外源抗壞血酸對棉花種子萌發(fā)耐冷性的影響

(石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003)

低溫是影響植物生長和分布的全球性自然災害的因素之一[1]，也是限制冷敏感作物產(chǎn)量和品質及地域分布的最主要的逆境因子。棉花是世界性的經(jīng)濟作物，我國是世界最大的棉花生產(chǎn)國，其生產(chǎn)對我國的工農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的作用[2]。棉花屬于錦葵科棉屬植物，原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶，喜溫好光，對低溫脅迫具有敏感性。而且低溫冷害在棉花生長發(fā)育的各個階段均有發(fā)生，輕則引起生育期延遲，產(chǎn)量下降，品質變差[3]，重則導致棉花絕收[4]。因此，提高棉花的耐冷性是保證棉花產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要手段。

種子萌發(fā)以及幼苗的生長是植物生活史的始點，也是植物適應外部環(huán)境的起點，更是植物生長發(fā)育最敏感的時期[5]，在此時期遭遇低溫不僅會減緩棉花種子的萌發(fā)速度，還常導致棉花種子爛種、爛芽、甚至死苗[6]，對植株生長發(fā)育及產(chǎn)量品質形成造成嚴重影響。新疆是我國最大的棉花生產(chǎn)基地，但北疆棉區(qū)播種期常遭受低溫冷害天氣，如何提高種子萌發(fā)的耐冷能力是該區(qū)棉花生產(chǎn)中急需解決的問題?？箟难?維生素C)，是一種在植物體內(nèi)普遍存在的抗氧化物質，可以有效的去除植物體內(nèi)活性氧自由基，提高植物抗逆性，在調節(jié)植物生長和生理功能方面起著重要作用。已有研究表明，外施抗壞血酸可提高植物對不良環(huán)境的適應能力[7]，外源抗壞血酸具有增強植物耐鹽性、緩解衰老、緩解重金屬及不適溫度條件脅迫等作用[8]。在耐冷性上，抗壞血酸已被應用于番茄、小麥、西瓜等多種作物[7,9-10]，但棉花上未見相關研究報道?；诖?，本研究以新疆北疆棉區(qū)主栽陸地棉品種新陸早61號為材料,通過研究外源抗壞血酸對低溫脅迫下棉花種子萌發(fā)特性的影響，探索適宜的引發(fā)濃度、時間及處理組合，以期對探索克服低溫冷害脅迫下影響棉花種子萌發(fā)的技術和棉花抗逆機理研究提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

本試驗以新疆北疆棉區(qū)主栽早熟陸地棉品種新陸早61號為材料，棉花種子由新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室棉花育種室保存和提供。

1.2 方 法

1.2.1實驗方法

引發(fā)處理：挑選飽滿、未破損經(jīng)硫酸脫絨的種子，用3%的次氯酸鈉(NaClO)浸泡10 min消毒滅菌后，自來水沖洗3～5次洗去殘留消毒液，后放置于經(jīng)高溫蒸汽滅菌后的錐形瓶中，以濃度為0，25，50，100，200 mg/L的抗壞血酸溶液，于15 ℃下分別引發(fā)3，6，12，24 h，各引發(fā)處理組合按照0 mg/L引發(fā)3 h、0 mg/L引發(fā)6 h、0 mg/L引發(fā)12 h、0 mg/L引發(fā)24 h、25 mg/L引發(fā)3 h……200 mg/L引發(fā)24 h編號為C 1、C 2、C 3、C 4、C 5……C 20。引發(fā)處理后的種子用蒸餾水沖洗干凈，并用濾紙吸干表面水分后，于室溫(25 ℃)下回干48 h至原含水量。以經(jīng)3%次氯酸鈉消毒10 min而未引發(fā)的種子為對照(ck)，每個處理設定3個重復，每個重復30個種子。

萌發(fā)試驗：將回干后的種子轉移到墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中(濾紙和培養(yǎng)皿均采用高溫蒸汽滅菌法滅菌處理)，每個培養(yǎng)皿中加入3 mL蒸餾水浸濕濾紙。在15 ℃ RXZ型智能人工氣候箱中進行種子萌發(fā)培養(yǎng)，晝夜交替15 h/9 h，光照度1 600～2 000 lx。連續(xù)發(fā)芽處理8 d，每天記錄發(fā)芽種子的數(shù)量(萌發(fā)標準為胚根突破種皮長度達到種子長度的1/2)并依實際情況補加適量蒸餾水。

1.2.2指標測定

測定常用的種子萌發(fā)指標(發(fā)芽勢、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)及平均發(fā)芽時間)來分析種子萌發(fā)特性。發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt(式中：Gt為不同時間(t,d)的發(fā)芽量，Dt為相應的發(fā)芽試驗天數(shù))，其它各指標的具體測定方法及定義參照李志博等[11]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用SPSS 19軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、標準誤計算和Duncan多重比較；用SigmaPlot 12.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同引發(fā)濃度對棉種萌發(fā)指標的影響

種子萌發(fā)是植物生長整個生命活動的起點，是植物生活史中最關鍵的階段之一。低溫脅迫在很大程度上影響著植物種子的萌發(fā)，由圖1 A可知，低溫脅迫下各萌發(fā)指標都下降到了一個極低的程度，但隨著引發(fā)濃度的增大，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)及發(fā)芽指數(shù)皆呈先升后降的趨勢，而平均發(fā)芽時間則隨濃度的增加大大縮短。相比于對照(ck)，在各項種子萌發(fā)指標上不同引發(fā)濃度與其均有顯著性差異(p<0.05)。其中發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)均為50 mg/L抗壞血酸溶液引發(fā)時結果最優(yōu)，分別較ck提高了8.89%、5.13、0.23；而發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間為200 mg/L抗壞血酸溶液引發(fā)時結果最優(yōu)，分別較ck提高了15.00%、-0.97 d，但在50 mg/L抗壞血酸溶液引發(fā)時發(fā)芽率及平均發(fā)芽時間也分別較ck提高了14.72%、-0.91 d。徐建偉等研究表明，在低溫逆境下，隨著低溫加重，各發(fā)芽指標受到影響最大依次為發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)、發(fā)芽率和平均發(fā)芽速度[12]。也就是說，發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及種子萌發(fā)指數(shù)對低溫脅迫的敏感性高于發(fā)芽率和平均發(fā)芽速度(平均發(fā)芽時間)，更適合作為棉花種子萌發(fā)耐冷性的快速鑒定和評價指標。由試驗結果分析可知，最適的外源抗壞血酸引發(fā)濃度為50 mg/L。

2.2 不同引發(fā)時間對棉種萌發(fā)指標的影響

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)及平均發(fā)芽時間是評價種子萌發(fā)的常用指標。它可以反映種子的活力、發(fā)芽的整齊度、幼苗的健壯及種子萌發(fā)速度的潛勢。各種子萌發(fā)指標在不同引發(fā)時間下的變化趨勢如圖1 B所示?？梢钥闯?，隨著引發(fā)時間的延長，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢，而平均發(fā)芽時間則隨引發(fā)時間的延長顯著縮短。且當引發(fā)時間≥12 h時，各項種子萌發(fā)指標相比于ck均有顯著性差異(p<0.05)。引發(fā)24 h結果最優(yōu)，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)及發(fā)芽指數(shù)較ck分別提高了15.56%、22.89%、0.37和8.22，平均發(fā)芽時間較ck縮短了1.16 d，各項指標較對照在0.05顯著水平上均差異顯著。

2.3 不同引發(fā)處理組合對棉種萌發(fā)指標的影響

種子引發(fā)是提高種子活力的有效途徑[13]，且溶液引發(fā)作為目前常用的引發(fā)方法之一，確定不同引發(fā)劑的最佳引發(fā)濃度和引發(fā)時間是至關重要的。本試驗不同引發(fā)濃度及時間的處理組合對種子萌發(fā)指標的影響如圖2所示?？芍?，相比于ck，僅有C 12、C 16兩個處理提高了低溫下棉種的發(fā)芽勢，分別提高了24.44%、15.56%，較ck差異達極顯著水平(p<0.01)；處理C 8、C 12極顯著提高了低溫下棉種的發(fā)芽率和種子萌發(fā)指數(shù)，分別提高了26.66%、30.00%和0.41、0.53，較ck在0.01顯著水平上差異極顯著；C 8、C 12、C 16及C 20這4個處理均極顯著(p<0.01)提高了棉種的發(fā)芽指數(shù)，其中處理C 12效果最好，較ck提高了11.89；處理C 3、C 4、C 7、C 8、C 10、C 11、C 12、C 15、C 16、C 17、C 19、C 20均縮短了低溫下棉花種子平均發(fā)芽時間，相比于ck差異均達到極顯著水平(p<0.01)，但處理C 12結果最優(yōu)，較ck顯著縮短平均發(fā)芽時間1.39 d。其余處理組合相比于ck皆無極顯著差異。分析可知，C 8(25 mg/L引發(fā)24 h)、C 12(50 mg/L引發(fā)24 h)、C 16(100 mg/L引發(fā)24 h)這3個處理組合均能大幅度提高棉花種子萌發(fā)耐冷性，但以處理組合C 12提升幅度最大、效果最優(yōu)。

注：不同字母表示不同處理間的差異顯著(p<0.05，Duncan測驗)。下同。圖1 不同引發(fā)濃度及時間下各種子萌發(fā)指標變化

圖2 不同引發(fā)處理組合下各種子萌發(fā)指標變化

3 討 論

低溫冷害是影響棉花生長發(fā)育的主要因素之一，在棉花生長發(fā)育的各個時期均有發(fā)生[3,14]。在低溫脅迫條件下，棉花細胞內(nèi)原有的自由基代謝平衡會遭到破壞，從而使自由基不斷增加，光合作用受到抑制、滲透調節(jié)物質迅速積累及抗氧化酶活性下降，進而引起生理生化代謝功能紊亂，導致傷害發(fā)生[15]?？箟难嶙鳛橹参矬w內(nèi)重要的抗氧化劑，在植物抗氧化脅迫中發(fā)揮著重要作用，近年來，關于抗壞血酸在提高植物逆境適應性方面的研究越來越多[8]。本研究初步探討了抗壞血酸對棉花種子萌發(fā)耐冷性的影響，研究結果對探索克服低溫冷害脅迫下影響棉花種子萌發(fā)的技術和進行棉花抗逆機理研究都具有重要的實踐和理論意義，尤其對穩(wěn)定新疆棉花的戰(zhàn)略地位具有極為重要的作用。

種子引發(fā)可以促進種子萌發(fā)，提高種子發(fā)芽速率和整齊度，但種子引發(fā)效果與引發(fā)劑的類型、引發(fā)時間的長短、引發(fā)的方法和作物品種有很大關系[16]。因此，確定不同引發(fā)劑的最佳引發(fā)濃度和引發(fā)時間是至關重要的。本研究表明，濃度為50 mg/L的抗壞血酸溶液對提高棉花種子萌發(fā)耐冷性的效果最佳，且隨著引發(fā)時間的延長，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)及發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢，而平均發(fā)芽時間則隨時間的延長顯著縮短，最適宜引發(fā)時間為24 h。由不同濃度、時間引發(fā)處理組合對棉種萌發(fā)耐冷性影響的試驗結果可知，以濃度為50 mg/L的抗壞血酸溶液對棉花種子引發(fā)24 h對提高棉花種子萌發(fā)耐冷性的效果最優(yōu)，這與劉曉輝[7]在外源抗壞血酸提高西瓜幼苗耐冷性方面的研究結果一致。

但從實驗結果中可以看出，在“有限”的24 h處理時間內(nèi)，隨著引發(fā)時間的延長試驗數(shù)據(jù)未出現(xiàn)“上限拐點”，因此基于24 h以后的引發(fā)結果如何還需要從理論上設置更長的時間來進行研究，但是，在實驗中發(fā)現(xiàn)，當棉花種子低溫(15 ℃)下經(jīng)抗壞血酸引發(fā)24 h后，已有少量種子的胚根突破種皮，因此考慮大田生產(chǎn)播種實際情況，24 h引發(fā)時間似乎為最佳的抗壞血酸引發(fā)時間。同時還發(fā)現(xiàn)，雖然100 mg/L和200 mg/L的耐冷性引發(fā)效果都低于最佳引發(fā)濃度50 mg/L的結果，但出現(xiàn)了200 mg/L的數(shù)據(jù)略微高于100 mg/L的“數(shù)據(jù)不穩(wěn)”的現(xiàn)象，原因及機理需后續(xù)更深入的研究分析。此外，本試驗僅研究了棉花的萌芽期，關于外源抗壞血酸是否能提高其它生長階段的耐冷性以及最佳的濃度都需要進一步研究，且對提高其它棉花品種耐冷性的影響還有待進一步探究。