温湿度对棉花种子萌发过程中生理生化反应影响的研究

李瑞春, 李憬霖, 徐 敏, 叶福民, 朱 鹤, 王子胜

(1.辽宁省经济作物研究所， 辽宁 辽阳 111000； 2.中国农科院棉花研究所， 河南 安阳 455000)

种子作为重要的农业生产资料，萌发由两个方面的因素所决定：其本身的遗传特性、成熟度情况，以及外界的环境条件、人为干扰等。在环境条件中，温湿度条件对种子萌发的影响尤为显著。

温度影响着植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用，以及水和矿质元素的吸收、物质的运输和分配等[1-2]，同时，温度还通过影响酶的活性进而影响植物的生理代谢。姜春明等研究认为，在低温下植物需要提高保护酶，如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等酶促防御系统来清除有害物质，从而有效减轻因低温造成的胁迫伤害[3]。Solomon等研究认为，植物体内的可溶性蛋白质和脯氨酸可以作为细胞结构的保护剂及自由基清除剂，对低温胁迫下的植物细胞起保护作用[4]。另一方面，短时间高温处理能够激活种子内部酶系统，促进其内部的生理生化反应，提升种子活力；但长时间高温会导致细胞膜系统遭到破坏，细胞内含物质的外渗量增加，引起种子劣变，活力下降[5]。Toh S等研究认为，温度过高时，脱落酸(ABA)合成的诱导会抑制赤霉素(GA)的合成，进而抑制种子的萌发[6]。

湿度是影响种子萌发的另一个重要条件，不同种类植物的种子对发芽阶段的湿度要求是不同的。吴红等研究发现，落叶女贞种子在土壤含水量为2%～30%条件下都可以发芽[7]。马亚杰等研究发现，牛筋草种子随着水势的上升，发芽率逐渐降低[8]。Singh D等[9]和Nakashima K等[10]研究认为，在干旱胁迫下，许多转录因子通过单独发挥作用或者共同调控形成互作网络，通过激活该网络控制的一系列生理生化反应，在分子、细胞和整个植物水平上响应和适应干旱。

棉花是典型的喜温作物，前人研究认为，其种子萌发的最低温度为10.5～12 ℃，最高温度为40～45 ℃，最适温度为28～30 ℃[11]，但是有关棉花种子发芽的湿度范围却一直缺少界定指标。为了确定棉花种子在发芽期间适宜的温度和湿度，揭示温度和湿度对棉花种子萌发机制，在不同温湿度条件下，研究比较了棉花种子萌发过程中MDA含量、POD活性和IAA浓度变化，以期从生理生化的角度探索棉花种子活力形成的基础，为棉花的安全生产提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为辽棉23号棉花种子，于2017年收获，光籽。

1.2 试验方法

试验于2018年在辽宁省经济作物研究所进行。

首先用蒸馏水将发芽纸充分浸湿，再用滤纸吸掉多余水分，铺于发芽盒底部。种子在设定温度下用蒸馏水浸泡24 h，吸干表面水分后，均匀排列在发芽盒内。于设定温度下，在人工气候箱内进行发芽试验。培养箱湿度为40%，光照为0(全黑暗处理，模拟种子在土壤内的状态)。

温度梯度利用培养箱进行设定，共设7个温度水平：10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃。湿度梯度利用加水量进行设定，共设5个湿度水平：按照种子干重的20%、40%、60%、80%、100%加入蒸馏水。所有样本按照设定的湿度水平每日进行补水。同时另设一组试验测定计算种子的发芽率。

1.3 发芽率测定

发芽1～7 d，每天08：00—10：00时发芽率，同时根据设定湿度，补充水分。设3次重复，最终结果取平均值。

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1.4 生化指标测定

在发芽1 d、4 d、7 d时，取发芽盒内已经发芽的种子，测定MDA浓度和POD活性水平、IAA浓度。所有指标的测定均重复3次，最终结果取平均值。

采用TBA比色法测定种子MDA浓度，采用愈创木酚法测定种子POD活性，采用紫外吸收法测定IAA浓度。操作方法参考李玲等[12]和张治安等[13]的方法。

1.5 数据处理与分析

利用Excel 2007软件进行数据的初步整理和作图，利用DPS软件进行分析和比较。

2 结果与分析

2.1 不同温湿度条件下棉花种子发芽情况

由图1、图2可以看出，累计发芽率较高的温度是25 ℃和30 ℃，累计发芽率较高的湿度是20%和40%。

图1 不同温度条件下棉花种子发芽率

图2 不同湿度条件下棉花种子发芽率

2.2 棉花种子萌发期间生化指标变化情况

2.2.1MDA浓度变化情况

由图3、图4可知，随着温度的升高，MDA浓度总体呈先升高后降低的趋势，峰值出现在30 ℃左右。随着湿度的升高，第1天的MDA浓度呈逐渐下降的趋势，第4天、第7天的MDA浓度呈先降低后上升的趋势，其最低值分别出现在湿度为80%和60%时；当水分为20%时，MDA浓度较高。总体来看，MDA浓度的峰值与发芽率的峰值相对应。

图3 不同温度条件下MDA浓度变化情况

图4 不同湿度条件下MDA浓度变化情况

2.2.2POD活性变化情况

由图5、图6可知，发芽第1天时，POD活性随温度的升高而上升；随着发芽进程的推进，POD活性总体呈下降、上升又下降的趋势，峰值出现在30 ℃左右。随着湿度的升高，POD活性总体呈不断上升趋势，湿度为20%时，活性最低。

图5 不同温度条件下POD活性变化情况

图6 不同湿度条件下POD活性变化情况

2.2.3不同温湿度棉花种子发芽期间的生长素(IAA)浓度变化情况

由图7、图8可知，随温度的升高，IAA浓度呈先升高后降低的趋势，峰值出现在25～30 ℃。随着湿度的升高，IAA浓度总体呈下降趋势。总之，IAA浓度的变化趋势也与种子发芽的趋势相符。

图7 不同温度条件下IAA浓度变化情况

图8 不同湿度条件下IAA浓度变化情况

2.3 棉花种子发芽期间各指标的相关和回归分析

2.3.1各指标的相关分析

以温度、湿度为自变量，以发芽率、MDA浓度、POD活性和IAA浓度为因变量，进行相关分析，所得结果见表1。

表1 棉花种子发芽期间主要指标的相关分析

由表1可见，随着温度的升高，各指标都呈上升趋势，其中POD活性与温度相关极显著。随着湿度的升高，发芽率、MDA浓度、IAA浓度呈下降趋势，POD活性呈上升趋势；其中发芽率、IAA浓度与湿度极显著负相关，MDA浓度与湿度显著负相关。POD活性与湿度显著正相关。总体来看，发芽情况与MDA浓度、IAA浓度呈现相同的规律，即发芽越活跃，MDA、IAA浓度越高；而POD活性则与之相反，发芽越活跃，POD活性越低。

2.3.2种子发芽期间温湿度与生化指标的回归分析

分别以温度、湿度为自变量，以MDA浓度、POD活性、IAA浓度为因变量，进行回归分析和边缘分析，结果见表2。由表2可见，温度为25.0 ℃时，MDA浓度最高，温度偏高或偏低时，MDA浓度都会下降；湿度在16.1%以上，MDA浓度逐渐上升。温度在47 ℃时，POD活性最高，温度偏高或偏低时，POD活性都会下降；湿度在38.3%时，POD活性最低，湿度偏高或偏低时，POD活性都会上升。温度为25.5 ℃、湿度为37.9%时，IAA浓度最大，温湿度偏高或偏低时，IAA浓度都会有所下降。

表2 种子发芽期间温湿度与生化指标的回归模型

由于MDA浓度和IAA浓度直接反映了种子发芽的活跃程度，可以认为棉花种子发芽的最适温度为25.0～25.5 ℃，最适湿度在40%左右，这与相关分析的结果相符。POD的作用在于分解转化种子发芽期间产生的过氧化物，是种子发芽期间的重要抗逆指标。

3 结论与讨论

3.1 棉花种子最适温度及湿度

通过比较不同温湿度条件下的种子发芽率，以及进一步的相关分析和回归分析。结果表明，棉花种子发芽的最适温度为25.0～25.5 ℃，比以往研究的结果略高，推测其原因在于发芽的方式不同所致。在10 ℃条件下，发芽率几乎为0，与前人的研究结果相符，即棉花种子萌发的最低温度为10.5～12 ℃[11]。40 ℃条件下，虽然前期发芽较为活跃，但最终发芽率并不高，推测其原因在于较长时间的高温导致种子劣变，丧失发芽能力所致[5]。

棉花种子发芽的最适湿度在40%左右，随着湿度的升高，种子的发芽率呈明显的下降趋势。由于本实验是在种子充分吸胀之后进行的，可以认为棉花种子在获得充足水分，激活相关信号物质之后，进一步的发芽过程对水分的要求并不高；相反，如果水分过高还会引起一系列不良反应。

3.2 不同温湿度对棉花种子MDA浓度、IAA浓度的影响

本实验中，无论是从温度还是湿度方面来说，MDA浓度、IAA浓度的峰值都出现在发芽最活跃的阶段：即发芽越活越，2种成分的含量越高。

朱鹤等研究表明，MDA的产生是细胞膜受到破坏的结果，是种子萌发过程中不可避免的现象，逆境胁迫会引起MDA浓度提高，但不是MDA产生的必须条件[14]。本试验中，在最适发芽温度和湿度条件下，MDA浓度最高，再次印证了这个观点。

IAA作为自然界最常见的生长激素，能够促进细胞的分裂、伸长等，直接参与到种子发芽的一系列生化过程。种子休眠解除后，生长素含量增加，之后开始进入萌芽状态[15]。本实验中，IAA浓度的变化与种子发芽率的变化趋势相一致，说明IAA能够促进种子的萌发，这一点与预期相符合。

3.3 不同温湿度条件下，棉花种子POD活性变化对种子内部生理生化反应的影响

POD的主要功能在于分解氧自由基，保护种子不受活性氧的伤害，其活性水平是种子抗逆性的重要指标。随着湿度的升高，种子受到的氧胁迫加剧，POD也会活跃起来以减轻这种胁迫，这一点与预期相符。

温度方面，发芽初期POD活性随温度的上升而上升，说明短期的高温激活了种子内部的酶系统，有利于种子的发芽[5]。发芽第4天和第7天时，随温度的升高，POD活性表现为稍下降-上升-再下降的趋势，峰值出现在30 ℃时左右。这与姜春明等[3]的研究结果相符。随着温度的升高，种子发芽率不断提高，短时间内积累了大量的氧自由基，引起POD活性上升，以清除氧自由基[16]。但是，长时间高温引起种子劣变，逐渐失去活性，各种生理生化反应终止，POD活性也随之降低[5]。因此，当温度高于30 ℃时，随着种子劣变加剧，POD活性也逐渐降低。

综上所述，棉花作为一种原产于温带、抗旱耐瘠薄的农作物，其种子发芽对温度要求较高，需要达到15 ℃以上才能够顺利萌发。对湿度要求不高，只要满足其吸胀需要，后期维持较低水分即可萌发。从机理方面，温湿度通过影响棉花种子的一系列生理生化过程，乃至分子层面的信号转导等，进而影响到种子的萌发。因此，要想深入研究温湿度以及其他外界条件对种子活力的影响，还有许多工作要做。