李尹琳,王 勃,夏方山,張杰敏,張金成,李嘉俊
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,山西 太谷 030801)
種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的起點(diǎn),是植物種質(zhì)資源創(chuàng)新的重要原料和有效保存體,在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著不可替代的作用[1]。但是,種子會(huì)隨著貯藏年限的延長(zhǎng)不斷老化,其內(nèi)部生理機(jī)能也會(huì)發(fā)生不同程度的惡化,導(dǎo)致種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)能力下降[2-3]。這已在杜仲(Eucommia ulmoides)[4]、少花蒺藜 草(Cenchrus pauciflorus)[5]、蒲 公 英(Taraxacum mongolicum)[6]、藜麥(Chenopodium quinoa)[7]、老芒麥(Elymus sibiricus)[8]等 老 化 種 子 的 研 究 中 被 證明。種子引發(fā)是一種能夠提高逆境脅迫下植物種子活力的種子處理技術(shù),還具有促進(jìn)種子萌發(fā)、增加植物產(chǎn)量等功能[9],因此,種子引發(fā)是當(dāng)下種子研究領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)。
油菜素內(nèi)酯(brassinosteroids,BR)是一種新發(fā)現(xiàn)的存在于油菜花粉中的新型植物激素[10],同時(shí)也是一種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,能夠參與細(xì)胞分裂過(guò)程,從而調(diào)控種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)等多種生理活動(dòng)[11-12],對(duì)植物的萌發(fā)及生長(zhǎng)發(fā)育有著至關(guān)重要的影響[13-14]。研究發(fā)現(xiàn),施用BR 可以促進(jìn)番茄(Solanumlycopersicum)[15]、大麥(Hordeumvulgare)[16]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[17]、大豆(Glycinemax)[18]、水稻(Oryza sativa)[19]、玉米(Zea mays)[20]等種子的萌發(fā)。BR 對(duì)種子萌發(fā)的影響常常表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的現(xiàn)象,例如在干旱脅迫下,5、25 μg/L 的BR 處理是大麥種子萌發(fā)的最佳處理[16];干旱脅迫下,0.1、0.01 μmol/L 的BR 處理顯著促進(jìn)紫花苜蓿種子的萌發(fā)[17];在NaCl 脅迫下,0.05 mg/L的BR 對(duì)玉米種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)表現(xiàn)促進(jìn)作用[20]。目前,關(guān)于BR 對(duì)植物的萌發(fā)及生長(zhǎng)的研究多集中在非生物脅迫領(lǐng)域,尚無(wú)關(guān)于BR 引發(fā)如何影響老化種子活力的研究報(bào)道。
燕麥(Avena sativa)是禾本科燕麥屬一年生草本植物,它的栽培類(lèi)型主要分為2 種,一種是帶稃型,另一種是裸粒型[21]。燕麥具有耐瘠薄、耐干旱、耐嚴(yán)寒等耐極端環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[22-23],適宜種植在高寒地區(qū)和干旱半干旱地區(qū),是世界范圍內(nèi)廣泛種植的糧飼兼用作物品種[24]。燕麥富含豐富的維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等人體必需的物質(zhì),是健康、安全的食物來(lái)源之一,因此,越來(lái)越多的人在飲食中加入燕麥[25-26]。燕麥因產(chǎn)量高、適口性好、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn),成為草地畜牧業(yè)中青貯和調(diào)制干草的材料,可解決冬春季節(jié)牧草供給不足的重大問(wèn)題,推動(dòng)畜牧業(yè)的發(fā)展[23,27-28]。此外,燕麥種子中含有大量的不飽和脂肪酸,由于脂肪衍生物容易酸敗或劣變,致使其利用價(jià)值降低[1,29]。因此,在產(chǎn)業(yè)需求、飼料安全和國(guó)家政策的支持和引導(dǎo)下,研究燕麥種子活力水平對(duì)種質(zhì)資源的利用與保存具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是自然老化還是人工老化都能降低燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等[22],但通過(guò)種子引發(fā)的方式可以提高老化燕麥種子的發(fā)芽率,緩解老化對(duì)其種子活力的破壞[30]。因此,該研究以老化燕麥種子為試驗(yàn)材料,分析不同濃度外源BR 溶液引發(fā)不同時(shí)間后其種子活力的變化規(guī)律,以期揭示老化燕麥種子響應(yīng)BR 引發(fā)的種子活力的差異,篩選出最佳濃度及引發(fā)時(shí)間,為外源BR 引發(fā)影響老化種子活力的機(jī)理研究提供參考依據(jù),也為種子的貯藏提供指導(dǎo)。
供試燕麥種子品種為“太陽(yáng)神”,2021 年5 月購(gòu)買(mǎi)于北京正道農(nóng)業(yè)股份有限公司,后密封保存于-20 ℃種子庫(kù)內(nèi)至2022 年7 月進(jìn)行試驗(yàn),其初始含水量為9.56%,初始發(fā)芽率為99%。
所購(gòu)買(mǎi)種子均帶稃殼,在不破壞其種胚結(jié)構(gòu)的情況下去除稃殼,獲得脫殼后的燕麥種子。參照劉備等[31]報(bào)道的方法將燕麥種子含水量調(diào)整至10%左右,并置于鋁箔袋中密封,最后放于45 ℃恒溫水浴箱中進(jìn)行控制老化處理,至種子發(fā)芽率為75%左右時(shí)將其取出,然后,將老化后的燕麥種子置 于 不 同 濃 度(0、0.01、0.10、0.50、1.00、10.00 μmol/L)的BR 溶液中引發(fā)0(CK)、1、6、12、18、24 h,快速濾出并用蒸餾水沖洗3 遍,并迅速用濾紙吸干種皮表面水分后于20 ℃黑暗條件自然風(fēng)干至含水量為引發(fā)前含水量(鮮重基礎(chǔ)),置于4 ℃冰箱中備用。
參照國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)的種子檢驗(yàn)規(guī)程(2020)[32]對(duì)BR 引發(fā)后的燕麥種子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)。在鋪有雙層蒸餾水浸濕濾紙的培養(yǎng)皿中放入50 粒顆粒飽滿(mǎn)的燕麥種子,放入20 ℃光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行為期10 d 的發(fā)芽試驗(yàn),每日記錄燕麥種子的發(fā)芽數(shù),在第10 天測(cè)定其正常種苗的苗長(zhǎng)。每個(gè)處理重復(fù)4 次,具體操作步驟參照文獻(xiàn)[30]。
發(fā)芽率的計(jì)算參照國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)的種子檢驗(yàn)規(guī)程(2020)[32];發(fā)芽指數(shù)和幼苗活力指數(shù)參照Abdul-Baki 等[33]報(bào)道的方法進(jìn)行計(jì)算;平均發(fā)芽時(shí)間參照Ellis 等[34]報(bào)道的方法進(jìn)行計(jì)算。
使用Excel 2010 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理,利用SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析和雙因素方差分析,采用Duncan's 法進(jìn)行組間均數(shù)多重比較,P<0.05 表示差異顯著,試驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”的形式表示。
由表1 可知,BR 濃度為0 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽率隨著引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈先降低后升高的趨勢(shì),在引發(fā)時(shí)間為24 h 時(shí)達(dá)到最高;BR 濃度為0.01 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽率隨著引發(fā)時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì),在引發(fā)24 h 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他時(shí)間,并達(dá)到發(fā)芽率最大值88.50%;BR 濃度為0.10、0.50、10.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽率隨引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈先升高后降低的趨勢(shì);BR 濃度為1.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽率隨引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈降低的趨勢(shì),在引發(fā)1 h 達(dá)到最大值。相同引發(fā)時(shí)間下,不同濃度BR 處理的燕麥種子發(fā)芽率存在很大差異。引發(fā)1 h 時(shí),燕麥種子的發(fā)芽率隨著B(niǎo)R 濃度的增加呈下降趨勢(shì),但在0~1.00 μmol/L 濃度內(nèi)無(wú)顯著變化(P>0.05);引發(fā)6~18 h 時(shí),燕麥種子發(fā)芽率隨BR 濃度增加呈先升高后降低的趨勢(shì);引發(fā)24 h 時(shí),燕麥種子發(fā)芽率隨BR 濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),在濃度為0.01 μmol/L 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他處理。濃度為0.01 μmol/L 引發(fā)24 h 可能是油菜素內(nèi)酯引發(fā)的最適濃度及時(shí)間。
表1 外源油菜素內(nèi)酯引發(fā)對(duì)老化燕麥種子發(fā)芽率的影響
由表2 可知,BR 濃度為0 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨著引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈先降低后升高的趨勢(shì);BR 濃度為0.01 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨著引發(fā)時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì),在引發(fā)24 h 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間;BR 濃度為0.10、0.50、10.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈先升高后降低的趨勢(shì),在0.10 μmol/L 引發(fā)18 h 時(shí)燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著 (P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間,在0.50 μmol/L 引發(fā)12 h 時(shí)燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著(P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間,在10.00 μmol/L 引發(fā)1 h 時(shí)燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著(P<0.05)低于其他引發(fā)時(shí)間;BR 濃度為1.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈降低的趨勢(shì),在引發(fā)24 h 時(shí)達(dá)到最小。相同引發(fā)時(shí)間下,不同濃度BR 處理的燕麥種子發(fā)芽指數(shù)存在很大差異。引發(fā)1 h 時(shí),燕麥種子的發(fā)芽指數(shù)隨著B(niǎo)R 濃度的增加整體呈降低的趨勢(shì);引發(fā)6~12 h 時(shí),燕麥種子的發(fā)芽指數(shù)隨著B(niǎo)R 濃度的增加整體呈先升高后降低的趨勢(shì);引發(fā)18~24 h 時(shí),燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨BR 濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),引發(fā)18 h 濃度為0.10 μmol/L 時(shí)燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著(P<0.05)高于其他濃度,引發(fā)24 h濃 度為0.01 μmol/L 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他濃度。
表2 外源油菜素內(nèi)酯引發(fā)對(duì)老化燕麥種子發(fā)芽指數(shù)的影響
由表3 可知,BR 濃度為0 μmol/L 時(shí),燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨著引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈先升高后降低的趨勢(shì),在引發(fā)時(shí)間為6 h 時(shí)顯著(P<0.05)高于除引發(fā)12 h 外的其他引發(fā)時(shí)間;BR濃度為0.01 μmol/L 時(shí),燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨著引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈降低的趨勢(shì),在引發(fā)時(shí)間為1 h 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間;BR 濃度為0.10、0.50、10.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈先降低后升高的趨勢(shì);BR 濃度為1.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈升高的趨勢(shì)。相同引發(fā)時(shí)間下,不同濃度BR 處理的燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間存在很大差異。引發(fā)1 h時(shí),燕麥種子的平均發(fā)芽時(shí)間隨著B(niǎo)R 濃度的增加整體呈上升趨勢(shì);引發(fā)6~12 h 時(shí),燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨BR 濃度增加整體呈先降低后升高的趨勢(shì),引發(fā)6 h 濃度為10.00 μmol/L 時(shí)燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間顯著(P<0.05)高于其他濃度;引發(fā)18~24 h 時(shí),燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨BR 濃度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì),均在濃度為10.00 μmol/L 時(shí)燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間最高 (P<0.05),引發(fā)24 h 濃度為0.01 μmol/L 時(shí)燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間顯著(P<0.05)低于其他濃度。
表3 外源油菜素內(nèi)酯引發(fā)對(duì)老化燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間的影響
由表4 可知,BR 濃度為0、0.01 μmol/L 時(shí),燕麥種子幼苗活力指數(shù)隨著引發(fā)時(shí)間的增加(1~24 h)呈上升的趨勢(shì),在0 μmol/L 引發(fā)18、24 h 時(shí)燕麥種子幼苗活力指數(shù)顯著(P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間,在0.01 μmol/L 引發(fā)24 h 時(shí)燕麥種子幼苗活力指數(shù)顯著(P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間;BR 濃度為0.10 μmol/L 時(shí),燕麥種子幼苗活力指數(shù)隨著引發(fā)時(shí)間的增加呈上升的趨勢(shì);BR 濃度為0.50、1.00、10.00 μmol/L 時(shí),燕麥種子幼苗活力指數(shù)隨引發(fā)時(shí)間的增加 (1~24 h)呈先升高后降低的趨勢(shì),在0.50 μmol/L 引發(fā)12 h 時(shí)燕麥種子幼苗活力指數(shù)顯著(P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間,在1.00 μmol/L引發(fā)12、18 h 時(shí)燕麥種子幼苗活力指數(shù)顯著 (P<0.05)高于其他引發(fā)時(shí)間,在10.00 μmol/L 引發(fā)12 h 時(shí)燕麥種子幼苗活力指數(shù)顯著(P<0.05)高于除18 h 外的其他引發(fā)時(shí)間。相同引發(fā)時(shí)間下,不同濃度BR 處理的燕麥種子幼苗活力指數(shù)存在很大差異。引發(fā)1、12 h 時(shí),燕麥種子的幼苗活力指數(shù)隨著B(niǎo)R 濃度的增加整體呈先升高后降低趨勢(shì);引發(fā)6 h 時(shí),燕麥種子的幼苗活力指數(shù)隨著B(niǎo)R 濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),在濃度為0.01 μmol/L 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他濃度;引發(fā)18 h時(shí),燕麥種子幼苗活力指數(shù)隨BR 濃度的增加呈降低的趨勢(shì);引發(fā)24 h 時(shí),燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨BR 濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),濃度為0.01 μmol/L 時(shí)顯著(P<0.05)高于其他濃度,濃度為10.00 μmol/L 時(shí)顯著(P<0.05)低于其他濃度。
表4 外源油菜素內(nèi)酯引發(fā)對(duì)老化燕麥種子幼苗活力指數(shù)的影響
如表5 所示,不同外源BR 濃度、引發(fā)時(shí)間以及兩者之間的交互作用對(duì)老化燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間、幼苗活力指數(shù)均存在極顯著(P<0.01)影響。
表5 外源油菜素內(nèi)酯濃度及引發(fā)時(shí)間對(duì)老化燕麥種子活力影響的雙因素分析
外源物質(zhì)引發(fā)能夠修復(fù)種子的老化損傷,提高其萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的能力[1]。這在外源物質(zhì)引發(fā) 蒲 公 英[6]、草 地 早 熟 禾(Poa pratensis)[35]、菘 藍(lán)(Isatis indigotica)[36]、玉米[37]等老化種子的研究中已經(jīng)得到驗(yàn)證。該研究表明,與外源BR 濃度為0 μmol/L 相比,濃度為0.01 μmol/L 引發(fā)24 h 時(shí),老化燕麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)升高,平均發(fā)芽時(shí)間降低,這說(shuō)明BR 能夠有效緩解燕麥種子的老化損傷;外源BR 濃度超過(guò)1.00 μmol/L 引發(fā)時(shí)間超過(guò)18 h,其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)顯著降低(P<0.05),平均發(fā)芽時(shí)間顯著升高(P<0.05)。低濃度的BR 會(huì)促進(jìn)老化燕麥種子萌發(fā),而高濃度抑制其萌發(fā),這與外源BR 調(diào)控下促進(jìn)蕎麥(Fagopyrum esculentum)[38]、黑麥草(Lolium perenne)[39]、大麥[16]植物種子萌發(fā)的研究結(jié)果一致,說(shuō)明BR 對(duì)老化燕麥種子活力的修復(fù)作用也具有雙重效應(yīng)。
外源BR 促進(jìn)種子萌發(fā)不僅與其濃度有關(guān),還與其引發(fā)時(shí)間關(guān)系密切。該研究表明,相同濃度下,隨著引發(fā)時(shí)間的增加,種子各個(gè)指標(biāo)間也呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)BR 濃度較低時(shí)(0.01 μmol/L),隨著引發(fā)時(shí)間的增加可以增加其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù),降低其平均發(fā)芽時(shí)間,這可能是因?yàn)橐l(fā)時(shí)間較短時(shí),不能充分啟動(dòng)種子的萌發(fā)前代謝,隨著引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng),種子內(nèi)完成萌發(fā)前的代謝啟動(dòng),促進(jìn)萌發(fā)。在濃度為0.10~0.50 μmol/L,隨著引發(fā)時(shí)間的增加,其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)先升高后降低,平均發(fā)芽時(shí)間呈相反趨勢(shì),此時(shí)也可促進(jìn)老化燕麥的萌發(fā)能力。當(dāng)濃度為1.00 μmol/L 時(shí),其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)隨引發(fā)時(shí)間的增加呈先升高后下降趨勢(shì),平均發(fā)芽時(shí)間延長(zhǎng),在濃度為1.00 μmol/L 引發(fā)1 h 時(shí),發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)已達(dá)最大值,隨著引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低,可能是因?yàn)橐l(fā)時(shí)間過(guò)久,造成種子吸脹損傷,甚至因引發(fā)物質(zhì)富集而產(chǎn)生毒害作用[40]。當(dāng)BR 濃度較高時(shí)(10.00 μmol/L),其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)低于其他濃度,平均發(fā)芽時(shí)間高于其他濃度,這可能是因?yàn)闈舛冗^(guò)高,引發(fā)時(shí)間的長(zhǎng)短均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生毒害作用,引發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短時(shí)毒害作用尤為明顯。
該試驗(yàn)的雙因素方差分析結(jié)果表明,不同外源BR 濃度及引發(fā)時(shí)間對(duì)老化燕麥種子發(fā)芽率、平均發(fā)芽時(shí)間、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)均存在極顯著(P<0.01)影響。濃度較高引發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)會(huì)降低老化燕麥種子活力,此時(shí)兩者的累積可能對(duì)種子造成損傷,從而降低種子活力。該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),燕麥種子在BR 濃度為0.01 μmol/L 引發(fā)24 h 時(shí)其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)最高,分別由CK 的74.00%、14.94、10.70 提高至88.50%、20.08、15.16,此時(shí),該處理下平均發(fā)芽時(shí)間也是最低,由CK 的2.89 降至2.40;在濃度為10.00 μmol/L 引發(fā)1 h 時(shí),其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)最低,平均發(fā)芽時(shí)間最高。這與在番茄中的研究結(jié)果類(lèi)似,這可能是因?yàn)槭褂肂R 能夠積極促進(jìn)種子中物質(zhì)轉(zhuǎn)換,促進(jìn)萌發(fā)能力[41]。
外源油菜素內(nèi)酯引發(fā)對(duì)老化燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間和幼苗活力指數(shù)的影響與其濃度及引發(fā)時(shí)間有密切關(guān)系。低濃度的油菜素內(nèi)酯溶液能有效緩解燕麥種子的老化現(xiàn)象,提高種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù),降低平均發(fā)芽時(shí)間,緩解老化對(duì)燕麥種子造成的傷害;高濃度則反之。在該試驗(yàn)中,油菜素內(nèi)酯濃度為0.01 μmol/L 引發(fā)24 h 為最佳處理。