不同溫度條件下模擬干旱脅迫對小麥種子萌發(fā)的影響

張凱 馬蘭英 馬麗媛

摘要：為研究不同溫度下干旱脅迫對春小麥種子萌發(fā)及生理特性的影響，設(shè)置2種溫度（恒溫25 ℃和變溫15 ℃/25 ℃）和3種模擬干旱脅迫情況[聚乙二醇（PEG-6000）濃度0%、10%、20%]處理小麥種子（新春6號），測定發(fā)芽數(shù)、萌發(fā)率、胚根長、胚芽長、根冠比和第4天時過氧化物酶、過氧化氫酶、丙二醛含量變化。結(jié)果表明，種子萌發(fā)在 30 h 基本完成，在恒溫和PEG-6000濃度為0%時萌發(fā)時間最短，只需18 h;隨時間進(jìn)程推進(jìn)，胚根長和胚芽長不斷增加，變溫會延緩生長速度;在同一溫度下，胚根和胚芽的長度隨著PEG-6000脅迫程度增加而降低，根冠比則相反，過氧化物酶、過氧化氫酶活性及丙二醛含量也隨PEG-6000脅迫程度增加而增加;在相同濃度 PEG-6000處理下，不同溫度對種子生長和生理特性有影響，但總體來說差異不明顯。新春6號種子在恒溫25 ℃萌發(fā)快，10%和20% PEG-6000 脅迫會對種子生長造成抑制，而根冠比、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、丙二醛含量顯著增大。

關(guān)鍵詞：春小麥;溫度處理;聚乙二醇脅迫;種子萌發(fā);生理特性

中圖分類號： S512.1+20.1;Q945.78? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0079-04

干旱脅迫會嚴(yán)重影響植物的生存、生長和分布，在全球氣候變化背景下，植物遭受干旱脅迫的現(xiàn)象普遍存在。在世界許多地區(qū)，經(jīng)濟、社會的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)所面臨的最主要的限制因子之一就是水資源[1]。隨著全球干旱加劇和人口增長，水資源將變得越來越稀缺，植物適應(yīng)干旱脅迫的研究對于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)顯得十分重要[2]。小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物之一，在北方種植廣泛，隨著人口不斷增長和經(jīng)濟社會的發(fā)展，對小麥的需求也越來越大。同時，社會經(jīng)濟不斷發(fā)展消耗越來越多的生產(chǎn)生活用水，使得本來干旱的西北地區(qū)用水矛盾更加突出，為了應(yīng)對將來可能面臨的未知挑戰(zhàn)，必須做到防患于未然，也就必須充分研究小麥在干旱脅迫條件下的生長發(fā)育過程，所以，干旱脅迫的研究對小麥種植意義越來越凸顯。

良好的種子萌發(fā)是后期小麥齊苗壯苗的關(guān)鍵，關(guān)系到能否為作物的豐產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。因此，種子萌發(fā)在種子的整個生長歷程中是非常重要的。種子的萌發(fā)是一個復(fù)雜的過程，涉及外觀形態(tài)、內(nèi)部生理機制的方方面面。在萌發(fā)的過程中除了形態(tài)質(zhì)量變化，還伴隨著相關(guān)酶的變化[3]，這些代謝成分受到種子萌發(fā)條件的強烈影響，其中溫度和水分是影響種子萌發(fā)非常重要的條件。

有研究表明，模擬干旱環(huán)境（PEG脅迫）會降低小麥發(fā)芽勢、萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)，增加細(xì)胞膜透性[4-5]。趙永鋒等對21個供試材料共采取了4個溫度的梯度處理研究，隨著溫度的升高，各種材料的萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都會提高[6]。賈風(fēng)勤探討了不同變溫條件對3種車前種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)車前的萌發(fā)進(jìn)程受到不同影響[7]。閆興富等研究不同溫度下PEG-6000脅迫對檸條錦雞兒種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和PEG-6000模擬干旱脅迫及二者的交互作用對檸條錦雞兒種子的萌發(fā)率、萌發(fā)速率系數(shù)、萌發(fā)值、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)均具有極顯著影響[8]。在脅迫環(huán)境下，丙二醛（malondialdehyde，MDA）、過氧化物、過氧化氫等會在植物體內(nèi)大量累積，因此，在一定脅迫環(huán)境下過氧化物酶（peroxidase，POD）和過氧化氫酶（catalase，CAT）活性的變化，可以反映小麥種子在脅迫環(huán)境下的適應(yīng)能力。不同溫度和干旱脅迫共同作用下春小麥種子萌發(fā)過程中形態(tài)特性和抗氧化酶活性的變化研究還需要進(jìn)一步探討。

綜上所述，本研究以新疆南疆地區(qū)普遍種植的新春6號小麥為材料，進(jìn)行不同溫度和PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，觀測小麥種子萌發(fā)狀況。通過測定不同溫度和模擬干旱脅迫處理下新春6號種子的生長特性和生理生化特性，得到小麥種子在萌發(fā)過程中各指標(biāo)對環(huán)境的響應(yīng)特性，闡明不同溫度下干旱脅迫對作物種子的萌發(fā)抑制作用，為西北干旱地區(qū)作物的生長提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所選的新春6號小麥?zhǔn)怯尚陆r(nóng)業(yè)科學(xué)院選育，在1999年通過了全國農(nóng)作物品種審定委員會審定。該品種屬中早熟春小麥品種，適宜在西北較干旱地區(qū)種植。試驗于2019年11—12月在喀什大學(xué)新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點實驗室完成。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置2個溫度梯度，分別為恒溫25 ℃和變溫15 ℃/25 ℃（間隔12 h，G112-2電蒸型恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)）;PEG-6000配置3個梯度[0%（蒸餾水，CK）、10%、20%]的溶液模擬干旱脅迫;每個處理重復(fù)3次。試驗過程中定時觀察種子的變化并每天更換濾紙。處理組合如表1所示。

1.2.2 試驗種子的處理 挑選顆粒飽滿、大小均勻的種子，用濃度為0.1%的高錳酸鉀溶液浸泡 3 min，完成表層消毒，再用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干水分備用。培養(yǎng)皿在121 ℃高壓滅菌鍋消毒25 min[9]。種子萌發(fā)用紙上培養(yǎng)法[10]，用鑷子輕輕將小麥均勻地置于鋪有單層濾紙的培養(yǎng)皿上，每個培養(yǎng)皿中放40粒。培養(yǎng)皿中滴入不同濃度的 PEG-6000 溶液，然后分別放在不同溫度處理的培養(yǎng)箱中。

1.2.3 種子生長特性測定 種子的萌發(fā)以胚根露白為標(biāo)準(zhǔn)。每隔6 h觀察1次，記錄種子的發(fā)芽數(shù)，第2天開始計算萌發(fā)率：萌發(fā)率=正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%[11]。從第2天開始，每個培養(yǎng)皿中隨機挑選10粒種子，測量胚根長和胚芽長度，第4天時測胚根和胚芽質(zhì)量[12]。

1.2.4 生理生化指標(biāo)的測定 試驗第4天測定種子生理生化指標(biāo)：用硫代巴比妥酸法測定萌發(fā)種子體內(nèi)的MDA含量[13];用愈創(chuàng)木酚法測定種子體內(nèi)的POD活性[14];用紫外吸收法測定種子萌發(fā)過程CAT的活性變化[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2013進(jìn)行計算，整理制圖，用SPSS 13.0軟件對數(shù)值進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下模擬干旱脅迫對種子生長特性的影響

2.1.1 種子萌發(fā) 由表2可知，0%和10% PEG-6000脅迫下，2種溫度處理對小麥種子的萌發(fā)率沒有顯著影響。在恒溫25 ℃時，0%處理下種子完成萌發(fā)約需要18 h，用時最短;而10%、20%處理下，種子萌發(fā)率完成所用的時間均有比0%處理有延遲。在15 ℃/25 ℃變溫條件下，萌發(fā)時間0～30 h內(nèi)，比較各觀測時間點，0%處理下的種子萌發(fā)率比20% PEG脅迫下種子萌發(fā)率高，且差異顯著;0%處理與10%處理比較，僅在處理6 h時有顯著差異。不管恒溫還是變溫，0% PEG-6000萌發(fā)經(jīng)歷時間都短，說明種子萌發(fā)受到PEG-6000抑制，且變溫會使得萌發(fā)延后。

2.1.2 胚根長 由表3可知，恒溫25 ℃培養(yǎng)下，胚根長度和生長速率總體高于變溫15 ℃/25 ℃。觀測第2、3、4天，在溫度處理條件相同時，隨PEG-6000濃度增加，胚根生長受到抑制程度越來越明顯，且胚根長表現(xiàn)為0%>10%>20%;第5、6天，0%和10%之間無顯著差異，均顯著高于20%。整個觀測期，20% PEG-6000濃度處理下種子胚根生長受到嚴(yán)重抑制。

2.1.3 胚芽長 由表4可知，不管恒溫還是變溫條件，觀測第2、4、5、6天，隨PEG-6000濃度增加，胚芽長均顯著降低。第3天，恒溫條件下PEG-6000濃度為0%和10%種子胚芽長差異不顯著，均顯著高于PEG-6000濃度20%;變溫條件下，0% PEG-6000處理時種子胚芽長顯著高于10%和20% PEG-6000處理。觀測第2天，20% PEG-6000脅迫下種子未萌發(fā)出胚芽。恒溫條件更有利于胚芽生長。

2.1.4 根冠比 由圖1可知，在試驗的時間段內(nèi)根冠比的比值均大于1，說明胚根的生長速度要比胚芽的快。2種溫度處理下，在PEG-6000濃度逐漸增加的情況下，新春6號小麥根冠比逐漸增加。通過方差分析可知，恒溫25 ℃時，PEG-6000濃度20%處理的根冠比顯著高于10%和0%處理，后兩者間無顯著差異;變溫15/25 ℃時，則為20%和10%脅迫無顯著差異，均顯著高于0%處理。說明PEG-6000脅迫會增大根冠比，而一定的變溫設(shè)置會增大這種趨勢。

2.2 不同溫度下模擬干旱脅迫對種子MDA含量和抗氧化酶活性的影響

由表5可知，無論是恒溫還是變溫，隨PEG-6000濃度的升高，MDA含量一直升高;同一PEG-6000濃度下，MDA含量無明顯差別。在恒溫25 ℃時，PEG-6000濃度20%與10%間差異不顯著，PEG-6000濃度10%與0%同樣沒有顯著差異。在變溫15 ℃/25 ℃時，PEG-6000濃度20%與10%間差異不顯著，均顯著高于0%。

2種溫度條件下，種子POD活性與PEG-6000濃度的關(guān)系與MDA含量相似。在恒溫25 ℃時，PEG-6000濃度20%、10%時POD活性比0%分別顯著高出55.3%、15.4%。在變溫15 ℃/25 ℃時，PEG-6000濃度20%、10%時POD活性比0%分別顯著高出60.1%、18.5%（表5）。

同一PEG-6000濃度下，CAT活性無顯著差異;恒溫和變溫條件下，CAT活性均隨PEG-6000濃度升高而增加。在恒溫25 ℃時，20% PEG-6000濃度下的種子體內(nèi)CAT活性比0%高出66.6%，比10%高出23.1%;在變溫15 ℃/25 ℃時，PEG-6000濃度20%的CAT活性比0%高出62.4%，比10%高出26.5%（表5）。

3 討論與結(jié)論

3.1 生長特性對溫度和PEG脅迫的響應(yīng)

干旱和不適溫度等不良自然環(huán)境會對小麥的生理機制造成一定的傷害，甚至導(dǎo)致其死亡。對于干旱地區(qū)植物來說，在干旱脅迫條件下種子萌發(fā)率的降低可能是對干旱區(qū)生境的適應(yīng)性機制[8]，避免了種子在萌發(fā)期遇少量降雨對其后期幼苗的形成產(chǎn)生影響。在西北干旱地區(qū)，因氣候溫差等自然環(huán)境的惡劣，新春6號小麥從開始播種到收獲，都會不同程度地遭受各種自然災(zāi)害的脅迫。

研究表明，不同濃度PEG-6000的脅迫對小麥種子的萌發(fā)有直接的關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，新春6號小麥的生長特性對溫度和PEG-6000的變化比較敏感。PEG-6000脅迫增加時會對小麥種子的生長產(chǎn)生抑制作用，而使得種子的萌發(fā)比較遲緩。此時種子啟動休眠機制，推遲萌發(fā)，以此來適應(yīng)變幻復(fù)雜的自然環(huán)境。張德楠等曾在研究溫度和土壤水分對青岡櫟種子萌發(fā)的影響[16]中也得出類似的結(jié)論。

植物的地上部分和地下部分是緊密相連相互依賴相互影響的，他們之間通過不間斷的聯(lián)系進(jìn)行著物質(zhì)流動、能量流通和信息交流。根冠比主要是用來反映植物在生長的過程中地上和地下部分生長發(fā)育的情況，根冠比值越高，說明根系機能活性越強，比值越低則活性越弱。在脅迫環(huán)境下，胚根相對干質(zhì)量高，有利于維持種子的生存。

3.2 保護性酶對溫度和PEG脅迫的響應(yīng)

植物在脅迫環(huán)境下會造成體內(nèi)MDA的積累，而MDA的大量累積會強烈破壞細(xì)胞質(zhì)膜[17]，它反映了細(xì)胞膜受損程度。POD是植物體內(nèi)普遍存在的用以保護植物組織的一種活性較高的抗氧化物保護酶[18-19]。CAT是植物體內(nèi)存在的一種可以抗衰老的保護酶，它可以維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性，可以清除植物體內(nèi)累積H2O2[20]。Graae等認(rèn)為，植物在脅迫環(huán)境下會提高酶活性來抵抗不利環(huán)境，從而減少脅迫環(huán)境對植物組織細(xì)胞的傷害[21]。本次試驗中發(fā)現(xiàn)，新春6號小麥種子在萌發(fā)的過程中體內(nèi)的保護性酶會隨著溫度和脅迫濃度的不同而發(fā)生變化。POD、CAT活性和MDA含量在相同溫度下，隨脅迫濃度增加而增加;同一脅迫濃度下，不同溫度處理對POD、CAT活性及MDA含量影響不明顯。在脅迫條件下，為了防御產(chǎn)生的活性氧等有害物質(zhì)的傷害，種子細(xì)胞內(nèi)保護性酶活性增強。

參考文獻(xiàn)：

[1]Carmo-Silva A E，F(xiàn)rancisco A，Powers S J，et al. Grasses of different C4 subtypes reveal leaf traits related to drought tolerance in their natural habitats：changes in structure，water potential，and amino acid content[J]. American Journal of Botany，2009，96（7）：1222-1235.

[2]Chaves M M，Pereira J S，Maroco J，et al. How plants cope with water stress in the field？ Photosynthesis and growth[J]. Annals of Botany，2002，89（7）：907-916.

[3]曹亞萍，陳昭昱，王勇飛，等. Na2CO3對黃秋葵種子萌發(fā)及生理特性的影響[J]. 種子，2020，39（3）：24-28，33.

[4]任 毅，顏 安，張 芳，等. 國內(nèi)外301份小麥品種（系）種子萌發(fā)期抗旱性鑒定及評價[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2019，37（3）：1-14.

[5]姬俊華，李成奇，霍昱璟，等. 聚乙二醇模擬干旱對不同基因型小麥種子萌發(fā)的影響[J]. 種子，2012，31（9）：87-88，92.

[6]趙永鋒，韓靜靜，賈曉艷，等. 低溫脅迫對不同玉米種子萌發(fā)的影響[J]. 種子，2019，38（5）：86-89.

[7]賈風(fēng)勤. 不同溫度條件對3種車前屬植物種子萌發(fā)的影響[J]. 種子，2020，39（3）：100-104.

[8]閆興富，周立彪，思彬彬，等. 不同溫度下PEG-6000模擬干旱對檸條錦雞兒種子萌發(fā)的脅迫效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報，2016，36（7）：1989-1996.

[9]程 波，胡生榮，高 永，等. PEG模擬干旱脅迫下5種紫花苜蓿萌發(fā)期抗旱性的評估[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，47（1）：53-59.

[10]溫日宇，劉建霞，張珍華，等. 干旱脅迫對不同藜麥種子萌發(fā)及生理特性的影響[J]. 作物雜志，2019，188（1）：121-126.

[11]王沛琦，劉旭云，李雪蓉，等. 紅花種子萌發(fā)期抗旱性鑒定與評價[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2019，35（20）：44-49.

[12]王慧慧，王普昶，趙 鋼，等. 干旱脅迫下白刺花種子大小與萌發(fā)對策[J]. 生態(tài)學(xué)報，2016，36（2）：335-341.

[13]高俊鳳. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[14]李合生. 植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[15]張志良，瞿偉菁，李小方. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 4版.北京：高等教育出版社，2009.

[16]張德楠，羅艾瀅，徐廣平，等. 溫度和土壤含水量對青岡櫟種子萌發(fā)的影響[J]. 廣西植物，2013，33（3）：306-312.

[17]安成立，劉占德，劉旭峰，等. 獼猴桃種子萌發(fā)特性研究[J]. 北方園藝，2011（5）：51-53.

[18]焦站站，張東向，趙 靜，等. 黃岑愈傷組織中黃岑苷對過氧化物酶活性的相關(guān)性分析[J]. 北方園藝，2013（13）：108-111.

[19]劉大同，邢瀟悅，李東升，等. 小麥穗分化不同階段對低溫脅迫的生理響應(yīng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，33（6）：1212-1219.

[20]溫鵬飛，王雪婷，牛鐵泉，等. 延遲采收對葡萄果實細(xì)胞質(zhì)膜的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報，2013，28（1）：163-166.

[21]Graae B J，Alsos I G，Ejrnaes R. The impact of temperature regimes on development，dormancy breaking and germination of dwarf shrub seeds from arctic，alpine and boreal site[J]. Plant Ecology，2008，198：275-284.周克友，朱孔志，盧 俊，等. 不同小麥品種（系）在蘇北鹽漬化中低產(chǎn)田的適應(yīng)性[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（20）：83-87.