干旱脅迫對油菜種子萌發的影響

關鍵詞：干旱脅迫；油菜；種子萌發；幼苗生長；影響

近年來，全球氣候變暖，水資源短缺問題日益加劇，因干旱缺水每年有大量作物出現減產問題，干旱已成為限制我國作物產量潛力發揮的一個主要因素[1-2]。種子萌發階段是作物能否在干旱條件下完成生育周期的關鍵時期，作物在萌發期抗旱性的高低直接決定其出苗質量，影響著作物的生長發育[3]。干旱脅迫會導致種子發芽率的降低，延緩種子萌發[4]；會造成旱地作物缺苗率超過20%，甚至達到40%-50%，引發大面積的減產[5]。因而，在干旱地區研究種子萌發期抗旱性尤為重要。

雷斌和張鳳銀[6]以3個豌豆變種（菜用豌豆、軟莢豌豆和糧用豌豆）為材料，在種子萌發期間，以15%的聚乙二醇-6000（PEG-6000）溶液作為滲透介質模擬干旱脅迫，觀測了其生理響應，發現15%的PEG-6000溶液抑制了3個豌豆變種幼苗芽的生長，誘導了丙二醛含量和脯氨酸含量上升，會不同程度降低其發芽指數和活力指數，抑制主根和側根的生長。王銘凡等[7]以不同濃度PEG-6000模擬干旱環境，研究了不同干旱程度對細梗絲石竹、狹葉剪秋羅、狹葉北絲石竹3種石竹科植物種子萌發及幼苗生長的影響，發現3種石竹種子的耐旱性強弱關系為細梗絲石竹＞狹葉北絲石竹＞狹葉剪秋羅；研究顯示5%-15%濃度PEG-6000溶液對石竹種子根長有一定的促進作用，3種石竹種子幼苗的根冠隨PEG濃度增加呈現先增加、后減少的趨勢，這表明干旱脅迫時幼苗主要通過增加根系所占比例以汲取更多的水分來緩解干旱脅迫。吳秀寧等[8]以不同黑小麥品種為供試材料，采用PEG-6000模擬干旱條件，研究黑小麥萌發期對干旱脅迫的響應，發現干旱脅迫后，黑小麥發芽勢、發芽率、主胚根長、芽長、根干質量和芽干質量與對照相比均有不同程度下降，根冠比上升，貯藏物質轉運率下降。彭玉琳等[9]選用70份青稞為材料，通過干旱脅迫條件下青稞各指標的變異分析，發現干旱脅迫下青稞種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、芽長、主胚根長、芽鮮質量、芽干質量、根鮮質量和根干質量均受到抑制，其中，受干旱影響最大的指標為根長，在干旱脅迫下根長平均值較對照減少9.94cm，變異系數下降38.65%。在我國，油菜是第一大油料作物，其種植規模以及產量均居于世界首位；同時，我國也是全世界范圍內食用油消費量最大的國家[10]。為探究油菜種子萌發期的耐旱性能，本研究進行了模擬干旱試驗，希望能夠為油菜的抗旱栽培提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 試驗種子

試驗用油菜種子為“甘藍型油菜秦油2號”種子，購置于當地種子站。

1.1.2 試驗設備

試驗用DDA-11A數顯電導率儀由上海儀電科學儀器股份有限公司提供；SPAD-502葉綠素儀由日本柯尼卡美能達（KonicaMinolta）株式會社提供。

1.1.3 試驗試劑

試驗用試劑主要包括硫代巴比妥酸、三氯乙酸、愈創木酚、100mmol/L磷酸緩沖液（pH=6.0）、30%過氧化氫。

1.2 試驗設計

1.2.1 干旱脅迫對種子萌發特性的影響

采用PEG-6000模擬干旱脅迫，根據PEG-6000濃度的不同設置7個處理，分別為CK處理（對照處理，蒸餾水，PEG-6000濃度為0%）、T1處理（PEG-6000濃度為5%）、T2處理（PEG-6000濃度為10%）、T3處理（PEG-6000濃度為15%）、T4處理（PEG-6000濃度為20%）、T5處理（PEG-6000濃度為25%）、T6處理（PEG-6000濃度為30%），每個處理分別重復3次，共21個試驗組。采用水培法培育種子，在干燥、已消毒的培養皿內鋪設4層紗布，接著整齊放入種子，每個培養皿置入種子35粒。根據試驗設計在每個培養皿內分別裝入相應濃度的PEG-6000溶液，稱量各培養皿并記錄初始重量。接著將培養皿置于22℃的恒溫光照培養箱內培養，每日上午稱重，采用蒸餾水及時補充散失的水分直至初始重量，確保PEG-6000始終處于恒定濃度。每天記錄種子發育情況，將胚根長度為2-3mm設置為發芽標準，若連續3日無種子萌發即認定為發芽結束，統計種子發芽率、發芽指數及發芽指數、活力指數。

發芽率（%）=（最終發芽種子數/供試種子總數）×100%

發芽勢（%）=（前7天內發芽的種子數/供試種子總數）×100%

發芽指數=Σ在t日的發芽數/發芽日數

活力指數=萌發期根長×發芽指數

1.2.2 干旱脅迫對幼苗生理生化特性的影響

種子發芽結束后，每個處理選擇20株長勢基本一致的種苗，測量幼苗苗高、子葉長、下胚軸長、根長、根粗等生理指標以及脯氨酸含量（酸性茚三酮顯色法）[11]、丙二醛（MDA）含量（硫代巴比妥酸比色法）[11]、葉綠素含量（丙酮提取法）[11]、超氧化物歧化酶（SOD，氮藍四唑顯色法）活性[12]、過氧化物酶（POD，愈創木酚法）活性[12]、過氧化氫酶（CAT，用紫外吸收法）活性[12]、抗壞血酸過氧化物酶（APX，用紫外吸收法）活性[12]。

1.3 數據處理

采用SPSS2019軟件進行數據處理并生成表格，采用SPSS23.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對油菜種子萌發特性的影響

干旱脅迫對油菜種子幾個常見萌發特性指標的影響，見表1。由表1可知，不同處理油菜種子發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數均存在顯著差異。CK、T1、T2三個處理油菜種子發芽率差異不顯著，在91.11%-93.63%之間，隨著PEG-6000濃度的進一步升高，油菜種子發芽率開始逐漸降低，直至T6處理的50.63%達到最低值，其中，T2和T3處理油菜種子發芽率差異不顯著；從發芽勢情況來看，在PEG-6000濃度較低時，即CK、T1、T2、T3處理，油菜種子發芽勢無顯著差異，最低值為89.00%，最高值為91.78%，隨著PEG-6000濃度的進一步升高，油菜種子發芽勢開始明顯降低直至T6處理的45.33%；隨著PEG-6000濃度的不斷升高，油菜種子發芽指數呈現出先升高、后降低的趨勢，由CK處理的41.82升高至T1處理的44.13（最大值），接著開始逐漸降低直至T6處理的13.37（最低值），其中，T1和T2處理油菜種子發芽指數無顯著差異，CK和T2處理油菜種子發芽指數無顯著差異，其余各處理存在顯著差異；從不同處理油菜種子活力指數情況來看，T2處理最高，達到了503.75，T6處理最低，僅32.99，其余處理居中，其中，T1和T2處理油菜種子活力指數差異不顯著，其余處理差異顯著。

2.2 干旱脅迫對油菜幼苗生長的影響

干旱脅迫對油菜幼苗五個常見生長指標的影響，見表2。由表2可知，不同處理油菜幼苗苗高、根長、子葉長、下胚軸長、莖粗均存在顯著差異。從苗高情況來看，隨著PEG-6000濃度的升高呈現出先升高、接著持續降低的趨勢，由CK處理的3.58cm升高至T1處理的3.62cm并達到最大值，接著逐漸降低至T6處理的1.38cm，CK、T1和T2處理油菜幼苗苗高差異不顯著，T2與T3、T4苗高差異不顯著，T4與T5處理苗高差異不顯著；CK、T1、T2三個處理油菜幼苗根長無顯著差異，在11.37-11.90mm之間，明顯高于其余處理，接著為T3和T4處理（二者油菜根長差異不顯著，在5.84-5.87cm之間），T6處理最低（僅2.47cm）；T2處理的油菜幼苗子葉長最長，為7.17mm（與T1處理差異不顯著），T6處理最短（僅4.49mm），其余處理居中，其中，CK、T1、T3和T4處理油菜幼苗子葉長差異不顯著；從下胚軸長情況來看，由高到低排序依次為T2gt;T1gt;CKgt;T3gt;T4gt;T5gt;T6處理，其中，T2和T1處理下胚軸長差異不顯著，T1和CK處理下胚軸長差異不顯著，T3和T4處理下胚軸長差異不顯著，T4和T5處理下胚軸長差異不顯著；CK、T1、T2、T3處理油菜幼苗莖粗差異不顯著，整體在1.37-1.55mm之間，明顯高于其余三個處理，其中，T4和T5處理油菜幼苗莖粗差異不顯著（在1.01-1.08mm之間），T6處理莖粗最小，僅0.83mm。

2.3 干旱脅迫對油菜幼苗生理特性的影響

干旱脅迫對油菜幼苗三個常見生理指標的影響，見表3。

由表3可知，干旱脅迫對油菜幼苗脯氨酸、丙二醛和葉綠素含量存在顯著影響。從脯氨酸含量情況來看，隨著PEG-6000濃度的升高，油菜幼苗脯氨酸含量呈現出持續升高的趨勢，由CK處理的0.28mg/g逐漸升高至T6處理的0.62mg/g，其中，T1和T2處理油菜幼苗脯氨酸含量差異不顯著，其余處理差異顯著；不同處理油菜幼苗丙二醛含量由高到低排序依次為T4、T3、T5、T6、T2、T1和CK處理，其中，T6和T5、T4處理丙二醛含量差異不顯著，T3和T4處理丙二醛含量差異不顯著，T2和T1處理丙二醛含量差異不顯著，T1和CK處理丙二醛含量差異不顯著；油菜幼苗葉綠素含量也隨著PEG-6000濃度的升高而先升高、后降低，由CK處理的1.18mg/g升高至T2處理的1.50mg/g，接著開始逐漸降低直至T6處理的1.17mg/g，T2、T3、T4和T5處理葉綠素含量差異不顯著，T1、T4和T5處理葉綠素含量差異不顯著，CK和T6處理葉綠素含量差異不顯著。

2.4 干旱脅迫對油菜幼苗酶活性的影響

干旱脅迫對油菜幼苗三種酶活性的影響，見表4。

由表4可以看出，不同處理油菜幼苗SOD活性由高到低依次為：T4gt;T5gt;T3gt;T2gt;T6gt;T1gt;CK處理，最大值為59.04U/g，最小值為31.08U/g，其中，T4與T5處理SOD活性差異不顯著，T5與T3處理SOD活性差異不顯著，CK與T1處理SOD活性差異不顯著；從POD活性情況來看，在T3處理時達到了最大值（283.64U/min·g），接著依次為T4處理（259.79U/min·g）、T2處理（220.78U/min·g）、T5處理（173.65U/min·g）、T6處理（149.88U/min·g）、T1處理（123.65U/min·g）、CK處理（118.74U/min·g），其中，T1和CK處理油菜幼苗POD活性差異不顯著；通過測量不同處理油菜幼苗CAT活性可以看出，各處理間差異顯著，T3處理最高（11.83U/min·g），T6處理最低（6.35U/min·g），其余處理居中，其中，T3和T4處理油菜幼苗CAT活性差異不顯著，CK、T1和T2處理油菜幼苗CAT活性差異不顯著，CK、T1、T5和T6處理油菜幼苗CAT活性差異不顯著。

3 討論與結論

在植物整個生活史當中，種子萌發是尤為重要的一個組成部分，干旱脅迫會導致植物種子萌發指標出現變化，最終影響種子萌發情況[13]。本研究發現，隨著PEG-6000濃度的提高，油菜種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、幼苗子葉長、下胚軸長均呈現出先升高、后降低的趨勢，苗高、根長以及莖粗呈現出初期無明顯變化，后期顯著降低的趨勢，這與干旱脅迫對毛竹[14]、云南松[15]和榆樹[16]等種子萌發、幼苗生長的規律相類似，這表明輕度干旱脅迫不會對油菜種子萌發及幼苗生長造成影響，甚至會產生促進作用；在中度及重度干旱脅迫下，油菜種子萌發及幼苗生長將受到明顯的抑制作用。

MDA是一種膜脂過氧化產物，植物在受到逆境脅迫時，會在不同程度上毒害生物膜以及許多生物大分子[17]。江遠芳[18]發現，隨干旱脅迫的加劇紫槐種子萌發期間MDA含量急劇上升；而魏波等[19]發現在輕度、中度干旱條件下紅花MDA含量呈不斷上升的趨勢，而在重度干旱條件下呈下降趨勢。本研究發現，油菜幼苗MDA含量隨PEG-6000濃度的升高呈現出先升高、后降低的趨勢，這與魏波等的研究結果一致，主要是由于在輕度以及中度干旱脅迫下，油菜會迅速積累NDA，但是在超過所能承受的最大限度后，細胞膜嚴重受損，導致MDA的積累受到影響，最終造成了MDA含量的降低。

SOD、POD、CAT三種酶能夠將植物體內過氧化氫分解為水及氧氣，在干旱脅迫條件下，植物體內會迅速積累活性氧，上述酶制劑將隨著活性氧的變化開始積累，以平衡植物體內活性氧的代謝，避免保護系統受到損傷，以提升植物抗旱能力[20]。因而可以用上述酶活性的變化規律判斷植物的抗旱性。本研究發現，隨著干旱脅迫程度的加劇，油菜幼苗上述三種酶活性呈先升高、后降低的趨勢，表明在輕度以及中度干旱脅迫下，油菜可通過提升自身SOD活性、POD活性、CAT活性以緩解細胞受損，但是在重度干旱脅迫下，因過氧化氫的過度積累已超過酶制劑的緩解作用，導致酶活性的降低[21-22]。

綜上所述，輕度干旱脅迫（PEG-6000濃度為5%-10%）有助于油菜種子萌發及幼苗生長；在中度干旱脅迫（PEG-6000濃度為25%-20%）下，幼苗種子萌發及生長受到了一定程度的抑制；在重度干旱脅迫（PEG-6000濃度為25%-30%）下，油菜種子萌發及幼苗生長受到明顯抑制，生理代謝受損較為嚴重。在PEG-6000濃度為10%-15%時，油菜種子萌發及幼苗生長效果最理想，因而10%-15%的PEG-6000濃度是油菜干旱脅迫的最適宜濃度。