扁穗雀麦种子成熟过程生理响应及适宜收获期研究

田 宏，张鹤山，熊军波，刘 洋

(湖北省农业科学院畜牧兽医研究所/湖北省动物胚胎工程及分子育种重点实验室，武汉 430064)

雀麦属(Bromus)是天然草地和人工牧场中有利用价值的牧草资源，我国有71种[1]。该属下的扁穗组(Sect.Ceratochloa)植物有3种，其中扁穗雀麦(BromuscartharticusVahl.)主要分布在美洲的温带和热带山地，具有秋冬季生长速度快、分蘖多、生物产量高和种子收获后植株仍保持青绿等特点，现在全世界温带地区栽培较广[2]。我国20世纪40年代引进，最早在南京种植，表现为一年生或越年生，属冷季型牧草。目前多分布在华中、西南、西北等地，且很多地方存在大量逸生种[3]。显著的产量、强于一年生黑麦草(Loliummultiflorum)的抗旱和适应性让扁穗雀麦越来越受到种、养殖户的青睐，尤其在长江流域及以南地区，是解决草食家畜冬春饲草缺乏的优质牧草[4-5]。

优良牧草的推广利用，离不开高质量的种子。作为应对复杂生态环境的种子，其发育和成熟属一种进化优势，大多数植物因为具备了这一特征，可在不利条件下中断生命周期，而在有利条件下恢复生长延续种族[6]。但种子收获过早，种子活力不足，品质降低[7]；过晚则种子脱落，造成减产[8]，因此确定适宜的收获期是种子生产和保证其质量的关键。研究发现，种子的含水量、千粒重、脱氢酶活性等指标与收获期有密切关系[9-10]。因此，本研究以扁穗雀麦“江夏”和“黔南”两个品种为试验材料，对其种子成熟过程中的生理响应进行探讨，旨在为其高产优质种子生产适时收获提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在湖北省农业科学院畜牧兽医研究所牧草种质资源圃，东经114°10′，北纬30°18′，海拔29.6 m。土壤为丘陵黄壤，瘠薄粘重，结构性差。pH=5.16，有机质1.82%，碱解氮110.0 mg·kg-1，有效磷36.7 mg·kg-1；速效钾240 mg·kg-1。

1.2 材料和方法

供试材料为扁穗雀麦品种“江夏”和“黔南”，均为国家认定品种。2018年播种，穴播，株行距60 cm×60 cm，种植面积3 m×5 m，3次重复。生长期间常规管理，无灌溉和施肥。当群体50%的植株开花时，随机选择花期相对一致的单株20个挂牌，从第8天开始每隔4 d取样1次，直至种子成熟。每次取样品3份，一份直接测水分和干重、一份经液氮冷冻处理后放-80 ℃冰箱保存用于生理指标测定、一份自然风干后测千粒重。

1.3 测定内容

种子含水量采用高恒温烘箱法[11]；千粒重用分析天平称重法[12]；淀粉和可溶性糖含量用蒽酮比色法[13]；ATP和脱氢酶活性分别用荧光素酶和TTC法[14]。

1.4 数据处理

采用Excel 2017软件进行数据处理和作图，用DPS 17.10统计软件对同年份各指标进行单因素方差分析，用新复极差法(Duncan)比较不同处理间的差异显著性(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 种子含水量和干重变化

由图1可知，扁穗雀麦种子含水量随其发育成熟呈持续下降趋势，且各时期差异显著(p<0.05)。发育初期(花后第8天)“江夏”和“黔南”种子含水量最高，达74%左右。直至花后第23天，两品种种子水分虽已减少，但含水量仍高达60%。自花后第28天，“江夏”种子含水量开始急剧下降，到第38天含水量仅有21.83%，每天的失水率达4.94%。“黔南”较“江夏”有所不同，该阶段含水量仍较高(42.06%)，之后种子严重失水，到花后第43天，每天失水率高达6.45%，种子含水量相比发育初期(花后第8天)下降77.96%。

与此同时，扁穗雀麦种子干重变化也较大。初期“江夏”和“黔南”干重最低，分别为0.25 g和0.30 g，随着时间的推移，种子干重逐渐增加。“江夏”在花后第13～28天表现尤为突出，每天干重的增加量为0.05～0.07 g，到花后第38天干重达最高值(1.22 g)，与花后第42天差异不显著。“黔南”干重变化与“江夏”略有不同，其物质积累最快时期出现在花后第13～18天(0.08 g·d-1)，之后日增重略有减少，但在花后第23～33天又出现小高峰(0.05～0.06 g·d-1)，该品种干重最大值出现在花后第43天(1.37 g)。

2.2 千粒重变化

扁穗雀麦“江夏”和“黔南”千粒重变化在花后第8～33天基本一致(见图2)，随着种子的发育成熟千粒重显著增加(p<0.05)，其中“黔南”在第33天千粒重达最大值(14.13 g)。之后两品种差异较大，“江夏”表现出先降后增的趋势，且各时期差异显著(p<0.05)，至花后第43天千粒重达最大(12.73 g)，显著高于其他阶段(p<0.05)。“黔南”则持续下降，到花后第43天比最大千粒重减少了28.94%。

2.3 种子可溶性糖和淀粉含量变化

由图3可知，“江夏”扁穗雀麦种子可溶性糖在开花后7 d内含量较高，而淀粉含量相对较低。花后第13天可溶性糖含量达最大值(112.80 mg·g-1)，之后开始下降，到花后第28天含量减少到最低(31.23 mg·g-1)，随后各时期尽管有增有减，但差异不显著。淀粉含量变化与可溶性糖相反，花后第8～38天持续增加，尤其在花后第28～38天积累迅速，每日的增加量达36.13 mg·g-1和26.65 mg·g-1。花后第43天虽然淀粉含量(506.30 mg·g-1)稍有下降，但与花后第33天和第38天差异不显著。“黔南”可溶性糖含量变化与“江夏”在种子发育早期一样，均呈增加趋势，于花后第13天达最大(106.76 mg·g-1)，之后开始下降，自花后第23天开始其含量保持在35.00～45.00 mg·g-1之间。淀粉含量除花后第28天出现了一个下降的转折外，其余各阶段均随着种子的发育成熟逐渐增加，与“江夏”不同的是其淀粉含量最大值(429.27 mg·g-1)出现在花后第43天，与花后第33天和第38天差异不显著。

2.4 种子ATP变化

在种子发育过程中，两品种的ATP含量变化差异较大(见图4)。“江夏”扁穗雀麦种子ATP变化呈现“降-升-降”趋势，在发育初期ATP含量相对较高，为2.88 μmol·g-1，花后第13天显著下降，之后又开始增加，到花后第23天达小高峰，但与花后第18天ATP含量(2.57 μmol·g-1)差异不显著。随着种子水分的散失，ATP含量持续下降，到花后第43天仅为1.77 μmol·g-1。“黔南”扁穗雀麦种子ATP含量在不同收获期变化较小，前期含量也是相对较高，花后第8～28天基本保持在2.7～2.9 μmol·g-1之间，到花后第33天，虽然达最高值(3.09 μmol·g-1)，但与前期差异不显著。与“江夏”相同的是，“黔南”同样在花后第43天ATP含量最低，且差异显著(p<0.05)。

2.5 种子脱氢酶活性变化

如图5所示，“江夏”在种子发育初期脱氢酶活性最高，为0.253 0 μg·(min·g)-1，随着种子的发育，脱氢酶活性下降，在花后第28天显著低于花后第8天(p<0.05)。之后脱氢酶活性开始显著增加，到种子成熟末期达0.250 7 μg·(min·g)-1，与花后第33天和第38天差异不显著。“黔南”脱氢酶活性变化在花后第13～28天也呈下降趋势，但与“江夏”不同之处是在花后第13天和第33天脱氢酶活性相对较高，分别为0.256 8 μg·(min·g)-1、0.260 2 μg·(min·g)-1，且在花后第33天表现为持续下降。“黔南”扁穗雀麦种子不同收获期脱氢酶活性虽然有高有低，但差异不显著。

3 结论与讨论

种子含水量和干重是种子生理成熟的两个重要指标。通常认为，种子在达到最大干重并趋于稳定时进入生理成熟期，扁穗雀麦“江夏”和“黔南”两品种生理成熟期基本一致，为花后第38天。随着种子的发育，含水量与其关系密切，研究者们都希望通过种子含水量的变化规律得出最适宜的收获条件。本研究发现，随着扁穗雀麦种子的成熟，含水量在各阶段显著下降，这与Hebblethwaite等[15]的研究结果相一致，而这种变化在其他牧草青海扁茎早熟禾(Poapratensis)[16]、小花碱茅(Puccinelliatenuiflora)[17]、柳枝稷(Panicumvirgatum)[18]中也存在。虽然含水量变化规律整体相同，但在此过程中最大失水率出现的时期却不同，“江夏”为花后第33～38天，“黔南”为花后第38～43天，这可能与种子成熟快慢有较大关系。试验中发现，“江夏”在花后第28天种子大部分颜色已变为浅黄，颖果有一定硬度；而“黔南”种子颜色多为绿色，还处于乳熟期。到花后第33天，“江夏”种子已到完熟初期，淀粉含量接近最大值，种子基本可以收获；但“黔南”种子处于蜡熟期，且淀粉含量还在继续增加。随着时间的推移，扁穗雀麦种子成熟度增加，种子脱水显著。“江夏”到生理成熟期含水量仅为21.83%，而“黔南”尽管前期种子发育速度较“江夏”慢，但在外界逐渐升高的气温条件下成熟进程加快，导致其种子在花后第38～43天显著脱水。这种变化与Hebblethwaite等[15]、Hill等[19]对十几种牧草的研究结果相同，说明种子含水量的变化与草种、天气都有不可分割的关系。

种子千粒重的变化可以反映种子在成熟过程中物质积累量的变化，同时千粒重大小对种子活力有一定的影响。顾日良等[20]发现，玉米(Zeamays)种子百粒重和容重随着收获期的推迟而显著增加，到授粉后59 d达最大值。宫晶等[21]研究表明，不同基因型的小麦(Triticumaestivum)在6个灌浆期种子的千粒重变化趋势一致，随着时间的推移不断增加，且差异显著。兰剑等[22]研究认为，可通过千粒重是否达到恒定值来确定多年生黑麦草(Loliumperenne)的适宜收获时间。本研究发现，扁穗雀麦两品种的千粒重在花后第33天之前表现与其他禾本科作物基本一致，随着生育期逐渐增加，但之后略有差异。“江夏”千粒重最大值出现在花后第43天，“黔南”则于花后第33～38天趋于稳定，而这与其落粒性有较大关系。扁穗雀麦属散逸种栽培驯化而来，种植时间相对较短，和其他禾本科牧草类似，存在较严重的种子成熟不一致和脱落现象。研究中发现，“江夏”种子相对“黔南”种子成熟较早，在花后第28天种子达形态成熟，种子干重持续增加，到花后第33天种子饱满，颜色黄亮，但种子落粒严重。到花后第38天采样种子有的是植株后期发育种子，千粒重下降，而到花后第43天时，植株上所有种子都已完全成熟饱满。“黔南”种子成熟稍晚，且小穗在植株上持久性相对较好，因此在花后第33～38天种子相对饱满稳定，随着种子的成熟，落粒严重，后熟种子占据主体，千粒重下降。

可溶性糖是植物光合作用产物中的非结构性碳水化合物，主要包括蔗糖、葡萄糖和果糖等，种子中可溶性糖种类和含量在发育、成熟、贮藏和萌发中有很大变化。对于扁穗雀麦两个品种，可溶性糖含量变化基本一致，在花后第13天达最高，之后逐渐减少，到花后第28～43天差异不显著。作为禾本科植物种子中最主要的贮藏物质淀粉，与可溶性糖含量关系密切，其中蔗糖浓度直接影响着淀粉的积累速率[23]。随着扁穗雀麦种子的发育，淀粉含量逐渐增加，“江夏”和“黔南”均于花后第33～43天趋于稳定。本试验中，扁穗雀麦种子收获后期可溶性糖和淀粉变化与课题组前期研究略有差异[13]，但与刘文辉等[16]、孙建阳等[18]、王思思等[24]的研究结果相同。这种不同年份间的两贮藏物质的变化可能与当地气候条件有较大关系，2018年种子成熟后期降雨较多，造成淀粉水解；而2019年同时期气候相对干旱，种子成熟饱满，淀粉含量相比较高。

ATP作为可被生物直接利用的细胞内能量传递的“分子通货”，是表征生命体活力最直接的因子，在种子贮存、输送和释放能量过程中起着重要作用，直接反映种子的能量代谢水平。扁穗雀麦和“黔南”和“江夏”两品种ATP含量相对较高时期正是种子籽实快速增加阶段，而含量较低大多出现在早熟饱满种子脱落、后熟种子由蜡熟向完熟转化的时期。另外，本研究发现，在同一时期，“黔南”种子的ATP含量相比“江夏”品种高，这可能与其种子饱满粒大有一定关系。顾增辉等[25]认为，种子质量大则具有更多的线粒体和较高的磷酸化效应，这种效应可使种子具有较高的发芽潜力；段乃彬等[26]对国家种质资源中期库不同保存时间的4种作物种子ATP含量研究也发现，单粒质量大的种子ATP含量相对较高，其顺序为玉米>大豆(Glycinemax)>小麦>水稻(Oryzasativa)。

在种子发育过程种，脱氢酶是种子呼吸过程中的一类重要催化剂，通常认为其活性大小与种子呼吸作用的强弱及种子活力的高低有着密切关系。Perry[27]发现，脱氢酶活性、ATP含量作为活力的测定指标与各类种子活力有很好的相关性，是种子活力较为灵敏的生化指标。张桂莲等[28]对水稻的研究发现，随着种子的发育脱氢酶活性大小与种子活力高低基本呈正相关；王宁等[29]对6个不同小麦品种不同收获期下的种子活力研究发现，成熟度好，脱氢酶活性高。本试验中，扁穗雀麦“江夏”和“黔南”脱氢酶活性并未表现出明显的随种子成熟增加的趋势，这与前期对该草种的研究有所不同[13]，说明TTC含量作为检测扁穗雀麦种子活力的指标还有待进一步验证。