蕓豆種子萌發(fā)與生理特性對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

王明友，張 紅，李士平

（德州學(xué)院 生態(tài)與園林建筑學(xué)院，山東 德州 253023）

蕓豆種子萌發(fā)與生理特性對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

王明友，張 紅，李士平

（德州學(xué)院 生態(tài)與園林建筑學(xué)院，山東 德州 253023）

為了探討干旱脅迫對(duì)蕓豆種子萌發(fā)的影響，采用濃度水平分別為5%、10%、15%、20%和25%的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬進(jìn)行干旱脅迫，研究脅迫對(duì)蕓豆種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明：同對(duì)照相比，種子的發(fā)芽進(jìn)程、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在輕度脅迫時(shí)(5%)均無(wú)明顯變化；但隨著脅迫程度的加劇，萌發(fā)指標(biāo)開(kāi)始下降，且脅迫程度越大，降幅越大。同時(shí)，超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性隨著脅迫的增大而呈先上升后下降的趨勢(shì)，SOD和CAT酶活性在15%濃度PEG處理時(shí)達(dá)最高值，而POD酶活性在10%濃度時(shí)最高；丙二醛含量的變化則呈逐漸遞增趨勢(shì)。

蕓豆；水分脅迫；發(fā)芽指數(shù)；活力指數(shù)；保護(hù)酶；丙二醛

蕓豆(Phaseolus vulgaris L.)屬豆科菜豆屬植物，在中國(guó)栽培歷史悠久，分布非常廣泛[1]。蕓豆籽粒營(yíng)養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)含量可高達(dá)16.0%~30.8%；其莢殼、莖葉中的蛋白含量也較高，相比水稻和小麥等作物可高出1~15倍[2]，同時(shí)亦能提高人體的自身免疫力[3]。蕓豆生育期短、適應(yīng)性廣，在優(yōu)質(zhì)高效型農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的作用[4]。環(huán)境脅迫是限制作物產(chǎn)量最重要的因素，其中干旱脅迫是一種主要的非生物脅迫，其引起的危害所導(dǎo)致的產(chǎn)量損失超過(guò)了其它脅迫的總和[5-6]。尤其在干旱、半干旱地區(qū)，由于干旱脅迫所造成的減產(chǎn)現(xiàn)象非常突出[7]。有研究表明，植物在干旱逆境條件下，體內(nèi)組織細(xì)胞的代謝發(fā)生紊亂，活性氧大量積聚，膜系統(tǒng)受到損傷，生理代謝失調(diào)，而自由基的過(guò)量積累是造成傷害的重要原因之一[8]。種子萌發(fā)期是植物抗旱性研究的重要階段，亦是種子植物整個(gè)生育期的關(guān)鍵時(shí)期[9]，這一時(shí)期既影響自身的播種質(zhì)量，同時(shí)還影響下個(gè)階段的良好生長(zhǎng)與產(chǎn)量的最終形成。因此，對(duì)種子萌發(fā)期開(kāi)展探索研究是植物耐旱性研究的一項(xiàng)重要課題。

聚乙二醇(PEG-6000)可作為一種脅迫劑模擬干旱脅迫環(huán)境，其本身分子不進(jìn)入種子內(nèi)，無(wú)毒性[10]，且容易調(diào)節(jié)控制，是一種較理想的試驗(yàn)材料。相關(guān)研究認(rèn)為，在不同濃度的PEG-6000溶液條件下，隨著PEG-6000濃度的增加，作物葉片的相對(duì)含水量下降，而細(xì)胞膜通透性增大，丙二醛(MDA)含量呈遞增的趨勢(shì)[11]，而超氧化物歧化酶 (SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)與過(guò)氧化物酶(POD)活性都隨 PEG-6000濃度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，且不同品種間差異明顯[12]。也有研究發(fā)現(xiàn)，SOD活性會(huì)隨PEG溶液濃度的增加而遞減[13]。許多學(xué)者針對(duì)水稻、玉米、大豆、小麥等作物開(kāi)展了萌發(fā)期指標(biāo)的相應(yīng)研究[14-17]，而關(guān)于蕓豆種子萌發(fā)期的研究報(bào)道則較少。為此，本試驗(yàn)以德蕓18為研究對(duì)象，利用不同濃度的 PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，通過(guò)測(cè)定種子的發(fā)芽進(jìn)程、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等萌發(fā)指標(biāo)及保護(hù)酶活性與MDA含量等生理生化指標(biāo)，進(jìn)而為蕓豆耐旱機(jī)制的探討與栽培及育種提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)置在德州市九龍灣低碳生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園的溫室大棚內(nèi)(36°24′N(xiāo)、115°45′E)。試驗(yàn)所用聚乙二醇PEG-6000由北京鍵凱科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選大小一致、完整無(wú)損的蕓豆種子，先用10 g/L的HgCl2溶液進(jìn)行消毒后，再用蒸餾水反復(fù)清洗3次，然后均勻鋪放在體積分?jǐn)?shù)為75%酒精消毒過(guò)的塑料培養(yǎng)盒(12 cm×12 cm×5 cm)中，分別加入10 mL濃度為5%、10%、15%、20%與25%的PEG-6000溶液于濾紙上模擬干旱，其中對(duì)照(CK)加入等量的蒸餾水，放于培養(yǎng)箱中光/暗分別12 h，溫度25℃下發(fā)芽。通過(guò)前期研究表明，這相當(dāng)于從輕度、中度到重度脅迫。每天向?yàn)V紙滴加數(shù)滴的PEG溶液，隔天換1次濾紙，以控制盒內(nèi) PEG濃度的穩(wěn)定。每個(gè)處理重復(fù)5次，每重復(fù)6盒，每盒45粒。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 萌發(fā)指標(biāo)的測(cè)定從種子置床日起開(kāi)始觀察，每天調(diào)查萌發(fā)數(shù)，計(jì)算累計(jì)發(fā)芽率，第7天結(jié)束試驗(yàn)，測(cè)胚根鮮質(zhì)量，參照宋松泉[18]的方法來(lái)計(jì)算發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)。具體計(jì)算公式如下：

（1）式中：M1為全部正常發(fā)芽粒數(shù)；M為供試種子總粒數(shù)。

種子發(fā)芽以胚根突破種皮為標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)芽期間每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，共計(jì)7 d。

發(fā)芽指數(shù)(GI)：

（2）式中：Gt為t時(shí)間種子發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)發(fā)芽時(shí)間。

活力指數(shù)(VI)：

（3）式中：GI為發(fā)芽指數(shù)；S為胚根鮮質(zhì)量。

1.3.2 生理指標(biāo)的測(cè)定發(fā)芽結(jié)束時(shí)，取胚根，測(cè)定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)，其中CAT活性采用紫外吸收法測(cè)定，SOD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2013處理數(shù)據(jù)并制圖，采用SAS軟件進(jìn)行方差分析和多重比較（LSD法，P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫與發(fā)芽進(jìn)程

從圖1可以看出，CK與5%濃度的PEG-6000處理在第2天均有發(fā)芽，而其它處理則在第3天僅有個(gè)別發(fā)芽，第4天才進(jìn)入發(fā)芽期。CK、5%與10%處理在第4天進(jìn)入發(fā)芽高峰期，其中發(fā)芽數(shù)分別占到總數(shù)的77.78%、73.33%與46.67%；15%與20%處理則在第5天進(jìn)入高峰期，發(fā)芽數(shù)分別占到總數(shù)的37.78%、31.11%和26.67%，這表明15%和20%處理的種子活力較弱。通過(guò)對(duì)7 d后的總發(fā)芽數(shù)進(jìn)行方差分析表明，5%處理與CK差異未達(dá)顯著水平，而其它處理均明顯低于CK。以上分析可知，在輕度干旱脅迫時(shí)，蕓豆種子的發(fā)芽進(jìn)程沒(méi)有受到明顯影響，但隨著脅迫程度的增加，種子萌發(fā)所受抑制逐漸加重，發(fā)芽數(shù)顯著減少。

2.2 水分脅迫與發(fā)芽率

從圖2可以看出，隨PEG濃度的逐漸增加，蕓豆種子發(fā)芽率呈現(xiàn)出整體下降的變化趨勢(shì)。方差分析可見(jiàn)，同CK相比，5%濃度處理的發(fā)芽率無(wú)顯著性變化，而其它處理則顯著降低。截止到發(fā)芽第7天時(shí)，10%、15%、20%與25%處理的總發(fā)芽率分別為CK的93.33%、86.67%、73.33%與55.56%。由此可知，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，蕓豆種子的發(fā)芽率所受的抑制程度越來(lái)越大，尤其在重度脅迫處理。

2.3 水分脅迫與發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)

從圖3、圖4可以看出，在干旱脅迫下，隨PEG溶液濃度的增加，蕓豆種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均呈遞減的變化趨勢(shì)。與CK相比，5%濃度處理變化較小，而其它處理則顯著下降。數(shù)據(jù)分析可知，輕度脅迫條件下，蕓豆種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)未受到明顯抑制作用，但隨著脅迫程度的增加，發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)則顯著下降。這表明蕓豆種子對(duì)輕度干旱脅迫具有一定的耐受性，而過(guò)高的脅迫程度則對(duì)其產(chǎn)生明顯抑制作用。

2.4 水分脅迫與保護(hù)酶活性

從圖 5可以看出，隨PEG-6000濃度的增大，保護(hù)酶活性均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，即輕度干旱脅迫酶活性升高，而重度干旱脅迫酶活性則降低。這表明干旱脅迫程度的加重，使蕓豆種子受到了一定的傷害。在10%濃度PEG處理時(shí)，POD酶活性達(dá)最大值；在15%濃度PEG時(shí)，SOD與CAT酶活性達(dá)最高值，此拐點(diǎn)可能是這個(gè)蕓豆品種對(duì)PEG-6000的最大耐受濃度，也是該品種在干旱逆境脅迫下自身的最大調(diào)節(jié)能力。此后，SOD、CAT和POD酶活性均開(kāi)始下降，究其原因可能是隨干旱脅迫時(shí)間的延伸，引起活性氧的累積量超出了保護(hù)酶系統(tǒng)的清除上限，從而對(duì)抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)造成一定傷害，故導(dǎo)致酶活性的降低。方差分析顯示，與CK相比，25%濃度PEG處理的SOD、CAT和POD酶活性無(wú)顯著性變化，而其它處理則顯著升高。

2.5 水分脅迫與MDA含量

PEG干旱脅迫對(duì)蕓豆種子MDA含量的影響圖6所示，可以看出，隨干旱脅迫程度的加大，蕓豆種子的MDA含量呈逐漸遞增的變化趨勢(shì)。同CK相比，5%濃度PEG處理的變化未達(dá)差異顯著水平，而其它處理顯著升高，且10%~25%濃度PEG處理之間的差異亦達(dá)顯著水平。MDA含量越高，說(shuō)明膜損傷越嚴(yán)重，抗旱性則越弱。數(shù)據(jù)分析顯示，隨干旱脅迫程度的增大，蕓豆種子的膜脂過(guò)氧化作用加強(qiáng)，膜受到的損害程度加大。

3 討論與結(jié)論

水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵的環(huán)境因子之一，適宜的水分條件能促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，相反水分過(guò)少則對(duì)生長(zhǎng)有抑制作用[6-7]。作物的耐旱性受到多種因素的綜合調(diào)控，干旱脅迫對(duì)作物的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段均能產(chǎn)生影響[20]。種子萌發(fā)期的生長(zhǎng)情況既會(huì)影響出苗的質(zhì)量，還能影響到植株的正常生長(zhǎng)與發(fā)育。種子萌發(fā)期是探討作物耐旱性的重要階段，干旱脅迫能引起種子內(nèi)一系列生理生化反應(yīng)的滯后與破壞，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)，主要體現(xiàn)在發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等方面[9]。本試驗(yàn)研究認(rèn)為，當(dāng)處于輕度干旱脅迫時(shí)，蕓豆種子的萌發(fā)指標(biāo)沒(méi)有受到明顯影響；而在中度特別是重度干旱脅迫時(shí)，萌發(fā)指標(biāo)則受到了不同程度的抑制作用；隨干旱脅迫程度的增大，蕓豆種子受抑制的程度也在加大。當(dāng)作物處在干旱逆境環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)積聚大量的活性氧[8]?；钚匝跄軗p傷細(xì)胞膜，而作物能夠通過(guò)增加或激活抗氧化保護(hù)酶來(lái)防御或減輕活性氧物質(zhì)對(duì)細(xì)胞造成的傷害[16]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加大，SOD、CAT和POD活性呈先升后降的變化趨勢(shì)。表明輕度脅迫激發(fā)了蕓豆種子體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)來(lái)做出保護(hù)性反應(yīng)；但隨脅迫程度的增加，保護(hù)酶活性在達(dá)到最高值后開(kāi)始下降，可能是因?yàn)檫^(guò)多的活性氧或H2O2的累積，超過(guò)了保護(hù)酶系的上限，使原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡被打破[8]。此外，本研究還表明，隨著干旱強(qiáng)度的增加，蕓豆種子的MDA含量表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，其中在5%濃度PEG處理時(shí)，MDA含量的上升幅度較小，而在10%~25%濃度處理時(shí)，MDA含量的上升幅度較大，表明中度和重度脅迫對(duì)蕓豆種子的細(xì)胞膜傷害較大，已經(jīng)超出它的耐受閾值，引起作物代謝紊亂并發(fā)生了膜脂過(guò)氧化，大量離子外滲，故導(dǎo)致MDA累積較多。此外，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫逆境下，單個(gè)指標(biāo)之間的變化趨勢(shì)不盡相同，比如保護(hù)酶活性和MDA含量的變化規(guī)律不完全一致，MDA含量呈單向升高的趨勢(shì)，而保護(hù)酶活性的變化則為先上升后下降。由此可見(jiàn)，在試驗(yàn)研究中應(yīng)采用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估作物的耐旱性能，減少單個(gè)指標(biāo)引起的偏差，從而使得出的結(jié)論更為準(zhǔn)確。

[1]曾玲玲,崔秀輝,李清泉,等.氮磷鉀配施對(duì)蕓豆產(chǎn)量的效應(yīng)研究[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(2):39-43.

[2]井大煒,王明友,張紅,等.雞糞對(duì)蕓豆土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性與碳庫(kù)管理指數(shù)的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(8): 192-200.

[3]賈德新,李士平,王風(fēng)丹,等.蚯蚓糞對(duì)豇豆根際土壤生物學(xué)特征及微生物活性的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,28(2): 318-323.

[4]韓彥龍,晉凡生,鄭普山,等.紅蕓豆養(yǎng)分限制因子及養(yǎng)分吸收、積累和分配特征研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016, 24(7):902-909.

[5]井大煒,邢尚軍,劉方春,等.保水劑施用方式對(duì)側(cè)柏根際微生態(tài)環(huán)境的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(5):146-154.

[6]劉方春,邢尚軍,馬海林,等.干旱生境中接種根際促生細(xì)菌對(duì)核桃根際土壤生物學(xué)特征的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014,25(5):1475-1482.

[7]井大煒,邢尚軍,劉方春,等.保水劑-尿素凝膠對(duì)側(cè)柏裸根苗細(xì)根生長(zhǎng)和氮素利用率的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016, 27(4):1046-1052.

[8]井大煒,邢尚軍,杜振宇,等.干旱脅迫對(duì)楊樹(shù)幼苗生長(zhǎng)光合特性及活性氧代謝的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(7): 1809-1816.

[9]王景偉,金喜軍,杜文言,等.干旱脅迫對(duì)蕓豆種子萌發(fā)及生理特性的影響[J].干旱區(qū)研究,2014,31(4):734-738.

[10]Mehra V,Tripathi J,Powell A A.Aerated hydration treatment improves the response of Brassica juncea and Brassica campestris seeds to stress during germination[J].Seed Science and Technology,2003,31:57-70.

[11]李永生,方永豐,李玥,等.外源硫化氫對(duì)PEG模擬干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2016, 30(4):813-821.

[12]丁國(guó)華,馬殿榮,楊光,等.耐旱雜草稻幼苗光合系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(1):226-234.

[13]陳征,許嘉陽(yáng),范藝寬,等.不同烤煙品種幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)及光合參數(shù)對(duì)干旱脅迫響應(yīng)機(jī)制的差異[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,24(11):1508-1520.

[14]丁國(guó)華,馬殿榮,楊光,等.耐旱雜草稻幼苗光合系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(1):226-234．

[15]熊炳霖,王鑫月,陳道鉗,等.苗期玉米葉片碳氮平衡與干旱誘導(dǎo)的葉片衰老之關(guān)系[J].西北植物學(xué)報(bào),2016,36(3): 534-541.

[16]高鑫宇,劉麗君,劉博,等.PEG模擬干旱對(duì)大豆抗氧化酶活性及抗氧化能力的影響[J].大豆科學(xué),2016,35(4): 616-619.

[17]孟健男,于晶,蒼晶,等.PEG脅迫對(duì)兩種冬小麥苗期抗旱生理特性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(1):40-44.

[18]宋松泉.種子生物學(xué)研究指南[M].北京:科學(xué)出版社,2005:57.

[19]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[20]劉方春,邢尚軍,馬海林,等.根際促生細(xì)菌(PGPR)對(duì)冬棗根際土壤微生物數(shù)量及細(xì)菌多樣性影響[J].林業(yè)科學(xué), 2013,49(8):75-80.

Response of Germination and Physiological Characteristics of Phaseolus vulgaris Seeds to Water Stress

WANG Ming-you,ZHANG Hong,LI Shi-ping

(School of Ecology and Garden Architecture,Dezhou College,Dezhou,Shandong 253023,China)

In order to explore the effects of drought stress on the germination of Phaseolus vulgaris seeds, a simulation experiment on drought stress by using 5%，10%，15%，20%and 25%polyethylene glycol solutions (PEG-6000)was carried out to determine the effects of drought stress on the germination and physiological indices of Phaseolus vulgaris seeds.The results indicated that the effects of light drought stress(5%)on the germination process,germination rate，germination index and vigor index of Phaseolus vulgaris seeds were not significant in comparison with the control,while these seed germination indexes were decreased along with the increase in drought stress,and the higher the drought stress,the most significant the decrease would be．At the same time,the activities of SOD,CAT and POD presented a variance tendency of increasing at first and then decreasing with the increase in the drought stress,and the maximum values of SOD and CAT activities occurred at 15%PEG,as well as that of POD at 10%PEG.Additionally,the MDA content appeared a trend of increasing gradually.

Phaseolus vulgaris;water stress;germination index;vigor index;protective enzyme;MDA

Q948.112+.3

A

2095-3704（2017）01-0066-05

10.3969/j.issn.2095-3704.2017.01.015

王明友,張紅,李士平.蕓豆種子萌發(fā)與生理特性對(duì)水分脅迫的響應(yīng)[J].生物災(zāi)害科學(xué),2017,40(1):66-70.

2016-12-02

山東省農(nóng)業(yè)良種工程項(xiàng)目“德州特色豆類(lèi)蔬菜品種資源的整理篩選與創(chuàng)新利用”（魯科字（2013）207號(hào)）

王明友，教授，主要從事蔬菜高產(chǎn)生理生態(tài)方面的教學(xué)與研究工作，nwmy_sddz@163.com。