全 文 ：Vol. 29 , No. 4
pp. 601～605 　July , 2003
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 29 卷 第 4 期
2003 年 7 月 　601～605 页
低浓度镍处理下玉米种子的萌发与活性氧代谢的关系
王海华　蒋明义　康　健　汪　琼
(湘潭师范学院生命科学系 ,湖南湘潭　411201)
摘 　要 　采用温室土培盆栽试验 ,研究了 015、0175、110 和 1125μmol/ L 的硝酸镍浸种后玉米种子的萌发 ,并对 015 和 110
μmol/ L 镍处理后萌发过程中抗氧化酶系统活性、O —·2 产生速率、H2O2 和丙二醛 (MDA) 含量、种子外渗液电导率进行了测
定。结果表明 ,镍处理明显提高了玉米种子的发芽率、发芽势和活力指数 ,缩短平均发芽日数 ,说明镍对玉米种子的萌发
有显著的促进作用。其中以 110μmol/ L 浓度处理效果最好。同时 ,镍提高了种子萌发时超氧化物歧化酶 (SOD) 、过氧化
氢酶 (CAT)和过氧化物酶 (POD)活性 ,降低了 O —·2 产生速率、H2O2 含量、MDA 含量、种子外渗液电导率 ;4 条 POD 同工酶带
增强 ( Rf = 01256 ,01395 ,01489 ,01558) 。这些结果提示镍通过提高玉米种子萌发期间的抗氧化水平 ,缓减脂质过氧化作
用 ,从而维持种子质膜结构的完整性 ,防止电解质过度流失 ,是其促进种子萌发可能的生理背景。Ξ
关键词 　镍 ;玉米种子 ;萌发 ;活性氧代谢 ;脂质过氧化
中图分类号 : S513 　　　文献标识码 : A
Relationship between Seed Germination and Active Oxygens Metabolism in Maize
Treated with Low Nickel Concentration
WANG Hai2Hua 　J IANG Ming2Yi 　KANGJian 　WANG Qiong
( Department of Life Science , Xiangtan Normal University , Xiangtan , Hunan 411201 , China)
Abstract 　　The effects of nickel (015 ,0175 ,110 ,1125μmol/ L) on the seed germination of maize ( Zea mays L. ) and
some physiological characteristics such as the generation rate of superoxide radical (O —·2 ) ,the contents of peroxide hydrogen
( H2O2) and malondialdehyde (MDA) ,and plasma membrane permeability after treatments with 015 ,110μmol/ L nickel ,
were studied in green house in pot cultivation. The germination of maize seeds was promoted by nickel and its active oxygens
metabolism was explored at the same time. The results showed that the germination frequency and index ,vigor of the seeds
appeared to be increased ,and the mean days of germination decreased by nickel treatments. It indicated that nickel acceler2
ated the seed germination ,and the positive effect of 110μmol/ L nickel was the best . It was also observed that the activity
increasing of superoxide dismutase (SOD) ,catalase (CAT) and peroxidase (POD) was accompanied with the decreasing of
the O —·2 generation rate , H2O2 content ,MDA content and seed leakage electroconductivity. The result of isozyme PAGE
analysis showed that the 4 POD isozyme bands ( Rf = 01256 ,01395 ,01489 ,01558) became stronger. It was suggested that
the enhancement of antioxidation level and the mitigating of lipid peroxidation by nickel treatments ,which were beneficial to
the integrity of plasma membrane and electrolytes2keeping ,might be the physiological basis of the seed germination acceler2
ated by nickel .
Key words 　　Nickel ;Maize seeds ; Germination ;Metabolism of active oxygens ;Lipid peroxidation
　　低浓度镍处理豌豆、小麦、蓖麻、水稻等植物种
子 ,其发芽率可大大提高[1 ] ,但对镍促进种子萌发的
生理机制仍没有研究清楚。王煜等[2 ]用液培法研究
了镍对水稻种子萌发的影响 ,并对镍促进种子萌发
的生理生化背景进行了初步的研究 ,认为镍有利于
萌动初期膜透性的增加 ,使吸胀阶段提前 ;镍直接或
间接地促进了萌发过程中膜完整性的恢复。种子有
氧代谢过程中产生活性氧、导致脂质过氧化是种子Ξ基金项目 :湖南省教委课题 (00C241) 。
作者简介 :王海华 , (1969 - ) ,男 ,湖南湘乡人 ,讲师 ,博士生 ,主要研究方向 :植物生理生化。
Received(收稿日期) :2002206217 ;Accepted(接受日期) :2002210215.

劣变的重要原因[3 ,4 ] 。镍能减缓超氧化物歧化酶
(SOD) 、过氧化氢酶 (CAT) 等抗氧化酶的下降速度 ,
或提高上述酶的活性 ,从而减轻膜脂过氧化程度 ,延
缓植物衰老[5 ,6 ] ,提示镍通过调节种子的活性氧代
谢水平而影响种子活力 ,可能是镍促进种子萌发的
生理机制之一。本文用温室土培盆栽试验研究了镍
浸种后陈化玉米种子的萌发 ,并测定了萌发期间
SOD、CAT、POD 活性变化、O —·2 产生速率、H2O2 含量、
脂质过氧化水平、种子外渗液电导率 ,探讨了这些生
理变化与种子萌发之间的可能联系 ,为进一步揭示
镍处理下种子萌发机制及镍在农业生产上的应用提
供理论依据。
1 　材料与方法
111 　材料处理与萌发
　　玉米品种掖单 13 ,常规贮藏两年 ,发芽率为
6110 %。种子经 011 %HgCl2 清毒 15 min ,蒸馏水漂
洗后 ,选 100 粒大小一致、饱满的种子分别用 015、
0175、110 和 1125μmol/ L 的 Ni (NO3) 2 溶液于 28 ℃浸
种 15 h ,以蒸馏水为对照 ,然后播种于陶瓷盆 ,温室
中萌发。温度为 25～30 ℃。每盆装土 1000 kg。土
壤取自湘潭师范学院北院附近农田。土壤阳离子交
换量 ( CEC) 为 15143 cmol/ kg ,pH 616 ,有机质含量
2107 % ,有效镍含量 (DTPA2Ni) 112 mg/ kg。每天喷
洒适量蒸馏水以保持土壤湿度。逐日统计发芽率 ,7
d 后称幼苗干重。发芽势、活力指数、平均发芽日数
计算均同前文[7 ] 。
112 　生理生化指标测定
SOD 活性、CAT 活性、POD 活性、MDA 含量、种
子外渗液电导率测定均按前文[7 ] 。O —·2 产生速率按
王爱国等[8 ]的方法。POD 同工酶分析采用聚丙烯酰
胺凝胶电泳 ,浓缩胶 410 % ,分离胶 815 % ,交联度
210 %。联苯胺染色 ,染液配制 : 011 g 联苯胺溶于
018 mL 冰醋酸后 ,加入 30 % H2O2 012 mL ,蒸馏水稀
释至 200 mL。H2O2 含量测定按沈文飚等[9 ]的方法。
实验重复 3 次。
2 　结果与分析
211 　镍对玉米种子萌发的影响
　　镍处理明显提高了玉米种子的发芽率、发芽势
和种子活力 ,缩短了平均发芽日数。015～110μmol/
L 范围内 ,镍对种子萌发的促进作用随处理浓度升
高而增大。加大处理浓度至 1125μmol/ L ,镍的促进
作用下降 ,但仍较明显 (表 1) 。110μmol/ L 镍处理
下 ,玉米种子的活力指数比对照提高了 3711 % ,达
到 P = 0101 的极显著水平。这些结果表明镍能明
显促进玉米种子的萌发 ,提高发芽的整齐度 ,为日后
幼苗的生长提供较好的生理条件。镍处理的玉米幼
苗干重也明显高于对照。
表 1 镍处理对玉米种子萌发的影响
Table 1 Effect of nickel treatments on the germination of maize seeds
镍浓度
Nickel
concentration
(μmol·L - 1)
发芽率
Germination
Rate
( %)
发芽势
Germination
index
活力指数
Vigor
index
平均发芽日数
Mean days of
germination
(d)
单株幼苗干重
Dry weight
of seedling
(mg)
CK 6110 2319 60711 217 2514
015　 7412 3 2715 3 77010 3 213 3 2810 3
0175 7616 3 2718 3 79511 3 212 3 2816 3
110　 7815 3 2814 3 83211 3 3 211 3 2913 3
1125 7513 3 2716 3 77813 3 213 3 2812 3
　　同列中 3 , 3 3 分别表示与对照有 P = 0105 ,0101 的显著性差异。单株幼苗干重系 100 株的平均值。
Values followed by 3 , 3 3 were significantly different from that of the CK at P = 0105 ,0101 level respectively in the same column. Dry weight of seeding was
the mean value of 100 plants.
212 　镍对玉米种子萌发过程中 SOD、CAT 活性的
影响
　　对照的 SOD(图 1A) 、CAT(图 1B) 活性在 8～24
h 内逐渐升高 ,尤以 16～24 h 期间升高更快 ,24 h 后
开始下降 ,但仍维持较高水平。镍处理并未改变玉
米种子萌发中两种酶的上述变化规律 ,只是不同程
度地提高了酶活性 ,缓和了 24 h 后酶活性的下降趋
势。另外 ,从整体上看 ,110μmol/ L 镍对酶活性的促
进作用大于 015μmol/ L。所不同的是 ,对照与处理
及两处理之间 SOD 活性无显著的差异 ;而对 CAT来
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说 ,除 24 h 外 ,其余时间处理的酶活性与对照比 ,均
有显著差异 ( P = 0105) ,处理间虽无明显差异 ,但比
SOD 要大 ,似乎 CAT对镍处理比 SOD 更敏感。值得
指出的是 ,SOD 与 CAT 表现出同升同降的相似的动
态变化 ,更有利于种子萌动期间清除因代谢活跃所
产生的较多活性氧 ,维持活性氧代谢平衡 ,保护膜免
遭活性氧攻击。
213 　镍对玉米种子萌发过程中 POD 活性、同工酶
带的影响
　　镍处理后 ,玉米种子萌发期间 POD 活性增强 ,
24 h 时达峰值 ,且镍浓度愈大 ,增幅愈大 (图 2A) 。
同工酶电泳的结果表明 ,两处理中增加了一条 POD
同工酶带 ( Rf = 01256) ,另外有 3 条带 ( Rf = 01360 ,
01395 ,01480)增强 (图 2B) 。
图 1 镍对玉米种子萌发期间 SOD、CAT活性的影响
Fig. 1 Effects of nickel on the activity of SOD ,CAT in maize seeds during germination
C1 ,015μmol/ L Ni (NO3) 2 ;C2 ,110μmol/ L Ni (NO3) 2. The same used hereafter.
图 2 镍对玉米种子萌发期间 POD 活性和同工酶带的影响
Fig. 2 Effects of nickel on the activity of POD and isozyme bands in maize seeds during germination
214 　镍处理下玉米萌发过程中 O —·2 、H2O2、MDA 和
电导率变化
　　镍处理下 ,玉米种子萌发期间 O —·2 产生速率下
降 ,处理浓度愈大 ,下降程度愈明显 (图 3A) 。在 8～
32 h 期间 ,015 和 110μmol/ L 镍处理的种子中O —·2 产
生速率比对照分别下降了 1711 %和 2316 % (平均而
言) ,镍同样降低了玉米种子萌发时 H2O2 的含量 (图
3B) ,且下降程度亦与浓度有正相关趋势。但同一
时间相同浓度的镍使 H2O2 水平下降的幅度比 O —·2
产生速率大 ,两种浓度之间 H2O2 含量的差异也比
O —·2 明显 ,这可能与 CAT 比 SOD 对镍更敏感有关。
从图 3 还可以看出 ,O —·2 和 H2O2 的最大积累时间均
在 24 h ,与 SOD、CAT 活性达峰值的时间一致 ,似有
矛盾之嫌。但 O —·2 、H2O2 的净积累取决于其产生和
降解两方面 ,种子在萌发过程中 ,势必动员其贮藏物
质 ,呼吸代谢增强 ,产生的活性氧势必更多 ,尽管此
时的抗氧化酶活性较高 ,由于产生量多 ,O —·2 和 H2O2
的净积累亦可能增加。至于处理 24 h 时 ,种子呼吸
速率是否也达到一个高峰 ,有待证明。
MDA 常作为膜脂过氧化损伤的标志。测定了
几个时段的玉米种子 MDA 含量 (图 4A) ,结果表明 ,
015μmol/ L 镍处理能降低玉米种子萌发过程中MDA
含量 ,而 110μmol/ L 镍降低 MDA 含量的效应更明
显 ,在 8～32 h 内 ,比对照下降了 2217 %～3318 %。
镍处理同样降低了种子外渗液的电导率 (图 4B) ,表
306　4 期 王海华等 :低浓度镍处理下玉米种子的萌发与活性氧代谢的关系 　　　

明镍减轻了质膜所遭受的氧化损伤 ,避免种子组织
中电解质过量渗漏 ,从而提高种子的活力 ,促进其萌
发过程。
图 3 镍处理下玉米种子萌发期间 O —·2 和 H2O2 水平的变化
Fig. 3 Changes of O —·2 and H2O2 level in maize seeds during germination by nickel treatment
图 4 镍处理下玉米种子萌发期间 MDA 含量和外渗液电导率的变化
Fig. 4 Changes of MDA content ,leakage electroconductivity in
maize seeds during germination by nickel treatment
3 　讨论
Brown 等[10 ]证实 ,在一定范围内 ,大麦种子的萌
发率随籽粒中镍含量的增加而提高 ;低于某一临界
含量 ,其萌发率接近于 0 ,表明镍在大麦种子萌发中
起重要作用。王煜等[2 ]发现 ,2～5μmol/ L 镍能促进
早稻“921”种子萌发。我们的试验表明 ,015～110
μmol/ L 的镍浸种 ,能明显提高玉米种子的发芽率 ,
缩短发芽时间 ,提高发芽的整齐度。但镍必须控制
在一个合适的浓度范围 ,否则会引起相反的生理生
化效应。1125μmol/ L 镍对玉米种子萌发的促进作
用开始下降 (表 1) ,浓度增大至 1175μmol/ L ,反而抑
制种子的萌发 (结果未列出) 。前文[7 ]的结果表明 ,
0125～110μmol/ L 的镍处理导致湘晚籼 1521 水稻种
子的发芽率、活力指数降低 ,平均发芽日数延长。提
示不同植物对镍的需要量不同 ,即使同一种植物的
不同品种也有差异。
种子萌发过程中 ,由于各种代谢活跃启动 ,不可
避免地产生许多活性氧 ,主要包括 O —·2 、H2O2 和
·OH。这些类型的活性氧相互转化、协同作用能导
致细胞氧化损伤 ,特别是脂质过氧化作用 ,造成细胞
膜结构破坏、膜透性增大和电解质外渗。而细胞结
构的完整性是种子活力的基础 ,它的丧失 ,特别是细
胞膜受损是种子劣变的重要原因[3 ] 。所幸的是 ,种
子组织中存在 SOD、CAT、POD 等保护性酶和 ASA、
GSH等一些非酶性抗氧化物质 ,可以清除萌发过程
中产生的大量活性氧 ,维持相对高水平的活性氧动
态平衡 ,减轻因活性氧造成的脂质氧化作用 ,有利于
维持种子萌发过程中膜结构的完整性。镍处理下 ,
玉米种子中 SOD、CAT活性升高 ,这与王煜等[2 ]在水
稻种子中所得的结果是一致的 ;在水稻旗叶[5 ]和玉
米离体叶片[6 ]中也有类似的结果。SOD 催化 O —·2 歧
化 ,而 H2O2 作为歧化产物又被 CAT 降解。因此我
们认为 ,镍处理 8～32 h 内 O —·2 产生速率、H2O2 含量
降低 (与同时间的对照而言) 可能是镍促进了 SOD、
CAT等酶活性的结果。同时 ,镍处理下 SOD、CAT活
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性变化表现出相似的同升同降的变化规律 ,可能更
有利于 O —·2 、H2O2 等活性氧的清除。尽管 O —·2 能否
作为脂质过氧化作用的直接启动者 ,尚有争论 ; H2O2
相对不活泼 ,但 O —·2 和 H2O2 通过 Haber2Weiss 反应
和 Fenton 反应产生氧化能力极强的·OH ,直接启动
脂质过氧化 ,导致细胞膜过氧化损伤。MDA 是脂质
过氧基 ( ROO·) 的分解产物。本研究中 ,MDA 含量
和 O —·2 产生速率、H2O2 含量之间 ,种子外渗液电导
率与 MDA 含量之间有如下的回归方程 : y (MDA) =
011722 + 011141 x (O —·2 ) , r = 019270 ; y (MDA) = 018994 +
011146 x (H2O2) , r = 019277 ; y (电导率) = 017634 +
014234 x (MDA) , r = 018238。均呈极显著正相关。因
此可以推测 ,镍通过促进种子 SOD、CAT 活性 ,降低
O —·2 和 H2O2 水平 ,从而减轻了萌发过程中种子细胞
膜的脂质过氧化和电解质外渗。
一般认为 ,种子萌动初期 (几个小时) 保持一定
的透性有利于种子吸胀 ,但随后的萌发则依赖于膜
的完整性。水稻种子在镍处理的第 1 d 增加了膜透
性 ,至第 2、3 d 电解质外渗才显著减少[2 ] 。而镍浸
种 8 h 玉米种子电解质外渗率比对照低 ,这与上述
结果不一致 ,可能与植物种类不同有关 ,至于 8 h 以
前镍是否增加了玉米种子的膜透性 ,还有待实验。
Davidson等[11 ]报道 ,用玉米种子吸胀 6 h 的外渗液
电导率能预测其 0～90 %的活力。种子田间出芽率
及活力与种子外渗液电导率成负相关[12 ] ,提示镍促
进玉米种子的萌发可能与其提高种子抗氧化能力、
降低 H2O2、O —·2 等活性氧水平、维持膜结构完整性有
关。
POD 是植物中一种重要的保护性酶 ,但它在种
子萌发中的作用 ,并不限于其对 H2O2 的降解、减轻
膜损伤。王煜等[2 ]推测 ,水稻种子萌发中 H2O2 的降
解主要靠 CAT ,POD 主要行使吲哚乙酸氧化酶的功
能。小麦萌发时种胚 POD 活性的提高与萌发进程
显著正相关[13 ] ,POD 活性促进萌发的原因可能在于
加速了 HMP 途径的运转[14 ] 。HMP 不仅为种子萌发
提供必需的碳骨架还能为蛋白质、核酸合成提供所
需的还原力 —NADPH2。外磁场对小麦萌发的促进
作用可能与 POD 促进 HMP 途径有关[15 ] 。本试验
中 ,镍浸种提高玉米种子活力 ,加速萌发进程 ,也可
能与上述机制有关。
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