PEG模擬干旱脅迫下遼棉系列品種種子萌發期抗旱性評價

單 瑩,李 越,徐 敏,劉艷珍,李 冉,陳捷胤,王子勝 ,朱 鶴

(1.遼寧省農業科學院經濟作物研究所,遼寧遼陽 111000;2. 中國農業科學院植物保護研究所/植物病蟲害生物學國家重點實驗室,北京 100193)

0 引 言

【研究意義】干旱是制約農作物產量的主要因素之一[1],干旱所造成的作物減產位居多種非生物脅迫之首[2]。棉花(Gossypiumspp.)作為我國重要的經濟作物,其種植多分布于鹽堿干旱地區[3],棉花播種期和苗期經常遇到干旱危害,會造成缺苗、少苗、生長緩慢等現象,導致減產。研究評價棉花品種萌發期抗旱性強弱性,對于鑒定篩選培育抗旱棉花品種具有重要意義。【前人研究進展】PEG-6000模擬干旱脅迫是研究種子萌發期抗旱性的重要方法[4-14],王延琴等[4]采用不同濃度的PEG模擬土壤自然水勢對棉花種子萌發進行脅迫試驗,證實隨著水勢的下降,發芽率、發芽速率、苗高、根長等多項指標都出現不同程度的降低。李志博等[5]以新疆北疆棉區7個主栽棉花品種為材料,利用PEG-6000模擬干旱脅迫對各種子萌芽期的抗旱性進行了評價。姚慶等[6]研究PEG-6000模擬干旱脅迫下藜麥品種的萌芽期抗旱性,利用隸屬函數分析,將10個品種的萌發期抗旱性強弱進行排序并劃分為3個抗旱級別。李瑤等[7]研究不同濃度PEG-6000模擬干旱脅迫對野生披堿草種質萌發的影響,通過測定各材料的發芽指標、胚根長、胚芽長等變化,評價7份野生披堿草屬種質材料的抗旱性進行?！颈狙芯壳腥朦c】種子萌發是棉花生育的關鍵階段,也是衡量棉花抗旱性強弱的重要時期。不同棉花品種的種子萌發對干旱脅迫的響應不同。因此需評價棉花品種在萌發階段的抗旱性。【擬解決的關鍵問題】利用不同濃度的PEG-6000模擬干旱脅迫,研究6個遼棉品種的抗旱性,分析不同處理下棉花種子的萌發特性及其幼苗、根系生長指標、不同棉花品種的的抗旱性,為棉花抗旱品種的篩選和棉花抗旱育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為遼寧省農業科學院經濟作物研究所自育的棉花品種,分別為遼棉10號、遼棉23號、遼棉34號、遼棉45號、遼棉49號和遼棉53號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

PEG模擬干旱脅迫設4個處理,分別為2.5%、5.0%、7.5%、10.0%的PEG-6000溶液,以蒸餾水處理為對照(CK),每個處理3次重復。

選取經硫酸脫絨后籽粒飽滿、整齊一致的棉花種子,70%酒精表面消毒30 s,超純水沖洗5次,置于無菌濾紙上吸干水分備用。在直徑15 cm的培養皿中鋪2層濾紙作為發芽床,分別加入各處理溶液至濾紙飽和,每皿均勻排放處理好的棉花種子50粒,每個品種每1處理3次重復。置于密閉型人工氣候室中進行培養,溫度25℃,光照12 h-黑暗12 h,濕度40%。試驗期間每天用蒸餾水清洗種子并更換濾紙及處理溶液,防止種子發霉,保證干旱處理條件持續不變。

1.2.2 測定指標

發芽勢越大,種子的抗旱性就越好[10]。每天記錄發芽種子數(以胚根長2 mm為標準)[8],第3 d計算發芽勢(Germination energy,GE)、相對發芽勢(Relative germination energy,RGE),第8 d計算發芽率(Germination rate,GR)、相對發芽率(Relative germination rate,RGR)、萌發指數(Germination index,GI)[2,9]及萌發抗旱指數(Germination drought resistance index,GDRI)。第8 d從每皿中抽取10株最長的分別測苗鮮重(Seedling fresh weight,SFW)、根鮮重(Root fresh weight,RFW)、下胚軸長(Hypocotyl length,HL)、根長(Root length,RL)。

發芽勢(GE,%)=(3 d發芽種子總數/供試種子總數)×100;

相對發芽勢(RGE,%)=(處理發芽勢/對照發芽勢)×100;

發芽率(GR,%)=(8 d發芽種子總數/供試種子總數)×100;

相對發芽率(RGR,%)=(處理發芽率/對照發芽率)×100;

萌發指數(GI)=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8;

萌發抗旱指數(GDRI)=處理萌發指數/對照萌發指數。

式中,nd2、nd4、nd6和nd8分別為第2、4、6和8 d的種子萌發率。

1.3 數據處理

用Excel2003對數據進行整理,用SPSS22.0進行數據分析?？购敌跃C合評價采用隸屬函數法[6,8],為消除不同棉花品種遺傳背景的差異,試驗評價品種耐旱性指標采用性狀的相對值[6]。隸屬值計算公式為:

U(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin).

Xi=∑U(Xij)/n.

式中,U(Xij)為i材料j性狀的抗旱隸屬值;Xij為i材料的j性狀值;Ximin為j性狀的最小值;Ximax為j性狀的最大值;Xi為平均抗旱隸屬值。

2 結果與分析

2.1 PEG干旱脅迫對遼棉品種種子發芽勢影響

研究表明,6個遼棉品種發芽勢隨著脅迫程度的增加均呈現降低的趨勢。不同品種對干旱脅迫的響應程度不同,與對照發芽勢相比,在2.5% PEG處理時,遼棉10號、遼棉34號、遼棉49號和遼棉53號差異顯著,分別比對照低6.7%、6%、14.7%和20.7%,遼棉23號和遼棉45號差異不顯著;5.0% PEG處理時,所有品種的發芽勢與對照相比都差異顯著;且不同品種的發芽勢在5.0%、7.5%和10% PEG處理時呈現出明顯的分化。表1

表1 不同濃度PEG下棉花種子發芽勢變化

6個遼棉品種的發芽勢均與PEG質量分數呈負相關。在干旱脅迫發芽勢達80%時,遼棉23號抗旱性最強,可承受質量分數為5.12% PEG溶液模擬的干旱脅迫,而遼棉34號抗旱性最低,可承受質量分數為1.49% PEG溶液模擬的干旱脅迫。6個遼棉品種萌發抗旱性強弱為遼棉23號>遼棉45號>遼棉10號>遼棉49號>遼棉53號>遼棉34號。表2

表2 發芽勢(Y)與PEG濃度(X)的回歸分析

2.2 PEG干旱脅迫對遼棉品種種子發芽率影響

研究表明,6個遼棉品種發芽率隨PEG干旱脅迫程度的增加而降低。不同品種對干旱脅迫的響應程度不同,在2.5% PEG處理時,遼棉34號、遼棉49號和遼棉53號發芽率與對照相比差異顯著,分別比對照低8.7%、6.7%和17.3%,其余品種差異不顯著;在5.0% PEG處理時,遼棉34號、遼棉45號、遼棉49號和遼棉53號處理與對照發芽率差異顯著,分別比對照低12.7%、9.3%、11.4%和17.3%;在7.5%和10.0% PEG處理時,所有品種發芽率與對照都差異顯著。表3

在干旱脅迫發芽率達80%時,遼棉23號抗旱性最強,可承受質量分數為12.29% PEG溶液模擬的干旱脅迫;而遼棉53號抗旱性最低,可承受質量分數為3.54% PEG溶液模擬的干旱脅迫。6個遼棉品種萌發抗旱性強弱為遼棉23號>遼棉10號>遼棉45號>遼棉49號>遼棉34號>遼棉53號。表4

表4 發芽率(Y)與PEG質量分數(X)的回歸分析

2.3 PEG干旱脅迫對遼棉品種幼苗生長影響

研究表明,不同濃度PEG脅迫對6個棉花幼苗下胚軸長都有抑制作用,下胚軸長在5.0% PEG脅迫時比2.5% PEG脅迫時有升高趨勢,之后隨PEG濃度的增加而降低,下胚軸長在10.0% PEG脅迫時受抑制最顯著。除了5.0% PEG脅迫對遼棉49號和遼棉53號芽苗鮮重有一定促進作用,其它脅迫條件下各品種的芽苗鮮重都顯著低于對照,在5.0% PEG脅迫時比2.5% PEG脅迫時有升高趨勢,之后隨PEG濃度的增加而降低。圖1,圖2

圖1 不同濃度PEG下棉花苗下胚軸長變化

圖2 不同濃度PEG下棉花苗鮮重變化

2.4 PEG干旱脅迫對遼棉品種根系生長影響

研究表明,2.5% PEG脅迫對6個棉花品種的根長都有顯著的抑制作用;而5.0% PEG脅迫促進了所有棉花品種的根長生長,其中對遼棉23號、遼棉49號和遼棉53號促進作用顯著;遼棉23號根長除了在2.5% PEG脅迫下受到抑制,其余處理都對根長有促進作用。PEG脅迫條件下各品種的根鮮重都受到一定的抑制,只有在5.0% PEG脅迫時遼棉10號、遼棉49號和遼棉53號根鮮重略有增加;其中5個材料的根鮮重最小值出現在2.5% PEG脅迫下;遼棉45號根長和根鮮重受PEG脅迫影響最小。圖3,圖4

圖3 不同濃度PEG下棉花主根長變化

圖4 不同濃度PEG下棉花根鮮重變化

2.5 PEG干旱脅迫對遼棉品種種子萌發抗旱指數的影響

研究表明,6個棉花品種的萌發抗旱指數均隨脅迫程度的加重而降低。在不同濃度PEG處理時遼棉23號和遼棉45號的萌發抗旱指數均排在前兩位,種子萌發力強。不同濃度PEG干旱脅迫下6個棉花品種的萌發能力存在一定差別,處理間萌發抗旱指數均存在顯著差異的品種有遼棉49號;在2.5%和5.0% PEG處理下遼棉10號、遼棉23號、遼棉34號、遼棉49號和遼棉53號的萌發抗旱指數差異顯著;在5.0%和7.5% PEG處理下遼棉34號和遼棉49號的萌發抗旱指數差異顯著;在7.5%和10% PEG處理下除了遼棉34號,其余品種的萌發抗旱指數差異顯著。表5

表5 PEG脅迫下種子萌發抗旱指數變化

2.6 抗旱性綜合評價

研究表明,對6個遼棉品種的相對發芽勢、相對發芽率、相對下胚軸長、相對根長、相對苗鮮重、相對根鮮重、萌發抗旱指數等7個指標計算隸屬函數值,抗旱強弱綜合評價為遼棉10號>遼棉23號>遼棉45號>遼棉53號>遼棉49號>遼棉34號。表6

表6 PEG脅迫下6個遼棉品種耐旱性指標隸屬函數值及綜合評價

3 討 論

3.1種子發芽作為植物生長周期的起點,其萌發期對干旱脅迫表現出的抗旱能力、田間出苗率及幼苗生存發育具有重要意義[11,12]。室內萌發期抗旱性方面的研究,大多采用PEG-6000高滲溶液模擬脅迫,已在玉米[11]、水稻[15]、棉花[16]、燕麥[14]、藜麥[6]、大豆[17]等作物種子萌發期的抗旱性評價中廣泛應用,是研究作物種子萌發期抗旱性的重要方法。研究采用不同濃度PEG-6000模擬干旱脅迫,證實6個棉花品種的發芽勢、發芽率整體上隨PEG干旱脅迫程度的增加而降低,與其它相關文獻報道相一致[4-5,13]。6個棉花品種發芽勢、發芽率、萌發抗旱指數在5.0% PEG脅迫時出現明顯的分化,與李志博等[5]研究認為萌芽期棉花種子抗旱性鑒定的適宜PEG-6000濃度為5%的結果一致。幼苗生長指標和根系生長指標在2.5% PEG脅迫時受抑制顯著,在5.0% PEG脅迫時抑制程度較2.5% PEG脅迫低,并且5.0% PEG脅迫促進了所有棉花品種的根長生長,之后抑制程度隨PEG脅迫增加逐漸增強,結合胡根海等[18]對苗期棉花PEG模擬干旱脅迫下葉片內葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、POD、SOD、CAT含量隨脅迫增強表現為先增高后下降的測定結果,分析棉花種子萌發期在2.5% PEG處理時,雖然種子的吸水萌發能力比5% PEG處理時強,但在5% PEG處理時可能通過誘發幼苗對環境脅迫的生理生化響應來調節幼苗及根系生長,但萌發期生理指標變化需要進一步試驗研究證實。

3.2研究的6個材料萌發抗旱指數均隨脅迫程度的加重而降低,但在不同程度脅迫下種子萌發能力差別并不一致,并且同一材料的不同指標在脅迫下的變化也不完全相同,因此,靠單一指標不能客觀評價品種的抗旱性。較多研究[6,7,14,17,18]表明,發芽勢、發芽率、下胚軸長、根長、苗鮮重、根鮮重等指標是判斷植物抗旱性的有效指標,通過隸屬函數法將這些指標的隸屬值進行綜合,可以更加全面準確的評價不同品種的抗旱性。

4 結 論

6個棉花品種的發芽勢、發芽率整體上與PEG干旱脅迫程度呈負相關,但不同材料對干旱脅迫的響應程度不同;幼苗生長指標、根系生長指標在5.0%以上濃度PEG脅迫時隨脅迫強度增強而降低。6個棉花品種的抗旱性強弱為遼棉10號>遼棉23號>遼棉45號>遼棉53號>遼棉49號>遼棉34號。