赤霉素浸種對(duì)玉米低溫出苗率的影響

許高平，劉秀峰，袁文婭，王 璞，樓辰軍，楊兆順

(1. 天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 天津市農(nóng)作物研究所，天津 300384；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094)

玉米是我國北方地區(qū)重要的糧食作物之一，由于種植區(qū)域緯度較高，播種后頻繁遭受低溫冷害[1]。近年來，受全球氣候變化的影響，我國北方存在“暖干化”趨勢(shì)[2]，但低溫對(duì)玉米生產(chǎn)的不利影響仍然存在[3]，同時(shí)玉米苗期還遭受季節(jié)性干旱的威脅[4]。低溫和干旱是造成我國玉米減產(chǎn)[5]，阻礙我國春玉米產(chǎn)量進(jìn)一步提升的主要原因[6-7]。此外，隨著我國玉米種植帶向更高緯度延伸[8]，嚴(yán)重低溫冷害、季節(jié)性干旱出現(xiàn)頻率明顯增加[9]，高緯度地區(qū)玉米生產(chǎn)的抗災(zāi)減災(zāi)能力亟待進(jìn)一步提升。

萌發(fā)階段是決定玉米群體的規(guī)模與質(zhì)量的重要生育時(shí)期，低溫干旱并發(fā)對(duì)該時(shí)期玉米的危害遠(yuǎn)大于單一脅迫[10-11]。10 ℃條件下，土壤含水量的梯度變化會(huì)導(dǎo)致品種間發(fā)芽率的較大差異[12]。徐文強(qiáng)等[13]研究發(fā)現(xiàn)，溫度和土壤含水量下降導(dǎo)致幼苗生長(zhǎng)受抑制和貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率下降。赤霉素是一種重要的植物激素，通過增加細(xì)胞數(shù)目和促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)參與植物的發(fā)芽和其他生育進(jìn)程[14-15]，關(guān)于赤霉素的抗逆研究多在單一脅迫下進(jìn)行[16]，關(guān)于低溫干旱雙重脅迫下玉米萌發(fā)性狀及其對(duì)赤霉素浸種響應(yīng)的研究則少見報(bào)道。

本試驗(yàn)通過設(shè)置低溫和低溫干旱雙脅迫，采用2種玉米品種，研究比較不同濃度赤霉素浸種對(duì)萌發(fā)期玉米萌發(fā)性狀及其對(duì)脅迫的緩解作用，探索非生物逆境下春玉米萌發(fā)的有效化控技術(shù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試品種為自選組合CB15098(昌7-2改良系×鄭58改良系)和鄭單958(昌7-2×鄭58)。圖表中分別用CB15098和ZD958表示。試驗(yàn)前選取籽粒中等，均勻一致的種子，用1%次氯酸鈉溶液消毒玉米種子10 min，然后用蒸餾水沖洗干凈，用吸水紙吸干。

1.2 沙培試驗(yàn)

砂床制備。本試驗(yàn)采用砂中(S)發(fā)芽床，砂床用無化學(xué)污染的細(xì)砂為材料，鹽酸浸泡，清水洗滌，120～140 ℃高溫烘干(2 h)，使用前過篩(0.80 mm和0.05 mm孔徑的土壤篩)。發(fā)芽采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽盒(19 cm×13 cm×12 cm)，每盒50粒。

光照條件。播種后，將發(fā)芽盒放置在人工氣候箱內(nèi)，光周期14/10 h(光/暗)的活躍光環(huán)境中萌發(fā)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

脅迫類型：試驗(yàn)設(shè)10 ℃低溫處理，參照王璽[17]的方法設(shè)砂床飽和含水量的65%為正常水分，砂床飽和含水量的40%為干旱脅迫。砂床飽和含水量為26%，用稱重法定時(shí)稱重補(bǔ)水。3次重復(fù)。以胚芽露出沙面為標(biāo)準(zhǔn)，逐日統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽數(shù)，至幼苗露出沙面1～2 cm時(shí)，將發(fā)芽盒取出置于25 ℃條件下生長(zhǎng)，一葉一心期取樣測(cè)定生理生化指標(biāo)。

浸種處理：赤霉素濃度設(shè)置為10，50，100 mg/L(C1、C2、C3)，對(duì)照為清水浸種，在常溫下浸泡種子，每隔0.5 h用玻璃棒攪拌通氣，浸泡處理24 h。每處理50粒，3次重復(fù)，置于10 ℃的培養(yǎng)箱中萌發(fā)，其他條件設(shè)置與上述試驗(yàn)保持一致。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

發(fā)芽勢(shì)=開始發(fā)芽后3 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽率=置于室溫后的最終發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

形態(tài)性狀。采用根掃描儀(EPSON EXPRESSION TM 1680和WINRHIZO分析軟件)測(cè)定根系總長(zhǎng)度、根系表面積、根體積和平均直徑；用刻度尺測(cè)量地上部和根系長(zhǎng)度。

干/鮮質(zhì)量。一葉一心期取樣，分樣洗凈后吸干水分，用電子天平稱量地上部和根系鮮質(zhì)量；于105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，用電子天平稱量干質(zhì)量。

可溶性碳水化合物含量測(cè)定采用蒽酮比色法，丙二醛含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸(TBA)法。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Sigma Plot 10.0與作圖，SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫干旱脅迫對(duì)玉米發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響

不同濃度赤霉素浸種對(duì)發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響如圖1所示。

低溫脅迫下，與對(duì)照相比，C1處理后CB15098發(fā)芽勢(shì)極顯著增加了34.0個(gè)百分點(diǎn)，C2、C3處理后顯著增加了28.7和27.3個(gè)百分點(diǎn)。低溫干旱雙脅迫下，與對(duì)照相比，C1、C2和C3處理后CB15098發(fā)芽勢(shì)分別顯著增加了49.3，43.3和44.0個(gè)百分點(diǎn)。與對(duì)照相比，不同濃度赤霉素浸種提高了鄭單958的發(fā)芽勢(shì)但增幅未達(dá)顯著水平。

低溫干旱脅迫下，與對(duì)照相比，C3處理后鄭單958和CB15098發(fā)芽率分別極顯著降低了10.7和11.3個(gè)百分點(diǎn)，C2處理后CB15098發(fā)芽率顯著降低了7.3個(gè)百分點(diǎn)。

低溫脅迫和低溫干旱雙脅迫下，CB15098對(duì)照處理發(fā)芽勢(shì)極顯著低于鄭單958對(duì)照處理發(fā)芽勢(shì)38.7和50.0個(gè)百分點(diǎn)。低溫脅迫下，C1、C2和C3處理CB15098發(fā)芽率分別極顯著低于鄭單958發(fā)芽率23.0，23.2和22.9個(gè)百分點(diǎn)；低溫干旱脅迫下，C1、C2和C3處理CB15098發(fā)芽率分別極顯著低于鄭單958發(fā)芽率22.4，27.1和23.8個(gè)百分點(diǎn)。

不同小寫或大寫字母間表示與同一品種同種脅迫類型下與對(duì)照的
差異達(dá)顯著(P<0.05)或極顯著水平p<0.01)。圖2-4同。
Different letters in lowercase usually represents a significant difference be-
tween marking treatment and control treatment(P<0.05)，different cap-
ital letters represents a significant difference between marking treatment
and control treatment(P<0.05).The same as Fig.2-4.

圖1 不同濃度赤霉素浸種對(duì)鄭單958
和CB15098發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響
Fig.1 Germinability and germination percentage
of ZD958 and CB15098 under chilling and drought
stress presoaked with different concentration of gibberellin

2.2 低溫干旱脅迫對(duì)干鮮質(zhì)量的影響

如表1所示，低溫脅迫下，C2處理后鄭單958和CB15098地上部鮮質(zhì)量較對(duì)照分別顯著增加了12.3%和105.4%，使CB15098地上部干質(zhì)量顯著增加了97.4%；C3處理后鄭單958和CB15098地上部鮮質(zhì)量較對(duì)照分別極顯著增加了20.0%和118.9%，使兩品種地上部干質(zhì)量較對(duì)照分別顯著增加了20.0%和100.0%。C2處理使CB15098全株鮮質(zhì)量和全株干質(zhì)量較對(duì)照分別顯著增加119.4%和100.0%，C3處理使CB15098全株鮮質(zhì)量和全株干質(zhì)量較對(duì)照分別顯著增加了93.5%和100.0%。

低溫干旱脅迫下，C1處理顯著或極顯著降低了兩品種地上部鮮質(zhì)量和全株鮮質(zhì)量，其中鄭單958地上部鮮質(zhì)量和全株鮮質(zhì)量較對(duì)照分別降低45.1%和30.4%，CB15098地上部鮮質(zhì)量和全株鮮質(zhì)量較對(duì)照分別降低40.5%和21.1%；同時(shí)C1處理極顯著增加了兩品種根系鮮質(zhì)量，鄭單958和CB15098根系鮮質(zhì)量較對(duì)照分別增加了6.1%和19.4%。

如表1所示，與對(duì)照相比，不同濃度浸種處理對(duì)低溫脅迫和低溫干旱脅迫下兩品種地上部含水量的影響均未達(dá)顯著水平。低溫脅迫下，C1處理使CB15098根系含水量較對(duì)照顯著降低13.1%。低溫干旱脅迫下，隨著濃度升高，C1、C2和C3處理分別使CB15098根系含水量顯著降低了40.1%，26.2%和5.2%，其中C1處理使CB15098全株含水量極顯著下降25.7%。低溫脅迫下，隨著濃度升高，C1和C2處理分別使ZD958全株含水量較對(duì)照顯著降低了2.4%和0.8%，C3處理使ZD958全株含水量較對(duì)照極顯著增加了13.7%，這可能是C1處理降低了ZD958地上部含水量并增加了根系含水量，C2處理增加了地上部含水量并降低了根系含水量，C3處理同時(shí)增加了地上部和根系含水量的結(jié)果。

表1 不同濃度赤霉素處理對(duì)脅迫下幼苗干鮮質(zhì)量及含水量的影響Tab.1 Dry and fresh weight and moisture content of seedlings under chilling and drought stress with different types of chemicals

注：不同大寫、小寫字母表示同一品種同種脅迫下處理間差異達(dá)極顯著、顯著水平，同一字母標(biāo)記表示差異不顯著。表2同。
Note：Values followed by different capital letters or lowercase letters within each column indicated significant difference at 0.01 and 0.05 level in con-
trast with the control treatment of single maize variety under same stress，values with same followed letters indicated no significant difference at 0.05 level.
The same as Tab.2.

2.3 低溫干旱脅迫對(duì)根冠協(xié)調(diào)性的影響

如圖2所示，低溫脅迫下，與對(duì)照相比，不同濃度赤霉素浸種抑制了鄭單958主根伸長(zhǎng)，促進(jìn)其地上部伸長(zhǎng)，C2和C3處理使鄭單958主根長(zhǎng)度分別顯著降低了13.9%和13.2%，使地上部高度分別顯著和極顯著增加了14.2%和17.3%。不同濃度赤霉素浸種抑制了CB15098主根和地上部伸長(zhǎng)，C1、C2和C3處理使CB15098主根長(zhǎng)度較對(duì)照分別極顯著降低了34.7%，33.3%和28.9%，C1、C2處理處理使CB15098地上部高度較對(duì)照分別極顯著降低了19.5%和9.4%。

圖2 不同濃度赤霉素處理對(duì)根冠長(zhǎng)度/總長(zhǎng)度的影響Fig.2 Ratio of length between root and shoot of seedlingsunder chilling and drought stress withdifferent concentration of gibberellin

低溫干旱脅迫下，與對(duì)照相比，不同濃度赤霉素浸種促進(jìn)了鄭單958主根和地上部伸長(zhǎng)，C1、C2和C3處理使ZD958主根長(zhǎng)分別極顯著增加了24.5%， 16.7%和20.4%，C1、C2和C3處理使鄭單958地上部高度分別極顯著增加了36.7%，62.3%和60.5%。與對(duì)照相比，C1處理使CB15098地上部長(zhǎng)度顯著增加了11.8%，C2和C3處理使地上部長(zhǎng)度分別極顯著增加了17.7%和52.5%。

如圖3所示，低溫脅迫下，與對(duì)照相比，不同濃度赤霉素浸種極顯著降低了鄭單958鮮質(zhì)量根冠比和干質(zhì)量根冠比，C1、C2、C3處理后鮮質(zhì)量根冠比和干質(zhì)量根冠比的降幅分別為17.4%，41.7%，38.5%和29.7%，33.9%，35.5%。C1處理使CB15098鮮質(zhì)量根冠比極顯著增加了52.2%，C2處理使CB15098鮮質(zhì)量根冠比顯著增加了19.7%。低溫干旱脅迫下，與對(duì)照相比，C3處理使兩品種鮮質(zhì)量根冠比分別顯著降低34.3%和23.3%，C1處理使CB15098鮮質(zhì)量根冠比顯著增加了23.4%。

圖3 不同濃度赤霉素處理對(duì)鮮干質(zhì)量根冠比的影響Fig.3 Ratio of fresh dry weight between root andshoot of seedlings under chilling and droughtstress with different concentration of gibberellin

2.4 低溫干旱脅迫對(duì)幼苗根系形態(tài)的影響

低溫脅迫下，CB15098根系形態(tài)對(duì)赤霉素浸種的響應(yīng)較鄭單958更加明顯。如表2所示，C1處理使CB15098根系總體積較對(duì)照顯著減少了15.4%，C2、C3處理使CB15098根系總體積較對(duì)照分別極顯著減少了26.8%和57.5%，C2和C3處理使CB15098根系平均直徑極顯著降低了24.0%和63.0%，C3處理使CB15098根系總表面積極顯著降低41.9%。C1處理使鄭單958總根長(zhǎng)顯著增加了22.0%。

低溫干旱脅迫下，鄭單958根系形態(tài)對(duì)赤霉素浸種的響應(yīng)更加明顯。如表2所示，與對(duì)照相比，C1處理顯著增加了鄭單958根系平均直徑，增幅148.9%，極顯著增加了鄭單958總根長(zhǎng)，根系總表面積和根系總體積，增幅分別為192.4%，142.4%和101.1%，C2處理使鄭單958總根長(zhǎng)和根系總表面積分別增加了158.5%和98.8%，增幅分別達(dá)極顯著和顯著水平，C3處理使鄭單958總根長(zhǎng)極顯著增加了141.2%。C1和C3處理使CB15098總根長(zhǎng)較對(duì)照分別極顯著增加65.3%和69.9%，使根系總表面積較對(duì)照分別顯著增加19.8%和20.3%。

2.5 低溫干旱脅迫對(duì)幼苗可溶性碳水化合物含量和丙二醛含量的影響

低溫脅迫及低溫干旱脅迫下，兩品種可溶性碳水化合物含量對(duì)赤霉素浸種處理的響應(yīng)幅度均要大于MDA的響應(yīng)幅度。如圖4所示，低溫脅迫下，C1、C2、C3處理使鄭單958和CB15098可溶性碳水化合物含量較對(duì)照分別極顯著降低了24.6%，40.7%，39.1%和34.8%，52.6%，39.7%。C1和C3處理使CB15098的MDA含量分別極顯著增加了10.9%和21.1%，C2處理使CB15098的MDA含量極顯著下降了7.1%。

低溫干旱脅迫下，C1、C2、C3處理使鄭單958和CB15098可溶性碳水化合物含量較對(duì)照分別極顯著降低了43.2%，21.7%，38.8%和51.5%，37.8%，58.1%；C2處理使鄭單958的MDA含量較對(duì)照顯著降低9.5%，C1處理使CB15098的MDA含量較對(duì)照顯著降低23.3%。

表2 不同濃度赤霉素處理對(duì)萌發(fā)期玉米籽粒根系形態(tài)性狀的影響Tab.2 Root morphology of maize seedlings ith different concentration of gibberellin

圖4 不同濃度赤霉素處理對(duì)幼苗可溶性碳水化合物和丙二醛含量的影響Fig.4 Water-soluble carbohydrate content andmalonaldehyde content of seedlings under chilling anddrought stress with different concentration of gibberellin

3 結(jié)論與討論

赤霉素是一種高效植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，有助于打破種子休眠，提高發(fā)芽率[18]。本研究發(fā)現(xiàn)不同濃度赤霉素浸種均能提升低溫或低溫干旱脅迫下的發(fā)芽勢(shì)，但赤霉素浸種對(duì)抗寒性較弱的CB15098的發(fā)芽勢(shì)促進(jìn)效果更顯著，且抑制了室溫下的兩品種發(fā)芽率，說明赤霉素浸種可以作為低溫地區(qū)的播前抗寒準(zhǔn)備工作，低溫脅迫下提高浸種的赤霉素溶液濃度，或低溫干旱復(fù)合脅迫下降低赤霉素浸種濃度效果更佳。赤霉素最突出的生理效應(yīng)是促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)，在禾本科作物玉米[19]、水稻[20]和小麥[21]上均有研究顯示赤霉素浸種或噴施有助于促進(jìn)地上部伸長(zhǎng)，本研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素浸種在低溫脅迫和低溫干旱脅迫下均不同程度促進(jìn)了幼苗地上部的伸長(zhǎng)，表明逆境條件下增施外源赤霉素仍然具有促進(jìn)莖伸長(zhǎng)的效果。地上部長(zhǎng)度對(duì)赤霉素浸種的響應(yīng)差異一方面是品種間抗寒性的差異造成的，本研究中低溫脅迫和低溫干旱脅迫下對(duì)照處理的鄭單958發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均高于CB15098，鄭單958表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗寒耐寒能力；另一方面可能是品種間的赤霉素敏感度差異造成的，有研究發(fā)現(xiàn)陜單902和農(nóng)大108之間的化控調(diào)節(jié)劑敏感性不同是造成其株高和莖粗對(duì)化控試劑的響應(yīng)差異原因之一[22]。本研究中，無論地上部高度絕對(duì)值還是赤霉素浸種后地上部高度的增幅鄭單958均大于CB15098，說明鄭單958地上部高度的赤霉素敏感性更強(qiáng)。

低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致吸脹冷害，造成種子物理性損傷[23]和種子活力下降[24]，降低出苗率，并抑制隨后的苗期生長(zhǎng)[25]。玉米籽粒萌苗期遭遇干旱脅迫會(huì)改變萌發(fā)環(huán)境的水分狀況。有研究認(rèn)為，籽粒萌發(fā)階段，干旱脅迫發(fā)生時(shí)種子萌發(fā)環(huán)境的水分含量下降，種子的吸脹速率降低，延緩或減輕了低溫脅迫引發(fā)的吸脹冷害。前人研究發(fā)現(xiàn)，5 ℃低溫下吸脹期油菜種子通過適當(dāng)降低土壤水勢(shì)有利于種子萌發(fā)[26]，本研究發(fā)現(xiàn)疊加干旱脅迫會(huì)進(jìn)一步降低低溫脅迫下的兩品種的發(fā)芽勢(shì)，這可能是由于玉米籽粒體積大，吸脹時(shí)間長(zhǎng)，使得吸脹冷害的發(fā)生概率和強(qiáng)度大于油菜籽粒。也有研究顯示，低溫不影響蒸騰作用但會(huì)造成根系吸水困難，進(jìn)而引發(fā)生理性干旱，低溫干旱并發(fā)會(huì)加劇作物的干旱脅迫強(qiáng)度。有研究顯示苗期干旱脅迫強(qiáng)度的增加導(dǎo)致株高的顯著下降[27]，低溫脅迫也明顯抑制了地上部生長(zhǎng)[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不噴施赤霉素的對(duì)照處理，低溫干旱雙脅迫較單一低溫脅迫極顯著降低了地上部高度，表明苗期遭遇低溫干旱雙脅迫的危害要強(qiáng)于單一脅迫。本研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)雙脅迫下可溶性碳水化合物含量下降，可溶性碳水化合物作為主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量降低導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)濃度降低[29]，使膜透性增加，破壞膜的穩(wěn)定性[30]，也證明干旱脅迫會(huì)加重低溫對(duì)苗期玉米的脅迫程度。