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A study on the changes of physiology and biochemistry during zoysiagrass seed development

结缕草种子发育过程中生理生化变化的研究



全 文 :书结缕草种子发育过程中生理生化变化的研究
马春晖1,韩建国2,孙洁峰3,王栋1
(1.塔里木大学动物科学学院/新疆兵团塔里木畜牧科技重点实验室,新疆 阿拉尔843300;2.中国农业大学
草地研究所,北京100094;3.青岛海源草坪有限公司,山东 胶州266300)
摘要:本研究旨在探明结缕草种子发育过程中生理生化变化,为种子生产提供科学的理论依据,在山东胶州,结缕
草盛花期后每隔3~5d取1次种子样品,对其发育过程中的生理生化变化进行研究。结果表明,结缕草种子发育
过程中含水量是先升高,而后逐步降低,而种子干、鲜重则逐渐增加,最后略有降低。可溶性糖含量变化总趋势是
降低(5.0%),而淀粉含量先升后降,再逐渐增加,最后保持在15.0%左右,种子酸性磷酸酯酶活性逐渐增强,且不
同成熟度间的活性差异极显著(犘<0.01)。种子生长素(IAA)和赤霉素(GA)含量逐渐减少,而脱落酸含量是逐步
增加,最后达72.7μg/100g鲜重。综合考虑,结缕草适宜的收获期应在盛花期后36d左右,即6月15日左右,此
时种子活力强,含水量为26%~28%,千粒重为0.89g。
关键词:结缕草;种子;发育
中图分类号:S543+.901;Q945.34  文献标识码:A  文章编号:10045759(2009)06017406
  结缕草(犣狅狔狊犻犪犼犪狆狅狀犻犮犪)是多年生草本植物,它抗旱、耐热、耐践踏、耐啃食、抗病、节水[1~5]、养护成本低、适
应性广,作为草坪草而深受欢迎,广泛用于公园、高尔夫球场、公路护坡等绿地建植。而结缕草种子是我国本土
产、唯一出口的草坪草种子,已出口美国、日本、韩国等国。目前,结缕草种子均采自于野生结缕草,种子产量低,
不足150kg/hm2[3,6],Matumura等[7]对日本结缕草草地种子生产进行了研究,日本的北方种子产量显著高于南
方,但也不到150kg/hm2;刘建秀等[8]对我国65份有代表性的结缕草种质资源的种子产量及其组分包括花穗密
度、单位花穗种子数以及千粒重进行了观测分析,也证实了结缕草种子产量很低的观点。
现在国内外对结缕草种子生产技术研究比较少[9~13],而且仅限于施肥、火烧、播种行距等因素对种子产量影
响的研究。在结缕草种子研究方面,郑光华等[14]最早开展了打破结缕草种子休眠的研究,王彦荣等[15]研究了兰
引Ⅲ号结缕草和青岛结缕草种子的吸水特性和萌发对温度的反应,钱俊芝等[16]对不同贮藏年限的结缕草种子活
力变化进行了研究;在牧草种子发育生理研究方面,Fairey和 Hampton[17]对黑麦草(犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲)、Andersen
等[18]对高羊茅(犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪)、韩建国等[19]对老芒麦(犈犾狔犿狌狊狊犻犫犻狉犻犮狌狊)、毛培胜等[20]对无芒雀麦(犅狉狅
犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊)、刘文辉等[21]对青海扁茎早熟禾(犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊var.ancepscv.Qinghai)等牧草种子发育过程中种
子含水量、干重、鲜重、种子活力、种子酶的活性以及内源激素等生理生化指标变化进行了研究,并综合多种指标
提出了各自试验牧草种子的适宜收获期。
结缕草种子落粒性很强[3,13],收获时间过早或过晚,势必影响种子的产量和品质,造成巨大损失。结缕草种
子的采收时间往往不确定,采收者凭经验而定,单从种子颖壳颜色、种子含水量、干重、发芽率、活力、淀粉积累量
等中一个方面考虑,有失偏颇[17~21],致使采收的种子质量参差不齐,空瘪率过高,种子活力低。因此,结缕草何时
收获是一个十分值得研究的问题,至今还没有见到有关结缕草种子成熟过程中生理生化动态变化的研究报道,为
此,开展此项研究,具有重要的理论和现实意义,可以为结缕草种子适宜收获期的确定、种子的发育生理及种子生
产提供科学的理论依据和实践指导。
1 材料与方法
1.1 试验地自然概况
试验地位于青岛海源草坪公司试验基地内,北纬36°10′,东经119°46′,海拔50m。属暖温带大陆性季风气
174-179
2009年12月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第18卷 第6期
Vol.18,No.6
 收稿日期:20081229;改回日期:20090413
基金项目:农业部“948”重大资助项目(202099)和结缕草种子生产技术研究(横向课题)资助。
作者简介:马春晖(1966),男,新疆哈密人,教授,博士。Email:chunhuima@126.com
候,四季分明,雨热同季,年降水量695.5mm,年均温10.0℃,最冷月1月,平均气温-3.2℃,最热月8月,平均
气温25.4℃,全年≥0℃积温4510℃,无霜期210~220d,年日照时数2573h。棕壤亚黏土,0~10cm土壤容重
为1.47g/cm3,10~20cm为1.62g/cm3;有机质含量12.87g/kg,全氮0.9228g/kg,速效磷4.470mg/kg,速
效钾58.43mg/kg,pH值6.9。
1.2 供试材料
供试材料为青岛结缕草(犣.犼犪狆狅狀犻犮犪cv.Qingdao),由青岛海源草坪有限公司提供。
用分栽方法建植结缕草种子田,行距均为20cm,播种量50kg/hm2。试验地面积为1650m2,划分为30个
小区,小区面积为55m2(22.0m×2.5m);建植初期进行灌溉,除杂草;秋、春季结合灌溉施尿素(秋20/春40kg
N/hm2),对照为不施肥处理。2002年8月覆砂1cm左右,种子采收后,进行修剪、灌溉。2003年春季返青前进
行火烧。结缕草返青后从盛花期开始在试验小区随机剪取80株生殖枝,每3~5d一次,直至种子完全成熟为
止。测定种子的含水量后,一部分种子自然干燥,另一部分种子冷冻保存,作为试验样品。
1.3 测定内容与方法
1.3.1 种子含水量与鲜、干重测定 从每次所取样品中任选1000粒种子,称其鲜重,重复4次,然后在105℃下
烘干18h,取出后在干燥器中冷却并称量干重,通过计算,求出含水量的平均值。
1.3.2 可溶性糖含量测定 可溶性糖含量测定方法见毛培胜等[22]的方法。
1.3.3 淀粉含量测定 淀粉测定方法见文献[23]。
1.3.4 激素含量测定 用高效液相色谱仪(HPLC)测定种子内生长素、赤霉素、脱落酸含量。精密称取低温保
存的种子样品10g于研钵中磨碎,转至150mL锥形瓶中,加入50mL石油醚在5℃左右浸泡过夜。滤去石油
醚,加50mL冷甲醇5℃左右电磁搅拌4h,过滤,残渣中再加入冰甲醇30mL搅拌1h,过滤,合并过滤液,减压
浓缩至25mL。取2mL浓缩液流经已活化的Seppak小柱,弃去淋出液,用2mL乙睛腈淋洗小柱,淋洗液经
0.5μm滤膜过滤后待分析。在同一色谱下,吸取10μL样品溶液进行分析,得到色谱图,以相应峰面积在标准曲
线上查出含量。
犮=犮1×狏2×100犮2×狏1
式中,犮为100g样品中各组分含量(mg);犮1 为样品进样体积中各组分含量(μg);犮2 为样品称样量(g);狏1 为样品
进样体积(μL);狏2 为样品定容体积(mL)。
1.3.5 酸性磷酸酯酶活性测定 酸性磷酸酯酶活性测定方法见文献[23]。
1.4 数据分析
试验数据用SASV6.12统计软件进行方差分析和多重比较(Duncan法)。
2 结果与分析
2.1 种子含水量和鲜重、干重的变化
结缕草种子含水量从盛花期后0d的29.99%升高到盛花期后10d的40.26%,此阶段是结缕草种子乳熟初
期,含水量最高,而后含水量逐渐降低,直至降到盛花期后43d的21.12%(图1)。
结缕草种子鲜重、干重变化趋势基本一致,随着种子成熟,鲜、干重逐渐增加。盛花期后第21天以前,种子增
重较缓慢,而盛花期后21~31d这10d时间,种子鲜、干重增重较快,其中种子干重平均日增加0.038mg/粒,这
是结缕草种子乳熟末期至蜡熟阶段,物质积累最快的时期。盛花期后40d种子千粒干重达到0.9223g,以后有
所降低。
当结缕草种子含水量降至28%以下时,花序稍有外力挤压、碰撞,种子很容易落粒,而且此时种子千粒重较
大,根据种子含水量和干、鲜重判定,结缕草生理成熟期或适宜的收获期应在种子含水量为26%~28%时,千粒
重在0.8900g左右,此时为盛花期后36d,即6月15日左右。
2.2 种子可溶性糖和淀粉含量的变化
结缕草种子可溶性糖含量的变化对照和施氮肥处理变化趋势基本一样(图2),由盛花期后16d2.84%(对照
571第18卷第6期 草业学报2009年
CK),4.19%(施肥F)逐渐升高,直到盛花期后27d,而后开始走低,直至降低到盛花期后42d的5.16%(CK)和
4.73%(F)。
结缕草种子淀粉含量的变化趋势是前期增加很快,由盛花期后16d的3.99%(CK)和8.81%(F),分别升高
到盛花期后27d的16.07%和17.41%,而后有所降低,随后又缓慢升高(图2),最后保持在15%左右。由此可
见,种子生理成熟期在盛花期后34~42d。
图1 结缕草种子鲜、干重、含水量变化
犉犻犵.1 犆犺犪狀犵犲狊狅犳犳狉犲狊犺,犱狉狔狑犲犻犵犺狋犪狀犱犿狅犻狊狋狌狉犲
犮狅狀狋犲狀狋犻狀狕狅狔狊犻犪犵狉犪狊狊狊犲犲犱狊
图2 结缕草种子成熟过程中可溶性糖和淀粉含量的变化
犉犻犵.2 犆犺犪狀犵犲狊狅犳狊狅犾狌犫犾犲狊狌犵犪狉犪狀犱狊狋犪狉犮犺犮狅狀狋犲狀狋
犱狌狉犻狀犵狊犲犲犱狉犻狆犲狀犻狀犵狅犳狕狅狔狊犻犪犵狉犪狊狊
2.3 种子内激素含量的变化
结缕草种子内赤霉素(GA)含量在盛花期后10d就达到最高,含量为376.8μg/100g鲜重,随后急剧下降,
而后逐渐降至盛花期后42d的34.2μg/100g鲜重(图3)。
结缕草种子内生长素(IAA)含量随着种子发育而逐渐降低(图3),由盛花期后10d的59.7μg/100g鲜重逐
步降至盛花期后42d的20.6μg/100g鲜重。
结缕草种子鲜重中脱落酸(ABA)含量的变化由盛花期后10d的3.9μg/100g而升高至盛花期后16d的
11.6μg,直到盛花期后31d含量还在12.4μg/100g鲜重,增加幅度不大,之后,ABA含量迅速增加,直到盛花
期后42dABA含量达到最大值(72.7μg/100g鲜重)。由此推断,结缕草种子适宜收获期应在盛花期后31~40d。
2.4 酸性磷酸酯酶活性的变化
酸性磷酸酯酶是一类水解有机磷酸酯键的酶,其活性的高低直接影响着种子活力的强弱,活性越高,活力越
强。结缕草种子的酸性磷酸酯酶活性随着种子的发育而活性不断提高,而且盛花期后不同天数间酸性磷酸酯酶
的活性差异极显著(犘<0.01)(图4)。
3 讨论
随着种子的发育,种子含水量逐渐降低,但不同禾本科牧草或品种之间,种子发育过程中含水量的变化有一
定差异,种子生理成熟期含水量一般为40%~65%[17]。其中多年生黑麦草种子生理成熟期(适宜收获期)的种子
含水量为43%[17]、无芒雀麦为57.17% [19]、老芒麦为39.10%~45.16%[20]青海扁茎早熟禾为35%[21]、高羊茅
为52.13%[24],而结缕草种子适宜收获期种子含水量为26%~28%,要比其他禾本科牧草种子含水量低很多,这
主要是由结缕草种子结构决定的,结缕草种子小,千粒重一般不足1.0g,而且包被种子的革质颖苞占种子总重量
63%[25]以上。可见,正是由于不同禾草种和品种间的种子含水量在种子生理成熟期存在一定差异,从而使种子
含水量成为评定牧草种子成熟的重要指标。因此,种子含水量作为种子发育成熟的指标,对于不同的牧草品种在
栽培地应进行长期地研究和试验,掌握牧草种或品种种子发育过程水分散失变化的规律,这样才能有效地预测种
子成熟期和适宜的收获期。如果结缕草种子要大面积采收,可提早3~4d,种子含水量在28%~31%就可采收。
671 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.6
图3 结缕草种子发育过程中生长素、赤霉素和脱落酸含量的变化
犉犻犵.3 犆犺犪狀犵犲狊狅犳犐犃犃,犌犃犪狀犱犃犅犃犮狅狀狋犲狀狋犱狌狉犻狀犵
狊犲犲犱狉犻狆犲狀犻狀犵狅犳狕狅狔狊犻犪犵狉犪狊狊
  图4 结缕草种子发育过程中酸性磷酸脂酶活性的变化
  犉犻犵.4 犆犺犪狀犵犲狊狅犳犪犮犻犱狆犺狅狊狆犺狅犲狊狋犲狉犪狊犲犪犮狋犻狏犻狋狔
犱狌狉犻狀犵狋犺犲狊犲犲犱犱犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋狅犳狕狅狔狊犻犪犵狉犪狊狊
结缕草种子的鲜重和干重变化,从盛花期开始到19d之前,增加缓慢,这主要是结缕草颖苞在逐渐增加,盛
花期后21~31d鲜、干重增加迅速,种子水分开始迅速降低,此时才是结缕草种子淀粉营养物质快速积累的时
期。这可能与结缕草种子结构和开花习性有关,结缕草雌雄同株,异花受粉,先开雌花,后开雄花,花期不遇,故造
成结缕草鲜、干重增加较其他牧草迟缓。
结缕草种子中可溶性糖含量是先升高,而后降低,此趋势与Stoddart[26]对多年生黑麦草、鸡脚草(犇犪犮狋狔犾犻狊
犵犾狅犿犲狉犪狋犪)和马春晖等[24]对Crossfire高羊茅的研究结果相似。而随着种子发育,结缕草种子中淀粉含量变化趋
势是先升后降,再升高,在盛花期后27d(6月5日)淀粉含量达到一个峰值,虽然此时种子未完全成熟,千粒重还
没有达到最大值,种子含水量还在逐渐降低,随后淀粉含量降低,又升高,最后稳定在15%以上,这些变化可能与
种子的重量结构组成变化有关系,到蜡熟期种子脱水干燥,颖苞重量比例相应有所增加,淀粉含量相应也就略有
降低。
种子在发育过程中,随着营养物质转化和积累,种子内源激素也发生变化,而且各种激素含量及存在方式的
变化对于发育过程有着非常重要的影响。结缕草种子发育早期,游离生长素(IAA)、赤霉素(GA)含量要高于成
熟期,随着种子发育,种子中IAA、GA含量逐渐降低,符合种子的发育规律[27];脱落酸(ABA)在成熟种子中控
制萌发,而在发育种子中可抑制胚的生长和防止胎萌[27,28]。在种子发育前期,结缕草种子中脱落酸含量增加缓
慢,随着种子含水量降低,进入蜡熟期,盛花期后31d种子中ABA含量增长迅速,直至收获,每100g鲜重中含
ABA高达72.7μg,结缕草种子的颖苞和裸种子中的脱落酸含量均很高,这在草本植物种子中迄今为止所有的报
道中[25,29]是最高的,这就是结缕草种子自然发芽率低的主要原因之一。
从结缕草种子含水量、鲜重、干重、落粒性、淀粉含量、激素含量和酸性磷酸酯酶活性综合考虑,结缕草种子适
宜收获期应为种子盛花期后36d,比较合适,可获得质优量多的种子。
4 结论
随着结缕草种子发育成熟,种子含水量先升高,而后逐步降低,种子干、鲜重逐渐增加,最后略有降低,种子千
粒重最高达0.9223g。
结缕草种子可溶性糖含量变化总趋势是降低(5.0%),而淀粉含量先升后降,再升高,最后保持在15.0%左
右;种子的酸性磷酸酯酶活性逐渐增强,且彼此间差异极显著(犘<0.01)。
结缕草种子中生长素(IAA)、赤霉素(GA)含量随着种子发育逐步降低,而脱落酸(ABA)含量则逐渐增加,
最后每100g鲜重高达72.7μg。
综合考虑,结缕草种子适宜收获期应在盛花期后36d左右,即6月15日左右,此时种子活力强,含水量为
26%~28%,千粒重0.89g。
771第18卷第6期 草业学报2009年
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MAChunhui1,HANJianguo2,SUNJiefeng3,WANGDong1
(1.ColegeofAnimalScience,TarimUniversity;KeyLaboratoryofTarimAnimalHusbandry
ScienceandTechnology,BingtuanXinjiang,Alar843300,China;2.InstituteofGrassland
Science,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094,China;3.Qingdao
HaiyuanTurfgrassCo.Ltd.,Jiaozhou266300,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thisresearchaimedtoprovideascientifictheoreticalbasisforzoysiagrassseedproductionbyinvesti
gatingchangesofphysiologyandbiochemistryduringseeddevelopment.Everythreeorfivedays,seedsofzoy
siagrasswereharvestedafterpeakanthesisatJiaozhouinShandongprovince,andthechangesinseeddevelop
mentwerestudied.Theseedmoisturecontentrosefirst,thengradualydropped.Thefreshweightanddry
weightofseedsslowlyincreasedduringseeddevelopmentandfinalydecreasedalittle.Thesolublesugarcon
tentofseedsdecreasedbyabout5.0%.Thestarchcontentincreasedsharplyandthenslowlydecreased,but
stayedabout15.0%towardstheendofdevelopment.Theacidphosphoesteraseactivityofseedsharvestedat
differenttimesweresignificantlyincreased(犘<0.01).IAAandGAcontentsslowlyreducedwithseeddevel
opment.However,thecontentsofABArosegradualyandreached72.7μg/100gfreshweight.Inconclusion,
theoptimalharvesttimewasthe36thdaysafterpeakanthesis(aboutJune15)inthisexperiment,andwhen
theseedvigorwasbetter,itsmoisturecontentand1000seedweightwere26%-28%and0.89g,respective
ly.
犓犲狔狑狅狉犱狊:zoysiagrass(犣狅狔狊犻犪犼犪狆狅狀犻犮犪);seed;development
971第18卷第6期 草业学报2009年