北黄花菜种子的萌发特点及生理指标动态变化

(东北林业大学园林学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

北黄花菜(Hemerocallislilioasphodelus)，萱草科萱草属，多年生草本植物，生长在海拔500～2 300 m地区中的低矮树丛和荒山草甸中。其花大型，金黄色，耐瘠薄、干旱，光照适应范围广，是一种可在城市园林绿化中灵活应用的优良植物材料。当前研究中，大多数关于萱草属植物的研究多以‘金娃娃’萱草(H.fulva‘GoldenDoll’)、大花萱草(H.middendorffii)、黄花菜(H.citrina)等几个常见种类为主，研究内容多以上述植物的生理特性[1-3]、繁殖技术[4-6]、亲缘关系[7-8]、新品种繁育[9]、分子技术[10-11]等为主。对于北黄花菜的研究还较少。

种子是种子植物特有的延存器官，其萌发是种子植物生活史的重要阶段。植物种子的萌发过程十分复杂，有很多酶参与调控[12-14]，贮藏时间长短可能会直接影响种子中贮藏物质的转化和利用，同时影响植物细胞保护型酶的活性，改变种子的正常发育，影响种子品质。这一现象在其它植物种子的相关研究中存在[15-16]。北黄花菜作为萱草属中抗性良好的一种植物，其发展潜力巨大，是进行萱草属杂交育种、品种创新的优秀资源。掌握北黄花菜种子不同贮藏时间的萌发情况和萌发过程中酶活性变化的影响，获得保存时间对种子品质影响的基础数据，将对萱草属植物的育种有十分重要而有意义的影响。本试验旨在为萱草属植物的育种繁殖工作提供一定科学依据。

1 试验材料及方法

试验材料为北黄花菜种子，采集于黑龙江省大庆市杜尔伯特蒙古族自治县(124.449 37°E, 46.865 07°N)。从生长健壮、观赏性较高且无病虫害的植株上选取北黄花菜果实， 以果皮变黄顶端有裂口但还未干燥时采集的粒大饱满种子为供试材料。采收后一部分放置于室温干燥器内分别储存1年和2年。同时留取一部分新采收种子，分别进行如下项目的试验：

1) 种子的形态特征及其质量测定：随机选取北黄花菜新采收种子各50粒，常规方法测量种子横径和纵径、千粒重、含水量。并在S-530型扫描电镜下，观察种皮形态并拍照。

2) 种子吸水性及生活力的测定：采用TTC染色法，测定当年新采收的种子、常温下储存1年、2年的种子的生活力。通过常规方法进行种子吸水性的测量，首先在样品中随机选择150粒种子，将其均匀分成3份。称重并记录初始数据，然后将它们分别放入装有水的带编号的培养皿中，并置于24 ℃的恒温培养箱中培养。每过2 h将培养皿中的种子取出1次，擦干表面的水分并称重和记录数据。至种子吸水量不再增加后，按照如下公式计算出种子吸水率的平均值。

注：1为种子形态；2为种子形态；3为种子表皮结构；4为种子表皮纵向结构。图1 北黄花菜种皮的扫描电镜

吸水率(%)=[(B-A)/A]×100%(A为吸水前重量，B为吸水后重量)。

3) 种子萌发试验：预试验后，根据所得数据，对当年新采收的种子、常温储存1年、2年的种子在全光照和28 ℃条件下进行发芽试验。每组50粒种子，3次重复。将种子露白长度为种子长度的一半及以上为萌发标准。最后，基于所得数据，计算种子发芽的各项指标。

发芽率(%)=(n/N)×100%，式中：n是最终达到的正常发芽的种子的数量，N是测试种子数；

发芽势(%)=(PV/N)×100%，式中：PV是发芽高峰期的发芽种子的数量，N是测试种子数；

发芽指数=∑Gt/Dt，式中：Gt为当天发芽的种子数，Dt为发芽天数。

4) 种子物质含量和酶活性变化测定：对当年新采收、储存1年的北黄花菜种子，分别将其萌发第0、5、10、15、20天种子，液氮固定后储存于-80 ℃超低温冰箱中。参照李合生[17]的试验方法测定不同阶段种子的可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、淀粉含量以及过氧化氢酶活性(CAT)、过氧化物酶活性(POD)和超氧化物歧化酶活性(SOD)。

2 结果与分析

2.1 北黄花菜的种子形态

成熟的北黄花菜种子表皮为黑色，形状近三棱状椭圆形，种子纵径(3.80±0.15)mm，横径(2.58±0.12)mm，属于小型种子。种皮结构相对致密紧凑。微形态基本纹饰为细网状，由5条或6条细纹彼此连接形成不规则的闭合小间隙，内部较为光滑(图1)。种子千粒重(9.64±1.08)g。

2.2 北黄花菜种子的吸水性、生活力及含水量

新采收的北黄花菜种子在进行连续的吸水测定试验后，根据实验数据可以发现，吸水率在48 h左右达到恒定状态，48 h时的吸水率为72.5%。贮藏1年和2年的吸水曲线基本一致，均为36 h左右吸水率达到恒定状态。36 h的吸水率分别为71.1%和72.7%(图2)。贮藏1年后种子吸水力较新采收种子强。但吸胀饱和后，部分种子已有露白现象。吸水曲线表明，北黄花菜种子的吸水性好，种皮透性良好。

图2 北黄花菜种子的吸水曲线

种子活力是判定种子质量好坏的一个重要指标[18]。北黄花菜种子的生活力测试结果表明，北黄花菜种子的生活力随着常温储存时间的增加而降低(表2)。试验结果表明，新采收种子的生活力可达91.0%，储存1年和2年后种子活力仅为79.8%和71.2%，下降幅度达12.3%和21.8%。3者之间差异显著(p<0.05)。同时，常温储存时间越长，北黄花菜种子的含水量也越低(表1)。在常温储藏1年后含水量由10%降至5%，下降程度显著(p<0.05)。储藏2年种子的含水量与储藏1年种子的含水量没有显著变化，说明北黄花菜的常温恒定含水量均为5%。

表1 北黄花菜种子的生活力及含水量 单位：%

生活力含水量新采收91.0±3.4a9.91±0.69a常温储藏1年79.8±4.9b5.37±0.41b常温储藏2年71.2±6.4c5.09±0.39b

注：不同的小写字母代表0.05水平上差异显著。下同。

2.3 北黄花菜种子的萌发试验结果

试验结果(表2)表明，北黄花菜种子的发芽率与储存时间有显著关系。当年新采收种子发芽率可达88.6%，常温储藏1年后为61.4%，常温储藏2年后为53.9%。后两者数据与新采收种子数据之间差异显著(p<0.05)。由此可见，常温储藏方式对北黄花菜种子的发芽率产生了极大影响，不仅使种子的发芽率显著下降，而且随着发芽天数延长，发芽指数逐渐降低。

表2 北黄花菜种子发芽指标

新采收常温储存1年常温储存2年始发芽日/d2.7±0.6a5.3±1.5b9.3±1.3c发芽天数/d15.6±1.5a32.7±3.1b36.7±1.5b发芽率/%88.6±3.8a61.4±5.0b53.9±6.7b发芽势/%40.0±6.6a26.9±1.7b21.0±1.6b日均发芽率/%6.0±0.8a2.5±0.4b2.3±0.5b发芽指数8.7±1.4a2.7±0.8b1.6±0.4b

2.4 种子萌发过程中可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉含量和酶活性的动态变化

如图3所示，北黄花菜种子萌发过程中可溶性糖含量总体呈平缓下降趋势，期间有一定波动。可溶性糖是种子能量的来源，其平稳的含量能够提供给种子持续的萌发动力。其中新采收种子的可溶性糖含量萌发期间一直高于贮藏1年的种子。

图3 种子萌发过程中可溶性糖含量的变化

由图4可见，萌发使种子的淀粉含量不断降低，淀粉降解为种子萌发所需的能量。新采收种子的降低速度更快，淀粉含量由萌发初期的5.45 mg·g-1不断降低，至萌发第15天仅为2.86 mg·g-1，下降了47.5%。贮藏1年种子的淀粉含量15 d下降了30.9%。新采收种子的淀粉转化效率更高。

图4 种子萌发过程中淀粉含量的变化

如图5所示，新采收的北黄花菜种子萌发过程中可溶性蛋白质含量呈先升高后降低的趋势。在萌发第6天可溶性蛋白质含量出现高峰，至萌发第15天可溶性蛋白质含量与萌发初期持平。而贮藏1年的种子萌发期间可溶性蛋白含量基本呈上升的趋势。新采收种子的蛋白质含量较贮藏1年的高，有利于增加植物的抗逆境能力[19]，也有利于调节体内的多种生理生化机制。

图5 种子萌发过程中可溶性蛋白含量的变化

图6 种子萌发过程中POD活性的变化

CAT、SOD、POD酶在种子发芽期间的活性均呈上升趋势(图6、图7、图8)。其中，新采收种子的CAT酶活性除萌发第6天有一个小幅的下降外，基本呈逐渐上升的趋势，萌发第15天的CAT酶活性已经达到萌发初始的4倍。POD酶活性亦呈现逐渐上升的趋势，由萌发前的3.45μg·g-1不断升高，到萌发末期达到18.98μg·g-1，也提高了4.5倍之多。SOD活性也明显增加，在发芽12 d时活性最大，为97.37μg·g-1，贮藏1年种子的变化趋势与新采收种子一致，但含量明显低于新采收种子。

图7 种子萌发过程中SOD活性的变化

图8 种子萌发过程中CAT活性的变化

3 结论与讨论

植物萌发是研究植株生活史繁殖对策中的重要且最具积极意义的方面[20-21]。有学者认为，萱草种子有休眠特性，需要经过低温和湿润后才能发芽[22]。与之不同的是，本研究发现，当年北黄花菜种子采收后立即播种有较高的发芽率。而采收后如未及时播种，发芽率降低幅度极大。常温储藏1年的种子发芽率可降低25%以上。并且随着贮藏时间的增加，种子生活力逐渐降低，同时种皮含水量降低使得种皮硬化而无法透水，两因素共同导致了陈种子萌发率低。这一结论与何琦等[23]的研究结果一致。Grime等认为，种子萌发速度和幼苗出苗率可能会影响植物生活史后期的繁殖和成活[24]。虽然，新鲜的北黄花菜种子发芽率会比较高，但是其发芽势低，这表明出苗可能会不整齐，幼苗生长较弱。因此采收后可以采取低温湿藏，以保证种子的萌发率及出苗整齐度。

北黄花菜种子萌发期间，旺盛的代谢和大量的新器官合成需要大量能量，因此淀粉必须降解成可溶性糖来满足萌发能量的需求。与新采收种子相比，贮藏1年后种子淀粉、蛋白质含量均低，品质降低。淀粉转化率不高，因此贮藏后种子可利用的可溶性糖萌发期间一直较低，导致其萌发率下降严重。贮藏1年后种子发芽率较新采收种子下降30.7%。SOD、POD、CAT酶是植物体内起保护植物细胞功能的酶，其通过改变自身活性的高低，从而能够达到维持活性氧代谢和正常的生长发育的目的[25-26]。北黄花菜的SOD、CAT、POD酶活性在种子萌发期间均具有升高趋势，且在发芽初期酶活性变化幅度较大。这一结果与许多草本植物种子萌发过程相一致[27]。贮藏1年种子的3种酶活性较新采收种子低且差异较大，这表明常温贮藏较长时间后，种子抑制脂质过氧化水平能力下降，机体活力降低。发芽率的显著下降与酶活性的显著降低直接相关。