PEG-6000模擬干旱對春小麥種子萌發(fā)的影響

(北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院國家民委生態(tài)系統(tǒng)模型及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 銀川 750021)

干旱是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)境因子，嚴(yán)重威脅著農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年因旱災(zāi)造成的作物減產(chǎn)超過其他非生物脅迫因子的總和，尤其是近年來，旱災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高，直接威脅到人類的糧食安全[1]。我國西北地區(qū)深處內(nèi)陸腹地，屬于干旱和半干旱地區(qū)，旱災(zāi)對該地區(qū)農(nóng)業(yè)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響巨大，春小麥作為該區(qū)最重要的糧食作物，同時也是該區(qū)糧食作物中種植面積最大的作物之一，干旱是影響其產(chǎn)量進(jìn)一步提高的主要因素之一[2]。種子萌發(fā)階段作為植物生長周期中對外界環(huán)境最敏感的時期，極易受到環(huán)境因子的影響[3]。在種子萌發(fā)時，干旱脅迫引起的滲透效應(yīng)，從而造成種子吸脹吸水困難，影響種子內(nèi)貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和利用，從而引起一系列生理生化活動，最終影響種子正常發(fā)芽[4]。

關(guān)于干旱脅迫對冬小麥的萌發(fā)或幼苗的影響已有較多研究[5-8]，但對于春小麥種子的研究鮮見報道，為了解干旱脅迫對春小麥種子萌發(fā)的影響，本研究采用不同濃度的PEG-6000處理模擬干旱脅迫條件，測定形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法比較2個春小麥品種的抗旱性，從而為我國西北地區(qū)春小麥種植提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試春小麥種子為寧春50號和寧春4號，由寧夏農(nóng)科院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

取飽滿、色澤和大小基本一致的春小麥種子適量，將種子用10%的次氯酸鈉溶液浸泡20 min后用無菌水沖洗7～8次，用濾紙吸干種子表面水分。將PEG-6000用蒸餾水配置成0(ck)，50，100，150，200 g·L-1的溶液，將30粒種子整齊置于直徑120 mm的墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個處理加入10 mL不同濃度的PEG-6000溶液，均設(shè)置3個重復(fù)。在室內(nèi)智能人工氣候箱(BIC-800)中進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，光照12 h/黑暗12 h，溫度25 ℃。

1.3 萌發(fā)測定指標(biāo)及生長測定指標(biāo)

試驗(yàn)過程中，每隔24 h觀察記錄種子萌發(fā)情況，以胚根伸出種皮2 mm為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，記錄種子萌發(fā)個數(shù)，統(tǒng)計萌發(fā)率。7 d后結(jié)束萌發(fā)，從各個重復(fù)中隨機(jī)選出10株幼苗，用直尺測量胚芽、胚根長度，用電子分析天平測量胚芽、胚根干重、種子殘留干重，測干重前先105 ℃烘2 h殺青，后80 ℃烘24 h至恒重。按以下公式進(jìn)行各指標(biāo)的計算[8]：

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

發(fā)芽勢(%)=(第3天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/t，式中：Gt為發(fā)芽的種子數(shù)，t為相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù)；

根冠比=根干重/芽干重；

干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量=發(fā)芽前種子干重-發(fā)芽后種子殘留干重；

干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率(%)=(干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量/發(fā)芽前種子干重)×100%；

比根重=根長/根干重。

可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[9]；脯氨酸(Pro)含量測定采用南京建成生物工程研究所的脯氨酸測試盒；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍(lán)四唑光還原法[10]；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法[11]；過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收比色法[12]；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性測定參考孫云等[13]方法。

1.4 抗旱性綜合評價

以供試材料的不同指標(biāo)抗旱系數(shù)為依據(jù)，應(yīng)用隸屬函數(shù)法對寧春50號和寧春4號抗旱性進(jìn)行綜合評價。在抗旱性評價中，作物各品種的實(shí)際抗旱能力以抗旱隸屬值來表示，若某一指標(biāo)與抗旱性為正相關(guān)，采用(1)計算，若為負(fù)相關(guān)，則采用(2)計算抗旱隸屬值[14]。

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，X為作物各品種的某一指標(biāo)測定值，Xmin所試品種中某一指標(biāo)測定值的最小值，Xmax為該指標(biāo)中最大值。最后將各個指標(biāo)抗旱隸屬值累加求平均值，平均值越大則抗旱性越強(qiáng)，根據(jù)各品種平均隸屬值來比較其抗旱性強(qiáng)弱。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件和GraphPad Prism 5.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析與作圖，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，圖中參數(shù)的數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG-6000對春小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖1可知，與ck處理相比，50～150 g·L-1濃度PEG-6000處理的寧春50號和寧春4號的發(fā)芽率和發(fā)芽勢無顯著差異，200 g·L-1的PEG-6000處理寧春50號和寧春4號的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均顯著低于ck處理(p<0.05)。與ck處理相比，不同濃度的PEG-6000處理的寧春50號和寧春4號的發(fā)芽指數(shù)均顯著下降(p<0.05)，并且隨著濃度的增加變化更為明顯。整體來看，寧春4號的3個指標(biāo)比寧春50號略低，說明寧春4號較寧春50號對PEG-6000脅迫更敏感。

表1 不同濃度PEG-6000對春小麥生長指標(biāo)的影響

品種PEG-6000/(g·L-1)芽長/cm根長/cm總鮮重/mg總干重/mg芽干重/mg根干重/mg根冠比比根重012.62±0.40a12.96±1.27a191.60±20.86a41.23±5.08c13.76±2.39a9.62±1.66c0.72±0.20d1.38±0.23a5011.98±0.23b12.91±1.18a154.87±9.00b47.64±4.19b13.48±1.99a11.77±1.51a0.89±0.15d1.11±0.16b寧春50號1007.62±0.53c10.53±1.28b129.93±11.93c50.21±4.33b9.22±0.97b11.31±1.59ab1.23±0.19c0.94±0.14c1503.92±0.32d6.84±0.85c105.97±13.38d56.49±7.49a6.59±0.62c10.24±2.91bc1.57±0.49b0.71±0.17d2002.09±0.25e5.30±0.76d89.04±13.22e59.49±5.76a4.06±0.64d9.47±2.34c2.36±0.58a0.58±o.58e011.90±0.58a10.45±1.37a190.30±18.78a42.50±6.56c10.52±1.77a7.92±1.28a0.74±0.12c1.34±0.20a5010.02±0.60b10.75±1.32a160.86±11.01b48.10±4.27b9.64±1.42b8.19±1.66a0.86±0.17c1.30±0.19a寧春4號1004.24±0.36c7.14±0.99b118.40±12.74c51.92±4.53a6.12±0.62c7.37±1.28a1.21±0.20b0.99±0.20b1503.00±0.68d5.32±0.81c102.74±9.53d53.26±5.35a4.93±1.02d6.11±0.90bc1.27±0.21b0.89±0.18bc2001.20±0.37e3.56±0.60d95.78±3.33d55.62±3.64a1.74±0.22e4.91±0.90c2.85±0.56a0.73±0.10c

注：圖中不同字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。下同。圖1 不同濃度PEG-6000對春小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

2.2 不同濃度PEG-6000對春小麥種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的影響

在本研究中，隨著PEG-6000濃度的增加，春小麥種子殘留干重逐漸增大，干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率逐漸減小，并且隨著濃度的增加，抑制程度逐漸增加(圖2)。同濃度處理?xiàng)l件下寧春4號的種子殘留干重高于寧春50號，而干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量及干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率則相反，說明寧春4號較寧春50號對PEG-6000脅迫更敏感。

2.3 不同濃度PEG-6000對春小麥生長指標(biāo)的影響

由表1可知，與ck相比，對于寧春50號的根長和芽干重來說，50 g·L-1的PEG-6000處理均與ck處理差異不顯著；對于根干重來說，50 g·L-1和100 g·L-1濃度PEG-6000處理顯著增加根干重(p<0.05)，150 g·L-1濃度PEG-6000處理增加不顯著，200 g·L-1濃度PEG-6000處理減少根干重，但是差異不顯著。對寧春4號的根長和根干重來說，50 g·L-1濃度PEG-6000處理增加根長和根干重，但是差異不顯著，當(dāng)PEG-6000濃度超過100 g·L-1時開始抑制根長和根干重的增加。

2.4 不同濃度PEG-6000對春小麥滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化物酶活性的影響

由圖3可知，不同濃度的PEG-6000處理均能提高春小麥可溶性蛋白和脯氨酸含量，寧春50號可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸升高，寧春4號可溶性蛋白和脯氨酸含量先升高后下降，且同濃度處理下寧春50號脯氨酸含量均高于寧春4號。

由圖4可知，隨著PEG-6000濃度的增加寧春50號的SOD、CAT、APX活性不斷升高，200 g·L-1濃度PEG-6000處理的POD活性低于150 g·L-1處理，顯著高于ck處理；不同濃度PEG-6000處理均能提高寧春4號的SOD、POD、CAT、APX活性，隨著PEG-6000濃度的增加，寧春4號SOD、POD、CAT、APX活性先升高后下降，且均高于ck處理。同濃度處理下寧春50號抗氧化物酶活性基本高于寧春4號，說明同等干旱脅迫條件下寧春4號更敏感。

圖2 不同濃度PEG-6000對春小麥種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的影響

圖3 不同濃度PEG-6000對春小麥可溶性蛋白、脯氨酸含量的影響

圖4 不同濃度PEG-6000對春小麥抗氧化物酶活性的影響

2.5 春小麥種子萌發(fā)期抗旱性綜合評價

為進(jìn)一步比較寧春50號和寧春4號抗旱性強(qiáng)弱，將各個指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：萌發(fā)指標(biāo)之間呈顯著正相關(guān)，在干物質(zhì)轉(zhuǎn)移指標(biāo)中，除根干重外其余指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)，在生理指標(biāo)中，除CAT活性外，其余生理指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)。采用隸屬函數(shù)法對17個指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)值計算，得出寧春50號和寧春4號的隸屬函數(shù)總平均值，對二者萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行綜合評價。由表3可知，寧春50號春小麥種子萌發(fā)期的綜合抗旱性強(qiáng)于寧春4號。

表2 各指標(biāo)的相關(guān)性分析

指標(biāo)123456789101112131415161711.00020.969**1.00030.754*0.686*1.00040.648*0.5720.940**1.00050.6320.5390.920**0.988**1.00060.687*0.6110.883**0.965**0.965**1.00070.5700.4560.937**0.954**0.960**0.874**1.00080.707*0.637*0.893**0.972**0.964**0.987**0.880**1.00090.5160.5750.4610.5350.4970.660*0.2870.650*1.00010-0.642*-0.581-0.921**-0.993**-0.971**-0.971**-0.917**-0.980**-0.6201.00011-0.564-0.425-0.884**-0.921**-0.921**-0.839**-0.973**-0.848**-0.1950.876**1.00012-0.416-0.240-0.767**-0.810**-0.846**-0.752*-0.906**-0.740*-0.0390.746*0.941**1.00013-0.448-0.352-0.844**-0.902**-0.938**-0.836**-0.950**-0.843**-0.2440.861**0.895**0.881**1.00014-0.221-0.064-0.672*-0.673*-0.715*-0.531-0.856**-0.5360.2180.5940.860**0.894**0.850**1.00015-0.215-0.093-0.561-0.715*-0.777**-0.645*-0.793**-0.649*-0.0030.664*0.795**0.797**0.874**0.839**1.000160.2740.397-0.260-0.412-0.430-0.257-0.528-0.2960.1910.3830.5530.5640.5510.720*0.698*1.00017-0.175-0.018-0.477-0.619-0.682*-0.525-0.720*-0.5540.0670.5680.751*0.747*0.758*0.825**0.929**0.810**1.000

注：1～17分別為發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、芽長、根長、總鮮重、芽干重、根干重、種子殘留干重、總干重、可溶性蛋白含量、Pro含量、SOD活性、POD活性、CAT活性、APX活性。下同。

表3 春小麥種子萌發(fā)期抗旱性各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評價值

品種隸屬函數(shù)值1234567891011121314151617平均隸屬值排序?qū)幋?0號0.870.950.600.560.560.650.440.640.810.600.460.480.590.690.520.560.550.621寧春4號0.780.800.510.390.430.410.430.400.290.360.500.320.560.440.370.490.420.462

3 討論與結(jié)論

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)是種子活力的常用評價指標(biāo)，可以反映出種子的萌發(fā)能力。本研究中，中低濃度的PEG-6000處理不影響春小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢，但對發(fā)芽指數(shù)具有顯著影響，說明輕中度干旱脅迫沒有影響春小麥種子的發(fā)芽率，只是延緩了種子萌發(fā)。

植物從種子轉(zhuǎn)化到幼苗的過程中所需的物質(zhì)及能量是由種子中貯藏的有機(jī)物提供，因此在種子萌發(fā)過程中干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率能體現(xiàn)出植物種苗轉(zhuǎn)化狀況[15]。本研究中不同濃度的PEG-6000處理的春小麥的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率均隨著濃度的增加而明顯的下降，其中寧春4號受到的影響高于寧春50號，這與施成曉等[8]的研究結(jié)果一致，說明干旱脅迫會破壞種子萌發(fā)時的吸脹吸水，從而影響春小麥萌發(fā)期種子干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移。不同濃度PEG-6000處理下，2個品種春小麥的根干重呈先上升后下降趨勢，中低濃度的PEG-6000處理可以提高寧春50號根干重，而寧春4號只有低濃度處理可以提高根干重，這可能是由于干旱條件下，春小麥早期幼苗為了增強(qiáng)從環(huán)境吸水的能力，根長變化不大，但是側(cè)根的數(shù)量會增加，這與馬富舉[15]和唐玉婧[16]的研究結(jié)果一致。

本研究中，隨著PEG-6000濃度的增加，寧春50號的可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸升高，寧春4號的可溶性蛋白和脯氨酸含量先升高后下降，說明適宜濃度的PEG-6000處理可以增加可溶性蛋白與脯氨酸含量，從而減輕干旱脅迫對植物的傷害作用，當(dāng)PEG-6000濃度較高時，植物受到干旱脅迫的傷害較大，可溶性蛋白與脯氨酸含量下降，這與韓忠明等[17]的研究結(jié)果一致。SOD、POD、CAT和APX是細(xì)胞內(nèi)清除活性氧的主要保護(hù)酶，整個保護(hù)酶系統(tǒng)防御能力的變化取決于這幾種酶的彼此協(xié)調(diào)的綜合結(jié)果[18]。本研究中不同濃度PEG-6000處理均可提高春小麥SOD、POD、CAT和APX活性，其中寧春4號的這幾種酶活變化較寧春50號更為明顯，說明寧春4號對干旱脅迫較為敏感。

綜上所述，參考寧春50號與寧春4號在不同濃度PEG-6000脅迫下的形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)變化，以及結(jié)合隸屬函數(shù)法對兩者進(jìn)行抗旱性比較，可知在種子萌發(fā)期寧春50號的抗旱性高于寧春4號。