水分逆境下PEG誘導(dǎo)引發(fā)種子對糯玉米芽苗的生理調(diào)控

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，沈陽 110161)

水分逆境是造成全世界作物減產(chǎn)的最重要因素之一。水分脅迫可歸結(jié)為土壤水分過量和土壤水分虧缺[1]。對種植于我國北方的糯玉米而言，水分資源供應(yīng)有限，尤其在春季糯玉米生長的早期，干旱發(fā)生頻繁；而在南方潮濕的夏季，糯玉米可能遭受階段性或持續(xù)過度降雨、風(fēng)暴或洪水。此外，近年來由于全球變暖和氣候變化的不規(guī)律性，常常因降雨時間和降雨量不平衡而引起土壤水分波動，也會對糯玉米生產(chǎn)造成不利影響。

關(guān)于水分虧缺或過量對作物生長的影響，目前已開展了大量研究。通常情況下，種子發(fā)芽和早期幼苗生長對環(huán)境水分波動的耐受能力更為薄弱。因此，在早期生長階段遭受土壤水分脅迫可能會導(dǎo)致芽苗較高的死亡率，導(dǎo)致作物生產(chǎn)能力下降。研究顯示，誘導(dǎo)引發(fā)種子是一種促進水分逆境下種子發(fā)芽、出苗和幼苗形態(tài)建成的有效措施，在一些作物品種上已經(jīng)有所報道[2-4]。例如，早在1991年Hur報道，種子引發(fā)處理后意大利黑麥草和糯玉米在干旱、低溫、高鹽脅迫下的萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成情況有所改善[5]；Yuan-Yuan S等[6]研究了干旱條件下引發(fā)處理對水稻種子的影響。

然而，這些引發(fā)后改善種子萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成的生理原因目前還不十分清楚。因此，本試驗對PEG 誘導(dǎo)引發(fā)后種子發(fā)芽性能和抗逆性的生理變化進行了研究，旨在探討PEG誘導(dǎo)引發(fā)對糯玉米種子發(fā)芽和幼苗生理特性的調(diào)控，闡述水分逆境下其耐受能力增強的內(nèi)在原因，以期為糯玉米的抗逆栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗品種、地點

試驗于2017年在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院人工氣候室進行，試驗品種為京科糯2000。

1.2 土壤水分處理

設(shè)5個土壤水分處理，包括(Ⅰ)正常土壤供水，即田間土壤含水量為24%(對照)；(Ⅱ)16%的土壤水分含量(干旱)；(Ⅲ)32%的土壤水分含量(水分過量)；(Ⅳ)7 d干旱+7 d水分過量；(V)7 d水分過量+7 d干旱。土壤含水量采用土壤水分傳感器監(jiān)測，每天17：30時進行補水。

1.3 種子誘導(dǎo)引發(fā)處理

種子處理分為引發(fā)和不引發(fā)2種。引發(fā)處理：將種子在20%的PEG-8000中浸種40 h(20 ℃)。將種子用蒸餾水漂洗干凈，放置于20 ℃恒溫箱中，干燥至恒重。不引發(fā)處理：以未接觸過任何抗性處理的種子作對照。

1.4 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽，隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。塑料盆大小為直徑20 cm，盆深18 cm，每盆裝0.8 kg過篩干土，土壤類型為風(fēng)干粉質(zhì)壤土(0.49%有機碳、40.5%砂、16.3%粗泥沙、27.9%中等顆粒泥沙、15.3%粘土；土壤養(yǎng)分狀況為0.106%全氮，0.158%全磷，2.014%鉀，69 mg·kg-1有效氮，18.6 mg·kg-1有效磷，152.4 mg·kg-1有效鉀以及pH值6.8)。試驗人工氣候室進行，晝/夜溫度為30 ℃/24 ℃，濕度為50%，光照/黑暗周期為12 h/12 h，光照強度為190μmol·(m2·s)-1。

1.5 測定項目與方法

1.5.1萌發(fā)參數(shù)

每個水分處理的盆中播種引發(fā)和未引發(fā)的種子各10粒，每盆代表1個試驗單位，3次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計。從播種后5 d開始，每天進行檢查，記錄測定數(shù)值并進行統(tǒng)計分析，直至播種后15 d測定結(jié)束，將所有發(fā)芽種子收集，統(tǒng)計胚根長度大于種子長度的種子數(shù)量。發(fā)芽指數(shù)和活力指標(biāo)根據(jù)孫璐等[7]的方法進行測定，計算公式為：

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，式中Gt是t天時種子萌發(fā)數(shù)量，Dt代表播種后天數(shù)。

對于上述問題，仍用“3個0.5相加”來解釋顯然是不對的.傳統(tǒng)的小數(shù)乘法教學(xué)中，教師往往會忽略對于小數(shù)乘法意義的多方面理解.用單一模型講解小數(shù)乘法的意義，會使學(xué)生陷入誤區(qū)，同時對后續(xù)小數(shù)乘小數(shù)的意義理解形成影響.確切地說，學(xué)生不明白這種模型下為什么要用乘法，即3×0.5為什么表示“3的一半”！這一點在[4]中有較為詳細的研究.

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×胚根鮮重。

1.5.2生理參數(shù)

與萌發(fā)試驗分開，單獨每盆播種10粒引發(fā)和10粒未引發(fā)的種子，待出苗后每盆選取有代表性的引發(fā)和未引發(fā)處理的幼苗各1株定苗。播種后每盆噴灑60 mL Hoagland營養(yǎng)液，然后立即進行土壤水分脅迫處理。隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。相對含水量、根系活力、抗氧化系統(tǒng)、脂質(zhì)透性、O2-含量、細胞膜的穩(wěn)定性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等均在脅迫后15 d和30 d時進行測定。根系和葉片的相對水含量(RWC)通過公式進行計算：

RWC(%)=[(FW-DW)/(TW-DW)]×100%，(式中：FW為鮮重；DW為干重；TW為吸脹后重量)。DW為測定時樣品在烘箱中65 ℃烘至恒重；TW為測定樣品在4 ℃去離子水中浸泡24 h后的重量。根系活力、抗氧化系統(tǒng)(CAT、POD、APX、CAT、POD、MDA)及滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)(游離氨基酸、脯氨酸、可溶性糖、還原性糖等)采用作物生理研究法[8]進行測定。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用DPS 7.05軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，方差分析采用LSD方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)芽的表現(xiàn)

結(jié)果表明，不同種子引發(fā)處理、土壤水分脅迫處理以及它們的互作效應(yīng)對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均存在顯著影響(表1)。正常土壤水分供應(yīng)條件下引發(fā)和未引發(fā)的種子發(fā)芽表現(xiàn)均優(yōu)于水分脅迫下的萌發(fā)，二者差異不大。在土壤水分逆境下，引發(fā)的種子在發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)較未引發(fā)的種子均有所改善。此外，不同水分逆境下，干旱處理較其它土壤水分脅迫處理對種子發(fā)芽負面影響更大，但種子引發(fā)在干旱脅迫下可顯著提高其發(fā)芽性能。在處理種子5 d和15 d，未引發(fā)處理的種子在干旱脅迫下萌發(fā)率分別為39.58%和48.13%，而引發(fā)的種子在干旱脅迫下萌發(fā)率可分別達到43.21%和72.68%。

2.2 相對含水量

種子引發(fā)增強了不同土壤水分條件下植株葉片、根系和莖稈相對含水量(表2)。方差分析表明：在處理后15 d和30 d，種子處理和土壤水分脅迫處理對葉片、根系和莖稈的相對含水量差異顯著。其中干旱、水分過量和干旱-水分過量處理相對含水量均下降幅度較大。說明種子引發(fā)處理可顯著提高不同土壤水分環(huán)境下植株葉片、根系和莖稈的相對含水量，維持植株水分平衡。

表1 PEG引發(fā)對不同土壤水分條件下糯玉米萌發(fā)的影響

種子處理 土壤水分處理 發(fā)芽率/%處理后5d處理后15d發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)對照83.3886.4326.960.75干旱39.5848.1310.020.21未引發(fā)水分過量57.5561.8814.730.52干旱-水分過量44.2068.7516.700.64水分過量-干旱55.9870.7113.750.40對照83.4889.3829.460.85干旱43.2172.6824.550.67引發(fā)水分過量57.9564.8219.640.58干旱-水分過量65.8081.5218.660.78水分過量-干旱69.7372.6816.700.72LSD0.054.36.40.70.1種子處理F值15.28?89.17?214.66??428.57??土壤水分處理F值17.14?94.25?478.28??174.25???種子×土壤水分F值29.56?10.38?24.15??68.94??

注：“*”代表差異顯著，“**”代表差異極顯著下同。

表2 PEG引發(fā)對不同土壤水分條件下糯玉米相對含水量的影響

種子處理 土壤水分處理 相對含水量/% 處理后15d 處理后30d 葉根莖葉根莖對照82.0683.0279.1679.1680.1374.34干旱69.5162.7567.5869.5171.4472.40未引發(fā)水分過量71.4473.3769.5170.4776.2769.51干旱-水分過量78.2072.4072.4077.2374.3475.30水分過量-干旱74.3467.5874.3479.1672.4073.37對照83.0284.9582.0682.0669.5178.20干旱79.1683.0269.5179.1671.4474.34引發(fā)水分過量77.2380.1376.2781.0977.2377.23干旱-水分過量80.1373.3778.2083.0278.2078.15水分過量-干旱82.0680.1379.1682.0677.2379.16LSD0.055.83.96.74.83.23.9種子處理F值41.5?44.3?24.9?23.8?16.2?38.5?土壤水分處理F值33.9?21.5?10.6?18.5?9.8?11.7?種子×土壤水分F值8.4?1.72.7?8.9?1.45.9?

2.3 根系活力

結(jié)果表明，植株的根尖、根中間部分和基部相比具有更好的根系活力(表3)。方差分析結(jié)果表明，不同種子引發(fā)處理、土壤水分脅迫處理以及二者之間的互作效應(yīng)對植株的根尖、根中間部分和基部的根系活力均存在顯著影響。在處理后15 d和30 d，種子引發(fā)均顯著增強了植株的根尖與根中間部分和基部的根系活力，其中根尖更為突出。

2.4 抗氧化系統(tǒng)

在處理后15 d和30 d，對APX、CAT、POD和SOD等抗氧化酶活性測定結(jié)果表明，APX和CAT活性受種子引發(fā)處理影響程度最大，種子引發(fā)處理提高了所有土壤水分處理下的APX、CAT、POD和SOD活性，且種子處理間、土壤水分處理間和測定時期間均存在著顯著的互作(表4)。

幼苗葉子中MDA含量是評估抗氧化作用的重要指標(biāo)，分析發(fā)現(xiàn)，種子處理間、土壤水分處理間和測定時期間以及它們之間的互作對MDA活性都具有顯著影響(表4)。在處理后15 d和30 d，引發(fā)處理后的種子中MDA含量與未引發(fā)處理相比明顯降低。另外，種子引發(fā)處理的O2-在不同水分逆境下均表現(xiàn)為：種子引發(fā)處理降低了O2-的積累量。研究表明，引發(fā)處理后的種子中質(zhì)膜透性與未引發(fā)處理的相比降低明顯。

2.5 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

方差分析結(jié)果顯示，種子處理間、土壤水分處理間和測定時期間以及它們之間的互作對游離氨基酸和脯氨酸都具有顯著影響，它們之間還原糖含量差異也達到了顯著水平(表5)。此外，種子處理間、土壤水分處理間和測定時期間的互作效應(yīng)可溶性蛋白存在著顯著的互作作用?？傮w研究結(jié)果表明，在所有水分逆境處理下種子引發(fā)均增強了糯玉米幼苗葉片中還原糖、脯氨酸和可溶性糖含量。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，種子引發(fā)可促進不同的土壤水分逆境下糯玉米種子的萌發(fā)，增強其發(fā)芽性能。研究表明，種子引發(fā)處理可提高種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，如小麥、油菜、水稻和向日葵[9-11]；本研究結(jié)果與之基本一致。種子萌發(fā)和幼苗早期形態(tài)建成幾乎對所有作物來說都是生長的關(guān)鍵階段，而干旱和水分過量等水分逆境會嚴(yán)重降低發(fā)芽率和發(fā)芽整齊性[12]。因此，種子引發(fā)的主要效應(yīng)是增強種子對水分逆境的耐受能力，為種子萌發(fā)創(chuàng)造更好的環(huán)境[32]。

表3 PEG引發(fā)對不同土壤水分條件下糯玉米苗期根系活力的影響

種子處理土壤水分處理 根系活力/[μg·(g·h)-1] 處理后15d 處理后30d 根尖中部基部根尖中部基部對照132.8679.9247.75141.1688.2349.82干旱88.2346.7120.76113.1472.6625.95未引發(fā)水分過量96.5356.0518.6885.1153.9728.03干旱-水分過量77.8565.3928.03108.9977.8525.95水分過量-干旱107.9570.5834.25116.2573.7039.44對照132.8687.1956.05139.09105.8753.97干旱119.3767.4737.37132.8686.1541.52引發(fā)水分過量112.1056.0524.9183.0464.3538.40干旱-水分過量89.2748.7834.25121.4484.0850.86水分過量-干旱116.2572.6641.52119.3776.8146.71LSD0.050.580.470.381.140.520.28種子處理F值10.25?0.2812.54?21.54?8.2517.28?土壤水分處理F值19.87?15.27?2.58111.28??68.58?5.24種子×土壤水分F值533.84??852.41??987.25??142.58??245.18?1024.5??

表4 抗氧指標(biāo)化F值檢驗

自變量 因變量APXCATMDAO2-PODSOD種子處理326.60?514.04?256.29?154.37?322.26?142.30?土壤水分處理53.60?59.78?15.28?65.23?22.60?96.08?處理后天數(shù)18.85?30.90?156.37?23.31?30.63?146.79?種子×水分5.89?6.21?10.56?13.59?14.18?4.07種子×天數(shù)3.832.079.82?2.3512.16?3.95水分×天數(shù)22.55?31.08?25.57?2.819.31?16.92?種子×水分×天數(shù)1.044.5218.63?4.65?4.211.39

表5 滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)F值檢驗

自變量 因變量電導(dǎo)率游離氨基酸脯氨酸還原性糖可溶性糖可溶性蛋白種子處理655.06?211.15?356.73?190.81?52.64?295.50?土壤水份處理334.04?68.28?86.30?57.31?49.62?45.68?處理后天數(shù)417.83?825.07?921.31?70.95?74.42?736.49?種子×水份42.01?9.13?9.83?2.383.262.87種子×天數(shù)43.51?11.28?14.520.172.2219.02水份×天數(shù)19.18?6.398.950.3520.49?22.62?種子×水份×天數(shù)3.422.217.082.452.715.30

根系活力是恒量水分逆境下根系損傷的有效指標(biāo)[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，糯玉米幼苗的根系在土壤水分逆境下遭到了一定的損傷，尤其根尖和根中部活力下降明顯，種子引發(fā)處理與未引發(fā)處理相比增強了植株在不同土壤水分逆境下的根系活力。植物具有通過活性氧系統(tǒng)作用減輕其對植物體損害的防御機制，抗氧化系統(tǒng)包括APX、CAT、POD和SOD等，在遭受逆境時這些指標(biāo)的調(diào)節(jié)可有效緩解氧化損傷[13]。結(jié)果表明，種子引發(fā)處理改善了細胞膜的穩(wěn)定性和降低了脂質(zhì)過氧化，從而使APX、CAT、POD和SOD酶活性增強，尤其是APX、CAT變化最為活躍。本研究結(jié)果與Zhang C等[14]報道的PEG引發(fā)增強了荷紫蘇中SOD、POD和CAT的活性的研究結(jié)果基本吻合。

在干旱和水分過量等多種逆境下植物葉片中的脯氨酸含量會有所增加[15-16]。本試驗結(jié)果表明，脯氨酸含量在種子引發(fā)處理后糯玉米幼苗中顯著增加，游離氨基酸和可溶性蛋白含量也有所提高，特別是在處理后15 d測得的結(jié)果更為突出。水分逆境下的游離氨基酸的積累可能是由于蛋白的滲透調(diào)節(jié)所致，所以水分脅迫下增加的游離氨基酸含量可能是一種適應(yīng)機制。雖然在幼苗生長后期這種促進作用有所減弱，但種子引發(fā)處理仍可有效的加強這一生理適應(yīng)性。Chen and Arora[7]用PEG引發(fā)菠菜種子研究也得出了類似的結(jié)論。

綜上所述，采用PEG引發(fā)種子對不同水分逆境下糯玉米發(fā)芽和幼苗生長都具有促進作用。PEG引發(fā)種子顯著提高了葉綠素含量和根系活力，并有利于保持幼苗根、莖相對含水量在土壤水分逆境下維持平衡。另外，種子引發(fā)處理增強了水分逆境下APX、CAT、POD和SOD等抗氧化酶的活性，促進了游離氨基酸、脯氨酸的積累，同時促進了還原性糖和可溶性糖的活動，降低了MDA積累和細胞電解液的泄漏。因此，增強了機體對水分逆境的耐受性。