胚乳切割与置换对小麦种子萌发和幼苗生长的影响

罗秋辞 沈华苑 李盈佳 张英华 杨承美 王志敏

(中国农业大学 农学院，北京 100193)

种子萌发和幼苗生长被认为是植物生长的关键阶段[1]。种子萌发包括吸水膨胀的物理过程、营养物质转化的生物化学过程和种胚萌芽的生物学过程3个阶段[2-3]。在种子萌发过程中胚与胚乳发生密切的相互作用，并协同响应光[4]、温度[5-6]、营养[7]和水[8-9]等环境因素的变化。研究发现环境信号可以调节种子中的激素代谢以及种子对激素的响应[10-12]。

在种子萌发过程中，种胚起主导作用，会向胚乳发出信号，诱导胚乳中贮藏物质降解，促进营养物质向胚流动[13]。但近年来研究发现，在种子萌发过程中，胚乳也具有积极的调控作用，并能感应环境变化。拟南芥种子被分离重置的胚乳能够感受光信号，并合成和分泌ABA调控胚的生长[14]。因此胚乳功能表达可能并不完全受种胚的调控，种子萌发过程中胚与胚乳之间不仅有物质的转换，也存在信号的转导[15]，胚乳能够通过主动释放信号调控胚的生长[16]。目前，深入揭示胚与胚乳之间的互作机制已成为植物生理学研究的热点之一。

为了研究胚和胚乳的互作关系，进行胚乳置换可能是一种有用的方法。胚乳置换是将原种子胚乳去掉，仅留下种胚与其他去胚种子的胚乳连接固定从而实现胚乳替换的方法[17]。胚乳置换可以在同一品种、不同品种和不同作物种子之间进行，以此可以探究异源种子胚乳对种胚萌发生长的调控影响[17]。20世纪50—60年代，国内外曾有关于单子叶作物种子胚乳切割和种胚嫁接的研究报道[18-19]，但对小麦胚乳切割置换方法的可行性，置换后发芽出苗及中后期生长的影响及胚乳置换后胚与外源胚乳之间的信号转导和物质交换尚未见报道。本研究对小麦种子切割和胚乳置换方法的有效性进行测试，旨在探明胚乳置换对小麦种子萌发和苗期生长的影响，以期为探究种子萌发过程中胚乳与胚的互作机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用4个小麦品种，分别为‘S38-2’、‘藁优5766’、 ‘农大3753’和‘ML-1’，其中‘藁优5766’为强筋品种，‘农大3753’为黑粒品种，‘S38-2’和‘ML-1’为常规品种材料。

1.2 试验处理

试验于2018—2019年在中国农业大学温室进行。包括2组不同品种的小麦种子胚乳置换试验处理。第1组试验(E1)相互置换品种为‘S38-2’和‘藁优5766’，见表1；第2组试验(E2)相互置换品种为‘农大3753’和‘ML-1’，见表2。

表1 胚乳置换试验1(E1)处理及代号Table 1 Treatments and corresponding abbreviation of endosperm replacement test 1 (E1)

1.3 胚乳置换试验

选取饱满一致的小麦种子，用20%的H2O2消毒15 min并用蒸馏水冲洗干净后在水中浸泡3 h，此时种子尚未萌动露白，易于进行胚乳置换。

用单面刀片根据图1(a)所示进行切割，沿虚线方向将小麦种胚与胚乳分离后，将每组中两不同品种小麦种子胚乳置换，滴1滴无菌水在胚乳切割口，待表面因水湿润而糊化后，再将另一品种的种胚粘合上去进行固定。即将小麦品种1的种胚与品种2的胚乳结合固定，品种2的种胚与品种1的胚乳结合固定。试验环境要求清洁无菌，切胚乳过程要求一刀切下，速度快，角度准确，保证切割面的平滑，便于与种胚进行接合。试验增加了置换失活的胚乳这一处理，失活胚乳即是在浸种前将正常种子在微波炉中高温加热2 min，以使种子失去活性。

表2 胚乳置换试验2(E2)处理及代号Table 2 Treatments and corresponding abbreviation of endosperm replacement test 2 (E2)

(a)小麦种子切割方向与位置; (b)小麦种子胚乳置换过程;(c) 胚乳置换后的小麦种子SG; (d)胚乳置换后的小麦种子HA(a) Cutting direction and position of wheat seed; (b) The process of wheat seed’s endosperm replacement; (c) The wheat seed SG after replacing the endosperm; (d) The wheat seed HA after replacing the endosperm图1 胚乳置换法切割示意图Fig.1 Schematic diagram of endosperm replacement method

将接合好的小麦种子静置2 h，之后播种在盛土的杯中，每杯播种10粒小麦种子，保持土壤湿润，待发芽出苗生长至3叶1心时将其带土移栽到大花盆中，每盆10株， 3次重复。盆栽各处理幼苗生长于温室中。

1.4 性状测定

调查小麦种子的发芽率及发芽后2、4、7 d的芽长。在播种后的不同时期对小麦生长状态拍照观察记录，在幼苗1叶期、2叶期、3叶期和植株成熟期进行农艺性状调查。植株样品在75 ℃下持续烘干至恒重测植株干物重。长宽法测叶面积，计算公式为：叶面积=叶长×叶宽×0.85。

1.5 数据统计分析

数据汇总，分析用Excel整理。方差分析使用Spass 16.0软件分析完成。

2 结果与分析

2.1 种子发芽率和芽长

如表3所示，与正常小麦种子(S，G，M和N)相比，种子切割并进行胚乳置换后的种子(SG，SS，GS，GG，NM，NN，MN和MM)均可发芽，但发芽率有所下降，同一品种和不同品种胚乳置换处理(SS与SG，GG与GS，NN与NM，MM与MN)的发芽率表现基本相似。置换失活胚乳的种子(SL，GL，NL和ML)发芽率则显著低于正常小麦种子。正常小麦种子(S，G，M和N)发芽后幼芽生长较快于胚乳置换各处理(SG，SS，GS，GG，NM，NN，MN和MM)，但同品种和不同品种胚乳置换处理之间幼芽生长差异并不显著，且其芽长都显著高于胚乳失活处理(SL，GL，NL和ML)。

2.2 幼苗株高

发芽后调查幼苗生长的变化，如表4所示，2组试验中胚乳置换处理(SG，SS，GS，GG，NM，NN，MN，MM)的幼苗长势均低于正常种子生长的幼苗(S，G，M，N)，表现在1叶期和2叶期株高显著低于正常种子的幼苗。但在3叶期，S与SG、SS相比株高差异已不明显。同一品种和不同品种胚乳置换处理间(SG与SS，GS与GG，NM与NN，MN与MM)比较，幼苗的株高差异很小，但均显著高于胚乳失活处理(SL，GL，NL，ML)。

表3 不同胚乳置换处理种子发芽率及芽长Table 3 Germination rate and the bud length of wheat seeds under different treatments

表4 不同胚乳置换处理的幼苗株高Table 4 Plant height of wheat seedlings under different treatments cm

2.3 幼苗叶面积

如表5所示，1叶期正常小麦幼苗(S，G，M，N)叶面积显著高于胚乳置换处理的小麦幼苗(SG， SS， GS，GG，NM，NN， MN， MM)，但同一品种和不同品种胚乳置换处理之间(SG与SS，GS与GG，NM与NN， MN与MM)叶面积差异很小，且均显著高于胚乳失活处理(SL，GL，NL，ML)。在正常胚乳置换处理的小麦幼苗达到2叶期时，胚乳失活处理小麦幼苗(SL，GL，NL，ML)尚未进入2叶期，其叶面积显著小于其他处理。至3叶期时，正常小麦幼苗(S, G, M, N)叶面积虽仍保持较大优势，但胚乳置换处理(SG, SS, GS, GG, NM, NN, MN, MM)小麦幼苗叶面积明显增加，与正常对照幼苗差异缩小，且仍显著高于胚乳失活处理的幼苗(SL, GL, NL, ML)。

2.4 苗期干重变化

测定发芽后胚乳及幼苗干重动态，如图2、图3和表6所示，两组试验胚乳置换处理的小麦幼苗(SG, SS, GS, GG, NM, NN, MN, MM)生长迟缓，在2叶期与3叶期的干重均显著低于正常对照种子(S, G, M, N)生长的幼苗，但同品种和不同品种胚乳置换处理的幼苗干重差异不明显(SG与SS, GS与GG, NM与NN, MN与MM)，胚乳失活后置换处理(SL，GL，NL，ML)的幼苗干重最低。从胚乳贮藏物质消耗动态看，正常对照种子和置换正常胚乳的种子均表现出随幼苗生长，胚乳消耗增加，但置换失活胚乳的种子其胚乳消耗明显较少。

2.5 植株产量

各处理幼苗在盆栽条件下生长至成熟。经观测，胚乳置换处理虽幼苗期生长缓慢，但中期生长发育加快，开花期与正常处理植株相近或比正常植株提前。即使是胚乳失活处理，虽有个别植株生长较弱而中途衰亡，其他成活植株均持续生长至成熟。成熟期考察产量及其构成因素，如图4、图5和表7所示，胚乳置换处理在穗数、每穗粒数、粒重和产量方面，与正常对照植株间的差异不显著，胚乳失活处理的小麦植株(SL,GL,NL和ML)穗数较少，但单株产量与其他处理的差距很小或不显著。

各处理编号参见表1。图4同。See Table 1 for each treatment abbreviation. The same in Fig.4.图2 E1各处理间小麦幼苗在萌发10(a)和20(b) d后的生长差异比较Fig.2 Wheat growth differences in seedling stage after 10 (a) and 20 (b) d of germination between different treatments in E1

各处理代号见表2。图5同。See Table 2 for each treatment abbreviation. The same in Fig.5.图3 E2各处理间小麦幼苗在萌发10(a)和20(b) d后的生长差异比较Fig.3 Wheat growth differences in seedling stage after 10 (a) and 20 (b) d of germination between different treatments in E2

表6 不同胚乳置换处理的幼苗干重Table 6 Dry weight of wheat seedlings under different treatments mg

图4 E1各处理间小麦植株生长125 d后生长差异比较Fig.4 Wheat growth differences after 125 d of growth between different treatments in E1

图5 E2各处理间小麦植株生长125 d后生长差异比较Fig.5 Wheat growth differences after 125 d of growth between different treatments in E2

表7 不同胚乳置换处理的小麦成熟期产量及产量构成因素Table 7 Yield of wheat plants at maturity under different treatments

3 讨 论

尽管在20世纪50—60年代就有关于种胚嫁接的报道[17]，但其方法一直未被实际应用。在本试验中，对小麦同一品种和不同品种的种子进行胚乳切割，将一个种子切下的胚部与另一个不同种子切下的胚乳直接对接，利用断面糊化淀粉粘合，可实现胚乳置换，置换后的新“种子”在土壤中能够发芽出苗并正常生长。观察表明，胚乳置换的种子与正常种子相比，其发芽率有所下降，且幼芽及幼苗生长速率均较为迟缓，但渡过缓慢的幼苗期后，其生长速率则明显加快，开花期不会晚于正常种子发芽的植株，且最终产量与正常植株相近。试验结果表明，对小麦种子胚乳进行人为切割，只要胚部完整，切割后的胚与从其他种子切割下的胚乳相接合，胚的活性并不受明显抑制，可以完成正常的发芽过程和成苗生长。通常认为，胚乳的损伤对种子萌发、发芽以及苗期生长具有非常不利影响[20]，但从本结果看，仅仅胚乳损伤，其对种子发芽生长的影响很小。种子胚乳切割后与同品种种子胚乳置换或与不同品种种子胚乳置换，均能发芽且其发芽后幼苗生长基本相似，这表明，种子的萌发主要由胚调控，胚乳切割-粘合过程并没有对胚和胚乳的功能及其相互关系造成显著抑制性影响。

本研究发现，失活胚乳置换处理的种子也能发芽，这是因为小麦种子在胚乳切割后，胚的部分仍存在少量胚乳，能够起到短时间营养供应的作用，但之后的幼苗生长过程，主要依赖于失活胚乳低效率的物质转化和供应，进而导致幼苗生长迟滞，而正常胚乳置换的种子胚乳物质不断被消耗，其耗减速度和同期耗减量虽低于正常未置换处理的种子，差距并不显著，却显著高于失活胚乳置换的种子。说明，正常胚乳切割和置换处理的种子，在发芽过程中其胚乳组织和细胞能持续进行生物学代谢活动，胚乳物质被转化并能被胚生长利用。对比正常小麦幼苗，胚乳置换后的小麦幼苗长势虽有减弱，但中后期趋于一致。因此，胚乳置换后的小麦种子萌发、出苗和幼苗生长能够有效吸收外源胚乳提供的营养，且不影响植株中后期生长和产量形成。

在禾谷类作物种子萌发过程中，胚和胚乳相互作用，胚感知环境变化，释放信号，诱导胚乳物质降解并向胚运转[21]；胚乳具有保护种胚完整性，并为胚的萌发提供营养等功能[21]。一些研究显示，胚乳也能够通过感知环境变化而产生信号调控胚的生长发育[13-14]。在本试验中，对胚乳进行了切割和置换后，胚和幼苗仍能吸收外源胚乳的营养，其养分吸收和运转方式与机制并不清楚，需要深入研究。已观察到胚乳置换处理幼苗生长缓慢而中后期发育加快的现象，这表明由于胚乳切割造成的幼苗早期生理胁迫和不同品种胚乳置换导致的外源生理物质吸收可能引发了基因表达的差异性变化[22]，值得关注和探讨。