全 文 : [收稿日期] 2012-02-28;2012-05-02修回
[基金项目] 北京林业大学林木育种国家工程实验室开放课题“文冠果种子优质油脂合成基因SAD和FAD2的克隆及功能分析”(FOP
2010-15);湖北省自然科学基金重点项目子课题“香果树抗旱无性系变异筛选”(200666990)
[作者简介] 李秋琦(1983-),女,在读硕士,研究方向:植物发育生物学。E-mail:liqiuqi994@gmail.com
*通讯作者:郭惠红(1969-),女,副教授,硕士生导师,从事植物发育生物学研究。E-mail:guohh@bjfu.edu.cn
生理生态·耕作栽培·农业气象 [文章编号]1001-3601(2012)06-0299-0026-04
Physiology and Ecology·Tilage and Cultivation·Agricultural Meteorology
南方红豆杉种子休眠解除过程中的生理生化特性
李秋琦1,于海莲2,周凤娴3,郭惠红1*,夏新莉1,李凤兰1
(1.北京林业大学 林木育种国家工程实验室,林木花卉遗传育种教育部重点实验室,国家林业局 林木花卉育种与
生物工程重点开放实验室,北京林业大学 生物科学与技术学院,北京100083;2.北京市第五十六中学,北京
100044;3.北京市海淀区圆明园管理处,北京100083)
[摘 要]为揭示南方红豆杉种子休眠及其解除的机理,为农林业生产上种子休眠的解除提供科学依
据,将南方红豆杉种子用300mg/L的赤霉素浸泡2d,浓硫酸处理1min后与湿沙混匀,先在4℃下低温层积
3个月,然后转入25℃暖温层积3个月,最后转入4℃低温层积150d。取各个层积阶段(90d,180d,330d)的
种子(以未层积的种子为对照)进行生理生化指标的测定。结果表明:南方红豆杉种子在休眠解除过程中脂
肪含量逐渐降低,层积结束时其含量比对照低3.45%;淀粉含量呈先显著下降后又升高的趋势,层积结束时
其含量比对照低13.1%;可溶性糖含量总体呈升高态势,层积结束时其含量比对照高29%;可溶性蛋白含量
呈现出与淀粉相似的变化趋势,但层积结束时其含量与对照接近。种子的淀粉酶活性先升后降,层积后比对
照低91.3%,而过氧化物酶的活性呈现升-降-升的变化趋势,层积结束时比对照高79%。
[关键词]南方红豆杉;种子;休眠解除;生理生化特性
[中图分类号]S791.49 [文献标识码]A
Physiological and Biochemical Characteristics of Taxus chinensis var.
mairei Seeds in Dormancy Releasing Process
LI Qiu-qi 1,YU Hai-lian2,ZHOU Feng-xian3,GUO Hui-hong1*,XIA Xin-li 1,LI Feng-lan1
(1.National Engineering Laboratory for Tree Breeding,Key Laboratory of Genetics and Breeding in Forest Trees
and Ornamental Plants in Ministry of Education,The Tree and Ornamental Plant Breeding and Biotechnology
Laboratory of State Forestry Administration,College of Biological Sciences and Biotechnology,Beijing
Forestry University,Beijing 100083;2.Beijing No.56 Middle School,Beijing 100044;3.Yuanmingyuan
Administration in Haidian District,Beijing100083,China)
Abstract:To better elucidate the mechanism of dormancy and dormancy release in T.chinensis var.
mairei seeds and provide scientific foundation for the method of seeds dormancy-breaking in agriculture and
forestry production,the seeds of T.chinensis var.mairei were soaked in 300mg/L gibberelins and
blended with wet sand,one minute after being treated with concentrated sulfuric acid.Then the seeds were
treated by cold stratification at 4℃for three months first and transferred to warm stratification of 25℃for
three months and finaly transferred to cold stratification of 4℃ for 150d.The physiological and
biochemical characteristics of T.chinensis var.mairei seeds of different stratification stage(9d,180dand
330d)were investigated.The control was the no stratification seeds.The results showed that total lipid
content gradualy decreased,and its content decreased by 3.45%compared with the control at the end of
stratification.Starch content greatly decreased first and then increased,its content decreased by 13.1%in
comparison with the control when the stratification ended.However,the content of soluble sugar
increased steadily and its content increased by 29%after stratification in contrast with the control.The
change tendency of soluble protein content was similar to that of starch,but soluble protein content was
close to the level of control at the end of stratification.The activity of amylase increased first and then
decreased during stratification,the amylase activity decreased by 91.3%after stratification compared with
the control.But the activity of peroxidase exhibited a rising-faling-rising tendency and the peroxidase
activity increased by 79%after stratification.
Key words:Taxus chinensis var.mairei;seeds;dormancy releasing;physiological and biochemical
characteristics
南方红豆杉(Taxus chinesis var.mairei)是红
豆杉科红豆杉属大乔木,分布于长江流域及其以南
各省,其根、茎、叶、皮等全株都能提取新型抗癌药物
紫杉醇及其衍生物,是治疗癌症的特效天然药
物[1-2]。但其种子休眠期长,自然条件下一般要经过
2个冬季和1个夏季到第3年才能萌发,自然繁殖
贵州农业科学 2012,40(6):26~29
Guizhou Agricultural Sciences
率低,野生资源分布较少,物种濒临灭绝,已被列为
国家一级保护濒危珍稀植物[3]。南方红豆杉种子深
度休眠的这一生物学特性给其资源保育和开发利用
带来了极大困难。因此,对南方红豆杉种子休眠及
休眠解除机理的研究,对其种质资源的保存具有重
要意义。目前,对南方红豆杉种子休眠原因的研究
存在一些争议。黄儒珠等[4]研究认为,南方红豆杉
种子种皮坚硬不透水,是导致休眠的主要原因之一;
但张志权等[5]研究认为,南方红豆杉种子的种皮存
在透水性,并不是导致种子休眠的原因;朱念德等[6]
研究指出,南方红豆杉种子形态成熟时胚仍处于形
态发育未完全阶段,这是该树种种子最初不能萌发
的重要原因;张艳杰等[7]研究认为,其种子的胚乳和
种皮存在抑制物质是种子休眠的主要原因。因此,
针对南方红豆杉种子休眠原因分析而采用的解除其
种子休眠的方法还比较单一,尽管一些研究采用化
学药剂处理种皮的方法[8]或温度层积的方法[5]破除
其种子休眠有一定效果,但仍不理想。
在前期工作中笔者等分析了南方红豆杉种子休
眠的原因,发现其种子虽然在成熟时胚发育不完全,
存在形态和生理后熟,而且其种皮也存在一定的透
性障碍,但这两点都不是南方红豆杉种子休眠的主
要原因,其种子特别是种胚中存在的发芽抑制物才
是引起种子休眠的主要原因[9]。因此,针对南方红
豆杉种子休眠的复杂性,对解除其种子休眠的方法
进行了试验,结果表明,冷-暖-冷变温层积结合赤霉
素和浓硫酸处理的方法可有效打破南方红豆杉种子
的休眠,其中冷-暖-冷变温层积结合300mg/L赤霉
素浸泡2d及浓硫酸处理1min的方法最有效[9]。
种子休眠解除的过程伴随着复杂的物质代谢以
及生理生化变化,关于南方红豆杉种子休眠解除过
程中的生理生化特性研究极少,目前仅见1篇报
道[4],但该报道缺乏对淀粉酶活性等在物质代谢中
起非常重要作用的生理生化指标的研究。为此,笔
者等在前期研究的基础上,对南方红豆杉种子在解
除休眠过程中的生理生化特性做了深入分析,旨在
揭示南方红豆杉种子休眠及其解除的机理,为农林
业生产上种子休眠的解除提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验用南方红豆杉种子为2008年采摘的新种
子,购自江西省九江市林业局。
1.2 方法
1.2.1 材料处理 将南方红豆杉种子用300mg/
L的赤霉素浸泡2d,浓硫酸处理1min后与湿沙混
匀,先在4℃下低温层积3个月,然后转入25℃暖温
层积3个月,最后转入4℃低温层积150d[9]。取各
个层积阶段(90d,180d,330d)的种子(以未层积的
种子为对照)进行生理生化指标的测定。
1.2.2 可溶性糖含量的测定 采用蒽酮比色
法[10],取去 皮 种 子0.5g,提 取 可 溶 性 糖 液,在
630nm处测定OD值,从葡萄糖标准曲线上查得相
应的可溶性糖含量,3次重复。
1.2.3 淀粉含量的测定 测定采用蒽酮比色
法[10],将提取可溶性糖后剩余的残渣转移至试管,
提取淀粉液,在630nm处测定吸光值,从标准曲线
上查得相应的淀粉含量,3次重复。
1.2.4 可溶性蛋白质含量的测定 采用考马斯亮
蓝法[11],取去皮种子0.5g,提取可溶性蛋白液,加
入考马斯亮蓝染色,在595nm下测定吸光度,通过
标准曲线查得蛋白质含量,3次重复。
1.2.5 总脂肪含量的测定 采用索氏抽提法[11],
取30粒去皮种子烘干研磨,使用石油醚抽提总脂
肪,待石油醚全部挥发后将总脂肪称重,3次重复。
1.2.6 α-淀粉酶、β-淀粉酶活性的测定 采用水杨
酸法[11],取去皮种子 1g 提取酶液,酶活测定
540nm波长处的吸光值,计算α-淀粉酶和β-淀粉酶
总活力,3次重复。
1.2.7 过氧化物酶活性的测定 采用愈创木酚比
色法[11],取 1g 去皮种子提取酶液,酶活测定
470nm波长处的吸光值,计算过氧化物酶总活力,3
次重复。
2 结果与分析
2.1 可溶性糖含量
从图1看出,对照组的可溶性糖含量为1%。
南方红豆杉种子在4℃层积90d后其可溶性糖含量
增加到1.16%,与对照相比增加16%;在25℃继续
层积90d后可溶性糖含量降低至1.01%,但仍略高
于对照;转入4℃层积 150d后(总层积时间为
330d)可溶性糖含量达到最高,为1.29%,比对照增
加29%。
2.2 淀粉含量
从图1看出,南方红豆杉种子在4℃层积90d
后其淀粉含量显著降低,为 0.35%,比对照组
(0.84%)降低58.33%;在25℃继续层积90d后淀
粉含量继续降低,但降幅较小;转入4℃层积150d
图1 不同层积过程中南方红豆杉种子的可溶性糖、
淀粉和可溶性蛋白含量
Fig.1 The content of soluble sugar,starch and soluble
protein of T.chinesis var.mairei seeds during
the cold-warm-cold stratifications
·72·
李秋琦 等 南方红豆杉种子休眠解除过程中的生理生化特性
LI Qiu-qi et al Physiological and Biochemical Characteristics of Taxus chinensis var.mairei Seeds in Dormancy Releasing Process
后淀粉含量为0.73%,仍比对照组低13.10%。
2.3 可溶性蛋白含量
从图1看出,种子的可溶性蛋白在层积过程中
呈现出先急剧降低后明显增高的趋势。南方红豆杉
种子在4℃层积90d后其可溶性蛋白含量急剧下
降,为0.11%,比对照组(0.91%)下降87.4%;在
25℃下继续层积90d后可溶性蛋白含量又升高,为
0.22%;转入4℃层积150d后可溶性蛋白含量增加
到0.95%,略高于对照组。
2.4 总脂肪含量
由图2可知,南方红豆杉种子中总脂肪含量较
高,未层积前高达72.4%。南方红豆杉种子在层积
过程中总脂肪含量一直呈下降趋势。在4℃层积
90d后 其 总 脂 肪 含 量 降 至 70.6%,比 对 照 低
2.49%;在25℃继续层积90d后降至70.2%;转入
4℃层积150d后为69.9%,比对照组低3.45%。
2.5 过氧化物酶活性
由图2可知,南方红豆杉种子的过氧化物酶活
性呈现“升-降-升”的变化规律。未层积时种子的过
氧化物酶活性为42.69U/(g·min);在4℃层积
90d后其活性增加至47.78U/(g·min),比对照组
增加11.9%;在25℃层积90d后其活性明显下降至
22.22U/(g·min),比对照组下降47.9%;转入4℃
层积150d后过氧化物酶活性显著提高至76.43U/
(g·min),比25℃层积90d时高200.4%,比对照
组高79%。
图2 不同层积过程中南方红豆杉种子的总脂肪
含量和过氧化物酶活性
Fig.2 The content of total lipids and activity of peroxidase
T.chinesis var.mairei seeds during the cold-warm-
cold stratifications
2.6 α、β-淀粉酶活性
由图3可知,南方红豆杉种子的α、β-淀粉酶活
性呈现先升后降的变化规律。未层积时种子的α、β-
淀粉酶活性为0.46mg/(g·min);在4℃层积90d
后α、β-淀粉酶活性提高到0.60mg/(g·min),比对
照组高29.6%;在25℃层积90d后α、β-淀粉酶活性
明显降低至0.32mg/(g·min);转入4℃层积150d
后 α、β-淀 粉 酶 活 性 急 剧 降 低,为 0.04mg/
(g·min)。
图3 不同层积过程中南方红豆杉种子的淀粉酶活性
Fig.3 The activity of amylase of T.chinesis var.
mairei seeds during the cold-warm-cold
stratifications
3 结论与讨论
淀粉、蛋白质和脂肪是植物种子中的主要贮藏
物质,种子萌发期间,贮藏的大分子物质在相应酶的
作用下转化为简单小分子化合物,可为胚的生长提
供营养和能量来源,促进种子萌发和幼苗生长[12]。
可溶性糖是呼吸代谢的直接底物,种子中可溶性糖
主要来自于种胚和胚乳中现存的可溶性糖,也可由
淀粉经淀粉酶水解作用转化补充,还可由脂肪分解
转化而来[13]。可溶性蛋白主要为种子萌发提供主
要氮素营养,其可经氨基酸化进入胚的生长部位,直
接或经过转化成为新细胞蛋白质合成的原料,为胚
的形态发育和分化提供营养物质[14]。对于脂肪含
量高的种子,萌发过程中呼吸代谢底物主要来源于
脂肪的降解与转化[15]。淀粉酶是种子萌发过程中
最主要的水解酶类,也是糖类分解代谢过程中重要
的调控酶。淀粉必须在淀粉酶的作用下才能启动物
质和能量代谢,为蛋白质合成提供碳骨架及为ATP
合成提供底物[16]。因此,在种子休眠解除过程中,
可溶性糖、淀粉、蛋白质、脂肪及淀粉酶活性的变化
可以间接反映各种代谢活动的强弱,进而反映种子
休眠解除的程度。
研究结果表明,南方红豆杉种子经300mg/L
赤霉素浸泡2d及浓硫酸处理1min后,在4℃层积
90d后淀粉酶活性升高,淀粉含量减少,脂肪含量下
降,而可溶性糖含量上升。与梨种子在冷层积处理
后[17]及燕麦种子在萌发过程中[18]的现象类似。可
溶性糖含量的升高由两方面所致,一方面,部分淀粉
在淀粉酶的水解作用下被分解成可溶性糖;另一方
面,部分脂肪同时被动员分解成甘油和脂肪酸,甘油
再通过甘油醛作用进一步生成可溶性糖。Ali R E
等[19]研究表明,低温层积可引起蛋白质动员。南方
红豆杉种子在4℃层积90d后可溶性蛋白含量急剧
下降,该现象可以解释为可溶性蛋白在低温层积时
被动员分解为氨基酸用于种胚形态发育。
南方红豆杉种子在4℃层积90d后再25℃层积
90d后,其淀粉酶活性显著下降,所以只有少量淀粉
被分解为可溶性糖用于种胚发育。脂肪仍在被动员
分解成可溶性糖,但程度有所减弱,该阶段用于种胚
发育的消耗仍在持续,因此可溶性糖含量与前一阶
·82·
贵 州 农 业 科 学
Guizhou Agricultural Sciences
段相比有所降低,但仍略高于对照组。此阶段可溶
性蛋白含量开始增加,说明可溶性蛋白经历前一次
冷层积大量消耗用于种胚形态发育后,在暖层积中
开始累积,为种子萌发做准备。
南方红豆杉种子转入4℃层积150d(即第2次
低温层积结束时)淀粉酶活性持续急剧下降到一个
非常低的水平,但淀粉含量却明显增加,脂肪含量持
续下降,可溶性糖和可溶性蛋白含量均增加达到最
高值。说明,在种子休眠解除的最后一个阶段种胚
后熟完成,用于其生长的消耗大大减少,脂肪分解成
为糖类,再由糖类转化为淀粉和蛋白质,积累的淀
粉、可溶性糖和可溶性蛋白将用于种子的萌发。
Saldivar X Y等研究表明,在大豆种子成熟过程中
蛋白质含量先降后升的趋势[20],与本研究结果是相
似。笔者等前期研究发现,南方红豆杉种子萌发的
强效抑制物主要是长链脂肪酸[9],因此,推测在3个
阶段的层积处理中,南方红豆杉种子的脂肪不断分
解消耗,除了为种胚形态建成提供物质和能量外,还
可能导致了种子萌发抑制物的降解而促进休眠解除
及种子萌发。
氧化途径学说认为,种子休眠主要是受呼吸途
径中的糖酵解-三羧酸循环(EMP-TCA)途径和戊糖
磷酸途径(PPP)的平衡调节。种子呼吸途径由
EMP-TCA途径转向PPP途径是休眠种子逐渐萌
发的象征,过氧化物酶与PPP途径有密切联系,它
的增强有助于PPP途径的运转,为解除种子休眠创
造有利条件[21]。有学者在黑麦草种子中观察到,相
比休眠程度高的种子,休眠程度较低的种子中其过
氧化物酶活性更高[22]。植物在逆境胁迫下会产生
大量自由基,这些自由基对生物大分子和细胞膜产
生毒害,过氧化物酶等抗氧化酶可以代谢掉自由基,
为植物解除毒害。有研究表明,植物在受到伤害时
会诱发过氧化物酶的表达[23],草莓组织中的过氧化
物酶活性在冷胁迫下会增强[24]。在本研究中,种子
的过氧化物酶活性在层积的最后一个阶段显著升
高,可能加速了PPP途径的运转,从而使南方红豆
杉种子逐渐由休眠转向萌发。虽然过氧化物酶活性
总体上呈现升高态势,但它随着“冷-暖-冷”层积处
理表现出“高-低-高”的阶段性变化,这个现象可以
解释为4℃的低温层积虽然有利于种子中萌发抑制
物的分解,促进种子中物质代谢的进行,但也可能对
种子形成了一定的低温胁迫,从而产生毒害细胞的
自由基。因此,推测过氧化物酶活性在第1个阶段
的增高可能用于解除自由基的毒害,在第3阶段的
升高用于加速PPP途径的运转而促进种子萌发。
南方红豆杉种子在自然条件下要经过2个冬季
和1个夏季,即“冬-夏-冬”才能破除休眠,也许在其
体内已形成了一套对外界温度刺激的响应机制,其
破除休眠过程中的一系列代谢反应需要“冷-热-冷”
的动态刺激。种子在响应外界温度刺激的过程中,
其体内则有序发生一系列适应破除休眠的生理生化
变化,最终促进了种子休眠解除。然而,种子休眠解
除的机制错综复杂,除了与生理生化特性有关外,还
与种子内源激素水平的变化、相关基因的启动有关,
这些问题有待进一步研究。
[参 考 文 献]
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李秋琦 等 南方红豆杉种子休眠解除过程中的生理生化特性
LI Qiu-qi et al Physiological and Biochemical Characteristics of Taxus chinensis var.mairei Seeds in Dormancy Releasing Process
[文章编号]1001-3601(2012)06-0300-0030-04
退耕还林对贵州喀斯特石漠化区水土保持效果的影响
罗 勇1,程 祥2
(1.贵州省林业调查规划院,贵州 贵阳550003;2.贵州省印江县林业局,贵州 印江555200)
[摘 要]为了探明喀斯特石漠化区退耕还林与水土保持效果的关系,采用实地调查与无界径流小区法
研究了退耕还林地对贵州喀斯特石漠化区水土保持效果及养分涵养的影响。结果表明:喀斯特石漠化区各
类型植被坡地地表径流中的泥沙、养分含量大小顺序均为玉米旱地>退耕还林地>天然灌丛草地>次生阔
叶林地;退耕还林后,坡地土壤及养分的流失量明显减少,退耕还林地地表径流中的 NH+4 、NO-3 、PO3-4 和
K+的平均含量分别比玉米旱地减少41.32%、57.08%、30.49%和35.23%,其含量受退耕年限及植被覆盖
度的影响较大;退耕还林地土壤中的有效氮、磷、钾含量也明显高于玉米旱地,其平均含量分别比玉米旱地高
25.62%、28.21%和63.74%。因此,退耕还林能明显减少土壤侵蚀和养分流失,增加土壤养分含量。
[关键词]喀斯特坡地;退耕还林;地表径流;土壤侵蚀;养分流失;水土保持
[中图分类号]S157 [文献标识码]A
Efects of Soil and Water Conservation by De-farming and Reaforestation
in the Karst Rocky Desertification Regions
LUO Yong1,CHENG Xiang2
(1.Forest Survey and Planning Institute of Guizhou Province,Guiyang,Guizhou 550003;2.Forestry Bureau of
Yinjiang County,Yinjiang,Guizhou555200,China)
Abstract:To prove up the relationship between de-farming and reafforestation in the karst rocky
desertification regions and the effects of soil and water conservation,the field survey and surface runoff
methods were used to study the influence of de-farming and reafforestation on soil and water conservation
effect in karst rocky desertification regions in Guizhou and the nutrient conservation.The results showed
that the amount of sand and nutrient in the runoff folowed a sort order:corn dry land﹥de-farming and
reafforestation land﹥forest land﹥ shrub-grass land.The amount of soil or nutrient loss reduced
obviously,and the average contents of NH+4 ,NO-3 ,PO3-4 and K+in runoff from the land of de-farming
and reafforestation decreased by 41.32%,57.08%,30.49%and 35.23%,respectively,compared with
corn dry land.These nutrient contents were largely influenced by the years of de-farming and
reafforestation and the coverage of plants.Also,the average contents of available N,P,and K in the soils
increased by 25.62%,28.21%and 63.74%after de-farming and reafforestation.Therefore,de-farming
and reafforestation could decrease the soil erosion and the amount of soil nutrient loss to effectively
increase soil nutrient level.
Key words:karst hilside fields;De-farming and reafforestation;surface runoff;soil erosion;water
and soil conservation
贵州喀斯特石漠化区多为峰林、峰丛和峡谷地
貌,地表崎岖破碎,坡度陡峭,溶蚀、水蚀作用显著,
加上石灰岩成土速度慢,土层浅薄,土被不连续,使
土壤的蓄水能力降低,植物生长缓慢,生态链易受干
扰而中断,生态系统对外界干扰脆弱而敏感,抗逆能
力、稳定性和自我恢复能力弱[1-2]。而且由于人们长
[收稿日期] 2011-10-20;2012-05-09修回
[基金项目] 国家自然科学基金项目“喀斯特农业小流域土壤-水系统中氮磷迁移过程与表层岩溶水质响应机理研究”(40961030)
[作者简介] 罗 勇(1964-),男,林业工程师,从事林业生态学研究。E-mail:740221376@qq
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(责任编辑:冯 卫)
贵州农业科学 2012,40(6):30~33
Guizhou Agricultural Sciences