不同硅處理方式對干旱脅迫下大麥萌發的影響

宋凌宇,齊軍倉,張 松,邱 英,尚紀霏,馮彩軍

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室,新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】大麥抗逆性強,常被作為先鋒作物[1]。干旱影響作物播種、出苗和生長發育的重要因素,也是我國北方雨養農業地區大麥種植的主要制約因素[2]。種子萌發期對水分非常敏感,土壤干旱會影響種子的萌發,不利于后期田間生產管理和作物產量構成,嚴重威脅作物高產穩產[3],大麥產業需要提高自身競爭力[4]。選育抗旱的大麥品種對提高大麥在干旱脅迫下的耐受力有重要意義。【前人研究進展】硅可以促進種子萌發和植物生長發育,并且能在一定程度上提高植物對部分生物脅迫和非生物脅迫的抗性。陳花等[5]使用硅培養液對蕎麥種子進行發芽試驗,發現對種子的發芽勢、發芽指數和活力指數有顯著提升,對發芽率的影響不顯著。適宜的硅濃度對低溫脅迫下春小麥種子萌發有促進作用[6]。目前常用的硅處理方法有兩種,一種是使用硅溶液進行浸種處理,另一種是在種子發芽的培養過程中往發芽盒里加硅培養液進行處理。前者是在種子萌發的吸脹過程中硅已經開始對種子產生影響,類似于種子引發的原理[7,8];后者是主要通過種子根系吸收硅進入植物體進而影響發芽過程,大麥根系含有的硅轉運蛋白(Lsi1和Lsi2)是硅轉運通道的重要組成[9,10]。【本研究切入點】由于兩者對種子萌發的影響機制不同,不同處理方式下不同硅濃度處理對干旱脅迫下大麥種子萌發的影響可能存在差異,尚沒有關于這兩種處理方式間的對比。需研究兩種處理方式下不同濃度的硅對干旱脅迫下大麥萌發的影響。【擬解決的關鍵問題】以新啤6號為材料,測定種子發芽指標、形態指標和生物量,采用主成分分析法和隸屬函數法對其分析后做出綜合評價,分析兩種處理方式之間的差異并篩選出促進種子萌發和植株抗旱性的最佳硅處理方式和硅濃度,為研究硅對種子萌發生理和植株抗旱生理的影響機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為目前新疆主要種植的啤酒大麥品種新啤6號,2020年收獲于石河子大學農學院實驗站(44°18′47″N,86°3′31″E)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用雙因素隨機區組設計,分別通過在種子發芽前使用硅溶液浸種(A處理)和在種子發芽的培養過程中向發芽盒里加硅培養液(B處理)兩種方式對新啤6號大麥種子進行處理。采用濃度(W/V)23%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,分別使用0.0(CK)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液浸種,進行發芽試驗。

選取大小均一,飽滿無破損的新啤6號種子,先用10%的次氯酸鈉溶液消毒10 min,蒸餾水清洗5～6次后用吸水紙濾干水分。A處理使用0.0(CK1)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液在黑暗中浸種24 h,在第12 h更換一次浸種液,用蒸餾水將種子洗凈。在消毒的發芽盒里鋪上4張濾紙,加入40 mL 23%的PEG-6000溶液。選取露白的種子均勻擺在發芽盒中,每盒50粒,每個濃度處理做3次重復。B處理用等量蒸餾水在黑暗中浸種24 h,在第12 h更換蒸餾水,洗凈并濾干水分。在消毒的發芽盒里鋪上4張濾紙,加入40 mL以20%PEG-6000為溶劑配置的0.0(CK2)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O培養液,其他同A處理。將所有發芽盒放置在培養箱中培養,溫度為25℃,每日光照時間12 h,濕度適宜、穩定。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 測定種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數

大麥種子第3 d的發芽總數占供測種子粒數的百分比為發芽勢,第7 d種子發芽數占供測種子總數的百分比為發芽率。計算發芽指數與活力指數。

式中,Gt為發芽試驗終期內每日發芽數,Dt為發芽日數。

活力指數:VI=S×GI.

式中,S為發芽第7 d時的植株鮮重。

1.2.2.2 測定種子根長、芽長、芽鞘長和根數

發芽第7 d時每個發芽盒分別隨機選取5株大麥幼苗測量植株的根數、芽長、芽鞘長和最長根的根長。

1.2.2.3 測定種子根、芽的鮮重和干重

發芽第7 d時每個發芽盒分別隨機選取20株大麥幼苗植株測量根和芽的鮮重,然后放入烘箱,在105℃下殺青30 min,80℃烘干至恒重,測量根和芽的干重,根和芽的干重比為根芽比。

1.2.2.4 綜合抗旱評價

分別采用主成分分析法和隸屬函數法對大麥幼苗的抗旱性進行綜合評價[11]。主成分分析法通過SPSS統計分析軟件進行主成分分析。隸屬函數法是計算各指標的隸屬函數值并求平均值(R),計算公式為[12]:

對于與植物抗旱性呈正相關的指標:隸屬函數值R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中,R(Xi)為某個指標的隸屬函數值,Xi為某個指標的測量結果,Xmax和Xmin為所有處理中某個指標的最大值和最小值。

1.3 數據處理

使用Excel2016和sigmaplot14.0進行數據處理分析和圖表制作,采用單因素ANOVA分析進行方差分析并使用Fisher LSD法進行差異顯著性分析。通過SPSS19.0運用主成分分析法對A、B處理下不同硅濃度的作用進行綜合評價,采用隸屬函數法對所有處理進行綜合評價并排名。

2 結果與分析

2.1 硅對干旱脅迫下大麥種子萌發的影響

研究表明,A、B兩種處理方式下各濃度處理的種子的發芽率在前5 d增長迅速,第5 d后趨于穩定。A處理下,1.0、1.5、0.5和2.0 mmol/LNa2SiO3·9H2O溶液浸種處理的種子發芽率增長最快的時間段均為第1 d～第2 d,增長率分別為60.67%、47.33%、40.67%。B處理下,CK1、0.5、1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理的種子發芽率在第2 d～第3 d增長最快,增長率分別為26.67%、29.33%和30.67%;1.5、2.0 mmol/LNa2SiO3·9H2O培養液處理的種子發芽率增長最快的時間段為第1 d到第2 d,增長率分別為35.55%和41.33%。適宜濃度的硅可以提高種子的發芽速度,尤其是在發芽前期。圖1

A、B處理下均有相應濃度的硅可以促進種子萌發并提高種子活力。A處理下,隨著硅濃度的增加,種子的發芽勢、發芽指數和活力指數呈現先上升后下降的趨勢,而各處理的種子發芽率沒有顯著差異。在干旱脅迫下1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液引發處理的大麥發芽勢、發芽指數和活力指數達到最大,顯著高于其他處理。相對于CK1處理,種子發芽勢、發芽指數和活力指數顯著提高62.33%、44.45%和125.88%。B處理下,隨著硅濃度的增加,發芽率、發芽指數和活力指數均呈現先降低后增加的趨勢,而發芽勢隨濃度增加而增加。在干旱脅迫下,CK2和0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O濃度處理的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數均無顯著差異。1.0、1.5和2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理的發芽勢、發芽指數和活力指數顯著高于CK2,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理的發芽率顯著高于其他處理。所有發芽指標均在2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理下達到最大值,分別相比CK2增加52.86%、4.32%、34.07%和90.46%。A處理下1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O濃度和B處理下2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O濃度對大麥種子發芽的促進效果最佳。圖2

圖1 不同硅處理方式下大麥種子每日的發芽變化

2.2 硅對干旱脅迫下大麥幼苗根和芽的影響

研究表明,2種硅處理方式下均有相應的硅濃度顯著促進干旱脅迫下大麥幼苗根和芽的生長。對于不同形態指標,特定濃度的硅處理具有最佳的促進效果。A處理下,各濃度的硅均能一定程度的增加干旱脅迫下大麥幼苗的根長、芽鞘長、芽長和根數,且促進效果呈先增加后降低的趨勢。1.0和1.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液處理顯著提高了根長,相對于CK1分別增加了1.05和0.73 cm;1.0和0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液處理顯著提高了芽長和根數,芽長增加了0.48和0.35 cm,根數增加了0.34和0.20條;而0.5、1.0和1.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液浸種處理均能顯著提高芽鞘長,分別增加了0.41、0.84和0.28 cm。B處理下,隨著硅濃度的增加大麥幼苗的根長、芽長、芽鞘長呈增加趨勢,而各濃度間的幼苗根數無顯著差異。相對于CK2,1.5和2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理后根長顯著提高了22.2%和38.9%,芽長提高了41.4%和54.9%,芽鞘長提高了44.2%和80.6%;0.5mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理后與CK2無顯著差異。兩種硅處理方式均可以加快種子發芽進程,促進大麥幼苗在干旱條件下的生長。A處理方式下,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液的促進效果最顯著;B處理方式下,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液的促進效果最顯著。表1

圖2 硅處理干旱脅迫下大麥發芽勢、發芽率和發芽指數變化

2種硅處理方式下不同硅濃度對大麥幼苗根和芽的重量也有相應的促進作用,而且同一濃度的硅對根和芽的促進程度不同。A處理下,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液引發處理下根和芽鮮重分別是CK1的1.39倍和2.15倍;根和芽干重分別為CK1的1.31倍和1.82倍;根芽比是CK1的0.72倍,隨著硅濃度增加根芽比呈先降低在增加的趨勢。B處理下,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理下根和芽的鮮重分別是CK2的1.26和1.99倍;根和芽干重分別是CK2的1.22和1.67倍;根芽比是CK2的0.73倍,隨著硅濃度增加根芽比呈降低趨勢。2種處理方式下同一濃度的硅對大麥幼苗芽的促進作用強于根。表2

表1 硅處理干旱脅迫下大麥幼苗根長、芽長、芽鞘長和根數變化Table 1 Effects of silicon treatment on root length, bud length, bud sheath length and root number of barley seedlings under drought stress

表2 硅處理干旱脅迫下大麥幼苗根和芽重量變化Table 2 Effects of silicon treatment on root and bud weight of barley seedlings under drought stress

2.3 硅對大麥幼苗抗旱能力影響的綜合評價

2.3.1 主成分分析評價

研究表明,A處理方式下,2個特征值大于1的主成分,累計貢獻率為95.912%。種子發芽指標、幼苗形態指標和生長量共13個變量因子載荷均較高,只有根芽比的因子載荷為負值。A處理提取的第1主成分為活力指數、根鮮重、芽鞘長、芽干重、發芽指數和發芽勢;第2主成分為根干重、芽長、發芽率、根冠比和根數。B處理提取的第1主成分為發芽指數、活力指數、根鮮重、芽長、芽鮮重和芽干重。表3,表4

表3 硅處理下大麥幼苗主成分列表及方差貢獻率Table 3 Component list and percentage of variance of barley seedlings under silicon treatment

表4 硅處理下大麥幼苗主成分因子載荷矩陣Table 4 Component factor load matrix of barley seedlings under silicon treatment

A處理下隨著硅濃度增加植株抗旱性呈現先增加后降低的趨勢,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O浸種處理的綜合得分最高,抗旱性最強;B處理下隨著硅濃度增加植株抗旱性呈增加趨勢,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養液處理的綜合得分最高,抗旱性最強。選擇出了A、B處理下的各自最佳濃度。表5

2.3.2 隸屬函數法評價

研究表明,對大麥幼苗抗旱性促進效果最佳的是A處理1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O的處理,其次是B處理2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O的處理,只有B處理方式下2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O處理的評價低于對照。表6

表5 硅處理下大麥幼苗抗旱能力的主成分綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation on drought resistance ability of barley seedlings under silicon treatment

3 討 論

大麥種子萌發期的的發芽指標、形態指標和生物量可以作為抗旱性鑒定指標[13],且彼此之間存在一定相關性,因此采用主成分分析法全面而準確地評價不同濃度的外源硅引發處理對大麥抗旱性的影響。硅可以促進正常條件下的種子萌發[14],還可以提高逆境條件下種子萌發的抗逆性[13]。試驗發現適宜濃度的硅浸種處理可以顯著提高干旱脅迫下大麥種子的發芽勢、發芽指數和活力指數,而發芽率無顯著差異,這與陳花等人研究正常條件下硅對蕎麥萌發的影響結果一致[5];而適宜濃度的硅培養液處理可以顯著提高干旱脅迫下大麥種子的發芽率,有學者證明硅可以提高水稻種子的萌發率[15],也可以顯著提高低溫下春小麥的發芽率[16]。這可能是由于不同處理方式和不同作物種子產生的差異,大麥本身是抗逆性較強的作物,浸種后種子具有一定含水量,使種子可以在一定的干旱程度下達到發芽標準,所以不同濃度的硅對大麥發芽率影響不顯著。

硅引發對種子萌發的促進作用存在濃度效應[16,17]。浸種處理下硅對干旱脅迫下大麥種子萌發有濃度效應,1.0 mmol/L濃度下的硅處理效果最顯著。也有學者發現硅對水培條件下紫花苜蓿種子發芽沒有濃度效應,各濃度處理下的種子發芽率不顯著[17],這與硅培養處理的結果類似,也可能是由于該處理下硅濃度范圍不夠。在該范圍內最大硅濃度2.0 mmol/L下的硅處理效果最顯著。

干旱會抑制種子的萌發和根、芽的生長,所以發芽指標和根、芽的生長指標均可以反映種子的抗旱性。通過主成分分析法對大麥抗旱性進行鑒定,綜合大麥萌發和幼苗的相關指標,評價不同濃度硅處理的效果。結果硅浸種處理下抗旱性由強到弱依次為1.0>0.5>1.5>2.0>CK1,硅培養處理效果下抗旱性由強到弱依次為2.0>1.5>1.0>CK2>0.5。

4 結 論

硅可以促進大麥種子萌發并提高種子的抗旱性。干旱脅迫下適當濃度的硅浸種處理和硅培養處理后的種子發芽勢和發芽指數顯著提高,并促進了大麥幼苗根和芽的生長。1.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O浸種處理效果和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液培養效果均顯著高于對照,分別排名為第1和第2。1.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O浸種效果最佳,可以用于實際生產時的種子處理。