PEG模擬干旱條件下大豆萌發(fā)特性研究

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(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾 041000)

隨著全球氣候變暖和水資源危機(jī)加劇，干旱已成為威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一[1-3]。目前，在我國(guó)規(guī)定的五大審定類(lèi)農(nóng)作物中，大豆因蛋白質(zhì)、脂肪含量高、生育期短、生育期需水量較小、養(yǎng)地節(jié)肥等特點(diǎn)而備受關(guān)注[4]。研究大豆在干旱生產(chǎn)作業(yè)條件(土壤水分含量低、非澆灌地等)的萌發(fā)特性，對(duì)保證齊苗、壯苗和產(chǎn)量形成具有重要意義。對(duì)抗旱性研究方法有干旱區(qū)栽培、盆栽、抗旱基因檢測(cè)等[5-10]，其中不同PEG-6000濃度模擬干旱脅迫方法因具備簡(jiǎn)單、可靠、易行等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種植物抗旱研究中[11-22]。山西南部地區(qū)常年播種大豆面積約占山西省大豆播種面積的1/3，是大豆重要產(chǎn)區(qū)和生態(tài)區(qū)。但目前針對(duì)該地區(qū)主栽品種或典型品種的萌發(fā)期抗旱性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，設(shè)置了5個(gè)質(zhì)量濃度PEG-6000溶液，模擬不同干旱脅迫條件，研究5個(gè)本地區(qū)典型大豆品種萌發(fā)特性，旨在為大豆萌發(fā)期抗旱研究和實(shí)際生產(chǎn)中品種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所大豆實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試品種：晉豆36，晉豆19，晉遺31，晉大70，汾豆79，均為山西省南部主要或典型品種。均為黃色種皮大豆，生育期總體上表現(xiàn)為：晉豆36抗旱性表現(xiàn)一般，晉豆19耐旱，晉遺31和汾豆79抗旱性好，晉大80鑒定為一級(jí)抗旱。參照前人研究結(jié)果，設(shè)置了不同質(zhì)量濃度的PEG-6000溶液，模擬不同水勢(shì)，具體為：0(ck)、5%、10%、15%、20%，對(duì)應(yīng)水勢(shì)0(ck)、-0.1、-0.2、-0.4、-0.6 MPa[14]。

試驗(yàn)主要步驟：在直徑9 cm塑料培養(yǎng)皿中，鋪2層濾紙，加入20 mL相應(yīng)濃度溶液，并做液面標(biāo)記于培養(yǎng)皿外壁，蓋上。選取25粒顏色均勻、大小和外觀一致、飽滿(mǎn)的大豆種子，用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡消毒2 min，蒸餾水沖洗干凈，均勻擺放在培養(yǎng)皿濾紙上，蓋好，置于光溫培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度25 ℃，光照12 h。每處理3次重復(fù)，每隔24 h觀察統(tǒng)計(jì)萌發(fā)率，并補(bǔ)充蒸餾水至標(biāo)記位置，確保濃度相對(duì)穩(wěn)定和濾紙濕潤(rùn)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)進(jìn)行7 d，計(jì)算公式如下：

首日萌發(fā)率(%)=(首日萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽勢(shì)(%)=(前4 d 內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽率(%)=(前7 d 內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)。

式中:Gt為t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用DPS 7.05軟件和SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析前進(jìn)行必要的反正弦平方根轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果與分析

2.1 首日發(fā)芽率

進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)24 h后，首日發(fā)芽率方差分析見(jiàn)表1，重復(fù)間差異不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)控制效果較好。進(jìn)行Duncan多重比較，品種間、濃度間差異均極顯著。均值比較見(jiàn)表2、表3，不同品種間，首日發(fā)芽率表現(xiàn)依次為：晉豆36>晉大70>汾豆79>晉遺31>晉豆19，前4個(gè)品種間無(wú)顯著差異，但前3個(gè)品種均極顯著高于晉豆19，晉遺31顯著高于晉豆19。不同濃度間，隨著濃度升高，萌發(fā)率降低。除對(duì)照0%與5%處理間無(wú)顯著差異外，其余水平間差異極顯著。平均首日發(fā)芽率從10%濃度開(kāi)始明顯下降，且差異極顯著，20%濃度下，均值降至4%。由圖1可看出，0%、5%處理下，品種間首日發(fā)芽率差異不明顯，10%處理下差異最明顯。值得關(guān)注的是晉豆36，在不同濃度處理下，首日發(fā)芽率變化曲線最平緩，在15%和20%這樣較高濃度處理下首日萌發(fā)率最高。

表1 首日發(fā)芽率方差分析

變異來(lái)源平方和自由度均方F值p值重復(fù)間147.76273.881.620.21品種間1048.784262.195.750.00濃度間74323.95418580.99407.830.00品種×濃度4074.1216254.635.590.00誤差2186.904845.56總變異81781.5074

表2 不同品種首日發(fā)芽率多重比較

品種均值(%)5%水平11%水平晉豆3668.0aA晉大7065.0aA汾豆7963.7aA晉遺3161.3aAB晉豆1954.3bB

注：不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上的差異顯著，不同大寫(xiě)字母表示在0.01水平上的差異顯著性。下同。

表3 不同濃度首日發(fā)芽率多重比較

濃度(%)均值(%)5%水平1%水平098.3aA596.3aA1086.3 bB1527.3cC204.0dD

圖1 不同處理首日發(fā)芽率變化

2.2 發(fā)芽勢(shì)

發(fā)芽勢(shì)方差分析和Duncan多重比較，結(jié)果見(jiàn)表4～表6。品種間、濃度間差異極顯著，不同品種的發(fā)芽勢(shì)排序，與首日萌發(fā)率均值排序相比，發(fā)生了較大變化。汾豆79發(fā)芽勢(shì)顯著高于晉遺31，極顯著高于晉豆36和晉豆19；晉大70顯著高于晉豆19，與其他4個(gè)品種差異不顯著；晉遺31、晉豆36、晉豆19之間差異不顯著。不同濃度的發(fā)芽勢(shì)排序，與首日發(fā)芽率排序相比無(wú)變化，但差異顯著程度有變化，即從15%處理開(kāi)始，發(fā)芽勢(shì)差異表現(xiàn)極顯著。具體表現(xiàn)為：0、5%、10%三者之間無(wú)顯著差異，15%處理極顯著低于前三者，20%處理極顯著低于其他處理。圖2顯示，從濃度15%處理開(kāi)始，發(fā)芽勢(shì)開(kāi)始出現(xiàn)顯著下降和明顯分化。

表4 發(fā)芽勢(shì)方差分析

變異來(lái)源平方和自由度均方F值p值重復(fù)間201.02 2 100.51 4.03 0.02 品種間588.73 4 147.18 5.91 0.00 濃度間17580.12 4 4395.03 176.41 0.00 品種×濃度1224.75 16 76.55 3.07 0.00 誤差1195.87 48 24.91 總變異20790.4774

表5 不同品種發(fā)芽勢(shì)多重比較

處理均值(%)5%水平1%水平汾豆7996.3aA晉大7091.7abAB晉遺3190.3bcAB晉豆3688.3bcB晉豆1987.7cB

表6 不同濃度發(fā)芽勢(shì)均值多重比較

處理(%)均值(%)5%水平1%水平0100.0aA5100.0aA10100.0aA1595.7bB2058.7cC

圖2 不同處理發(fā)芽勢(shì)變化

2.3 發(fā)芽率

發(fā)芽率方差分析和Duncan多重比較，結(jié)果見(jiàn)表7～表9。品種間、濃度間差異極顯著。不同品種的發(fā)芽率排序與發(fā)芽勢(shì)排序相比，變化不大。具體表現(xiàn)為：晉豆36和晉豆19交換位次，其他位次無(wú)變化。汾豆79、晉大70發(fā)芽率顯著高于晉豆19、晉豆36，晉遺31與汾豆79、晉大70、晉豆19差異不顯著，但顯著高于晉豆36，汾豆79極顯著高于晉豆36。不同濃度的發(fā)芽率排序，與首日發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)排序相比，均無(wú)變化，

表7 發(fā)芽率方差分析

變異來(lái)源平方和自由度均方F值p值重復(fù)間19.38 2 9.69 0.42 0.66 品種間397.59 4 99.40 4.35 0.00 濃度間2828.93 4 707.23 30.94 0.00 品種×濃度1015.17 16 63.45 2.78 0.00 誤 差1097.33 48 22.86 總變異5358.40 74

表8 不同品種發(fā)芽率多重比較

品種均值(%)5%水平1%水平汾豆7999.7aA晉大7099.3aAB晉遺3198.7abAB晉豆1995.7bcAB晉豆3695.0cB

表9 不同濃度發(fā)芽率多重比較

濃度(%)均值(%)5%水平1%水平0100.0aA5100.0aA10100.0aA1599.3aA2089.0 bB

圖3 不同處理發(fā)芽率變化

但差異顯著程度有變化，即從20%處理開(kāi)始，發(fā)芽率出現(xiàn)極顯著下降趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為：前四者之間無(wú)顯著差異，20%極顯著低于其他處理。圖3顯示，從濃度20%處理開(kāi)始，發(fā)芽率出現(xiàn)了極顯著下降和明顯的高低分化。

2.4 發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)方差分析和Duncan多重比較，結(jié)果見(jiàn)表10、表11。品種間差異不顯著、濃度間差異極顯著。不同濃度的發(fā)芽指數(shù)排序，與首日發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率排序相比無(wú)變化，但差異顯著程度有變化，即從15%處理開(kāi)始，發(fā)芽指數(shù)出現(xiàn)極顯著下降。具體表現(xiàn)為：0、5%、10%三者之間無(wú)顯著差異，15%極顯著低于前三者處理，20%處理極顯著低于其他處理。圖4顯示，從濃度15%處理開(kāi)始，發(fā)芽指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)極顯著下降。從濃度10%處理開(kāi)始品種間發(fā)芽指數(shù)出現(xiàn)明顯高低分化。

表10 發(fā)芽指數(shù)方差分析

變異來(lái)源Ⅲ型平方和自由度均方F值p值校正模型777.927a897.24189.9790截距5664.97115664.9715241.9050品種8.70542.1762.0140.141濃度769.2224192.306177.9440誤差17.291161.081總計(jì)6460.18925校正的總計(jì)795.21824

注：a.R2=0.978(調(diào)整R2=0.967)。

表11 不同濃度的發(fā)芽指數(shù)多重比較

處理(%)均值5%水平1%水平019.83aA519.62aA1018.57aA1511.37bB205.88cC

圖4 不同處理發(fā)芽指數(shù)變化

3 討 論

PEG-6000因分子量大，不易進(jìn)入植株細(xì)胞內(nèi)等特性，被廣泛用于抗旱研究領(lǐng)域[11-22]。對(duì)于不同植物，對(duì)應(yīng)的有效篩選抗旱PEG濃度并不完全相同。比如，20% PEG-6000處理8 h，適合作為幼苗黃芩抗旱材料的篩選條件[11]，這一濃度也是評(píng)價(jià)亞麻抗旱性的最適濃度[12]。5%～10% PEG-6000濃度適合篩選小豆苗期抗旱性生理指標(biāo)并鑒定抗旱性[13]。10% PEG-6000可作為大麥發(fā)芽期判斷大麥抗旱性的適宜脅迫濃度[14]。

PEG-6000模擬干旱脅迫造成的萌發(fā)、生理、表觀特性變化主要表現(xiàn)在以下方面：大麥發(fā)芽率隨著濃度增加而降低[14]；不同濃度處理均降低鈴鐺刺和披針葉野決明種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、日相對(duì)發(fā)芽率和平均發(fā)芽速率，延緩種子萌發(fā)進(jìn)程[15]；玉米萌發(fā)中，也發(fā)現(xiàn)一定濃度對(duì)萌發(fā)指標(biāo)造成的顯著延緩效應(yīng)[16]；花生幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白等)和丙二醛(MDA)含量隨PEG濃度升高都顯著增加，并隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而積累[17]；隨著干旱脅迫加重和時(shí)間延長(zhǎng),小麥MDA含量均不斷升高[18];大麥幼苗葉片表皮蠟質(zhì)總量和各組分含量在PEG脅迫6 d后均呈極顯著增加[19]。這些現(xiàn)象均是植物對(duì)干旱脅迫的一種響應(yīng)。但也有研究發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)濃度PEG-6000溶液處理可促進(jìn)萌發(fā)；史鋒厚等對(duì)油松種子萌發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、處理時(shí)間和處理溫度對(duì)處理效果具有明顯影響[20]；陳士超等研究發(fā)現(xiàn)，5%～10%處理對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)和幼苗生理綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最優(yōu),是最適宜萌發(fā)的滲透勢(shì)條件[21]；張峻琳等研究表明，在35 ℃高溫脅迫下，5%～15% PEG-6000對(duì)北紫生1號(hào)、北紫生2號(hào)、北紫生3號(hào)種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用，25% 濃度對(duì)北紫生4號(hào)萌發(fā)作用顯著[22]?？梢钥闯觯瑵B透調(diào)節(jié)物質(zhì)、MDA含量上升是植物對(duì)干旱脅迫的重要響應(yīng)手段，通過(guò)這些植物降低了自身水勢(shì)，有利于獲得水分，起到抗旱效果。

在大豆方面，王燕平等利用PEG-6000模擬干旱脅迫研究了22份大豆品種(除吸水率使用30%質(zhì)量濃度外，其他指標(biāo)均使用15%)，發(fā)現(xiàn)品種間萌發(fā)性狀存在差異，12 h吸水率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、根長(zhǎng)指數(shù)與萌發(fā)抗旱系數(shù)呈極顯著正相關(guān)。鑒定出晉大74、晉大70等4個(gè)高抗旱品種[23]。本研究采用的PEG-6000濃度為0～20%，梯度為5%，過(guò)高或過(guò)低的濃度不適于對(duì)干旱模擬和萌發(fā)期抗旱鑒定。試驗(yàn)中在培養(yǎng)皿外壁設(shè)置液面刻度線標(biāo)記，方便了定量補(bǔ)充蒸餾水，減輕了整體換培養(yǎng)液的繁瑣工作，同時(shí)保持了試驗(yàn)濃度相對(duì)穩(wěn)定和可靠。研究發(fā)現(xiàn)，10% PEG-6000處理時(shí)，首日發(fā)芽率即出現(xiàn)極顯著下降；15%濃度處理時(shí)，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)出現(xiàn)極顯著下降；20%處理時(shí)，發(fā)芽率出現(xiàn)極顯著下降。結(jié)論基本符合前人報(bào)道的不同濃度PEG-6000對(duì)萌發(fā)指標(biāo)的影響和延緩效應(yīng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有的品種表現(xiàn)為播種初期抗旱萌發(fā)，但隨后抗旱能力表現(xiàn)不佳(如晉豆36)，有的品種表現(xiàn)為初期抗旱一般，但后期持續(xù)抗旱轉(zhuǎn)好(如汾豆79)，不同品種萌發(fā)特性表現(xiàn)不同?？傮w上，汾豆79、晉大70表現(xiàn)萌發(fā)期抗旱性表現(xiàn)較好。15%～20% PEG-6000比較適合大豆萌發(fā)期抗旱的篩選和鑒定。后續(xù)研究應(yīng)加強(qiáng)試驗(yàn)品種的廣泛性和代表性，加強(qiáng)生理生化和分子生物學(xué)變化分析和機(jī)理探索，設(shè)置更有效的濃度區(qū)分發(fā)芽率，跟蹤研究其他重要生育時(shí)期的抗旱性表現(xiàn)。