黃愛花,鄒成林*,蘇義成,翟瑞寧,莫潤秀,黃開健,譚 華
(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所,廣西 南寧 530007;2.廣西區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,廣西 南寧 530007)
【研究意義】隨著全球氣候的不斷劇烈變化,干旱作為主要自然災(zāi)害嚴(yán)重制約全球農(nóng)業(yè)的發(fā)展。種子萌發(fā)期對(duì)水分需求雖然相對(duì)較少,但卻是作物生長的關(guān)鍵時(shí)期,該時(shí)期種子的發(fā)芽率、幼苗生長和萌發(fā)期生理進(jìn)程均關(guān)乎植物后期的生長發(fā)育,嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量[1-3]。玉米作為全球和我國最重要的糧食作物之一,其產(chǎn)量受到干旱的嚴(yán)重制約。聚乙二醇(PEG)是一種高分子聚合物[化學(xué)式為HO(CH2CH2O)nH],可導(dǎo)致細(xì)胞脫水而引起質(zhì)膜結(jié)構(gòu)變化和細(xì)胞融合,不同濃度PEG具有不同的滲透勢,可利用其模擬不同干旱條件探究種子的萌發(fā)特性。廣西種植的玉米品種以雜交種為主,且主要種植在丘陵和山區(qū),多數(shù)無灌溉條件,受季節(jié)性影響明顯,加上雨水分布不均,春旱、秋旱時(shí)常發(fā)生,嚴(yán)重影響玉米(尤其是春玉米)的適時(shí)播種及出苗和全苗[4]。因此,探究不同濃度PEG對(duì)玉米雜交種萌發(fā)特性的影響,對(duì)廣西抗旱玉米新品種選育具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】安永平等[5]研究發(fā)現(xiàn),高濃度PEG-6000溶液對(duì)種子萌發(fā)的限制作用顯著大于低濃度,萌發(fā)干旱脅迫反應(yīng)指數(shù)隨著PEG-6000溶液濃度的降低而升高。李靜靜等[6]研究顯示,PEG-6000脅迫后不同基因型小麥的芽長、主胚根長和芽鮮質(zhì)量等指標(biāo)均有所降低,但不同品種的降幅存在顯著差異。吳政霖和章有知[7]研究表明,PEG-6000模擬干旱脅迫可顯著降低大豆葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和還原型抗壞血酸(AsA)含量,同時(shí)顯著增加丙二醛(MDA)和還原型谷胱甘肽(GSH)含量,并提高過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(AsA-POD)活性。呼鳳蘭等[8]開展不同濃度PEG-6000溶液模擬干旱脅迫對(duì)花生種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)影響研究,發(fā)現(xiàn)PEG-6000溶液模擬干旱脅迫能顯著降低花生種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和根長。郭效龍等[9]利用不同濃度PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫研究玉米種子萌發(fā)過程中各項(xiàng)指標(biāo)的響應(yīng)規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑒定玉米自交系抗旱性最理想的指標(biāo)是種子萌發(fā)抗旱指數(shù),且較適宜的PEG-6000脅迫濃度為10%和15%??抵锯暤萚10]研究指出,PEG-6000處理對(duì)玉米雜交種種子的苗長、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)等均有明顯抑制作用。趙玉坤等[11]通過室內(nèi)不同濃度PEG-6000溶液模擬不同程度干旱脅迫,分析各PEG-6000濃度下玉米種子的發(fā)芽特性,結(jié)果表明,玉米種子萌發(fā)時(shí)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和平均發(fā)芽速度均隨著PEG-6000濃度的升高而呈明顯下降趨勢;平均發(fā)芽天數(shù)隨著脅迫程度的加深向后推移1~3 d;在不同PEG-6000濃度下,胚根、胚軸和全株長度受到明顯抑制。余貴海等[12]以20%PEG-6000溶液模擬干旱脅迫評(píng)價(jià)14個(gè)玉米品種萌發(fā)期的抗旱性,結(jié)果顯示PEG-6000能降低玉米發(fā)芽率,胚根和胚芽生長受到不同程度抑制,活力指數(shù)降低。邱鵬程等[13]利用PEG-6000溶液模擬干旱脅迫并根據(jù)加權(quán)隸屬函數(shù)值法評(píng)價(jià)結(jié)果,可確定伊單131和真金308屬于耐旱玉米品種。莊克章等[14]試驗(yàn)結(jié)果表明,PEG-6000脅迫后,玉米種子發(fā)芽率降低,胚根和胚芽生長受到不同程度抑制,根據(jù)隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后從18個(gè)玉米品種中可篩選出7個(gè)抗旱品種。文景茹等[15]利用20%PEG-6000溶液對(duì)苗期的54個(gè)玉米自交系進(jìn)行干旱脅迫,考察株高、根冠比和葉面積等9個(gè)指標(biāo)后,通過主成分分析篩選,再利用隸屬函數(shù)法計(jì)算出綜合抗旱值D,鑒定出7個(gè)抗旱性玉米自交系。成鍇等[16]研究認(rèn)為,發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和耐旱萌發(fā)指數(shù)可作為鑒定玉米抗旱能力的主要指標(biāo),種子吸水率、胚根長、胚芽長和貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率可作為鑒定玉米抗旱能力的間接指標(biāo)。姚玉波等[17]研究報(bào)道,PEG-6000溶液模擬干旱脅迫對(duì)玉米的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)抗旱指數(shù)、貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率、胚根數(shù)、胚根長和胚芽長等指標(biāo)均產(chǎn)生不同程度影響,結(jié)合主成分分析和聚類分析結(jié)果,可鑒定出抗旱型材料。【本研究切入點(diǎn)】廣西玉米播種期時(shí)常發(fā)生春旱和秋旱,已嚴(yán)重影響廣西玉米生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展,但目前鮮見針對(duì)廣西玉米萌發(fā)期開展抗旱性研究的相關(guān)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以廣西主推玉米品種桂單162為試驗(yàn)材料,分析不同濃度PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)其種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、幼苗全長、胚根干重、胚芽干重和貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率等萌發(fā)指標(biāo)的影響,以期為廣西抗旱玉米新品種選育提供參考依據(jù)。
供試玉米品種為桂單162,選取其顆粒飽滿、大小一致和無損傷的種子為試驗(yàn)材料。桂單162于2013年通過廣西品種審定委員會(huì)審定(桂審玉2013001號(hào)),目前為廣西主推玉米品種,也是廣西玉米區(qū)域試驗(yàn)的對(duì)照品種,具有抗旱性較強(qiáng)的特點(diǎn)。將種子用蒸餾水洗凈,75%酒精浸種3 min進(jìn)行消毒,再用蒸餾水沖洗3遍后瀝干備用。發(fā)芽盒、濾紙和蒸餾水使用前進(jìn)行105 ℃高壓滅菌20 min[11]。PEG-6000溶液購自生工生物工程(上海)股份有限公司。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 參照姚玉波等[17]的方法,設(shè)6個(gè)濃度梯度(5%、10%、15%、20%、25%和30%)PEG-6000處理,以蒸餾水處理為對(duì)照(CK)。人工氣候箱溫度設(shè)恒溫25 ℃,相對(duì)濕度80%。發(fā)芽盒內(nèi)放入3層濾紙作為發(fā)芽床,將經(jīng)前期處理的種子置于濾紙上,分別加入不同濃度PEG-6000溶液20 mL,每天定時(shí)向?yàn)V紙中滴加蒸餾水少許,使濾紙保持濕潤。每處理30粒種子,3次重復(fù)。以胚根突破種皮2 mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),每天定時(shí)調(diào)查1次發(fā)芽情況,連續(xù)調(diào)查8 d。
1.2.2 測定指標(biāo)及方法 測定指標(biāo)包括發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、胚根干重、胚芽干重、發(fā)芽后的籽粒干重和貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率及幼苗全長等。在PEG-6000處理后第8天從每個(gè)發(fā)芽盒選取10粒發(fā)芽的種子進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定,其中測定胚根、胚芽和籽粒干重前需先用剪刀將胚根和胚芽與種子分離,放入鋁盒置于烘箱中105 ℃殺青5 min,于80 ℃恒溫烘干至恒重。
發(fā)芽勢(%)=第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%
發(fā)芽率(%)=第7天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%
萌發(fā)指數(shù)=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8
貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率(%)=(胚芽干重+胚根干重)/(胚芽干重+胚根干重+籽粒干重)×100%
式中,nd2、nd4、nd6和nd8分別為第2、4、6和8天的種子發(fā)芽率。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以DPS 16.05進(jìn)行相關(guān)分析和差異顯著性分析。
發(fā)芽勢、發(fā)芽率和萌發(fā)指數(shù)作為種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo),分別反映種子的發(fā)芽速度、發(fā)芽能力和幼苗生長情況。由表1可知,隨著PEG-6000濃度的提高,玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和萌發(fā)指數(shù)均呈逐漸下降趨勢。在發(fā)芽勢方面,PEG-6000濃度為5%時(shí)顯著低于CK(P<0.05,下同),PEG-6000濃度在10%~30%時(shí)均極顯著低于CK(P<0.01,下同),而PEG-6000濃度為25%時(shí)的發(fā)芽勢(18.89%)降幅達(dá)77.03%,但與PEG-6000濃度為30%時(shí)的發(fā)芽勢(14.44%)無顯著差異(P>0.05,下同),說明玉米種子發(fā)芽勢的降幅在PEG-6000濃度為25%時(shí)已達(dá)極限。在發(fā)芽率方面,PEG-6000濃度為5%~15%時(shí)與CK無顯著差異,PEG-6000濃度為20%~30%時(shí)極顯著低于CK,而PEG-6000濃度為25%時(shí)的發(fā)芽率(30.00%)極顯著低于PEG-6000濃度為20%時(shí)(78.89%),同時(shí)PEG-6000濃度為25%時(shí)的發(fā)芽率與PEG-6000濃度為30%時(shí)無顯著差異,說明發(fā)芽率的降幅在PEG-6000濃度為25%時(shí)已達(dá)極限。在萌發(fā)指數(shù)方面,PEG-6000濃度為5%時(shí)與CK差異不顯著,PEG-6000濃度為10%~30%時(shí)均極顯著低于CK,而PEG-6000濃度為20%時(shí)萌發(fā)指數(shù)的降幅明顯增大,但PEG-6000濃度為25%時(shí)的萌發(fā)指數(shù)(0.35)與PEG-6000濃度為30%時(shí)無顯著差異,說明萌發(fā)指數(shù)的降幅在PEG-6000濃度為25%時(shí)已達(dá)極限。可見,提高PEG-6000濃度會(huì)延緩玉米種子發(fā)芽時(shí)間,降低發(fā)芽能力,一般在PEG-6000濃度為15%或20%時(shí)會(huì)明顯抑制種子萌發(fā),但抑制作用未達(dá)到極限,而PEG-6000濃度為25%時(shí)降幅最小的指標(biāo)發(fā)芽率,其降幅仍達(dá)68.24%,已嚴(yán)重影響玉米種子萌發(fā)。
由表2可知,不同濃度PEG-6000對(duì)玉米種子胚根長、胚芽長和幼苗全長均具有不同程度的抑制作用,PEG-6000濃度越高抑制作用越明顯。在胚根長方面,PEG-6000濃度為5%時(shí)與CK無顯著差異,PEG-6000濃度為10%時(shí)顯著低于CK,PEG-6000濃度在15%~30%時(shí)均極顯著低于CK,而PEG-6000濃度為25%時(shí)胚根長(2.78 cm)降幅達(dá)73.04%,但與PEG-6000濃度為30%時(shí)的胚根長(1.63 cm)無顯著差異,說明PEG-6000濃度為25%時(shí)胚根長的降幅已達(dá)極限。在胚芽長和幼苗全長方面,二者的變化趨勢與胚根相似,PEG-6000濃度為5%時(shí)與CK差異不顯著,PEG-6000濃度在10%~30%時(shí)均極顯著低于CK,PEG-6000濃度為25%和30%時(shí)的胚芽長和幼苗全長均無顯著差異,說明PEG-6000濃度為25%時(shí)胚芽長和幼苗全長的降幅已達(dá)到極限??梢?,提高PEG-6000濃度會(huì)限制玉米幼苗胚根和胚芽的生長發(fā)育。此外,PEG-6000濃度為5%時(shí)胚根長和胚芽長較CK分別降低11.06%和5.79%,而PEG-6000濃度在10%~30%時(shí)胚根長和胚芽長較CK分別降低15.81%~84.19%和24.41%~92.55%,說明較低濃度(5%)PEG-6000對(duì)玉米胚根長的抑制作用強(qiáng)于對(duì)胚芽長的抑制作用,較高濃度(10%~30%)PEG-6000對(duì)胚根長的抑制作用弱于對(duì)胚芽長的抑制作用。
表1 PEG-6000干旱脅迫對(duì)玉米種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和萌發(fā)指數(shù)的影響
由表3可知,玉米種子的胚根干重、胚芽干重和貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率均隨著PEG-6000濃度的提高而降低。在胚根干重方面,PEG-6000濃度為5%時(shí)與CK差異顯著,PEG-6000濃度為10%~30%時(shí)均極顯著低于CK;PEG-6000濃度為20%時(shí)胚根干重為0.1253 g,較CK降低53.11%,而PEG-6000濃度為25%時(shí)胚根干重為0.0276 g,較CK降低89.67%,但與PEG-6000濃度為30%時(shí)的胚根干重(0.0158 g)無顯著差異。在胚芽干重方面,PEG-6000濃度為5%~30%時(shí)均極顯著低于CK;PEG-6000濃度為20%時(shí)胚芽干重為0.0806 g,較CK降低71.62%,而PEG-6000濃度為25%時(shí)胚芽干重為0.0209,較CK降低92.64%,但與PEG-6000濃度為30%時(shí)的胚芽干重?zé)o顯著差異??梢姡岣逷EG-6000濃度對(duì)玉米幼苗胚根和胚芽的增重均具有抑制作用。在貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率方面,CK為27.82%,PEG-6000濃度為5%時(shí)與CK差異顯著,PEG-6000濃度為10%~30%時(shí)均極顯著低于CK,其中,PEG-6000濃度為25%時(shí)的貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率(2.31%)較CK降低91.68%,但與PEG-6000濃度為30%時(shí)的貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率(1.40%)無顯著差異??梢?,提高PEG-6000濃度可使玉米種子的貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率降低,PEG-6000濃度為10%或20%時(shí)抑制作用已十分明顯,但抑制作用的極限濃度為25%。
表3 PEG-6000干旱脅迫對(duì)玉米種子胚根和胚芽干重及貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率的影響
表4 PEG-6000濃度與玉米種子萌發(fā)特性各指標(biāo)間的相關(guān)分析
由表4可知,PEG-6000濃度與種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、幼苗全長、胚根干重、胚芽干重和貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率間均存在極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.985、-0.886、-0.971、-0.975、-0.980、-0.990、-0.978、-0.978和-0.979,相關(guān)程度排序?yàn)橛酌缛L>發(fā)芽勢>胚芽長>貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率>胚根干重=胚芽干重>胚根長>萌發(fā)指數(shù)>發(fā)芽率。同時(shí),種子萌發(fā)特性各指標(biāo)之間,除發(fā)芽率與胚芽長呈顯著正相關(guān)外,其他均呈極顯著正相關(guān)。說明PEG-6000溶液可從多個(gè)方面抑制玉米種子的萌發(fā)進(jìn)程,延緩玉米種子的發(fā)芽時(shí)間,降低其發(fā)芽能力,限制其胚根和胚芽的生長發(fā)育,使種子的貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率降低。
干旱可發(fā)生在玉米的不同生長階段,是限制玉米產(chǎn)量提高的主要因素,在我國南方地區(qū),尤其是廣西,干旱一般發(fā)生在種子萌發(fā)期和灌漿期[18]。種子萌發(fā)期遇到干旱一方面會(huì)導(dǎo)致出苗不全,致使種植密度減小,另一方面會(huì)導(dǎo)致玉米初期生長發(fā)育嚴(yán)重受阻,對(duì)后期生長產(chǎn)生不利影響。玉米從萌發(fā)到出苗雖然需水量最低,但該階段對(duì)水分卻最為敏感[1],該階段若遇干旱常使玉米缺苗率達(dá)20%,嚴(yán)重時(shí)達(dá)40%~50%,造成大面積減產(chǎn)[19]。因此,加強(qiáng)對(duì)玉米萌發(fā)階段的抗旱性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
PEG-6000是模擬干旱脅迫的理想溶劑,具有降低水勢和模擬干旱環(huán)境作用,其作用機(jī)理主要是使植物細(xì)胞和組織失水,最終抑制其正常生長發(fā)育[20]。但作物種類、生長環(huán)境和種植方式不同,模擬干旱脅迫的最適宜PEG-6000濃度也不相同。本研究發(fā)現(xiàn),除胚芽干重外,玉米的其他萌發(fā)特征指標(biāo)在PEG-6000濃度為5%時(shí)與CK均無極顯著差異;除發(fā)芽率和胚根長外,玉米的其他萌發(fā)特征指標(biāo)在PEG-6000濃度為10%和15%時(shí)均極顯著低于CK;當(dāng)PEG-6000濃度達(dá)20%時(shí),玉米的所有萌發(fā)特征指標(biāo)均極顯著低于CK;當(dāng)PEG-6000濃度達(dá)25%時(shí),與CK相比玉米的萌發(fā)特征指標(biāo)降幅極大,此濃度下降低幅度最小的發(fā)芽率其降幅仍達(dá)68.24%,對(duì)種子萌發(fā)造成嚴(yán)重制約,與郭效龍等[9]研究認(rèn)為當(dāng)PEG-6000濃度達(dá)25%時(shí)種子幾乎不能萌發(fā)的觀點(diǎn)相似。因此,為最大程度地體現(xiàn)干旱脅迫的影響效果而又不對(duì)玉米種子萌發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重制約,建議在利用PEG-6000溶液模擬干旱脅迫研究時(shí)選用濃度為15%或20%,這與多數(shù)研究者利用PEG-6000進(jìn)行玉米萌發(fā)期抗旱性研究時(shí)所使用的PEG-6000濃度相同[12,14,17,19,21-24]。
玉米對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜過程,受多種因子調(diào)控,單一指標(biāo)無法全面反映這一變化。本研究中,玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、幼苗全長、胚根干重、胚芽干重和貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率9項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)均隨著PEG-6000濃度的增加呈下降趨勢,與前人研究結(jié)果[12,14,25-27]一致;相關(guān)分析結(jié)果也表明,這些指標(biāo)與PEG-6000濃度間均存在極顯著負(fù)相關(guān)。說明PEG-6000可從多方面抑制玉米種子的萌發(fā)進(jìn)程,延緩玉米種子的發(fā)芽時(shí)間,降低其發(fā)芽能力,限制其胚根和胚芽的生長發(fā)育,使種子中的貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率降低。因此,上述9項(xiàng)指標(biāo)均可用于反映玉米種子萌發(fā)過程中對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力,可將這些指標(biāo)綜合應(yīng)用于與玉米種子萌發(fā)相關(guān)的抗旱性分析。
截至目前,南方地區(qū)開展玉米種子萌發(fā)期抗旱性研究的報(bào)道較少。本研究通過對(duì)廣西主推玉米品種桂單162進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性研究,發(fā)現(xiàn)不同PEG-6000濃度與玉米種子萌發(fā)各指標(biāo)間均呈極顯著相關(guān),與北方及黃淮海地區(qū)開展玉米種子萌發(fā)期抗旱性研究的結(jié)果[10-12]存在差異,可能與桂單162種子屬于南方典型硬粒型品種有關(guān),說明相比北方及黃淮海地區(qū),利用PEG-6000進(jìn)行干旱脅迫更有利于開展南方玉米種子萌發(fā)特性影響研究。
本研究主要從農(nóng)藝性狀方面分析PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)期的影響,屬于玉米表觀對(duì)PEG-6000干旱脅迫響應(yīng)方面的探討,但玉米種子的內(nèi)在變化還涉及生理生化和分子水平,因此,后續(xù)研究還將從生理生化及基因表達(dá)等方面進(jìn)行分析,以進(jìn)一步闡明PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)期的內(nèi)在影響。此外,本研究僅以1個(gè)玉米雜交種開展不同濃度PEG-6000溶液干旱脅迫影響研究,其最適模擬干旱脅迫濃度是否適用于其他玉米品種或自交系,后續(xù)研究需增加參試品種或自交系數(shù)量以進(jìn)一步驗(yàn)證。
不同濃度PEG-6000干旱脅迫對(duì)玉米種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、幼苗全長、胚芽干重、胚根干重和貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率等具有明顯抑制作用,提高PEG-6000濃度會(huì)延緩玉米種子發(fā)芽時(shí)間,降低發(fā)芽能力,限制其胚根和胚芽的生長發(fā)育,使種子的貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率降低。在玉米干旱脅迫研究中建議選用的PEG-6000濃度為15%或20%。