水氮互作對百農207種子發芽特性及貯藏物質轉運的影響

王潤豪 ，陳紅衛 ，吳 俊 ，賈 改，王 潔，劉芳芳，歐行奇 ，黃 玲,2

(1.河南科技學院生命科技學院/現代生物育種河南省協同創新中心，河南新鄉 453003；2.中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部作物需水與調控重點實驗室，河南新鄉 453003)

作物的種子萌發和幼苗生長階段是作物整個生長周期中最為關鍵的環節，選用高活力的種子是提高作物產量和品質的基礎。研究表明，不同小麥品種的種子活力存在顯著差異，幼苗干重作為種子活力指標表現出較高的遺傳力，可通過遺傳育種手段進行改良，其中發芽勢、發芽指數和活力指數的遺傳以加性效應為主，適宜早代選擇[1]。轉基因小麥種子的最終發芽率不受反義trxs基因導入的影響，但發芽勢明顯降低[2]。除品種基因型外，作物的生長環境、灌水與施肥和收獲的時間等對種子發芽特性也存在影響[3-5]。在施氮150 kg·hm-2下，高羊茅種子發芽勢、發芽指數、活力指數均達到最大值[6]。在0～135 kg·hm-2范圍內，增施磷肥可以提高收獲后小麥種子的發芽率、發芽勢、活力指數、發芽指數，增加幼苗鮮重、干重和根系長度[7]。在施磷150 kg·hm-2、施氮300 kg·hm-2處理下春小麥的種子活力達到最大值，隨著氮、磷肥施用量的逐漸增加，春小麥種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數及幼苗苗長、根長、干重等指標均呈先增加后下降趨勢；當施氮、磷量超出一定范圍時，其各項指標呈顯著下降的趨勢[8]。

水分和氮素是影響作物生長發育和產量形成的重要因素。了解與生態環境相適應的灌溉施肥制度下收獲的種子生理生化特性，對提高次年冬小麥籽粒產量非常重要。目前關于小麥水氮互作效應的研究主要集中于當季冬小麥生長發育特性和產量，而對收獲后小麥種子活力和種子萌發過程中貯藏物質轉運特性方面的研究相對較少。本研究在前人研究的基礎上以冬小麥國審品種百農207為材料，分析了不同水氮處理下收獲的小麥種子萌發特征及其貯藏物質轉運特性，以期為冬小麥原種生產、品種加代、推廣良種的適宜生態環境、大田高效栽培及科學的灌溉施肥提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 田間試驗設置

試驗材料為2013年國審半冬性小麥品種百農207。試驗采用裂區設計，主區為水分，設W0(全生育期不灌水，冬小麥生長靠自然降水)、W1(返青后灌拔節水)、W2(返青后灌拔節水和開花水)和W3(返青后灌拔節水、開花水和灌漿水)4個灌溉水平；副區為氮素，設N0(對照，不施N肥)、N1(施純N120 kg·hm-2)、N2(施純N180 kg·hm-2)和N3(按當地農民施肥習慣，施純N240 kg·hm-2)4個施氮水平，基追比均為4∶6，追肥在拔節期進行；共16個處理，每個處理重復3次。每個處理的磷肥和鉀肥都作為基肥施入，施用量分別為P2O5120 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2。小區長10 m，寬2.5m，畦埂寬40 cm，高20 cm。冬小麥于2015年10月11播種，播量為187.5 kg·hm-2，于2016年6月初收獲，用收獲后不同水氮處理的種子進行發芽實驗。試驗區灌溉水源為地下水，灌水方式為地面灌溉，用水表計量，每次灌水1 125 mm·hm-2，小區的田間管理措施同當地的高產田。

1.1.2 室內試驗設置

根據《國際種子檢驗規程》開展標準室內發芽實驗。從每個水氮處理收獲的種子中選取50粒，要求大小均勻一致，稱量風干種子質量，用3%的雙氧水浸泡消毒5 min，用蒸餾水反復沖洗干凈后，將種子置于發芽盒內，盒子底部鋪有2層含飽和水分的濾紙，腹溝朝下，種胚朝上，每個處理重復五次。種子放置于智能人工氣候培養箱中生長(溫度設置為20±0.5 ℃，每天12 h光照，12 h暗處理培養，保持濾紙濕潤)，每天統計正常發芽的種子數，第4天計算發芽勢，第7天統計發芽率，7 d 后將幼苗取出，測定各指標。

1.2 測定項目

測定種子發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數，以及苗長、根長、鮮重、干重、貯藏物質轉運量、貯藏物質轉運率、貯藏物質轉化效率。隨機選取4個處理的25粒風干種子稱重，80 ℃烘干后稱重，計算種子含水量。4個處理的種子風干含水量差別極其微小，用其平均值代表所有處理種子的含水量，用種子含水量和風干種子重計算種子最初干重。

發芽勢=(第4天發芽種子數/供試種子總數)×100%；

發芽率=(第7天發芽種子數/供試種子數)×100%；

發芽指數=∑(Gt/Dt)，Gt為在td的種子發芽數，Dt為對應的種子發芽天數；

活力指數=發芽指數×根長[7]；

貯藏物質轉運量=最初種子干重-殘留物干重；

貯藏物質轉運率=(種子貯藏物質轉運量/最初種子干重)×100%；

貯藏物質轉化效率=(幼苗干重/種子貯藏物質轉運量)× 100%。

呼吸消耗=種子初始干重-幼苗干重-種子殘留干重

1.3 數據分析

用 Excel2010進行數據處理，用DPS17.05統計分析軟件進行方差分析和顯著性檢驗(Duncan 新復極差法)。

2 結果與分析

2.1 水氮互作對收獲的百農207種子萌發特性的影響

灌水、施氮和水氮交互作用對百農207種子發芽指數和活力指數的影響均達到極顯著水平，且灌水效應大于施氮效應。灌水和施氮對種子的發芽率和發芽勢影響不顯著，而水氮交互作用對種子的發芽勢影響極顯著(表1)。不同水氮處理下百農207種子的發芽率均達到99%以上；種子發芽勢并未隨灌水和施氮的變化表現出規律性。相同施氮條件下，種子的發芽指數和活力指數在W3處理下均最大，在W0處理下均最小，W0處理的發芽指數在N0～N3條件下比W3處理分別降低104.3%、74.2%、44.7%和33.9%；活力指數分別降低91.1%、61.1%、53.8%和99.8%；相同灌水條件下，種子的發芽指數和活力指數在N3處理下均最大，在N0處理下均最小，N0處理的發芽指數比N3處理在W0～W3條件下分別降低80.1%、64.3%、33.0%和18.0%，活力指數分別降低24.2%、81.8%和29.9%。低水(W1)條件下，N2處理的發芽勢表現為最低，中水(W2)條件下N2處理的發芽勢與其他氮素處理差異顯著。在一定灌水和施氮范圍內，低水(W0、W1)和低氮(N1)處理降低了收獲的百農207種子活力，隨著施氮量和灌水量的增加，種子的發芽指數遞增幅度減緩；不同水分條件下中高氮處理對收獲種子的發芽勢有一定影響。

2.2 水氮互作對百農207幼苗生長的影響

水分和氮素對百農207幼苗的芽干重、根冠比、根長、芽長和根芽長比影響均極顯著，表明灌水和施氮對百農207幼苗的生長指標有顯著的促進作用。水分和氮素交互作用對幼苗的芽干重、根長、芽長和根芽長比影響極顯著，對根干重和根冠比影響不顯著(表2)。相同施氮條件下，根系干重隨灌水次數的增多呈增加的趨勢，但不同處理間差異不顯著。四種氮素條件下都以W3處理的芽干重、根長和芽長最大，說明水分對小麥根芽生長有明顯的促進作用。N0條件下，W0處理的根冠比最大，較W2和W3處理分別增加26.9%和34.4%。N0～N2條件下根長表現為W0、W1

表1 水氮互作下冬小麥種子的萌發比較Table 1 Comparison of seed germination of winter wheat under water and nitrogen interaction

小寫字母表示不同水氮處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。GI：發芽指數；VI：活力指數；GR：發芽率； GP：發芽勢。

Different lower-case letters indicate significant difference among water and nitrogen treatments(P<0.05). The same in tables 2 and 3. GI:Germination index; VI:Vigor index; GR:Germination rate; GP:Germination potential.

相同灌水條件下，百農207幼苗的根系干重和長度表現為N2、N3>N1、N0，表明在不同灌水條件下，中氮和高氮處理有利于小麥根系生長發育。在W1條件下N1處理的芽干重最大，比其他施氮處理增加8.9%～14.0%，而N0和N1處理的根冠比較N2和N3處理降低29.2%～44.7%，表明低水(W1)條件下，低氮(N0、N1)處理對小麥芽生長的影響大于根系生長，中高氮(N2、N3)處理對根系生長的影響較大，促進了根冠比的增加。W3條件下，N1處理的芽干重比N0、N2處理增加8.4%～12.5%，表明高水低氮對小麥芽干重影響較大。

2.3 水氮互作對百農207種子貯藏物質轉運特性的影響

冬小麥幼苗的生長主要靠胚乳貯藏物質的分解轉運提供碳源和能量。由表3可知，水分、氮素及水分與氮素互作對冬小麥收獲后種子的物質貯藏轉運特性存在顯著的影響。在N0～N3條件下，幼苗干重表現為W3>W2>W1、W0，N0和N1水平下，貯藏物質轉運量和貯藏物質轉運效率以W3處理最高，表明在低氮條件下，增加灌水有助于種子貯藏物質的轉運。N2條件下，貯藏物質轉化效率表現為W3、W2>W1、W0，N3條件下貯藏物質轉運量和轉運率以W1處理最大，貯藏物質轉化效率表現為W3>W2>W1>W0，表明適量氮肥可以提高種子貯藏物質的轉運量和轉化效率，高氮低水也會提高種子貯藏物質轉運量，而貯藏物質轉化效率在高水高氮條件下較高。N0、N2和N3條件下，W3處理的種子呼吸消耗最小，N1條件下幼苗生長的呼吸消耗表現為W3、W2>W1、W0，表明低氮條件下，高水處理對種子呼吸具有一定抑制作用，低氮低水處理會促進種子呼吸消耗。

表2 水氮互作下冬小麥幼苗的生長比較Table 2 Comparison of seeding growth of winter wheat under water and nitrogen interaction

表中根系干重為10株幼苗測定結果。RDW：根系干重；SDW：芽干重；R/S：根冠比；RL：根長；SL：芽長；RL/SL：根冠比。

The value of root dry weight is calculated by the measurement of ten seedlings. RDW:Root dry weight; SDW:Shoot dry weight; R/S:Root dry weight /shoot dry weight; RL:Root length; SL:Shoot length; RL/SL:Root length/root length.

在W0、W1和W2條件下，幼苗干重以N3處理最大，以N0處理最小，貯藏物質轉化效率以N1處理最大；在W3條件下，幼苗干重表現為N3、N1>N2、N0，貯藏物質轉化效率以N3處理最大。W0條件下貯藏物質轉運量、轉運率以N1處理最低，在W1、W2和W3條件下表現為N2、N3>N0、N1。W1條件下貯藏物質轉運率以N3處理最高，W3條件下貯藏物質轉運率表現為N0、N1>N2、N3。這表明水分和氮素互作會影響種子貯藏物質轉運特性。在灌水條件下，中高氮(N2、N3)有利于幼苗干重和貯藏物質轉運量的增加，低氮(N0、N1)有助于貯藏物質的轉化。高水條件下，低氮有利于貯藏物質轉運率的提高，高氮也會促進貯藏物質的轉化效率增加。

2.4 水氮互作下百農207的發芽特性、幼苗生長特性和種子貯藏物質轉運特性的回歸分析

經多元回歸分析，氮素對根冠比、根芽長比、種子活力指數、貯藏物質轉運率、貯藏物質轉化效率的貢獻率分別為96.6%、27.3%、76.5%、4.5%和16.4%；水分對根冠比、根芽長比、種子活力指數、貯藏物質轉運率、貯藏物質轉化效率的貢獻率分別為56.6%、28.4%、85.4%、73.0%和49.9%(表5)。灌水和施氮對根冠比、種子活力指數、貯藏物質轉運率和轉化效率有正向耦合效應，苗期決定小麥活力指數、轉運率和轉化效率的因子主要為水分。氮素是決定苗期根冠比的主要因子。在一定灌水和施肥范圍內水氮互作對收獲后的籽粒發芽特性和物質轉運特性有一定耦合效應。

表3 水氮互作下冬小麥種子貯藏物質轉運指標比較Table 3 Comparison of storage substance transport indices in winter wheat under water and nitrogen interaction

幼苗干重為50株。

The value of seedling dry weight is calculated by the measurement of fifty seedlings. SW:seeding dry weight; SA:Transport amount of storage matter; SR:Transport rate of storage matter; SE:Transport efficiency of storage matter; BC:Breathing consumption.

表4 水分和氮素與冬小麥發芽特性和貯藏物質轉運的回歸分析Table 4 Regression analysis between water and nitrogen with germination traits and storage matter transportation ratio

3 討 論

種子活力是一個綜合性狀，受遺傳背景、栽培環境和氣候條件影響較大。在幼苗生長的早期，種子干重與幼苗干重呈顯著的正相關，不受外界營養條件的制約[9]。也有研究表明，正常水肥條件下收獲的種子發芽會受到水分脅迫的影響[10]。在本研究中不同水氮處理下收獲后的百農207種子發芽率沒有顯著差異，表明種子的質量主要取決于播種后的生態環境和管理措施，不同灌溉施肥制度下收獲的種子播種時只要給予足夠的基肥和充足的水分，種子的發芽率都較高。低水低氮處理降低了收獲后的種子發芽指數和活力指數，灌溉施肥都有助于提高收獲后種子的發芽指數，高水高氮處理增加了種子干物質的積累，提高了收獲種子的發芽指數和活力指數。隨著灌水和施氮量的增加，水分和氮素對收獲后的百農207種子發芽指數增加影響效應表現為降低，灌水和施肥超過一定范圍后，邊際效應呈現下降趨勢。

小麥幼苗生長過程中地上部和地下部生物量分配比例是受自身遺傳因素和生長環境因素相互作用而表現出的綜合結果。相同施氮條件下，不同水分處理間收獲后的百農207種子的根系干重差異不顯著，表明在種子發芽階段，為獲取足夠的自身生長所需資源，根系優先生長，種子胚乳貯藏的物質可以優先供應幼苗根系正常生長。相同灌水條件下，不同施氮量對根系干重影響有差異，百農207幼苗的根系干重和長度表現為N2、N3>N1、N0，表明在不同灌水條件下，中氮高氮處理有利于根系干重和長度增加，施氮促進了種子營養物質的積累，為種子發芽和幼苗生長奠定基礎。灌水量和施氮量的增加均促進百農207種子發芽時期芽干重的增加，幼苗的根長和芽長普遍高于灌水施肥少的處理，高氮處理促進了種子的淀粉積累，有利于收獲的種子萌發生長。低水低氮條件下收獲的種子萌發過程中淀粉酶的活性受到影響，導致儲存的淀粉向可溶性糖轉化的過程受阻，影響了根系和芽的生長。低水條件下，低氮對芽生長的影響大于根系生長，中、高氮對根系的生長影響較大，從而促進了根冠比的增加。水分和氮素的交互作用也會影響幼苗的生長，高水低氮互作對幼苗冠干重影響較大。這表明受到水分和養分脅迫后收獲的種子在發芽時具備了主動調節自身物質轉化特性，以適應外界環境。

種子萌發到幼苗生長主要依靠貯藏在種子中的有機物質提供能力和合成原料，胚乳中的貯藏物質一部分分解轉化后轉運到胚軸中，用于合成建造新組織、新器官，一部分用于呼吸作用，另有少部分轉移到萌發介質中。由于呼吸作用，種子萌發呼吸消耗干物質會影響到幼苗生物量的積累，小麥的幼苗干重總是低于種子貯藏物質轉運量。貯藏物質轉運量的降低也會降低幼苗的生物產量，種子的貯藏物質轉運效率在一定程度上決定胚根(芽)的生長[11]。本研究也得出相同結論，百農207種子的發芽特性、幼苗生長特性和種子貯藏物質轉運特性存在一定的相關關系，種子的發芽指數和活力指數與種子貯藏物質轉運量和轉運率呈顯著正相關，種子貯藏轉運量和轉運率與苗長、根干重、冠干重和根長呈顯著正相關，種子的發芽指數高和活力指數大表明種子貯藏物質轉運量高，貯藏物質轉運率大，貯藏物質轉化效率高，幼苗生長時期的干物質積累高，為其中后期生長發育奠定基礎。

前人研究表明，種子貯藏物質轉運量對水分脅迫十分敏感，而貯藏物質轉運效率對水分脅迫有較強的適應性[12]。本研究中，灌水和施氮對根冠比、種子活力指數、貯藏物質轉運率和轉化效率呈正向耦合效應，苗期決定小麥活力指數、轉運率和轉化效率的因子主要為水分。氮素是決定苗期根冠比的主要因子。在一定灌水和施肥范圍內水氮互作對收獲后的籽粒發芽特性和物質轉運特性有一定耦合效應。W2(拔節水和開花水)、W3(拔節水、開花水和灌漿水)條件下，各種施氮處理的冬小麥種子的貯藏物質轉運率和貯藏物質轉運效率均高于60%，增施氮肥對冬小麥種子的貯藏物質轉運率和貯藏物質轉運效率的提升不明顯，應當適當控制施肥量，避免肥料的浪費和降低肥料對環境的污染。本研究中水中氮處理(N2W2)下幼苗干重大，種子貯藏物質轉運量、貯藏物質轉運率和貯藏物質轉化效率相對最優，可以選擇為灌溉施肥制度指導百農207種植生產。