不同温度下白颖苔草(Carex rigescens)种子发芽的生理特性研究

李 慧, 岳跃森, 滕 珂, 张全刚, 滕文军, 张 辉, 温海峰, 武菊英*, 范希峰*

(1.北京市农林科学院, 北京 100097； 2.北京市首发天人生态景观有限公司, 北京 102600)

随着我国城市建设的加快，城市园林绿地面积迅速增加。近30年来我国草坪业高速发展，其作为城乡绿色空间，为增益人类福祉贡献了重要的社会价值[1-2]。苔草(Carexspp.)具有适应性广，抗逆性强等优点，是我国草坪研究一类理想的乡土草种[3]。

白颖苔草(Carexrigescens)为莎草科(Cyperaceae)苔草属(CarexLinn.)的一种多年生草坪草，全球约有1 966种，广泛分布于南极洲以外的大陆，在我国集中分布于北部地区[4-5]。白颖苔草可以适应恶劣的土壤和环境条件，对非生物应激物具有较强的耐受性[6]；此外其草叶纤细、外形美观，成坪后覆盖程度好，耐践踏且管理较为粗放，可作为我国北方开阔森林和休闲草坪草种[7-8]。然而白颖苔草种子具有一定程度的休眠，导致其发芽速度慢，这一问题限制了白颖苔草在园林景观中的大面积应用。因此研究白颖苔草的种子发芽特性具有重要意义。

近年来，对白颖苔草的研究主要集中在耐盐机制[9-10]上，其观赏价值[7,11]、药物应用[12]少有研究。种子发芽特性的研究主要集中于适宜的发芽环境以及提高发芽率的方法上[11,13]，例如孙彦等研究发现白颖苔草种子的最适发芽温度为变温30℃/20℃，25℃/15℃，发芽率达87.75%，而在恒温20℃，30℃环境下其发芽率低于4.00%；变温环境下，经10%或20%NaOH浸种40 min其发芽率高达93.50%～94.00%；通过层积处理90 d，发芽率也可达90.00%[14]。本文以恒温和变温环境下白颖苔草发芽的种子互为对照，探究不同温度环境下白颖苔草种子发芽过程中营养物质和相关酶活性的变化情况，为研究苔草种子的发芽机制和实际应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验方法

供试白颖苔草种子于2020年5月在国家精准试验基地采集，2020年9月进行发芽试验及生理指标测定。

1.2 试验方法

1.2.1发芽试验种子处理方法 设置变温：30℃/20℃，恒温：20℃，30℃三个温度环境。用10%次氯酸钠将籽粒饱满的种子震荡浸种消毒30 min，消毒后用蒸馏水冲洗5～6次，沥干水分待用。种子播种于内部垫有3层滤纸、12 cm×12 cm×5 cm的发芽盒中，每个处理50粒种子，3次重复。发芽盒置于光周期为光照8 h/黑暗16 h，湿度为80%，光照度为24 000 lx的光照培养箱中培养，每天定时定量补加蒸馏水，保持滤纸湿润。当胚根突破种皮且超过种长1/2时开始计数[15]，每天统计一次发芽数，当发芽数连续3天保持不变时结束试验[16]，测定不同温度下种子的发芽指标。

1.2.2生理指标分析种子处理方法 种子前处理同1.2.1。每个发芽盒中播种0.1 g白颖苔草种子，蒸馏水培养。以不同发芽阶段种子发芽率差异为取样标准，在播种后的第3 d(S1-发芽率0)、7 d(S2-发芽率10%)、9 d(S3-发芽率30%)、10 d(S4-发芽率50%)、13 d(S5-发芽率80%)时取样，每次每个温度下随机取3个发芽盒的种子(3个重复)，共计45个发芽盒。每15个发芽盒分别置于温度为30℃/20℃，30℃，20℃的光照培养箱中培养，其余培养环境和方法与发芽试验相同。每次取样后用液氮冷冻15 min，然后放入-80℃保存，用于生理指标测定。

1.2.3发芽指标测定

种子发芽势=初期(第7天)发芽种子数/供试种子数×100%；

种子发芽率=终期(第20天)发芽种子数/供试种子数×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)，式中：Gt为当天的发芽种子数，Dt为相应发芽天数;

平均发芽时间=∑nt/∑n，式中：n为在时间t时，新发芽的种子数，t为发芽时间。

1.2.4营养物质含量及酶活性测定 按苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒及程序处理，用分光光度计分别测定3种温度下5个发芽阶段的白颖苔草种子的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量。3种温度下5个发芽阶段的白颖苔草种子的过氧化物酶活性按苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒及程序处理进行测定；采用3，5二硝基水杨酸(DNS)法[17]测定不同温度下不同发芽阶段白颖苔草种子的淀粉酶活性。

1.2.5数据分析 通过SPSS 18.0软件对每一阶段不同温度下的生理数据采用Duncan法进行多重比较，运用Origin 2018进行数据可视化。

2 结果与分析

2.1 不同温度下白颖苔草种子发芽状况分析

由表1可知，白颖苔草种子的发芽对不同温度环境响应有所不同。白颖苔草种子在变温条件下的发芽势、发芽率、发芽指数显著高于恒温条件下(P<0.05)，30℃/20℃下其发芽势比两恒温下高12.00%，30℃/20℃下发芽率比20℃，30℃分别高出74.00%，86.00%，30℃/20℃下其发芽指数比20℃，30℃分别提高了3.94，4.48；变温条件下其平均发芽时间可比恒温条件下提前2 d左右，达到差异显著水平(P<0.05)，表明适宜的温度环境是白颖苔草种子发芽的关键。

表1 不同温度下白颖苔草种子发芽指标Table 1 Germination indexes of C. rigescens seeds under different temperature

2.2 不同温度下白颖苔草种子营养物质含量变化

不同温度下白颖苔草种子发芽过程中淀粉含量总体呈下降趋势(图1A)。随着种子的发芽，种子内存储的淀粉逐渐分解转化为糖类，在30℃/20℃，30℃，20℃环境下，种子内部淀粉含量的变化范围分别为6.98～6.32，7.11～6.76，7.10～6.74 mg·g-1，其中，变温环境下，白颖苔草种子发芽过程中分解的淀粉最多，此环境下种子内部的淀粉含量均低于恒温环境下，30℃下的淀粉含量高于20℃下，说明种子发芽越多，淀粉的分解量越多。除S4时期外，30℃/20℃环境下淀粉含量与30℃环境下的淀粉含量均达到了差异显著水平(P<0.05)。

白颖苔草种子发芽过程中，种子内部的可溶性糖含量也总体呈降低趋势(图1B)。仅S1时期30℃/20℃环境下种子内部可溶性糖含量显著低于恒温20℃环境下(P<0.05)，其余均未达到差异显著水平。但除S2外，其余4个时期，变温下白颖苔草种子内部的可溶性糖含量均低于恒温下。在30℃/20℃，30℃，20℃环境下，种子发芽过程中可溶性糖消耗量分别为5.28，6.55，7.14 mg·g-1。

由图1C可知，不同温度下白颖苔草种子发芽过程中可溶性蛋白含量发生着不同变化。随着种子发芽，变温环境下可溶性蛋白含量由0.74 mg·g-1降低至0.14 mg·g-1；而恒温环境下则先升高后降低，30℃，20℃环境下种子内部的可溶性蛋白含量分别在S2(0.53 mg·g-1)，S4(0.72 mg·g-1)达到最大值。S1时期变温环境下种子内部的可溶性蛋白含量显著高于恒温环境(P<0.05)；而在S4，S5时期变温环境下的蛋白含量则显著低于恒温环境下(P<0.05)；在S2，S3时期变温和恒温环境下的可溶性蛋白含量则均未达到差异显著水平。不同温度下白颖苔草种子发芽过程中可溶性蛋白含量的动态变化表明其对于种子的发芽至关重要。

2.3 不同温度下白颖苔草种子相关酶活性变化

2.3.1淀粉酶活性变化 白颖苔草种子发芽过程中内部的淀粉酶活性受温度影响(图2)。变温环境下酶活性先升高后降低，在S2达到最大为18.19 mg·(g·min)-1；恒温处理下种子内部的酶活性整体呈降低趋势，均在S5阶段略微升高。除S5时期外，变温环境下淀粉酶活性均高于恒温环境下，且在S2，S3达到差异显著水平(P<0.05)。这说明变温环境下种子发芽过程中蔗糖和淀粉代谢途径比恒温环境下更为活跃，且随着种子发芽的完成，该代谢途径逐渐减弱。

2.3.2POD活性变化 不同温度下，白颖苔草种子各发芽阶段过氧化物酶活性不同(图3)。30℃/20℃变温、20℃恒温下，随着种子的发芽，POD活性呈上升趋势；30℃下种子内部的POD活性变化较小，在50～150 U·g-1范围内波动。S2—S5时期，变温下种子内部的POD活性均高于恒温下，且变温下种子POD活性至少与一个恒温下种子POD活性达到差异显著水平(P<0.05)。

图1 不同温度下白颖苔草种子发芽过程中营养物质含量Fig.1 Nutrient content during seed germination of C. rigescens at different temperature treatments注：不同小写字母表示不同温度间差异显著(P<0.05)；下图同Note:Different lowercase letters indicate significant differences at different temperature treatments at the 0.05 level;the same as below

图2 不同温度下白颖苔草种子发芽过程中淀粉酶活性Fig.2 Activities of amylase during seed germination of C. rigescens at different temperature treatments

图3 不同温度下白颖苔草种子发芽过程中POD活性Fig.3 Activities of POD during seed germination of C. rigescens at different temperature treatments

3 讨论

3.1 白颖苔草种子发芽过程中营养物质含量变化

种子发芽期间发生了许多生理代谢变化，包含酶的活化、生成，细胞生理活性恢复，进而使种子内部营养成分和理化性质发生了重大改变[18]。发芽过程中种子内部淀粉、可溶性糖含量的变化能够反映其可利用物质和能量的供应基础水平[19]；部分可溶性蛋白是参与各种代谢的酶，因此其含量成为衡量植物代谢状况的重要指标[20]，此外可溶性蛋白对于植物对氮素的吸收、运输、同化及营养状况等有着重要作用。本研究发现，随着种子的发芽，其内部淀粉、可溶性蛋白等营养物质在相关酶的作用下逐步分解，为胚生长提供碳源、氮源和能量，营养物质及酶的变化反映了植物种子发芽阶段营养物质的运转情况，调控着种子的整个发芽阶段[21]。

淀粉作为种子内部重要且分布广泛的碳水化合物与营养物质，在发芽过程中可通过自身代谢、利用可溶性糖或其他营养物转化而来。本研究中，恒温下的淀粉含量高于变温条件，且除S4时期外，30℃/20℃与30℃下的淀粉含量达到了显著差异水平，说明在变温下，淀粉被分解成小分子物质，作为构成新组织的成分和产生能量的原料被运转到生长部位，为种子发芽所利用。变温下白颖苔草种子发芽过程中淀粉含量持续降低，说明种子的发芽需要大量的淀粉转化为可溶性糖来为其一系列代谢活动提供物质基础及能量。这与龙葵(Solanumnigrum)[22]、光皮树(Swidawilsoniana)[23]种子的研究结果基本一致。而恒温环境下S5时期白颖苔草种子内部淀粉含量趋于稳定可能是少数发芽的种子对可溶性糖的需求减少，原本种子内部的可溶性糖能够满足发芽后种子生长所需，使得淀粉含量基本不变。

可溶性糖作为种子可吸收的小分子化合物，是种子发芽过程中重要的营养物质，既为种子发芽过程中呼吸代谢提供ATP，又为不断合成新细胞所必需的蛋白质及纤维素等提供原料[24-26]。变温下，可溶性糖含量持续降低，这与无患子(SapindusmukorossiGaertn)[27]的研究结果类似；马琳等研究发现东北延胡索(Corydalisambigua)[28]种子发芽过程中可溶性糖含量逐渐降低。说明可溶性糖被作为呼吸底物而消耗，为发芽过程中新的蛋白质合成提供碳骨架以及ATP的合成提供底物。除S2时期，恒温条件下种子的可溶性糖含量均高于变温条件下，说明变温环境下白颖苔草种子的发芽需要更多的可溶性糖来为器官建成提供物质基础与能量，并供应各种生理活动的进行。

可溶性蛋白作为生物体的主要组成成分之一，其含量间接反映着植物体内物质代谢的强弱，为种子发芽提供氮素营养及能量[29]。可溶性蛋白在种子发芽过程中处于一个循环过程，它在水解酶的作用下水解为氨基酸等其他小分子化合物，水解后的氨基酸在脱氨、转氨、脱羧等生理过程下同其他有机物质合成新的氨基酸，用于新结构蛋白和功能蛋白的合成，为呼吸氧化提供碳架[30]，以参与种子后期的一系列生命活动[31-32]。本研究中，变温及恒温30℃下白颖苔草种子内部可溶性蛋白质含量逐渐下降，这与川续断(Dipsacusasperoides)[33]、红花瘤果茶(Camelliarubituberculata)[34]、珙桐(Davidiainvolucrata)[35]种子发芽过程中可溶性蛋白含量的变化趋势基本一致，说明蛋白质的降解大于合成，分解成溶解状态的氨基酸被运转到胚轴部分后合成新蛋白质，参与了胚根的生长。变温下可溶性蛋白含量下降趋势极为明显，表明此时种子内部代谢活动更活跃，需更多酶促反应为种胚提供营养。20℃下后期可溶性蛋白含量增加，可能是因为贮藏蛋白降解过程中产生了过度蛋白[36]，同时代谢旺盛的组织中多余的N3H以游离以外的形式贮存起来使得新蛋白质合成[37]，由于少量种子发芽及其幼苗生长所需养料和能量较少，新合成的蛋白质数量多于生命活动所需降解的蛋白质数量，导致后期含量增加。30℃下可溶性蛋白含量降低缓慢且后期没有增加，可能是因为种子发芽数量较少，体内代谢活动较弱。

3.2 白颖苔草种子发芽过程中相关酶活性活性变化

种子解除休眠、开始发芽过程中，各种酶开始一系列变化，调节着种子贮藏物质的代谢和转化[38]。种子发芽时，淀粉在淀粉酶的作用下分解为可溶性物质，并释放出大量ATP供胚吸收利用。本研究发现，变温下，S2时期白颖苔草种子内部淀粉酶活性迅速增加，表明此时淀粉酶催化的水解活动非常活跃，白颖苔草种子开始发芽，随后，淀粉酶活性开始降低，可能是种子内部淀粉含量减少，淀粉水解活动减弱。恒温下，淀粉酶活性整体呈下降趋势，可能是因为此条件下，大多数种子没有萌动，种子的代谢活动较弱，呼吸作用所需的能量较少，对可溶性糖的需求不大使得淀粉酶水解淀粉这一过程较弱，因此淀粉酶活性减弱且较低。

在种子发芽过程中呼吸强度升高，POD活性增强，影响一系列生理活性分子的合成与分解[39]；在恶劣环境下种子内部会积累活性氧，对细胞膜造成破坏，POD作为抗氧化系统的主体之一，可直接体现种子的抗氧化能力，有效清除活性氧，进而利于种子发芽。本研究中发现，变温下白颖苔草种子发芽过程中，POD活性升高，迷人杜鹃(Rhododendronagastum)[40]、青蒿(Artemisiacarvifolia)[41]、掌叶木(Handeliodendronbodinieri)[42]种子发芽过程中POD活性也在升高。变温下POD活性升高时，吲哚乙酸氧化酶活性可能会降低，有助于细胞中IAA积累[43]，累积的IAA可通过促进细胞的伸长而使种胚伸长；李莉[44]研究发现POD与莴苣种子发芽中的细胞壁松弛相关，LsPOD1基因的抑制表达，降低了POD酶活，羟基自由基减少，细胞壁无法松弛，细胞难以伸长生长[45]，从而抑制了种子的发芽；此外，三羧酸循环是种子进行呼吸作用主要的方式之一[46]，POD可参与NADH、草酰乙酸的氧化[47]，所以POD活性的提高可能会使草酰乙酸和NADH的量减少，从而加快苹果酸生成更多的NADH、草酰乙酸，刺激三羧酸循环的正向进行，进而利于种子发芽。本研究中恒温下，POD活性低于变温下，使得白颖苔草种子的发芽状况较差，30℃下POD活性又低于下20℃下POD活性，说明种子发芽与POD活性息息相关。因此，在白颖苔草种子的发芽过程中POD活性升高可能有助于细胞分裂与生长、呼吸作用等过程，进而利于发芽。

4 结论

本研究通过对不同温度下白颖苔草种子发芽特性的研究，发现30℃/20℃能显著促进白颖苔草种子的发芽。变温下白颖苔草种子发芽过程中，种子内部的淀粉、可溶性糖含量及可溶性蛋白含量逐渐降低；淀粉酶活性呈先升高后下降的趋势，POD活性逐渐升高。变温下淀粉、可溶性糖含量低于恒温下，总体来说，变温与恒温下白颖苔草种子的淀粉、可溶性蛋白含量存在显著差异；变温下种子内部淀粉酶和POD活性显著高于恒温下淀粉酶和POD活性。本研究为白颖苔草种子发芽生理特性的研究奠定了基础。