贮藏年限对燕麦种子生理生化特性的影响

时间：2024-07-28

金小雯，张炜炜，赵桂琴*，柴继宽，王苗苗，焦润安，孙浩洋，黎蓉

(1. 甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州730070； 2. 甘肃省天水市秦州区畜牧兽医局，甘肃天水741000)

植物种子的活力在形态和生理成熟后达顶峰，之后会进入衰老过程，活力逐渐下降[1]。这一过程受多种因素的影响，除种子本身的特性外，收获后的贮藏时间和条件是影响种子活力和老化进程的主要外部因素。种子在贮藏过程中受自身含水量、贮藏温度和时间等的影响不可避免地会发生自然老化。随贮藏时间的延长，种子外观颜色变暗，失去光泽，发芽率明显下降[2]，幼苗生长缓慢[3]；同时种子内部如膜结构、酶活性、呼吸作用、贮藏物质和超微结构等方面会发生一系列变化[4]。Mc Donald等[5]认为种子内部产生自由基攻击细胞膜引起膜脂过氧化是导致种子老化劣变的主要原因之一。已有学者对烟草(NicotianatabacumL.)[6]、菊苣(CichoriumintybusL.)[7]、披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)[8]、油松(PinustabuliformisCarr.)[9]等植物活性氧、抗氧化酶活性等生理生化特性进行了研究，发现老化劣变的种子活性氧积累增加，膜脂过氧化程度加深，抗氧化酶活性下降，丙二醛含量上升。张永娟等[10]认为随着种子老化程度的加深，其种子内部的酶活性降低，可溶性糖含量随种子老化和质膜透性增大而上升。龙金飞等[11]发现沙芥属植物种子可溶性蛋白含量随贮藏年限增加呈先升后降趋势。

燕麦(AvenasativaL.)是禾本科早熟禾亚科燕麦属(Avena)一年生草本植物，分带稃型和裸粒型两大类，即皮燕麦和裸燕麦[12]，广泛种植在世界各地。燕麦作为世界八大粮食作物之一，籽粒蛋白质含量丰富，脂肪含量是大麦、小麦的两倍多，并含有丰富的膳食纤维，营养价值较高[13]，是一种优质的粮、饲兼用作物[14]。但由于燕麦种子的油脂含量较高，尤其是不饱和脂肪酸[15]，脂肪衍生物容易氧化酸败，导致种子容易发生劣变而不耐贮藏，降低了利用价值和产品品质[16-17]，因此研究贮藏时间对燕麦种子萌发以及生理生化特性的影响对其安全贮藏有重要意义。

目前，关于燕麦种子的研究多集中在盐、碱胁迫对燕麦生理生化影响[18-20]以及种子人工老化[21-23]等方面，有关贮藏年限对燕麦种子萌发和生理生化特性影响方面的研究还鲜见报道。因此本文以不同贮藏年限的燕麦种子为材料，探讨其种子活力与生理生化指标随贮藏年限的变化规律，为燕麦种子自然老化的生理机制研究提供依据，并为燕麦的科学贮藏及其高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试燕麦品种为裸燕麦白燕2号、皮燕麦白燕7号，种子产自甘肃省通渭县华家岭镇，分别于2017年、2016年、2015年、2013年和2009年收获，常温贮藏于甘肃省兰州市甘肃农业大学牧草实训基地种子室(年均温6.9℃)。试验于2017年在甘肃农业大学草业学院实验室进行，供试材料分别贮藏了0年、1年、2年、4年和8年。

1.2 测定内容与方法

含水量：参照《国际种子检验规程》规定，称取净种子4.5 g左右放入铝盒，重复4次。在130℃～133℃下，将铝盒放入烘箱内烘2 h。盖好铝盒放入干燥器冷却30 min后称重。计算含水量：

种子含水量(%)=(m2-m3)/(m2-m1)×100

式中m1为铝盒的重量，g；m2为铝盒和样品烘干前的重量，g；m3为铝盒和样品烘后的重量，g。

参照《国际种子检验规程》规定的燕麦种子发芽条件，采用培养皿纸上法进行萌发试验并计算：发芽势(%)=第5 d发芽的种子数/供试种子总数×100，发芽率(%)=发芽终期(10 d)发芽的种子数/供试种子总数×100，发芽指数(GI)=∑Gt/Dt，活力指数(VI)= GI×S，式中Dt为相应的发芽天数，Gt为Dt相对应的不同时间(t天)的发芽数，S为发芽10 d幼苗的鲜重。

幼苗芽长、根长的测定：幼苗生长10 d后，用游标卡尺测定每株幼苗从种子胚到最长叶叶尖和最长根根尖的长度，每皿测定5株。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法[24]测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G250染色法[24]测定，脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[24]测定。

参考Wang等[25]的方法，将种子在25℃培育24 h后，称取0.5 g新鲜样品用8 mL 50 mM磷酸盐缓冲液(pH7.0，含有1%(w/v)聚乙烯吡咯烷酮)研磨。在4℃下15000×g离心20 min，收集上清液作为粗酶液，用于SOD，POD，CAT活性和丙二醛含量测定。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑法[24]测定，过氧化物酶(POD)采用愈创木酚法[24]测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用高锰酸钾滴定法[24]测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定[24]，脱氢酶采用TTC定量法[25]，以光密度OD值大小表示脱氢酶活性高低。

1.3 数据处理

采用Microsoft excel 2010进行数据整理，并使用SPSS 22.0数据分析软件进行单因素方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 贮藏年限对燕麦种子含水量的影响

供试燕麦种子含水量变化如表1所示。在0～8年的贮藏期内，白燕2号种子含水量在6.12%～6.55%之间，白燕7号在6.86%～8.21%的范围内，较白燕2号波动较大，但均低于GB4404.4-2010要求的安全含水量(13%)。

表1 贮藏年限对燕麦种子含水量的影响Table1 Effects of storage years on oat seed moisture content 单位：%

注：同列不同大写字母表示品种间差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同

Note:Different capital letters in the same column indicate significant differences between varieties (P<0.05),and different lowercase letters in the same row indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same as below

2.2 贮藏年限对燕麦种子萌发及幼苗生长的影响

贮藏年限对燕麦种子萌发有显著影响(P<0.05)。其发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数均随贮藏时间的延长而下降(表2)。白燕2号贮藏2年发芽率和发芽势与收获当年差异不显著(P>0.05)，贮藏8年时其发芽势、发芽率均低于40%，发芽指数、活力指数分别降至9.56、11.98，较当年收获的分别下降了79.84%，86.31%。白燕7号贮藏2年的发芽率和发芽势与收获当年相比显著(P<0.05)升高，与贮藏4年的无明显差异(P>0.05)，贮藏4年发芽率仍为96.67%。在贮藏8年时仍有60%以上的发芽势和发芽率。

幼苗生长也表现出类似的趋势(表2)。随贮藏年限的延长，白燕2号幼苗芽长和根长逐年明显缩短，贮藏8年时其芽长和根长分别较当年收获的降低了48.24%和54.54%。白燕7号则表现出不同的变化趋势，其幼苗芽长和根长在4年内逐渐增加并在第4年达到最大值(芽长105.00 mm，根长98.94 mm)，到第8年有明显下降。

同一贮藏年限下不同燕麦品种的种子萌发也存在差异(表2)。收获当年和贮藏1年的白燕2号发芽势和发芽率均显著(P<0.05)高于白燕7号；贮藏2年、4年和8年的则相反，尤其贮藏8年的白燕7号发芽势和发芽率分别较白燕2号高90.37%和78.95%。在0～4年的贮藏期内，白燕2号的发芽指数和活力指数显著(P<0.05)高于白燕7号；但贮藏8年时，白燕7号则显著(P<0.05)高于白燕2号(分别高102.20%和55.34%)。另外，幼苗生长也存在明显(P<0.05)差异，当年收获的白燕2号幼苗芽长和根长显著(P<0.05)高于白燕7号，其余贮藏年限下白燕7号则优于白燕2号。

表2 贮藏年限对燕麦种子萌发及幼苗生长的影响Table 2 Effects of storage years on the seed germination and seedling growth of oats

2.3 贮藏年限对燕麦种子可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量的影响

由图1-Ⅰ可知，随着贮藏年限的增加，白燕2号和白燕7号可溶性糖含量均有显著变化。白燕2号表现为先上升后下降，在贮藏2年时开始明显(P<0.05)上升，到第4年时仍有较高值，随后开始下降，在贮藏8年降至最低值。白燕7号的可溶性糖含量在贮藏期内总体表现为逐步上升的趋势。贮藏2年时可溶性糖含量与收获当年差异不显著(P>0.05)，在贮藏8年时达最大值，较当年收获的增加了70.64%。可溶性蛋白含量随贮藏年限的增加都呈先升后降趋势(图1-Ⅱ)。白燕2号在贮藏1年可溶性蛋白含量即达到最大值，随后逐渐下降；贮藏8年时降至最低。而白燕7号变化幅度较小，在1～4年的贮藏期内没有显著(P>0.05)变化，贮藏8年后较当年收获的只下降了4.26%。脯氨酸含量的变化与可溶性蛋白相似，也呈先升后降趋势(图1-Ⅲ)。白燕2号的脯氨酸含量从收获当年到贮藏4年期间显著(P<0.05)上升，贮藏8年后急剧下降，较贮藏4年和收获当年分别下降了65.68%和44.05%。白燕7号在0～2年内脯氨酸含量显著(P<0.05)上升，贮藏4年后开始下降；贮藏8年后其脯氨酸含量仍然高于当年收获和贮藏1年的。

燕麦种子可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量在品种间存在显著差异。0～4年的白燕2号可溶性糖含量均显著(P<0.05)高于白燕7号；贮藏8年时白燕7号较白燕2号高36.13%(图1-Ⅰ)。各贮藏年限下，白燕2号可溶性蛋白含量均高于白燕7号，在贮藏1年时差值最大，达78.08%(图1-Ⅱ)。脯氨酸含量的变化与可溶性蛋白相似，在0～4年的贮藏期内，白燕2号均显著(P<0.05)高于白燕7号；贮藏8年时白燕7号较白燕2号高65.64%(图1-Ⅲ)

图1 贮藏年限对燕麦种子可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量的影响Fig.1 Effects of storage years on the soluble sugar content,soluble protein content and proline content of oats注：同一品种不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，同一贮藏年限不同大写字母表示品种间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters of the same variety indicate significant differences among treatments (P<0.05),and different capital letters of the same storage year indicate significant differences between varieties (P<0.05). The same as below

2.4 贮藏年限对燕麦种子SOD、POD、CAT和脱氢酶活性的影响

燕麦种子抗氧化酶活性随贮藏年限的延长发生了显著变化。由图2-Ⅰ可知，白燕2号种子SOD活性随贮藏年限的增加呈下降趋势。当年收获的种子SOD活性最高，贮藏2年时开始显著(P<0.05)下降，贮藏8年时较当年收获降低40.82%。而白燕7号则有所不同，其SOD活性随贮藏时间的延长表现为先升后降，在4年的贮藏期内显著上升，贮藏8年时急剧下降，较贮藏4年和收获当年下降了84.96%和76.64%。POD的变化趋势与SOD类似(图2-Ⅱ)，白燕2号的POD活性随贮藏年限增加逐渐下降，白燕7号在0～4年内显著上升，贮藏8年后急剧下降。CAT的变化趋势与SOD类似，白燕2号随贮藏年限的增加CAT逐渐下降(P<0.05)；而白燕7号在0～4年内呈逐步上升趋势，贮藏8年后显著下降(图2-Ⅲ)。虽然脱氢酶总的变化趋势是随贮藏时间的延长先升后降，但两个供试材料的变化幅度有很大差异(图2-Ⅳ)。白燕2号种子脱氢酶活性在贮藏2年时达最高值，为0.083，随后显著(P<0.05)下降，贮藏8年较当年收获降低了49.25%。白燕7号种子脱氢酶活性的变化较为平缓，在1～4年的贮藏期内没有明显波动，贮藏8年时的脱氢酶水平与收获当年无显著差异。

抗氧化酶活性和脱氢酶活性也有显著的品种间差异。在0～2年贮藏期内，白燕2号的SOD活性均显著(P<0.05)高于白燕7号；贮藏4年时，白燕7号达到最大值且显著(P<0.05)高于白燕2号；贮藏8年时SOD活性均最低，白燕7号仅为白燕2号的23.24% (图2-Ⅰ)。白燕2号在各个年限的POD活性均明显(P<0.05)低于相应的白燕7号，其最高值为487.74 u·g-1(收获当年)，而白燕7号除贮藏8年的外，其余年限的POD值均高于这一数值(图2-Ⅱ)。两个品种的CAT活性在贮藏1年内差异不大，但是2～4年内白燕7号的CAT活性显著(P<0.05)高于白燕2号，8年后二者相差无几(图2-Ⅲ)。在0～2年贮藏期内，白燕2号脱氢酶活性均显著高于白燕7号；但贮藏4年和8年时白燕7号的活性分别较白燕2号高20.37%和64.71%(图2-Ⅳ)。

图2 贮藏年限对燕麦种子抗氧化酶活性和脱氢酶活性的影响Fig.2 Effects of storage years on the antioxidant enzymes and dehydrogenase activity of oats

2.5 贮藏年限对燕麦种子丙二醛含量的影响

随着贮藏年限的延长，燕麦种子丙二醛含量显著增加(图3)。两个供试材料均以收获当年的种子丙二醛含量最低，随后逐渐增加，贮藏8年达到最大值。但白燕2号在0～2年内的丙二醛含量明显高于白燕7号，贮藏4年二者相差无几，8年后白燕2号的丙二醛含量较同期的白燕7号高出37.87%。

图3 贮藏年限燕麦种子丙二醛含量的影响Fig.3 Effects of storage years on the seed malondialdehyde content of oats

3 讨论

3.1 贮藏时间对燕麦种子萌发和幼苗生长的影响

种子含水量作为保持种子活力的关键因素[27]，在种子贮藏期间起着重要作用。有研究发现沙芥种子的含水量与发芽率之间显著相关[28]。本研究中燕麦种子含水量随贮藏年限变化不大，影响种子萌发的主要因素是贮藏时间。种子活力是检验种子质量的重要指标之一，种子萌发与幼苗生长状况是种子活力的具体体现[30]，高活力种子有明显的生长优势、生产潜能和贮藏潜力[31]。本研究中，随着贮藏年限的延长，燕麦种子贮藏2年的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数明显下降，种子活力降低，种子开始老化。这与苜蓿(MedicagosativaL.)[32]、夏枯草(PrunellavulgarisL.)[33]、狗尾草(Setariasphacelatecv. Narok)[34]种子贮藏研究的结果一致。当年收获的种子可能存在休眠或生理后熟现象，因此出现了发芽势和发芽率低于贮藏1年种子的情况，这在披碱草[35]、狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)[36]等种子萌发研究中也有报道。由于种子活力随贮藏年限而下降，因此幼苗生长也受到影响，白燕2号的芽长和根长随贮藏时间的延长显著缩短，贮藏8年较当年收获分别下降了48.24%和54.54%。白燕7号的变化则明显不同，0～4年内幼苗芽长和根长呈增加趋势，贮藏4年达到最大值；尽管8年后有所下降，但与收获当年相差无几，较同期的白燕2号分别增加了75.33%和126.1%。白燕7号在种子萌发和幼苗生长方面的这些表现证明其在同等条件下比白燕2号更耐贮藏。白燕7号是皮燕麦，而白燕2号是裸燕麦，皮燕麦种子的外壳为其提供的保护作用可能是其耐贮性好的主要原因。

3.2 贮藏时间对燕麦种子渗透调节物质含量的影响

可溶性糖、可溶性蛋白作为植物生长发育主要的能量和代谢的中间产物，也参与渗透调节；脯氨酸是重要的渗透调节物质[37]。逆境条件会引起渗透胁迫，植物体通过代谢调控这类小分子物质进行渗透调节，以缓解胁迫造成的伤害[38]。本研究中，随贮藏年限的增加燕麦种子可溶性糖含量总体呈上升趋势，可溶性蛋白和脯氨酸含量呈先升后降趋势。这与张永娟等[10]和龙金飞等[11]的研究结果一致。杜锦等[39]也发现小麦(TriticumaestivumL.)种子随着老化程度加深，种子中可溶性糖、可溶性蛋白含量也呈显著的先升后降趋势。随着贮藏时间的延长，种子内部贮藏物质的分解和消耗加剧，小分子渗透调节物质含量增加。白燕2号贮藏8年后，营养物质已经消耗大半，脯氨酸等的含量显著下降、发芽率不足40%，幼苗生长弱小，老化特征明显。

3.3 贮藏时间对燕麦种子抗氧化酶活性、脱氢酶活性和膜脂过氧化作用的影响

随着贮藏时间的延长，种子内部的酶活性也发生了变化。在种子老化过程中，种子内部活性氧代谢动态平衡的失衡程度增加，细胞内的防御反应加剧。其中SOD作为抗氧化酶促清除系统中的关键酶及膜的第一道防线[40]，首先将超氧阴离子转化为过氧化氢以减轻伤害，同时POD协同CAT等抗氧化酶清除过氧化氢等活性氧[41]，共同阻止活性氧在种子内部的积累，抵抗种子老化。不同燕麦品种对种子老化的抗性不同，其抗氧化酶活性变化也不尽相同。本研究中，白燕2号种子SOD、POD和CAT活性随贮藏年限的增加均呈持续下降趋势，这与对玉米(ZeamaysL.)[42]、罗布麻(ApocynumvenetumL.)[43]、新麦草(Psathyrostachysjuncea(Fisch.) Nevski)[44]等种子老化研究的结果一致。白燕7号种子SOD、POD和CAT活性变化与白燕2号明显不同，在0～4年的贮藏期内随时间的延长呈显著上升趋势，表现出较强的清除活性氧能力，这与其贮藏4年后仍有95%以上的发芽率和强壮的幼苗生长相一致。贮藏8年后SOD、POD和CAT活性降至最低，种子老化，活性氧清除能力急剧下降。

随着种子老化程度加剧，活性氧等有毒物质积累，加剧了膜脂过氧化作用。丙二醛是膜脂过氧化的主要产物之一。在本研究中，燕麦种子的丙二醛含量随贮藏年限的增加逐渐上升。这与孔令琪[45]在苜蓿和刘明久[46]在玉米上的研究结果一致。丙二醛含量的增加进一步加剧了种子的老化。

脱氢酶是种子呼吸过程中的主要酶类，是衡量种子活力的重要指标[47]，脱氢酶活性高则种子活力高。本研究中，随贮藏年限的增加，燕麦种子脱氢酶呈先升后降的趋势。这与在荷兰豆(Pisumsativumvar. saccharatum)上的结果[48]类似。贮藏前期种子内部保护酶活性较高，脱氢酶活性也较高，种子活力较强，发芽势和发芽率均较高；贮藏2～4年以后燕麦种子逐渐老化，活性氧清除能力下降，渗透调节作用减弱，有毒物质积累，导致种子活力下降，发芽率降低。

另外，皮、裸燕麦在贮藏特性方面差异较大。本研究中，白燕2号在贮藏早期(0～4年)的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量高于皮燕麦白燕7号。可溶性蛋白可以用来衡量种子在老化过程的代谢活动中的损伤程度[50]，白燕2号可溶性蛋白含量显著高于白燕7号，可能是其受损程度较白燕7号严重，需要累积更多的可溶性小分子，促进渗透调节缓解老化损伤。种子在贮藏过程中，由于微生物、酶和热作用，脂肪发生水解产生游离脂肪酸，油脂稳定性降低；还可发生自动氧化链反应，当油脂被氧化时，促进游离基产生，导致丙二醛含量升高。本研究中，同一贮藏年限下均以白燕2号丙二醛含量显著高于白燕7号，且在贮藏8年时，白燕2号丙二醛含量较收获当年上升79.35%，白燕7号上升51.55%。李笑蕊等[51]的研究结果表明，裸燕麦的粗脂肪含量显著高于皮燕麦，这可能是导致本研究中白燕2号丙二醛含量高于白燕7号的原因之一。