大豆植株种子活力与抗氧化酶活性范文

《植物学报》2016年第一期

摘要

以吉农15号和吉农24号大豆(Glycinemax)品种为材料,根据植株高度平均分为下部、中下部、中部、中上部和上部5个冠层,分析不同冠层种子百粒重、种子活力及萌发7天子叶中抗氧化酶活性和丙二醛含量的变化。结果表明,随着植株冠层的升高,大豆百粒重呈先略上升后逐渐下降的趋势,上部冠层种子的百粒重最小。大豆植株下部与中下部冠层种子的发芽率和发芽势较高;并且该两层的种子活力指数显著高于中上部与上部冠层,种子萌发后幼苗的茎粗也显著大于中上部及上部冠层幼苗。下部与中下部冠层种子萌发时子叶中的抗氧化酶活性高于上部,而丙二醛含量低于上部,说明该两层的大豆种子活力高,萌发后幼苗健壮且子叶新陈代谢旺盛,是优选良种的最佳冠层。

关键词

大豆,种子活力,抗氧化酶活性

大豆(Glycinemax)是全冠层结荚作物(James,2004),时间效应导致不同冠层大豆种子的成熟度不同,空间效应导致不同冠层大豆种子的某些品质性状不同(庄炳昌和徐豹,1990)。针对这两种效应,科研工作者进行了冠层光合作用和产量分布等多项研究,以期为大豆高产品种选育和栽培提供参考(EscalanteandWilcox,1993;庄波等,2010)。冯引弟等(2014)研究了大豆不同节位叶片光合能力及其与产量的关系,发现改善大豆中上部节位叶片的光合能力可以使大豆产量提高。苗以农等(1989)认为在大豆籽粒鼓粒期,植株中上部叶片与中下部叶片相比,有较高的比叶重和叶绿素a/b比值,以适应外界强光和内部种子生长发育的需要,有利于产量的形成。庄炳昌和徐豹(1990)的研究得出,蛋白质含量较高的部位是上层和下层,脂肪则在中下层含量较高。孙卓韬和董钻(1986)研究表明,有限性品种应着重提高中层的生产能力;无限性品种的产量主要取决于上层和中层生产力的发挥;亚有限型品种则应上、中和下层生产力协调发展,均衡增长。

目前,对种子活力的研究仍然是种子生理学研究的热点之一(刘军等,2001)。种子活力是种子潜力的综合表现,它决定了种子萌发的潜力、出苗的一致性和幼苗正常发育的能力(曹栋栋,2010;ErtseyandMuschick,2010)。大豆子叶在种子萌发过程中新陈代谢旺盛,转化自身营养物质供幼苗生长时会产生许多活性氧,从而诱发抗氧化酶活性增加,清除过氧化物(Shimetal.,2003;Chenetal.,2006;Dongetal.,2010)。谢特立和Tekrony(2005)研究了不同冠层大豆种子的发芽率与电导率,结果表明下部冠层种子的发芽率最高。但是,关于不同冠层大豆种子活力及其萌发时抗氧化酶活性的研究尚未见报道。本实验以吉农15号和吉农24号两个大豆品种为材料,测定了不同冠层种子的活力指标,以及在萌发时超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、过氧化物酶(per-oxidase,POD)和过氧化氢酶(hydrogenperoxidase,CAT)的活性及丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,系统分析了不同冠层种子活力及其萌发时抗氧化酶活性的变化,以期为优选良种和高产栽培提供参考。

1材料与方法

1.1材料供试材料为大豆(Glycinemax(L.)Merr.)品种吉农15号和吉农24号,由吉林农业大学大豆研究所提供。

1.2实验设计与材料培养田间实验于2013年在吉林省长春市(43°31′48″N,125°6′E)吉林农业大学大豆实验田进行,作物生长期间(5–10月)的年平均降雨量为567mm,≥10°C的有效积温为2880°C,无霜期140天。每个品种种植5行,行长5m,行距0.65m,3次重复,种植密度为2.0×105plant•hm–2。于5月1日播种,采用人工点播方式,于苗期定苗,田间管理与一般大田相同,成熟期取小区中间3行,两头各去0.5m收获。将收获的大豆按株高平均分为下部、中下部、中部、中上部和上部5个冠层(金剑等,2004),然后把每一冠层上的种子分别脱粒,用于种子活力和生理指标的测定。

1.3测定方法每个冠层设置3次重复,用电子天平测量百粒重。分别挑选籽粒完整且大小均匀的大豆种子300粒,每个重复100粒,用0.1%的HgCl2溶液浸泡消毒10分钟,去离子水清洗干净并用滤纸吸干水分后置于直径12.5cm的培养皿内培养,培养皿底部铺有滤纸,每个培养皿中加有适量的蒸馏水,恒温箱((25±1)°C,12/12)中培养。每天补充一定量的蒸馏水,并记录发芽数。萌发到第7天,每冠层的每次重复随机选取生长一致的幼苗10株,先用游标卡尺测定幼苗的茎粗,用直尺测定幼苗的下胚轴长和根长。然后将幼苗烘干称重,再把子叶分离,并与幼苗分别称重。按下列公式计算发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数(钱森和等,2009)。发芽率=(第7天发芽种子数/供试种子数)×100%发芽势=(第3天发芽种子数/供试种子数)×100%发芽指数=∑(Gt/Dt)活力指数=幼苗干重×发芽指数其中,Gt为t日内的发芽数,Dt为相应的发芽天数。超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮蓝四唑(Nitro-bluetetrazolium,NBT)光化学还原法(张治安和陈展宇,2008)测定,以抑制NBT光氧化还原50%的酶量为1个酶活力单位,用U•g–1表示;过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法(张治安和陈展宇,2008),酶活性以∆A470•min–1•g–1表示;过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法(张治安和陈展宇,2008)测定,以每分钟减少0.1个A240值所需的酶量为1个酶活力单位,用U•g–1表示;丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸(4,6-dihydroxy-2-mercaptopyrimidine,TBA)显色法(张治安和陈展宇,2008)。

1.4数据处理先用MicrosoftExcel2003系统进行数据处理,然后用SPSSVer.16.0软件(SPSSInc.,USA,IL:Chi-cago)进行差异显著性分析。

2结果与讨论

2.1不同冠层种子的百粒重变化百粒重是体现种子大小与充实程度的一项指标,不同冠层的大豆种子百粒重存在差异。从图1可以看出,中下层的百粒重最大,说明中下层的种子最大。随着冠层的升高,两个品种百粒重均呈先略上升后逐渐下降的趋势,上部的种子最小。吉农15号中下部的百粒重分别比下部、中部及中上部高0.68%、0.73%和4.79%,但未达显著水平,中下部种子百粒重比上部高6.13%,差异显著(P<0.05);吉农24号中下部的百粒重分别比下部及中部高0.59%和3.19%,但差异不显著,中下部种子的百粒重分别比中上部及上部高7.61%和10.32%,差异显著(P<0.05)。

2.2不同冠层种子的发芽率和发芽势变化从表1可以看出,吉农15号和吉农24号大豆种子萌发到第7天时发芽率随着冠层由下往上呈下降趋势,下层的发芽率高,上层的发芽率低,但两个品种各冠层的种子发芽率差异均未达到显著水平。吉农15号和吉农24号的发芽势随着冠层从下往上表现为先下降后上升,中层的发芽势最低。中部种子的发芽势显著低于下部、中下和上部(P<0.05)。

2.3不同冠层种子萌发后幼苗各部位干重的变化子叶是大豆重要的贮藏器官,其贮藏的营养物质用于种子萌发和幼苗的生长。图2A显示了大豆种子萌发到第7天不同冠层子叶干重的变化,随着冠层由下往上,子叶干重呈下降趋势,下部的子叶干重最大。吉农15号下层、中下层和中层的子叶干重比中上层及上层的子叶干重高,且差异达显著水平(P<0.05),吉农24号下层和中下层的子叶干重也显著高于上层(P<0.05)。从图2B可以看出,吉农15号和吉农24号去子叶幼苗干重随着冠层从下往上呈逐渐下降趋势,下层的去子叶幼苗干重最大,上层最小。去子叶幼苗干重代表了转化为幼苗生长的贮藏物质和光合产物的多少。吉农15号下层去子叶幼苗干重分别比中下层、中层、中上层及上层高12.64%、14.87%、17.53%和24.73%,吉农24号下层无子叶幼苗干重分别比中下层、中层、中上层及上层高11.43%、15.09%、40.20%和40.50%。图2C显示,吉农15号和吉农24号带子叶幼苗干重随着冠层从下往上逐渐降低。下层带子叶幼苗干重显著高于其它冠层,中下层带子叶幼苗干重显著高于中上层和上层。吉农15号下层带子叶幼苗干重分别比中下层、中层、中上层及上层重6.31%、9.25%、15.13%和24.12%;吉农24号下层带子叶幼苗干重分别比中下层、中层、中上层及上层重7.61%、10.71%、19.90%和23.17%。

2.4不同冠层种子的发芽指数和活力指数变化由图3A可知,吉农15号和吉农24号的发芽指数先降低后升高,中层的发芽指数最小,但各冠层之间种子发芽指数的差异未达显著水平。图3B显示了不同冠层大豆种子活力指数随着冠层从下往上呈下降趋势,下部的种子活力指数最大,说明下部的种子活力最高。下部及中下部冠层的种子活力指数显著高于上部和中上部冠层(P<0.05),而中上部与上部冠层的种子活力指数间差异未达显著水平。吉农15号品种下部冠层的种子活力指数分别比中部、中上部及上部的高15.41%、21.50%和24.67%。吉农24号下部冠层的种子活力指数分别比中部、中上部及上部高15.93%、23.82%和27.07%。

2.5不同冠层种子萌发后幼苗茎粗和下胚轴长度变化幼苗茎和下胚轴的生长状况能够反应幼苗的健壮程度,评估幼苗对恶劣环境的适应能力,并且对产量有重要的影响。从表2可以看出,吉农15号和吉农24号的茎粗随着冠层从下往上呈逐渐变小趋势,下层种子萌发后幼苗茎粗最大,下层和中下层幼苗茎粗显著大于中上层及上层幼苗(P<0.05)。吉农15号的幼苗下层茎粗分别比中下层、中层、中上层及上层高2.27%、5.63%、8.17%和8.70%;吉农24号的幼苗茎粗,下层分别比中下层、中层、中上层及上层高1.02%、3.13%、10.61%和15.12%。两个品种上部冠层幼苗的下胚轴最长,中下部冠层幼苗的下胚轴最短。吉农15号中下部冠层幼苗的下胚轴显著短于其它冠层,分别比下层、中层、中上层及上层短5.46%、7.16%、9.93%和22.53%。吉农24号中下部冠层幼苗的下胚轴分别比下层、中层、中上层及上层短4.71%、4.71%、6.87%和8.81%,并且与它们的差异达显著水平(P<0.05)。

2.6不同冠层种子萌发过程中抗氧化酶活性及MDA含量变化从表3可以看出,吉农15号和吉农24号种子萌发时子叶的SOD活性随着冠层从下往上逐渐降低,下部的SOD活性最高,中下部次之,上部最低。吉农15号下部冠层种子萌发时子叶的SOD活性比中部、中上部及上部分别高9.86%、16.25%和23.43%,且差异显著(P<0.05)。吉农24号下部冠层种子萌发时子叶的SOD活性比中部、中上部及上部分别高20.38%、37.57%和55.23%,且差异显著(P<0.05)。萌发第7天,不同冠层大豆子叶中的POD活性呈先上升后下降趋势,中下部的POD活性最高。吉农15号中下部大豆子叶中的POD活性比下部、中部、中上部及上部高8.51%、9.27%、10.19%和13.71%,各冠层差异未达显著水平。吉农24号中下部大豆子叶中的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活性显著低于中部、下部和中下部(P<0.05)。萌发7天时的大豆种子从下部到上部冠层,子叶中CAT活性变化规律与SOD相似,也呈由高到低的变化趋势,下部的CAT活性最高,上部最低。吉农15号下部冠层大豆种子萌发时子叶中CAT活性分别比中部、中上部及上部高12.09%、13.09%和20.55%,且差异显著(P<0.05),但中下部、中部、中上部及上部之间的差异不显著。吉农24号下部大豆子叶中CAT活性分别比中部、中上部及上部高11.49%、17.14%和24.66%,且差异达显著水平(P<0.05)。从表3还可看出,随着冠层的上升大豆子叶中的丙二醛含量逐渐增加。吉农15号下部、中下部和中部大豆子叶中的丙二醛含量显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别比上部低34.92%、33.40%、31.25%和16.06%,且差异显著(P<0.05),但是下部、中下部和中部大豆子叶中的丙二醛含量差异未达到显著水平。吉农24号下部、中下部、中部及中上部大豆子叶中的丙二醛含量分别比上部低26.92%、23.50%、19.03%和9.80%,且差异达显著水平(P<0.05)。

2.7讨论陈禅友(1992)的研究表明,种子成熟度越高,出苗率越高。杨晓杰和孙志琳(2003)的研究指出,大豆的种子活力会影响到田间的种植及产量。孙卓韬和董钻(1986)的研究指出,在生育前期幼苗茎秆粗壮,出苗健壮,有利于获得理想株型,提高抗倒伏能力。本实验结果表明,下部及中下部冠层的大豆种子籽粒大,发芽率高,活力指数大,发芽后幼苗的茎也比其它冠层粗。这与下部冠层籽粒的成熟度好,籽粒更饱满有关。种子萌发过程中,各种代谢活动启动,产生的活性氧会导致细胞膜结构破坏,而杨永青和汪晓峰(2004)的研究曾提到在种子膜结构的保持与修复过程中,许多不同类的保护物质(如糖和酶等)参与了反应,并且膜系统具有较强自身保护及修复能力的种子,活力更强。SOD在植物细胞的叶绿体、线粒体和细胞质中均有分布,其主要功能是催化O2•–歧化为H2O2,保护细胞膜(Takahashietal.,1983;Alscheretal.,2002;Dongetal.,2010)。种子在萌发过程中,产生的活性氧可由SOD、CAT和POD清除,SOD把超氧游离基变成H2O2、CAT及POD,把H2O2变成H2O和O2(Alscheretal.,2002;Dongetal.,2010),维持活性氧的动态平衡,减轻活性氧导致的脂质过氧化作用,保护种子在萌发过程中膜结构的完整性。CAT活性越高,清除的H2O2越多,从而减轻细胞膜结构的损伤,延缓大豆子叶的衰老。丙二醛是细胞质膜脂质过氧化的产物之一,其含量高低及种子浸出液的外渗电导率大小可以反映细胞膜脂的过氧化水平、膜受伤害程度(张治安等,2005;李合生,2006)及衰老程度。本实验结果表明,萌发7天时下层及中下层大豆子叶中的SOD、CAT和POD活性高,丙二醛含量低,中上层及上层的抗氧化酶活性低,丙二醛含量高,说明下层及中下层的大豆种子萌发时子叶新陈代谢旺盛,衰老速度慢,有利于幼苗的生长。随着大豆植株各冠层从下往上,百粒重呈先略增高然后下降的变化趋势,各冠层种子的发芽率无显著差异,中层的发芽势最低。下层及中下层大豆种子的活力指数高,去子叶幼苗干重也高,幼苗茎粗大,子叶中抗氧化酶活性高,丙二醛含量低,种子长出的幼苗健壮,子叶中供给幼苗生长的营养物质丰厚,新陈代谢旺盛,是优选良种的最佳冠层。

作者：陈思羽 刘鹏 朱末 夏冬冬 李亮 徐克章 陈展宇 张治安 单位：吉林农业大学农学院