种子是重要的农业生产资料,高质量的种子是作物增产的关键
[1-3]。种子活力不仅是种子质量的综合反映,而且是衡量种子质量的重要指标。实际生产中,高活力种子出苗快,出苗率高,苗齐苗壮,抗逆性强,能够应对复杂多变的生物和非生物胁迫,为高产奠定基础
[4-5]。
种子活力是一个复杂的综合性状,受遗传和环境双重调节
[6]。种子萌发速度和休眠时间是反映种子活力的重要指标,受多种小分子物质和代谢途径调控。激素作为一种信号物质,在种子萌发和休眠调控中发挥关键作用。脱落酸(ABA)和赤霉素(GAs)是种子萌发的关键调控因子,二者对种子萌发调控具有拮抗效应,GAs提高种子活力促进萌发,而ABA则通过促进休眠抑制种子活力。种子萌发过程中的主要能量来源于淀粉分解,α-淀粉酶是淀粉分解的主导酶,其可以诱导降解二糖的催化酶活性升高,加快糖分解,促进种子胚分化,加速萌发,正向调控种子活力
[7]。编码α-淀粉酶基因是GAs和ABA的共同靶标基因,GAs通过调控MYB转录因子激活α-淀粉酶基因的转录,促进种子萌发,ABA则通过抑制
GAMYB的转录进而降低α-淀粉酶的含量,抑制种子萌发
[7-9]。已有研究结果表明,ABA/GAs的阈值范围也是调控种子活力的重要因子
[10-13]。除ABA和GA外,细胞分裂素、生长素等激素或信号分子也参与种子萌发和种子活力调控,不同激素间相互作用表现出协同或拮抗效应
[13-14]。细胞分裂素(CTKS)可以解除ABA对种子萌发的抑制,促进萌发,提高发芽指数
[15]。不同类型的种子对生长素(IAA)浓度的敏感性也不同,高浓度抑制种子活力,低浓度则增加种子活力
[16-17]。因此,激素对种子活力调控发挥关键作用,但调控方式比较复杂。杂交小麦种子不同发芽时期的内源ABA、GA3、CTKS和IAA含量对种子活力的影响存在差异
[18]。在普通小麦中,外源激素已被广泛应用于种子活力的调控,而对内源激素的变化及其与种子活力的关系进行解析,将为种子活力改良提供理论支撑。
小麦是我国最重要的粮食作物之一,产量直接关系国家粮食安全。高活力种子是粮食高产稳产的基础,激素在种子活力调控过程中发挥关键作用,检测种子不同发芽时期的激素水平,并研究其与种子活力的关系,有助于揭示激素在种子活力调控和幼苗发育过程中的调控网络,为高活力种子培育提供帮助。
本研究以小麦地方品种和育成品种为研究对象,分析了地方品种和育成品种的种子活力差异,检测了种子发芽6~72 h内的内源激素变化及其与种子活力的关系,分析了种子活力相关基因α⁃淀粉酶基因和TaGA3ox2的表达模式,为揭示小麦地方品种和育成品种种子活力差异奠定基础。
1 材料和方法
1.1 试验材料
供试材料为71份小麦品种,其中,育成品种35份,地方品种36份,均由中国农业科学院作物科学研究所张学勇老师提供。所有材料于2018年种植于河南科技学院朗公庙试验基地,每份材料种植2行,行长2 m,正常大田管理,材料详细情况见
表1。
1.2 试验方法
1.2.1 激素含量测定
激素测定仪器包括安捷伦高效液相色谱仪(Agilent Technologies 1290 Infiniity Ⅱ)、可变波长检测器(Agilent 1260)、紫外分光光度计(Cary 100)、低温冷冻离心机(MIKRO220R)、智能光照培养箱(浙江托普仪器有限公司GTOP-1000B)。
激素测定标准品赤霉素(GA3)、生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、玉米素(ZT)均购自Sigma公司。有机溶剂甲醇、80%甲醇、45%甲醇、乙腈均为色谱级,均由天津市科密欧化学试剂有限公司生产。实验用水为超纯水。所有试剂在使用前均经0.45 μm微孔滤膜过滤。样品处理参照CHEN等
[19]和CAI等
[20]的方法并予以改进和优化。每份材料设置3个重复,每个重复选取500粒种子,在20 ℃人工培养箱中培养。在试验开始后分别于6、12、24、48、72 h取样并加液氮研磨成粉,称取4 g粉末并加入10 mL预冷的80%甲醇,浸提18 h(4 ℃)。6 000 r/min离心10 min(4 ℃),抽取上清液,残渣加入80%甲醇(8 mL)继续浸提18 h,离心后合并上清液。将上清液过已经用4 mL乙腈和超纯水先后预活化和中和C18小柱,取1 mL超纯水冲洗C18小柱,2 mL 45%甲醇洗脱。取1 mL洗脱液过0.45 μm滤膜后上机检测。
采用外标法测定激素含量。反相色谱柱(Agilent C18 ZORBAX,150 mm×4.6 mm,5 μm,Agilent公司),柱温35 ℃,检测器波长254 nm。流动相A为甲醇,B为0.075%乙酸水溶液,进样量为20 μL,流速为0.5 mL/min。激素生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3)、玉米素(ZT)的标准曲线与付丽娜等
[18]一致。
1.2.2 种子活力分析
标准种子发芽试验参照张自阳等
[21]的方法并予以优化和改进。每份材料设置3次重复,每个重复选取100粒种子,人工气候箱培养(20 ℃),分别在第4天和第7天统计发芽势和发芽率,发芽结束后统计正常幼苗鲜质量、幼苗长度、幼苗主根长,计算发芽指数、发芽率、发芽势、活力指数。
1.2.3 qRT-PCR分析
选取地方品种(半截芒、白秃子头、红和尚头)和育成品种(济南2号、郑州6号、小偃6号)发芽12 h和48 h的种子提取总RNA,反转录成cDNA,并检测目标基因表达量。qRT-PCR试剂为SYBRgreen,仪器型号为ABI ViiA7,引物由北京擎科生物科技股份有限公司合成。扩增程序为:95 ℃预变性5 min;95 °C变性10 s,60 ℃复性1 min,40个循环。以Actin为内参,用2-∆∆Ct计算表达量。
1.3 数据分析
统计分析采用SPSS 30.0软件,数据处理采用Excel 2016,制图使用Origin 2018软件。
2 结果与分析
2.1 育成品种和地方品种种子活力相关指标分析
对参试的35份育成品种和36份地方品种的活力指数进行分析,结果表明,育成品种和地方品种发芽指数、活力指数、幼苗长度、幼苗主根长、幼苗鲜质量符合正态分布,而发芽率、发芽势符合偏分布(
图1-A、B)。育成品种和地方品种发芽率均高于97%(
图1-A),发芽势均高于87%(
图1-B)。地方品种和育成品种的发芽指数分别分布在47~50和45~49(
图1-C),幼苗长度分别分布在10~14 cm和9~12 cm(
图1-D),活力指数分别为2.5~3.5和2.5~4.0(
图1-E),幼苗鲜质量分别为5~7 g和5~9 g(
图1-F),幼苗主根长度分别为5~13 cm和5~11 cm(
图1-G)。
2.2 育成品种和地方品种种子活力比较
从
表2可以看出,地方品种发芽指数、发芽率、幼苗长度、幼苗主根长度高于育成品种,而幼苗鲜质量和活力指数低于育成品种,统计分析表明,地方品种和育成品种的幼苗长度、幼苗鲜质量、种子活力具有显著性差异(
P<0.05),而发芽指数、发芽率、发芽势和幼苗主根长度差异不显著。从种子活力相关指数变化范围来看,地方品种的活力指数、幼苗主根长度、幼苗鲜质量变化范围大于育成品种,而发芽指数、发芽势、幼苗长度的变化范围小于育成品种。
2.3 不同发芽时期内源激素含量分析
育成品种和地方品种种子发芽6~72 h内,赤霉素和生长素含量呈上升趋势(
图2)。5个时间段内,育成品种种子的赤霉素含量均高于地方品种,育成品种种子在6、12,48、72 h的赤霉素含量显著高于地方品种的的赤霉素含量(
P<0.05)(
表3)。
生长素含量在6~12 h内变化平稳,育成品种的生长素含量显著低于地方品种(
P<0.05),24 h后含量迅速增加且育成品种的生长素含量显著高于地方品种(
P<0.05)(
表3)。5个时间段内,脱落酸含量呈下降趋势,其中,地方品种的脱落酸含量在6~24 h内降低速率高于育成品种,24 h后育成品种的脱落酸含量的降低速率高于地方品种(
图2);育成品种种子在12 h的脱落酸含量显著高于地方品种(
P<0.05),而在24 h时其脱落酸含量显著低于地方品种(
P<0.05)(
表3)。5个时间段内,地方品种玉米素含量低于育成品种且变化幅度均较小(
图2);其中,地方品种种子在6、24、48 h玉米素含量显著低于育成品种玉米素含量(
P<0.05)(
表3)。
2.4 种子内源激素与种子活力的相关性
发芽6~72 h内,不同时期内源激素与种子活力的相关性分析表明(
表4),地方品种和育成品种发芽不同时期与活力指标间相关性一致性较高,仅个别时期不同。发芽24 h时,地方品种和育成品种种子赤霉素含量均与鲜质量、活力指数呈显著正相关关系(
P<0.05),与发芽率、发芽势均呈极显著正相关关系(
P<0.01)。发芽后24 h,地方品种和育成品种种子的生长素含量与发芽率呈极显著相关关系(
P<0.01)。48 h时,地方品种生长素含量与发芽指数呈显著相关关系(
P<0.05),与鲜质量、活力指数均呈极显著相关关系(
P<0.01);育成品种生长素含量与发芽率、发芽指数、活力指数均呈显著相关关系(
P<0.05)。发芽后72 h,地方品种中生长素含量与发芽指数呈显著相关关系(
P<0.05),育成品种生长素含量与发芽率、发芽指数均呈显著相关关系。发芽后24 h,育成品种的玉米素含量与发芽率呈显著正相关关系(
P<0.05);48 h时,育成品种的玉米素含量与幼苗鲜质量和活力指数均呈显著正相关关系(
P<0.05)。育成品种种子发芽12 h时,脱落酸含量与根长、发芽率均呈显著负相关关系(
P<0.05);24 h时,脱落酸含量与幼苗鲜质量和活力指数均呈显著负相关关系(
P<0.05);而在地方品种中发芽12 h时,脱落酸含量与种子活力指数呈显著负相关关系(
P<0.05)。
2.5 种子活力相关基因表达分析
赤霉素和α⁃淀粉酶在种子萌发过程中发挥重要作用,为了解地方品种和育成品种种子萌发过程中α⁃淀粉酶和赤霉素变化的遗传基础,本研究分别选择3个育成品种和3个地方品种,分析了种子发芽12 h和48 h时α⁃淀粉酶基因和赤霉素合成相关基因(
TaGA3ox2)的表达模式(
图3)。结果表明发芽12 h和48 h的种子中,育成品种α⁃淀粉酶基因和
TaGA3ox2的表达量均显著高于地方品种(
P<0.05)。不同的品种间表达量有差异,如发芽48 h,育成品种济南2号α⁃淀粉酶基因表达量显著高于小偃6号和郑州6号(
P<0.05)。
3 结论与讨论
种子是农业生产的基础,高质量种子为国家粮食安全提供了基础保障。种子活力是一个综合性状,其形成过程受自然环境、发育快慢、成熟度等因素影响
[22]。已有研究表明,激素在种子活力形成过程中发挥关键作用,且调控机制在不同的植物中高度保守
[23]。ABA有“休眠素”之称,其可以促进种子休眠,抑制种子萌发和幼苗生长;而赤霉素GA
3通过提高种子水解酶的活性而解除休眠,并可以对细胞膜进行修复,提高种子发芽率和发芽势,进而提高种子活力,IAA通过参与胚根分化的精细调控进而影响种子萌发,CTK和IAA共同决定根顶端分生组织的形成
[24-27]。本研究中,发芽24 h时,种子赤霉素含量与幼苗鲜质量、活力指数呈显著正相关关系,与发芽率、发芽势呈极显著正相关关系,种子的生长素含量与发芽率呈极显著相关关系。48 h时,地方品种生长素含量与发芽指数呈显著正相关关系,与鲜质量、活力指数呈极显著正相关关系,育成品种生长素含量与发芽率、发芽指数、活力指数呈显著正相关关系,表明赤霉素和生长素对种子活力的提高具有正向作用。而发芽12 h时,种子脱落酸含量与幼苗主根长、发芽率呈显著负相关关系,发芽24 h种子脱落酸含量与幼苗鲜质量和活力指数均呈显著负相关关系(
表4),表明脱落酸负向调控种子活力,这与前人报道一致,但具体的调控机制还需要深入的研究。
在种子全生育过程中,内源激素含量始终处于动态变化中,不同时期的内源激素含量对种子活力形成的影响不同。付丽娜等
[18]对杂交小麦种子发芽不同时期内源激素含量的变化进行分析,结果表明,发芽24 h时赤霉素含量和48~72 h生长素含量均与活力指数、发芽指数、发芽势呈极显著相关关系,但6~12 h的赤霉素含量与种子活力相关性不显著,没有检测到6~24 h的生长素含量。本研究中,种子发芽6~72 h内,内源激素含量变化表明12~24 h GA
3含量和24 h时IAA含量迅速增加,且均与活力指数、发芽指数、幼苗鲜质量、根长等活力指标呈显著相关关系,这与杂交小麦研究结果具有一定的一致性
[18]。同时,本研究结果也表明,发芽不同时期内源激素对种子活力的影响程度不同,而12~24 h的赤霉素、生长素和脱落酸含量可能在种子萌发和幼苗发育过程中发挥至关重要的作用。
在小麦自然驯化和人工选择的过程中,地方品种含有较多的优异基因,受人工选择的压力较小,性状多样性高,但广适性较差,而育成品种由于经历了较强的人工选择,性状多样性显著降低,而环境适应性提高
[28-29],小麦遗传多样性的研究为此提供了充足的证据
[30-31]。RAMSHINI等
[32]研究了地方品种和现代育成品种在胁迫下种子萌发相关性状的变化,结果表明,种子活力相关性状是人工选择的重点,老品种根部性状多样性高于现代育成品种,而且基因多样性研究结果与表型结果一致。本研究中,地方品种活力指数、幼苗主根长度、幼苗鲜质量变化范围大于育成品种,表明活力指数、幼苗主根长、幼苗鲜质量多样性高于育成品种,此结果与RAMSHINI等
[32]研究结果一致。这些研究结果表明,从地方品种到育成品种的驯化,缩小了种子活力的变异范围,提高了育成品种的种子活力,而发芽指数,发芽势、幼苗长度变化范围增加,增强了其环境适应性,扩大了品种的适应范围。
种子萌发过程中,物质和能量的供给主要依赖淀粉分解,α⁃淀粉酶在淀粉分解过程中起主导作用。α⁃淀粉酶受生长素和赤霉素共同调控
[33-34]。
TaGA3ox2是小麦赤霉素生物合成途径的关键基因。陈蕾太等
[35]认为种子发芽过程中,α⁃淀粉酶含量逐渐升高,但60 h后下降,基因表达量分析表明,发芽48 h后表达量下降。黄霞
[36]研究发现,种子萌发过程中,
TaGA3ox2基因表达量显著升高。本研究测定的种子发芽12 h和48 h后,α⁃淀粉酶基因和
TaGA3ox2基因表达量均显著升高,此结果与陈蕾太等
[35]研究结果一致。育成品种的种子活力,发芽后的赤霉素、生长素、玉米素等激素含量均高于地方品种。种子活力相关基因表达量分析表明,育成品种中α⁃淀粉酶基因和
TaGA3ox2表达量显著高于地方品种,激素测定结果与基因表达趋势一致。这些研究结果为育成品种和地方品种的种子活力研究提供了理论参考。
综上,通过对育成品种和地方品种种子活力及发芽不同时期4种内源激素含量进行研究,发现发芽后6~72 h,育成品种和地方品种种子赤霉素和生长素含量变化较大且均呈上升趋势,脱落酸和玉米素含量变化较小,其中,脱落酸含量呈下降趋势,玉米素含量在育成品种和地方品种变化幅度较小。进一步分析发现,不同激素含量与发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、幼苗长度、幼苗主根长度、幼苗鲜质量的相关性差异较大,说明发芽不同时期内源激素对种子活力的影响不同。种子活力相关基因表达量分析表明,育成品种的α⁃淀粉酶基因和TaGA3ox2基因表达量显著高于地方品种。本研究结果对于理解种子发芽过程中激素的调控作用具有一定的帮助。种子活力的形成是多个生理生化过程相互作用的结果,只有综合运用代谢水平、激素调控、核酸修复、环境影响等多方面的技术进行系统的研究,才可能揭开种子活力的本质。