Germination and Physiological Response of <i>Areca catechu </i>L. to Temperature Differentials on the 2-way Grant’s Thermogradient Plate

HUANG Liyun; LI Dongxia; CHEN Jun; LIU Liyun; ZHOU Huanqi

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.007

2019 , Vol. 40 >Issue 8: 1501 - 1506

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.007

Phytophysiology and Biochemistry

Germination and Physiological Response of Areca catechu L. to Temperature Differentials on the 2-way Grant’s Thermogradient Plate

HUANG Liyun ¹^,² ,
LI Dongxia ¹^,² ,
CHEN Jun ¹^,² ,
LIU Liyun ¹^,² ,
ZHOU Huanqi ¹^,²

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1. Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropic Agricultural Sciences, Wenchang, Hainan 571339, China
2. Arecanut Research Center, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wenchang, Hainan 571339, China

Received date: 2019-01-30

Request revised date: 2019-05-07

Online published: 2019-08-20

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Copyright reserved © 2019. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

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Abstract

The effect of germination rate, growth conditions, physiological response of Arecanut was studied using the 2-way grant’s thermogradient plate which allows 49 temperature combinations (regimes) (20 ℃ to 48 ℃) of single temperature and alternating temperature combination over a time continuum. Under the best temperature combination 29/25 ℃, the seed germination rate was 100% and the growth potential was the best. When temperature was 20/20 ℃, the germination rate was 80%, and the growth was general. The 48/48 ℃ treatment did not have any effect. According to the germination rate, growth conditions and physiological response (SOD, POD, GR), the most suitable temperature range was 25/20-34/25 ℃. In addition, the optimum reaction accumulated temperature was 560-744 ℃·h, and the total germination temperature should not exceed 24 864 ℃·h. The experiment also supported that the alternate temperature treatment was better than the normal temperature treatment for the seed germination rate and growth of Arecanut.

Key words： 2-way grant’s thermogradient plate; areca; germination; physiological response

Cite this article

HUANG Liyun , LI Dongxia , CHEN Jun , LIU Liyun , ZHOU Huanqi . Germination and Physiological Response of Areca catechu L. to Temperature Differentials on the 2-way Grant’s Thermogradient Plate[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2019 , 40(8) : 1501 -1506 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.007

槟榔（Areca catechu L.）是棕榈科槟榔属多年生经济作物,目前已成为海南第一大农业支柱产业。槟榔是我国四大南药之一,种子、果皮、花等均可入药,槟榔中含有的槟榔碱、儿茶素、多糖、胆碱等具有杀虫、消积、下气、行水等功效。另外,槟榔嫩果（授粉受精后140~160 d采摘的未成熟果）作为咀嚼嗜好品供不应求^[1],目前全球约有10亿人咀嚼槟榔,是槟榔的主要消费方式。

不同种类植物种子的萌发温度要求不同,这是由植物本身特性所决定,也是植物长期适应环境的结果。槟榔属顽拗性种子,具有对温度、干旱等外界环境较为敏感的特性。槟榔生长于热带及南北回归线以内的亚热带边缘地区,种果成熟月份集中在4—5月,恰逢海南高温季节,如何控制合适的温度进行种果萌发处理,避免因温度过高造成大批量种果失活是最为关键的一步。由于种植的局域性与研究滞后的现状,针对槟榔种果萌发的研究报道较少。董志国等^[2]研究了不同浓度NaCl胁迫对槟榔种果发芽的影响;陈思婷等^[3]实验证明剥壳与切头处理对槟榔种果发芽有显著的促进作用。但探讨种果最适宜发芽温度研究尚未见报道,本文利用双向温度梯度系统,在广泛的温度范围内对种果进行发芽测试,探讨最佳发芽温度及生长效应,比较不同温度处理的生理生化差异,精准确定槟榔种果的最佳发芽温度,界定发芽的极限温度,为槟榔规模化育苗提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试材为中国热带农业科学院椰子研究所国审品种‘热研1号’槟榔（热品审2014011）^[4]同串种果,种子均匀一致,无病虫害。采回种果人工剥去果肉,用洗洁精将种子上附着的果肉清洗干净,然后用2.5%次氯酸钠溶液将种子灭菌5 min,再用灭菌纯水将种子清洗3遍。实验仪器为温度梯度种子系统（GRD1 Gradient Plate 40674-A）。

1.2 方法

1.2.1 实验设计设置了7×7矩阵共49个温度组合（20~48 ℃）,如表1所示,高温端为48/48 ℃（白天/黑夜温度）,低温端20/20 ℃,第1梯度在黑暗中由左向右移动,每8 h交替一次,第2次由前向后随光而变（光照强度4000 lx）,每16 h交替一次。每个实验格放置15个种果（去皮洗净）,每个处理3次重复。

表1 温度梯度板温度设置组合（昼/夜）

Tab. 1 Temperature setting combination on the 2-way grant’s thermogradient plate (day/night) ℃

编号No.	A	B	C	D	E	F	G
7	48/20	48/25	48/29	48/34	48/38	48/43	48/48
6	43/20	43/25	43/29	43/34	43/38	43/43	43/48
5	38/20	38/25	38/29	38/34	38/38	38/43	38/48
4	34/20	34/25	34/29	34/34	34/38	34/43	34/48
3	29/20	29/25	29/29	29/34	29/38	29/43	29/48
2	25/20	25/25	25/29	25/34	25/38	25/43	25/48
1	20/20	20/25	20/29	20/34	20/38	20/43	20/48

1.2.2 测定指标及方法生长指标观测：以观察到种子胚根、胚芽伸出种皮并发育到一定程度视为发芽;定期观测种子发芽率、胚芽、胚根及发根数的生长动态;发芽率=n/N×100%（式中,n为实验结束后发芽粒数;N为供试种子总数）;积温T=T_N·N_t+T_D·D_t（式中,T为积温值,T_D、T_N分别为昼周期和夜周期对应的平均温度;D_t、N_t为种子萌发对应的昼夜小时数）。

生理生化指标测定：取样点为播种28 d后距离萌发孔基部0.8~1.5 cm的胚芽部位。蛋白（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）等按照南京建成生物工程研究所提供的试剂盒进行测定,SOD和POD酶活性按每毫克蛋白中的酶活力单位数计算（U/mg）。每个指标重复测定3次取平均值。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件与office Excel软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 温度处理对种子萌发的影响

2018年4月20日将种子置于温度板上,4月28日开始萌发,最早是B2、B3、B4、C2、C3等温度组合出现萌发现象。种子发芽周期约28 d（5月18日）。结合表1,由图1可见,交替温度条件下,在25~43 ℃（夜）和25~38 ℃（日）范围内种子萌发速度最快,效果好,发芽率达100%。另外,可萌发的边缘区域温度组合为D5、F4、G1、G2发芽率分别为93.3%、80%、33.3%、20%。恒温条件下,A1（20/20 ℃）、B2（25/25 ℃）、C3（29/29 ℃）、D4（34/34 ℃）、E5（38/38 ℃）、F6（43/43 ℃）、G7（48/48 ℃）处于面板中轴斜线的位置,发芽率分别为80%、100%、100%、66.7%、0、0、0,发芽率呈“低-高-低”的抛物线形。

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图1 不同昼夜温度组合对槟榔发芽率的影

Fig. 1 Effect of temperature combination on the geremination rate of Arecanut

2.2 积温对种子萌发的影响

从表2可见,49个温度组合中25个萌发率达80%以上,占比51%。其中A3、A4、B2、B3、B4、C1、D1、D2共8个温度组合种子萌发率达80%仅需13 d,日积温范围为552~744 ℃·h,总萌发积温范围为7176~9672 ℃·h。17 d时种子萌发率达80%的有10个温度组合,日积温范围为520~808 ℃·h,总萌发积温范围为7 140~13 736 ℃·h,涵盖了13 d萌发率达80%的日积温及总积温范围。在28 d方可达到80%发芽率的温度组合20/20、34/43 ℃中,日积温分别为480、888 ℃·h,是处理组合达80%以上的最低值和最高值。

表2 种子萌发积温表

Tab. 2 The thermal time requirement for seed germination

编号 No.	设置温度（昼/夜）Temperature setting（D/N）/℃	日积温Daily accumulated temperature /(℃·h)	80%萌发时间Time for 80% germin- ation rate/d	萌发积温 Thermal time requirement/(℃·h)	编号 No.	设置温度（昼/夜）Temperature setting（D/N）/℃	日积温Daily accumulated temperature /(℃·h)	80%萌发时间Time for 80% germination rate/d	萌发积温 Thermal time requirement /(℃·h)
A1	20/20	480	28	13 440	C4	34/29	776	21	16 296
A2	25/20	560	17	9 520	C5	38/29	840	21	17 640
A3	29/20	624	13	8 112	D1	20/34	592	13	7 696
A4	34/20	704	13	9 152	D2	25/34	672	13	8 736
A5	38/20	768	17	13 056	D3	29/34	736	17	12 512
B1	20/25	520	17	7 140	E1	20/38	624	17	10 608
B2	25/25	600	13	7 800	E2	25/38	704	17	11 968
B3	29/25	664	13	8 632	E3	29/38	768	17	13 056
B4	34/25	744	13	9 672	F1	20/43	664	21	18 592
B5	38/25	808	17	13 736	F2	25/43	744	21	15 624
C1	20/29	552	13	7 176	F3	29/43	808	21	16 968
C2	25/29	632	17	10 744	F4	34/43	888	28	24 864
C3	29/29	696	17	11 832

2.3 温度处理对种子生长势的影响

从图1可见,槟榔种子发芽温度范围较广,25~38 ℃均可正常发芽,但在相同发芽率情况下种子生长状况差异较大。如图2所示,槟榔长势最佳温区为A2~A4、B2~B4、C2~C3、D1~D3、E1~E2;其次为A1、B1、C1、E3、F1;A6~G6、A7~G7、G1~G7为不萌发状态。根据种子萌发生长的表征,选取发芽率为100%的3个温度处理B3（29/25 ℃）、C1（20/29 ℃）、D4（34/34 ℃）,在不同的发育时期（5月8日,5月18日,5月28日）进行测量。从图3、图4和图5可见,无论是胚芽、胚根和发根数,B3处理均显著高于C1和D4,生长态势由高至低为B3（29/25 ℃）>C1（20/29 ℃）>D4（34/ 34 ℃）,由此可见,合适的积温条件下,相同发芽率情况下,合适的积温条件种子长势有显著差异。

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图2 不同区间温度对槟榔生长的影响

Fig. 2 Effect of different temperature range on growth potential of Arecanut

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图3 不同发育时期胚芽生长

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 3 Germ growth potential at different developmental stages

Different lowercase letters represent significant difference (P<0.05).

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图4 不同发育时期胚根长

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 4 Radicle growth potential at different developmental stage

Different lowercase letters represent significant difference (P<0.05).

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图5 不同发育时期平均根条数

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 5 Number of roots at different developmental stages

Different lowercase letters represent significant difference (P<0.05).

2.4 种子萌发的生理生化响应

以B3、C1、D4代表3个不同生长势区间材料,开展其生理生化研究。结果如图6、图7和图8所示。不同温度组合条件下对种子萌发过程中SOD、POD、GR活性影响不同,3种温度组合种子萌发过程中3种酶活性规律一致,由高到低为B3（29/25 ℃）>C1（20/29 ℃）>D4（34/34 ℃）。其中抗氧化物酶SOD、POD活性在三者之间差异达显著水平（P<0.05）。B3处理的SOD值为80 U/mg,比C1和D4处理显著高出40.79%和79.70%;POD的表现变化与SOD的较为一致,亦是B3处理POD值最大,比C1与D4分别高出60.04%和82.78%。

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图6 不同生长势区间种子SOD活性比较

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 6 Comparison of seeds SOD activity in different growth area

Different lowercase letters represent significant difference (P<0.05).

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图7 不同生长势区间种子POD活性比较

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 7 Comparison of seeds POD activity in different growth area

Different lowercase letters represent significant difference (P<0.05).

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图8 不同生长势区间种子GR活性比较

相同小写字母表示差异不显著（P>0.05）。

Fig. 8 Comparison of seeds GR activity in different growth area

The same lowercase letters represent nos ignificant difference (P>0.05).

3 讨论

本研究所用仪器双向温度梯度系统是高效性的温度循环系统,是在铝板平面一侧加热同时另一侧制冷,从而在板面形成温度梯度,通过梯度板再次旋转90°,即可形成多孔温差条件。该系统可同时模拟196个不同的温差条件,可快速模拟和摸索培养最佳温度条件,一次性得出大量实验数据,替代了光照培养箱温度条件单一的缺陷。特别是用于探索种植地域优化筛选、种子最佳温度条件、种子活性鉴定等效果显著,可在保证准确性的条件下节省大量时间和实验测试,Joseph 等^[5]和Asomaning等^[6]均运用该仪器进行了艳丽榄仁、白卡雅楝种子的变温处理实验。

种子萌发温度具有最高温与最低温的范围需求,超出范围都会使酶失去催化能力,从而使种子失去萌发力。种子萌发是植物生长周期的重要阶段,此期间萌发生长极易受温度等环境的影响^[7]。理想条件下,种子生长势旺盛,酶活力强,催化能力亦强。本研究中最低温设置为20 ℃,是因为槟榔为忌低温的敏感性种子,加之槟榔发芽季平均温度为25~30 ℃;最高温设置为48 ℃,笔者在种果槟榔采摘后进行装袋堆沤（一般海南农户的种子处理方法）,测定袋内温度,可高达50 ℃左右。温度高的原因主要是种子的呼吸作用、气候因素以及微生物发酵升温等,当种子贮藏置放不当极易引起高温损伤^[8]。

在种子萌发方面,20 ℃常温处理槟榔种子有萌发,但发芽率为80%,种子长势一般;50 ℃处理种子萌发率为0;极限高温处理组合为34/43 ℃（日均温为37 ℃）,发芽率为66.7%,种子长势差;最适于种子萌发及生长的温度范围为25/20~34/25 ℃（日均温为23.3~31 ℃）,最佳的温度组合为29/25 ℃,这与棕榈种子萌发温度（30/20 ℃）较为接近^[9]。由此计算出最佳萌发日积温范围为560~744 ℃·h,总萌发积温为7280~9672 ℃·h。

另外本研究还发现,槟榔种子温度交替变化处理比常温条件发芽效果好。实验中29/29和34/34 ℃日积温与25/34和38/25 ℃相似,但80%种子萌发率时间与生长势明显差别。类似的研究多见报道,恒温不利于羊草种子发芽^[10],变温能显著提高种子萌发率^{[11,12,13,14]},这可能是棕榈科大多数植物长期适应原生境的结果。关于变温促进种子发芽的机理目前尚未认识清楚,据分析可能与不同温度满足种子萌发不同生理过程有关。

POD、SOD和GR是植物体内清除自由基的重要保护酶。通常情况下,正常植株体内保护酶都具有较高的活性,可有效地清除细胞内的各种活性氧自由基。本研究中,SOD、POD、GR等酶协调一致,维持在一个相对高的稳定水平,从而防止生物自由基对细胞的毒害。本研究中种子萌发长势越好,酶活越强,反映了长势旺盛的种苗具有良好的防御系统。另外温梯度板的种子培养属于微逆境环境,无湿度控制,靠人为手动控湿,种子萌发相关酶活性也会随着环境条件而变化,曹红星等^[15]、孙程旭等^[16]、黄丽云等^[17]和李佳等^[18]以槟榔幼苗为试材开展低温、干旱、耐旱等抗逆性研究,表明在逆境条件下,随着胁迫程度的增加,抗氧化物酶活性均有不同程度的提高。本研究种子萌发过程会受湿度变化的影响,导致酶活变化,反映出不同温度处理种子自身生长调控的能力。

本研究探讨了温度对槟榔种子萌发的影响,明确了槟榔种子的最佳昼夜温度组合为29/25 ℃,最佳萌发恒温为23.3~31.0 ℃,日积温560~744 ℃·h,萌发积温不宜超过24 864 ℃·h。另外证实了槟榔种子变温交替处理比常温处理萌发效果好。

References

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1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

表1 温度梯度板温度设置组合（昼/夜）

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 温度处理对种子萌发的影响

图1 不同昼夜温度组合对槟榔发芽率的影

2.2 积温对种子萌发的影响

表2 种子萌发积温表

2.3 温度处理对种子生长势的影响

图2 不同区间温度对槟榔生长的影响

图3 不同发育时期胚芽生长

图4 不同发育时期胚根长

图5 不同发育时期平均根条数

2.4 种子萌发的生理生化响应

图6 不同生长势区间种子SOD活性比较

图7 不同生长势区间种子POD活性比较

图8 不同生长势区间种子GR活性比较

3 讨论

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