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《植物學報》2016年第一期

摘要

以吉農15號和吉農24號大豆(Glycinemax)品種為材料,根據植株高度平均分為下部、中下部、中部、中上部和上部5個冠層,分析不同冠層種子百粒重、種子活力及萌發7天子葉中抗氧化酶活性和丙二醛含量的變化。結果表明,隨著植株冠層的升高,大豆百粒重呈先略上升后逐漸下降的趨勢,上部冠層種子的百粒重最小。大豆植株下部與中下部冠層種子的發芽率和發芽勢較高;并且該兩層的種子活力指數顯著高于中上部與上部冠層,種子萌發后幼苗的莖粗也顯著大于中上部及上部冠層幼苗。下部與中下部冠層種子萌發時子葉中的抗氧化酶活性高于上部,而丙二醛含量低于上部,說明該兩層的大豆種子活力高,萌發后幼苗健壯且子葉新陳代謝旺盛,是優選良種的最佳冠層。

關鍵詞

大豆,種子活力,抗氧化酶活性

大豆(Glycinemax)是全冠層結莢作物(James,2004),時間效應導致不同冠層大豆種子的成熟度不同,空間效應導致不同冠層大豆種子的某些品質性狀不同(莊炳昌和徐豹,1990)。針對這兩種效應,科研工作者進行了冠層光合作用和產量分布等多項研究,以期為大豆高產品種選育和栽培提供參考(EscalanteandWilcox,1993;莊波等,2010)。馮引弟等(2014)研究了大豆不同節位葉片光合能力及其與產量的關系,發現改善大豆中上部節位葉片的光合能力可以使大豆產量提高。苗以農等(1989)認為在大豆籽粒鼓粒期,植株中上部葉片與中下部葉片相比,有較高的比葉重和葉綠素a/b比值,以適應外界強光和內部種子生長發育的需要,有利于產量的形成。莊炳昌和徐豹(1990)的研究得出,蛋白質含量較高的部位是上層和下層,脂肪則在中下層含量較高。孫卓韜和董鉆(1986)研究表明,有限性品種應著重提高中層的生產能力;無限性品種的產量主要取決于上層和中層生產力的發揮;亞有限型品種則應上、中和下層生產力協調發展,均衡增長。

目前,對種子活力的研究仍然是種子生理學研究的熱點之一(劉軍等,2001)。種子活力是種子潛力的綜合表現,它決定了種子萌發的潛力、出苗的一致性和幼苗正常發育的能力(曹棟棟,2010;ErtseyandMuschick,2010)。大豆子葉在種子萌發過程中新陳代謝旺盛,轉化自身營養物質供幼苗生長時會產生許多活性氧,從而誘發抗氧化酶活性增加,清除過氧化物(Shimetal.,2003;Chenetal.,2006;Dongetal.,2010)。謝特立和Tekrony(2005)研究了不同冠層大豆種子的發芽率與電導率,結果表明下部冠層種子的發芽率最高。但是,關于不同冠層大豆種子活力及其萌發時抗氧化酶活性的研究尚未見報道。本實驗以吉農15號和吉農24號兩個大豆品種為材料,測定了不同冠層種子的活力指標,以及在萌發時超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、過氧化物酶(per-oxidase,POD)和過氧化氫酶(hydrogenperoxidase,CAT)的活性及丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,系統分析了不同冠層種子活力及其萌發時抗氧化酶活性的變化,以期為優選良種和高產栽培提供參考。

1材料與方法

1.1材料供試材料為大豆(Glycinemax(L.)Merr.)品種吉農15號和吉農24號,由吉林農業大學大豆研究所提供。

1.2實驗設計與材料培養田間實驗于2013年在吉林省長春市(43°31′48″N,125°6′E)吉林農業大學大豆實驗田進行,作物生長期間(5–10月)的年平均降雨量為567mm,≥10°C的有效積溫為2880°C,無霜期140天。每個品種種植5行,行長5m,行距0.65m,3次重復,種植密度為2.0×105plant•hm–2。于5月1日播種,采用人工點播方式,于苗期定苗,田間管理與一般大田相同,成熟期取小區中間3行,兩頭各去0.5m收獲。將收獲的大豆按株高平均分為下部、中下部、中部、中上部和上部5個冠層(金劍等,2004),然后把每一冠層上的種子分別脫粒,用于種子活力和生理指標的測定。

1.3測定方法每個冠層設置3次重復,用電子天平測量百粒重。分別挑選籽粒完整且大小均勻的大豆種子300粒,每個重復100粒,用0.1%的HgCl2溶液浸泡消毒10分鐘,去離子水清洗干凈并用濾紙吸干水分后置于直徑12.5cm的培養皿內培養,培養皿底部鋪有濾紙,每個培養皿中加有適量的蒸餾水,恒溫箱((25±1)°C,12/12)中培養。每天補充一定量的蒸餾水,并記錄發芽數。萌發到第7天,每冠層的每次重復隨機選取生長一致的幼苗10株,先用游標卡尺測定幼苗的莖粗,用直尺測定幼苗的下胚軸長和根長。然后將幼苗烘干稱重,再把子葉分離,并與幼苗分別稱重。按下列公式計算發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數(錢森和等,2009)。發芽率=(第7天發芽種子數/供試種子數)×100%發芽勢=(第3天發芽種子數/供試種子數)×100%發芽指數=∑(Gt/Dt)活力指數=幼苗干重×發芽指數其中,Gt為t日內的發芽數,Dt為相應的發芽天數。超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮藍四唑(Nitro-bluetetrazolium,NBT)光化學還原法(張治安和陳展宇,2008)測定,以抑制NBT光氧化還原50%的酶量為1個酶活力單位,用U•g–1表示;過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚法(張治安和陳展宇,2008),酶活性以∆A470•min–1•g–1表示;過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法(張治安和陳展宇,2008)測定,以每分鐘減少0.1個A240值所需的酶量為1個酶活力單位,用U•g–1表示;丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸(4,6-dihydroxy-2-mercaptopyrimidine,TBA)顯色法(張治安和陳展宇,2008)。

1.4數據處理先用MicrosoftExcel2003系統進行數據處理,然后用SPSSVer.16.0軟件(SPSSInc.,USA,IL:Chi-cago)進行差異顯著性分析。

2結果與討論

2.1不同冠層種子的百粒重變化百粒重是體現種子大小與充實程度的一項指標,不同冠層的大豆種子百粒重存在差異。從圖1可以看出,中下層的百粒重最大,說明中下層的種子最大。隨著冠層的升高,兩個品種百粒重均呈先略上升后逐漸下降的趨勢,上部的種子最小。吉農15號中下部的百粒重分別比下部、中部及中上部高0.68%、0.73%和4.79%,但未達顯著水平,中下部種子百粒重比上部高6.13%,差異顯著(P<0.05);吉農24號中下部的百粒重分別比下部及中部高0.59%和3.19%,但差異不顯著,中下部種子的百粒重分別比中上部及上部高7.61%和10.32%,差異顯著(P<0.05)。

2.2不同冠層種子的發芽率和發芽勢變化從表1可以看出,吉農15號和吉農24號大豆種子萌發到第7天時發芽率隨著冠層由下往上呈下降趨勢,下層的發芽率高,上層的發芽率低,但兩個品種各冠層的種子發芽率差異均未達到顯著水平。吉農15號和吉農24號的發芽勢隨著冠層從下往上表現為先下降后上升,中層的發芽勢最低。中部種子的發芽勢顯著低于下部、中下和上部(P<0.05)。

2.3不同冠層種子萌發后幼苗各部位干重的變化子葉是大豆重要的貯藏器官,其貯藏的營養物質用于種子萌發和幼苗的生長。圖2A顯示了大豆種子萌發到第7天不同冠層子葉干重的變化,隨著冠層由下往上,子葉干重呈下降趨勢,下部的子葉干重最大。吉農15號下層、中下層和中層的子葉干重比中上層及上層的子葉干重高,且差異達顯著水平(P<0.05),吉農24號下層和中下層的子葉干重也顯著高于上層(P<0.05)。從圖2B可以看出,吉農15號和吉農24號去子葉幼苗干重隨著冠層從下往上呈逐漸下降趨勢,下層的去子葉幼苗干重最大,上層最小。去子葉幼苗干重代表了轉化為幼苗生長的貯藏物質和光合產物的多少。吉農15號下層去子葉幼苗干重分別比中下層、中層、中上層及上層高12.64%、14.87%、17.53%和24.73%,吉農24號下層無子葉幼苗干重分別比中下層、中層、中上層及上層高11.43%、15.09%、40.20%和40.50%。圖2C顯示,吉農15號和吉農24號帶子葉幼苗干重隨著冠層從下往上逐漸降低。下層帶子葉幼苗干重顯著高于其它冠層,中下層帶子葉幼苗干重顯著高于中上層和上層。吉農15號下層帶子葉幼苗干重分別比中下層、中層、中上層及上層重6.31%、9.25%、15.13%和24.12%;吉農24號下層帶子葉幼苗干重分別比中下層、中層、中上層及上層重7.61%、10.71%、19.90%和23.17%。

2.4不同冠層種子的發芽指數和活力指數變化由圖3A可知,吉農15號和吉農24號的發芽指數先降低后升高,中層的發芽指數最小,但各冠層之間種子發芽指數的差異未達顯著水平。圖3B顯示了不同冠層大豆種子活力指數隨著冠層從下往上呈下降趨勢,下部的種子活力指數最大,說明下部的種子活力最高。下部及中下部冠層的種子活力指數顯著高于上部和中上部冠層(P<0.05),而中上部與上部冠層的種子活力指數間差異未達顯著水平。吉農15號品種下部冠層的種子活力指數分別比中部、中上部及上部的高15.41%、21.50%和24.67%。吉農24號下部冠層的種子活力指數分別比中部、中上部及上部高15.93%、23.82%和27.07%。

2.5不同冠層種子萌發后幼苗莖粗和下胚軸長度變化幼苗莖和下胚軸的生長狀況能夠反應幼苗的健壯程度,評估幼苗對惡劣環境的適應能力,并且對產量有重要的影響。從表2可以看出,吉農15號和吉農24號的莖粗隨著冠層從下往上呈逐漸變小趨勢,下層種子萌發后幼苗莖粗最大,下層和中下層幼苗莖粗顯著大于中上層及上層幼苗(P<0.05)。吉農15號的幼苗下層莖粗分別比中下層、中層、中上層及上層高2.27%、5.63%、8.17%和8.70%;吉農24號的幼苗莖粗,下層分別比中下層、中層、中上層及上層高1.02%、3.13%、10.61%和15.12%。兩個品種上部冠層幼苗的下胚軸最長,中下部冠層幼苗的下胚軸最短。吉農15號中下部冠層幼苗的下胚軸顯著短于其它冠層,分別比下層、中層、中上層及上層短5.46%、7.16%、9.93%和22.53%。吉農24號中下部冠層幼苗的下胚軸分別比下層、中層、中上層及上層短4.71%、4.71%、6.87%和8.81%,并且與它們的差異達顯著水平(P<0.05)。

2.6不同冠層種子萌發過程中抗氧化酶活性及MDA含量變化從表3可以看出,吉農15號和吉農24號種子萌發時子葉的SOD活性隨著冠層從下往上逐漸降低,下部的SOD活性最高,中下部次之,上部最低。吉農15號下部冠層種子萌發時子葉的SOD活性比中部、中上部及上部分別高9.86%、16.25%和23.43%,且差異顯著(P<0.05)。吉農24號下部冠層種子萌發時子葉的SOD活性比中部、中上部及上部分別高20.38%、37.57%和55.23%,且差異顯著(P<0.05)。萌發第7天,不同冠層大豆子葉中的POD活性呈先上升后下降趨勢,中下部的POD活性最高。吉農15號中下部大豆子葉中的POD活性比下部、中部、中上部及上部高8.51%、9.27%、10.19%和13.71%,各冠層差異未達顯著水平。吉農24號中下部大豆子葉中的POD活性比下部、中部、中上部以及上部高3.73%、4.38%、9.09%和19.38%,上部的POD活性顯著低于中部、下部和中下部(P<0.05)。萌發7天時的大豆種子從下部到上部冠層,子葉中CAT活性變化規律與SOD相似,也呈由高到低的變化趨勢,下部的CAT活性最高,上部最低。吉農15號下部冠層大豆種子萌發時子葉中CAT活性分別比中部、中上部及上部高12.09%、13.09%和20.55%,且差異顯著(P<0.05),但中下部、中部、中上部及上部之間的差異不顯著。吉農24號下部大豆子葉中CAT活性分別比中部、中上部及上部高11.49%、17.14%和24.66%,且差異達顯著水平(P<0.05)。從表3還可看出,隨著冠層的上升大豆子葉中的丙二醛含量逐漸增加。吉農15號下部、中下部和中部大豆子葉中的丙二醛含量顯著低于中上部以及上部(P<0.05),并且下部、中下部、中部及中上部的丙二醛含量分別比上部低34.92%、33.40%、31.25%和16.06%,且差異顯著(P<0.05),但是下部、中下部和中部大豆子葉中的丙二醛含量差異未達到顯著水平。吉農24號下部、中下部、中部及中上部大豆子葉中的丙二醛含量分別比上部低26.92%、23.50%、19.03%和9.80%,且差異達顯著水平(P<0.05)。

2.7討論陳禪友(1992)的研究表明,種子成熟度越高,出苗率越高。楊曉杰和孫志琳(2003)的研究指出,大豆的種子活力會影響到田間的種植及產量。孫卓韜和董鉆(1986)的研究指出,在生育前期幼苗莖稈粗壯,出苗健壯,有利于獲得理想株型,提高抗倒伏能力。本實驗結果表明,下部及中下部冠層的大豆種子籽粒大,發芽率高,活力指數大,發芽后幼苗的莖也比其它冠層粗。這與下部冠層籽粒的成熟度好,籽粒更飽滿有關。種子萌發過程中,各種代謝活動啟動,產生的活性氧會導致細胞膜結構破壞,而楊永青和汪曉峰(2004)的研究曾提到在種子膜結構的保持與修復過程中,許多不同類的保護物質(如糖和酶等)參與了反應,并且膜系統具有較強自身保護及修復能力的種子,活力更強。SOD在植物細胞的葉綠體、線粒體和細胞質中均有分布,其主要功能是催化O2•–歧化為H2O2,保護細胞膜(Takahashietal.,1983;Alscheretal.,2002;Dongetal.,2010)。種子在萌發過程中,產生的活性氧可由SOD、CAT和POD清除,SOD把超氧游離基變成H2O2、CAT及POD,把H2O2變成H2O和O2(Alscheretal.,2002;Dongetal.,2010),維持活性氧的動態平衡,減輕活性氧導致的脂質過氧化作用,保護種子在萌發過程中膜結構的完整性。CAT活性越高,清除的H2O2越多,從而減輕細胞膜結構的損傷,延緩大豆子葉的衰老。丙二醛是細胞質膜脂質過氧化的產物之一,其含量高低及種子浸出液的外滲電導率大小可以反映細胞膜脂的過氧化水平、膜受傷害程度(張治安等,2005;李合生,2006)及衰老程度。本實驗結果表明,萌發7天時下層及中下層大豆子葉中的SOD、CAT和POD活性高,丙二醛含量低,中上層及上層的抗氧化酶活性低,丙二醛含量高,說明下層及中下層的大豆種子萌發時子葉新陳代謝旺盛,衰老速度慢,有利于幼苗的生長。隨著大豆植株各冠層從下往上,百粒重呈先略增高然后下降的變化趨勢,各冠層種子的發芽率無顯著差異,中層的發芽勢最低。下層及中下層大豆種子的活力指數高,去子葉幼苗干重也高,幼苗莖粗大,子葉中抗氧化酶活性高,丙二醛含量低,種子長出的幼苗健壯,子葉中供給幼苗生長的營養物質豐厚,新陳代謝旺盛,是優選良種的最佳冠層。

作者：陳思羽 劉鵬 朱末 夏冬冬 李亮 徐克章 陳展宇 張治安 單位：吉林農業大學農學院