微量元素在油菜种子引发中的调控作用及实用性

邓凤玲 李春生 顾建伟

摘要：为了提高油菜（Brassica napus L.）种子活力以增强种子萌发和幼苗阶段的抗逆性，试验通过响应面分析方法对不同微量元素组合间效应进行比较分析，得出对油菜种子活力提升效果最佳的元素组合，并进一步验证了该组合对不同油菜品种生长发育和最终产量的影响。结果表明，Se（5.0 mg/L）、B（5.0 mg/L）、Zn（100.0 mg/L）、Mo（1.0 mg/L）对油菜种子萌发均具有明显的促进作用；响应面分析得出最佳微量元素配比组合为Se（6.7 mg/L）+B（7.5 mg/L）+Zn（82.3 mg/L）+Mo（4.6 mg/L），在此配比组合处理下，幼苗期可溶性蛋白质的累积量提高且幼苗的抗逆性也有明显增强；不同品种中的应用试验证明该配比组合处理可显著提高其单株产量（P<0.05）。

关键词：油菜（Brassica napus L.）；种子引发；种子活力；微量元素；产量

中图分类号：S565.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）06-0005-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.002 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Regulation and practicability of trace elements in the priming of rape seeds

DENG Feng-ling， LI Chun-sheng， GU Jian-wei

（School of Life Science and Technology， Hubei Engineering University， Xiaogan  432000， Hubei， China）

Abstract： In order to improve the seed vigor of rape （Brassica napus L.） to enhance the stress resistance during seed germination and seedling stage， the effects of different trace element combinations were compared and analyzed by response surface analysis method to derive the element combination with the best effect on rape seed vigor improvement， and the influence of this combination on the growth， development and final yield of different rapeseed varieties was further verified. The results showed that Se （5.0 mg/L）， B（5.0 mg/L）， Zn（100.0 mg/L） and Mo （1.0 mg/L） had significant effects on seed germination. Response surface analysis showed that the optimal combination of trace elements was Se （6.7 mg/L）+B （7.5 mg/L）+Zn （82.3 mg/L）+Mo （4.6 mg/L）. Under this combination， the accumulation of soluble protein was significantly improved， and the stress resistance of seedlings was also significantly enhanced. The application experiments in different rape varieties proved that this combination could effectively increase the yield per plant （P<0.05）.

Key words： rape（Brassica napus L.）； seed priming； seed vigor； trace elements； yield

种子是农业生产的基础，高活力种子可以在多变的大田环境下快速整齐萌发并形成健壮幼苗，提高作物对不利环境的抵抗能力，保证农作物增产稳产。但是在长期储存和销售过程中，种子会逐渐老化，造成种子活力降低［1，2］，导致种子播种后的萌发率降低及出苗情况变差，直接影响次年作物产量，因此种子活力的维持对种子的储存和次年产量保障具有重要意义。种子干燥储存和低温储存都需要较高的成本来维持，因此通过廉价且有效的方法来提高种子活力就变得极具价值。

种子引发处理技术最早于20世纪70年代由Heydecker等［3］提出，即在种子播种之前，通过渗透、温度、气体和生长调节剂等多种调节方式控制种子逐步吸水和缓慢回干，以达到提高种子萌发活力的目的。目前常见的种子引发处理方法包括水引发、渗透调节引发、同位素引发、生物引发、生长调节剂引发和固体基质引发等，每种方法各有不同但各有其优势。

微量元素指的是在生物体中含量低于体质量0.01%的元素，主要包括铁、锌、硒、铜、铝等［4］。虽然微量元素在生物体内的含量极低，但却发挥着重要的生物学作用，不仅参与酶、生长调节剂、维生素和核酸的代谢过程，而且在物质运输、酶成分和激活剂的组成、核酸代谢等方面也发挥着重要作用［5］。微量元素在植物体中的含量虽低，但却对植物的生长发育起着至关重要的调控作用，是植物体内多种酶与辅酶的组成部分；植物缺乏任何一种微量元素都会存在不同程度的生长受限情况，导致产量和品质降低［6，7］。相反，在植物生长期间，定期补充适量的微量元素，植株的生理机能就会相对较为旺盛，不仅能从细胞水平改善生理活性，还能提高原生质的浓度，增强作物抗性并加快营养物质的累积速度［8-12］。在植物的生长过程中，每种元素都各自发挥着重要作用，缺一不可，但各元素并不是单独发挥作用，而是彼此影响，彼此制约，共同调控作物的生长发育过程［13，14］。单独补充一种元素所达到的增益效果较为有限，因此近年来出现了较多可以同时适量补充多种微量元素的组合肥料，但由于各地土壤环境结构不同，微量元素组成差异较大，很难确定合适的微量元素组合配比，这也是目前微量元素肥料生产所面临的难题［15］。

微量元素对种子的萌发及生长过程具有显著调控作用。例如，张子学等［16］使用不同浓度的硼、铜、锌、铁、锰和钼等微量元素处理大豆种子，结果表明适宜浓度的微量元素可以提高大豆种子的发芽率、主根长度和侧根数量。2 mg/L的硒处理可使烟草种子萌发率达最大值，而2、4 mg/L的硒处理可分别使云烟87和红花大金元幼苗根系活力达最大值［17］。1～10 mg/L的硫酸镁溶液浸种显著提高大豆种子的萌发活力，而100～1 000 mg/L的硫酸镁溶液结合100 mg/L的硝酸钙溶液浸种仍可促进甜菜种子萌发［18，19］。这些结果表明适量的微量元素处理对种子活力提升和发育进程的加快都具有显著促进作用，但不同元素的效应存在物种间差异［16-19］。此外，目前已有的研究多为对单一元素的探究或是通过正交试验探究2种元素交互作用对植物的影响，较少有探究多种元素相互组合的配比及其对植物生长发育的影响。

油菜（Brassica napus L.）是中国重要的油料作物，具有重要的食用和工业用价值［20］。本研究在分析不同微量元素对油菜种子萌发过程调控作用的基础上，通过响应面优化分析得出最优的元素组合配比，进一步探究不同微量元素组合对种子活力的影响，并验证其对油菜产量提升的实用性和广谱性，为开发基于微量元素处理的种子引发剂奠定基础，这对于缓解种子活力降低对田间作物生长造成的不利影响，帮助农民增产增收和推动农业发展都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

微量元素配比引发相关试验所用材料为双低油菜品种中双12；微量元素配比的实用性和广谱性研究所用油菜品种为中双12、阳光2009、阳光131、华油杂62、中油杂7819、中油杂19。所有种子于2020年收取，由中国农业科学院油料作物研究所提供。

1.2 试验设计

1.2.1 种子引发处理 选取子粒饱满、圆润且大小均一的油菜种子，置于75%乙醇溶液中浸泡5 min，对种子表面进行消毒，之后用超纯水反复冲洗3～5次，洗去种子表面残留的乙醇，置于不同浓度（C）的各微量元素溶液中（表1，所用浓度以微量元素含量为计算依据），同时使用超纯水以相同方式对种子进行处理（H2O）。20 ℃黑暗环境下浸种处理24 h。浸种处理结束后，用75%乙醇溶液处理5 min，超纯水反复冲洗3～5次后用无菌滤纸吸干表面残留水分，置于20 ℃黑暗条件下干燥24 h后于4 ℃低温干燥保存备用或直接用于后续试验。以不做处理的干种子作为对照（CK）。

1.2.2 不同微量元素最佳处理配比分析 最佳微量元素处理配比采用响应面设计方法确定，即通过试验得到不同浓度微量元素引发对种子活力的作用，采用多元二次回归方程拟合不同微量元素浓度与响应值即萌发指数间的函数关系，通过对回归方程的分析寻求最佳微量元素处理浓度。具体方法如下：选取不同浓度单一元素对种子进行引发处理并做表型分析，在此基础上，利用Design-Expert 8.0.6软件响应面设计中的中心复合设计法（Central composite design，CCD）选项考察不同元素组合处理对油菜种子萌发指数的影响，响应面考察因素与水平见表2。

1.2.3 胁迫处理 配制5%PEG-6000溶液用来模拟干旱胁迫环境，将引发处理后的种子置于相应的干旱胁迫溶液中，以水引发处理的种子（CK）作为对照，每个处理设3个重复。以0.8%NaCl溶液来模拟盐胁迫环境，处理方法与干旱胁迫相同。20 ℃黑暗条件下萌发，于0、12、24、36、48 h取样，迅速放入液氮中冷冻并碾磨用于后续试验或者放入-80 ℃超低温冰箱保存。

1.2.4 引发处理的实用性探究 采用盆栽方式种植油菜，每盆等量分装混合均匀的营养土，每个品种种植10株。对种子进行微量元素配比引发后，置于20 ℃培养箱内催芽，48 h后播种。将油菜置于同一适宜自然环境下统一管理并记录油菜各项生长指标。播种后的第30天，检测株高、单株叶片数等指标，并随机选取3株留样，拍照并测量鲜重。在油菜生长成熟后，收割并统计最终株高、单株角果数、每角粒数和千粒重等相关农艺性状。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 萌发指数和萌发率 处理后的种子置于铺有两层滤纸的培养皿中并加相应的处理溶液润湿滤纸，每皿40粒种子，每隔12 h记录种子的萌发状况，直至72 h后萌发结束。萌发结束后，计算油菜种子萌发指数（GI）和萌发率。

萌发指数（GI）=∑Gt/ Dt

式中，Gt为萌发试验期间（3 d）的

1.3.5 丙二醛（MDA）含量 作物样品加液氮后碾成粉末，称取0.1 g样品于离心管内，加入1 mL提取液冰浴匀浆，8 000 r/min、4 ℃离心10 min，取上清，再加入MDA工作液和0.6% 硫代巴比妥酸（TBA）溶液后，充分混匀，置于沸水中孵育30 min，取出后冰浴冷却，以10 000g、4 ℃离心10 min，取上清转入酶标板，分别检测样品在波长450、532、600 nm处的吸光度。

1.4 数据处理

所有数据均使用Graphpad Prism 8.0.2软件进行统计和分析。每项试验均重复3次或3次以上，计算标准偏差并采用单因素方差分析评估其统计学差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同浓度元素对油菜种子萌发的影响

结果（图1）表明，除Mg外，较低浓度的不同元素引发处理均可提高种子的萌发率和萌发指数，且萌发指数达显著水平（P<0.05），但对种子的最终萌发率没有显著影响。Cu、Zn、B和Se在较高浓度下会对种子产生毒性作用，降低种子的萌发指数或萌发率，或二者均降低，尤以Cu的降低作用最显著。因此，在后续响应面分析试验设计中不添加Mg和Cu两种元素。

2.2 不同微量元素对种子萌发的最佳处理配比分析

为确定各微量元素组合对种子萌发促进作用的最佳配比，首先采用响应面Central-Composite设计方法对元素组合进行优化设计，并统计了不同元素组合处理条件下种子萌发指数的变化（表3）。

利用 Design-Expert8.0.6软件进行方差分析，结果（表4）表明，模型显著（P<0.000 1），表明模型具有统计学意义。模型F为83.49，R2为0.993 0，表明试验误差较小，试验数据与预测值吻合。此外，失拟项不显著，说明模型与试验的差异较小，没有拟合因子的损失。校正决定系数R2为0.970 9，表明自变量引起的萌发指数变化占97.09%。变异系数为0.79%，表明模型中只有0.79%的变异，进一步证明该模型具有良好的拟合优度，可用于多种微量元素组合进行引发处理的初步分析和预测。然后通过拟合得到萌发指数（Y）和各元素（A、B、C、D）浓度的统计回归方程，如下：

Y=6.99-0.037A+0.057B+0.061C+0.072D+0.058AB+0.021AC-0.013AD+9.963×10-3BC-0.033BD+1.757×10-3CD-0.120A2-0.090B2-0.100C2-0.110D2+0.022ABC+0.030ABD+3.692×10-3ACD+0.024BCD-0.050A2B-0.016A2C-8.689×10-3A2D+0.014AB2+0.018ABCD-6.657×10-3A2B2

在此回归模型中，极显著的模型项有A、B、C、D、AB、BD、A2、B2、C2、D2、ABD、A2B，显著的模型项有AC、ABC、BCD、ABCD（表4）。

在CCD分析优化的基础上，进一步确定了微量元素组合引发处理对种子萌发促进作用的最佳组合配比为Se浓度6.7 mg/L、B浓度7.5 mg/L、Zn浓度82.3 mg/L、Mo浓度4.6 mg/L（T1），在此条件下，种子的萌发指数为48.526，与模型预测值48.807相当。验证结果表明，该模型能够较准确地预测优化结果，可用于微量元素组合配比的确定。该微量元素组合引发处理的种子萌发指数与H2O引发处理相比上升了19.33%，故使用合适配比的微量元素组合引发处理对种子活力的提升具有更显著的作用。

2.3 微量元素组合处理对油菜种子萌发的效应分析

为进一步探究微量元素组合对油菜种子萌发过程的影响，使用微量元素组合溶液T1对油菜种子进行引发处理，并在干旱和盐胁迫条件下对油菜种子萌发过程中的生理生化指标进行分析，以进一步从生理层面探究微量元素引发处理对油菜幼苗时期生物合成、新陈代谢和抗逆能力等方面的影响。结果表明，T1可以显著提高油菜种子在正常和干旱胁迫条件下的萌发活力，表现为萌发指数、萌发率及幼苗的芽长、根长和鲜重的提升，但在盐胁迫环境下T1对油菜种子活力的提升效果并不明显（表5）。

可溶性蛋白质含量是衡量植物体内代谢活性的重要指标。在种子正常萌发过程中，体内可溶性蛋白质含量逐渐升高，干旱和盐胁迫会明显抑制可溶性蛋白质的积累。多微量元素最佳配比组合引发处理T1可提高种子及萌发幼苗中的可溶性蛋白质含量，在12、24、36 h分别比CK增加85.12%、48.84%和31.87%，同样的趋势在干旱和盐胁迫条件下也可以观察到；在48 h时，CK与T1间的可溶性蛋白质含量并无差异，但在不同的胁迫条件后，T1可溶性蛋白质含量均较CK有所增加，在干旱胁迫条件下，可溶性蛋白质含量增加85.19%，在盐胁迫条件下，可溶性蛋白质含量增加38.43%（图2A）。这表明T1可能通过提供充足的微量元素以提高蛋白质合成关键酶的活性并催化反应速率，从而促进种子中的可溶性蛋白质积累，有助于实现种子及幼苗的快速生长，占据有利生长空间。在胁迫条件下，T1不仅可促进可溶性蛋白质含量的积累，还可能调节植物内源生长调节剂的合成和信号传导，实现植物生长调节剂的再平衡，在一定程度上缓解由胁迫导致的生长限制。

种子可溶性糖是种子萌发早期重要的能量来源，其含量一般在萌发过程中呈逐渐降低的趋势。在种子萌发过程中，T1可溶性糖含量较CK有所下降，12、24、36 h分别下降18.27%、11.13%和13.25%；在干旱和盐胁迫条件下，萌发过程中T1与CK的可溶性糖含量均有所升高但两组间无显著差异；在48 h时，各组间可溶性糖含量趋于一致，仅有T1低于各组（图2B）。综合以上结果，在种子萌发过程中，种子体内储存的糖分经分解代谢转化为其他营养物质，供给种子萌发和生长，T1种子萌发过程中可溶性糖含量在各时间段均低于其他各处理，表明T1的种子可以更快速地将糖分分解，转化为其他营养物质；在干旱和盐胁迫条件下，各组间的可溶性糖含量均无显著差异，表明在干旱和盐胁迫条件下，微量元素引发处理并不能有效影响糖分的分解代谢。

在正常生长环境下，油菜幼苗的MDA含量维持在一个较稳定的水平，在微量元素组合引发处理后，种子及萌发幼苗中的MDA含量均低于CK；在24～48 h，T1的MDA含量与CK存在显著差异（P<0.05），与CK相比，T1的MDA含量在24 h降低了41.86%、在36 h降低了31.53%、在48 h降低了37.95%；在干旱胁迫条件下，各时间段幼苗MDA含量及变化与正常环境下相近，T1的MDA含量均低于CK；在盐胁迫条件下，虽然CK与T1的MDA含量均高于正常环境，但在此条件下T1的MDA含量较CK均有所下降，其中12 h时下降最多，达32.79%（图2C）。这些结果表明微量元素引发处理有利于维持幼苗活性氧代谢的平衡，降低了种子中累积的活性氧，增强了作物的抗逆能力。

2.4 微量元素组合对不同品种油菜农艺性状的影响

对不同品种油菜种子进行多微量元素最佳配比引发处理（T1），培养第30天统计株高和叶片数，以评估T1引发处理对不同品种油菜生长的长期影响。结果表明，试验所选取的6个油菜品种在T1下的株高均大于CK，除阳光131品种外，其余品种株高均与CK存在显著差异（P<0.05），其中阳光131提升16.19%，阳光2009提升34.17%，华油杂62提升24.91%，中双12提升29.68%，中油杂7819提升20.85%，中油杂19提升27.49%，各品种平均株高提升26.4%（图3）。叶片数变化也显示了类似的趋势，在选取的6个品种中，除阳光131外，T1明显提高了不同品种油菜幼苗的单株叶片数，且在中双12品种中，单株叶片数较对照提升20.36%，存在极显著差异（P<0.01）。在油菜生长至第30天时，6个品种的平均单株叶片数平均提升9.24%。

在油菜生长成熟后，收割并统计最终株高、单株角果数、每角粒数、千粒重等相关农艺性状，并推算平均单株产量，结果如表6所示。阳光131品种在多微量元素最佳配比引发处理后，株高与CK无较大差异，单株角果数和千粒重略有降低，但每角粒数有所增加，最终单株产量显著增加3.23%（P<0.05）；阳光2009品种在多微量元素最佳配比引发处理后，株高和单株角果数比CK均显著增加（P<0.05），但每角粒数和千粒重略有降低，最终单株产量增加3.56%（P<0.05）；华油杂62品种在多微量元素最佳配比引发处理后，除千粒重指标外，其余指标均显著高于CK，最终产量增加8.58%（P<0.05）；中双12品种在多微量元素最佳配比引发处理后，单株角果数和每角粒数无较大差异，但株高和千粒重有所提升，平均单株产量提升6.31%（P<0.05）；中油杂7819品种在多微量元素最佳配比引发处理后，除每角粒数与CK相比无较大差异外，其余各项指标均显著高于CK（P<0.05或P<0.01），最终单株产量增加6.71%（P<0.05）；中油杂19品种在多微量元素最佳配比引发处理后，千粒重较CK降低3.09%，但株高、单株角果数和每角粒数均显著高于CK（P<0.05或P<0.01），单株产量增加9.16%（P<0.01）。综合试验所选取的6个油菜品种产量数据，统计得出对油菜种子进行适量微量元素组合引发处理后播种，可增强种子活力和植株抗逆能力，促进增产，与对照相比平均增产6.26%。

3 小结与讨论

油菜作为世界上重要的油料作物，促进其产量提升对相关产业发展极具价值。种子活力是指在大田环境下决定种子快速、整齐萌发并形成健壮幼苗的潜力，是影响油菜产量和品质的重要因素。微量元素是植物生长发育过程中不可或缺的重要因素，适量添加微量元素可调控植物体内酶活性，加快其生长发育进程，以达到增产增收的目的。目前关于多种微量元素之间相互作用共同调控油菜种子活力的文献还相对较少，本试验拟通过探究微量元素组合对油菜种子萌发的调控作用及田间生产的实用性，为后续微量元素肥料的研发和推广提供理论及实践依据。

本试验通过比较不同微量元素组合间效应，借助响应面优化分析，得出对油菜种子活力提升效果最佳的元素组合及配比为Se（6.7 mg/L）+B（7.5 mg/L）+Zn（82.3 mg/L）+Mo（4.6 mg/L）。该元素组合处理后可显著促进油菜种子萌发并提升油菜苗期营养物质累积和代谢速度，增强抗逆性，在正常和胁迫条件下表现出更高的萌发指数和幼苗质量。并且这种促进作用在常规油菜品种中双12和其他5个不同杂交油菜品种中均有表现，分别在不同程度上提高了油菜植株的生物量和单株生产潜力，表现出增产效应，其中阳光131增产效应最小，中油杂19增产效应最大，表明使用微量元素组合对种子进行引发处理在油菜农业生产过程中具有一定的实用性和广谱性，但是对不同油菜品种的效应不同，可能受到不同遗传背景的影响。同时，仅在单一环境下进行了该处理组合的多品种效应分析，还需要通过多年多点的大田试验进一步验证该处理组合对不同品种的效应。

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