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种子是植物的主要繁殖器官,种子质量的优劣往往会对种苗的培育以及种质资源的安全贮藏造成影响;但种子在完成生理成熟之后,其活力会不断下降直至完全丧失活力,该过程被称为种子老化[1-2]。种子老化会直接影响种子的质量,田间出苗率、出苗整齐度和幼苗质量也会受到一定程度的影响[3-4]。目前,关于种子老化的研究对象大多为蔬菜类和农作物的种子,对林木种子的相关研究数量较少。综合相关文献发现,在种子老化的同时伴随着众多复杂的理化变化,包括膜透性、酶活性、贮藏物质含量、有毒有害物质积累等多个方面的变化[1, 5],但种子老化真正的机理目前尚无定论。
香椿(Toona sinensis (A. Juss.) Roem.)在我国种植广泛,具有材用、食用、药用和观赏等多种重要价值,在世界上享有“中国桃心木”的美称[6-7]。目前,香椿苗木的培育主要采用种子繁殖法[8],但香椿结实存在“大小年”现象,且种子在贮藏过程中极易丧失活力,常温贮藏半年后,种子发芽率由95%降至50%,贮藏1年后,种子完全失活[9-10],这严重限制了香椿种子在生产实际中的应用及香椿种质资源的保存。目前,对于香椿种子活力及种质资源保存的研究主要集中在种源[11]、贮藏温度和含水量[12]、植物生长调节剂[13]等方面,而对于香椿种子老化过程中生理生化的变化及其老化机理的探究相对较少。本文以香椿种子为试验材料,研究人工加速老化对于香椿种子萌发的影响以及生理生化的变化,分析各指标的变化规律及其与种子活力变化的关系,探究香椿种子老化的主要内因并筛选可用于衡量香椿种子活力水平的理化指标,以期为香椿种子活力修复及种质资源保存的相关研究提供理论依据。
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表1表明:高温高湿(温度40℃,相对湿度95%)的环境条件下,香椿种子活力明显降低。发芽率、发芽指数和活力指数变化一致,3个发芽指标在种子老化过程中均表现为逐步下降的变化规律。在老化初期1~4 d发芽率的降速较缓慢,后期5~7 d发芽率快速下降;发芽指数和活力指数的快速下降期为老化初期1~2 d,后期下降变缓,这表明香椿种子在老化初期活力虽然有所下降,但种子在发芽试验过程中仍然可以萌发。由表1中数据可得,老化后的香椿种子活力显著下降,老化4 d的种子发芽率较对照下降36%,发芽指数和活力指数的降幅分别为52%和50%;老化8 d的种子发芽率较对照下降98%,发芽指数和活力指数的降幅分别为98%和99%,种子活力基本完全丧失。分析数据可得,香椿种子老化天数相同时,发芽指数和活力指数的降幅(与对照相比)高于发芽率的降幅(与对照相比),这说明发芽指数和活力指数可以更好的反映香椿种子的质量,对于香椿种子老化程度的变化更敏感。在人工加速老化的条件下,香椿种子发芽率在8 d内从88.50%降至1.50%,发芽指数和活力指数分别从3.99、48.50降至0.06、0.57,这表明老化会对香椿种子造成严重损害,种子活力降低,萌发能力减弱,整齐度下降。
老化时间
Artificial aging
time/d发芽率
Germination
rate/%发芽指数
Germination
index活力指数
Vigor
index0 88.50±2.06 a 3.99±0.04 a 48.50±0.69 a 1 78.00±0.82 b 3.32±0.08 b 38.48±0.41 b 2 71.50±1.50 c 2.45±0.10 c 26.77±1.35 c 3 61.00±1.29 d 2.38±0.05 c 26.71±1.30 c 4 56.50±1.71 d 1.91±0.10 d 24.46±0.26 d 5 37.00±2.52 e 1.45±0.13 e 17.36±0.50 e 6 16.50±2.06 f 0.43±0.07 f 4.05±0.41 f 7 4.00±0.82 g 0.20±0.02 g 2.02±0.20 fg 8 1.50±0.50 g 0.06±0.00 g 0.57±0.01 g 注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: Data with different lowercase letters in the same column are highly significantly different (P<0.05).Table 1. Effect on seed germination of T. sinensis in artificial aging
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由图1可看出:在人工老化过程中,香椿幼苗根长呈先下降后上升再下降的趋势,苗高在老化初期保持稳定,后期呈逐渐下降趋势。在老化初期1~3 d,幼苗根长显著降低,根部的生长受到抑制,根长较对照显著降低17%;老化末期8 d时,幼苗根长较对照显著下降22%;在老化3~7 d过程中,相邻两天幼苗根长无显著变化。在老化5 d时,幼苗苗高显著降低,幼苗的高生长受到抑制,苗高较对照显著下降11%;随着老化程度的加深,幼苗高生长受抑制程度不断加深,在老化7 d时,幼苗苗高较对照显著下降29%。由此可见,随着香椿种子活力的下降,幼苗的高生长和根部的生长均受到抑制,在老化前期,受到影响的主要是幼苗根部,表现为幼苗根长变短,而苗高的变化相对滞后,在老化后期,幼苗苗高显著降低,幼苗的高生长受到抑制。
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由图2可看出:经人工老化处理后的香椿种子浸出液相对电导率均高于对照,表明膜系统可能在人工老化过程中受损。随着老化处理时间的延长,香椿种子浸出液相对电导率逐渐升高,与种子活力的变化规律相反,说明种子浸出液相对电导率的变化可能与香椿种子的活力水平有关。老化1~2 d的种子相对电导率与对照相比无显著差异,说明在老化初期膜系统受损程度较轻的情况下,香椿种子内部可能存在修复机制。随着老化天数增加,相对电导率显著升高,老化3 d的香椿种子浸出液相对电导率为30%,显著高于对照,增幅为51%;老化6 d时,种子浸出液相对电导率为35%,增幅为76%;老化7 d时,种子浸出液相对电导率达到峰值40%,是对照的2倍。这可能是由于在老化过程中,膜系统持续受损,生物膜透性不断增大,内含物质外渗量增加所致。
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图3表明:香椿种子MDA含量总体表现出上升的变化趋势,这与种子浸出液相对电导率的变化规律相一致,与种子活力的变化规律相反,意味着MDA含量或许可以在一定程度上反应香椿种子的活力水平。老化后的香椿种子MDA含量均高于对照,老化2 d的香椿种子MDA含量显著高于对照25%,老化6 d时,MDA含量显著高于对照52%,老化8 d时,MDA含量达到顶峰,显著高于对照62%。图3的变化趋势显示,在种子老化的过程中,随着种子活力的下降,MDA含量升高,而MDA是脂质过氧化的主要产物,因此,推测伴随着种子的老化,种子内不饱和脂肪酸可能受到活性氧攻击,脂质过氧化程度逐渐加深,致使MDA含量升高。
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从图4可看出:随着香椿种子老化程度的加深,种子SOD活性呈先上升后下降的变化趋势。老化1 d时,种子SOD活性显著升高,为对照的3倍;老化4 d时,种子SOD活性达到最大,为对照的6倍;在老化后期7~8 d时,SOD活性较老化4 d时显著下降;与老化4 d相比,老化7 d的种子SOD活性显著下降20%,老化8 d的种子SOD活性降低更多,显著下降53%,但老化后的香椿种子SOD活性均显著高于对照。这表明在高温高湿的环境条件下,香椿种子内的抗氧化酶系统可能产生了一定程度的应激反应,随着种子的老化,SOD活性显著升高,对超氧自由基的清除能力加强,同时产生大量过氧化氢。之后随着种子老化程度的加剧,SOD活性也随之降低,可能导致超氧自由基大量产生并发生积累,加重对种子的毒害。在香椿种子老化初期,SOD活性即出现显著升高,可见SOD对香椿种子老化反应灵敏,可能在香椿种子抗氧化酶系统中起主要作用。
POD活性随着种子老化时间的延长,同样呈先上升后下降的变化趋势。老化2 d时,种子POD活性比对照显著升高27%;在种子老化3 d时POD活性达到顶峰,显著高于对照34%,随后开始下降;与老化3 d相比,老化4 d的种子POD活性显著下降28%,老化5 d时,种子POD活性显著下降44%;在老化后期5~8 d,种子POD活性存在略微波动,但差异不显著,与对照相比,老化5 d的种子POD活性显著下降25%。综上分析可得,在香椿种子轻度老化的 情况下,POD可能对其具有保护效应,表现为种子内POD活性在一定程度上有所上升,但随着种子老化时间的延长,POD活性显著下降,清除过氧化氢的能力降低,种子内过氧化氢可能大量积累,加速种子死亡。
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表2表明:不同老化程度的香椿种子浸出液相对电导率和MDA含量与各发芽指标呈极显著负相关(α=0.01(双侧));相对电导率与发芽率的相关性最高,相关系数为−0.919,MDA含量与发芽指数的相关性最高,相关系数为−0.884;POD活性与各发芽指标呈极显著正相关(α=0.01),相关系数分别为0.599、0.546、0.508,SOD活性与发芽率呈显著负相关(α=0.05),相关系数为−0.393,与发芽指数和活力指数呈极显著负相关(α=0.01),相关系数分别为−0.485、−0.491。综合结果表明:相对电导率、MDA含量和POD活性这3个理化指标与香椿种子各发芽指标均呈极显著相关,适用于香椿种子活力评价。
发芽率
Germination
rate发芽指数
Germination
index活力指数
Vigor
index相对电导率Relative
electrical conductivity−0.919** −0.906** −0.888** MDA含量MDA content −0.840** −0.884** −0.877** SOD活性SOD activity −0.393* −0.485** −0.491** POD活性POD activity 0.599** 0.546** 0.508** 注:*和**分别表示在0.05水平(双侧)和0.01水平(双侧)上显著相关。
Note: * and ** mean that correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed), 0.01 level (2-tailed), respectively.Table 2. The correlation analysis on the vigor of T. sinensis seeds and physiological and biochemical indexes in artificial aging