不同浸種劑對(duì)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)特性的影響

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(1.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 山西 大同 037009; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 北京 100193)

玉米作為我國重要糧食作物，在糧食安全、畜禽飼料、工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]。東北地區(qū)處于玉米種植黃金帶，是我國重要的玉米生產(chǎn)區(qū)域[2]，以一年一季的春玉米生產(chǎn)為主導(dǎo)，由于早春低溫冷害時(shí)有發(fā)生，對(duì)玉米種子萌發(fā)出苗產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。玉米在萌發(fā)出苗期遭受低溫脅迫，容易導(dǎo)致種子發(fā)芽出苗延遲，出現(xiàn)粉種、爛種的現(xiàn)象，造成缺苗斷壟，導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)[4]。如何利用化學(xué)調(diào)控手段，克服品種遺傳缺點(diǎn)，增強(qiáng)玉米抗低溫發(fā)芽出苗能力，以適應(yīng)環(huán)境變化，對(duì)保證玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、耐冷具有現(xiàn)實(shí)意義。玉米喜溫，最適萌發(fā)溫度為25～28 ℃，早春低于10 ℃的低溫，就會(huì)抑制玉米種子的萌發(fā)出苗[5]，破壞玉米的活性氧清除系統(tǒng)，損傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致幼苗代謝紊亂，造成玉米發(fā)芽時(shí)間延長，出苗不整齊，植株弱小[6]。低溫脅迫下，玉米幼苗可溶性糖含量與耐低溫能力呈正相關(guān)，通過滲透調(diào)節(jié)作用，來維持低溫下細(xì)胞的滲透勢(shì)，增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性[7]。低溫脅迫還造成玉米幼苗內(nèi)源激素系統(tǒng)紊亂，進(jìn)而限制了正常的種子萌發(fā)及幼苗發(fā)育[8]。植物生長調(diào)節(jié)劑能通過調(diào)節(jié)玉米幼苗細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝，達(dá)到提高抗寒性，適應(yīng)環(huán)境脅迫的作用，其中赤霉素[9]、脫落酸[10]、水楊酸[11]、甜菜堿[12]、尿囊素[13]、多胺[14]等物質(zhì)具有明顯提升幼苗抗寒性的作用。本研究設(shè)置10 ℃低溫萌發(fā)環(huán)境，比較浸種劑處理和對(duì)照處理間種子發(fā)芽率等萌發(fā)特性指標(biāo)以及幼苗胚根胚芽形態(tài)指標(biāo)變化，測(cè)定可溶性糖含量、α-淀粉酶活性、幼苗內(nèi)源激素IAA、GA3、ZR、ABA的含量，對(duì)不同浸種劑的作用效果進(jìn)行比較。研究在低溫條件下浸種劑對(duì)玉米萌發(fā)特性、形態(tài)變化、生理指標(biāo)的影響，對(duì)不同浸種劑進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，為生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。

表1 浸種劑配方

處理6KGKAK6GA ck藥劑6-BA+KClGA3+KClALL+KCl6-BA+GA3+ALL+KClH2O濃度(0.1+1)mmol/L(0.1+1)mmol/L(1+1)mmol/L(0.1+0.1+1+1)mmol/L-

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與浸種劑處理

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)部耕作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。玉米品種為鄭單958，由北京德農(nóng)種業(yè)提供。玉米種子先用1% NaClO溶液消毒10 min，然后采用6-BA(6-芐氨基嘌呤)、GA3(赤霉素)、ALL(尿囊素)、KCl(氯化鉀)等按照不同配比復(fù)配的浸種劑(見表1)浸種12 h，經(jīng)滅菌水沖洗后置于鋪有2層濾紙邊長為10 cm的正方形種子發(fā)芽盒內(nèi)，每盒100粒種子，放置于10 ℃人工氣候箱進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，設(shè)置4次重復(fù)，試驗(yàn)期間根據(jù)情況及時(shí)補(bǔ)充蒸餾水。

1.2 種子萌發(fā)特性測(cè)定

以胚根長超過種子長度，胚芽長超過種子長度一半作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，分別記錄每天發(fā)芽數(shù)，計(jì)算發(fā)芽率。并取發(fā)芽12 d種子的胚芽、胚根及殘留胚乳，于烘箱中105 ℃殺青15 min, 然后在80 ℃下烘干至恒重，分別稱量，得幼苗(胚芽+胚根)干重、殘留胚乳干重。

發(fā)芽率(%) = 發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

儲(chǔ)存物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)=幼苗干重/(幼苗干重+殘留胚乳干重)×100%。

1.3 幼苗生理指標(biāo)測(cè)定

取發(fā)芽第12天幼苗，測(cè)定α-淀粉酶活性及可溶性糖含量[15]。

α-淀粉酶活性的測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色定糖法進(jìn)行，以每分鐘產(chǎn)生1 mg麥芽糖所需要的酶量為一個(gè)酶活單位。

可溶性糖含量的測(cè)定采用蒽酮比色法。

1.4 幼苗形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)處理分別取發(fā)芽第12天玉米胚芽、胚根各10份，采用WinRHIZO根系掃描系統(tǒng)測(cè)定平均直徑、平均長度、總表面積、總體積。

1.5 幼苗內(nèi)源激素含量測(cè)定

取發(fā)芽第12天玉米胚芽0.2 g，加4 mL 樣品提取液(80%甲醇，內(nèi)含1 mmol/L BHT)，冰浴下研磨成勻漿，搖勻后4 ℃下靜置提取4 h后，1 000×g 離心15 min，取上清液。在離心沉淀中加入1 mL 提取液，搖勻后在4 ℃下再靜置提取1 h，離心后取上清液與前次上清液合并，并記錄體積。上清液過C-18 固相萃取柱，過柱后的樣品用氮?dú)獯蹈?，去除提取液中的甲醇，? mL 樣品稀釋液定容，參照宋松泉等[16]的酶聯(lián)免疫法測(cè)定內(nèi)源激素，酶聯(lián)免疫試劑盒由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件和IBM SPSS Statistics 21軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，采用Duncan’s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；采用Excel 2013軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸種劑對(duì)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)特性的影響

由圖1可見，不同處理間發(fā)芽率存在較大差異，其中浸種劑處理從發(fā)芽試驗(yàn)第7天至第11天均顯著高于對(duì)照處理(p<0.05)，且這種優(yōu)勢(shì)一直持續(xù)到發(fā)芽試驗(yàn)第12天。不同浸種劑之間也存在較大差異，從發(fā)芽試驗(yàn)第7天至第10天不同浸種劑的發(fā)芽率整體表現(xiàn)為6 GA>6 K>GK>AK>ck，且6 GA處理均顯著高于其他處理(p<0.05)。在發(fā)芽試驗(yàn)第7天，6 GA浸種后玉米種子發(fā)芽率從20.5%提高到54.2%，且在發(fā)芽試驗(yàn)第9天即達(dá)到發(fā)芽率超過95%的高峰期，早于其他處理，其中較對(duì)照早3 d，較其他浸種劑處理早1～2 d，表明浸種劑有緩解低溫脅迫，提高玉米發(fā)芽率，提前完成發(fā)芽過程的作用。

由圖2、圖3可知，在低溫條件下，不同浸種劑處理提高了玉米種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，均表現(xiàn)為6 GA>6 K>GK>AK>ck，其中6 GA、6 K、GK 3種浸種劑均顯著高于對(duì)照(p<0.05)，AK浸種劑處理與對(duì)照差異不顯著。表明不同浸種劑處理均緩解了低溫脅迫，其中6 GA緩解效果最為顯著，發(fā)芽指數(shù)比對(duì)照高39.4%，活力指數(shù)比對(duì)照高30.7%，浸種劑處理保證了玉米種子的萌發(fā)速率和發(fā)芽的一致程度。

圖1 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米發(fā)芽率的影響

圖2 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米發(fā)芽指數(shù)的影響

圖3 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米活力指數(shù)的影響

發(fā)芽過程中，玉米種子的貯藏物質(zhì)逐步轉(zhuǎn)化成為幼苗，低溫處理后玉米發(fā)芽能力有所降低，使用浸種劑處理后，顯著提高了玉米種子貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(p<0.05)。由圖4可見，6 GA浸種劑能顯著提升低溫脅迫下玉米種子的貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率，其他浸種劑雖然均顯著高于對(duì)照(p<0.05)，但其增加幅度小于6 GA浸種劑，與對(duì)照相比較，6 GA浸種劑處理的貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率提高了11.2%。

圖4 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率的影響

2.2 不同浸種劑對(duì)低溫脅迫下玉米種子幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

浸種劑對(duì)玉米種子萌發(fā)的影響，直接表現(xiàn)在對(duì)胚根胚芽的直徑、長度、體積等形態(tài)指標(biāo)上，由表2可以看出，不同浸種劑處理后，玉米幼苗胚根、胚芽各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)基本都高于對(duì)照，僅GK處理在胚根長度和胚芽長度兩項(xiàng)指標(biāo)低于對(duì)照。6 GA、6 K浸種劑在各項(xiàng)指標(biāo)上都顯著優(yōu)于對(duì)照，GK浸種劑在胚芽長度和胚芽體積兩項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于對(duì)照，其他指標(biāo)與對(duì)照差異不顯著，AK浸種劑在胚根長度顯著優(yōu)于對(duì)照，其他指標(biāo)與對(duì)照差異不顯著。

不同浸種劑對(duì)玉米幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響也存在差異，其中6 GA與6 K 2種浸種劑對(duì)胚根、胚芽各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)的促進(jìn)作用，在全部浸種劑中都是最優(yōu)的，但兩者之間各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)之間差異不顯著。GK浸種劑在胚根直徑、胚芽直徑兩項(xiàng)指標(biāo)與6 GA及6 K浸種劑差異不顯著，其他形態(tài)指標(biāo)都顯著低于這2種浸種劑處理，在胚芽直徑上顯著高于AK，在胚根長度、胚根體積上顯著低于AK，在胚根直徑和胚芽長度上與AK差異不大。AK浸種劑在胚根直徑、胚根長度和胚芽長度上與6 GA、6 K 2種浸種劑差異不顯著，在胚芽直徑和胚芽體積上顯著低于6 GA和6 K 2種浸種劑。

2.3 不同浸種劑對(duì)低溫脅迫下玉米種子幼苗α-淀粉酶活性和可溶性糖含量的影響

由圖5可以看出，不同浸種劑對(duì)低溫下玉米種子萌發(fā)過程中α-淀粉酶活性均產(chǎn)生不同影響，6 GA和GK 2種浸種劑處理后，玉米種子α-淀粉酶的活性均顯著高于其他處理，其中6 GA比對(duì)照高64.1%，GK比對(duì)照高56.5%，但2種浸種劑之間無顯著差異。6 K和AK 2種浸種劑均顯著高于對(duì)照，6 K比對(duì)照高34.7%，AK比對(duì)照高39.5%，但兩者之間差異不顯著。

表2 不同浸種劑對(duì)玉米種子胚根和胚芽形態(tài)指標(biāo)的影響

處理根平均直徑(mm)根平均長度(cm)根平均體積(mm3)芽平均直徑(mm)芽平均長度(cm)芽平均體積(mm3)6GA1.70±0.05a2.29±0.9a51.8±3ab1.45±0.07a6.8±0.7a11.0±0.5a6K1.73±0.08a2.43±3a56.7±2.2a1.40±0.06a6.8±0.6 a10.4±0.8aGK1.65±0.08ab1.90±1.5b40.3±2.9d1.39±0.08a5.6±0.6 b8.5±0.2bAK1.63±0.05ab2.21±1.1a48.3±2.4bc1.23±0.10b6.0±0.4 ab7.3±1.3bcck1.61±0.01b2.18±3.7b44.5±7.6cd1.24±0.09b5.7±0.4 b6.9±1.3c

注：小寫字母表示0.05水平差異顯著。

圖5 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米α-淀粉酶活力的影響

可溶性糖在低溫脅迫下能夠起到有效滲透調(diào)節(jié)作用，從圖6看來，6 GA和GK 2種調(diào)節(jié)劑顯著提高了低溫下玉米幼苗的可溶性糖含量，分別比對(duì)照提高了60.5%和35.8%，而6 K和AK浸種劑雖然可溶性糖含量高于對(duì)照處理，但差異不顯著，同時(shí)也顯著低于6 GA及GK處理。

圖6 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米可溶性糖含量的影響

2.4 不同浸種劑對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗內(nèi)源激素含量的影響

圖7是經(jīng)不同浸種劑處理后，在低溫脅迫下發(fā)芽第12天玉米幼苗中IAA、GA3、ZR、ABA 4類內(nèi)源激素的含量，由圖7可知，浸種劑對(duì)玉米幼苗內(nèi)源激素產(chǎn)生了不同影響。

IAA是促進(jìn)胚芽伸長生長的重要內(nèi)源激素，浸種后，在低溫下各浸種劑處理中幼苗IAA含量均顯著高于對(duì)照處理，而6 GA處理顯著高于其他浸種劑，且比對(duì)照處理高27.6%，其他浸種劑處理IAA含量差異不顯著。

GA3是促進(jìn)種子萌發(fā)，誘導(dǎo)合成水解酶類的一種內(nèi)源激素，浸種劑處理的GA3含量都顯著高于對(duì)照處理，其中GK和AK 2種浸種劑處理的GA3含量都顯著高于其他處理，兩者之間差異不顯著，6 GA和6 K 2種浸種劑之間的GA3含量差異不顯著，處理間GA3含量表現(xiàn)為GK>AK>6 GA>6 K>ck。

ZR是調(diào)控根尖、莖尖等頂端分身組織發(fā)育的重要內(nèi)源激素，有促進(jìn)幼苗根系活力的作用，6 GA浸種劑處理后，玉米幼苗顯著高于其他處理，比對(duì)照含量高44.5%。6 K、GK、AK 3種浸種劑處理顯著高于對(duì)照，三者ZR含量差異不顯著，處理間ZR含量表現(xiàn)為6 GA>GK>6 K>AK>ck。

浸種劑處理對(duì)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)過程中的ABA含量影響不明顯，不同浸種劑處理與對(duì)照的ABA含量存在一定差異，但差異沒有達(dá)到顯著水平，不同浸種劑之間差異同樣沒有達(dá)到顯著水平。

3 討 論

玉米種子萌發(fā)需要滿足一定的積溫條件[17]，當(dāng)種子萌發(fā)期間遭遇低溫脅迫，就會(huì)導(dǎo)致種子萌發(fā)時(shí)間延長，種子活力下降，出苗不整齊，發(fā)生粉種、爛種、死苗等嚴(yán)重后果[18]。在播種后遭遇低溫，玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)降低，出苗緩慢，時(shí)間推遲[19]，增加了病害侵染幾率，導(dǎo)致出苗后幼苗小、瘦、弱[20]。在本研究中，浸種劑處理提升發(fā)芽率的同時(shí)，縮短了發(fā)芽時(shí)間，其中6 GA浸種劑能夠促進(jìn)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)時(shí)間提早3 d。發(fā)芽指數(shù)可以反映種子發(fā)芽的速率和整齊程度，發(fā)芽指數(shù)越高，表明種子發(fā)芽速率和整齊度也越高。活力指數(shù)反映了種子在萌發(fā)過程中的活力大小，活力指數(shù)越高，出苗狀況表現(xiàn)越好[21]。本試驗(yàn)中，浸種劑提高了玉米發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，其中6 GA浸種劑處理后提升幅度最大，分別比對(duì)照提高了39.4%和30.7%，表現(xiàn)出發(fā)芽整齊，幼苗活力高，能為后期苗齊、苗壯奠定基礎(chǔ)。

圖7 不同浸種劑對(duì)低溫下玉米胚芽內(nèi)源激素的影響

種子發(fā)芽過程就是一個(gè)將籽粒胚乳中的貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到胚根、胚芽進(jìn)行幼苗建成，提供營養(yǎng)生長消耗的過程[22]。在萌發(fā)期，貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)效率的高低，關(guān)系到幼苗形成壯苗的潛力大小，幼苗獲得的營養(yǎng)物質(zhì)越多，其營養(yǎng)生長越旺盛，其適應(yīng)非生物逆境的能力就越強(qiáng)，越有利于其抵御非生物脅迫[23]。本研究中，浸種劑處理后，提升了種子低溫脅迫下α-淀粉酶活性，提高了胚乳淀粉的轉(zhuǎn)化效率，表現(xiàn)為種子貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率比對(duì)照提高了11.2%。

研究表明低溫脅迫抑制幼苗胚根、胚芽的生長發(fā)育，導(dǎo)致玉米胚根長、芽長、胚芽鮮重下降[24]，在本研究中，浸種劑處理可以改善低溫對(duì)幼苗胚根、胚芽形態(tài)指標(biāo)的影響，其中6 GA與6 K 2種浸種劑對(duì)胚根、胚芽直徑、長度、體積都有較好的促進(jìn)作用，這對(duì)胚芽鞘頂土出苗，根系形態(tài)建成有利。

玉米種子萌發(fā)過程遭遇低溫脅迫后，由于活性氧平衡破壞，導(dǎo)致自由基積累加大，造成膜系統(tǒng)損傷[25]，進(jìn)而對(duì)內(nèi)源激素代謝造成影響，導(dǎo)致激素水平紊亂[26]。植物對(duì)外界因素的響應(yīng)，可以通過內(nèi)源激素水平來表達(dá)，低溫脅迫下，內(nèi)源激素對(duì)幼苗生長發(fā)育起著重要的調(diào)節(jié)作用。浸種劑處理顯著提高了幼苗IAA、ZR及GA3含量，對(duì)ABA含量影響不顯著。浸種劑提高了胚芽IAA含量，這有助于莖尖伸長[27]，對(duì)胚芽鞘減少留土?xí)r間，加速出苗有促進(jìn)作用，這與魏湜等[28]，王興等[8]對(duì)低溫脅迫下幼苗根系的研究結(jié)果有所不同，可能與本研究取樣對(duì)象為胚芽有關(guān)。ZR含量的提高有利于提高幼苗抗寒性，作為信號(hào)有利于調(diào)整環(huán)境脅迫下的代謝反應(yīng)，對(duì)膜保護(hù)酶活性的提高有利，進(jìn)而提高幼苗抗性[29]。經(jīng)浸種劑處理后的種子在萌發(fā)過程中，胚芽ZR含量高于對(duì)照處理，且6 GA浸種劑在IAA、ZR含量促進(jìn)效果上都是最優(yōu)的。玉米種子萌發(fā)過程中GA3具有打破種子休眠、誘導(dǎo)α-淀粉酶合成的作用[30]，本研究中胚芽中GA3的含量水平與α-淀粉酶活性、可溶性糖含量變化趨勢(shì)相似，其中包含有GA3組分的6 GA和GK浸種劑，作用效果最為顯著。研究表明，ABA對(duì)促進(jìn)植物抗寒性具有重要作用[30]，但本研究中，各處理間ABA含量差異并不顯著，可能與種子萌發(fā)時(shí)間較短，ABA的調(diào)節(jié)作用尚未明顯發(fā)揮出來有關(guān)。

4 結(jié) 論

利用不同植物生長調(diào)節(jié)劑復(fù)配的浸種劑，具有顯著提高低溫脅迫下玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率等萌發(fā)特性指標(biāo)的作用，并能增強(qiáng)α-淀粉酶活性，提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖含量，促進(jìn)胚根、胚芽直徑、長度、體積等形態(tài)指標(biāo)，并能調(diào)節(jié)胚芽內(nèi)源激素含量，顯著增強(qiáng)IAA、GA3及ZR含量，綜合各項(xiàng)指標(biāo)，6 GA復(fù)配浸種劑性能優(yōu)于單一組分浸種劑，具有顯著提高玉米種子低溫脅迫下發(fā)芽出苗能力的作用。