PEG不同處理對玉米萌發(fā)的影響

李 安， 舒建虹， 劉曉霞， 田 方， 路雪萍， 王小利

(1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院，山地植物資源保護與保護種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點實驗室，山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程協(xié)同創(chuàng)新中心， 貴陽 550006； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所， 貴陽 550006)

玉米是我國重要的糧飼作物，在全國大面積種植，可作為工業(yè)原料、食品、牲畜飼料，在我國糧飼生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要作用。玉米種子糖分和水分較高，干物質(zhì)較少，籽粒干癟，致使其種子萌發(fā)吸水能力差，出苗困難，苗期生長纖弱，多數(shù)作物干旱脅迫反應(yīng)敏感的關(guān)鍵時期都是芽苗期[1]，干旱脅迫下往往造成作物種子發(fā)芽困難，致使幼苗的根系、葉片等形態(tài)學(xué)特征發(fā)生變化，出現(xiàn)葉面積下降、株高變矮現(xiàn)象。玉米種子萌發(fā)和出苗困難是制約其在干旱地區(qū)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對這一問題除在抗旱品種選育方面不斷努力外，采用種子保水丸劑[2]及針對特定作物篩選可增強其抗旱性的植物根際促生菌[3]。聚乙二醇(PEG-6000)具有良好的水溶性、潤滑性、保濕性、分散性且與多種有機物組分有良好的相容性，常作為玉米萌發(fā)期抗旱性研究中模擬自然干旱脅迫的物質(zhì)[4-8]。因為玉米抗旱種質(zhì)的篩選以及能促進玉米抗旱性的植物根際促生菌的篩選試驗中干旱條件的選擇十分重要，所以玉米發(fā)芽過程中PEG濃度對于玉米干旱脅迫條件的控制與模擬有重要意義。在篩選促進玉米抗旱性的植物根際促生菌的試驗中，控制無菌條件是保證該試驗順利的重要標(biāo)準(zhǔn)。需要針對PEG選擇合適的滅菌方式，采用過濾滅菌的方式不會改變PEG的性質(zhì)，但進行大量滅菌的難度較大，高壓蒸汽滅菌的方式雖能夠大量進行滅菌，有效減輕試驗的工作量，但采用高壓蒸汽滅菌是否改變其性質(zhì)，在試驗中能否實現(xiàn)干旱條件的模擬需要進行探索。綜上所述，探索不同滅菌方式及不同濃度的PEG對玉米萌發(fā)的影響，對于后續(xù)玉米抗旱種質(zhì)的篩選以及促進玉米抗旱性的植物根際促生菌的試驗有著指導(dǎo)性的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 材 料

供試玉米種子為金玉818，由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧所提供。

1.2 PEG-6000制備

配制5%、10%、15%、20%的PEG-6000，分別采用過濾滅菌與高壓蒸汽滅菌兩種方式滅菌。

1.3 種子預(yù)處理

選取籽粒飽滿、大小均勻的玉米種子浸于10%次氯酸鈉溶液中消毒20 min，再用無菌水洗滌3～5遍[9]，自然晾干備用。

1.4 試驗處理

采用PEG-6000模擬水分脅迫法，試驗設(shè)置0(ck，無菌水)、5%、10%、15%、20%等5個濃度過濾除菌及高壓蒸汽除菌的PEG溶液。每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)45粒種子，于(25±1)℃恒溫光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。記錄種子起始萌發(fā)的時間，每日記錄發(fā)芽情況，直至不再發(fā)芽為止。

1.5 測量指標(biāo)及方法

自播種起每日記錄其發(fā)芽數(shù)和發(fā)霉數(shù)，待不再發(fā)芽時相互比較芽長及根長，并稱量其鮮重后置于烘箱105 ℃烘干至恒重。計數(shù)發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)計算公式為：

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

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×鮮重。

幼苗含水量=[(SL-G)/SL]×100%,SL為幼苗鮮重，G為幼苗干重。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進行統(tǒng)計，方差分析采用SPSS軟件分析。分別計算單項指標(biāo)抗旱系數(shù)、綜合抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、隸屬函數(shù)值、抗旱性量度值。

3 結(jié)果與分析

3.1 兩種不同的滅菌方式以及在不同PEG濃度梯度下的玉米萌發(fā)情況

圖1、圖2為采用過濾滅菌以及高壓蒸汽滅菌的不同濃度的PEG對玉米種子萌發(fā)過程中的干旱脅迫記錄圖。結(jié)果顯示，不同濃度梯度的PEG對玉米的萌發(fā)有著不同程度的影響，兩種滅菌方式對玉米苗的長勢均有明顯的影響。值得注意的是低濃度的PEG對玉米的萌發(fā)影響較小，圖中顯示，對照組芽尖干枯，而PEG處理下并未出現(xiàn)這種情況，說明兩種滅菌方式的低濃度PEG均可作為種子萌發(fā)過程中的保水劑，利于種子萌發(fā)過程中的生長。

圖1 PEG過濾除菌模擬不同干旱梯度下玉米發(fā)芽長勢

圖2 PEG高壓蒸汽除菌模擬不同干旱梯度下的玉米發(fā)芽長勢

3.2 不同的滅菌方式在不同PEG濃度梯度下的玉米發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量

PEG引發(fā)種子在干旱脅迫條件下對玉米種子萌發(fā)存在較大影響(表1)。不同的PEG濃度梯度，玉米種子的發(fā)芽率在處理3 d后，發(fā)芽率均顯著(p<0.05)小于對照組，高壓蒸汽滅菌與過濾除菌的PEG處理下，各相同濃度下的差異不顯著，同時各濃度梯度之間差異不顯著。處理6 d后，發(fā)芽率均顯著小于對照組，高壓蒸汽滅菌的PEG處理下玉米種子的發(fā)芽率隨著濃度梯度的增大逐漸顯著減小，高壓蒸汽滅菌與過濾除菌的PEG處理下，玉米種子發(fā)芽率在相同濃度下出現(xiàn)顯著性差異。其中在PEG濃度為5%處理下，高壓蒸汽滅菌顯著高于過濾除菌的PEG處理下玉米種子發(fā)芽率，在PEG濃度為15%處理下，高壓蒸汽滅菌顯著低于過濾除菌的PEG處理下玉米種子發(fā)芽率。處理12 d后，PEG濃度為5%處理下與對照組玉米發(fā)芽率無顯著差異，其余處理下發(fā)芽率均顯著小于對照組。發(fā)芽結(jié)束后，測得玉米種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量，結(jié)果見表1。玉米種子的發(fā)芽指數(shù)隨著PEG濃度的增加顯著減小，高壓蒸汽滅菌與過濾除菌的PEG處理下，玉米種子發(fā)芽率在各相同濃度下出現(xiàn)顯著性差異，其中過濾除菌的PEG濃度在15%、20%處理下均顯著高于高壓蒸汽滅菌的PEG處理下玉米種子發(fā)芽指數(shù)，而在PEG濃度為5%處理下，高壓蒸汽滅菌的PEG處理下，玉米種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于過濾除菌的PEG濃度處理。不同的滅菌方式以及在不同PEG濃度梯度下，對玉米活力指數(shù)的影響與對玉米發(fā)芽指數(shù)的影響存在相同的趨勢。不同點在于PEG的保水性，所以實驗組活力指數(shù)顯著高于對照組，同時高壓蒸汽滅菌與過濾除菌的PEG處理下，玉米種子活力指數(shù)在各相同濃度下出現(xiàn)顯著性差異。不同的滅菌方式以及在不同PEG濃度梯度下，對玉米幼苗含水量的影響在低濃度PEG處理下差異不顯著，但在15%、20%濃度PEG處理下，其玉米幼苗含水量均顯著減小。以上結(jié)果表明，不同濃度的PEG處理下玉米發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量均有一定程度的減小。如表2、表3所示，不同滅菌處理的PEG處理下引發(fā)種子對干旱脅迫下甜玉米萌發(fā)的各項生長指標(biāo)相關(guān)性分析可知，高壓蒸汽滅菌與過濾除菌的PEG處理下玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量均與PEG濃度呈顯著負相關(guān)，而發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量等各項指標(biāo)之間均呈顯著正相關(guān)。

表1 PEG引發(fā)種子對干旱脅迫下甜玉米種子萌發(fā)的影響

表2 高壓蒸汽滅菌的PEG處理下甜玉米萌發(fā)生長指標(biāo)相關(guān)性分析

表3 過濾除菌的PEG處理下甜玉米萌發(fā)生長指標(biāo)相關(guān)性分析

3.3 不同的滅菌方式在不同PEG濃度梯度下玉米發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量等指標(biāo)篩選

對不同的滅菌方式以及在不同PEG濃度梯度下的玉米發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量等指標(biāo)進行主成分分析。本試驗高壓蒸汽滅菌與過濾除菌的PEG處理都提取了1個主成分(表4和表5)，其第一主成分的特征值分別為5.075、5.395，貢獻率分別為84.587%、89.92%，對應(yīng)特征向量中,數(shù)量較大且兩種對PEG的滅菌方式共有指標(biāo)有發(fā)芽指數(shù)、處理6 d后的發(fā)芽率。兩種對PEG的滅菌方式的1個主成分的累計貢獻率分別為84.587%、89.92%，基本包含了所測指標(biāo)的全部信息。綜上，不同滅菌方式及不同濃度梯度的PEG處理玉米后，主要影響著玉米萌發(fā)過程中的發(fā)芽指數(shù)和處理6 d后的發(fā)芽率。

表4 各因子載荷矩陣

表5 主成分分析

3.4 不同滅菌方式在不同PEG濃度梯度下玉米萌發(fā)的程度

如圖3所示，不同的滅菌方式及不同的PEG濃度下所模擬的干旱脅迫水平，可以大致分為3個脅迫水平，其中過濾滅菌和高壓蒸汽滅菌的5%PEG與無菌水為輕微脅迫水平。

注：“*”代表PEG滅菌方式為過濾滅菌，不帶“*”表示PEG滅菌方式為高壓蒸汽滅菌。圖3 聚類分析

4 討 論

本研究通過記錄玉米萌發(fā)過程中發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等種子發(fā)芽中的重要評價指標(biāo)。結(jié)果表明，不同的滅菌方式下，PEG對玉米的萌發(fā)均存在不同影響。在不同滅菌方式下，玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量均與PEG濃度呈顯著負相關(guān)，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗含水量等各項指標(biāo)之間均呈顯著正相關(guān)，本結(jié)果與魏波等[11]對于PEG模擬干旱條件下紅花種子萌發(fā)特性的比較研究的結(jié)果相似，值得關(guān)注的是，兩種滅菌方式得到的結(jié)果相似。玉米的萌發(fā)過程中，兩種滅菌方式對玉米的發(fā)芽指標(biāo)影響存在顯著差異，經(jīng)過主成分分析結(jié)果可知，不同滅菌方式下PEG脅迫對玉米的萌發(fā)有著主要影響的是發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽6 d后的發(fā)芽率，根據(jù)這兩個主要影響指標(biāo)與方差分析結(jié)果顯示，按照不同字母來區(qū)別劃分3個不同程度的脅迫水平，由6 d后的發(fā)芽率作為指標(biāo)區(qū)分，過濾滅菌和高壓蒸汽滅菌，5%PEG可為輕微脅迫水平，10%、15%PEG分為中度脅迫水平，20%PEG可分為重度脅迫水平。由發(fā)芽指數(shù)作為指標(biāo)區(qū)分結(jié)果與根據(jù)聚類分析結(jié)果一致，過濾滅菌和高壓蒸汽滅菌的5%PEG與無菌水為輕微脅迫水平，過濾滅菌和高壓蒸汽滅菌的10%PEG與過濾滅菌15%PEG為中度脅迫水平，過濾滅菌和高壓蒸汽滅菌的20%PEG與高壓蒸汽滅菌15%PEG為重度脅迫水平。值得關(guān)注的是，采用過濾滅菌和高壓蒸汽滅菌的PEG-6000在相同的濃度梯度下的脅迫基本在同一脅迫水平，對于采用直接高壓蒸汽滅菌提高試驗效率有較高的參考價值。同時于惠琳等[2]已經(jīng)對PEG引發(fā)種子對干旱逆境下甜玉米萌發(fā)及幼苗生長的生理調(diào)節(jié)進行了研究，結(jié)果闡明，PEG引發(fā)種子提高了萌發(fā)能力，增強了其幼苗對干旱逆境的抵御能力。其原因在于PEG的保水性，使水分的揮發(fā)速度減慢，利用PEG作為種子保水劑存在著參考價值，與過濾除菌相比，利用高壓蒸汽滅菌的方式更能提高試驗以及實際的種子播種效率。設(shè)置干旱脅迫濃度梯度PEG-6000的植物干旱試驗，需要相對高濃度梯度的實驗確保達到適宜干旱條件，本試驗中設(shè)置15%PEG濃度梯度適應(yīng)于中度脅迫的具體試驗，而對于高度脅迫則需要設(shè)置20%PEG濃度梯度，以便于更加明確之后深入的干旱脅迫研究。

5 結(jié) 論

綜上所述，對PEG進行高壓蒸汽滅菌與過濾滅菌都可用于玉米萌發(fā)過程中的干旱脅迫模擬，其中15%PEG適合用于模擬中度脅迫，20%PEG適合用于模擬重度脅迫。