全 文 ：第 31 卷　第 6期
2009 年 11 月
北　京　林　业　大　学　学　报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.31 , No.6
Nov., 2009
收稿日期:2009--03--30
http: www.bjfujournal.cn , http: journal.bjfu.edu.cn
基金项目:辽宁省教育厅项目(2008653)、沈阳农业大学博士后基金项目(777-230409)。
第一作者:陆秀君 ,博士 ,教授。 主要研究方向:林木种子生理和苗木培育。电话:024--88487150　Emal:luxiujun1993@sina.com 　地址:
110161 沈阳市东陵路 120号沈阳农业大学林学院。
天女木兰种子后熟期间的生理生化变化
陆秀君1 , 2　刘月洋1　陈晓旭1　李天来2
(1 沈阳农业大学林学院　2 沈阳农业大学园艺学院)
摘要:为了解天女木兰种子后熟期间生理生化变化 ,探讨解除种子休眠机理及寻找种子快速催芽技术提供参考和
依据 ,将天女木兰种子分别用 250 mg L赤霉素(GA3)溶液和清水浸种 48 h , 然后进行室外自然低温层积 、室内低温
层积(5℃)和室内人工控制变温层积(5℃、20 d和 10～ 15℃、10 d交替变换)催芽处理。在层积过程中定期取样测定
天女木兰种子的胚长占种子长的比例 、呼吸速率 、过氧化氢酶活性 、过氧化物酶活性 、可溶性糖含量等指标。结果
表明:采用 GA3 浸种变温(10 ～ 15℃和 5℃)层积处理有利于种胚的生长发育;GA3 浸种变温处理能提高种子内过氧
化氢酶 、过氧化物酶的活性 , 促进种子中可溶性糖含量升高 , 并能促使形态后熟提前完成。
关键词:天女木兰;种子;后熟;生理生化指标
中图分类号:S722.1 +4　　文献标志码:A　　文章编号:1000--1522(2009)06--0164--05
LU Xiu-jun1, 2;LIU Yue-yang1;CHEN Xiao-xu1;LI Tian-lai2.Physiological and biochemical changes
respond to seed after-ripening in Magnolia sieboldii K.Koch.Journal of Beijing Forestry University
(2009)31(6)164-168 [ Ch , 16 ref.]
1 College of Forestry , Shenyang Agricultural University , 110161 , P.R.China;
2 College of Horticulture , Shenyang Agricultural University , 110161 , P.R.China.
To understand the physiological and biochemical changes in after-ripening for seeds of Magnolia sieboldii
K.Koch , discuss the potential mechanism of breaking seed dormancy and provide the basis and reference for
rapid germination , the seeds of M .sieboldii were pregerminated for 48 hours in 250mg L of GA3 solution and
water , respectively.After that , lower temperature stratifications were conducted sequentially for an outdoor
environment and indoor environment(5℃), followed by an exposure to alternate temperature from 5℃ for 20
days to 10-15℃ for 10 days.The length ratio of embryo to seed , respiration rate , catalase activity ,
peroxidase activity , soluble sugar of samples from different pregermination treatments were measured.The
results showed that alternate temperature (5℃ to 10-15℃)stratification with GA3 solution favored the growth
and development of embryos.It increased catalase activity , peroxidase activity , soluble sugar content of seeds ,
and stimulated morphological maturation of seeds.
Key words　Magnolia sieboldii K.Koch.;seed;after-ripening;physiological and biochemical indicators
　　天女木兰(Magnolia sieboldii K.Koch.)又名小花
木兰 、天女花 ,木兰科(Magnoliaceae)木兰属树种 ,是
东北地区木兰属自然分布的唯一种 ,为国家三级重
点保护植物 。近年来 ,由于其生长环境遭到严重破
坏 ,加上自然更新能力较弱 ,种质资源日趋濒危[ 1] 。
同时天女木兰种子具有深休眠特性 ,育苗技术复杂 ,
繁殖难度大。种胚发育不完全是导致天女木兰萌发
困难的主要原因之一[ 2--3] 。因此 ,本试验研究天女木
兰种子后熟期间生理生化的变化 ,为揭示其催芽机
理提供参考。
1　材料与方法
本试验所用的天女木兰种子采自辽宁省本溪县
碱厂林场 。种子净度为 78.16%,千粒重为 58.28 g ,
含水量为 5.23%,饱满度为 70.43%。
层积前的种子预处理:一部分种子清水浸种 48
DOI :10.13332/j.1000-1522.2009.06.034
h(24 h换一次水),0.2%KMnO4 表面消毒 20min;另
一部分种子用 250 mg L 赤霉素(GA3)溶液浸种 48
h 。层积介质为过 2 mm 筛的河沙 ,沙子用 0.2%的
KMnO4消毒 1 h ,用清水洗净 ,河沙最后含水率 60%;
将处理的种子与湿河沙混拌 ,按体积比 1∶2混合 ,装
入花盆中进行层积处理。层积处理分为室内人工控
制变温清水处理(5℃、20 d和 10 ～ 15℃、10 d变换)、
室内人工控制变温药剂处理(5℃、20 d和10 ～ 15℃、
10 d变换 ,GA3)、室内低温清水处理(5℃)、室内低
温药剂处理(5℃、GA 3)和室外自然低温层积(即室
外埋藏)处理 5种 。
在不同层积处理中 ,分别于 10 、30 、40 、60 、70 、
90 、100 、120 、130和 150 d 时测量种胚大小及所占种
子的比例 ,并观察胚的形态。每次每个处理观察 、解
剖30粒种子 ,用游标卡尺在解剖镜下量取长度。
层积过程中种子呼吸速率采用草酸滴定法(每
个处理取 100粒种子 ,4个重复)。过氧化氢酶活性
采用高锰酸钾滴定法(取去掉内外种皮的种子 1 g ,
提取酶液 。用 0.1 mol L高锰酸钾标准溶液滴定 ,重
复3次)。过氧化物酶活性采用愈创木酚法(取胚乳
0.4 g ,冰浴研磨 ,用蒸馏水定容 , 8 000 r min离心 ,提
取酶液;酶活性测定 470 nm 处的消光值 , 重复 3
次)。可溶性糖含量采用蒽酮比色法(取胚乳 0.5 g ,
提取可溶性糖液;在 620 nm 的分光光度计上比色 ,
读取光密度 ,从葡萄糖标准曲线上查得相应的糖浓
度 ,糖含量测定重复3次)[ 4] 。
2　结果与分析
2.1　天女木兰种子在层积过程中种胚的发育
2.1.1　气干种子胚的发育状况
本溪地区的天女木兰果实成熟一般在 9月下旬
至10月上旬。果实红色 ,果实中的种子约有 60%
变得较硬 ,经过及时调制阴干的种子 ,在室内贮存过
程中 ,含水量迅速下降至 10%左右时 ,即为气干种
子。对胚的发育观察发现 ,天女木兰种子被胚乳充
满 ,为典型的胚乳型种子。其中胚很小 ,在解剖镜
(10×)下 ,可见胚率只有 50%左右 ,且发育不完全 ,
所见胚大部分处于心形胚阶段 ,少数胚呈鱼雷形 ,种
胚的平均长 0.68 mm ,说明此时胚尚未完成形态
成熟 。
2.1.2　不同处理的种子胚的发育状况
为了探讨休眠与胚的发育关系以及寻找解除休
眠的途径 ,采用不同的浸种方法和不同温度进行层
积处理。在层积过程中观察胚的发育状况 ,计算胚
长占种长的比例(表 1)。浸种前种胚所占比例为
15.73%,此时种子的胚不易剥离胚乳 ,浸种后油状
胚乳吸水后变成乳白色的浆状 ,胚容易剥离 。
表 1　各种处理的种子胚长占种子长的比例 %
TABLE 1　Length ratio of embryo to seed in different treatments
层积处理 d
10 30 40 60 70 90 100 120 130
室内变温清水 18.68 17.01 19.53 19.17 19.63 20.91 29.77 50.00 81.22
室内变温药剂 18.64 19.38 20.95 18.63 20.67 20.79 27.82 56.40 87.31
室内低温清水 16.97 19.18 19.69 19.28 19.79 19.82 19.88 19.78 21.75
室内低温药剂 16.38 18.11 19.16 19.19 19.13 19.67 19.77 20.38 22.48
室外埋藏 17.37 15.97 19.37 17.21 18.35 20.94 19.25 26.53 33.67
注:层积前种胚所占比例为 15.73%。
　　从表 1中可以看出 ,层积 30 d时变温处理和低
温处理的种胚均有所增加 ,且药剂处理的种胚增加
幅度比清水处理的大 ,室外埋藏的种胚增加率不大;
层积 40 ～ 100 d各处理种胚均有所增加 ,特别是变
温处理的两组种胚增长率高于其他 3组处理;层积
120 d时 ,变温清水和变温药剂处理的种子中个别种
子已经“露白” ,且种胚所占比例分别达到 50.00%、
56.40%,继续放在室温下层积 10 d ,变温处理的胚
根大部分已经伸出 ,种胚所占比例达到 80%以上;
室内低温清水 、室内低温药剂处理和室外埋藏的种
子在层积 120 d 时种胚增长率变化不大 ,继续层积
到150 d时 ,取出各处理种子进行室内变温处理 ,此
时室内低温清水处理 、室内低温药剂处理 、室外埋藏
处理这 3 组的种胚所占比例分别达到了 39.68%、
40.86%、50.2%;在室内变温处理的第 12 d ,低温药
剂处理的种子开始“露白” ,随后其他两组陆续开始
发芽 。同时还发现变温处理的种子在层积后期出现
腐烂现象 ,而且GA3 处理要好于清水处理。
试验结果表明 ,在不同的层积条件下胚的发育
差异很大:变温层积处理的种子要比其他处理的种
子提前 1个月发芽 ,种胚提早完成形态成熟。
2.2　天女木兰种子在层积过程中呼吸的变化
种子内外正常而顺利的气体交换是种胚萌发的
先决条件之一 。通过呼吸代谢种子可以获得萌发所
需的物质及能量 ,调节种子的发育和萌发。
不同处理的种子在层积过程中呼吸速率的变化
165第 6期 陆秀君等:天女木兰种子后熟期间的生理生化变化
如表 2所示 。气干状态下的种子在层积过程中的变
化基本维持在一个低呼吸水平状态;层积 30 d时低
温处理的种子其呼吸速率大于变温处理的种子;层
积30 d 以后 ,低温处理的种子呼吸速率开始下降 ,
且维持在一个相对缓和的呼吸水平;而变温处理的
种子在层积30 ～ 60 d时呼吸速率下降 ,随后种子呼
吸速率开始增加 ,130 d种子“露白”时其呼吸速率达
到最大。从表 2中还可看出:无论在变温层积条件
下还是在低温层积条件下 ,经过GA3 浸泡和清水浸
泡的种子呼吸速率相差不是很大 ,说明用 250 mg L
GA3浸种处理对天女木兰种子后熟过程中呼吸的影
响并不明显;而且 ,低温能有效降低种子的呼吸消
耗。此外 ,这个试验还可以间接证明天女木兰种皮
的透气性良好 。
表 2　各处理种子的呼吸速率变化
TABLE 2　Changes of respiration rate of seeds in different treatments
层积处理 d
10 30 40 60 70 90 100 120 130
气干的种子 2.857 4.643 7.785 2.500 3.571 7.143 4.583 7.500 2.857
室内变温清水 3.929 9.286 11.070 6.429 7.143 7.500 7.917 12.500 16.660
室内变温药剂 6.071 10.000 8.571 5.000 8.214 9.286 10.000 11.780 14.890
室内低温清水 11.790 11.780 11.420 6.071 6.071 9.286 6.250 8.214 8.357
室内低温药剂 13.570 15.000 9.643 8.571 10.710 8.214 6.667 7.857 8.429
注:种子呼吸速率的单位为每克样品每小时释放CO2 的毫克数。由于条件所限未对室外层积的种子进行呼吸速率的测定。
2.3　天女木兰种子在层积过程中酶活性的变化
2.3.1　不同处理的种子过氧化氢酶活性的变化
后熟过程中 ,各种酶活性的变化反映了种子的
生物化学变化 ,对研究种子后熟作用具有重要的
意义 。
过氧化氢酶普遍存在于植物组织中 ,它能催化
对植物体有毒害作用的过氧化氢的分解 。种子中过
氧化氢酶活性的高低与种子的活力呈正相关 。
不同处理的种子在层积过程中过氧化氢酶活性
的变化如图1所示。第一阶段(30 d时)不同处理的
种子中过氧化氢酶活性已经出现了差距 ,清水处理
的种子过氧化氢酶活性为 1.96 ,但药剂处理特别是
低温药剂处理的种子酶活性下降的非常明显 ,为
1.27。第二阶段(60 d时 , 2月份)各处理的种子中
过氧化氢酶活性都达到了整个过程中的最低点 ,其
中低温清水下降的最为明显 ,下降了 0.7 个单位 。
第三阶段(在 60 ～ 90 d 时)不同处理的种子酶活性
都有明显的回升 ,90 d时变温清水处理的种子中过
氧化氢酶活性达到了最大;第四阶段(90 ～ 120 d时)
除室内温水 、室内低温药剂 ,各处理的种子中过氧化
氢酶活性虽然都有所回落 ,但变温处理的较为明显 。
在130 d时仍然是变温处理的种子过氧化氢酶活性
要高于低温处理;并且药剂处理高于清水处理 。在
天女木兰种子后熟过程中 ,过氧化氢酶在种子中经
历了由低到高的变化过程 ,总体呈上升趋势。
2.3.2　不同处理的种子过氧化物酶活性的变化
过氧化物酶是植物体内重要的代谢酶 ,是公认
的细胞组织和器官分化的标志酶 ,一般用作植物激
素调节细胞分化的生理指标[ 5] 。过氧化物酶可能影
响一系列生理活性分子的合成或降解 ,从而调节内
图 1　不同处理种子中过氧化氢酶活性的变化
FIGURE 1　Changes of catalase activity of seeds in dif ferent treatments
注:过氧化氢酶活性的单位为每克鲜重样品在 10min
内分解H2O2的毫克数。
源激素水平;参与结构分子的合成调节 ,因而对细胞
分化起重要作用;参与氧化剂 H2O2 消长的调控 ,从
而影响细胞内微环境的氧化还原状态[ 6] 。
过氧化物酶活性在整个处理过程中均呈上升趋
势 ,而且不同处理的种子在层积过程中其过氧化物
酶活性的变化有它们各自的特点(见图 2):变温清
水处理的种子 , 在层积 30 d 时过氧化物酶活性由
18.54升高到26.95 ,随后缓慢降低直到层积约 90 d
时 ,之后其活性开始直线上升 ,到 120 d 种子“露白”
时达到最高点 83.11;变温药剂处理的种子 ,在层积
过程中过氧化物酶活性呈上升趋势。低温处理的种
子 ,无论是药剂处理还是清水处理 ,过氧化物酶活性
的变化趋势是相同的 ,即 0 ～ 60 d层积过程中酶活
性提高 ,随后的 60 ～ 90 d 时开始下降 , 90 d 以后又
回升;但低温药剂处理的种子在 90 d之前其酶活性
的值均高于低温清水处理 ,而在 90 d后低温药剂处
理的种子酶活性值低于低温清水处理 。室外埋藏种
子的过氧化物酶活性的变化为 0 ～ 30 d 活性升高 ,
而后 30 ～ 90 d时缓慢持续下降 , 90 d后活性升高 ,
166 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷　
到150 d时达到最大值 76.99。
图 2　不同处理种子中过氧化物酶活性的变化
FIGURE 2　Changes of peroxidase activity of
seeds in different treatments
注:图中过氧化物酶活性单位为每克鲜重样品 1 h内
生成的愈创木酚单位数。
2.4　天女木兰种子在层积过程中可溶性糖含量的
变化
糖在植物的代谢 、生长和发育过程中是一个重
要的 、多重的角色。糖是光合作用的产物 ,又是呼吸
作用的底物;糖作为生物体重要的能源和有机物碳
源 ,为一切生物体提供生命活动所需的能量 ,并作为
合成其他生命所必需物质的原料[ 7] 。在层积催芽过
程中 ,种子需要消耗自身贮藏的糖类等养分来维持
一些较低的生理代谢 ,为即将到来的形态及生理分
化作物质上的准备。
层积过程中天女木兰种子可溶性糖含量的变化
如图 3所示 。层积 90 d时各处理的种子可溶性糖
含量均呈上升趋势 ,并且在 90 d时变温药剂和低温
药剂处理的种子可溶性糖含量最大 , 分别达到了
1.29%和 1.24%;随后 ,可溶性糖含量开始下降 ,直
到120 d时各处理的种子可溶性糖含量都达到了最
低;在 120 ～ 150 d时低温处理和室外埋藏处理的种
子可溶性糖开始上升 。
图 3　不同处理种子中可溶性糖含量的变化
FIGURE 3　Changes of soluble sugar cotent of
seeds in different treatments
通过层积催芽 ,种子逐渐吸水 ,随着种子细胞含
水量的增加 ,细胞内部便发生了一系列的生理生化
变化 ,种子内部代谢活动加快 ,可溶性糖含量在相关
的各种酶的作用下逐渐升高 ,一方面为胚的发育提
供更多的物质保证 ,另一方面又能改变细胞的渗透
势 ,促进胚根的伸长和突破种皮。在层积后期 ,天女
木兰种子胚的生长速度较前期快 ,各层积催芽处理
可溶性糖含量有所下降 ,出现此现象的原因是更多
的可溶性糖已被用于胚的生长或转化合成新的物
质 ,为种子的萌发和幼苗的生长等提供能量。可溶
性糖含量的这种变化趋势 ,反映了植物体内碳水化
合物的运转情况 ,而且在有机物的代谢中起着重要
的作用。这也是种子能顺利萌发和生长的重要生理
基础之一 。
3　结论与讨论
从天女木兰种子在层积过程中各项生理指标的
变化来看 ,种子在层积过程中种胚逐渐完成成熟;变
温处理的种子呼吸速率在后期增强 ,有利于种子的
成熟发芽;而且用 GA3 浸种处理过的种子其生理指
标都比清水处理的好。在人工控制变温条件下 ,用
250 mg L GA3处理的种子能提高过氧化氢酶 、过氧
化物酶的活性 ,并能促使形态后熟提前完成 。
本试验结果表明 ,层积过程中过氧化氢酶活性
和过氧化物酶活性大小的变化是相互对应的。在前
一阶段(层积 60 d前)过氧化氢酶活性降低 ,过氧化
物酶的活性处于升高的阶段;层积 60 ～ 90 d时 ,过
氧化氢酶活性升高 ,相应地过氧化物酶活性降低;层
积90 d 以后 ,过氧化氢酶活性开始降低 ,过氧化物
酶活性升高。天女木兰种子内的过氧化物酶活性消
长变化与种子发育进度有着密切的联系 ,在发育旺
盛阶段过氧化物酶的活性升高 ,发育较缓时过氧化
物酶活性相应较低 。过氧化氢酶活性在层积后均有
不同程度的增加 ,以提高种子的活性。周佑勋等[ 8]
对华南五针松(Pinus kwangtungensis)种子休眠生理
的研究指出经层积后华南五针松的过氧化氢酶活性
提高了 ,这与本文的研究结果一致 。
从代谢上来看 ,有些研究表明 ,休眠种子的呼吸
代谢以糖酵解和三羧酸循环(EMP--TC)途径为主 ,而
非休眠种子则以磷酸戊糖途径(PPP)为主;要使种
子打破休眠而萌发 ,必须使 EMP--TC转为 PPP途径 ,
而过氧化物酶活性的提高有利于 PPP 途径的进
行[ 9] ,可能是促进休眠解除的因子之一。在层积催
芽后 ,天女木兰种子的过氧化物酶活性不断增加 ,种
子的休眠逐步解除 ,从而促进种子萌发 。
在不同浸种处理和层积催芽条件下 ,天女木兰
种子的种胚发育不同 ,用 GA3 浸种的催芽效果优于
清水浸种 。这是因为 GA3 能诱导产生水解酶 ,使种
167第 6期 陆秀君等:天女木兰种子后熟期间的生理生化变化
子中的贮藏物质从大分子水解为小分子 ,从而便于
种胚利用 ,促进种胚后熟;并且 GA3 可显著降低种
子内源 ABA 含量 ,提高种子内源 GA3 含量[ 10] 。采
用GA3 浸种和控制变温层积催芽处理有利于打破
天女木兰种子休眠 ,这与杜凤国等[ 11] 对天女木兰的
研究 结 果 一 致。 此 外 , 对 刺 楸 (Kaiopanax
septemiobus)、辽东 木(Aralia elata)等种子的研究与
本研究结果也一致[ 12-15] 。
种子休眠解除的程度与种子内贮藏物质的代谢
水平密切相关 ,旺盛的物质代谢以及由此所提供的
充足能量是种子萌发的前提条件。层积后天女木兰
种子的物质代谢加快 。由试验结果可知 ,层积 60 ～
90 d时 ,各层积催芽可溶性糖含量分别达到峰值 ,随
着种子休眠的解除 ,胚乳中有部分糖被利用或被呼
吸所消耗 ,可溶性糖含量便开始逐渐降低。总之 ,在
层积催芽过程中 ,可溶性糖含量较层积处理前增加
了 ,为即将到来的形态及生理分化作了物质上的准
备 ,这与黄儒珠等[ 16] 对南方红豆杉(Taxus chinensis
var.mairei)的研究结果一致 。
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(责任编辑　冯秀兰)
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