超重力处理对平邑甜茶生理特性的影响

王丽文，段国锋

（山西农业大学园艺学院，山西太谷030801）

近年来，航天事业和生物育种技术的飞速发展引领了太空诱变育种的潮流[1]。太空育种是指利用重力、磁场等特殊的太空环境诱变作用，使生物或植物基因产生变异，以此创造出罕见的突变材料，对于开展突破性新品种的选育有着至关重要的作用，在很多领域如能源、植物、环境、生物化工等方面发挥了巨大的作用，是一种有效的诱变育种新技术[2]。目前，很多研究表明，通过改变超重力处理的时间以及重力加速度等能够影响植物幼苗的生长发育。段国锋等[3]通过超重力处理黑大豆幼苗的研究发现，经过处理后的幼苗叶绿素含量、过氧化物酶（POD）活性以及超氧化物歧化酶（SOD）活性均高于未经处理的黑大豆幼苗。SOGA 等[4-5]通过超重力对玉米和红豆的研究发现，超重力对植物幼苗的影响主要是抑制幼苗胚轴的延长。KITTANG 等[6]通过超重力处理8 000 个拟南芥基因，发现有177 个基因出现了变化。郭小建等[7]研究发现，通过降低重力加速度以及时间可以增强绿豆幼苗的过氧化氢酶和过氧化物酶活性。这些研究表明，经过超重力处理可能会对植物种子的萌发及其生理生化特性产生影响。

平邑甜茶属于湖北海棠类，具有较强的抗寒性和抗涝性，耐湿耐盐，对苹果根腐病、白粉病、白绢病、褐斑病及苹果绵蚜具有天然抗性[8]，具有非常强的无融合生殖能力，是优异的苹果种质资源。目前，苹果的再植障碍问题会使苹果树出现生长发育不良的现象，从而造成严重的经济损失[9-11]。

为研究苹果种子的抗逆性，从而提高种质，本试验通过改变超重力和作用时间来研究超重力技术对平邑甜茶种子萌发以及生理特性的影响，为今后超重力在植物育种以及抗逆栽培方面的研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试平邑甜茶种子由山东农业大学提供。

1.2 方法

1.2.1 种子处理 取干净饱满且经过低温层积的平邑甜茶种子，用98 ℃的热水烫种3～5 s 对其进行消毒处理，为了避免烫伤种子，在消毒期间要不断搅拌，之后迅速转入到冷水中，浸泡6 h。控水晾干后，采用 5 000、10 000、15 000 r/min 的超重力分别对种子进行1、3、5 h 高速离心处理，以无超重力处理为对照，每组处理设置3 次重复。将处理好的平邑甜茶种子置于内铺双层滤纸的直径为9 cm的培养皿中，加入适量蒸馏水置于（25 ± 1）℃的恒温培养箱中进行培育，每隔24 h 更换蒸馏水和滤纸。

1.2.2 种子发芽率的测定 每天在同一时间记录种子的发芽数（芽长为种子长度1/2 为准），计算发芽率、发芽势及发芽指数。

式中，Gt 为t 时间内的发芽数；Dt 为相应的发芽天数。

1.2.3 幼苗形态指标测定 发芽结束后，每处理随机取幼苗5 株，将样品按照清水→洗涤剂→清水→1%盐酸→3 次去离子水的顺序进行冲洗并用滤纸吸干，之后迅速称质量记录并取其平均值作为鲜质量，然后测量根长和芽长，随后在80 ℃下烘干至恒质量，取平均值即为干质量[12]。

1.2.4 幼苗抗氧化酶活性的测定 待幼苗长出第3片真叶时，移栽到育苗盘中，随机摘取不同部位的叶片进行生理指标的测定。叶绿素含量的测定采用分光光度法，过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性分别采用愈创木酚法、紫外吸收法和NBT 光还原抑制法进行测定[13]。

1.3 数据处理

用SAS 统计分析软件对数据进行处理与统计，所得数据用平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 超重力处理对平邑甜茶种子萌发的影响

由表1 可知，超重力处理后，平邑甜茶种子的各发芽指标（发芽率、发芽势以及发芽指数）呈现不同程度的变化。平邑甜茶在中速（10 000 r/min）的超重力下，在3 h 处理时各发芽指标均大于对照，达到最大值；在低、高速（5 000、15 000 r/min）的超重力处理下，发芽率、发芽势以及发芽指数均随着处理时间的延长而降低。高速超重力处理下，发芽率、发芽势以及发芽指数均明显降低，推测可能是由于过度的超重力影响了平邑甜茶种子的发芽机制，损伤了种子内部结构[14]。在种子萌发的过程中，培养到第15 天时，种子萌发相对较多（作为高峰期阶段），在10 000 r/min 的超重力处理3 h 下，发芽势最大。总体来看，发芽指标随着超重力的增加呈现先增加后降低的趋势。

表1 不同超重力处理对平邑甜茶种子发芽指标的影响

2.2 超重力处理对平邑甜茶幼苗形态的影响

从表2 可以看出，与对照相比，经超重力处理后，平邑甜茶幼苗的株高、根长、鲜质量和干质量均有不同程度的降低。随着处理重力加大，幼苗各项指标不断降低，其中，株高（降幅为0.07%～0.21%）和根长（降幅为0.04%～0.13%）差异明显；相同重力处理下，随着超重力处理时间延长，各项指标也在不断减小。表明，超重力处理对平邑甜茶幼苗的生长有抑制作用。

表2 不同超重力处理对平邑甜茶幼苗形态的影响

2.3 超重力处理对平邑甜茶幼苗叶绿素含量的影响

作为光能的吸收器，叶绿素含量的高低与植株体内有机物的生成量息息相关[15]。叶绿素在植物光合作用过程中充当光能的“吸收者”和“传递者”，少数叶绿素a 可以将光能转化为化学能，释放氧气，给植物自身以及人类活动提供所需能量。通常来说，植物中所含叶绿素越多，能够通过光能进行合成生产的有机物质也就越多。由表3 可知，平邑甜茶种子经超重力处理后，叶绿素a、叶绿素b 以及叶绿素含量均显著高于对照。随着超重力增加，叶绿素含量增加，15 000 r/min 处理5 h 的叶绿素含量最高，与对照间差异均达显著水平。这与段国锋等[3]在大白菜中发现“超重力可以促进叶绿素的合成”的结论一致。平邑甜茶叶片在低速（5 000 r/min）的超重力处理下，叶绿素a、叶绿素b 以及叶绿素的含量均随着处理时间的延长而降低，而在中高速（10 000、15 000 r/min）的超重力下，各叶绿素含量均表现出随着处理时间延长而增加。当超重力转速一定时，差异不显著，即处理时间对叶绿素含量的影响并不显著。叶绿素a/b 值是在5 000 r/min 处理3 h 最大。表明，15 000 r/min 处理5 h 有利于平邑甜茶叶绿素含量的提高。

表3 不同超重力处理对平邑甜茶叶片叶绿素含量的影响

2.4 超重力处理对平邑甜茶幼苗抗氧化酶活性的影响

过氧化物酶（POD）既与植物的形态发生和建成有关，又与植物的抗逆性有关，是重要的植物保护酶之一[16]。超氧化物歧化酶（SOD）可以清除生物体内多余的氧自由基，在机体代谢过程中减缓过多的氧自由基给机体带来的危害[17]。过氧化氢酶（CAT）作为生物防御系统的一种关键酶，可清除由于植物体内活性氧代谢增强而导致过度积累的过氧化氢（H2O2），以保护细胞正常生活，其活性可有效抵抗植物衰老[18-19]。影响抗氧化酶活性的因素有很多，伍钧等[20]研究发现，Pb 胁迫下氮素形态及施氮量对酶活性的影响效果显著；张冠初等[21]在干旱和盐胁迫的条件下研究了花生抗氧化酶活性的变化。本试验则研究了超重力处理对平邑甜茶抗氧化酶活性的影响，结果如表4 所示。

表4 不同超重力处理对平邑甜茶幼苗抗氧化酶活性的影响

从表4 可以看出，与对照相比，经超重力条件处理后POD 活性均明显提高，其中，10 000 r/min 处理1 h 后的POD 活性最高。处理相同时间时，POD活性随着超重力的增大呈先增加后降低，超重力转速一定时差异不显著。处理组的SOD 活性显著低于对照，10 000 r/min 处理 5 h 的 SOD 活性最低。在低速（5 000 r/min）的超重力处理下，SOD 的活性随着处理时间的延长而增高，而在中高速（10 000、15 000 r/min）的超重力下，SOD 活性均随着处理时间的延长而降低。在一定的处理时间下，SOD 活性随着重力的增大呈现先降低后增加的趋势。处理组的CAT 活性与对照相比，有增强也有降低，10 000 r/min处理3 h 的CAT活性增强最明显，而在15 000 r/min条件下处理5 h 后活性最低。以上结果说明，只有在适当的超重力条件下处理适当时间才可以提高POD、CAT 活性，而SOD 活性经超重力处理后反而有失活的现象。

3 结论与讨论

本试验测定了平邑甜茶种子在经过不同超重力处理后的萌芽情况，结果表明，平邑甜茶种子经超重力处理后，发芽率、发芽势以及发芽指数随着超重力的增加呈现先增加后降降的趋势，在10 000 r/min处理3 h 时各发芽指标值最大。平邑甜茶种子在未经超重力处理时，其萌发率极低，并且在超重力处理后，与对照组无显著差异，与段智英等[22]在番茄中研究发现的“超重力使其发芽指标降低”的结论不符合，猜测可能是由于平邑甜茶种子本身萌发率低，因此，抑制作用不明显，再加上试验样本较少，偶然性较大。

经过对幼苗形态的研究发现，随着超重力的加大（处理时间相同），平邑甜茶幼苗的株高、根长、鲜质量和干质量与对照相比均出现了不同程度的降低，其中，株高和根长降幅差异明显，在相同超重力条件下，随着处理时间的增加，各项指标也在不断减小。研究结果表明，超重力处理对平邑甜茶幼苗的生长有明显抑制作用。

萌发的平邑甜茶幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素含量经过超重力处理后均显著高于对照。随着超重力增强，平邑甜茶幼苗的叶绿素含量也随之增加，在15 000 r/min 的超重力处理5 h 时，叶绿素各含量达到最大，与对照组相比，每克叶片中的叶绿素含量增加了2.815 mg。因此，只有在适当超重力处理条件（15 000 r/min、5 h）才能对平邑甜茶幼苗的叶绿素合成有利，能够促进有机物的生成，并且能够进一步提高平邑甜茶的抗逆栽培能力。

平邑甜茶叶片的POD、CAT 活性都高于对照，与前人的研究结果相同，在10 000 r/min 超重力下处理 1 h 时，POD 活性达到最大值，10 000 r/min 处理3 h 的CAT 活性增强最明显，说明适当的超重力处理可以更好地提高植物在逆境中的生存能力，并对植物光合速率和呼吸速率有一定的影响。SOD 活性均低于对照，在低速超重力处理下，随着处理时间的延长而增高，而在中高速超重力下，随着处理时间的延长而降低，在一定的处理时间下，SOD 活性随着超重力的增大呈先降低后增加。而杨净等[23]在研究超重力处理对谷子种子影响的过程中发现，经超重力处理的2 种谷子的SOD 活性均高于对照组，并且差异显著，此结论与本试验不相符，有可能是因为该超重力范围不适合SOD 生存，可以尝试改变超重力设置的梯度，从而提高SOD 活性。

本研究结果表明，超重力技术能够影响平邑甜茶种子发芽指标、叶绿素含量、幼苗形态以及生理特性，因此，通过离心处理来模拟超重力这种极端的环境是可行的，有希望为植物育种以及抗逆方面的探索提供一定的理论支持。