外源物質(zhì)對低溫脅迫條件下高粱種子萌發(fā)的影響

韓云，安嬌艷，王海蓮，王潤豐，張燕，趙影星，劉賓，張華文，夏徽

(1. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第四師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆可克達拉 835219；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100091；3. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/山東省特色作物工程實驗室，山東濟南 250100)

低溫冷害是影響冷敏感作物生長發(fā)育、地域分布、產(chǎn)量和品質(zhì)的主要逆境因子，是世界性自然災(zāi)害，也是我國北方主要氣象災(zāi)害之一[1，2]。 高粱起源于非洲，是喜溫作物，對溫度的變化表現(xiàn)敏感。 高粱萌發(fā)的最低土溫為8～10℃，出苗的最低溫度為10～12℃，但萌發(fā)溫度較低時會減緩高粱生長，尤其是萌發(fā)期和幼苗期低溫影響嚴重。Upadhyaya 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，12℃顯著影響高粱種子的萌發(fā)能力。 我國北方春季高粱播種后，經(jīng)常遭遇低溫天氣(倒春寒)，致使高粱發(fā)芽、出苗困難，嚴重時發(fā)生爛種(粉種)[4-6]，造成缺苗斷壟。種子萌發(fā)和幼苗階段低溫冷害已經(jīng)成為影響高粱產(chǎn)量的重要因素之一[7]。 此外，持續(xù)低溫脅迫還會使高粱幼苗更易感染絲黑穗病。 因此，研究外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱種子萌發(fā)的影響，對高粱生產(chǎn)具有重要意義。

利用外源物質(zhì)引發(fā)種子技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 外源物質(zhì)引發(fā)下種子發(fā)芽率均不同程度提高。 因此，采取種子引發(fā)技術(shù)，促進低溫環(huán)境中的作物種子萌發(fā)，對北方春播作物種子萌發(fā)、幼苗健康生長及產(chǎn)量形成十分重要。 除梁佳等[8]利用隸屬函數(shù)法綜合評價干旱脅迫下外源物質(zhì)的引發(fā)效應(yīng)外，大多數(shù)研究僅停留在單一外源物質(zhì)的引發(fā)效應(yīng)上，鮮有比較多種外源物質(zhì)引發(fā)高粱種子耐低溫效應(yīng)的綜合評價報道。 為此，本試驗以粒用高粱品種濟粱3 號為材料，研究低溫脅迫條件下外源物質(zhì)蕓苔素內(nèi)酯(epibrassinolide，EBR)、水楊酸(salicylic acid，SA)、赤霉素(gibberellin，GA3)、褪黑素(melatonin，MT)、硫酸錳(MnSO4)和硅酸鉀(K2SiO3)對高粱種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期篩選出最佳的外源物質(zhì)及其濃度，同時為這6 種外源物質(zhì)促進高粱抗低溫脅迫的生理機制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用干凈飽滿、大小一致、種子發(fā)芽率85%以上的濟粱3 號高粱種子。

赤霉素(純度≥96%)、褪黑素、硅酸鉀和蕓苔素內(nèi)脂均購自上海麥克林生化科技有限公司。水楊酸(分析純)購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。 硫酸錳(分析純)，購自天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗于2022 年4—7 月在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所實驗室進行。 MnSO4、MT 和SA 等6種外源物質(zhì)均設(shè)計5 個濃度梯度，詳見表1。

表1 6 種外源物質(zhì)的5 個濃度梯度

挑選干凈飽滿的濟粱3 號種子，用5%次氯酸鈉消毒10 min，去離子水洗凈。 分別挑選25 份大小均勻一致種子各10 g，將其分別倒入25 個直徑9 cm 的培養(yǎng)皿中，分別添加不同濃度的硫酸錳、褪黑素等6 種物質(zhì)溶液1 mL，充分搖動2 min，使溶液均勻地粘在種子表面，然后黑暗悶種2 h。 在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中加蒸餾水5 mL，然后將處理好的種子均勻擺放其上。 每處理分別選擇30 粒種子，重復(fù)3 次。 第1 天將培養(yǎng)皿置于黑暗條件下培養(yǎng)，10℃下10 h，20℃下14 h。從第2 天開始將培養(yǎng)皿置于夜/晝溫度10℃/20℃(低溫脅迫)、光周期10 h 光/14 h 暗、白天光照12000 lx、相對濕度60%的人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)。常溫對照培養(yǎng)條件:光周期12 h/12 h、白天光照12000 lx、溫度25℃和相對濕度60%。 每天觀測培養(yǎng)皿中種子萌發(fā)生長情況并及時加蒸餾水。

1.3 指標測定及方法

1.3.1 發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù) 胚根長至種子長度且胚芽長大于等于種子長度的一半作為高粱種子的發(fā)芽標準。 從第3 天開始統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)并計算種子發(fā)芽勢，第8 天計算發(fā)芽率。

發(fā)芽勢(%)＝第3 天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100 ；

發(fā)芽率(%)＝第8 天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100 。

萌發(fā)指數(shù)(PI)＝(1.00nd2+0.75nd4+0.50nd6+0.25nd8)/N。 式中，nd2、nd4、nd6、nd8分別為第2、4、6、8 天萌發(fā)種子數(shù)，N 為種子總數(shù)。

1.3.2 生物學(xué)指標 第8 天，各處理每個培養(yǎng)皿隨機取10 株幼苗，用吸水紙擦干表面水分，切分出胚根與胚芽，用萬分之一天平稱取胚芽和胚根鮮重，并測量根長和芽長。

試驗數(shù)據(jù)采用標準化處理即相對值(處理指標值/對照指標值)進行統(tǒng)計分析，以消除環(huán)境因子影響，并利用相對值評價6 種外源物質(zhì)對高粱種子萌發(fā)及幼苗生長的抗低溫效應(yīng)。

相對發(fā)芽率(RGR)、相對發(fā)芽勢(RGP)和相對發(fā)芽指數(shù)(RGI)采用梁佳[8]、Amooaghaie[9]和Li[10]等的方法計算。

1.4 抗低溫脅迫效應(yīng)綜合評價

利用隸屬函數(shù)法建立綜合評價體系，分析高粱種子在萌發(fā)期及幼苗期抗低溫脅迫的能力。 有關(guān)隸屬函數(shù)及權(quán)重等的計算方法[4，8]如下:

式中，Yij為第i 個評價指標第j 個處理的隸屬值；Uij為i 個評價指標第j 個處理的測定值，Umax為該指標中的最大值，Umin為該指標中的最小值；為第i 個評價指標的均值，n 為處理個數(shù)；Vi為第i個評價指標的標準差系數(shù)；Wi為第i 個評價指標的權(quán)重系數(shù)，m 是評價指標的個數(shù)；Dj為第j 個處理的綜合評價得分值。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 整理并繪圖，采用SPSS 19 軟件進行方差分析。 利用聚類分析就低溫脅迫條件下外源物質(zhì)對高粱種子引發(fā)的效應(yīng)進行分類。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱種子萌發(fā)的影響

圖1 ～圖3 表明，低溫脅迫下，6 種外源物質(zhì)間、不同濃度間及其交互作用均極顯著影響高粱種子的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)(Sig.值小于0.01)。 高粱種子經(jīng)同一外源物質(zhì)處理后，隨其濃度增加，種子相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)出先升后降趨勢。 其中EBR處理的種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均優(yōu)于其它處理，濃度為0.030 μmol·L-1時其相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽指數(shù)均達到最高值。這6 種外源物質(zhì)濃度過大或者過小均影響高粱種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，因此，適宜濃度可有效引發(fā)高粱種子的萌發(fā)及生長。

圖1 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱相對發(fā)芽率的影響

圖2 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱相對發(fā)芽勢的影響

圖3 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱相對發(fā)芽指數(shù)的影響

2.2 不同外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼苗生長的影響

圖4 ～圖9 表明，不同外源物質(zhì)間、不同濃度間及其交互作用均極顯著影響低溫脅迫下高粱幼苗生長(Sig.值小于0.01)。隨著外源物質(zhì)濃度增加，這6 種物質(zhì)引發(fā)的幼苗各項生長指標均先增后降。圖4、圖6 中，GA3引發(fā)幼苗的相對芽長、相對芽鮮重均高于其它處理，MT 處理次之，其中6.0 μmol·L-1GA3(G3)處理的相對芽長、相對芽鮮重值均最大。然而GA3處理的相對根長、相對根鮮重、相對根干重均比其它外源物質(zhì)處理總體偏低。 用0.5 mmol·L-1MT(M5)處理種子，其幼苗相對根鮮重、相對根干重值均達到最大(圖7和圖9)，其次是1.0 mmol·L-1SA(S3)處理。 50 mmol·L-1硅酸鉀引發(fā)的種子其幼苗相對根長最長(圖5)。

圖4 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼苗相對芽長的影響

圖5 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼苗相對根長的影響

圖6 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼苗相對芽鮮重影響

圖7 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼苗相對根鮮重的影響

圖8 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼苗相對芽干重的影響

圖9 不同濃度外源物質(zhì)對低溫脅迫下高粱幼芽相對根干重的影響

2.3 不同外源物質(zhì)引發(fā)下高粱種子萌發(fā)期的抗低溫效應(yīng)分析

表2 中D 值代表外源物質(zhì)不同濃度下高粱種子萌發(fā)期抗低溫的綜合效應(yīng)，D 值越大其抗低溫脅迫的效應(yīng)就越強[11]。 由表2 可知，本試驗中相對發(fā)芽勢的權(quán)重系數(shù)最大，達到0.3365，其次是相對根鮮重和相對芽長的權(quán)重系數(shù)，三者之和達65.4%。濃度為0.5 mmol·L-1MT 處理的綜合得分最高，為0.7244。 各處理綜合得分高低順序如下:M3＞E3＞S3＞M4＞M2＞E4＞G3＞E2＞Mn2＞G4＞G2＞K3＞M1＞Mn3＞K2＞S4＞K4＞S2＞G1＞E1＞0＞Mn4＞K1＞Mn1＞S1。

2.4 不同濃度外源物質(zhì)緩解高粱低溫脅迫效應(yīng)的聚類分析

根據(jù)綜合得分D 值進行聚類分析，當歐氏距離為5 時，25 個不同濃度外源物質(zhì)引發(fā)處理可分為3 類(圖10)。 其中，第1 類D 值在0.4268 ～0.7244之間，為排名前8 的處理，有M3、E3、S3、M4、M2、E4、G3 和E2；0.2616≤D≤0.3695 為第2類，有Mn2、G4、G2、K3、M1、Mn3、K2 共7 個處理；0.1097≤D≤0.2358 為第3 類，有S4、K4、S2、G1、E1、0、Mn4、K1、Mn1、S1 共10 個處理。

圖10 25 個引發(fā)處理聚類分析譜圖

3 討論

3.1 外源物質(zhì)對低溫脅迫條件下高粱種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

低溫脅迫對高粱種子萌發(fā)及幼苗生長影響的指標主要有發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗芽長、根長及干物質(zhì)重等。 其中，發(fā)芽勢是反映種子萌發(fā)整齊度和萌發(fā)速度的主要指標，發(fā)芽指數(shù)則可反映種子活力。 有研究表明低溫脅迫對種子萌發(fā)及幼苗生長有較明顯的抑制作用[12，13]。 本研究表明，適宜濃度的EBR 處理能顯著增強低溫脅迫后的種子發(fā)芽勢，這與黃斌[14]、周偉江[15]等的結(jié)論相同。 說明適宜濃度的EBR 處理可以加快低溫脅迫下的高粱種子出苗速度，提高出苗率，可為保全苗、穩(wěn)增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，又可預(yù)防或減輕低溫對高粱種子和幼苗生長的危害。 GA3處理的種子其相對芽長、相對芽鮮重優(yōu)于其它外源物質(zhì)處理，但高粱幼苗生長管理的目標是培育壯苗，而不是高腳苗，因此GA3的濃度必須嚴格控制，以防造成高粱幼苗徒長。 0.50 mmol·L-1MT 處理幼苗相對根鮮重及相對根干重均最大，其它物質(zhì)中1.0 mmol·L-1SA 處理的最高。 可見，不同外源物質(zhì)在低溫脅迫下其作用機制不一樣，因此可以進一步研究利用不同性質(zhì)的外源物質(zhì)組配種子處理劑以抗低溫脅迫。

3.2 評價高粱種子萌發(fā)期抗低溫效應(yīng)的方法

本試驗結(jié)果表明，高粱種子經(jīng)不同濃度供試外源物質(zhì)處理后，其萌發(fā)及幼苗生長指標值差異較大。 為了防止用單個指標評價某種外源物質(zhì)抗低溫脅迫能力的片面性[8]，本試驗采用隸屬函數(shù)法的綜合得分值量化不同外源物質(zhì)及其濃度配比引發(fā)種子對低溫脅迫的效應(yīng)，這種綜合評價方法可避免因單參數(shù)評價引起的誤差。

3.3 外源物質(zhì)引發(fā)對高粱種子萌發(fā)期及幼苗抗低溫效應(yīng)的影響

本研究中，高粱種子相對發(fā)芽勢、相對芽長和相對根鮮重的權(quán)重系數(shù)之和達65.4%，說明這3個指標在本試驗評價體系中占主導(dǎo)地位。 利用綜合得分D 值進行聚類分析結(jié)果顯示，本試驗25個處理可以分為3 類，其中第1 類處理的綜合分值為0.4268～0.7244，得分最高的3 個處理依次是M3(0.50 mmol·L-1MT)、E3(0.030 μmol·L-1EBR)和S3(1.0 mmol·L-1SA)，這3 個處理均能有效促進種子萌發(fā)和幼苗生長，該結(jié)果與梁佳等[8]的研究結(jié)果類似，而第3 類處理的綜合分值為0.1097 ～0.2358，對提高種子萌發(fā)期的抗低溫脅迫效果不大。 本試驗表明，EBR 處理種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均優(yōu)于其它外源物質(zhì)處理，經(jīng)GA3引發(fā)的種子其芽長及芽鮮重均優(yōu)于其它外源物質(zhì)處理，而MT 處理在促進根系和幼芽方面均有促進作用。一定濃度范圍內(nèi)SA、MnSO4和K2SiO3均可促進高粱根系生長。 根據(jù)北方高粱春播區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，本試驗推薦的外源物質(zhì)處理為E3(0.030 μmol·L-1EBR)、M3(0.50 mmol·L-1MT)和S3(1.0 mmol·L-1SA)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，適宜濃度的外源物質(zhì)引發(fā)高粱種子可增強其萌發(fā)期及幼苗期的抗低溫脅迫能力，各處理綜合得分高低順序如下:M3 ＞E3 ＞S3＞M4＞M2＞E4＞G3＞E2＞Mn2＞G4＞G2＞K3＞M1＞Mn3＞K2＞S4＞K4＞S2＞G1＞E1＞0＞Mn4＞K1＞Mn1＞S1。 利用隸屬函數(shù)法建立的綜合評價體系，可量化并較為全面地評價低溫脅迫下供試外源物質(zhì)不同濃度引發(fā)種子萌發(fā)、生長的抗低溫脅迫效應(yīng)。本試驗中，0.030 μmol·L-1EBR 處理高粱種子的相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽指數(shù)最大，0.50 mmol·L-1MT、1.0 mmol·L-1SA 處理均能有效促進種子萌發(fā)和幼苗生長，以0.50 mmol·L-1MT 處理引發(fā)種子后的效果最佳。