(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

低溫是影響植物生長(zhǎng)和分布的全球性自然災(zāi)害的因素之一[1]，也是限制冷敏感作物產(chǎn)量和品質(zhì)及地域分布的最主要的逆境因子。棉花是世界性的經(jīng)濟(jì)作物，我國(guó)是世界最大的棉花生產(chǎn)國(guó)，其生產(chǎn)對(duì)我國(guó)的工農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的作用[2]。棉花屬于錦葵科棉屬植物，原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶，喜溫好光，對(duì)低溫脅迫具有敏感性。而且低溫冷害在棉花生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段均有發(fā)生，輕則引起生育期延遲，產(chǎn)量下降，品質(zhì)變差[3]，重則導(dǎo)致棉花絕收[4]。因此，提高棉花的耐冷性是保證棉花產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要手段。

種子萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)是植物生活史的始點(diǎn)，也是植物適應(yīng)外部環(huán)境的起點(diǎn)，更是植物生長(zhǎng)發(fā)育最敏感的時(shí)期[5]，在此時(shí)期遭遇低溫不僅會(huì)減緩棉花種子的萌發(fā)速度，還常導(dǎo)致棉花種子爛種、爛芽、甚至死苗[6]，對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)形成造成嚴(yán)重影響。新疆是我國(guó)最大的棉花生產(chǎn)基地，但北疆棉區(qū)播種期常遭受低溫冷害天氣，如何提高種子萌發(fā)的耐冷能力是該區(qū)棉花生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題?？箟难?維生素C)，是一種在植物體內(nèi)普遍存在的抗氧化物質(zhì)，可以有效的去除植物體內(nèi)活性氧自由基，提高植物抗逆性，在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)和生理功能方面起著重要作用。已有研究表明，外施抗壞血酸可提高植物對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)能力[7]，外源抗壞血酸具有增強(qiáng)植物耐鹽性、緩解衰老、緩解重金屬及不適溫度條件脅迫等作用[8]。在耐冷性上，抗壞血酸已被應(yīng)用于番茄、小麥、西瓜等多種作物[7,9-10]，但棉花上未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。基于此，本研究以新疆北疆棉區(qū)主栽陸地棉品種新陸早61號(hào)為材料,通過(guò)研究外源抗壞血酸對(duì)低溫脅迫下棉花種子萌發(fā)特性的影響，探索適宜的引發(fā)濃度、時(shí)間及處理組合，以期對(duì)探索克服低溫冷害脅迫下影響棉花種子萌發(fā)的技術(shù)和棉花抗逆機(jī)理研究提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

本試驗(yàn)以新疆北疆棉區(qū)主栽早熟陸地棉品種新陸早61號(hào)為材料，棉花種子由新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室棉花育種室保存和提供。

1.2 方 法

1.2.1實(shí)驗(yàn)方法

引發(fā)處理：挑選飽滿、未破損經(jīng)硫酸脫絨的種子，用3%的次氯酸鈉(NaClO)浸泡10 min消毒滅菌后，自來(lái)水沖洗3～5次洗去殘留消毒液，后放置于經(jīng)高溫蒸汽滅菌后的錐形瓶中，以濃度為0，25，50，100，200 mg/L的抗壞血酸溶液，于15 ℃下分別引發(fā)3，6，12，24 h，各引發(fā)處理組合按照0 mg/L引發(fā)3 h、0 mg/L引發(fā)6 h、0 mg/L引發(fā)12 h、0 mg/L引發(fā)24 h、25 mg/L引發(fā)3 h……200 mg/L引發(fā)24 h編號(hào)為C 1、C 2、C 3、C 4、C 5……C 20。引發(fā)處理后的種子用蒸餾水沖洗干凈，并用濾紙吸干表面水分后，于室溫(25 ℃)下回干48 h至原含水量。以經(jīng)3%次氯酸鈉消毒10 min而未引發(fā)的種子為對(duì)照(ck)，每個(gè)處理設(shè)定3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)30個(gè)種子。

萌發(fā)試驗(yàn)：將回干后的種子轉(zhuǎn)移到墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中(濾紙和培養(yǎng)皿均采用高溫蒸汽滅菌法滅菌處理)，每個(gè)培養(yǎng)皿中加入3 mL蒸餾水浸濕濾紙。在15 ℃ RXZ型智能人工氣候箱中進(jìn)行種子萌發(fā)培養(yǎng)，晝夜交替15 h/9 h，光照度1 600～2 000 lx。連續(xù)發(fā)芽處理8 d，每天記錄發(fā)芽種子的數(shù)量(萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為胚根突破種皮長(zhǎng)度達(dá)到種子長(zhǎng)度的1/2)并依實(shí)際情況補(bǔ)加適量蒸餾水。

1.2.2指標(biāo)測(cè)定

測(cè)定常用的種子萌發(fā)指標(biāo)(發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)及平均發(fā)芽時(shí)間)來(lái)分析種子萌發(fā)特性。發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt(式中：Gt為不同時(shí)間(t,d)的發(fā)芽量，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽試驗(yàn)天數(shù))，其它各指標(biāo)的具體測(cè)定方法及定義參照李志博等[11]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、標(biāo)準(zhǔn)誤計(jì)算和Duncan多重比較；用SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同引發(fā)濃度對(duì)棉種萌發(fā)指標(biāo)的影響

種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)整個(gè)生命活動(dòng)的起點(diǎn)，是植物生活史中最關(guān)鍵的階段之一。低溫脅迫在很大程度上影響著植物種子的萌發(fā)，由圖1 A可知，低溫脅迫下各萌發(fā)指標(biāo)都下降到了一個(gè)極低的程度，但隨著引發(fā)濃度的增大，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)及發(fā)芽指數(shù)皆呈先升后降的趨勢(shì)，而平均發(fā)芽時(shí)間則隨濃度的增加大大縮短。相比于對(duì)照(ck)，在各項(xiàng)種子萌發(fā)指標(biāo)上不同引發(fā)濃度與其均有顯著性差異(p<0.05)。其中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)均為50 mg/L抗壞血酸溶液引發(fā)時(shí)結(jié)果最優(yōu)，分別較ck提高了8.89%、5.13、0.23；而發(fā)芽率、平均發(fā)芽時(shí)間為200 mg/L抗壞血酸溶液引發(fā)時(shí)結(jié)果最優(yōu)，分別較ck提高了15.00%、-0.97 d，但在50 mg/L抗壞血酸溶液引發(fā)時(shí)發(fā)芽率及平均發(fā)芽時(shí)間也分別較ck提高了14.72%、-0.91 d。徐建偉等研究表明，在低溫逆境下，隨著低溫加重，各發(fā)芽指標(biāo)受到影響最大依次為發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)、發(fā)芽率和平均發(fā)芽速度[12]。也就是說(shuō)，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及種子萌發(fā)指數(shù)對(duì)低溫脅迫的敏感性高于發(fā)芽率和平均發(fā)芽速度(平均發(fā)芽時(shí)間)，更適合作為棉花種子萌發(fā)耐冷性的快速鑒定和評(píng)價(jià)指標(biāo)。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，最適的外源抗壞血酸引發(fā)濃度為50 mg/L。

2.2 不同引發(fā)時(shí)間對(duì)棉種萌發(fā)指標(biāo)的影響

發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)及平均發(fā)芽時(shí)間是評(píng)價(jià)種子萌發(fā)的常用指標(biāo)。它可以反映種子的活力、發(fā)芽的整齊度、幼苗的健壯及種子萌發(fā)速度的潛勢(shì)。各種子萌發(fā)指標(biāo)在不同引發(fā)時(shí)間下的變化趨勢(shì)如圖1 B所示?？梢钥闯觯S著引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，而平均發(fā)芽時(shí)間則隨引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)顯著縮短。且當(dāng)引發(fā)時(shí)間≥12 h時(shí)，各項(xiàng)種子萌發(fā)指標(biāo)相比于ck均有顯著性差異(p<0.05)。引發(fā)24 h結(jié)果最優(yōu)，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)及發(fā)芽指數(shù)較ck分別提高了15.56%、22.89%、0.37和8.22，平均發(fā)芽時(shí)間較ck縮短了1.16 d，各項(xiàng)指標(biāo)較對(duì)照在0.05顯著水平上均差異顯著。

2.3 不同引發(fā)處理組合對(duì)棉種萌發(fā)指標(biāo)的影響

種子引發(fā)是提高種子活力的有效途徑[13]，且溶液引發(fā)作為目前常用的引發(fā)方法之一，確定不同引發(fā)劑的最佳引發(fā)濃度和引發(fā)時(shí)間是至關(guān)重要的。本試驗(yàn)不同引發(fā)濃度及時(shí)間的處理組合對(duì)種子萌發(fā)指標(biāo)的影響如圖2所示?？芍?，相比于ck，僅有C 12、C 16兩個(gè)處理提高了低溫下棉種的發(fā)芽勢(shì)，分別提高了24.44%、15.56%，較ck差異達(dá)極顯著水平(p<0.01)；處理C 8、C 12極顯著提高了低溫下棉種的發(fā)芽率和種子萌發(fā)指數(shù)，分別提高了26.66%、30.00%和0.41、0.53，較ck在0.01顯著水平上差異極顯著；C 8、C 12、C 16及C 20這4個(gè)處理均極顯著(p<0.01)提高了棉種的發(fā)芽指數(shù)，其中處理C 12效果最好，較ck提高了11.89；處理C 3、C 4、C 7、C 8、C 10、C 11、C 12、C 15、C 16、C 17、C 19、C 20均縮短了低溫下棉花種子平均發(fā)芽時(shí)間，相比于ck差異均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，但處理C 12結(jié)果最優(yōu)，較ck顯著縮短平均發(fā)芽時(shí)間1.39 d。其余處理組合相比于ck皆無(wú)極顯著差異。分析可知，C 8(25 mg/L引發(fā)24 h)、C 12(50 mg/L引發(fā)24 h)、C 16(100 mg/L引發(fā)24 h)這3個(gè)處理組合均能大幅度提高棉花種子萌發(fā)耐冷性，但以處理組合C 12提升幅度最大、效果最優(yōu)。

注：不同字母表示不同處理間的差異顯著(p<0.05，Duncan測(cè)驗(yàn))。下同。圖1 不同引發(fā)濃度及時(shí)間下各種子萌發(fā)指標(biāo)變化

圖2 不同引發(fā)處理組合下各種子萌發(fā)指標(biāo)變化

3 討 論

低溫冷害是影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素之一，在棉花生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)時(shí)期均有發(fā)生[3,14]。在低溫脅迫條件下，棉花細(xì)胞內(nèi)原有的自由基代謝平衡會(huì)遭到破壞，從而使自由基不斷增加，光合作用受到抑制、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)迅速積累及抗氧化酶活性下降，進(jìn)而引起生理生化代謝功能紊亂，導(dǎo)致傷害發(fā)生[15]?？箟难嶙鳛橹参矬w內(nèi)重要的抗氧化劑，在植物抗氧化脅迫中發(fā)揮著重要作用，近年來(lái)，關(guān)于抗壞血酸在提高植物逆境適應(yīng)性方面的研究越來(lái)越多[8]。本研究初步探討了抗壞血酸對(duì)棉花種子萌發(fā)耐冷性的影響，研究結(jié)果對(duì)探索克服低溫冷害脅迫下影響棉花種子萌發(fā)的技術(shù)和進(jìn)行棉花抗逆機(jī)理研究都具有重要的實(shí)踐和理論意義，尤其對(duì)穩(wěn)定新疆棉花的戰(zhàn)略地位具有極為重要的作用。

種子引發(fā)可以促進(jìn)種子萌發(fā)，提高種子發(fā)芽速率和整齊度，但種子引發(fā)效果與引發(fā)劑的類(lèi)型、引發(fā)時(shí)間的長(zhǎng)短、引發(fā)的方法和作物品種有很大關(guān)系[16]。因此，確定不同引發(fā)劑的最佳引發(fā)濃度和引發(fā)時(shí)間是至關(guān)重要的。本研究表明，濃度為50 mg/L的抗壞血酸溶液對(duì)提高棉花種子萌發(fā)耐冷性的效果最佳，且隨著引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、種子萌發(fā)指數(shù)及發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，而平均發(fā)芽時(shí)間則隨時(shí)間的延長(zhǎng)顯著縮短，最適宜引發(fā)時(shí)間為24 h。由不同濃度、時(shí)間引發(fā)處理組合對(duì)棉種萌發(fā)耐冷性影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，以濃度為50 mg/L的抗壞血酸溶液對(duì)棉花種子引發(fā)24 h對(duì)提高棉花種子萌發(fā)耐冷性的效果最優(yōu)，這與劉曉輝[7]在外源抗壞血酸提高西瓜幼苗耐冷性方面的研究結(jié)果一致。

但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在“有限”的24 h處理時(shí)間內(nèi)，隨著引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)“上限拐點(diǎn)”，因此基于24 h以后的引發(fā)結(jié)果如何還需要從理論上設(shè)置更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行研究，但是，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)棉花種子低溫(15 ℃)下經(jīng)抗壞血酸引發(fā)24 h后，已有少量種子的胚根突破種皮，因此考慮大田生產(chǎn)播種實(shí)際情況，24 h引發(fā)時(shí)間似乎為最佳的抗壞血酸引發(fā)時(shí)間。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，雖然100 mg/L和200 mg/L的耐冷性引發(fā)效果都低于最佳引發(fā)濃度50 mg/L的結(jié)果，但出現(xiàn)了200 mg/L的數(shù)據(jù)略微高于100 mg/L的“數(shù)據(jù)不穩(wěn)”的現(xiàn)象，原因及機(jī)理需后續(xù)更深入的研究分析。此外，本試驗(yàn)僅研究了棉花的萌芽期，關(guān)于外源抗壞血酸是否能提高其它生長(zhǎng)階段的耐冷性以及最佳的濃度都需要進(jìn)一步研究，且對(duì)提高其它棉花品種耐冷性的影響還有待進(jìn)一步探究。