玉米种子人工老化过程中超弱发光与生理代谢的关系
材料，研究了种子人工老化过程中超弱发光（ultraweak luminescence，UWL）的变化及其与种子活力、相对电导率、ATP含量的关系。结果表明，随着老化时间的延长，种子的发芽率、发芽势和发芽指数、UWL强度、ATP含量均逐渐下降，相对电导率逐渐升高；UWL强度与发芽率、发芽势、发芽指数和ATP含量显著正相关，与相对电导率显著负相关。表明，UWL与以ATP含量为标志的能量水平密切相关；UWL作为一种无损、灵敏、快速的物理检测指标，可应用于种子活力无损检测研究。
关键词：玉米种子；人工老化；种子活力；超弱发光；ATP
中图分类号：S513.01文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）08-0030-04
AbstractThe seeds of maize （Zea mays L.） variety Zhengdan 958 were used to study the change of ultraweak luminescence （UWL） intensity and its relationship with seed vigor， relative electric conductivity and ATP content during artificial aging. The results indicated that the germination percentage， germination potential， germination index， UWL intensity and ATP content decreased gradually， while the relative electric conductivity increased with the prolongation of artificial aging. The correlation analysis showed that UWL intensity was significantly positively correlated with germination percentage， germination potential， germination index and ATP content， while significantly negatively correlated with relative electric conductivity. It was concluded that UWL was closely related to the energy level symbolized by ATP content， and as a fast nondestructive physical indicator with better sensitivity， it could be applied into the study of seed vigor nondestructive testing.
KeywordsMaize seed； Artificial aging； Seed vigor； Ultraweak luminescence； ATP
超弱发光（ultraweak luminescence，UWL）是广泛存在于动物、植物和微生物中自发辐射的一种极弱的光子流，其强度为每秒每平方厘米几个到几百个光子，波长范围为200～800 nm[1]。与荧光素—荧光素酶体系的高效率生物发光不同，UWL是一种极其微弱的低水平发光[2]。研究表明，UWL与生物体许多重要的生命过程，如细胞分裂、氧化代谢、DNA合成、细胞凋亡、光合作用、细胞间的信息传递、生长调节以及能量转换等密切相关[3-6]，能灵敏地反映出生物系统的生理状态，因此可作为反映植物体内物质代谢和能量转换活跃程度的一项灵敏指标[7，8]，已被应用于植物种子活力检测研究中。
传统的种子活力检测方法——直接法和间接法（即发芽实验法和生化法）属有损检测方法，不仅会破坏种子的组织结构，而且操作繁琐、耗时长。种子在吸胀或萌发期间处于活跃的生长期，超弱发光强度较强，一般在250～700个光子·cm-2·s-1左右，相对容易探测。有研究表明，萌发的水稻、花生种子活力与UWL强度密切相关[9，10]。然而种子一旦萌发将无法继续保存或使用，因此通过测定种子萌发期UWL来检测其活力的方法也具有损伤性。
基于干种子UWL强度的种子活力检测方法具有操作简单、方便快捷、灵敏度高和无损伤的特点，已成为种子活力无损检测研究中一个新的发展方向。干种子UWL强度与其活力关系的研究是种子无损检测的理论依据。研究发现，小麦贮藏时间越长，UWL强度越低，UWL强度与小麦新陈度之间有良好的相关性[11，12]；张文兰等[13]对中期库保存的小麦、水稻、玉米、大豆研究发现，随保存时间延长，UWL强度逐渐下降，UWL与发芽势呈现极强的正相关；王春芳等[14]利用UWL技术检测水稻和小麦的发芽率，并建立了基于UWL强度的发芽率预测模型，可很好地预测水稻和小麦种子贮藏期间的发芽率。本研究以人工老化的玉米种子为材料，探讨了人工老化过程中超弱发光与种子活力、相对电导率、ATP含量的关系，以期为种子活力的快速无损检测研究提供数据支持。
1材料与方法
1.1材料与处理
供试材料为玉米（Zea mays L.）品种“郑单958”的种子。由山东省农作物种质资源中心提供，种子初始含水量为 11.7%，发芽率为99%。将玉米种子密封于铝箔袋中，置于60℃人工老化箱中分别老化0、6、12、18、24 h，然后置于-20℃冰箱保存备用。
1.2测定项目及方法
1.2.1种子发芽指标的测定老化后的种子室温平衡两天后，参照《农作物种子检验规程》[15]（GB/T3543.3-1995）进行发芽试验：随机选取经老化处理的种子100粒放入发芽盒，重复4次，置于25℃恒温培养箱中培养7 d，每天统计发芽种子数。萌发第3 d统计发芽势，第7 d统计发芽率。
1.2.2种子自身超弱发光的测量采用中国科学院生物物理研究所研制的微弱发光测量仪（BPCL）进行测量。整个检测过程在暗室及恒温[（25±1）℃]恒湿（RH 75%±2%）下进行。选取大小一致的种子10粒，先置于暗室中30 min消除干扰，随后平铺于测量杯中测量其发光强度，测量时间为100 s，测量时间间隔1 s，重复3次，取平均值，减去本底值即为种子的自身发光强度。发光强度以单位时间单粒种子所发射光子数（counts·s-1·粒-1）表示。
1.2.3电导率测定随机选取10粒净种子，重复3次，用蒸馏水冲洗3次，再用滤纸吸干浮水，置于三角瓶中，加入25 mL蒸馏水，置于25℃恒温培养箱中浸泡24 h。用电导率仪（Mettler-Toledo Delta 326）测定浸出液电导率，测完后将三角瓶置于100℃水浴中煮沸15 min，取出冷却至室温，测定煮沸后浸出液的电导率，计算种子相对电导率，公式如下：
相对电导率（%）=煮沸前浸出液电导率/煮沸后浸出液电导率×100。
1.2.4种子ATP含量测定采用荧光素酶—荧光素生物发光法，参照王维光等[16]的方法进行测定。
1.3数据统计分析
采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2007进行数据统计分析与作图。
2结果与分析
2.1人工老化过程中种子活力的变化
表1显示，随着人工老化处理进程，种子发芽率、发芽势和发芽指数逐渐下降。与对照相比，人工老化处理12 h后，种子发芽率和发芽势均显著降低，老化24 h后，发芽率和发芽势分别降至83.00%、70.00%；而发芽指数在老化6 h后就显著下降，且各处理间差异显著。表明，随着老化时间的延长，种子老化程度逐渐加深，种子活力下降。
2.2人工老化过程中种子超弱发光的变化
由图1可知，老化种子的UWL强度随老化时间的延长呈逐渐降低的趋势。老化6 h和12 h的种子UWL强度与对照相比差异不显著，而老化18、24 h后，玉米种子的UWL强度与对照相比分别下降25.53%、41.69%，差异显著。表明，随着老化进程的加深，种子内部生理代谢速率降低。
2.3人工老化过程中种子相对电导率的变化
由图2可知，玉米种子的相对电导率随老化处理时间的延长呈逐渐升高的趋势。老化18、24 h后的相对电导率与对照相比差异显著，分别比对照升高13.07%、14.99%。说明随着老化程度的加深，细胞膜的完整性遭到破坏，膜透性增大，内含物大量外渗。
2.4人工老化过程中种子ATP含量的变化
ATP是维持生命活动最重要的能量物质，可反映细胞的代谢状况和能量水平，在种子萌发过程中具有十分重要的作用。图3显示，种子ATP含量随着老化时间的延长逐渐降低，除老化6 h的ATP含量与对照差异不显著外，其它老化处理均与对照差异显著。人工老化12、18、24 h后，ATP含量分别比对照降低2.63%、3.76%、5.16%。老化种子中ATP含量与UWL的变化趋势相一致，ATP含量的降低可能是导致UWL强度降低的原因之一。
2.5相关性分析
由表2可以看出， UWL强度与发芽率、发芽势、发芽指数显著正相关，相对电导率与发芽率、发芽势、发芽指数极显著负相关，ATP含量与发芽率、发芽势、发芽指数极显著正相关，UWL强度与ATP含量显著正相关，与相对电导率显著负相关。说明UWL强度受种子内部能量代谢和脂质过氧化程度的影响。
3讨论与结论
超弱发光与许多基本生命过程关系密切，是反映有机体生理生化反应状态的特征性指标。本研究发现，随着老化程度的加深，种子生活力下降，UWL强度也随之下降，且UWL强度与种子发芽率、发芽势、发芽指数及ATP含量呈显著正相关，说明UWL强度能在一定程度上反映种子的生命活动状态。这与张文兰[13]、王春芳[14]等的研究结果相一致，进一步说明了UWL可应用于种子活力无损检测研究，为种子活力检测提供一种无损、快速、准确和客观的方法。
植物UWL是与植物能量代谢相联系的低水平光子辐射[17]。ATP含量能够反映植物本身的能量状况，维持一定水平的ATP对于种子萌发至关重要。任何生成或消耗ATP、NAD（H2）、FMN（H2）的反应均可导致一部分代谢能以光子的形式释放出来，而出现UWL[18，19]。本研究发现，在种子老化过程中， ATP含量逐渐降低，UWL也呈现相同的趋势，二者呈显著正相关，相关系数达0.954。这说明在种子老化过程中，以ATP含量为标志的能量水平降低可能是导致UWL降低的主要原因。这与张新华[20]、林桂玉[21]等的研究结果一致。
综上所述，在种子老化过程中，UWL强度与发芽率、发芽势、相对电导率和ATP含量等生理指标的变化密切相关，可用于种子活力的无损检测，但对于其他作物种子或相同种子其他胁迫条件下是否可用还需进一步研究。
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