照增加2.28 mg·(g·min)-1和1.2 mg·(g·min)-1；当种子吸胀24 h时种子中CAT活性分别比对照增加1.98 mg·(g·min)-1和1.72 mg·(g·min)-1，这说明引发效果受到吸胀时间的影响，所以在引发过程中必须严格控制吸胀时间。由此可知，引发处理后甘啤4号大麦种子中CAT活性升高。
图4 老化和引发对甘啤4号种子吸胀过程中过氧化物酶活性的影响
图5 老化和引发对甘啤4号种子吸胀过程中过氧化氢酶活性的影响
表1 大麦种子发芽指标与贮藏物质和部分酶活性的相关性分析
品种指标可溶性糖可溶性蛋白SODPODCAT甘啤4号GR0.996**0.9470.966*0.962*0.887GP0.987*0.980*0.994**0.9470.946GI0.973*0.8320.8970.996**0.828VI0.976*0.9370.9390.9240.838
注：*表示0.05水平上相关(双尾)，**表示在0.01水平上相关(双尾)。下同。
2.6 大麦种子发芽指标与贮藏物质和部分酶活性的相关性分析
由表1可知，大麦种子发芽指标与可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD和CAT之间存在相关性。对甘啤4号大麦种子来说，GR与可溶性糖呈极显著正相关，与SOD、POD呈显著正相关。
3 结论与讨论
可溶性糖作为种子萌发的能源物质，参与植物渗透压的调节，保证细胞的正常生理功能。植物中的大多数可溶性蛋白质是参与各种代谢的酶。而且，可溶性蛋白质是一种重要的渗透调节物质和营养物质[16]。老化处理显著降低了种子中可溶性糖和可溶性蛋白质的含量[17-18]。在本试验中，甘啤4号大麦种子可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量随着老化程度的增加而显著降低，随吸胀时间增加，高活力和中活力种子胚中可溶性物质总体呈先缓慢降低，再缓慢升高，最后迅速升高的变化趋势，而低活力种子胚中可溶性物质整体呈先缓慢降低后缓慢升高最后又迅速降低的变化趋势。吸胀时间和老化时间均影响大麦种子胚中的可溶性物质含量。引发处理后可溶性物质含量都有不同程度的提高，且含量显著高于对照，尤其低活力种子引发效果最显著。这可能是过氧化作用产生的物质使细胞受到损坏[19]，加速了贮藏物质的降解[20]，也可能是老化加速了种子的呼吸代谢[21]，进而加速了可溶性糖和可溶性蛋白的利用消耗[22-23]。另外，老化抑制了蔗糖的转化和可溶性糖的代谢，并且种子萌发没有足够的能量供应和原料，继而影响种子活力[24]。Rajjou等研究表明，种子在贮藏过程中因贮藏条件的变化导致种子中蛋白质含量发生改变，低活力种子蛋白的合成被阻断，导致种子劣变和活力降低[25]。因此，蛋白质的含量显著影响种子的活力。王自霞发现，随着衰老的加深，种子中SOD、POD和CAT活性显著降低[9]，这与本研究结果相同，老化处理后大麦种子中SOD活性、POD活性和CAT活性显著下降，引发处理后3种酶活性明显增加，而且引发效果根据活力水平、吸胀时间以及大麦品种的不同而发生很大变化。
本研究结果表明，引发处理显著提高了甘啤4号大麦种子的可溶性糖和可溶性蛋白含量，而且引发后甘啤4号大麦种子胚中SOD、POD和CAT酶活性均有不同程度的提升。引发效果不仅与引发浓度和引发时间密切相关，还与引发过程中吸胀时间有关，在本实验中，20%PEG和10 mg·L-1CaCl2引发24 h效果最显著。结果可这为大麦种子贮藏和生产实践上活力的保持提供参考。
