不同谷子品種萌發(fā)期抗旱鑒定及生理變化

柏 玲,馮國郡,胡相偉,趙 云,石書兵

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】水資源短缺制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[1]。每年因干旱導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)占?xì)庀鬄?zāi)害損失的50%左右[2]。谷子(Setariaitalica．Beauv)已經(jīng)適應(yīng)了干旱和半干旱地區(qū)的氣候條件和生態(tài)環(huán)境,具有耐旱、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)的特點(diǎn),是一種優(yōu)良的耐旱作物資源[3],目前在我國北方干旱地區(qū)廣泛種植。盡管谷子是耐旱作物,但干旱仍然是制約谷子生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的主要因素之一。谷子雖然具有很強(qiáng)的耐旱品性,但品種間的不同耐旱性存在很大差異。因此,在使用耐旱品種種質(zhì)資源之前,確保干旱條件下谷物產(chǎn)量的一個(gè)重要方法是鑒定抗旱品種[4]。由于不同生育時(shí)期作物抗旱性的內(nèi)在機(jī)理不同,作物抗旱性鑒定可分為不同生育期的抗旱性鑒定,包括萌發(fā)期、苗期、開花期、灌漿期和全生育期的抗旱性鑒定。種子萌發(fā)期是作物抗旱的關(guān)鍵時(shí)期,種子發(fā)芽是整個(gè)作物生命周期的開始,是植物生命周期中最關(guān)鍵的階段,對水特別敏感。作物萌動階段直接影響著谷子出苗以及最后的產(chǎn)量形成[5],因而萌發(fā)期抗旱性鑒定更能代表其抗旱特性,尤為重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】聚乙二醇-6000(PEG-6000)常作為植物耐旱性選擇劑或水分脅迫劑來模擬干旱脅迫[6],高汝勇等[7]分析了十幾種谷物在萌發(fā)期干旱脅迫下的發(fā)芽率、根長、鮮重和活力指數(shù)等變化,并通過使用隸屬函數(shù)法來綜合評價(jià)其抗旱性。植物在干旱逆境下生長,其體內(nèi)的保護(hù)酶活性就會增加,以此來維持植物正常的生長,因此可以通過測定植物體內(nèi)的酶活性來鑒定其抗旱性[7]。朱永波等[8]發(fā)現(xiàn),耐旱作物的耐旱性與其POD活性密切相關(guān),耐旱性強(qiáng)的作物有較高的POD活性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,關(guān)于谷子的形態(tài)和生理特征與抗旱性之間的關(guān)系以及抗旱性的測定,已經(jīng)開展了研究[9-11],但對于谷子萌發(fā)期抗旱性鑒定指標(biāo)的選擇及生理特征變化情況還沒有達(dá)成共識?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究采用20%PEG溶液對15個(gè)谷子品種模擬萌發(fā)期干旱脅迫,利用其表型特征進(jìn)行抗旱性鑒定,測量各品種在干旱脅迫條件下SOD、POD、CAT和GR活性的變化情況,篩選出在萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)的谷子品種,分析內(nèi)在抗氧化酶活性對干旱脅迫的響應(yīng),為抗旱品種的田間驗(yàn)證和育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試谷子品種15個(gè),由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。供試藥劑:聚乙二醇(PEG-6000),由中國醫(yī)藥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。

表1 供試品種名稱及來源

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以聚乙二醇溶液(PEG-6000,平均分子量6000)為滲透介質(zhì),模擬干旱中的水分脅迫,于2022年4～10月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。設(shè)1個(gè)對照(蒸餾水)和1個(gè)處理(20%PEG),3次重復(fù),每次重復(fù)用種50粒。每份供試材料選取大小均勻,顆粒飽滿,無病蟲的種子進(jìn)行消毒處理[12],放置在光暗培養(yǎng)箱中進(jìn)行為期8 d的培養(yǎng)[2]。

1.2.2 指標(biāo)測定

記錄發(fā)芽第2、4、6、8 d的種子萌發(fā)情況及發(fā)芽數(shù),分別以第2 d和第8 d的發(fā)芽數(shù)量計(jì)算發(fā)芽勢、發(fā)芽率,并在萌發(fā)第8 d測量各處理的胚芽長、胚根長、鮮質(zhì)量及干質(zhì)量[2]。并以第2和8 d計(jì)算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)[13]、抗旱指數(shù)[14]等指標(biāo)。

各品種谷子第8 d在后結(jié)束培養(yǎng),取出完整的有胚根和胚芽的種子材料,蒸餾水輕輕沖洗后用濾紙吸干,從各處理均取樣0.1 g,冰浴研磨并提取酶原液,測定各品種的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft excel 2010對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算與處理,采用SPSS 21.0對各性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,使用隸屬函數(shù)值法進(jìn)行綜合抗旱鑒定,應(yīng)用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫后谷子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的變化

研究表明,干旱脅迫后15個(gè)品種谷子種子發(fā)芽勢均出現(xiàn)下降現(xiàn)象。干旱脅迫后,龍谷28、冀谷19和濟(jì)谷12發(fā)芽勢較對照下降幅度較大,降幅依次為75.00%、54.55%、和43.66%,達(dá)到極顯著差異;龍32、豫谷23、公谷67號、張雜谷19號和壩谷214的發(fā)芽勢降幅較小,分別為8.33%、5.06%、5.44%、1.21%和9.32%,未達(dá)到顯著差異。

15個(gè)品種谷子種子發(fā)芽率在干旱脅迫后較對照也均有不同程度下降。干旱脅迫后,九谷33、龍谷28和壩谷214的發(fā)芽率較對照下降幅度較大,降幅依次為21.05%、23.68%和19.72%,達(dá)到極顯著差異;濟(jì)谷12發(fā)芽率降幅最小,為0.65%。表2

表2 干旱脅迫下的谷子種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率

2.2 干旱脅迫后谷子主胚根長和芽長的變化

研究表明,干旱脅迫后谷子種子主胚根長除九谷33、蒙豐谷7號、濟(jì)谷12以外均低于對照。干旱脅迫下,公谷67號、張雜谷19號、制1-16H、冀谷19和九谷11主胚根長降幅較大,分別為56.12%、54.30%、54.93%、55.43%和59.94%,達(dá)到極顯著差異;而九谷33、蒙豐谷7號、濟(jì)谷12主胚根長較對照有所升高,升幅分別為1.56%、 226.81%、 27.02%。

干旱脅迫后谷子種子芽長除蒙豐谷7號以外較對照均有所下降。干旱脅迫下,冀谷19芽長與對照相比降幅最大為60.92%,達(dá)到極顯著差異;濟(jì)谷12芽長降幅最小為4.79%,差異不顯著;而蒙豐谷7號胚芽長較對照有所升高,升幅分別為33.88%。表3

表3 干旱脅迫下的谷子種子主胚根長和芽長變化

2.3 干旱脅迫后谷子芽鮮質(zhì)量和芽干質(zhì)量變化

研究表明,供試谷子品種芽鮮質(zhì)量在干旱脅迫后除九谷33、蒙豐谷7號、濟(jì)谷12以外均下降。干旱脅迫下,13H616芽鮮質(zhì)量降幅最大,為79.41%,極顯著低于對照;九谷33和濟(jì)谷12芽鮮質(zhì)量降幅最小,為0.00%;而蒙豐谷7號芽鮮質(zhì)量較對照有所升高,升幅分別為164.70%。其余品種芽鮮質(zhì)量降幅介于24.53%～57.89%。

干旱脅迫后谷子芽干質(zhì)量除九谷33、蒙豐谷7號、濟(jì)谷12以外均出現(xiàn)下降。干旱脅迫下,13H616芽干質(zhì)量降幅最大,為71.43%;龍谷28芽干質(zhì)量降幅最小,為0.00%;而九谷33、蒙豐谷7號、濟(jì)谷12芽鮮質(zhì)量較對照有所升高,升幅分別為14.29%、150.00%、0.01%。其余品種芽干質(zhì)量降幅介于9.09%～42.86%。表4

表4 干旱脅迫下的谷子種子芽鮮質(zhì)量和芽干質(zhì)量變化

2.4 抗旱等級分類

研究表明,按照D值進(jìn)行從大到小排序,變幅范圍為0.04～0.69,其中蒙豐谷7號的綜合D值最大達(dá)到0.685,而其萌發(fā)抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽勢和相對胚根長的隸屬函數(shù)值表現(xiàn)并不突出,分別為0.472、0.456和0.389;龍32的綜合D值排第二達(dá)到0.679,而其相對胚芽長、相對芽干重的隸屬函數(shù)值分別只有0.282、0.243;濟(jì)谷12的綜合D值排第三達(dá)到0.677,而相對芽干重和活力抗旱指數(shù)的隸屬函數(shù)值分別只有0.320、0.188;15個(gè)谷子品種的耐旱綜合D值排名為蒙豐谷7號>龍32>濟(jì)谷12>九谷33>龍谷28>豫谷23>公谷67號>隴谷17>張雜谷19號>制1-16H>壩谷214>冀谷19>九谷11>夏谷2號>13H616,其中13H616的綜合D值最小為0.04,品種抗旱性最差。強(qiáng)抗旱型品種5個(gè)(抗旱分級:0.6～1.0);中度抗旱型品種4個(gè)(抗旱分級:0.4～0.6);干旱敏感型品種5個(gè)(抗旱分級:0.2～0.4)、干旱極敏感型1個(gè)(抗旱分級:0.0～0.1)。表5

2.5 干旱脅迫下抗氧化酶活性的變化

2.5.1 干旱脅迫下SOD活性的變化

研究表明,在正常用水情況下各品種谷子的SOD值也存在一定差異,而在干旱脅迫下各品種谷子的SOD值較對照均有顯著升高,但升高幅度因品種不同而存在差異。其中干旱處理后SOD活性表現(xiàn)最高的是龍32號品種為230.75 U/g,與對照(CK)相比提高了93.23 U/g,達(dá)到顯著差異,且是眾多品種中增幅最大的;次之是蒙豐谷7號和九谷33品種,SOD值分別為185.17 和173.32 U/g,較對照相比分別提高了29.56、13.03 U/g,也達(dá)到顯著差異;而13H616品種的SOD值表型最低為139.27 U/g,較對照相比提高了16.48 U/g。超氧化物歧化酶SOD值的積累有助于提高植物的免疫力,龍32號、蒙豐谷7號和九谷33的抗旱能力相對更強(qiáng)。圖1

圖1 干旱脅迫下谷子超氧化物歧化酶活性變化

2.5.2 干旱脅迫下POD活性的變化

研究表明,不同品種谷子的POD活性對干旱脅迫的響應(yīng)結(jié)果與SOD活性基本相一致,均有所升高,但升高幅度因品種不同而存在差異,且各處理下各品種間差異均達(dá)顯著水平。其中干旱處理后POD 活性表現(xiàn)最高的是九谷33品種值為123.20 U/g,與對照(CK)相比提高了23.69%,達(dá)到顯著差異;次之是龍32和蒙豐谷7號品種,POD值分別為80.20和79.00 U/g,較對照相比分別提高了7.80%、34.81%;也達(dá)到顯著差異;而13H616品種的POD值表型最低為37.60 U/g,較對照相比提高了9.30%。POD值的積累有助于提高植物的抗逆性,九谷33、龍32號和蒙豐谷7號的抗旱能力相對更強(qiáng),13H616品種的抗旱能力最弱。圖2

圖2 干旱脅迫下谷子過氧化物酶活性變化

2.5.3 干旱脅迫下CAT活性的變化

研究表明,與對照相比,不同谷子品種CAT活性在水分脅迫條件下都明顯提高,但不同抗旱性品種酶活性上升的幅度不同,谷子在受到干旱脅迫后體內(nèi)的CAT活性會提高,但不同品種的提高幅度會有所差異?？购敌暂^強(qiáng)的品種如九谷33、龍32、蒙豐谷7號、濟(jì)谷12在干旱脅迫下的CAT活性值分別達(dá)到82.74、85.45、74.60和71.89 U/g,與對照相比分別提高了8.16、8.58、2.02和4.75 U/g。抗旱性較弱的品種如張雜谷19號、制1-16H、冀谷19、夏谷2號在干旱脅迫下的CAT活性值分別為30.39、29.84、27.81和28.80 U/g,與對照相比分別提高了9.36、10.85、10.85和6.10 U/g。圖3

圖3 干旱脅迫下谷子過氧化氫酶活性變化

2.5.4 干旱脅迫下GR活性的變化

研究表明,與對照相比,不同谷子品種 GR 活性在干旱脅迫條件下都有所提高,但不同抗旱性品種酶活性上升的幅度有所差異。其中干旱脅迫后谷子的GR活性由高到低的品種排序?yàn)?隴谷17>龍32>張雜谷19號>制1-16H>冀谷19>公谷67號>龍谷28>13H616>龍谷33>蒙豐谷7號>夏谷2號>濟(jì)谷12>九谷11>豫谷23>壩谷214。圖4

圖4 干旱脅迫下谷子谷胱甘肽酶活性變化

3 討 論

PEG-6000(聚乙二醇)具有良好的親水性,加入水中可以降低溶液水勢,進(jìn)而很好的模擬干旱脅迫,應(yīng)用廣泛[16-18]。王星宇等[19]研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫、品種和二者交互作用均可顯著影響燕麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和抗旱指數(shù)等發(fā)芽及抗旱性相關(guān)指標(biāo)。吳秀寧等[20]對黑小麥種子萌發(fā)研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫后,黑小麥發(fā)芽勢、發(fā)芽率、主胚根長、芽長、根干質(zhì)量和芽干質(zhì)量較對照均有不同程度下降。試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn),干旱處理后不同品種谷子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚芽長、胚根長、芽鮮重、芽干重幾乎均有所降低,與前人研究基本一致。但蒙豐谷7號胚芽長、胚根長、芽鮮重、芽干重在干旱脅迫下卻分別顯著提高了33.88%、226.81%、164.70%、155.00%,該品種可能在低于正常水分下性狀表現(xiàn)更加良好,但是否適用于整個(gè)生育時(shí)期還不能下決定,仍需要進(jìn)一步研究論證。

鑒定不同品種的抗旱性,需要結(jié)合多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)[21]。不同谷子品種測定的指標(biāo)反映谷子對干旱脅迫的耐受能力不同,而用單一指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映不同品種對逆境的耐受能力,且不同指標(biāo)最終表示的結(jié)果也存在一定差異[22]。隸屬函數(shù)法可綜合多個(gè)指標(biāo),得到的D值是介于[0-1]區(qū)間上的無量綱的純數(shù),使品種間抗逆性具有可比性,能較全面的反映不同品種在逆境中的耐受能力,更能直觀準(zhǔn)確的反映其綜合抗旱能力[23-24]。裴帥帥等[22]利用隸屬函數(shù)法綜合篩選出耐干旱谷子品種。研究中,基于綜合D值,將供試谷子品種進(jìn)行耐旱排序,其中蒙豐谷7號、龍谷32、濟(jì)谷12排名前三,D值分別為0.685、0.679、0.677,較為耐旱。作物的整個(gè)生育期中萌發(fā)期只是一個(gè)比較重要的時(shí)期,萌發(fā)期抗旱鑒定不能完全代表整個(gè)生育期,故而供試品種在其他生育階段的抗旱性以及其遭受干旱脅迫后和產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)系,還需進(jìn)一步研究。

植物在生長過程中形成了對活性氧的完善防御系統(tǒng),并在干旱條件下保持相對正常的生長,它們通過提高生物體內(nèi)的SOD、POD和CAT活性來保護(hù)生物膜系統(tǒng),減少膜脂質(zhì)過氧化,實(shí)現(xiàn)對活性氧的清除,減輕作物的缺水損害,顯示了植物在惡劣干旱條件下的適應(yīng)能力[25]。植物的抗逆特性實(shí)質(zhì)上是一個(gè)相互交叉、錯(cuò)綜復(fù)雜的生理變化過程。在進(jìn)行品種耐旱性鑒定時(shí),只通過表型來鑒定有時(shí)候結(jié)果可能存在偏差,此時(shí)可以注重其內(nèi)在生理變化來進(jìn)一步明確其抗旱機(jī)理[26]。不良環(huán)境中,植物體內(nèi)生理生化特性會呈現(xiàn)一定的變化,SOD、POD、CAT活性的增加能增強(qiáng)活性氧的代謝,提高植物在不良環(huán)境中的耐受性[27]。麥苗苗等[28]研究表明95%～345%PEG預(yù)處理連香樹種子,能提高保護(hù)酶SOD、POD和CAT的活性。試驗(yàn)在研究了不同品種谷子表型耐旱鑒定之后,進(jìn)一步對比了其內(nèi)在抗氧化酶SOD、POD、CAT、GR的變化,明確其對谷子干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明,在干旱脅迫下,所有品種谷子的抗氧化酶活性均有所提高,另外,耐旱性品種本身抗氧化酶活性就比較高且能夠維持較高的SOD、POD、CAT活性,但GR活性并不完全一致,有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

15個(gè)谷子品種的抗旱性劃分4個(gè)等級,其中強(qiáng)抗旱型品種5個(gè)、中度抗旱型品種4個(gè)、干旱敏感型品種5個(gè)、干旱極敏感型1個(gè)。并且,進(jìn)一步對其內(nèi)在的抗氧化酶活性進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)不同谷子品種的抗氧化酶SOD、POD、CAT、GR活性在干旱脅迫條件下都有所提高,但提高幅度存在一定差異。谷子萌發(fā)期內(nèi)在SOD、POD、CAT活性與表型指標(biāo)綜合D值基本吻合一致,但GR活性存在一定差異。在干旱脅迫條件下,不同谷子品種萌發(fā)期抵御干旱內(nèi)在抗氧化酶主要是SOD、POD、CAT,而GR關(guān)聯(lián)較小。