温度和干旱对小麦种子萌发过程中抗氧化物酶特性的影响

乔 健 吴广俊 翟乃家 张 超 翟吉庆 路笃旭 王光明

（淄博市农业科学研究院 山东 淄博 255033）

小麦是我国主要的粮食作物之一，全世界1/3 以上的人口以小麦为主粮。 种子萌发在小麦生长发育进程中起着关键作用， 研究表明种子的萌发和萌发后幼苗的建成是内外因素相互作用的结果。 外因是指适宜的光照、温度、水分和氧气，内因是指种子自身是否具有足够的储备和是否具有利用这些储备在接受外部信号后启动各种生命活动的生物化学反应的能力[1]。 温度是决定种子萌发的主要因素之一，温度可以影响到种子萌发的一系列过程，如膜透性、膜结合蛋白的活力及水解酶的性质等[2-4]。 最适温度才是种子萌发的理想条件，能提高种子发芽率，加快发芽速度[5]。 有研究表明，玉米种子萌发的下限温度是8℃[6]，低于此下限温度的环境均影响种子的萌发[7]。 水分也是影响种子萌发的重要因素。 干旱胁迫可能贯穿小麦播种至收获的整个生育过程， 是影响小麦生产的主要限制因子， 作物抗旱性研究成为植物抗逆性研究的重中之重[8]。

种子在萌发或遇到不良环境时都会产生较多的活性氧， 而清除这些活性氧就需要抗氧化物酶的参与。SOD 和POD 是植物体内重要的抗氧化物酶，SOD是将超氧阴离子自由基歧化生成氧和过氧化氢，平衡机体氧化和抗氧化作用，CAT 是将过氧化氢分解成氧和水的酶，使细胞免受过氧化氢的毒害[9]。 本文作者通过研究小麦种子在不同的温度和干旱条件下主要抗氧化物酶活性的变化， 进而反映种子萌发情况，为小麦生产管理、预防不良气候条件变化对作物生长发育的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

选用济麦22 为试验材料，所选种子均颗粒饱满且完全成熟。 种子置床前在5%双氧水中消毒种子3 min， 然后用去离子水冲洗2 遍后置于铺有4 层滤纸的发芽盒中，根据试验设计的条件，按标准发芽方法进行。 在萌发的不同时期取样测定相关指标。

在种子萌发过程中，设置温度和干旱2 个处理。其中设置20℃、23℃、26℃、29℃4 个温度水平， 用恒温箱控制温度；采用20%聚乙二醇（PEG-6000）溶液模拟干旱处理。 分别在处理12 h、24 h、36 h、42 h、48 h、60 h 和72 h 取样测定抗氧化物酶活性。

1.2 抗氧化酶活性的测定

采用联合法测定。 其中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性测定方法在赵世杰[10]等方法的基础上作了改进。

样品酶提取液的制备。 称取0.5 g 种胚放入研钵中，加5 mL pH 7.8 的磷酸缓冲液冰浴研磨，匀浆倒入离心管中，冷冻离心（7 000×g）20 min，离心后将上清液（酶提取液）倒入试管中，置于0~4℃下保存待用（短期5 d 之内）。

SOD、POD、CAT 活性测定按照赵世杰的方法进行。

1.3 统计方法

采用Microsoft Excel 2007 处理基础数据，用Sigmaplot 10.0 作图。

2 结果与分析

2.1 温度和干旱对POD 活性的影响

POD 在植物体应对植物逆境胁迫的过程中发挥着重要的作用， 它能够催化分解过氧化物及其他一些酶类， 对因为逆境胁迫引起的植物细胞膜氧化损伤有非常明显的缓解作用，并且能与APX、CAT 等协同作用清除H2O2，保护细胞膜。 从图1 可以看出，在20～30℃内POD 活性随着萌发时间的延长而不断升高。 小麦种子胚中POD 酶活性的这种变化趋势说明随着萌发的推进， 细胞内与代谢相关的清除膜脂过氧化物的能力不断提高[7]。 在26℃下各阶段POD 的活性均高于20℃、23℃、29℃下及20%的聚乙二醇处理时的POD 活性。

图1 济麦22 种子萌发过程中POD 活性的变化

2.2 温度和干旱对CAT 活性的影响

H2O2的清除是细胞彻底消除活性氧的关键，CAT 可以将SOD 等产生的H2O2转化为H2O，与SOD协同反应，使活性氧维持在较低水平上[11]。 由图2 可知，26℃温度下在前40 h 左右CAT 活性逐渐升高，20℃和23℃温度下均在48 h 达到最高值而后下降，这是因为细胞吸涨活化后水溶性蛋白质的增加造成CAT 活性增加，CAT 使得H2O2含量受到抑制。29℃时在42 h 达到最高值后迅速下降。 而20%的聚乙二醇处理在前40 h 酶活基本不变，此后一直上升。

图2 济麦22 种子萌发过程中CAT 活性的变化

2.3 温度和干旱对SOD 活性的影响

SOD 活性的高低是衡量植物抗旱性的重要指标之一，它的主要功能是清除活性氧，是防护氧自由基对细胞膜系统伤害的一种重要的保护酶[8]。 由图3 可知，不同温度处理下SOD 活性先升高，随后缓慢上升或趋于平衡。26℃和29℃下SOD 活性变化均较小，在20℃和23℃温度处理下活性氧含量大量增加，SOD活性一直处于上升状态。20%的聚乙二醇处理的SOD活性一直处于相对较高的稳定状态。

图3 济麦22 种子萌发过程中SOD 活性的变化

3 讨论和结论

在自然条件下， 解除初休眠的种子如遇到不适宜的萌发条件经常会进入次生休眠， 这些不适宜的条件包括温度、光周期、水势和氧气条件，其中温度和水分条件是重要的因子[12-13]。 在小麦种子的萌发过程中抗氧化物酶活性在不同的温度和干旱胁迫下发生着变化并反映着种子萌发的情况。

种子从开始吸水膨胀起抗氧化物酶活性逐步升高用以清除超氧自由基和抵御活性氧， 对修复细胞结构、形成健壮幼苗起着重要作用。

SOD、CAT、POD 是植物抗氧化酶系统中3 种重要的酶，它们在活性氧自由基的清除、过氧化物的清除、 抑制膜脂过氧化等植物抗逆生理方面发挥重要作用[14]。 尤其是SOD,它能够催化超氧化物发生歧化反应，减轻自由基对植物细胞的毒害作用[15]。

本试验发现在小麦种子萌发过程中不同温度下POD 活性都呈上升趋势，因为POD 活性的增长有利于促进种子萌发生长， 但在不同温度下相同时间内23℃和26℃下POD 活性较大， 经干旱处理的种子POD 活性相对较小。 SOD 能催化植物体内的超氧阴离子自由基发生歧化反应生成双氧水和氧气，SOD活性在较低温度和较高温度下会失活，29℃的较高温度可能使SOD 抵御能力下降。 在26℃下种子萌发相对较为适宜， 种子萌发过程中会产生少量活性氧，SOD 活性变化较小。在20℃时活性氧含量大量增加，为了使种子萌发需要提高SOD 的活性。 干旱胁迫也使种子内部产生大量的活性氧， 需要较高的SOD 活性来清除这些活性氧自由基。 在23℃和26℃时CAT活性升高较快且峰值相对较高而后下降， 这时种子收到需要萌发的信号产生大量过氧化物， 随着萌发的进行过氧化物含量减少。 而在干旱胁迫下，种子为缓解受到的氧化损伤， 提高植物对逆境的抗性，SOD活性先处于平稳状态，而后开始上升。

综上所述，小麦种子萌发的相对适宜温度为23～26℃，既要协调好温度又要做好水分的调控，促使小麦正常萌发。