单 莹 王子胜

(1.辽宁省经济作物研究所， 辽宁 辽阳 111000； 2.沈阳农业大学农学院， 沈阳 110161)

1876年，Nobbe提出种子生长力即种子活力的概念，从而创立了种子学[1]。科学家围绕种子的发生和发育、结构和成分[2-3]、生理生化特性[4-5]、对环境的应激反应[6-9]等开展了一系列的研究。近年来，有关种子的信号调控系统[10-12]和分子生物学研究[13-15]也在逐步深入，尝试着从更深层次揭开种子的秘密。

种子发育和成熟的过程也是贮藏物质逐渐累积增加的过程[13]，种子内的贮藏物质主要是蛋白质、脂肪、糖类、其他含氮物质[16]。研究表明，糖类是种子的主要贮藏物质，是种子生命活动的主要呼吸基质[17]；脂类可以限制种子的透水性[18]，对细胞膜起到保护作用；蛋白质帮助构成细胞结构，并为种子的正常代谢和发育提供氮素来源[19]。种子内的贮藏物质在不同种类、不同成熟度、不同贮藏年限的种子之间，甚至在同一作物的不同品种之间、同一品种不同产地之间都存在一定的差异。陈新军等研究认为，不同植物种子所含成分的差异，对其活力有一定的影响[20]。陈素传等通过对栓皮栎的研究认为，不同种源间栓皮栎种子的长度、宽度和种子千粒质量以及可溶性糖、淀粉和蛋白质含量差异极显著[21]。张莹等[22]对山白树种子、乌璟等[23]对白木香种子、邬忠康等[24]对不同品种荷兰豆种子、吕晓梅等[25]对不同产地的长柱红山茶种子、相微微等[26]对不同地区大明绿豆种子的营养成分进行了分析比较，也得到了相似的结论。

种子萌发是一个连续的过程，包括吸水膨胀，代谢恢复，胚根突破外围包被组织，即完成萌发[10]。种子萌发过程中，会发生一系列生理生化变化，其中包括有毒有害物质的积累、酶活性的变化、激素水平的变化等等。有关种子萌发期间酶活性和激素水平变化的研究较多，并取得了丰富的成果[27-28]。关于，种子萌发过程中的生理生化变化与种子的营养成分含量之间，相关性研究记载不多，相关研究较多以牧草、园艺作物或者树木的种子为模板，针对大田作物种子开展的研究有限。因此，本试验选择具有代表性的8种大田农作物种子，检测其贮藏物质含量和萌发期间生理生化变化等指标，研究分析了大田作物种子萌发的规律，以期为农业生产过程中种子生产、保存和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选取了棉花、红小豆、水稻、玉米、黄豆、黑豆、花生7种作物种子为材料。

1.2 方 法

1.2.1种子基本指标的测定

每份样品取适量，检测百粒重，并利用培养箱进行发芽试验。

1) 种子百粒重。

选择大小均匀、无破损的种子(棉花种子为脱绒后光籽)，测量百粒重，每样品重复3次，取平均值。

2) 种子发芽试验。

每样品取100粒种子，使用发芽盒，温度28 ℃、湿度40%，利用培养箱进行发芽试验。发芽前利用95% 乙醇溶液对种子、发芽盒和培养箱进行表面消毒，在第4天测定发芽率。

1.2.2种子营养成分含量的测定

利用索氏提取法测定种子的粗脂肪含量，用蒽酮显色法测定种子的可溶性糖和淀粉含量。操作方法参考张治安、陈展宇编写的《植物生理学实验技术》[29]。

1.2.3种子萌发期间酶活性的测定

每样品种子称取1 g，经全面消毒后，使用发芽盒在温度28 ℃、湿度40%的条件下，利用培养箱进行发芽。分别在发芽1、4、7 d，取发芽种子测定丙二醛(MDA)含量、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。所有指标的测定均重复3次，最终结果取平均值。

采用TBA比色法测定种子MDA含量，采用愈创木酚法测定种子POD活性，采用紫外吸收法测定种子CAT和SOD活性。操作方法参考李玲等编写的《植物生理学模块实验技术》[30]。

1.2.4数据处理

利用Excel软件处理数据和作图，利用DPS软件分析。

2 结果与分析

2.1 种子主要营养成分含量

由不同种类种子营养成分含量差异(表1)可见，各样本间养分含量差别明显。其中粗脂肪含量较低(0.51%～4.62%)的小豆、玉米和水稻种子中，淀粉含量明显较高(38%～59%)，即淀粉类种子；而其它样本的粗脂肪含量高(16%～45%)，淀粉含量明显较低(3.1%～5.0%)，即脂肪类种子(油料作物种子)。除棉花和花生的可溶性糖含量较低外，其它作物种子的可溶性糖含量基本接近，与其它2种成分之间并没有表现出相关的趋势。

表1 不同种类种子营养成分含量

样本 粗脂肪/%可溶性糖/%淀粉/%棉花18.94±0.16bB 5.24±0.13fE3.17±0.09cC红小豆0.51±0.03gF14.29±0.54aA38.13±4.29bB水稻1.84±0.01fE11.27±0.72dC59.13±4.87aA玉米 4.62±0.18eD13.72±0.25abAB58.80±1.93aA黄豆16.82±0.08dC13.14±0.77bcAB5.04±0.58cC黑豆17.62±0.14cC14.16±0.65aA4.32±0.16cC花生45.24±0.21aA7.46±0.33eD3.66±0.13cc

注：表中大写字母表示在1%水平上差异显著，小写字母表示在5%水平上差异显著。下同。

2.2 种子百粒重和发芽率及其与养分含量的相关分析

2.2.1种子百粒重和发芽情况

由种子百粒重和发芽试验的结果(表2)可见，样本间的百粒重和4 d发芽率差别明显。通过计算，种子的百粒重和4 d发芽率之间的相关系数为0.722 6，为中度正相关；淀粉类种子和脂肪类种子的发芽率之间也没有表现出明显的差异。

表2 样本百粒重和4 d发芽率

样本百粒重/g4d发芽率/% 棉花9.89±0.06fE8.62±1.24dC小豆21.77±0.50dD70.67±3.21abA水稻2.40±0.06gF42.33±14.57cB玉米27.90±0.69bcBC70.00±8.00abA黄豆27.03±1.42cC57.67±4.51bcAB黑豆29.47±0.91bB55.67±8.74bcAB花生47.17±1.81aA76.67±2.08aA

2.2.2养分含量与种子百粒重和发芽率的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子百粒重和4 d发芽率为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果(表3)表明，样本的百粒重主要受到粗脂肪和可溶性糖含量的影响，并与粗脂肪含量呈中度正相关；3种成分含量都会影响到4 d发芽率，其与粗脂肪含量呈较弱的低度相关。由此可见，粗脂肪含量对种子百粒重和发芽率的影响较大。

表3 养分含量与百粒重和发芽率的相关和逐步回归分析

2.3 种子发芽期间MDA浓度变化及其与养分含量的相关分析

2.3.1MDA浓度变化情况

MDA浓度变化(图1)表明，发芽期间，棉花种子的MDA浓度明显高于其他作物，其次是花生、黑豆、黄豆，浓度最低的是水稻种子。总体来说，，脂肪类种子的MDA浓度要高于淀粉类种子，随着发芽时间的延长，淀粉类种子MDA浓度呈升高趋势，而脂肪类种子MDA浓度则呈先升再降趋势。

图1 种子发芽期间MDA浓度变化情况

2.3.2养分含量与MDA浓度的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子发芽第1天、第4天和第7天的MDA浓度为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果(表4)表明，种子发芽期间，MDA浓度主要受到可溶性糖含量的影响，并与其呈显著负相关；其次是淀粉含量；粗脂肪含量对MDA浓度的影响较小。

表4 养分含量与MDA浓度变化的相关和逐步回归分析

发芽时间/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X31 0.1192-0.7028-0.3911Y=7.45-0.52×X240.1803-0.7765-0.3792Y=22.76-1.65×X27 0.1408-0.7701-0.3160Y=19.47-1.397×X2

2.4 种子发芽期间POD活性变化及其与养分含量的相关分析

2.4.1POD活性变化

POD活性的变化(图2)表明，种子发芽期间，淀粉类种子的POD活性呈逐渐降低趋势，其中玉米和水稻种子发芽1 d时的POD活性明显高于其他作物，其下降也较为明显。脂肪类种子POD活性变化趋势相对较复杂，但黑豆和花生POD活性一直保持在较高水平。从现有数据看，不同样本间、不同的发芽时间之间，都没有表现出明显的规律。

2.4.2养分含量与POD含量的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子发芽第1天、第4天和第7天 POD活性为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果(表5)表明，发芽1 d时， POD活性主要受到淀粉含量的影响，呈显著正相关，与粗脂肪含量呈显著负相关，与可溶性糖含量呈低度正相关。发芽4 d和7 d时表现出相同趋势：主要受到粗脂肪含量的影响，并与其呈显著到极显著正相关，与可溶性糖和淀粉含量呈显著负相关，且其相关性逐步减弱。

图2 种子发芽期间POD活性变化情况

表5 养分含量与POD活性变化的相关和逐步回归分析

发芽时间/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X31 -0.54410.39410.7562Y=0.0497+0.007×X34 0.7845-0.5723-0.3181Y=0.0180+0.00538×X170.8314-0.3811-0.4192Y=-0.025+0.0072×X1

2.5 种子发芽期间CAT活性变化及其与养分含量的相关分析

2.5.1CAT活性变化情况

CAT活性变化(图3)表明，棉花种子发芽1 d和4 d 时CAT活性较高，而花生种子在发芽7 d时CAT活性较高。棉花和花生种子的CAT活性在整个试验期间都保持在相对较高水平，而水稻和小豆种子的CAT活性则相对较低。总体来说，除棉花外，其它样本发芽期间CAT活性呈逐渐上升的趋势。

图3 种子发芽期间CAT活性变化情况

2.5.2养分含量与CAT活性的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子发芽第1、4、7天的CAT活性为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果(表6)表明，种子发芽期间，CAT活性与粗脂肪含量呈显著正相关，与可溶性糖含量呈显著或极显著负相关，与淀粉含量呈显著到减弱的负相关关系。逐步分析的结果也表明，种子发芽期间，CAT活性主要受到可溶性糖含量的影响。

表6 养分含量与CAT浓度变化的相关和逐步回归分析

发芽时间/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X310.4098-0.8559-0.5332Y=770.9243-49.0648×X24 0.3933-0. 4801-0.0263Y=493.5094-7.7616×X1-3.4011×X270.5695-0.7847-0.4058Y=305.5121+8.7686×X2

2.6 种子发芽期间SOD活性变化及其与养分含量的相关分析

2.6.1SOD活性变化情况

SOD的活性变化(图4)表明，棉花种子的SOD活性在发芽1 d时较高，而花生种子SOD活性在发芽4 d和7 d时较高。比较之下，棉花和花生的SOD活性相对较高，而小豆和水稻SOD活性较低。总体来看，种子发芽期间SOD活性随发芽时间的延长而逐渐降低，并且脂肪类种子SOD活性高于淀粉类种子。

图4 种子发芽期间SOD活性变化情况

2.6.2养分含量与SOD活性的相关分析

以种子的营养成分含量为自变量，以种子发芽第1、4、7天的SOD活性为因变量，进行相关分析和逐步回归分析，结果(表7)表明，发芽期间SOD活性与3种成分的含量都有较强的相关关系，其与粗脂肪含量为正相关，与可溶性糖和淀粉含量呈负相关。逐步回归分析表明，种子发芽期间，SOD活性主要受到可溶性糖含量的影响，随可溶性糖含量的升高而降低。

表7 养分含量与SOD活性变化的相关和逐步回归分析

发芽时间/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X310.5174-0.8356-0.5317Y=691.0671-41.0613×X240.9095-0.7531-0.5135Y=104.8730+4.7174×X1-9.8172×X270.6259-0.8343-0.2612Y=20.6640-1.1515×X2

3 结论与讨论

3.1 不同种子养分含量表现不同的特性

试验中各样本的养分含量差异明显。3种营养成分中，粗脂肪含量与淀粉含量呈负相关，可溶性糖含量与其它2种成分之间没有表现出相关关系。脂肪含量较高的种子被称为脂肪类种子或油料作物种子(脂肪含量≥15%)，是天然油脂的主要来源，本试验中包括花生、棉花和黄豆；而淀粉含量较高的种子被称为淀粉类种子(淀粉含量≥35%)，一般作为人畜的淀粉类食物来源，本试验中包括水稻、玉米和小豆。值得注意的是，黑豆作为杂豆类的一种，一直都被认为是淀粉类种子，试验检测的脂肪含量高达17.62%，基本与黄豆持平，而淀粉含量仅有4.32%，因此应将其作为油料作物，成为植物油脂的一个新来源。同时，黑豆作为一种比较受欢迎的保健食品，建议对其油脂的组成成分进行进一步分析，充分开发其药食同源的新用途。

3.2 种子百粒重和4 d发芽率受到营养成分含量的影响

试验中样本间的百粒重和第4天发芽率区别明显，并且呈显著正相关关系，即种子越大，发芽率越高；2个指标在淀粉类种子和脂肪类种子之间没有表现出区别。2个指标更多受到粗脂肪含量的影响，可溶性糖含量和淀粉含量对其影响有限。然而，水稻种子由于种皮较坚厚，发芽较慢，第4天发芽率仅为42%,棉花种子的4 d发芽率仅为8%，其原因有待进一步探讨。

3.3 种子萌发期间MDA主要来自于脂类物质的分解和转化

本试验中，脂肪类种子MDA浓度要高于淀粉类种子。随着发芽时间的延长，淀粉类种子MDA浓度呈升高的趋势，而脂肪类种子MDA浓度则呈先升再降趋势。总体来看，MDA浓度随粗脂肪含量的增加而升高，随可溶性糖和淀粉含量的增加而降低。

可溶性糖是种子发芽到转入光合作用之前的主要呼吸底物[6]，可溶性糖含量高，则种子的生命活动相对旺盛，有害物质积累随之降低。本试验中，MDA含量与可溶性糖含量呈负相关，这一点与前人的研究结果相符合。赵娟等研究认为，种子中脂类物质限制种子的透水性，对细胞膜起到保护作用；但是脂类容易变质，从而引起种子的劣变[18]。本试验中脂肪类种子MDA浓度要高于淀粉类种子，结合笔者的相关试验(数据整理中)，可以推测，脂类是种子发芽过程中MDA的重要来源之一。

3.4 种子发芽期间酶活性的变化特点

发芽过程中，淀粉类种子的POD活性呈逐渐下降趋势，脂肪类种子POD活性变化较为复杂，该指标与粗脂肪含量呈正相关关系。CAT活性呈逐渐上升趋势，SOD活性呈逐渐降低趋势，二者主要随可溶性糖含量的增加而降低。脂肪类种子的SOD活性高于淀粉类种子，CAT活性在两类种子中没有表现出明显趋势。

本试验中，粗脂肪含量与POD活性、CAT活性和SOD活性均表现较强的正相关关系，由此可以推测，发芽过程中的氧自由基主要来自于脂类物质的分解和转化，氧自由基的增加反而提高了酶的活性。样本中， POD活性较高的花生和黑豆，其发芽和生长情况良好；同为脂肪类种子的棉花其POD活性明显低于花生，发芽率也低于花生；可以认为，POD对种子起到了直接的保护作用。同时，棉花和花生的CAT和SOD活性一直较高，但花生的发芽率较高，而棉花的发芽率却偏低，说明CAT和SOD对种子的保护作用并没有直接体现在种子活力上。关于其作用机制，有待进一步探讨。

3.5 种子发芽期间生理指标的测定应在吸水完成后进行

本试验中，MDA、POD 、CAT、SOD 4个指标在发芽第1天时，起伏较大，在发芽第4天和第7天时，各指标都表现出一定的趋势。由此认为，种子在发芽第1天时，还处在吸胀阶段，基本的生理和代谢功能还没有恢复。发芽第4天和第7天时，种子的活性已经被充分调动起来，代谢过程基本恢复，此时的检测结果反映的才是种子本身的活力水平，也更值得信赖。

本试验中种子发芽率与酶活性水平的关系，由于部分样本出现腐烂现象，发芽率数据不具有代表性，因此没有进行比较。关于这方面的工作，计划在新一轮的试验中，通过不同温湿度条件下，种子的发芽率和酶活性水平之间的关系研究来进一步确定。

3.6 种皮对种子起到明显的保护作用

本试验中，为防止杂菌污染，对发芽盒、发芽箱及种子进行了表面消毒，但种子发芽率一直偏低，第4天开始出现腐烂现象，第7天时腐烂现象已经很严重，同时黄豆样品也出现较严重的腐烂现象。样品中顺利发芽且发育良好，基本没有腐烂的是水稻和花生。

Loic研究认为，种皮是种子抵御外界不良环境的第一层保护机制，种皮中的黄酮类物质不仅能为种子提供一个抵御病害的天然屏障，还能清除氧自由基[31]。结合本试验的实际，认为棉花种子在脱绒过程中，种皮受到损伤，对种子的保护能力下降。徐敏等[9]曾经利用棉花脱绒和未脱绒的种子进行发芽试验，也发现脱绒棉籽并未如预期在发芽方面占有优势，推测应该是同样的原因。水稻的种皮较厚，保护性较强，因而水稻发芽虽然稍慢，但发芽率较高，发芽后长势良好且没有腐烂现象。黄豆的种皮相对较薄，保护能力有限，因此黄豆也出现了较严重的腐烂现象。但是花生同样作为脂肪类种子且种皮较薄，却能够顺利发芽并保持良好的生长状态。可见，种皮的薄与厚并不代表其保护能力，种皮对种子的保护机制值得进一步探讨。

种子只有正常萌发和生长才能真正体现其价值，综合本试验研究结论，淀粉类种子在萌发方面具有一定优势，生产中可以适当降低播种量，脂肪类种子对于萌发期间的环境条件要求较高，种皮较厚的种子出苗率较高但发芽速度慢，生产中最好采取一定的催芽引发措施，以促进其出苗。