蔓草虫豆[Cajanus scarab aeoides (Linn.) Thouars]为豆科（Leguminosae）木豆属（Cajanus DC.）蔓生或缠绕状的草质藤本,产于热带、亚热带地区,为本属地域分布最广的一种[1]。目前,国内外对蔓草虫豆的研究很少,多数将其作为木豆的野生近缘种,为改良木豆品质寻找有用基因[2,3,4,5,6,7];或是对蔓草虫豆的病虫害的研究[8,9];或是作为绿肥对砖红壤酸度的影响[10]等。蔓草虫豆叶量丰富,粗蛋白质和粗脂肪含量均较高,各类家畜均喜食,是热带亚热带地区较好的豆科牧草。种子发芽率高,幼苗生长迅速,可在较短时间内覆盖地面,为林下间作、水土保持等利用。
热带乡土草有许多独特的特点：种子较大,属顽拗性种子;落粒性强,种子难收;大多数寿命较短[11,12]。通过超干保存技术降低种子含水量的方法,能让种子较长时间在室温下密闭贮藏或长期在低温库中保存[13]。目前国内外关于应用超干技术保存豆科种子,已有许多的成功案例[14,15,16,17],但未有对蔓草虫豆超干种子的研究报道,仅有少量同属植物的种子超干保存和人工老化试验的研究[18,19,20]。因此本试验以蔓草虫豆的超干种子的生理生化指标作为研究点,分析干燥处理对蔓草虫豆种子的影响,确定种子的耐干性和超干保存的最适含水量。本研究可为热带其他乡土草种子超干保存提供数据依据和技术支持,对降低种子保存成本、保持种子活力以及蔓草虫豆的推广利用具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 材料
参试材料来自中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所国家热带牧草中期备份库,原始种子采自海南省白沙县元门乡,于2020年4月繁种于国家热带牧草种质圃（海南儋州）,2020年12月采收,经晾晒处理后于-20℃冰箱中保存待用。
1.2 方法
1.2.1 种子活力测定 将超干种子缓湿处理后进行常规发芽试验,测定种子的发芽率、发芽指数、活力指数[23]。每天记录种子萌发粒数,7 d后统计结束。
1.3 数据处理
试验数据采用SAS 9.0软件进行统计分析,采用Duncan’s法对各指标平均值做Person相关分析,用Microsoft Excel 2003软件制图。
2 结果与分析
2.1 超干处理对蔓草虫豆种子萌发和活力水平的影响
2.1.1 种子发芽率变化 方差分析结果表明,蔓草虫豆种子发芽率差异极显著。在种子含水量为4.90%和3.35%时,种子发芽率和对照差异不显著;在种子含水量为2.22%时,种子发芽率极显著低于对照。由表1可看出,干燥处理对蔓草虫豆种子发芽率有较大影响。随着种子含水量的降低,种子发芽率呈先升高后降低的趋势。当种子干燥到含水量4.90%时,种子发芽率略微升高;当种子含水量下降到3.35%时,蔓草虫豆种子发芽率基本没有变化;种子进一步脱水干燥到含水量为2.22%后,与对照相比,发芽率降低了50%。结果表明适度超干处理能保持蔓草虫豆种子活力。
表1 超干处理对蔓草虫豆种子萌发和活力水平的影响Tab. 1 Effect of ultra-dry treatment on germination rate and vigor levels of C. scarabaeoides seeds |
| 种子含水量 Moisture content of seeds/% | 发芽率 Germination rate/% | 发芽指数 Germination index | 活力指数 Vigor index |
|---|---|---|---|
| CK | 80.5A | 18.3B | 0.072B |
| 4.90 | 85.0A | 25.5A | 0.103A |
| 3.35 | 78.0A | 21.7A | 0.068B |
| 2.22 | 45.0B | 13.2C | 0.031C |
注：不同大写字母表示差异极显著（P<0.01）。 | |
Note: Different capital letters mean extremely significant difference (P<0.01). |
2.1.2 种子发芽指数变化 方差分析结果表明,蔓草虫豆种子发芽指数差异极显著。在种子含水量为4.90%和3.35%时,种子发芽指数极显著高于对照和2.22%含水量;在种子含水量为2.22%时,种子发芽指数极显著低于对照。由表1可看出,随着蔓草虫豆种子含水量的降低,种子发芽指数的变化趋势呈先升高后降低。种子含水量在4.90%和3.35%时,发芽指数明显升高;含水量为2.22%时,种子发芽指数下降。结果表明,适度超干处理能保持蔓草虫豆种子活力。
2.1.3 种子活力指数变化 方差分析结果表明,蔓草虫豆种子活力指数差异极显著。在种子含水量为4.90%时,种子活力指数极显著高于对照,含水量3.35%时的种子活力指数与对照差异不显著;在种子含水量为2.22%时,种子活力指数极显著低于对照和其他含水量。由表1可看出,随着蔓草虫豆种子含水量的降低,种子活力指数的变化为先升高后降低,变化走向和发芽率、发芽指数的变化走向一致。在种子含水量4.90%时,活力指数明显升高;种子含水量3.35%时,蔓草虫豆种子活力指数没有太大变化;种子含水量为2.22%后,种子活力指数降低60%。结果表明,种子含水量3.35%是蔓草虫豆种子干燥后活力保持的最低含水量。
2.2 超干处理对蔓草虫豆种子生理特性的影响
2.2.1 种子脱氢酶活性变化 不同水分梯度蔓草虫豆种子脱氢酶活性如表2所示。方差分析结果表明,蔓草虫豆种子脱氢酶活性差异极显著;在种子含水量为2.22%时,种子脱氢酶活性极显著低于对照和其他含水量。随着水分的降低,种子脱氢酶活性先上升后下降,与种子发芽率变化呈正相关关系。3.35%含水量种子的发芽率为78.0%,其脱氢酶活性为11.48 mg/L;4.90%含水量种子的发芽率在各处理中最高,为85.0%,其脱氢酶活性也最高,为12.35 mg/L;2.22%含水量种子的发芽率为45.0%,其脱氢酶活性极显著低于其他处理,与种子发芽率和发芽指数的变化趋势一致。脱氢酶活性受种子含水量影响较大,种子含水量为3.35%~4.90%有利于蔓草虫豆种子干燥后活力保持。
表2 超干处理对蔓草虫豆种子生理特性的影响Tab. 2 Effect of ultra-dry treatment on physiological characteristics of C. scarabaeoides seeds |
| 种子含水量 Moisture content of seeds/% | 脱氢酶活性 Dehydrogenase activity/(mg·L‒1) | 相对电导率 Relative electrical conductivity/% | MDA含量 MDA content /(nmol·g‒1) | Pro含量 Proline content /(µg·g‒1) |
|---|---|---|---|---|
| CK | 11.50A | 25.0B | 16.5B | 88.5B |
| 4.90 | 12.35A | 21.5B | 13.8B | 126.0A |
| 3.35 | 11.48A | 21.2B | 18.6B | 89.6B |
| 2.22 | 7.60B | 36.7A | 26.2A | 40.6C |
注：不同大写字母者表示差异极显著（P<0.01）。 | |
Note: Different capital letters mean extremely significant difference (P<0.01). |
2.2.2 种子相对电导率变化 方差分析结果表明,蔓草虫豆种子相对电导率差异极显著;在种子含水量为2.22%时,种子相对电导率极显著高于对照和其他含水量。由表2可知,随着含水量的降低,超干种子相对电导率呈先降低后升高的变化,与种子发芽率变化呈负相关关系。种子含水量在4.90%、3.35%时和对照的种子发芽率都大于75%,而相对电导率都小于25%。种子含水量在2.22%时,相对电导率最高,说明细胞质膜受到损伤,使细胞内大量电解质外渗,活力下降。种子含水量3.35%是蔓草虫豆种子干燥后活性保持的最低限,蔓草虫豆属于耐干类型。
2.2.3 种子丙二醛（MDA）含量变化 方差分析结果表明,蔓草虫豆种子MDA含量差异极显著;在种子含水量为2.22%时,种子相对电导率极显著高于对照和其他含水量,含水量3.35%、4.90%和对照的种子丙二醛含量差异不大。由表2可知,随着蔓草虫豆种子含水量的降低,种子丙二醛含量的变化为先降低后升高。种子丙二醛含量越高,种子发芽率越低,种子丙二醛含量与种子发芽率呈负相关关系。含水量2.22%种子的丙二醛含量最高,为25 nmol/g,其种子发芽率最低。3.35%~ 4.90%含水量后可使种子丙二醛含量保持在一个较低的水平,可降低种子在逆境中受到的伤害。种子含水量3.35%是蔓草虫豆种子干燥后MDA含量升高的转折点。
2.2.4 种子脯氨酸（Pro）含量变化 方差分析结果表明,蔓草虫豆种子Pro含量差异极显著;在种子含水量为4.90%和时,种子Pro含量极显著高于对照和3.35%含水量;在种子含水量为2.22%时,种子Pro含量极显著低于对照和其他含水量。表2表明,干燥处理后,蔓草虫豆种子Pro含量随着种子含水量的降低发生先上升后下降的变化,变化走向与种子发芽率的走向较为一致。适度超干处理可以促进蔓草虫豆种子Pro含量增高来调节渗透平衡,有利于提高蔓草虫豆种子对干燥胁迫的耐受性。种子含水量3.35%是蔓草虫豆种子干燥后Pro含量下降的转折点。
2.3 蔓草虫豆超干种子各指标之间的相关性分析
由表3可知,干燥处理后蔓草虫豆种子的含水量与种子发芽率、脱氢酶活性呈显著正相关,且与脱氢酶活性的相关性大于发芽率,因此,种子含水量与脱氢酶活性的相关性较大。但种子含水量和相对电导率有极显著的负相关性,这表明种子含水量与细胞膜透性密切相关。种子含水量与MDA含量、Pro含量无显著相关性,二者不作为判定干燥处理后蔓草虫豆种子活力的主要指标。
表3 蔓草虫豆超干种子各指标之间的相关关系Tab. 3 Correlations of all indicators in C. scarabaeoides Seed |
| 指标 Index | 含水量 Moisture content | 发芽率 Germination Rate | 脱氢酶活性 Dehydrogenase activity | 相对电导率 Relative electrical conductivity | MDA含量MDA content | Pro含量 Pro content |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 含水量 | 1 | 0.528* | 0.727* | -0.514** | -0.262 | 0.254 |
| 发芽率 | ‒ | 1 | 0.750* | -0.434** | 0.292 | 0.266 |
| 脱氢酶活性 | ‒ | ‒ | 1 | -0.136 | -0.223 | 0.321 |
| 相对电导率 | ‒ | ‒ | ‒ | 1 | 0.412 | 0.110 |
| MDA含量 | ‒ | ‒ | ‒ | ‒ | 1 | 0.173 |
| Pro含量 | ‒ | ‒ | ‒ | ‒ | ‒ | 1 |
注：*表示显著相关（P<0.05）,**表示极显著相关（P<0.01）,‒表示省略数值,不做重复表述。 | |
Note: * indicates significant correlation (P<0.05), ** indicates extremely significant correlation (P<0.01), ‒ means omitted values, no repetition. |
种子发芽率与脱氢酶活性相关性显著,与相对电导率负相关性极显著,与MDA含量、Pro含量均无相关性。
3 讨论
得出可能是因为此木豆所处生境更加干旱,对生境产生了适应性而使种子的耐干性提高。但此类属于生境或地域性耐干,由环境选择形成的,不能确定是植物本身的特性或具备遗传稳定性,但可以确定的是采用超干方法保存木豆种子是可行的。本研究中的试验材料蔓草虫豆和木豆为同属不同种,种子千粒重（11.8 g）远远小于木豆（77.5 g）,从形态上比木豆更容易干燥。而蔓草虫豆种子可将含水量降低到3.35%,可能是和种子本身特征有关系,蔓草虫豆的种脐具有厚而且凸起的肉质种阜。种阜有吸水作用,在种子萌发时可向发芽孔输送水分,因此干燥时也能让种子中的水分更多的逸出,更多降低含水量。将在后续试验中探讨种阜对种子干燥有无影响。
检验种子超干保存效果最直观的方法就是发芽率高低,但发芽试验需要花费一定时间,特别是有些种皮较厚或顽拗性或具休眠性或粒大的种子,发芽过程更是缓慢。本研究将蔓草虫豆超干种子的发芽率和相对电导率、MDA含量、Pro含量等指标作相关性分析发现,脱氢酶活性和相对电导率得到的相关性系数相对较高,而且相对电导率易于测定、用时短、成本低,可用于快速测定种子活力高低,达到及时检测干燥效果。
4 结论
蔓草虫豆不同含水量种子的相对电导率、丙二醛含量、脯氨酸含量、脱氢酶活性存在较大差异,相对电导率和丙二醛含量与种子发芽率变化大致上呈相反的趋势,脯氨酸含量与发芽率变化呈正相关趋势。适宜超干处理能使蔓草虫豆种子脱氢酶活性保持在较高水平,减缓脯氨酸含量降低幅度,膜系统伤害较轻,相对电导率降低、丙二醛含量减少,从而有效维持干燥后的种子活力。因此超干保存蔓草虫豆种子具有一定的可行性。
总的来说,超干处理的蔓草虫豆种子的发芽率会跟随水分的降低出现单峰曲线变化,高峰值就是超干保存最适含水量,即种子发芽率在水分梯度中达到最高85%,种子超干保存最适含水量为4.90%。当蔓草虫豆种子中的含水量降低到一定程度,其发芽率表现为降低到50%以下,将此时的种子含水量作为蔓草虫豆种子超干保存的最低限,也就是2.22%的含水量对种子萌发已有了抑制作用。发芽率在50%以上的种子含水量可作为蔓草虫豆超干保存的适宜含水范围,因此超干处理后3.35%~4.90%种子含水量有利于蔓草虫豆种子的安全保存。