施丹丹，王建軍，朵惠民，王家月，雷東花，康志鈺

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

干旱會引起植物一系列表型、生理生化、相關(guān)激素和分子水平的變化，嚴(yán)重干旱會導(dǎo)致光合作用終止和代謝紊亂，最終導(dǎo)致植物死亡[1-2]。因干旱造成的全球農(nóng)作物年產(chǎn)量損失不可估量，選擇耐旱作物以克服水資源減少的問題是解決干旱地區(qū)糧食減產(chǎn)的有效措施，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[3]。目前對大麥[4]、小麥[5-6]、玉米[7]和棉花[8]等作物的抗旱性研究較多，但對青稞抗旱性的研究相對較少。青稞作為地區(qū)性作物，其推廣面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如小麥和玉米等大田作物，但青稞獨(dú)具的耐旱、耐寒、耐貧瘠和耐鹽堿等多重抗性卻是其他作物不可比擬的[2]。青稞在種子發(fā)芽和苗期易受干旱影響，苗期干旱直接影響青稞的產(chǎn)量[9-12]。研究表明：PEG 處理對種子發(fā)芽和出苗、提高種子活力及抗逆性有一定的作用[13]。劉貴河等[14]研究表明：低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG(5%～15%)對魯梅克斯和高丹草種子的萌發(fā)以及高丹草抗旱指數(shù)有一定促進(jìn)作用。

本研究選用滇青1 號和滇青2 號2 個(gè)青稞新品系，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG 模擬不同程度干旱脅迫對青稞種子進(jìn)行預(yù)處理，探討干旱脅迫下青稞種子萌發(fā)、幼苗生長和生理調(diào)節(jié)的特性，旨在了解不同強(qiáng)度干旱脅迫對不同青稞品種的影響，篩選適宜的PEG 預(yù)處理，為提高青稞抗旱性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為云南農(nóng)業(yè)大學(xué)新選育的滇青1 號和滇青2 號青稞新品系。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置0%(CK)、5%、10%、15%、20%和25%共6 個(gè)PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，在室溫內(nèi)進(jìn)行幼苗生長測定，每天更換處理液確保PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每24 h 觀測萌發(fā)和幼苗生長動態(tài)；觀測7 d 后，測定青稞幼苗葉和根在不同水勢下的生理生化指標(biāo)。試驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.3 測定方法

從發(fā)芽試驗(yàn)的第1 天開始，每天統(tǒng)計(jì)已發(fā)芽的全部種子數(shù)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)7 d，第7 天發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測定平均苗長、苗質(zhì)量、根長和根質(zhì)量[15]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根冠比[16]；測定青稞幼苗的生理生化特性，葉片相對含水量采用烘干法測定[17]；相對電導(dǎo)率采用常規(guī)浸泡法測定[16]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[18]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法測定[18]；超氧化物酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測定[18]；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定[19]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010 整理，運(yùn)用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG 處理對青稞種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的影響

由表1 可知：滇青1 號的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的最大值和最小值均大于滇青2 號，且滇青1 號在0%～20% PEG 處理時(shí)有較高發(fā)芽率，說明其耐旱范圍大于滇青2 號。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：滇青1 號和滇青2 號的發(fā)芽勢在15%和20% PEG 處理時(shí)差異極顯著，25% PEG處理時(shí)差異顯著；兩者的發(fā)芽率在25% PEG 處理時(shí)差異極顯著；發(fā)芽指數(shù)在除5% PEG 外的處理時(shí)差異極顯著；活力指數(shù)在所有處理下均呈極顯著差異。所有指標(biāo)的t值均大于0，即滇青1 號的萌發(fā)特性高于滇青2 號，故滇青1 號更耐干旱。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG 對滇青1 號和滇青2 號種子萌發(fā)特性的影響Tab.1 Effects of different mass fractions of PEG on the seed germination characteristics of Dianqing No.1 and Dianqing No.2

由表2 可知：滇青1 號幼苗苗長和單株苗質(zhì)量的最大值和最小值均大于滇青2 號，滇青2 號幼苗根長和根冠比的最大值和最小值均大于滇青1 號；根冠比隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，說明隨著干旱程度的增加幼苗生長明顯受限制，更傾向根系發(fā)展，因此，滇青1 號更抗干旱。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：青稞幼苗的苗長在0%、5%、10%和25% PEG 處理下差異極顯著；根長在所有處理下差異極顯著；苗質(zhì)量在除15% PEG 外的處理差異極顯著；根質(zhì)量在5%～20% PEG 處理下差異極顯著；根冠比在0%和15%～25% PEG 處理下差異極顯著。除根長外，所有處理下的t值多為正值，即PEG 脅迫下滇青1 號幼苗生長發(fā)育優(yōu)于滇青2 號，但滇青2 號幼苗的根系生長優(yōu)于滇青1 號。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG 對滇青1 號和滇青2 號幼苗生長發(fā)育的影響Tab.2 Effects of different mass fractions of PEG on the seedlings growth and development of Dianqing No.1 and Dianqing No.2

2.2 PEG 處理對青稞幼苗生長表型的影響

由圖1 可知：0% PEG 處理時(shí)，滇青1 號和滇青2 號的幼苗生長能力均最強(qiáng)，25% PEG 處理時(shí)最弱。隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，滇青1 號的幼苗和根系均逐漸減小；滇青2 號的幼苗在0%和5% PEG 處理間相差不大，但在10%～25% PEG處理時(shí)幼苗生長明顯受抑制，且4 組處理間幼苗生長差異不明顯。

圖1 不同PEG 處理對滇青1 號(上)和滇青2 號(下)幼苗生長表型的影響Fig.1 Effects of different PEG treatments on the growth phenotype of Dianqing No.1(up)and Dianqing No.2(down)seedlings

2.3 PEG 處理對青稞幼苗生理生化指標(biāo)的影響

由表3 可知：2 個(gè)青稞品系葉片的游離脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白(SP)含量和SOD 酶活性以及滇青 2 號的相對電導(dǎo)率均在CK 處理時(shí)最小，并隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，在25% PEG 處理時(shí)達(dá)到最大值；滇青 1 號的相對電導(dǎo)率在5% PEG 處理時(shí)最小，然后再隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大；葉片相對含水量在CK 處理時(shí)最大，并隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。滇青2 號葉片Pro、MDA 和SP 含量的最大值和最小值均分別高于滇青1 號。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：滇青1 號葉片的Pro 含量、MDA含量和SOD 酶活性在所有處理下均與滇青2 號差異極顯著；兩者的SP 含量在10%～20% PEG 處理時(shí)差異顯著；葉片相對電導(dǎo)率在0%～15% PEG處理時(shí)差異極顯著；葉片相對含水量在5%～20%PEG 處理時(shí)差異極顯著。所有處理下的幼苗葉片生理生化指標(biāo)的t值多為負(fù)值，即滇青2 號的葉片生理生化變化高于滇青1 號。

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG 對滇青1 號和滇青2 號幼苗葉片生理生化指標(biāo)的影響Tab.3 Effects of different mass fractions PEG on the physiological and biochemical indexes of Dianqing No.1 and Dianqing No.2 seedling leaves

由表4 可知：2 個(gè)青稞品系根系的游離脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白(SP)含量、SOD 活性和相對電導(dǎo)率最大值均在25% PEG 處理；5% PEG 處理的滇青1 號根系MDA 含量和SOD 活性以及滇青2 號根系MDA含量和相對電導(dǎo)率最小，其他指標(biāo)最小值均出現(xiàn)在CK 處理，且指標(biāo)隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增加。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：2 個(gè)品系的根系Pro 含量僅在20%和25% PEG 處理時(shí)呈極顯著差異；所有處理的根系MDA 含量均呈極顯著差異；根系SP 含量和SOD 活性除少部分在5%和10% PEG處理時(shí)無顯著差異外，在其他處理下均呈極顯著差異；根系相對電導(dǎo)率在5%、15%和25% PEG處理下差異極顯著。所有PEG 處理下幼苗根系的生理生化指標(biāo)正、負(fù)t值相差不大，即兩品系青稞根系的生理生化變化相差不大。

表4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG 對滇青1 號和滇青2 號幼苗根系生理生化指標(biāo)的影響Tab.4 Effects of different mass fractions PEG on the physiological and biochemical indexes of Dianqing No.1 and Dianqing No.2 seedlings’ roots

2.4 青稞種子發(fā)芽特性與PEG 脅迫的相關(guān)性分析

由表5 可知：PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長和苗質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與根質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)，與根冠比呈極顯著正相關(guān)，其中PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與苗質(zhì)量的相關(guān)性最高。發(fā)芽勢與根質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，發(fā)芽率、根長和根冠比與根質(zhì)量均無顯著相關(guān)性，根冠比與發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長和苗質(zhì)量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，其他指標(biāo)之間均呈極顯著正相關(guān)。說明干旱程度加劇會使青稞種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長、苗質(zhì)量和根質(zhì)量降低，根冠比增加，且各指標(biāo)間相關(guān)性較高。

表5 不同PEG 脅迫下種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育特性的相關(guān)性Tab.5 Correlation between seed germination and seedling development characteristics at different PEG stress

2.5 青稞種子發(fā)芽特性與PEG 脅迫的線性回歸分析

青稞種子發(fā)芽特性(y1～y9)與PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x)的線性回歸分析(表6)進(jìn)一步說明：PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與青稞種子發(fā)芽特性之間存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1 個(gè)單位，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長、單株苗質(zhì)量和單株根質(zhì)量分別降低14.486%、7.924%、10.521、188.704、1.956 cm、0.984 cm、15.363 mg 和3.381 mg，而根冠比增加0.393。

表6 青稞種子發(fā)芽特性與PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線性回歸分析Tab.6 Linear regression analysis of the germination characteristics of barley seeds and PEG mass fraction

2.6 青稞幼苗生理生化指標(biāo)與PEG 脅迫的相關(guān)性分析

由表7 可知：葉片相對含水量除與根系MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)外，與其他所有指標(biāo)均呈極顯著負(fù)相關(guān)；PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與除葉片相對含水量外的所有指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)，其中，與葉片可溶性蛋白含量的相關(guān)性最高；葉片和根系MDA 含量均與根系SOD 活性無顯著相關(guān)性；根系可溶性蛋白含量與根系相對電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)；其他指標(biāo)間均呈極顯著正相關(guān)。說明隨PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，除葉片含水量逐漸降低外，其他指標(biāo)均升高，說明青稞幼苗受到的干旱脅迫增加。

2.7 青稞幼苗生理生化指標(biāo)與PEG 脅迫的線性回歸分析

青稞幼苗生理生化指標(biāo)(y10～y20)與PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x)的線性回歸(表8)分析表明：PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與青稞幼苗生理生化指標(biāo)之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)PEG 脅迫每增加1 個(gè)單位，葉片和根系游離脯氨酸(Pro)含量、葉片和根系MDA 含量、葉片和根系可溶性蛋白(SP)含量、葉片和根系SOD 活性以及葉片和根系相對電導(dǎo)率分別增加14.251 和16.325 μg/g、0.827 和0.332 mmol/g、0.018 和0.045 mg/g、13.340 和9.474 U/g、12.752%和 3.728%；葉片含水量降低 7.027%，葉片SP 含量與PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的決定系數(shù)最高(R2=0.883)，根系MDA 含量與PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的決定系數(shù)最低(R2=0.316)。

表8 青稞幼苗生理生化指標(biāo)與PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線性回歸分析Tab.8 Linear regression analysis of physiological and biochemical indexes of barley seedlings and PEG mass fraction

3 討論

3.1 青稞種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育對干旱的響應(yīng)

水分是影響種子發(fā)芽的關(guān)鍵環(huán)境因子，它不僅影響發(fā)芽時(shí)間，且還決定著發(fā)芽率、發(fā)芽速率及其穩(wěn)定性[20]。本研究中滇青1 號和滇青2 號種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)隨著PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低，說明隨著干旱程度的增加，青稞種子發(fā)芽活力受到的抑制作用逐漸增強(qiáng)，這與已有研究結(jié)果[20-22]一致；但適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%～15%)PEG處理的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)效果較好，這與姚曉華等[3,9]的研究結(jié)果一致。這可能是由于適宜的干旱條件或一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG 溶液對種子內(nèi)部的某些酶或活性物質(zhì)產(chǎn)生了刺激作用[23]，進(jìn)而促進(jìn)其發(fā)芽，這也許是青稞長期生長在極端環(huán)境中為保證種群延續(xù)而形成的生存策略。隨著干旱脅迫程度的增加，滇青1 號和滇青2 號的苗長、根長和苗質(zhì)量均逐漸下降，而根質(zhì)量呈先增加后減小的趨勢，根冠比呈逐漸增大的趨勢，說明青稞種子的地上部對干旱脅迫更敏感，而地下部對干旱脅迫有一定的適應(yīng)性[24]，與李淑梅等[25]和孫艷茹等[26]的研究結(jié)果一致。

3.2 青稞幼苗對干旱的生理生化響應(yīng)

葉片相對含水量作為表征植物遭受干旱脅迫的主要生理指標(biāo)之一，其降幅越小表明植株的抗旱性越強(qiáng)。本研究中，PEG 脅迫下滇青1 號和滇青2 號的幼苗葉片相對含水量隨干旱加劇均逐漸降低。丙二醛(MDA)含量是衡量膜透性發(fā)生脅迫性變化的重要生理指標(biāo)之一，MDA 含量大量增加，表明植物體內(nèi)細(xì)胞受到較嚴(yán)重的破壞。植物組織外滲液電導(dǎo)率可以表征質(zhì)膜透性的變化，并反映脅迫條件下植物質(zhì)膜受損傷的程度，電導(dǎo)率增幅越大，植物受脅迫損傷越重[27]。2 個(gè)青稞品系幼苗和根系的MDA 含量及葉片相對電導(dǎo)率均隨PEG 脅迫增加而增加，說明其細(xì)胞膜系統(tǒng)受到不同程度損壞，且根系反應(yīng)比幼苗更為明顯。

游離脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白(SP)是調(diào)節(jié)植物水分脅迫下細(xì)胞水勢的物質(zhì)，水分脅迫下Pro 含量和SP 含量均上升，反映了植物對不良環(huán)境條件的忍耐能力[28-29]。本研究顯示：2 個(gè)青稞品系幼苗和根系的Pro 含量和SP 含量均隨PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高，總體上滇青2 號幼苗Pro 含量和SP 含量高于滇青1 號，而滇青2 號的根系在高PEG 脅迫(20%和25%)時(shí)才高于滇青1 號，說明隨PEG 脅迫加劇滇青2 號遭受的損傷明顯增加，尤其是根系變化突出。

SOD 是植物體內(nèi)清除活性氧系統(tǒng)的第1 道防線，發(fā)揮著特別重要的作用。SOD 活性越強(qiáng)，清除自由基的能力就越強(qiáng)，植物的抗逆性也越強(qiáng)[30]。本研究中，隨著PEG 脅迫加劇，2 個(gè)青稞品系幼苗和根系的SOD 活性均增強(qiáng)，滇青1 號的根系SOD 活性強(qiáng)于滇青2 號，但滇青2 號的幼苗SOD活性強(qiáng)于滇青1 號(除25% PEG 處理外)，說明PEG脅迫下滇青1 號地下部SOD 活性較強(qiáng)，而地上部相對弱于滇青2 號。

滇青1 號根系MDA 含量和SOD 活性以及滇青2 號根系MDA 含量和相對電導(dǎo)率均在5% PEG處理時(shí)最小，說明隨著干旱脅迫的加劇，青稞幼苗生長受到的抑制作用逐漸加大；但適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG(5%)處理有利于青稞根系生長，這與姚曉華等[3,9]的研究結(jié)果有所差異。

4 結(jié)論

適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%)的PEG 處理有利于促進(jìn)青稞種子萌發(fā)和幼苗生長。隨著干旱的加劇，幼苗生長明顯受限制，更傾向根系發(fā)展。滇青2 號種子發(fā)芽指標(biāo)低于滇青1 號，幼苗生理生化變化多高于滇青1 號，即滇青2 號受干旱的影響更大，滇青1 號抗旱能力較滇青2 號強(qiáng)。