不同低溫貯藏對粳稻種子發(fā)芽及秧苗素質(zhì)的影響

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(天津農(nóng)學(xué)院，農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

種子儲藏維持其生活力對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、育種及種質(zhì)資源保存非常重要。水稻種子是活的生命體，即使在非常干燥和休眠狀態(tài)下仍進(jìn)行各種代謝活動，特別是種子胚及糊粉層的代謝活動相對較為活躍。呼吸作用和酶的活性是種子生命特征的重要體現(xiàn)，但呼吸作用和代謝活動的增強(qiáng)往往造成種子儲備養(yǎng)分的減少,即使養(yǎng)分不被耗盡，也可能引起化學(xué)組成的改變[1]，如蛋白質(zhì)的凝固，脂肪酸含量的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的改變，酶活性的降低，引起生命功能的喪失。諸多研究表明，水稻種子的老化與溫度[2-7]、濕度[8-9]、種子含水量[10-16]等有著密切的關(guān)系。由于華北地區(qū)較為干燥，水稻收獲后種子的含水量很快會降低到8%～9%，因此溫度對華北地區(qū)的水稻種子貯藏影響會更大一些。通常把每年10月份收獲到翌年4、5月份使用的水稻種子稱為當(dāng)年新種子，這一段時間氣溫較低，種子的呼吸代謝作用不強(qiáng)，種子的活力一般不存在問題。如果10月份收獲的種子到翌年經(jīng)過夏季高溫，種子的活力可能會大幅度下降。特別是近些年，由于全球氣候變暖，華北地區(qū)在夏季經(jīng)常出現(xiàn)40 ℃左右的高溫，對種子貯藏非常不利，這些經(jīng)過夏季高溫的種子稱為隔年陳種子。要保持水稻種子活力，減少高溫對種子活力造成的影響，低溫貯藏?zé)o疑是目前種子保存最為有效的方法。然而按照國際植物遺傳資源委員會推薦的標(biāo)準(zhǔn)修建種子庫，建低溫庫及維持其運(yùn)轉(zhuǎn)的費(fèi)用又非常昂貴，尋找取代低溫庫的廉價貯藏種子的方法和技術(shù)并作為保護(hù)水稻種質(zhì)資源的手段已十分迫切。為此，本研究以室溫處理當(dāng)年新種子為對照，分析了不同低溫處理下隔年陳種子的發(fā)芽和秧苗素質(zhì)情況，這對今后水稻種子的貯藏，提供了可參考性意見。

1 材料和方法

1.1 材 料

供試材料為2016年和2017年10月份收獲的津川1號、津原45、津稻417和越光4個粳稻品種。

1.2 方 法

1.2.1 試驗材料的處理

將2016年10月份收獲的水稻種子自然干燥至水分8%～9%，分別放置在室溫和-5，-25，-80 ℃的冰箱中貯藏備用，2017年重新繁殖該4個品種，10月份收獲的種子作為當(dāng)年新種子， 共5個處理。

1.2.2 發(fā)芽試驗

2017年12月份，每個品種、處理分別水選出比重1.0以上的飽滿種子50粒，用10% NaClO稀釋50倍后浸泡10 min進(jìn)行種子消毒，然后用蒸餾水沖洗種子后放入鋪有濾紙的發(fā)芽盒內(nèi)，每個發(fā)芽盒加入10 mL蒸餾水，蓋上盒蓋并移入恒溫發(fā)芽箱中發(fā)芽10 d，每天調(diào)查發(fā)芽種子數(shù)。發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)為胚根伸長達(dá)到種子長度同時胚芽伸長到種子一半，發(fā)芽箱的溫度設(shè)置為25 ℃。

1.2.3 幼苗培養(yǎng)試驗

待種子完全發(fā)芽后，打開發(fā)芽盒蓋子，移至溫室中進(jìn)行幼苗培養(yǎng)，溫度為30 ℃。在幼苗培養(yǎng)過程中，根據(jù)需要給發(fā)芽盒內(nèi)補(bǔ)水，以保證幼苗生長的充足水分，培養(yǎng)時間為15 d。

1.2.4 發(fā)芽情況調(diào)查

發(fā)芽勢(%)=(發(fā)芽后5 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

發(fā)芽指數(shù)(GI)=(∑Gt/Dt)，其中Gt為當(dāng)天的發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)。

1.2.5 秧苗素質(zhì)調(diào)查

種子發(fā)芽10 d后，移入人工氣候室進(jìn)行幼苗培養(yǎng)，溫度設(shè)定為30 ℃， 15 d后開始使用游標(biāo)卡尺測定秧苗莖基部的寬度和厚度，用直尺測定苗高，葉色的測定使用日本產(chǎn)SPAD 502進(jìn)行，并計算葉齡和測定單位苗高干重等指標(biāo)。

1.2.6 根系形態(tài)調(diào)查

用剪子把幼苗的根全部剪下來，使用日本產(chǎn)EPSON EXPRESSION 10000XL J 181 A型根系分析儀對幼苗的根進(jìn)行掃描，測定根的總長度、根的平均直徑、根的體積、根的表面積和根尖數(shù)。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，平均值的比較采用Duncan的SSR測驗，表格的制作用Excel軟件來完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻種子的發(fā)芽情況調(diào)查

天津隸屬于華北地區(qū)，播種時間一般為4月中旬，這一時期的最高氣溫在25 ℃左右，為了模擬田間氣候特點(diǎn)，將發(fā)芽溫度設(shè)定為25 ℃。表1中列出了4個品種5個處理條件下的水稻種子發(fā)芽情況。從表1可以看出，室溫處理的隔年陳年種子和當(dāng)年新種子以及低溫處理的隔年種子相比，發(fā)芽速度較慢，即室溫處理在經(jīng)過4 d后才開始發(fā)芽，尤其是津原45在實(shí)驗進(jìn)行7 d后，才開始有2粒種子發(fā)芽，而其它處理在實(shí)驗經(jīng)過3 d后就已經(jīng)開始發(fā)芽。另一方面，從發(fā)芽的籽粒數(shù)來看，室溫處理條件下，水稻種子即使發(fā)芽，但發(fā)芽的粒數(shù)較少，到第9天發(fā)芽粒數(shù)不再變動時，最高的也只有越光品種的33粒，而其它處理在經(jīng)過9 d的發(fā)芽試驗后，基本上達(dá)到或接近全部發(fā)芽。當(dāng)年新種子和低溫處理的隔年種子相比，雖然發(fā)芽開始時間相同，但開始發(fā)芽當(dāng)天的發(fā)芽粒數(shù)明顯較少，這可能與當(dāng)年新種子剛收獲時間不長，實(shí)驗前沒有進(jìn)行打破休眠處理，部分種子還處在半休眠狀態(tài)有關(guān)。室溫放置的陳種子發(fā)芽速度慢可能與高溫下種子的呼吸代謝作用較強(qiáng)，造成營養(yǎng)成分的減少，酶活性的降低，進(jìn)一步導(dǎo)致種子發(fā)芽時啟動速度較慢有關(guān)。

表1 水稻品種發(fā)芽情況調(diào)查

注：T 1為當(dāng)年種子；T 2為隔年種子，室溫放置；T 3為隔年種子，-5 ℃低溫處理；T 4為隔年種子，-25 ℃低溫處理；T 5為隔年種子-80 ℃超低溫處理。下同。

2.2 水稻種子的發(fā)芽勢

種子發(fā)芽勢是衡量種子生活力強(qiáng)度、發(fā)芽和出苗整齊度的一個重要指標(biāo)，以規(guī)定的日期內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)占供試種子數(shù)的百分率來表示。從表2中可以看出，室溫處理條件下各品種的發(fā)芽勢和其它處理相比均顯著降低，特別是津原45為0，此處理的平均值和其它處理間均存在顯著差異，而其它各處理的發(fā)芽勢接近100%，無明顯差異。就品種而言，雖然各品種間的發(fā)芽勢有所不同，但除室溫處理外，其余處理間差異不大。品種的平均值以津原45為最低，主要是因為室溫處理的發(fā)芽勢太低所致，但各品種的平均值間不存在顯著差異。

表2 不同處理的發(fā)芽勢比較(%)

注：同一行或列中相同字母的表示差異不顯著，不同字母的表示差異顯著；顯著水平p=0.05。下同。

2.3 水稻種子的發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽勢只考慮了在一定時間內(nèi)種子的發(fā)芽數(shù)，而發(fā)芽指數(shù)不僅考慮了種子的發(fā)芽數(shù)，還涉及到發(fā)芽速度，在生產(chǎn)中更具有實(shí)際意義。從表3可以看出，室溫處理條件下各品種的發(fā)芽指數(shù)和其它處理相比均顯著較低，特別是津原45為0.3，此處理的平均值和其它處理間均存在顯著差異。其它處理中，2017年收獲當(dāng)年新種子的發(fā)芽指數(shù)為12.6，與低溫處理的發(fā)芽指數(shù)也存在明顯差異，這主要是因為當(dāng)年新種子在實(shí)驗經(jīng)過3 d時的發(fā)芽種子較少所致。就品種而言，各品種室溫處理的發(fā)芽指數(shù)最小，當(dāng)年新種子次之，低溫處理的發(fā)芽指數(shù)值最大，這主要是由于室溫條件下，夏季溫度過高，種子老化速度快，從而引起種子活力下降所致。另一方面，當(dāng)年新種子由于收獲時間較短，可能沒有完全打破休眠，造成發(fā)芽速度遲緩，進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)芽指數(shù)的降低。品種的平均值以津原45為最低，主要是因為室溫處理的發(fā)芽指數(shù)太低所致，但各品種的平均值間不存在顯著差異。

表3 不同處理的發(fā)芽指數(shù)比較

2.4 水稻秧苗素質(zhì)

活力指數(shù)(VI)=S×GI(S為發(fā)芽t時間時胚根及胚軸的總長度，GI為發(fā)芽指數(shù))。從活力指數(shù)的計算公式來看，用活力指數(shù)來表示種子的活力更具有實(shí)際意義，當(dāng)然，活力指數(shù)大的種子發(fā)育成苗的可能性更高，但不一定是全部。所以本試驗中并未對活力指數(shù)進(jìn)行測定，而是模擬當(dāng)?shù)貧夂驐l件，將發(fā)芽的種子移入人工氣候室內(nèi)進(jìn)行了幼苗培養(yǎng)(人工氣候室的溫度設(shè)定為30 ℃，這和5月中下旬插秧時的最高溫度相接近)。并對秧苗素質(zhì)和根系形態(tài)進(jìn)行了調(diào)查。表4中分別列出了處理以及品種的秧苗素質(zhì)調(diào)查結(jié)果，從表4可以看出，各處理在莖基部寬厚度和葉齡上的平均值均以室溫處理為最低，以2017年收獲的當(dāng)年新種子為最高，但各處理間不存在顯著差異。在苗高、葉色和單位苗高莖葉干重上同樣以室溫處理為最低，以2017年收獲的當(dāng)年新種子為最高，但室溫處理和其它處理間均存在顯著差異，即室溫處理在此3個調(diào)查項目上明顯較低。就品種而言，除苗高和葉色的平均值存在顯著差異外，其余各調(diào)查項目，品種間的平均值不存在顯著差異。

表4 處理和品種的秧苗素質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為品種或處理的平均值。下同。

2.5 水稻種子的根系形態(tài)

水稻對養(yǎng)分的吸收與利用很大程度取決于根系的生長和形態(tài)，且根系形態(tài)與地上部分生物量及養(yǎng)分的累積有著緊密的關(guān)系,所以根系發(fā)育的好壞也可作為評價秧苗素質(zhì)的一個重要指標(biāo)。表5列出了不同處理、品種的根系的單苗總根長、表面積、體積、根尖數(shù)和平均直徑，從表5可以看出，2017年收獲當(dāng)年新種子的單苗總根長、表面積、體積和根尖數(shù)均為最高，和低溫處理間不存在明顯差異，但和室溫處理的陳種子差異顯著。平均直徑以室溫處理為最高，且和其它各處理間存在顯著差異。以上結(jié)果表明，室溫處理的陳種子，可用于養(yǎng)分和水分吸收的毛細(xì)根較少，根系的發(fā)育較差。就品種而言，4個品種在單苗總根長、表面積、體積、根尖數(shù)和平均直徑上均存在顯著差異，這主要和品種本身的遺傳因素有關(guān)，津稻417除平均直徑外，其余各項指標(biāo)值為最大，表明該品種的根系發(fā)育較好。

表5 處理和品種的根系形態(tài)

3 討 論

種子是極為重要的生產(chǎn)資料，是農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步的重要載體，其在農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率中的比例在發(fā)達(dá)國家已達(dá)60%以上，歷史上每一次農(nóng)作物單產(chǎn)和質(zhì)量的飛躍都與品種的更替和種子科學(xué)的發(fā)展有關(guān)[17]，高質(zhì)量的種子是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的關(guān)鍵因素。種子從收獲到再次播種往往需經(jīng)過一個比較長的階段，如是品種資源，則在庫中保存的時間更長。因此，做好種子貯藏，保持種子的活力顯得尤為重要。種子活力的測定一般包括發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，活力強(qiáng)的種子在田間的成苗率會較高，但不一定是全部。本試驗在測定發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)后沒有直接測定活力指數(shù)，而是進(jìn)行幼苗培養(yǎng)和秧苗素質(zhì)測定，這比活力指數(shù)的測定更具有實(shí)際意義。從發(fā)芽實(shí)驗的結(jié)果來看，室溫放置處理條件下，種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)明顯較低，老化速度較快(表2，表3)，而低溫處理條件下發(fā)芽勢和當(dāng)年新種子無明顯差異，這說明高溫會導(dǎo)致種子呼吸代謝作用增強(qiáng)，種子老化速度快，這一結(jié)果和報道的諸多文獻(xiàn)結(jié)果相一致[8,18-20]。但當(dāng)年新種子的發(fā)芽指數(shù)顯著低于低溫處理，這與上面所述的新收獲種子可能還有部分處于休眠狀態(tài)有關(guān)。從品種來看，室溫處理條件下的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)較低且品種間差異較大(表2，表3)，特別是津原45，50粒種子只有2粒發(fā)芽(表1)，與品種間的差異和品種本身的遺傳特性有關(guān)，這與朱世揚(yáng)、REN等的觀點(diǎn)相一致[21-22]。所以在實(shí)際生產(chǎn)中盡量不要使用隔年陳種子，在不得已情況下必須使用時，一定要進(jìn)行種子活力測定，并加大用種量，以保證出苗率，但類似津原45這樣的陳種子不能作為生產(chǎn)用種。

秧苗素質(zhì)的好壞對水稻的生長發(fā)育、產(chǎn)量[23]和品質(zhì)[24]的形成會產(chǎn)生重要影響，所以研究種子發(fā)芽后幼苗發(fā)育素質(zhì)情況具有非常重要的意義。從本試驗來看，當(dāng)年收獲的新種子秧苗素質(zhì)最好，3個低溫處理的秧苗素質(zhì)和當(dāng)年新種子相比雖略差，但差異不大。但室溫貯藏的陳種子，秧苗素質(zhì)和其它處理相比明顯較差(表4)。這說明在華北地區(qū)自然條件下，水稻收獲后用低溫保存水稻種質(zhì)資源是完全可行的。品種間在葉色和苗高方面差異明顯， 表明品種幼苗期在這2個項目的遺傳差異較大。從根系形態(tài)來看，和秧苗素質(zhì)調(diào)查情況有著類似的結(jié)果，即當(dāng)年收獲的新種子根系發(fā)達(dá)，3個低溫處理和當(dāng)年新種子相比雖略有降低，但差異不大,室溫貯藏的陳種子的根系發(fā)育和其它處理相比明顯較差(表5),表現(xiàn)出了根系發(fā)育和地上部生長的一致性。

此次實(shí)驗是對2年不同低溫貯藏水稻種子的分析結(jié)果，實(shí)驗室內(nèi)仍保存有不同低溫貯藏的實(shí)驗用種,如果貯藏更長時間，不同低溫處理間在種子活力、秧苗素質(zhì)和根系形態(tài)上是否存在差異，或者說在種子發(fā)芽率保持在80%以上的情況下，不同低溫處理條件下最多能保存多少年，仍需進(jìn)一步實(shí)驗驗證。此外，本次試驗的3個低溫處理均使用冰箱保存，這主要適用于少量水稻種質(zhì)資源的保存，對于生產(chǎn)上大面積的生產(chǎn)用種來講，由于存儲空間較大，如采用低溫處理，需要耗費(fèi)大量能源。但生產(chǎn)用種的貯藏時間較短，一般不超過2年，為了保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源，有必要對生產(chǎn)用種的適宜貯藏溫度做進(jìn)一步的研究。另一方面，目前水稻種質(zhì)資源的貯藏多使用種子庫，由于種子庫空間大，能源耗費(fèi)多，且運(yùn)行不穩(wěn)定，所以使用低溫冰箱貯藏更為理想。為此，發(fā)明制作專門用于種子貯藏的大型低溫冰箱，將種子袋編號放入冰箱，不但方便育種家需要時隨時取出使用，而且根據(jù)保存時間長短的需要，設(shè)定貯藏溫度，避免不必要的能源浪費(fèi)，這將是我國未來種質(zhì)資源長期貯藏保存的一個重要研究方向。