藜麥種子對萌發(fā)溫度的響應(yīng)及低溫脅迫萌發(fā)能力鑒定

姚 慶,阿里別里根·哈孜太,楊明花,李 強(qiáng),苗昊翠,崔宏亮

(1.新疆伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,新疆伊寧 835000;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】種子萌發(fā)期是作物生育周期的首要階段[1-2],影響種子萌發(fā)因素很多,在水分和氧氣保證的情況下,溫度就是保證種子能夠正常發(fā)芽的重要外界因素[3]。作物萌發(fā)階段如遭遇低溫冷害,輕則延遲種子萌發(fā),重則導(dǎo)致種子胚芽死亡、霉?fàn)€,導(dǎo)致出苗不齊、影響產(chǎn)量[4]。新疆屬溫帶大陸性氣候,春季低溫冷害和倒春寒天氣會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn),藜麥營養(yǎng)價(jià)值全面和遺傳多樣性豐富且生態(tài)適應(yīng)性廣泛和抗逆性較強(qiáng),不同藜麥品種,受遺傳和產(chǎn)地因素影響種子的發(fā)芽能力及抗逆能力[5],保證藜麥產(chǎn)量提高前提條件是種子能夠快速萌發(fā),保證苗全、苗齊、苗壯[6-7]。早熟藜麥品種可能是物質(zhì)積累量不足,產(chǎn)量不及中晚熟品種,但是藜麥種子沒有休眠期,中晚熟品種成熟期如遇上秋季多雨容易影響穗發(fā)芽、產(chǎn)量和品質(zhì)。選擇萌發(fā)期和苗期耐低溫品種,適時(shí)早播,縮短藜麥生育期是保證藜麥產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。【前人研究進(jìn)展】Jacobsen等[8]研究了不同的藜麥基因型在霜凍溫度下的表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)來自高海拔地區(qū)的藜麥品種較低海拔地區(qū)的品種抗寒性基因變現(xiàn)突出。Geerts S等[9]對于藜麥的抗性機(jī)理的研究顯示,藜麥對低溫的應(yīng)激反應(yīng)主要是積累碳水化合物以及酶的改變。Jacobsen等[10]利用秘魯高原品種和安第斯谷地品種做對比,發(fā)現(xiàn)秘魯高原品種能在-8℃存活4 h,抗凍性明顯優(yōu)于安第斯谷地品種。溫日宇等[11]以紅藜、白藜、黑藜3種不同藜麥為材料,對藜麥幼苗進(jìn)行人工模擬低溫(4℃)脅迫,研究表明有利脯氨酸含量越高的品種抗逆性越好,POD、SOD活性越強(qiáng),越能增強(qiáng)藜麥的抗寒性。沈菊等[12]為了分析霜凍、低溫凍害等因素對藜麥在播種期至幼苗期的影響,通過人工模擬環(huán)境試驗(yàn)和自然環(huán)境試驗(yàn)相結(jié)合,分析了青藜1號在-10℃,且低于0℃以下14 h藜麥進(jìn)入休眠期,在-14℃,且低于0℃以下15 h藜麥幼苗枯萎。孟軍萍等[13]利用4個(gè)玉米自交系品種,在玉米發(fā)芽期間,分別用-4、0、4和8℃處理0、4、8和12 h,研究其對玉米的影響,結(jié)果表明低溫對玉米幼苗干鮮重影響顯著。沈忱[14]利用不同苜蓿品種對其種子進(jìn)行低溫脅迫,通過比較其種子萌發(fā)期耐寒性,并篩選出耐寒性強(qiáng)的苜蓿品種。【本研究切入點(diǎn)】目前國內(nèi)研究主要圍繞藜麥的生態(tài)適應(yīng)性及營養(yǎng)物質(zhì)利用等,對于種子抗逆性萌發(fā)多集中在抗旱、耐鹽上,耐寒性的研究也主要集中在藜麥苗期,而不同藜麥品種種子萌發(fā)期對低溫脅迫的響應(yīng)未見報(bào)道。需研究藜麥萌發(fā)期對低溫脅迫的響應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】選擇6個(gè)藜麥品種,以1、5、10、15和20℃處理進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn),分析不同萌發(fā)溫度條件下的多個(gè)萌發(fā)指標(biāo),篩選出低溫脅迫下藜麥萌發(fā)期主要耐寒性鑒定指標(biāo)和抗寒性較好的品種。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用6個(gè)品種全部來源于伊犁州農(nóng)科所近幾年從中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所引進(jìn)、篩選出的適合當(dāng)?shù)胤N植的藜麥品種(系),品種編號為YN1、YN2、YN3、YN4、YN5和YN6。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)品種選擇籽粒飽滿、大小均勻的藜麥種子沖洗干凈,經(jīng)75%酒精浸泡消毒1 min后用無菌水沖洗3遍備用,每品種選擇150粒種子放置于直徑12 cm、底部放置2層濾紙培養(yǎng)皿中,每皿50粒,各處理重復(fù)3次,浸透蒸餾水,蓋上皿蓋,置于1、5、10、15和20℃的LRH-50L/CA型號的低溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn),每天記錄各處理種子萌發(fā)數(shù),定時(shí)定量滴加蒸餾水,第3 d計(jì)算發(fā)芽勢,第7 d計(jì)算發(fā)芽率并從各處理樣品中隨機(jī)選取10株,用直尺測量其芽長,再用萬分之一天平測定芽鮮重,計(jì)算發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

1.2.2 指標(biāo)測定

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

相對發(fā)芽勢(RGE)=(脅迫處理的發(fā)芽勢/對照的發(fā)芽勢)×100%;

發(fā)芽率(GR)=(正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

相對發(fā)芽率(RGR)=(脅迫處理的發(fā)芽率/對照的發(fā)芽率)×100%;

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)(Gt為時(shí)間t日的發(fā)芽數(shù),Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù));

相對發(fā)芽指數(shù)(RGI)=(脅迫處理的發(fā)芽指數(shù)/對照的發(fā)芽指數(shù))×100%;

活力指數(shù)(VI)=芽鮮重×GI;

相對活力指數(shù)(RVI)=(脅迫處理的活力指數(shù)/對照的活力指數(shù))×100%;

相對芽長(RBL)=(脅迫處理的芽長/對照的芽長)×100%;

相對芽鮮重(RBFW)=(脅迫處理的芽鮮重/對照的芽鮮重)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用多因素方差分析比較6個(gè)藜麥品種在不同低溫脅迫條件下時(shí)各發(fā)芽指標(biāo)的差異性;選擇相對萌發(fā)指標(biāo)運(yùn)用相關(guān)分析法及主成分分析法分析6個(gè)藜麥品種萌發(fā)之間的相關(guān)性及萌發(fā)代表性的主成分指標(biāo),運(yùn)用隸屬函數(shù)法對6個(gè)藜麥品種種子萌發(fā)抗寒性進(jìn)行綜合評價(jià),公式為X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),X(u)為某品種某一指標(biāo)的測定值,Xmin和Xmax為該指標(biāo)中的最小值和最大值,并求出綜合評價(jià)指標(biāo)D值對6個(gè)藜麥品種的耐冷性進(jìn)行綜合排序。所得數(shù)據(jù)利用Exce2007軟件和DPS15.10軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標(biāo)對不同低溫的響應(yīng)

2.1.1 不同溫度對6個(gè)藜麥品種發(fā)芽率的影響

研究表明,藜麥的發(fā)芽率受溫度影響相比于其他指標(biāo)影響較小,變異系數(shù)為27.622%,在10和20℃時(shí)YN2為最高(0.993%),1℃時(shí)YN3為最低(0.007%)。6個(gè)藜麥品種在1～20℃的平均發(fā)芽率呈上升趨勢,隨著溫度的升高,種子的發(fā)芽能力也隨之升高,10～20℃時(shí),發(fā)芽率趨于穩(wěn)定,在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)都不會(huì)影響6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽率;YN1和YN3在1、5、10和15℃與其他4個(gè)品種的發(fā)芽率都存在極顯著差異,YN2、YN4和YN5品種在1～20℃區(qū)間內(nèi)差異不顯著,一直保持較高的發(fā)芽率,低溫對其發(fā)芽率影響較小,YN6在1℃時(shí)與其他溫度差異極顯著,低于5℃其發(fā)芽率明顯受到影響。表1

表1 不同溫度下藜麥品種萌發(fā)指標(biāo)的差異性比較

2.1.2 不同溫度對6個(gè)藜麥品種發(fā)芽勢的影響

研究表明,6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽勢總變異系數(shù)為58.460%,在20℃時(shí)YN2為最高(0.980),1℃時(shí)YN1、YN2為最低(0.00)。6個(gè)藜麥品種1～20℃的平均發(fā)芽勢呈持續(xù)上升趨勢,從1～5℃時(shí)上升速度較快,5～15℃時(shí)上升較平緩,20℃達(dá)到最高值,引發(fā)種子發(fā)芽的溫度越高,種子發(fā)芽速度越快;1、5、10和15℃時(shí)YN1和YN2與其他4個(gè)品種均達(dá)到極顯著水平,且1℃時(shí)這2個(gè)品種發(fā)芽勢均為0,低溫會(huì)降低其發(fā)芽速率;YN2、YN4品種從5℃開始就表現(xiàn)出較高的發(fā)芽勢,其耐低溫能力強(qiáng),第3 d開始達(dá)到發(fā)芽峰值。

2.1.3 不同溫度對6個(gè)藜麥品種發(fā)芽指數(shù)影響

研究表明,6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽勢總變異系數(shù)為48.223%,20℃時(shí)YN4為最高(38.389%),1℃時(shí)YN1為最低(0.00%)。1～15℃時(shí)YN1、YN2與其他品種均達(dá)及顯著水平,發(fā)芽指數(shù)隨著溫度升高呈上升趨勢,YN2和YN4從5℃開始發(fā)芽指數(shù)就保持較高的水平,但是YN2從10℃開始發(fā)芽指數(shù)水平就趨于平穩(wěn),10℃為該品種適宜發(fā)芽溫度,YN4發(fā)芽指數(shù)從1～20℃成持續(xù)上升趨勢,20℃到達(dá)峰值,溫度越高該品種發(fā)芽指數(shù)越高;YN5、YN6從10℃開始發(fā)芽指數(shù)趨于穩(wěn)定,10～20℃是2個(gè)品種適宜發(fā)芽溫度。

2.1.4 不同溫度對6個(gè)藜麥品種活力指數(shù)影響

研究表明,溫度對6個(gè)藜麥品種活力指數(shù)影響相比于其他萌發(fā)指數(shù)影響較大,變異系數(shù)達(dá)到68.201%,20℃時(shí)YN4為最高(9.463%),1℃時(shí)YN1、YN3為最低(0.00%)。活力指數(shù)與芽鮮重相關(guān),1℃時(shí)YN1、YN3未有種子發(fā)芽,1℃時(shí)活力指數(shù)為0;隨著溫度升高,6個(gè)藜麥品種的活力指數(shù)也持續(xù)升高,品種間在不同溫度下達(dá)極顯著差異,YN21～20℃活力指數(shù)均高于其他品種,YN5、YN6品種在1～15℃時(shí)活力指數(shù)差異都不顯著,10～15℃時(shí)數(shù)值趨于平穩(wěn),20℃時(shí)卻達(dá)到極顯著水平,YN6活力指數(shù)明顯低于YN5,溫度達(dá)到10℃之后對YN6的活力指數(shù)影響不明顯;相較于其他品種,YN31～15℃活力指數(shù)值一直較低,20℃時(shí)明顯升高,該品種對溫度及其敏感。

2.1.5 不同溫度對6個(gè)藜麥品種芽長和芽鮮重的影響

研究表明,6個(gè)藜麥品種的芽長與芽鮮重成正比,且溫度對于這兩個(gè)因素影響較大,變異系數(shù)分別為91.688%和42.186%,芽長和芽鮮重分別以20℃時(shí)YN6(76.954 mm)YN5(0.255 mg)最高,以1℃時(shí)YN1(0 mm)、YN3(0 mg)最低;各品種1和20℃時(shí)都與5～15℃時(shí)差異達(dá)到顯著,溫度直接影響6個(gè)藜麥品種的芽長和芽鮮重。5～15℃時(shí)平均芽長上升幅度較慢,20℃時(shí)所有品種芽長成倍增長,20℃能使藜麥快速生長,但是20℃時(shí)芽鮮重?cái)?shù)值沒有明顯增加,在此溫度下有可能致使幼芽徒長,物質(zhì)積累不協(xié)調(diào)易造成幼苗纖弱。圖1

圖1 不同溫度下萌發(fā)指標(biāo)變化

2.2 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標(biāo)相對值之間相關(guān)性

研究表明,種子萌發(fā)各相對指標(biāo)之間既獨(dú)立又存在相關(guān)性,相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對芽鮮重、相對芽長對不同溫度的響應(yīng)及響應(yīng)程度都存在不同的差異性且都達(dá)到了極顯著水平,其中相對發(fā)芽率與相對發(fā)芽指數(shù)(0.816**)、相對發(fā)芽勢與相對發(fā)芽指數(shù)(0.952**)、相對發(fā)芽指數(shù)與相對活力指數(shù)(0.896**)、相對活力指數(shù)與相對芽長(0.930**),均存在顯著差異性或極顯著差異性。表2

表2 不同溫度下各相對萌發(fā)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

2.3 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標(biāo)相對值之間主成分

研究表明,在不同溫度培養(yǎng)下6個(gè)藜麥品種種子萌發(fā)各指標(biāo)間差異極顯著,因子1的特征值為4.855,占總信息量的80.924%,其他主成分因子特征值均小于1,且權(quán)重因子為0.809,因子1(相對發(fā)芽率)可以用作6個(gè)藜麥品種低溫萌發(fā)指標(biāo)。表3

表3 不同溫度下各相對萌發(fā)指標(biāo)的主成分

2.4 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標(biāo)相對值之間的綜合評價(jià)

研究表明,提取主成分系統(tǒng)矩陣,公式為D=X1×0.809+X2×0.11+X3×0.062+X4×0.012+X5×0.005+X6×0.001,D值越大該品種在此溫度下萌發(fā)響應(yīng)越好。1℃時(shí)YN4表現(xiàn)最好,得分0.774,而YN3表現(xiàn)最差,得分為0。5℃時(shí)YN2表現(xiàn)最好,得分0.940,得分最低的依然是YN3,與YN2相差0.453分,排名2～4的YN6、YN4、YN5兩兩分?jǐn)?shù)差距較小。10℃時(shí),YN2依然排名第1,得分0.959,YN5、YN6排在第2、3位。15℃時(shí),YN5、YN6排在第1、2位,6個(gè)藜麥品種D值差距不大。20℃時(shí),6個(gè)藜麥品種D值沒有差異。YN4品種1℃低溫脅迫條件下,表現(xiàn)突出,耐寒性最強(qiáng),屬極耐低溫品種;YN2、YN5、YN6品種1～15℃低溫條件下D值相差不顯著且表現(xiàn)穩(wěn)定,屬耐低溫品種;YN1、YN3品種1～15℃低溫條件下一直排在最后2位,2個(gè)品種耐低溫性較差,屬低溫敏感品種。表4

表4 不同溫度下各相對萌發(fā)指標(biāo)的綜合評價(jià)

3 討 論

采用主成分分析法將不同溫度下萌發(fā)指標(biāo)的相對值降維[15],累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的原則[16],種子的萌發(fā)既受外部環(huán)境的影響又取決于自身遺傳基因的控制[17],而外部影響因子中溫度又是促進(jìn)種子快速萌發(fā)的關(guān)鍵因素[18],不同溫度條件下,作物的萌發(fā)指標(biāo)也存在差異[19]。藜麥對于干旱、鹽堿、高寒等逆境環(huán)境均有較好的耐受性[20-21],在低溫脅迫條件下,不同藜麥品種在種子萌發(fā)期的表現(xiàn)存在顯著差異,1℃條件下,YN1、YN3品種發(fā)芽勢均為0,與其他4個(gè)品種均達(dá)極顯著差異,品種遺傳基因的差異決定其種子萌發(fā)期耐冷性[22]。朱宗文等[23]通過在不同低溫條件下茄子自交系材料的細(xì)胞過程、代謝過程、生物調(diào)節(jié)過程與單有機(jī)體存在較多的差異表達(dá)基因。

種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率能夠在一定程度上反映種子的發(fā)芽速度和整齊度[24],發(fā)芽指數(shù)是衡量植物發(fā)芽能力及活力的一項(xiàng)重要指標(biāo),而發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)更能綜合反映種子的長勢和健壯程度[23]。6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長、芽鮮重都是隨著溫度的升高而上升,低溫抑制種子萌發(fā),與楊艷婷等[26]、李進(jìn)等[18]的研究結(jié)果一致,不同溫度處理下,YN1、YN3品種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率1～15℃時(shí)均明顯低于其他品種,2個(gè)品種20℃以下的發(fā)芽速度低、整齊度差,對低溫響應(yīng)的敏感度高;綜合6個(gè)品種發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長、芽鮮重指標(biāo)20℃時(shí)均達(dá)最高,20℃是藜麥最適萌發(fā)溫度。

選擇多個(gè)萌發(fā)指標(biāo)綜合評價(jià)品種間的耐低溫能力更具優(yōu)勢[27]。趙陽佳等[28]采用模糊隸屬函數(shù)法對7個(gè)綠肥作物的耐低溫萌發(fā)能力做出綜合評價(jià);徐小萌等[29]對不同顏色紫云英種子低溫萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,并利用模糊隸屬函數(shù)法綜合評價(jià)不同顏色紫云英種子的活力。研究選擇1、5、10、15和20℃,5個(gè)溫度區(qū)間,將發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長、芽鮮重的相對值進(jìn)行相關(guān)性分析,6個(gè)相對萌發(fā)指標(biāo)差異性都達(dá)到了極顯著水平;選取6個(gè)萌發(fā)指標(biāo)相對值對6個(gè)藜麥品種在5個(gè)溫度區(qū)間下進(jìn)行主成分分析,通過對多項(xiàng)指標(biāo)的降維處理,得到相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)可作為藜麥萌發(fā)期耐低溫特性的主要鑒定指標(biāo)。基于主成分分析,利用模糊隸屬函數(shù)法對6個(gè)藜麥品種在5個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行綜合評價(jià),篩選出極耐低溫品種1個(gè)、耐低溫品種3個(gè)及低溫敏感品種2個(gè)。如要將篩選出的耐低溫品種應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),尚需進(jìn)一步進(jìn)行田間試驗(yàn)來驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

YN1、YN3品種在萌發(fā)期對低溫最敏感,不適合早播;YN2、YN5、YN6品種在不同溫度下,各方面指標(biāo)表現(xiàn)穩(wěn)定,在低溫條件下雖然發(fā)芽速度較慢,但是發(fā)芽率較高,耐低溫性較強(qiáng),屬于耐低溫品種;YN4品種在低溫條件下表現(xiàn)最突出,屬于極耐低溫品種。