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Relationship between Endogenous Hormone Content and Embryo Growth and the Seed Germination of Paris polyphylla var. yunnansensis

滇重楼种子内源激素含量与种胚长度和萌发的关系



全 文 :林业科学研究 2016,29(2):268 273
ForestResearch
  文章编号:10011498(2016)02026806
滇重楼种子内源激素含量与种胚长度和
萌发的关系
浦 梅,孙永玉,高成杰,李 昆
(中国林业科学研究院资源昆虫研究所,云南 昆明 650224)
收稿日期:20151109
基金项目:国家林业公益性行业科研专项(201304202)和十二五国家科技支撑研究任务2015BAD07B0105资助
作者简介:浦 梅(1989—),女,硕士研究生,主要从事种苗培育.Email:pumei1201@126.com
 通讯作者.
摘要:[目的]通过研究滇重楼种子层积过程中不同阶段内源激素含量与种胚长度的动态变化情况来探讨种子休眠
机理。[方法]应用酶联免疫吸附法测定不同阶段种子内激素含量。[结果]种子萌发过程中,脱落酸(ABA)含量由
54.34ng·g-1·FW降至32.16ng·g-1·FW,赤霉素(GA)、玉米素核苷(ZR)显著升高,吲哚乙酸(IAA)含量波动
较大,但整体呈逐渐升高趋势,随层积时间延长,未萌发种子中 ABA含量持续降低,GA含量与 GA/ABA值持续升
高,仍显著低于已萌动种子中激素含量(p<0.05);种子在层积42天后,种胚开始膨胀,胚率快速增加;相关性分析
结果,内源激素含量及比值与种胚生长呈显著相关(p<0.05),其中,GA/ABA值对种胚生长的影响最大。[结论]
种子萌发过程中仅ABA含量降低不足以解除滇重楼种子休眠,同期GA含量升高和GA/ABA值达到某一阈值时能
有效的解除滇重楼种子的休眠和促进胚的发育;种子在层积40天左右后,由于各项激素的综合作用,滇重楼种子由
休眠状态逐步转变为破除休眠状态和萌发状态。
关键词:滇重楼;种子;层积;内源激素;胚率;萌发
中图分类号:S5672 文献标识码:A
RelationshipbetweenEndogenousHormoneContentandEmbryoGrowth
andtheSeedGerminationofParispolyphylavar.yunnansensis
PUMei,SUNYongyu,GAOChengjie,LIKun
(ResearchInstituteofResourcesInsects,ChineseAcademyofForestry,Kunming 650224,Yunnan,China)
Abstract:[Objective]Tostudythevariationofembryolengthandendogenoushormonecontentinseedduring
stratificationsoastounderstandthedormancymechanismofParispolyphylavar.yunnansensisseed.[Method]
Theenzymelinkedimmunosorbentassay(ELISA)wasusedtomeasurethehormonecontentsofseedinvarioussta
ges.[Result]Theresultsshowedthatduringtheprocessofseedgermination,theabscisicacid(ABA)contentre
ducedfrom54.34ng·g-1·FWto32.16ng·g-1·FW,boththegibberelin(GA)andzeatinriboside(ZR)
contentsincreasedmarkedly,theindoleaceticacid(IAA)contentfluctuatedsignificantly,butincreasedgradualy
asawhole.Withtheextensionofstratificationtime,theABAcontentinthedormantseedreduced,whiletheGA
contentandtheratioofGA/ABAcontinuedtorise,buttheywerestilsignificantlylowerthanthatinthegermina
tingseed(p<0.05);theembryobegantoswel42daysaftertheseedwasstratified,andtheembryoratein
creasedrapidly;thecorelationanalysisshowedthattheendogenoushormonecontentandratiowassignificantlycor
relatedwiththeembryogrowth(p<0.05),theimpactofGA/ABAratioonembryowasthelargest.[Conclusion]
TheresultssuggestthatreducingABAcontentalonemaynotbeenoughtoreleasethedormancyofP.polyphyla
第2期 浦 梅,等:滇重楼种子内源激素含量与种胚长度和萌发的关系
var.yunnansensisduringseedgermination,andtheincreasingofGAcontentandtheGA/ABAratioreachingtoa
certainthresholdmaybeabletoreleaseseeddormancyandpromotethedevelopmentofembryoefectively.Dueto
thecombinationofthevarioushormones,theseedgradualyenteredthedormancybreakingstateandgermination
stateafter40days’stratification.
Keywords:Parispolyphylavar.yunnansensis;seed;stratification;embryoproportion;endogenoushormone;seed
germination
滇 重 楼 (Parispolyphyla var. yunnansensis
(Franch.)Hand.-Mazz.),又名蚤休、独角莲、七叶
一枝花等,是延龄草科(Triliaceae)重楼属(ParisL.
)植物,其根茎含有的44种甾体皂甙占总化合物的
80%以上[1],具有祛痰、抗菌、镇痛、镇静活性,以及
抗癌和止血的药理作用[2],为《中华人民共和国药
典》(2010)规定的中药材重楼的基源植物之一。滇
重楼种子具有深度简单双重休眠[3]、培育周期长的
特点,严重影响了其药材供应。国内学者对滇重楼
种子内源激素与种子休眠及萌发的关系进行了一些
研究,认为滇重楼种胚发育进程缓慢,种胚发育过程
中脱落酸(ABA)的含量下降[4];内源 ABA与 GA3
是影响种胚休眠和发育的重要因素,ZR可能对
ABA有拮抗作用,能促进 ABA的降解[5];GA/ABA
比值的增大与滇重楼种胚发育过程具同样的趋势,
得出提高 GA/ABA值很可能是打破滇重楼种子休
眠的有效方法[6]。前人的研究主要根据层积时间来
划分取样阶段,未能系统的研究滇重楼种子萌发过
程中内源激素含量与种胚长度和萌发的动态关系,
GA/ABA比值有效促进滇重楼种子萌动的阈值和范
围也鲜见报道。
本研究以滇重楼种子萌发过程中不同形态来划
分测定阶段,研究滇重楼种子萌动和内源激素含量
的动态变化,确定其萌发过程中 GA/ABA的关键阈
值及关键时期,以期深入研究滇重楼的催芽机理,为
加速滇重楼种子萌发、缩短其苗木培育周期提供理
论依据和技术数据。
1 材料与方法
1.1 试验材料与处理
试验用的滇重楼种子于2014年11月采自云南
省普洱市景东县滇重楼种植地,为8 9年生植株
所结果实,平均每果含饱满种子435±14粒,种子百
粒质量为12.45±1.88g。
有关试验在云南省昆明市中国林业科学研究院
资源昆虫研究所实验室进行。首先,将采集到的滇
重楼果实放在阴凉通风处,待果实完全开裂后,取出
种子在清水中浸泡3 5d,每天换洗一次,待红色
假种皮变软后,搓揉漂洗种子,去除红色假种皮,再
将种子取出晾干,随后用50mg·L-1的赤霉素浸泡
24h,再取出晾干后按1:5的比例拌入经高温灭菌
处理过的湿沙中,放入人工气候箱进行层积催芽。
人工气候箱的条件设定为:温度18℃,湿度70%,周
期性光照(1500lx,12h·d-1)。
1.2 试验方法
种子取样时期划分参照雷泞菲[7]的划分方法,
根据沙藏种子形态和不同的生理活动期,将其划分
为浸种前种子 A1、吸水膨胀15d种子 A2、吸水膨
胀30天种子 A3、萌动期种子 A4(42d,胚根膨大,
未突破种皮)、萌动期种子 A5(54d,胚根已突破种
皮)、萌发种子 A6(76d,胚根长度大于0.5cm视
为萌发)以及苗期种子 A7(82d,根长大于 1.5
cm)等阶段期,并在层积过程中分别取各阶段种
子,经液氮冷冻后放入 -80℃冰箱中保存以备测
量。未萌动种子激素测定:取萌发率达 50%时同
期处理未萌动的种子(B0)、萌发率到80%时同期
处理未萌动的种子(B1),萌动期种子 A4(42d,胚
根膨大,未突破种皮)进行测定。具体测定指标为
百粒鲜重、种子纵径、横径和内源激素,内源激素
种类为 ABA、IAA、GA和 ZR,分别计算胚率(胚率
=胚长/胚乳长)和内源激素比值(IAA/ABA、GA/
ABA、ZR/ABA)。胚 长 与 胚 乳 长 在 KEYENCE
VHX1000超景深三维显微镜下测量;种子纵径和
横径用桂林量具厂产分辨力0.01mm电子数显卡
尺测量;内源激素测定采用酶联免疫吸附测定方法
(ELISA),由中国农业大学植物生理与生物化学国
家重点实验室协助测定。
1.3 数据分析
用Excel2007和spss17.0软件对层积过程中种
子形态和内源激素含量及比值进行描述性统计及方
差分析,sas8.1软件对内源激素及比值之间与胚率
进行相关性分析[8]。
962
林 业 科 学 研 究 第29卷
2 结果与分析
2.1 不同时期种子4种内源激素含量与激素总量
变化及其同异性研究
  从表1中可看出,滇重楼种子萌发过程中,激素
总量、吲哚乙酸(IAA)、GA以及玉米素核苷(ZR)含
量都呈总体增加趋势,ABA含量则呈降低趋势。层
积至 42d时,种子胚根膨大、未突破种皮,ABA、
IAA、GA、ZR四种激素总量增加了25%,层积至82d
时,种子根长大于 1.5cm,激素总量增加了 59%。
ABA和IAA的含量波动较大,GA和ZR含量变化比
较平缓,含量也相对较低。种子在层积催芽过程中,
ABA含量呈显著下降趋势,层积催芽之前,滇重楼
种子中的ABA含量最高(54.34ng·g-1·FW),随
着层积时间的延长和形态特征的变化,ABA含量显
著下降,虽然在种子萌动期含量有所回升,但 ABA
含量的变化趋势依然是随着层积时间的延长而下降
的,并在根长大于1.5cm时达到极小值(34.57ng
·g-1·FW),这时 ABA含量是种子层积催芽之前
的0.64倍。IAA含量的变化幅度相对较大,在整个
层积催芽期间,呈现先降低后上升再降低再上升的
变化趋势,种子吸胀30d时,IAA含量显著降低,由
32.21ng·g·FW降到15.70ng·g-1·FW,层积至
42d时,种子进入萌动期,IAA含量显著增加,在胚
根突破种皮后有所降低,之后随着根长的增加再次
升高,至根长大于1.5cm时,IAA含量达到极大值
(98.82ng·g-1·FW),此时 IAA含量为最初的3
倍之多。ZR含量在种子吸胀30d时,含量显著增
加,进入萌动期后含量增加幅度较大,由7.59ng·
g-1·FW上升到10.59ng·g-1·FW;种子胚根膨
大之前,ZR和GA含量变化走势与 ABA相反,而胚
根突破种皮后,ZR和 GA与 ABA含量变化趋势一
致。GA在种子萌发过程中含量虽有所增加但也远
远低于ABA含量,层积至54天时,胚根突破种皮,
GA含量达到峰值,为13.80ng·g-1·FW,在根伸
长阶段含量稍有降低。
表1 不同时期4种内源激素含量与激素总量变化
取样阶段 时间/d
激素总量/
(ng·g-1·FW)
ABA含量/
(ng·g-1·FW)
IAA含量/
(ng·g-1·FW)
GA含量/
(ng·g-1·FW)
ZR含量/
(ng·g-1·FW)
A1 0 95.95±1.82f 54.34±1.32a 32.21±0.36d 3.42±0.05f 5.97±0.19e
A2 15 89.08±1.48e 50.06±0.85b 27.90±0.71e 4.77±0.17e 6.35±0.14d
A3 30 75.62±0.45d 47.45±0.80c 15.70±0.52f 4.87±0.08e 7.59±0.18b
A4 42 120.98±0.90c 38.30±1.23e 65.21±1.35b 7.17±0.25d 10.30±0.26a
A5 54 133.55±3.84b 42.03±2.07d 67.13±1.30b 13.80±0.27a 10.59±0.23a
A6 76 87.82±5.99e 32.16±0.65g 40.90±5.76c 7.88±0.14c 6.88±0.16c
A7 82 152.38±1.81a 34.57±1.97f 98.82±1.84a 8.65±0.14b 10.33±0.24a
   注:a、b、c、d、e、f、g,Duncangrouping表示值,字母相同者为差异不显著。
2.2 未萌动种子内源激素含量及比值比较
从图1可以看出,随着层积时间的延长,未萌动
的种子的ABA含量也呈逐渐降低趋势,由54.34ng
·g-1·FW降至31.16ng·g-1·FW,但仍显著低
于已萌动种子的38.30ng·g-1·FW;GA含量逐渐
增加,由342ng·g-1·FW逐渐升高至5.50ng·
g-1·FW,显著低于萌动种子的7.17ng·g-1·FW;
IAA和ZR的含量都低于萌动种子的含量,IAA含量
先降低后升高,ZR含量先升高后降低。
激素作为一种信号分子,对种子休眠与萌发的
调控并不是单独起作用的,激素之间的相互作用也
能够影响种子的休眠与萌发。对比分析不同阶段激
素比值动态变化发现,随着层积时间的延长,未萌动
种子的GA/ABA比值升高,由0.16上升到0.18,但
仍低于同期已萌动种子的比值,且二者间差异性显
著;IAA/ABA先降低后升高,ZR/ABA先升高后降
低,但其比值都显著低于萌动种子的1.70和0.27。
2.3 滇重楼种子萌发不同阶段的形态变化
种子解剖结果表明,层积前种子内种胚包裹在
胚乳中,胚率约为9.58%;种子吸水膨胀期种胚增
长比较缓慢,经过30d种子胚率为12.48%。种子
进入萌动期之后,胚率明显增加,层积至54d,胚根
突破种皮,种子胚率为56.80%,根长大于1.5cm时
的胚率达77.51%。从表2可看出,滇重楼种子百粒
鲜重在层积前为6.91g,种子在吸胀阶段大量吸水,
在层积开始的15d内,种子重量增加至9.11g,增加
了32%,为开启后续生理活动做准备,之后种子百
粒鲜重增加较缓慢,种子萌发时,百粒鲜重为976
g,之后随着主根的伸长,百粒鲜重明显增加。对种
子纵径和横径的测量表明(见表2),种子在层积开
始后迅速吸胀,种子纵径在种子层积至15天时,由
5.49mm增加至6.25mm,增加了14%,种子横径由
072
第2期 浦 梅,等:滇重楼种子内源激素含量与种胚长度和萌发的关系
图1 未萌动的种子与萌动种子内源激素含量和比值的变化比较
表2 不同时期种子激素含量与种子形态
取样阶段 时间/d 百粒鲜重/g 种子纵径/mm 种子横径/mm 胚率/%
A1 0 6.91±0.03 5.49±0.04 4.10±0.05 9.58±0.25
A2 15 9.11±0.15 6.25±0.01 4.84±0.00 10.98±0.40
A3 30 9.16±0.17 6.26±0.08 4.87±0.04 12.48±0.48
A4 42 9.38±0.00 6.27±0.07 4.89±0.04 14.20±1.60
A5 54 9.50±0.13 6.27±0.05 4.88±0.03 56.80±1.03
A6 76 9.76±0.02 6.28±0.01 4.89±0.04 68.80±3.11
A7 82 10.95±0.00 6.27±0.06 4.89±0.04 77.51±2.35
4.10mm增加至4.84mm,增加了18%,之后种子大
小增加缓慢,进入萌动期后,种子大小基本不再
变化。
2.4 不同萌动阶段4种内源激素的比值变化研究
GA/ABA与GA走势基本相同(图2,表1),层
积之前,GA/ABA比值最低0.06,但随着种子一系
列生理活动的开始,GA/ABA比值迅速增加,并在胚
根突破种皮后达到最大值0.32,是最初的5倍之多,
之后滇重楼种子萌发及主根伸长阶段比值有所降
低。IAA/ABA比值走势与IAA含量走势稍有不同,
在滇重楼种子层积之前,IAA/ABA的值为0.59,随
着种子吸水膨胀,比值降低到最小值0.33,吸胀完
成后,IAA/ABA比值急剧上升,在胚根膨大时达到
1.70,在种子胚根突破种皮至萌发的过程中稍有降
图2 内源激素比值动态变化
低,在根伸长时又上升,达到最大值2.86。ZR/ABA
比值总体呈现先上升后降低再上升的趋势,在胚根
突破种皮阶段比值较高,为0.27,种子萌发过程中
172
林 业 科 学 研 究 第29卷
比值降低,随着主根伸长回升,达到最大值0.29。
2.5 种子内源激素与种子胚率的相关性研究
层积催芽过程中滇重楼种子中4种内源激素含
量及其比值与种子各阶段胚率的相关分析结果如表
3所示,内源激素含量及其比值与胚率的相关性都
达到显著水平(P<0.05),说明激素含量及激素间
相对关系影响了滇重楼种子种胚的生长,ABA含量
与其它激素含量及胚率都呈显著的负相关,说明
ABA对种胚的生长起抑制作用,而 IAA、GA、ZR含
量与胚率呈正相关;激素含量之间的相关系数比较
发现,RABA>RGA>RIAA>RZR,GA对种胚的生长有
明显的促进作用,RGA/ABA与胚率之间的相关系数最
大,呈极显著正相关(R=0.8309),大于GA与胚率
之间的相关系数。说明 GA与 ABA之间的动态平
衡对种胚生长的影响要高于GA对其的影响。
表3 种子内源激素、比值与种子胚率的相关性
ABA IAA GA ZR IAA/ABA GA/ABA ZR/ABA 胚率
ABA 1.0000
IAA -0.6306 1.0000
GA -0.5529 0.6308 1.0000
ZR -0.5422 0.8178 0.7545 1.0000
IAA/ABA -0.7435 0.9805 0.5924 0.7719 1.0000
GA/ABA -0.7660 0.7092 0.9537 0.7332 0.7210 1.0000
ZR/ABA -0.8394 0.8823 0.7200 0.9012 0.9102 0.8260 1.0000
胚率 -0.7863 0.6752 0.6876 0.4479 0.7427 0.8309 0.6878 1.0000
  注:“”表示显著相关(P<0.05),“”表示极显著相关(P<0.01)。
3 结论与讨论
滇重楼种子在萌发过程中,激素总量显著增加,
但ABA含量呈下降趋势;其萌动种子的胚率形成与
内源激素尤其是 ABA、GA及 GA/ABA呈较强的相
关性,GA/ABA与胚率的相关系数最高,为0.8309。
与同期未萌动种子相比,滇重楼种子胚根突破种皮
的关键期(层积处理40 55d),GA含量显著增加,
ABA含量呈降低趋势,GA/ABA也达到最大值0.30
左右,说明在滇重楼萌发过程中,仅 ABA含量降低
不足以解除其种子的休眠,同期 GA含量升高和
GA/ABA值达到某一阈值时才能有效解除滇重楼种
子的休眠和促进种胚的发育。沙藏层积处理下,滇
重楼种子发芽的关键期在处理后的40 55d左右,
此时由于各项激素的综合作用,滇重楼种子由休眠
状态逐步转变为破除休眠状态和萌发状态。
对植物的自然休眠的研究显示,内源激素参与
了生理休眠的诱导[9]、维持与终止[10]。激素作为一
种小分子信号物质,在浓度很小甚至趋近于零时仍
有非常重要的作用[11]。其中,ABA对种子休眠起正
调节作用,GA对种子萌发起正调节作用,二者存在
拮抗效应。本研究结果显示,滇重楼种子萌发过程
中ABA含量逐渐减少,这与紫椴[12]、青钱柳[13]、红
豆杉[14]等深休眠种子的研究结果相似。滇重楼种
胚膨胀至胚根突破种皮的过程中,GA含量急剧增
加,胚率也明显增加,GA含量增加与滇重楼种胚的
发育速度一致,这与孟繁蕴等[4]的研究结果也类似,
GA的增加能够增强软化屏障组织水解酶的表达来
降低胚根周围组织对根尖生长的机械阻力,有利于
种子萌发[15]。Cadman[16]认为种子休眠的原因是
ABA/GA值过高,种子休眠的解除是由于 ABA/GA
值逐渐减小导致,本研究也发现滇重楼未萌动种子
中ABA含量低于萌动种子中的含量,GA/ABA比
值也显著低于萌动种子,这与前人研究结果类
似[6、14]。相关性分析结果显示,滇重楼种子 GA/
ABA比值对种胚生长的影响也要高于GA以及其它
激素含量的影响效果,种子休眠与萌发不仅与激素
本身的绝对含量有关,还与抑制剂与促进剂之间的
平衡有关,因此,在种子层积过程中如何提高 GA含
量进而提高 GA/ABA比值可能是促进滇重楼种子
萌发的关键。ABA和 GA有共同的前体甲羟戊酸,
能够促进种子萌发的处理可能是使合成 ABA的途
径转换为合成GA的途径[17]。目前的研究主要集中
在通过添加外源 GA来促进种子萌发,但外源激素
在种子后熟过程中具有严格的作用时期,使用不当
会造成大量的种子霉烂[18],因此,如何控制环境因
素使滇重楼种子内甲羟戊酸更多地用于合成内源
GA,还有待进一步的深入研究。
272
第2期 浦 梅,等:滇重楼种子内源激素含量与种胚长度和萌发的关系
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(责任编辑:张 玲)
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