不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的影響

崔正果，曹慶軍，胡 博，王靖瑜，楊 浩，李 剛

（1. 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130062；2. 吉林省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，吉林 長(zhǎng)春 130033）

玉米不僅是我國(guó)重要的糧食作物，而且是十分重要的飼料作物和能源作物，在保障國(guó)家糧食安全以及滿足人們膳食多樣化的需求中發(fā)揮了重要作用[1]。全球氣候變化背景下，近些年局部低溫、冷害發(fā)生頻率呈明顯增加趨勢(shì)，給高緯度地區(qū)玉米生產(chǎn)帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)[2-3]。玉米是喜溫作物，適宜發(fā)芽溫度在11～12 ℃，最適生長(zhǎng)溫度在22～30 ℃。低溫對(duì)玉米危害較大，苗期低溫不僅影響出苗質(zhì)量，而且影響產(chǎn)量形成和果穗的品質(zhì)。因此，提高玉米低溫抗性意義重大。

目前，提高作物低溫抗性的措施主要包括覆膜種植[4-5]、種子引發(fā)處理[6-7]以及播期調(diào)整[8]等，綜合考慮投入成本、操作難易程度等，種子引發(fā)處理被認(rèn)為是一種省時(shí)省力、簡(jiǎn)單易行的抗低溫措施[9]。褪黑素（Melatonin，MT）是一種吲哚色胺類新型生物調(diào)節(jié)因子，是目前已知的抗氧化作用最強(qiáng)的內(nèi)源性自由基清除劑[10]，具有促進(jìn)側(cè)根發(fā)育、提高光合能力、延緩衰老、提高非生物逆境抗性等作用[11]。亞精胺（Spermidine，Spd）是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的含氮堿，也是一種重要的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，與植物抗逆脅迫能力有密切關(guān)系[12]。關(guān)于MT、Spd 提高植物抗逆性及其作用機(jī)制方面的研究較多，主要集中于擬南 芥[13]、水 稻[14]、普 通 玉 米[11]、小 麥[15]、黃 瓜[16-17]、番茄[18]等植物中，在鮮食糯玉米中的研究還未見報(bào)道。

我國(guó)鮮食玉米生產(chǎn)素有“南甜北糯”之說，吉林省作為鮮食糯玉米的主要產(chǎn)區(qū)，播種面積常年穩(wěn)定在3萬hm2[19]，早春低溫是影響鮮食糯玉米出苗質(zhì)量的重要因素[20]。因此，提高鮮食糯玉米的耐低溫能力，對(duì)鮮食玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。為此，采用田間早播試驗(yàn)，研究MT、Spd及MT+Spd處理對(duì)低溫下糯玉米種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，以期為大田作物抗低溫措施的選擇提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年在吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)春院區(qū)（43°49′31″N、125°23′8″E）進(jìn)行。該區(qū)位于松遼平原腹地，屬溫帶大陸性濕潤(rùn)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)2 644.2 h，年降水量650 mm，無霜期140 d，年平均氣溫4.6 ℃。試驗(yàn)點(diǎn)土壤類型為淡黑鈣土，耕作層（0～20 cm）土壤含有機(jī)質(zhì)18.3 g/kg、堿解氮155.1 mg/kg、速效磷22.1 mg/kg、速效鉀108.5 mg/kg，pH值為6.8。

供試玉米品種為萬糯2000，由吉林市松花江種業(yè)有限責(zé)任公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取大小一致、均勻飽滿的糯玉米種子，用9%NaClO 溶液消毒15 min，然后用蒸餾水沖洗5 次，放于陰涼處風(fēng)干至種子初始含水量。按照種子質(zhì)量（g）∶引發(fā)劑體積（mL）為1∶5 的比例將糯玉米種子分別放入含有0.5 mmol/L 褪黑素溶液（MT）、0.5 mmol/L 亞精胺溶液（Spd）、0.5 mmol/L 褪黑素+0.5 mmol/L 亞 精 胺 溶 液（MT+Spd）的 方 盒（25 cm×15 cm×8 cm）中，以不加引發(fā)劑處理為對(duì)照（CK），每個(gè)處理3 次重復(fù)，用封口膜封口后于黑暗條件下20 ℃處理12 h。然后用吸水紙去除種子表面的引發(fā)劑，并用濾紙吸干種子表面的水分，在室溫條件下風(fēng)干至引發(fā)前的質(zhì)量。

為了驗(yàn)證不同引發(fā)處理的田間抗低溫效果，本研究采用大田早播，于4 月13 日用人工點(diǎn)播器進(jìn)行播種（普通農(nóng)戶一般在5 月1 日前后），每個(gè)處理重復(fù)4 次，小區(qū)長(zhǎng)5 m、寬3.6 m，6 行區(qū)，行距為60 cm，株距為25 cm。利用浙江澤大ZDR-41 型號(hào)溫度記錄儀記錄播種前后10 cm 深土層溫度（圖1）。播種后進(jìn)行正常的田間管理。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)2020年4—6月10 cm深土層溫度變化Fig.1 Daily mean soil temperature at depth of 10 cm at experimental site from April to June in 2020

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 出苗率與出苗時(shí)間 播種后每天觀察糯玉米出苗情況，計(jì)算出苗率；記錄出苗時(shí)間，即播種至50%種子出苗所用的時(shí)間。

1.3.2 地上部形態(tài)與葉片生理指標(biāo) 在五展葉期，每個(gè)處理隨機(jī)選取連續(xù)10株糯玉米調(diào)查株高，計(jì)算株高整齊度。其中，株高以自然狀態(tài)下葉片頂端最高處距地面的高度表示，株高整齊度以株高變異系數(shù)的倒數(shù)表示。此外，每個(gè)處理選取代表性的植株3 株，利用SPAD-502 葉綠素計(jì)測(cè)定最上部展開葉 SPAD值與相對(duì)含水率。

1.3.3 根系形態(tài)與生物量 在五展葉期，每個(gè)處理選取代表性糯玉米幼苗3 株，取地上部分置于牛皮紙袋中，105 ℃殺青30 min 后，于70 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱取地上部干質(zhì)量。同時(shí)，挖取地下根系，用清水沖洗干凈后利用Delta-TSCAN 植物根系掃描系統(tǒng)掃描根系，拍照后利用系統(tǒng)自帶軟件計(jì)算單株根系表面積、根長(zhǎng)、根系直徑、根尖數(shù)。最后，將單株根系收集后置于70 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱量根系干質(zhì)量，并計(jì)算根冠比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016 進(jìn)行初步整理分析，然后利用SPSS 24.0 進(jìn)行單因素方差分析與差異顯著性（LSD法）分析，利用GraphPad Prism 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米出苗率和出苗時(shí)間的影響

從圖2可以看出，在大田早播低溫條件下，引發(fā)處理可顯著提高種子出苗率，MT、Spd、MT+Spd引發(fā)處理糯玉米種子出苗率分別較CK 提高26.05、27.09、31.25 個(gè)百分點(diǎn)，而不同引發(fā)處理間無顯著差異。從出苗時(shí)間來看，引發(fā)處理顯著降低了糯玉米種子出苗時(shí)間，CK、MT、Spd 和MT+Spd 處理種子出苗時(shí)間分別為21.00 d、17.25 d、16.50 d 和15.75 d，引發(fā)處理分別較CK降低3.75 d、4.50 d和5.25 d。

圖2 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米種子出苗率和出苗時(shí)間的影響Fig.2 Effect of different priming treatments on emergence rate and emergence time of waxy maize under low temperature

2.2 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米幼苗形態(tài)建成的影響

在大田早播低溫條件下，對(duì)不同引發(fā)處理糯玉米株高和株高整齊度（圖3）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)種子引發(fā)處理糯玉米幼苗株高顯著增加，株高整齊度顯著提升。引發(fā)處理糯玉米株高較CK 提高10.57%～17.71%，以MT+Spd 處理最高，MT 處理次之，MT、Spd、MT+Spd 處理間無顯著差異。株高整齊度也以MT+Spd 處理最高，其次是Spd、MT 處理，MT、Spd 處理間無顯著差異。

圖3 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米幼苗株高和株高整齊度的影響Fig.3 Effect of different priming treatments on shoot height and uniformity of shoot height of waxy maize seedling under low temperature

在大田早播低溫條件下，不同引發(fā)處理糯玉米根系表面積、根長(zhǎng)、根系直徑均顯著高于CK（表1）；對(duì)于根尖數(shù)，除MT+Spd 處理較CK 顯著增加外，其他處理均與CK無顯著差異。

表1 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米幼苗根系形態(tài)的影響Tab.1 Effect of different priming treatments on root morphology of waxy maize seedling under low temperature

2.3 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米幼苗部分生理指標(biāo)和生物量的影響

在大田早播低溫條件下，所有引發(fā)處理糯玉米幼苗葉片SPAD 值和相對(duì)含水率均顯著高于CK（圖4）。其中，SPAD 值以MT+Spd 處理最高，MT 處理次之；相對(duì)含水率在3個(gè)引發(fā)處理間差異不顯著。

圖4 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米幼苗葉片SPAD值和相對(duì)含水率的影響Fig.4 Effect of different priming treatments on leaf SPAD value and relative water content of waxy maize seedling under low temperature

在大田早播低溫條件下，種子引發(fā)處理顯著提高了糯玉米幼苗地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量及根冠比（圖5）。其中，地上部干質(zhì)量以MT+Spd 處理最高，其次是MT、Spd 處理，兩者差異不顯著，三者分別較CK 提高77.11%、43.92%、28.76%；根系干質(zhì)量表現(xiàn)出與地上部干質(zhì)量相似的規(guī)律，MT+Spd、MT、Spd 處理分別較CK 提高161.22%、91.83%、49.65%；MT+Spd、MT、Spd 處 理 根 冠 比 分 別 較CK 提 高21.34%、26.24%、23.93%，但3 個(gè)引發(fā)處理間差異不顯著。

圖5 不同引發(fā)處理對(duì)低溫下糯玉米幼苗生物量和根冠比的影響Fig.5 Effect of different priming treatments on biomass and root-shoot ratio of waxy maize seedling under low temperature

2.4 引發(fā)處理糯玉米幼苗生物量、形態(tài)指標(biāo)及部分生理指標(biāo)間的關(guān)系

由表2 可知，糯玉米幼苗地上部干質(zhì)量與根系干質(zhì)量、根系表面積、根長(zhǎng)均呈顯著正相關(guān)，根系干質(zhì)量與株高、葉片SPAD 值、根系表面積均呈顯著正相關(guān)，株高與葉片SPAD 值呈極顯著正相關(guān)，葉片相對(duì)含水率與根系直徑呈顯著正相關(guān)，根系表面積與根長(zhǎng)、根尖數(shù)分別呈顯著、極顯著正相關(guān)，根長(zhǎng)與根尖數(shù)呈顯著正相關(guān)。

表2 引發(fā)處理糯玉米幼苗生物量與形態(tài)指標(biāo)及部分生理指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis among plant biomass，seedling morphological characteristics and some physiological characteristics of waxy maize seedling of priming treatments

續(xù)表2 引發(fā)處理糯玉米幼苗生物量與形態(tài)指標(biāo)及部分生理指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.2（Continued） Correlation analysis among plant biomass，seedling morphological characteristics and some physiological characteristics of waxy maize seedling of priming treatments

3 結(jié)論與討論

全球氣候變化背景下，局部低溫是高緯度地區(qū)影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。苗期低溫脅迫影響種子正常發(fā)芽、出苗率和出苗質(zhì)量[21]。對(duì)鮮食玉米而言，苗期頻繁的低溫冷害也是影響農(nóng)戶種植效益與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)境因素之一[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，在大田早播低溫條件下，引發(fā)處理糯玉米幼苗出苗率較CK 顯著提高26.05～31.25 個(gè)百分點(diǎn)，出苗時(shí)間較CK顯著縮短3.75～5.25 d，這與WEI等[23]在水稻以及劉暢等[21]在菜豆上的研究結(jié)果一致，說明引發(fā)處理能有效提高低溫脅迫下糯玉米種子出苗質(zhì)量。

苗齊、苗壯是作物產(chǎn)量形成最重要的基礎(chǔ)[24-25]，也是大田生產(chǎn)追求的重要目標(biāo)。本研究結(jié)果表明，引發(fā)處理顯著提高了糯玉米幼苗的株高整齊度，以MT+Spd 處理效果最明顯。玉米根系不但起到支持和固定地上部的作用，同樣也是吸收土壤養(yǎng)分與水分的主要器官，根系的形態(tài)和構(gòu)型是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育以及抗脅迫能力的重要因素[26]。本研究結(jié)果表明，在大田早播低溫條件下，引發(fā)處理糯玉米幼苗根系表面積、根長(zhǎng)與根系直徑均顯著提高，并且MT+Spd 處理根尖數(shù)也顯著提高，說明種子引發(fā)處理能顯著促進(jìn)低溫下根系的生長(zhǎng)發(fā)育，這與前人[27-28]研究結(jié)果相似。低溫逆境脅迫下，MT 處理種子可誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生多胺和一氧化氮[29]，從而調(diào)控植物抗逆性。Spd 能促進(jìn)植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（如脯氨酸與可溶性蛋白等）的積累，從而可有效降低細(xì)胞滲透勢(shì)來緩解低溫脅迫損傷[21]，這可能是本試驗(yàn)引發(fā)處理糯玉米種子低溫抗性增強(qiáng)的主要原因。

植物地上部生長(zhǎng)與根系生長(zhǎng)存在相互依賴關(guān)系[30]。本研究結(jié)果表明，引發(fā)處理顯著促進(jìn)了糯玉米根系的生長(zhǎng)發(fā)育，這必然對(duì)地上部的生長(zhǎng)發(fā)育造成不同程度的影響。MT、Spd 與MT+Spd 處理均顯著促進(jìn)了地上部生物量的積累，且MT、Spd 與MT+Spd 處理根冠比均顯著提高，說明引發(fā)處理對(duì)根系的影響相對(duì)更加明顯，這可能是由于引發(fā)劑可促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)[31]，保證吸收足夠的水分和養(yǎng)分以抵御低溫的脅迫[32]，從而促進(jìn)根系構(gòu)型變化，表現(xiàn)出根系表面積、根長(zhǎng)、根系直徑與根尖數(shù)的提高[33-34]，然而對(duì)低溫下引發(fā)處理誘導(dǎo)幼苗根系與地上部生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制尚需要深入的探討。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同處理下地上部干質(zhì)量與根系干質(zhì)量、根系表面積以及根長(zhǎng)存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這進(jìn)一步表明幼苗地上部生長(zhǎng)與根系生長(zhǎng)存在顯著的相互依存關(guān)系[30]。因此，利用種子引發(fā)處理來提高大田作物低溫脅迫抗性是一種可行的途徑。