全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月 719
甜高粱种子人工老化过程中活性氧清除酶活性的变化
刘宣雨, 刘树君, 程红焱, 宋松泉 *
中国科学院植物研究所, 北京 100093
提要: 研究甜高粱品种 ‘意达利 ’种子人工老化过程中种子活力与活性氧清除酶活性之间关系的结果表明: 随着老化处理
(100% RH, 43 ℃)的时间进程, 种子的萌发率、活力指数以及由存活种子形成的幼苗鲜重下降, 相对渗漏率增加, 丙二醛含
量下降。超氧物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶和脱氢抗坏血酸还原酶的活性在人工老化
初期增加, 而后下降。据此认为活性氧清除酶活性下降可能是甜高粱种子活力丧失的原因之一。
关键词: 甜高梁种子; 人工老化; 种子活力; 活性氧清除酶; 能源植物
Changes in Activities of Reactive Oxygen Species Scavenging Enzymes of Sweet
Sorghum Seeds during Artificial Aging
LIU Xuan-Yu, LIU Shu-Jun, CHENG Hong-Yan, SONG Song-Quan*
Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
Abstract: Seeds of sweet sorghum (Sorghum bicolor Moench ‘Yidali’) which is one of energy plants were used
as materials, to investigate the relationship between the changes of seed vigor and the activities of reactive
oxygen species (ROS) scavenging enzymes during artificial aging in this paper. The results showed that with
extension of the time by aging treatment (100% relative humidity, 43 ℃), all of the germination percentages, the
vigor index of seeds and the seedling fresh weight produced by the survived seeds decreased, the relative
electrolyte leakage was increased, and the contents of malondialdehyde were decreased. Activities of superoxide
dismutase, ascorbate peroxidase, catalase, glutathione reductase and dehydroascorbate reductase were increased
during the initial phase of artificial aging, and were then obviously decreased. It suggests that decrease of
activities of ROS scavenging enzymes during artificial aging may result in vigor loss of sweet sorghum
seeds.
Key words: sweet sorghum seed; artificial aging; seed vigor; ROS scavenging enzymes; energy plant
收稿 2008-05-06 修定 2008-05-30
资助 中国科学院植物园和系统生物学项目(KSCX2-YW-Z-058)。
* 通讯作者(E-ma i l : sqson g@ibc a s.a c .cn; T el : 0 1 0 -
6 2 8 3 6 4 8 4 )。
甜高粱是一种 C4植物, 不仅具有高生物量、
茎秆含糖量高和乙醇转化效率高的特性, 还抗旱、
耐贫瘠、耐盐碱(张福耀等 2006); 可在边际性土地
上正常生长发育, 是目前公认的一种具有产业化应
用前景的能源作物。甜高粱以种子进行繁殖, 种子
活力的高低直接影响到播种质量和田间出苗率, 进
而影响植株的生长发育及其抗逆性。有研究表明
甜高粱种子在室内(25 ℃, 70% RH)条件下, 生活力
下降 50%所经历的时间大约是 6个月。在黄河以
北地区, 甜高粱种子在 9月下旬至 10月上旬成熟;
而播种的时间为来年的 4月中、下旬, 种子的贮藏
时间约为 6个月。因此, 探明这一期间甜高粱种子
老化的原因并保持高活力是生产中需要解决的问
题。此外, 一般认为活性氧(reactive oxygen species,
ROS)的产生与清除之间的不平衡, 以及由 ROS所
引起的脂质过氧化作用可能是种子老化的原因之一
(McDonald 1999)。关于种子老化与脂质过氧化作
用之间的关系已有较多的研究(Priestley 1986; Smith
和 Berjak 1995; Walters 1998), 但作为能源植物甜
高粱种子的研究尚少报道。本文用人工老化模拟
自然老化, 探讨甜高粱种子的老化与ROS清除酶活
性之间的关系, 寻找评价种子活力下降的有效参数,
为延缓种子活力下降提供参考。
材料与方法
材料为甜高粱品种‘意达利’ (Sorghum bicolor
Moench ‘Yidali’)种子, 于 2007年 11月采自吉林省
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松原市郊。种子采收后脱水至含水量为(0.144±
0.003) g (水)·g-1 (DW)。种子千粒重为(19.4545±
0.206) g。
种子人工老化时, 将种子置于 43 ℃、100%
RH (relative humidity)中进行老化处理, 处理不同时
间后取样, 测定种子生活力和 ROS清除酶活性。
测定种子含水量时, 取 10粒种子置于 103 ℃
的烘箱中烘17 h, 以干重为基础表示种子的含水量
[g (水)·g-1 (DW)]。5次重复。
种子萌发实验中, 随机选取 100粒种子, 用有
效氯含量为 250 mg·L-1的 84消毒液灭菌 20 min后,
再用无菌水清洗 3次, 然后放入垫有 2层滤纸的培
养皿中。将培养皿置于 25 ℃和黑暗下。播种后
每6 h记录一次萌发数, 并补充蒸发的水分; 以胚根
突破种皮 2 mm作为萌发的标准。萌发 7 d后统
计萌发率。幼苗的鲜重和干重不包括胚乳。活力
指数VI=S×Σ (Gt/Dt), 其中 S为幼苗的单株平均干
重(mg), Gt为不同萌发时间(h)的萌发种子数, Dt为
不同的萌发时间(h)。
相对渗漏率的测定参照宋松泉和傅家瑞(1997)
文中的方法。丙二醛(MDA)含量测定参照Hodges
等(1999)文中的方法。
将老化不同时间的甜高粱种子置于潮湿的滤
纸中吸胀 4 h (30 ℃、暗中), 然后在液氮中研磨成
细粉。超氧化物岐化酶(SOD, EC 1.15.1.1)活性按
照Beauchamp和Fridovich (1971)文中的方法, 抗坏
血酸过氧化物酶(APX, EC 1.11.1.7)活性按照Nakano
和Asada (1981)文中的方法, 过氧化氢酶(CAT, EC
1.11.1.6)活性按照Aebi (1983)文中的方法, 谷胱甘
肽还原酶(GR, EC 1.6.4.2)活性按照Halliwell和Foyer
(1978)文中的方法, 脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR,
EC 1.8.5.1)活性按照Arrigoni等(1992)文中的方法
进行测定。蛋白质含量测定按照 Bradford (1976)
文中的方法。数据均为重复 3次的平均值±SD (标
准差)。数据采用 SPSS 13.0进行分析。
结果与讨论
1 甜高粱种子活力的变化
随着人工老化处理的进程, 种子含水量逐渐增
加(P≤0.001), 种子萌发率(P≤0.001)和活力指数
(P≤0.001)逐渐下降(表 1)。种子萌发率下降 50%
的时间约为 7 d; 人工老化处理 16 d时的种子萌发
率为零。此外, 由存活种子产生的幼苗鲜重也显著
降低。如人工老化 10 d的幼苗的鲜重比未老化种
子降低 4 3 %。这些结果类似于花生(宋松泉等
1992)、小麦(Guy和 Black 1998)和甜菜(Song等
2001)种子的人工老化。Priestley (1986)认为种子
人工老化过程中的生理和生化变化可以作为老化的
参数。但由于在低含水量下正常性种子自然老化
所需的时间较长, 所以, 种子自然老化与人工老化
之间的差异还不清楚。
2 人工老化对甜高粱种子相对渗漏率和MDA含量
的影响
从图 1可见, (1)种子吸胀初期, 水分进入干种
子的细胞, 而细胞中的溶质和小分子量的代谢物则
渗漏入周围的介质中(Bewley 1997)。甜高粱种子
的相对渗漏率随着老化时间的延长明显增加(P≤
0.001, 图 1), 表明膜的结构和功能受到伤害。
(2)甜高粱种子人工老化过程中MDA含量下
降(P≤0.001, 图 1), 人工老化 8 d的种子中MDA
表 1 人工老化过程中甜高粱种子含水量和生活力参数的变化
Table 1 Changes in water contents and viability parameters of sweet sorghum seeds during the artificial aging process
老化时间 /d 含水量 /g (水)·g-1 (DW) 萌发率 /% 活力指数 鲜重 /mg·株 -1
0 0.144±0.003Aa 92.67±1.15Aa 138.37±10.78Aa 48.78±0.56Aa
2 0.277±0.009Bb 89.33±2.52ABa 135.45±6.72Aa 50.57±0.95Aa
4 0.379±0.009Cc 84.33±1.53Bb 111.22±16.18Bb 40.99±1.28Bb
6 0.452±0.009Dd 68.33±3.40Cc 81.92±15.3Cc 35.74±0.66Cc
8 0.499±0.011Ee 40±1.41Dd 36.96±8.51Dd 33.42±1.02Dd
1 0 0.531±0.008Ff 20±2.65Ee 13.93±3.33EFef 27.78±0.69EFef
1 2 0.550±0.006Gg 11 ± 2Ff 5.48±2.89Ff 27.58±0.56Ff
1 4 0.560±0.008GHg 5.67 ±0.58Gg 2.07±0.28Ff 26.96±2.16Ff
1 6 0.571±0.007Hh 0 ± 0 Hh 0±0Ff 0±0Gg
　　同一列中大写字母不同表示 0.01 显著差异水平, 小写字母不同表示 0.05 显著差异水平; 幼苗的鲜重不包括胚乳。
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含量下降 76%。这与Walters (1998)、McDonald
(1999)和 Song等(2007)的报道不同; 但与陈润政等
(1996)的水稻种子人工老化过程中种子活力下降与
挥发性醛含量呈正相关的结果相似。
3 甜高粱种子人工老化过程中ROS清除酶活性的
变化
从表2可见, SOD、APX、CAT、GR和DHAR
的活性在甜高粱种子老化初期增加, 而后迅速下降;
但它们的活性高峰位于不同的人工老化时间(P≤
0.001)。当人工老化 16 d、种子的萌发率为零时,
SOD、APX、CAT、GR和DHAR的活性分别比
未经人工老化的下降 69%、88%、80%、91%和
59% (表 2)。人工老化初期, ROS清除酶活性的增
图 1 甜高粱种子人工老化过程中相对渗漏率
和MDA含量的变化
Fig.1 Changes in relative leakage and MDA contents of
sweet sorghum seeds during the artificial aging process
表 2 甜高粱种子人工老化过程中活性氧清除酶活性的变化
Table 2 Changes in activities of reactive oxygen species scavenging enzymes of
sweet sorghum seeds during the artificial aging process
老化时间 /d SOD活性 / APX活性 /nmol CAT活性 /µmol GR活性 /nmol DHAR活性 /nmol
U·mg-1 (蛋白) (AsA)·mg-1(蛋白)·min-1 (H2O2)·mg-1 (蛋白)·min-1 (NADPH)·mg-1 (蛋白)·min-1 (AsA)·mg-1(蛋白)·min-1
0 10.92±0.11BCbc 301.18±31.43Aa 35.56±0.73ABbc 51.34±7.29BCbc 141.59±16.35Ab
2 12.91±0.72Aa 341.18±17.57Aa 39.41±2.48Aa 65.33±10.67ABab 164.10±6.39Aab
4 10.32±0.21Cc 307.24±45.32Aa 32.99±2.28Bc 76.98±10.18Aa 179.28±5.47Aa
8 7.44±0.47 Dd 183.24±26.60BCb 22.82±0.71Cd 44.19±8.99CDc 142.67±22.88Ab
1 2 4.95±0.37Ee 123.14±19.46Cc 13.75±1.16De 28.67±4.10Dd 72.44±16.37BCcd
1 6 3.41±0.12Ff 35.08±29.77Dd 6.96±1.54Ef 4.51±4.51Ee 58.73±14.16Cd　
　　同一列中大写字母不同表示 0.01 显著差异水平, 小写字母不同表示 0.05 显著差异水平。
加可能是由于 100% RH和 43 ℃下高粱种子的呼
吸速率增加, 从而引起电子泄漏, 产生较多的活性
氧自由基, 导致酶活性增加所致; 而后随着人工老
化时间的延长, 酶活性下降。这些也与 Tian和
Song (2007)的结果类似。
前述结果的方差分析表明, SOD、APX 和
CAT活性与萌发率、VI和幼苗鲜重这 3项参数之
间均呈极显著正相关, GR和DHAR活性则与这3项
参数之间呈显著正相关; MDA与萌发率和VI这 2
项参数之间均呈极显著正相关, 而与幼苗鲜重呈显
著正相关; 相对电导率与这3项参数之间均呈极显
著负相关(资料未列出)。据此我们认为 , ( 1 )
SOD、APX、CAT、GR和DHAR活性以及相对
电导率均似可用作甜高粱种子活力参数; (2) ROS
清除酶活性的下降可能是甜高粱种子老化的原因之
一。
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