不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹種子萌發及幼苗生長的影響1)

楊露 呂卓 趙婉琪 伍虹雨 黃菲藝 林樹燕

(南京林業大學,南京,210037)

竹子作為綠色、低碳、速生、可再生、可降解的生物質材料,可在替代塑料、應對氣候變化、緩解貧困等一系列全球性挑戰中發揮獨到作用[1]。金佛山方竹(Chimonobambusautilis(Keng) P. C. Keng)屬于禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoideae)寒竹屬(Chimonobambusa)植物[2]。金佛山方竹具有重要的經濟、生態、社會價值。近些年貴州省桐梓縣大力發展方竹產業,新營造了面積為3.72萬hm2的方竹林[3],方竹筍發筍期為每年的9—10月份,竹筍略呈方形,味道鮮美,口感豐富,蛋白質及膳食纖維含量高,含有豐富的鈣、鐵、鋅、硒等多種微量元素,被譽為“竹類之冠”,是西南地區特有高山竹種[4];同時金佛山方竹筍籜膳食纖維含量為61.27%,含有鈣、磷、鎂、鉀等礦質元素,必需氨基酸與非必需氨基酸的比值為21.84%,含有豐富的膳食纖維,礦質營養全面且氨基酸組成成分齊全,具有一定的飼用價值[5]。

植物生長調節劑是一種具有與天然植物激素相似生理和生物學效應的物質,是人們根據天然植物激素的作用機制、結構,通過人工合成的化合物,能夠有效調控植物的生長發育過程,包括從細胞的增殖分裂,到生根、發芽、開花、結實、成熟、脫落等一系列生命全過程[6-8]。植物生長調節劑在種子的休眠萌發、種胚發育過程中作用顯著,赤霉素是發揮關鍵作用的調控激素之一[9-10]。駱思霜[11]等人研究發現奈乙酸是是影響種子發芽性狀的主導因子,吲哚丁酸、赤霉素、奈乙酸的質量濃度分別為0.30、0.40、0.05 g·L-1時,混合溶液浸種1 h可極顯著提高種子發芽率和發芽勢,縮短種子發芽時間,實現種子整齊發芽;張玉等人研究發現,貴州種源金佛山方竹在低溫條件時能更好的萌發,在24～26 ℃萌發率最高、胚根長度最長、展葉時間最短、出苗質量達到最好。劉樂承等[12]研究發現質量濃度為200 mg·L-1的赤霉素不僅能提高菜瓜種子的發芽勢、發芽率,而且能使菜瓜苗根長增加,效果達到最好;田美華等[13]發現質量濃度為500 mg·L-1的赤霉素處理可以加速蘇鐵種子的胚發育,縮短解除休眠的時間。

傳統的母竹造林雖然成林快,但母竹年齡背景不清楚,竹林存在大面積開花的風險,因此亟須在竹林中間種一定數量的實生苗。目前對金佛山方竹的研究更多傾向于筍品質[14]、筍籜成色差異[15-16]、筍籜和竹葉的利用[17-19]、種子營養物質[20-22]等方面,缺乏對種子萌發及幼苗生長的系統探索。近幾年大婁山山脈分布的金佛山方竹竹林零星開花,每年均能收獲部分種子,為本研究提供了一些契機。本研究通過開展不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹種子萌發及幼苗生長的影響研究,統計不同質量濃度赤霉素處理時,金佛山方竹種子的發芽勢、發芽率等指標差異,并對不同萌發階段種子及幼苗的生理生化指標進行測定,以期全面了解金佛山方竹種子的萌發特性以及幼苗生長發育規律,同時為金佛山方竹實生苗造林提供理論基礎和實踐依據。

1 材料與方法

試驗材料為成熟的金佛山方竹種子,2023年4月下旬采集于貴州省遵義市桐梓縣黃蓮鄉。種子采后放于透氣布袋中,郵寄至南京后帶回實驗室處理,去稃后清洗干凈。

試驗方法：試驗組使用質量濃度分別為3、5、10 mg·L-1的赤霉素對金佛山方竹種子進行浸種處理,對照組用超純水浸種處理。挑選顆粒飽滿光澤無瑕疵的種子,去除雜質,用純水沖洗2～3遍,75%體積分數的酒精消毒45 s,次氯酸鈉浸泡6 min,再用純水沖洗干凈,試驗組放入不同質量濃度的赤霉素浸泡12 h,對照組放入純水中浸泡12 h,采用濕潤的脫脂棉、濾紙作為金佛山方竹種子的發芽床,將其放入光照培養箱內培養,光照培養箱溫度為24 ℃,每天的光照時間為12 h,光照強度為2 500 lx[23]。

種子萌發和幼苗生長的6個時期分別為處理當天(S1)、處理4 d(S2)、露白當天(S3)、胚根1 cm時期(S4)、第2片葉展開時期(S5)、第3片葉展開時期(S6)。

種子形態指標和質量的測定方法：隨機選取帶稃和去稃種子,用數顯游標卡尺(精度為0.01 mm)分別測量種子的長度、寬度,進行3次重復,每次重復測量50粒種子。

隨機選取帶稃種子,用分析天平稱取每粒種子質量,進行3次重復,每次重復測量50粒種子;去掉稃片,重復上述操作,分別取平均值,測得帶稃種子和去稃種子的質量。

萌發指標的測定方法：種子萌發的高峰期是在7 d,萌發實驗持續24 d,期間每隔一天拍照記錄種子生長發育情況。發芽率(Rg,%)、發芽勢(Rf,%)計算公式如下：

Rf=(N7/Nt)×100%;

Rg=(N24/Nt)×100%。

式中：N7為7 d內正常發芽的種子數(粒);Nt為供試種子數(粒);N24為24 d內正常發芽的種子數(粒)。

根長、苗高、鮮質量測量方法：第2片葉展開當天,將金佛山方竹幼苗用純水沖洗干凈,用濾紙吸干表面水分,每個處理隨機取20株測量根長、苗高、鮮質量。

生理指標測定方法：測定不同生長階段的種子以及幼苗中可溶性糖、淀粉質量分數,同時對種子中淀粉水解相關酶、淀粉合成相關酶、蔗糖水解相關酶的活性進行測定。其中,蔗糖水解相關酶、淀粉水解相關酶、淀粉合成相關酶參考呂卓[24]的測定方法,糖、淀粉測定方法參考高俊鳳[25]的檢測方法。

數據處理：使用IBM SPSS statistics 22.0軟件進行顯著性方差分析,并進行差異顯著性檢驗;主成分分析和相關性分析采用Origin 2021軟件。

2 結果與分析

2.1 種子的形態和質量測定結果

由圖1可知,金佛山方竹為漿果狀穎果,果實呈堅果狀,橢圓形,新鮮時綠色,干燥后呈褐色。帶稃的種子長(11.72±0.36)mm,寬(6.22±0.13)mm,質量(0.232 3±0.001 4)g;去稃的種子長(11.58±1.09)mm,寬(6.20±0.87)mm,質量(0.230 3±0.001 4)g(表1)。

圖1 金佛山方竹種子外部形態

表1 金佛山方竹種子形態指標

2.2 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹種子萌發的影響

由表2可知,赤霉素處理顯著提高了金佛山方竹種子的發芽率、發芽勢。質量濃度為3 mg·L-1的赤霉素處理表現出最佳的促進效果,其發芽率、發芽勢達到最高值(分別為77.78%、26.67%),顯著高于對照組。然而,隨著赤霉素質量濃度的增加,金佛山方竹種子的發芽率、發芽勢呈逐漸下降的趨勢,質量濃度為5、10 mg·L-1的赤霉素處理時,發芽率、發芽勢顯著低于對照組,尤其是質量濃度為10 mg·L-1的赤霉素處理時,金佛山方竹種子的發芽率、發芽勢達到最低值(分別為44.41%、13.33%)。

表2 不同質量濃度赤霉素處理對金佛山方竹種子萌發影響的測定結果

2.3 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹幼苗的影響

由圖2、表3可知,隨著赤霉素質量濃度的增加,金佛山方竹幼苗的高度、根長呈逐漸減小的趨勢,展葉時間也隨之延長。適宜質量濃度的赤霉素處理能顯著促進金佛山方竹幼苗的根長、苗高,當赤霉素質量濃度為3 mg·L-1時,根長、苗高達到最大值(分別為(19.02±2.59)、(4.40±1.10)cm),顯著高于對照組,此時為赤霉素的最佳質量濃度;當赤霉素質量濃度為10 mg·L-1時,顯著抑制了幼苗的根長、苗高,降至最低值(分別為(4.88±2.18)、(3.20±1.18)cm);當赤霉素質量濃度為5 mg·L-1時,其處理的根長與對照組間無顯著差異(P<0.05)。赤霉素不同質量濃度處理的金佛山種子幼苗高度與鮮質量均無顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同質量濃度的赤霉素處理金佛山方竹種子生長

表3 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹幼苗根長、苗高影響的測定結果

2.4 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹種子生理指標的影響

由表4可知,種子中可溶性糖質量分數呈現“下降-上升”的趨勢。在S3時期,可溶性糖質量分數達到最低。在S3、S4、S5這3個時期,經過赤霉素處理的種子與對照間均無顯著差異。

由表5可知,種子中淀粉質量分數呈現“上升-下降”的趨勢,在S3時期淀粉質量分數達到最大值。只有在S3時期,經過赤霉素處理的種子淀粉質量分數與對照間存在顯著差異(P<0.05)。

2.5 不同質量濃度赤霉素處理對金佛山方竹種子酶活性的影響

不同質量濃度的赤霉素處理對金佛山方竹種子酶活性影響不同,隨著赤霉素質量濃度的升高,酶活性開始下降,當質量濃度為10 mg·L-1時,酶活性均降到最低。

在淀粉合成方向,隨著種子萌發和幼苗生長,腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性呈先降低后升高的趨勢(表6),在S4時期不同質量濃度處理的酶活均有所下降,此時質量濃度為10 mg·L-1的赤霉素處理的種子酶活性最低((2.83±0.07)μmol·g-1·h-1),酶活性在S6時期達到最大值,此時3 mg·L-1質量濃度赤霉素處理的種子酶活性最高((10.58±0.52)μmol·g-1·h-1);可溶性淀粉合成酶在S2、S4時期下降,在隨后的階段又持續上升;而顆粒性淀粉合成酶活性則不斷升高,在S6時期達到最大值,此時質量濃度為3 mg·L-1的赤霉素處理的種子酶活性最高((21.69±0.37)μmol·g-1·h-1)。

表4 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹不同時期可溶性糖質量分數影響的測定結果

表5 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹不同時期淀粉質量分數影響的測定結果

表6 不同質量濃度赤霉素對金佛山方竹不同時期酶活性影響的測定結果

赤霉素質量濃度/mg·L-1可溶性淀粉合成酶活性/μmol·g-1·h-1S1S2S3S4S5S63(4.37±0.10)ADbc(3.76±0.15)Da(5.03±0.62)BCa(4.18±0.47)CDbc(5.43±0.86)ABa(6.16±0.25)Ab5(4.40±0.23)Ca(3.34±0.47)Da(4.83±0.28)BCa(3.52±0.12)Dc(5.09±0.51)Ba(6.81±0.14)Aa10(4.23±0.15)Cbc(3.24±0.19)Da(5.00±0.17)Ba(4.00±0.35)Cbc(4.31±0.16)Cb(5.89±0.15)Ab對照(4.04±0.16)Cc(3.21±0.28)Da(4.73±0.45)BCa(4.54±0.31)BCa(5.24±0.79)Ba(6.63±0.31)Aa

赤霉素質量濃度/mg·L-1顆粒性淀粉合成酶活性/μmol·g-1·h-1S1S2S3S4S5S63(15.14±0.85)Ba(10.60±1.57)Ba(10.55±0.11)Ba(12.56±0.32)Ba(16.75±2.92)Aa(21.69±0.37)Aa5(12.00±0.38)Bb(8.50±0.32)Dc(11.60±0.41)CDa(12.32±0.78)Cb(15.63±0.44)Ba(17.40±1.97)Aab10(14.24±0.38)Bd(10.02±1.36)Cb(12.49±2.96)Ba(12.87±0.56)Bb(14.30±0.27)Ba(18.42±0.33)Aab對照(10.12±0.14)Dc(10.42±0.45)Db(10.76±1.13)CDa(11.94±0.3)Cb(16.99±0.75)Ba(19.99±0.91)Aab

赤霉素質量濃度/mg·L-1α-淀粉酶活性/mg·g-1·min-1S1S2S3S4S5S63(2.92±0.56)Ba(3.06±0.59)Ba(4.35±0.78)Ba(5.85±0.80)Aa(6.36±0.54)Aa(6.25±0.34)Aa5(3.23±0.50)Ca(3.73±0.45)BCa(4.09±0.21)Ba(6.46±0.27)Aa(6.32±0.41)Aa(6.23±0.59)Aa10(0.62±0.17)Cc(3.36±0.09)Ba(3.47±0.11)Ba(6.41±0.59)Aa(6.31±0.32)Aa(6.03±0.30)Aa對照(1.93±0.28)Db(3.10±0.31)Cb(3.27±0.54)Cb(4.58±0.40)Cb(5.29±0.44)Bb(6.34±0.56)Aa

續(表6)

赤霉素質量濃度/mg·L-1β-淀粉酶活性/mg·g-1·min-1S1S2S3S4S5S63(3.65±0.44)Aa(3.44±0.32)Ba(2.01±0.45)BCb(1.93±0.46)BCab(1.37±0.45)CDab(1.01±0.41)Da5(3.06±0.34)Ab(2.90±0.08)Aa(2.72±0.35)Ba(1.99±0.53)Bab(1.31±0.05)Bab(1.22±0.13)Ba10(2.61±0.15)Ab(1.64±0.19)Ab(1.41±0.05)Ac(1.35±0.38)Bb(1.01±0.45)BCb(0.69±0.05)Ca對照(3.17±0.17)Aab(3.17±0.42)Aa(2.44±0.07)Bab(2.51±0.06)Ba(1.79±0.07)Ca(1.21±0.30)Ca

赤霉素質量濃度/mg·L-1可溶性酸性蔗糖轉化酶活性/μmol·g-1·h-1S1S2S3S4S5S63(15.33±0.46)Aa(14.64±0.15)Aa(13.58±0.24)Ba(9.31±0.26)Ca(9.66±0.67)Ca(14.19±0.38)Ba5(15.86±0)Aa(13.32±0.62)Cc(13.04±0.32)Cb(10.46±0.42)Dab(10.76±0.67)Da(12.55±0.21)Bb10(13.33±0.46)Ab(12.62±0.36)Bc(12.02±0.02)Bc(10.74±0.10)Cc(10.64±0.60)Ca(13.18±0.53)Bb對照(13.34±0.54)Bb(14.00±0.30)Aab(13.80±0.25)ABa(10.01±0.16)Db(10.00±0.18)Da(12.55±0.24)Cb

赤霉素質量濃度/mg·L-1細胞壁轉化酶活性/μmol·g-1·h-1S1S2S3S4S5S63(20.71±0.81)Aa (8.98±1.96)Ba (10.62±0.36)BCa (12.05±0.59)BCa(11.31±2.52)BCa(13.06±2.71)Ca5(19.33±3.86)Aab(8.75±0.18)Cb(8.53±0.04)Cb(13.27±0.79)Bb(14.33±0.69)Ba(13.46±0.16)Ba10(16.54±1.07)Ac(15.35±0.84)ABb(13.32±2.24)ABCab(12.91±0.43)BCab(12.07±1.98)BCa(11.72±3.36)Ca對照(12.59±1.08)Ad(6.09±0.50)Cc(11.79±3.03)Bab(11.99±0.23)Bb(13.19±2.09)ABa(15.20±0.21)Aa

赤霉素質量濃度/mg·L-1蔗糖合成酶活性/μmol·g-1·h-1S1S2S3S4S5S63(218.39±18.53)BCa(184.43±12.01)Ca(171.34±30.14)Ca(236.25±29.38)Ba(394.28±37.10)Aa(408.09±8.22)Aa5(191.61±26.69)Bab(170.54±18.86)Cab(159.39±2.89)Ca(215.24±1.61)Ba(237.13±11.58)Bb(371.12±13.22)Ab10(152.34±7.88)Dc(149.32±5.44)Db(147.24±7.62)Da(174.70±21.69)Cb(272.03±3.44)Bb(374.47±10.23)Ab對照(168.05±4.65)Dbc(182.35±18.35)Da(164.83±31.46)CDa(236.39±12.29)BCa(267.47±9.67)Bb(367.96±12.00)Ab

在淀粉水解方向,α-淀粉酶、磷酸酶活性不斷升高,三種不同處理在S6時期達到最大值,且3 mg·L-1質量濃度赤霉素處理的種子酶活性最高(其值分別為(6.25±0.34)mg·g-1·min-1、(11.84±0.64)μmol·g-1·h-1);與之相反的是β-淀粉酶在整個種子發芽和幼苗生長過程中不斷下降,在S6時期降到最低,其中,質量濃度為10 mg·L-1的赤霉素處理的種子酶活性低((0.69±0.05)mg·g-1·min-1)。

在蔗糖水解方向,可溶性酸性蔗糖轉化酶活性呈現出“下降-上升”的變化趨勢,在S4時期有所下降,之后階段持續升高,在S4時期,3 mg·L-1質量濃度赤霉素處理的種子酶活性最低((9.31±0.26)μmol·g-1·h-1);而細胞壁轉化酶活性則會隨著種子萌發和幼苗生長逐漸下降,在S6時期降到最低值,且10 mg·L-1質量濃度赤霉素處理的種子酶活性最低((11.72±3.36)μmol·g-1·h-1);與可溶性酸性蔗糖轉化酶、細胞壁轉化酶活性相比,蔗糖合成酶活性隨著種子萌發和幼苗生長呈逐漸增加的趨勢,在S6時期各處理酶活最大值,而3 mg·L-1質量濃度赤霉素處理的種子酶活性最高((408.09±8.22)μmol·g-1·h-1),且蔗糖合成酶活性顯著高于可溶性酸性蔗糖轉化酶、細胞壁轉化酶活性,這意味著蔗糖合成酶在蔗糖水解中發揮著更重要的作用。

2.6 不同質量濃度赤霉素處理的金佛山方竹種子在S6時期各指標綜合分析

由圖5可知,各指標主要集中在一、二、四象限,也就是分布在對照和質量濃度為3、5 mg·L-1處理之間。其中,磷酸酶、蔗糖合成酶、顆粒性淀粉合成酶、可溶性糖、可溶性酸性蔗糖轉化酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶主要分布在質量濃度為3 mg·L-1赤霉素處理,說明其相關性較強,而質量濃度為5 mg·L-1赤霉素處理和對照附近主要分布的是可溶性淀粉合成酶、細胞壁轉化酶、說明這兩個指標間距離較近,相關性也較強;在對照和質量濃度為3、5 mg·L-1赤霉素處理時根長、苗高、發芽率、發芽勢、鮮質量距離較近,說明其相關性較強。

主成分1的貢獻率為56.6%;主成分2的貢獻率為28.8%;Starch為淀粉;SSS為可溶性淀粉合成酶;CWI為細胞壁轉化酶;α-amylase為α-淀粉酶;β-amylase為β-淀粉酶;STP為磷酸酶;SUSY為蔗糖合成酶;GBSS為顆粒性淀粉合成酶;Soluble sugar為可溶性糖;SAI為可溶性酸性蔗糖轉化酶;AGPase為腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶。

3 討論

赤霉素能夠促進種子對胚乳的吸收、利用[26],并在種子萌發的初期和胚根突出階段發揮作用,此外,赤霉素還可以解除種子休眠,促進α-淀粉酶的表達和活性提高、促進細胞分裂分化,促進種子胚的發育和種子的萌發[27]。有研究表明,經過赤霉素浸種處理,會激活部分基因來調控酶的合成和分泌,影響代謝反應,進而打破種子的休眠并且提高種子活力[28]。低質量濃度范圍內無法很好地打破種子休眠,而過高質量濃度范圍內會使種子發霉[29]。前人的研究表明,適當質量濃度的赤霉素可以促進羊草、金佛山方竹種子的萌發,本研究表明,不同質量濃度赤霉素處理可以影響金佛山方竹種子的發芽率、發芽勢、根長、苗高等。其中3 mg·L-1質量濃度赤霉素處理的種子發芽率、發芽勢最高,根長、苗高等指標均優于其他處理。

酶是生物催化劑,對植物體內物質代謝、形態建成、能量轉化等過程具有重要作用[28,30-31]。在種子萌發過程中,酶能夠催化和調節體內物質的轉化,并將其轉化為可運輸的形式,以供給生長和合成反應所需的能量[32]。淀粉的生物合成途徑中,腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)焦磷酸化酶的作用是將葡萄糖-1-磷酸中的葡萄糖殘基轉移到三磷酸腺苷(ATP)上生成腺苷二磷酸葡萄糖,進而合成淀粉,這是淀粉生物合成的重要調節位點,是淀粉合成過程中的關鍵酶[32]?？扇苄缘矸酆铣擅敢杂坞x的狀態存在于淀粉中,催化腺苷二磷酸葡萄糖與淀粉引起反應,將葡萄糖分子轉移到淀粉引物上,使淀粉鏈延長[33-34]。種子中的可溶性淀粉合成酶越強,種子利用腺苷二磷酸葡萄糖合成長鏈淀粉的能力就越強。顆粒結合型淀粉合成酶促進淀粉顆粒的合成和聚集,這些儲存的淀粉顆粒提供了萌發過程所需的能量基質[35]。淀粉合成酶活性的增強,進一步促進淀粉合成,意味著淀粉顆粒的合成和聚集過程的加強,而淀粉磷酸酶活性的增加是使種子休眠覺醒的標志之一,在種子露白時會顯著提高;蔗糖合成酶活性變化與種子的代謝調控密切相關,活性隨著種子萌發和幼苗生長逐漸變高,蔗糖合酶通過水解蔗糖,提供了合成纖維素所需的底物高質量濃度的植物生長調節劑,除了抑制種子的萌發率,還通過抑制種子中的淀粉水解酶、蔗糖水解酶活性來抑制幼苗高度的生長。

本研究中,磷酸酶與蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、α-淀粉酶、可溶性糖、苗高、鮮質量呈顯著正相關;顆粒性淀粉合成酶與可溶性酸性蔗糖轉化酶、蔗糖合成酶、可溶性糖質量分數呈顯著正相關,但與淀粉質量分數呈負相關;可溶性淀粉合成酶與β-淀粉酶呈極顯著正相關;可溶性酸性蔗糖轉化酶、蔗糖合成酶與可溶性糖質量分數呈極顯著正相關,但與淀粉質量分數呈極顯著負相關;細胞壁轉化酶與β-淀粉酶呈極顯著負相關;此外,淀粉質量分數與發芽率、發芽勢呈極顯著負相關,而與發芽特性、生長呈極顯著正相關。這些代謝過程和淀粉質量分數在植物生長發育中相互關聯,調節著植物的能量代謝和發育過程。

4 結論

綜合種子發芽情況與形態指標的分析結果表明,質量濃度為3 mg·L-1赤霉素是促進金佛山方竹種子發芽、幼苗生長的最佳質量濃度,3 mg·L-1質量濃度處理后的金佛山方竹種子發芽率為77.78%、發芽勢為26.67%、根長為19.02 cm、苗高為4.40 cm,對照組的發芽率為63.33%、發芽勢為22.22%、根長為13.20 cm、苗高為3.67 cm?？扇苄蕴?、淀粉、淀粉磷酸化酶、蔗糖合酶的變化與金佛山方竹種子萌發和幼苗生長密切相關,共同參與調控其生長發育。

但本實驗尚有一些不足之處,還需進一步設計低于3 mg·L-1質量濃度的赤霉素處理,以便確定最優赤霉素質量濃度。