于惠琳，吳玉群，胡寶忱，尤丹，王延波

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 玉米研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

水分逆境是制約我國(guó)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵非生物脅迫因子，干旱脅迫是限制全球作物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1，2]。關(guān)于干旱脅迫下作物的生理代謝已有過(guò)大量報(bào)道，曾有研究表明干旱脅迫對(duì)作物芽苗期的影響最為嚴(yán)重，干旱脅迫下種子吸水萌發(fā)困難、幼苗形態(tài)建成受阻是造成干旱危害的關(guān)鍵因素[3]；也有報(bào)道干旱脅迫可導(dǎo)致作物抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)紊亂、滲透代謝失調(diào)、光合能力下降[4]。

甜玉米是我國(guó)重要的糧飼作物，也可加工為果蔬產(chǎn)品，在我國(guó)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，在我國(guó)大部分地區(qū)都可種植[5]。然而由于甜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(zhǎng)纖弱。在這一背景下，如遇土壤干旱，甜玉米種子萌發(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)。曾有研究指出對(duì)于多數(shù)作物而言芽苗期都是對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感的關(guān)鍵時(shí)期，干旱會(huì)造成作物種子出苗困難，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[6]。也有報(bào)道干旱脅迫下作物葉片氣孔導(dǎo)度下降、蒸騰速率和光合速率降低[7]。另外，對(duì)干旱脅迫下作物幼苗的抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)也有過(guò)研究[8]。針對(duì)這一問(wèn)題學(xué)者們除在抗旱品種選育方面不斷努力外，在提高干旱逆境下種子萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成促進(jìn)技術(shù)方面開展了大量研究。曾有學(xué)者提出種子播種前進(jìn)行抗逆引發(fā)是增強(qiáng)其苗期抗性的關(guān)鍵時(shí)期，也有研究表明采用種子保水丸劑手段可增強(qiáng)種子對(duì)干旱逆境的抵御能力，在普通玉米、高粱等作物上已有過(guò)報(bào)道[9,10]。然而，針對(duì)甜玉米具有籽粒干癟、芽苗長(zhǎng)勢(shì)弱特征的種子芽苗期抗旱能力差的問(wèn)題始終缺乏有效應(yīng)對(duì)手段。

因此，本試驗(yàn)采用播種前PEG引發(fā)種子技術(shù)對(duì)甜玉米幼苗在不同程度干旱脅迫下的萌發(fā)情況和幼苗生理指標(biāo)進(jìn)行了研究，旨在探明干旱脅迫下PEG引發(fā)種對(duì)甜玉米出苗和幼苗形態(tài)建成的作用效果，為甜玉米抗旱生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為甜玉米品種金冠218，于2017年在遼寧省農(nóng)科院(沈陽(yáng))人工氣候室進(jìn)行，晝/夜溫度為25 ℃/18 ℃，濕度為 48%，光照時(shí)間為12 h/d，光照強(qiáng)度為 1 085 μmol·m-2·s-1。試驗(yàn)采取盆栽方式，塑料盆大小為：直徑20 cm，盆深18 cm，每盆裝0.8 kg過(guò)篩干土，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。土壤田間持水量為28%，設(shè)4個(gè)水分處理，分別為：(1)土壤正常供水，及田間100%供水(CK)；(2)田間持水量的80%供水；(3)田間持水量的60%供水；(4)田間持水量的40%供水。采取電子秤稱重法進(jìn)行水分控制，每天補(bǔ)水1次，補(bǔ)充消耗和蒸散的水分。每盆播種30粒, 出苗結(jié)束后定苗, 每盆均勻留苗 10 株。

1.2 PEG引發(fā)種子處理

PEG引發(fā)種子處理：將種子在20%的PEG 8000中浸種6 h(18 ℃)，之后用蒸餾水漂洗干凈，并將種子放置于20 ℃恒溫箱中，干燥至恒重。不引發(fā)處理：以未接觸過(guò)任何抗性處理的種子用作對(duì)照，同時(shí)采用蒸餾水浸泡6 h(18 ℃)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 萌發(fā)參數(shù)

在不同干旱處理下，每盆播種引發(fā)和未引發(fā)的種子各20粒，3次重復(fù)，完全隨機(jī)排列。從播種后6 d開始，每天調(diào)查1次，記錄數(shù)值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直至播種后12 d測(cè)定結(jié)束。之后收集所有發(fā)芽種子，統(tǒng)計(jì)胚根長(zhǎng)度大于它的種子長(zhǎng)度的種子數(shù)量，計(jì)算發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

計(jì)算公式為：

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

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×胚根鮮重。

1.3.2 生理參數(shù)

與種子萌發(fā)試驗(yàn)分開，單獨(dú)進(jìn)行PEG引發(fā)種子下幼苗生理特性測(cè)定分析。葉綠素、抗氧化系統(tǒng)采用作物生理研究法[11]的方法進(jìn)行測(cè)定。其中葉綠素在播種后6、12、18、24 d進(jìn)行測(cè)定，POD(過(guò)氧化物酶)、CAT(過(guò)氧化氫酶)、O2-(超氧陰離子自由基)在播種后12 d和24 d測(cè)定。光合作用采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(小葉室)進(jìn)行測(cè)定，采用紅藍(lán)光源，設(shè)定PAR為1 000 μmol·m-2·s-1作為測(cè)定光強(qiáng)，測(cè)定凈光合速率，記錄3次值求其平均數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 7.05對(duì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方差分析采用LSD方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米萌發(fā)的調(diào)控

PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米萌發(fā)存在較大影響(表1)。PEG引發(fā)種子處理較未引發(fā)處理發(fā)芽率差異顯著，處理后6 d的調(diào)查結(jié)果顯示PEG引發(fā)種子可提高所有水分條件下的發(fā)芽率，且隨著干旱程度的增加效果愈加明顯；播種后12 d 的調(diào)查結(jié)果與之類似，在80%、60%和40%土壤水分條件下分別比對(duì)照出苗率可提高13.3%、30.3%和49.8%。發(fā)芽指數(shù)差異極顯著(F值=227.41**)，活力指數(shù)差異極顯著(F值=188.12**)，PEG引發(fā)種子處理在80%、60%和40%土壤水分條件下發(fā)芽指數(shù)可分別比對(duì)照提高40.9%、34.7%和25.7%，活力指數(shù)分別提高29.1%、41.5%和66.7%。說(shuō)明PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米在干旱脅迫下的出苗具有很好的調(diào)節(jié)和促進(jìn)作用。

表1 PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米萌發(fā)的調(diào)控Table 1 Regulation of PEG seed priming on germination of sweet corn under drought stress

注：*代表差異在0.05水平差異顯著，**代表在0.01水平差異顯著。

Note: Values followed by*or**indicate a significant difference atP<0.05 or 0.01 level, respectively, between PEG-priming and non-priming treatments.

2.2 PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米幼苗葉綠素含量的影響

在播種后不同調(diào)查時(shí)間的研究結(jié)果顯示，PEG引發(fā)種子可減弱干旱條件下葉片葉綠素含量的下降幅度(圖1)。隨著干旱程度的加大，PEG引發(fā)種子較未引發(fā)處理葉綠素的差異幅度明顯增大。在播種后6、12、18、24 d，80%土壤供水處理下，PEG引發(fā)種子處理葉綠素含量較對(duì)照均有所提高，且隨著干旱脅迫程度的增加作用效果愈加明顯。說(shuō)明PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米幼苗的葉綠素含量具有很好的調(diào)節(jié)作用，可通過(guò)減少幼苗葉綠素來(lái)增強(qiáng)幼苗對(duì)干旱逆境的抵御能力。

2.3 PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米幼苗葉片凈光合速率的影響

干旱脅迫下，甜玉米葉凈光合速率下降明顯，但PEG引發(fā)種子處理可減緩不同土壤水分處理下葉片凈光合速率的下降幅度，且隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加作用效果愈加明顯(圖2)。播種后12 d，在80%、60%和40%土壤水分條件下，PEG引發(fā)種子處理凈光合速率分別較對(duì)照提高18.0%、38.3%和46.3%；播種后24 d，在80%、60%和40%土壤水分條件下，PEG引發(fā)種子處理凈光合速率分別較對(duì)照提高23.7%、31.3%和15.6%，差異均達(dá)顯著水平。說(shuō)明PEG引發(fā)種子可促進(jìn)干旱脅迫下甜玉米幼苗的光合物質(zhì)積累，促進(jìn)干旱條件下甜玉米幼苗的形態(tài)建成。

*和**為同一測(cè)定時(shí)間和同一水分條件下種子引發(fā)和未引發(fā)間的差異顯著性比較，*代表差異在0.05水平差異顯著，**代表在0.01水平差異顯著。Bars with * or ** indicate the significant differences between seed priming and non-priming treatments at P<0.05 or 0.01 level, respectively,at the same post-treatment time under the same drought stress level.圖1 PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of PEG seed priming on the chlorophyll content in sweet corn seedlings at different post-treatment time under different drought stress levels

2.4 PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)的影響

PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米滲透調(diào)節(jié)參數(shù)存在較大影響(表2)。不同種子處理(PEG引發(fā)種子、CK)下脯氨酸(F值=752.8**)、游離氨基酸(F值=588.2**)和電導(dǎo)率(F值=385.9**)差異極顯著，變化活躍；可溶性蛋白、還原性糖和可溶性糖雖然差異也達(dá)到了顯著水平，但F值明顯小于脯氨酸、游離氨基酸和電導(dǎo)率3個(gè)參數(shù)。說(shuō)明，PEG引發(fā)種子對(duì)脯氨酸、游離氨基酸和電導(dǎo)率的調(diào)節(jié)是苗期抗旱性增強(qiáng)的重要原因。此外，土壤水分處理間游離氨基酸和可溶性蛋白變化活躍，種子×水分、種子×天數(shù)、種子×水分×天數(shù)間普遍存在互作效應(yīng)，尤其是脯氨酸(F值=145.3**)和游離氨基酸(F值=102.4*)在種子×水分下互作效應(yīng)較大。

*和**為同一測(cè)定時(shí)間和同一水分條件下種子引發(fā)和未引發(fā)間的差異顯著性比較，*代表差異在0.05水平差異顯著，**代表在0.01水平差異顯著。Barswith * or ** indicate the significant differences between seed priming and non-priming treatments at P<0.05 or 0.01 level, respectively,at the same post-treatment time under the same drought stress levels.圖2 PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米凈光合速率的影響Fig.2 Effects of PEG seed priming on the net photosynthetic rates of sweet corn seedlings at different time under different drought stress levels

表2 PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米滲透調(diào)節(jié)參數(shù)的F檢驗(yàn)Table 2 F-test forPEG seed priming parameters of sweet corn under drought stress

注：*代表差異在0.05水平差異顯著，**代表在0.05水平差異差異顯著。

Note: Values followed by*or**indicate a significant difference atP<0.05 or 0.01 level, respectively,between PEG-treated and non-treated groups.

2.5 PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米幼苗葉片SOD、CAT的調(diào)控

PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米SOD、CAT存在較大影響，隨著干旱脅迫的增加SOD、CAT均呈增加的趨勢(shì)(表3)。在不同測(cè)定時(shí)間下，PEG引發(fā)種子處理較對(duì)照SOD的F值表現(xiàn)為：6 d<12 d<18 d，6 d差異顯著，12 d和18 d差異極顯著；CAT PEG引發(fā)種子處理較對(duì)照SOD的F值變化趨于穩(wěn)定(F6 d=102.3**，F(xiàn)12 d=97.2**，F(xiàn)18 d=104.5**)，差異均達(dá)顯著水平。說(shuō)明 PEG引發(fā)種子對(duì)SOD、CAT具有顯著的調(diào)控作用，可增強(qiáng)其干旱逆境時(shí)的抵御能力。

表3 PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米SOD、CAT的調(diào)控Table 3 Regulation of PEG seed priming on SOD and CAT of sweet corn under drought stress

注：*代表差異在0.05水平差異顯著，**代表在0.05水平差異顯著。

Note: Values followed by*or**indicate a significant difference atP<0.05 or 0.01 level, respectively, between PEG-treated and non-treated groups.

2.6 PEG引發(fā)種子對(duì)甜玉米幼苗O2-的調(diào)控

在不同水分處理下，PEG引發(fā)種子均可極顯著減低甜玉米的下降幅度，且隨著干旱脅迫的增加作用效果更加明顯(圖3)。播種后12 d，不同土壤水分條件下，PEG引發(fā)種子處理可減緩O2-的增加幅度，減少其對(duì)幼苗細(xì)胞質(zhì)膜的損傷；播種后24 d，PEG引發(fā)種子處理較未引發(fā)的O2-均有所增加，但變化趨勢(shì)與播種后12 d基本一致。說(shuō)明O2-在干旱脅迫下對(duì)幼苗抗氧化調(diào)節(jié)起著重要的調(diào)節(jié)作用。

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)采用PEG引發(fā)種子技術(shù)可增強(qiáng)甜玉米種子對(duì)干旱脅迫的抵御能力，顯著增強(qiáng)干旱下種子的的萌發(fā)能力，提高發(fā)芽率。此研究結(jié)果前人在普通通玉米、油菜等糧油作物上已有報(bào)道[12，13]，本研究與這些研究結(jié)果相似，說(shuō)明PEG引發(fā)種子技術(shù)可作為水分逆境下促進(jìn)甜玉米種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的重要手段。但甜玉米籽粒干癟、內(nèi)部干物質(zhì)含量少，吸水速度較快，種子引發(fā)時(shí)間控制不當(dāng)容易造成籽粒受損，萌發(fā)能力下降，因此采用PEG引發(fā)種子的處理時(shí)間應(yīng)當(dāng)作為該技術(shù)的重點(diǎn)，通過(guò)先前的種子引發(fā)處理時(shí)間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，種子引發(fā)6 h的處理結(jié)果較好，在本研究中種子萌發(fā)率和發(fā)芽率進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。

**為同一測(cè)定時(shí)間和干旱脅迫下下種子引發(fā)和未引發(fā)間的差異在0.01水平顯著。Bars with ** indicate the significant differences between seed priming and non-priming treatments at P<0.01 level at the same post treatment time under the same drought stress level.圖3 PEG引發(fā)種子對(duì)干旱脅迫下甜玉米O2-的調(diào)控Fig.3 Regulation of PEG seed priming on O2- of sweet corn under drought stress

曾有研究表明葉綠素是作物吸收太陽(yáng)光能進(jìn)行光合作用的重要載體，土壤水分逆境影響葉綠素合成酶的活性，限制作物葉綠素的合成，進(jìn)而造成光合物質(zhì)生產(chǎn)受阻[13]。本研究發(fā)現(xiàn)PEG引發(fā)種子后，在干旱脅迫后幼苗的葉片下降幅度相對(duì)較小，與前人研究結(jié)果類似。本研究還發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下幼苗葉片葉綠素和光合作用下降明顯，但PEG引發(fā)種子處理可減緩干旱逆境下幼苗葉片葉綠素的下降、維持較高的光合作用。此研究結(jié)果與徐文強(qiáng)等[14]提出的土壤水分對(duì)玉米種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)作用明顯，水分虧缺會(huì)造成幼苗光合能力下降、生長(zhǎng)發(fā)育受阻的結(jié)果相吻合，進(jìn)一步闡明了PEG引發(fā)種子增強(qiáng)了其幼苗對(duì)干旱逆境的抵御能力。本研究還發(fā)現(xiàn)PEG引發(fā)種子處理后，SOD和CAT是水分逆境下抗氧化調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素，O2-在抗氧化調(diào)解中發(fā)揮著重要作用。這一結(jié)果與PEG引發(fā)高粱種子后抗氧化系統(tǒng)中POD和O2-是維持水分虧缺的抗氧化系統(tǒng)關(guān)鍵因子的結(jié)果基本一致[6]，但關(guān)鍵抗氧化酶變化的種類有所差異，可能是因?yàn)椴煌魑锊町愃?。此外研究還發(fā)現(xiàn)脯氨酸、游離氨基酸和電導(dǎo)率是其苗期抗旱性增強(qiáng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。此研究結(jié)果與盧金[10]采用源H2O2處理小麥種子后幼苗滲透調(diào)節(jié)能力顯著提高的結(jié)果基本一致。但也有研究表明外援引發(fā)劑的介入會(huì)造成幼苗生理代謝紊亂，出現(xiàn)幼苗生理失調(diào)[15]。此種現(xiàn)象在本研究中未見(jiàn)發(fā)生，可能是因?yàn)槠湟l(fā)劑與本試驗(yàn)不同所致。

綜上所述，PEG引發(fā)種子技術(shù)可顯著增強(qiáng)甜玉米種子對(duì)干旱脅迫的抵御能力，提高萌發(fā)能力，增強(qiáng)芽苗期對(duì)干旱脅迫的抵御能力，可作為甜玉米抗旱栽培的重要技術(shù)參考，同時(shí)在技術(shù)大面積應(yīng)用前應(yīng)綜合考慮不同的土壤類型、養(yǎng)分條件和氣候條件，做好應(yīng)用前的準(zhǔn)備試驗(yàn)。