7.2%萎銹靈和40%拌種靈包衣對棉花幼苗冷脅迫生理生化特征的功效比較

周小云,雷 斌,張軍高,梁 晶,龔靜云,周廣威,張少民,李 進(jìn)

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所/新疆作物化學(xué)調(diào)控工程技術(shù)研究中心,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棉花是新疆的主要經(jīng)濟(jì)作物之一,隨著“矮、密、早、膜、滴”植棉技術(shù)的推廣應(yīng)用,2022年新疆棉花總產(chǎn)量為539.1×104t,占全國棉花總產(chǎn)量的90.2%[1]。但是,在棉花播種季節(jié)中常常遭遇陰雨、寒潮、倒春寒等低溫氣象災(zāi)害,致使地表溫度遠(yuǎn)低于棉花種子萌發(fā)和幼苗生長溫度的最低點(diǎn),甚至降低到0℃以下,影響棉花種子萌發(fā),導(dǎo)致每年有不同程度的爛種、爛芽、爛根甚至死苗現(xiàn)象發(fā)生,棉花播種后出苗難,一播全苗更難,嚴(yán)重的會導(dǎo)致田間缺苗斷壟甚至毀種重播,即使及時補(bǔ)種或移苗補(bǔ)栽,由于生育期不一致,先出苗的長勢比補(bǔ)種的長勢好,補(bǔ)種的苗往往跟不上群體的發(fā)育速度,造成補(bǔ)種的植株弱小生長發(fā)育緩慢,即使中后期加強(qiáng)管理也難以彌補(bǔ)前期生長不良造成的損失,小苗無法獲得足夠的養(yǎng)分,會出現(xiàn)空棵或晚熟,影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)。因此,播種季節(jié)中低溫氣象災(zāi)害對棉花生產(chǎn)影響較大。而種子包衣技術(shù)是在浸種和拌種的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)植保技術(shù),具有綜合防治、低毒高效、省種省藥的特點(diǎn),隨著種子萌發(fā)、出苗和生長過程,種衣劑里有效成分逐漸被植株根系吸收并傳導(dǎo)到幼苗植株各部位后對種子及幼苗根系起到保護(hù)作用,對其周圍附近病菌及地下、地上害蟲起到防治作用。采用種衣劑包衣棉種可有效地解決早春棉花出苗的問題。但是,在低溫冷脅迫危害較重情況下,仍然難以確保田間較高保苗率,需要研究提高棉花苗期適應(yīng)冷脅迫能力的新產(chǎn)品來獲得均勻的田間出苗和較高出苗率,保苗率達(dá)到計劃種植密度?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】萎銹靈(carboxin)和拌種靈(amicarthiazol)兩者均是羧基酰胺類殺菌劑,其活性結(jié)構(gòu)相似,均具有丁烯酰胺類結(jié)構(gòu),兩者區(qū)別在于萎銹靈的分子結(jié)構(gòu)中含有噁噻因環(huán),而拌種靈的分子結(jié)構(gòu)中含有噻唑基團(tuán)。由于丁烯酰胺類化合物的脂溶性較高,易于穿透病菌細(xì)胞壁進(jìn)入體內(nèi)到達(dá)作用靶標(biāo),因此丁烯酰胺結(jié)構(gòu)在對擔(dān)子菌真菌具有高效內(nèi)吸活性方面起著重要的作用[2,3]。另外,與不同病原菌琥珀酸脫氫酶鐵-硫蛋白的S3中心的空間構(gòu)象有關(guān),活性結(jié)構(gòu)結(jié)合部位與其中心的氨基酸殘基共價結(jié)合,導(dǎo)致酶活性中心的構(gòu)象發(fā)生改變,阻止電子從琥珀酸向輔酶Q的傳遞,進(jìn)一步阻止其中心的氧化作用,抑制細(xì)胞的呼吸作用,致使病原菌的生長受到抑制作用[4,5]。萎銹靈和拌種靈兩者在植株體內(nèi)均具有良好的內(nèi)吸傳導(dǎo)性,對棉花立枯病有較好防治作用[6,7]。但是,萎銹靈包衣棉種不僅能促進(jìn)棉花生長并具有抗氧化防御機(jī)制,還能增強(qiáng)棉苗適應(yīng)冷脅迫的能力[8,9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】萎銹靈和拌種靈均是一種具有內(nèi)吸作用的殺菌劑,可用于防治麥類銹病、棉花立枯病等,且防效較好,持效性長。但是萎銹靈和拌種靈包衣對棉幼苗冷脅迫生理生化特征的比較研究未見相關(guān)報道。需研究比較具有活性結(jié)構(gòu)相似的2種殺菌劑萎銹靈和拌種靈包衣棉種提高棉種適應(yīng)冷脅迫能力功效?！緮M解決的關(guān)鍵問題】比較具有生物活性結(jié)構(gòu)相似的拌種靈與萎銹靈2種殺菌劑包衣誘導(dǎo)棉苗適應(yīng)冷脅迫的功效,分析2種殺菌劑包衣提高棉花適應(yīng)冷脅迫的能力差異,研究其生理作用機(jī)制,為開發(fā)棉花適應(yīng)冷脅迫環(huán)境的包衣劑新產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用棉花品種為新陸早50號(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供)。

藥劑:99.00%拌種靈原藥和99.00%萎銹靈原藥。(1)基礎(chǔ)種衣劑:只包含成膜劑、表面活性劑等種衣劑惰性成分,不包含殺菌劑農(nóng)藥活性成分。(2)拌種靈種衣劑:參考王知惠等[10]在基礎(chǔ)種衣劑基礎(chǔ)上添加拌種靈,制成拌種靈含量為40%的種衣劑。(3)萎銹靈種衣劑:參考周小云等[8]在基礎(chǔ)種衣劑基礎(chǔ)上添加萎銹靈,制成萎銹靈含量7.2%的種衣劑。(1)、(2)、和(3)均由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所生物調(diào)控室自行研制。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

挑選籽粒飽滿的棉花種子,經(jīng)1%次氯酸鈉消毒后滅菌蒸餾水沖洗干凈并晾干。以基礎(chǔ)種衣劑包衣處理為對照,將藥劑分別添加到基礎(chǔ)種衣劑中,制成以上不同的種衣劑,試驗(yàn)共設(shè)2個包衣處理:拌種靈種衣劑包衣處理和萎銹靈種衣劑包衣處理;分別按藥種重量比1∶100進(jìn)行包衣為對照,依次記為CK、T1、T2。將包衣的棉花種子放在通風(fēng)干燥處陰干,進(jìn)行種子萌發(fā)和幼苗培養(yǎng)。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 種子萌發(fā)及冷脅迫處理

細(xì)砂經(jīng)水洗后干熱滅菌晾至室溫,添加13%的滅菌水混勻,裝入發(fā)芽盒中構(gòu)建發(fā)芽床。每個發(fā)芽盒沙床上等距離擺放不同處理的30粒種子;參照李海明等[11]方法在室內(nèi)人工智能氣候箱(4℃/16℃,12 h/12 h)模擬冷脅迫處理環(huán)境進(jìn)行種子萌發(fā)。試驗(yàn)過程中,從第4 d開始每48 h觀察記錄種子萌發(fā)情況,第14 d結(jié)束萌發(fā),采集生長一致的子葉用于測定相關(guān)生理生化指標(biāo),從各處理中均隨機(jī)選出10株棉苗洗凈后,經(jīng)殺青后烘干至質(zhì)量恒定,電子分析天平稱量發(fā)芽前種子干重、發(fā)芽后的種皮和種殼干重以及幼苗鮮/干質(zhì)量。并將冷脅迫處理后25℃環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)生長7 d后,對不同傷害程度的棉花幼苗葉片冷脅迫癥狀進(jìn)行調(diào)查。

1.2.2.2 計算

參照高榮岐等[12]和施成曉等[13]方法計算發(fā)芽勢(Germination potential,GP)、發(fā)芽率(Germination rate,GR)、發(fā)芽指數(shù)(Germination index,GI)、活力指數(shù)(Vigor index,VI)、鮮重(Fresh weight,FW)、干重(Dry weight,DW)、干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率(Dry matter conversion rate,DMCR)和呼吸消耗量(Respiratory consumption,RC)等種子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)。

參照王學(xué)奎等[14]編寫的《生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》測定棉苗相關(guān)生理生化指標(biāo),包括相對電導(dǎo)率(Relative conductivity,REC)、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量、可溶性蛋白(Soluble protein,SP)含量、可溶性糖(Soluble sugar,SS)含量、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性、過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性和過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性。

參照王俊娟等[15]方法計算棉苗的冷脅迫指數(shù)(Chilling injury index,CI)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用GraphPad Prism進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理對冷脅迫下棉花種子萌發(fā)活性影響

研究表明,與對照比較,拌種靈和萎銹靈包衣處理的發(fā)芽勢分別增加5.33%和9.67%,且差異顯著;發(fā)芽率分別增加5.14%和10.29%,且差異顯著;發(fā)芽指數(shù)分別增加6.00%和12.00%,且差異顯著;活力指數(shù)分別增加6.67%和13.33%,且差異顯著。拌種靈和萎銹靈包衣的棉種萌發(fā)活性指標(biāo)均增加,冷脅迫條件下,拌種靈和萎銹靈包衣后均能提高種子活性,從而提高棉種發(fā)芽率。圖1

2.2 各處理對冷脅迫下棉種干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的影響

研究表明,與對照比較,拌種靈和萎銹靈包衣處理的鮮重分別增加3.33%和4.33%,且差異不顯著;干重分別增加4.00%和8.00%,僅萎銹靈包衣處理差異顯著;干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率分別增加4.00%和9.00%,僅萎銹靈包衣處理差異顯著;呼吸消耗量分別增加-6.25%和-7.50%,且差異不顯著。拌種靈和萎銹靈包衣的棉種干物質(zhì)轉(zhuǎn)移指標(biāo)均增加,萎銹靈包衣處理的增加較大,冷脅迫條件下,兩藥劑包衣處理均能增強(qiáng)種子活性,提高種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率,增加棉花幼苗干物質(zhì)積累,更有利于幼苗生長發(fā)育和適應(yīng)冷脅迫環(huán)境。圖2

圖2 冷脅迫下各包衣處理棉種干物質(zhì)轉(zhuǎn)移相關(guān)指標(biāo)的比較

2.3 各處理對冷脅迫下棉花幼苗細(xì)胞膜系統(tǒng)的影響

研究表明,與對照比較,拌種靈和萎銹靈包衣處理的REC分別增加-3.75%和-12.5%,僅萎銹靈的差異顯著;MDA含量分別增加-3.33%和-11.11%,僅萎銹靈包衣處理差異顯著。2處理REC和MDA含量均有下降,萎銹靈包衣處理的下降較大,萎銹靈處理較拌種靈處理更有助于避免冷脅迫對棉花幼苗造成的生物膜損傷,對棉花幼苗細(xì)胞膜起到保護(hù)作用。圖3

圖3 冷脅迫下各包衣處理棉花幼苗 細(xì)胞膜系統(tǒng)指標(biāo)的比較

2.4 各處理對冷脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

研究表明,與對照比較,拌種靈和萎銹靈包衣處理的SP含量分別增加6.00%和11.00%,且差異顯著;SS含量分別增加3.33%和4.33%,且差異不顯著。兩藥劑處理的SP含量均有所提高,但萎銹靈包衣處理提高幅度較大,萎銹靈更能誘導(dǎo)可溶性蛋白的積累,增強(qiáng)其細(xì)胞冷脅迫下的滲透調(diào)節(jié)能力。圖4

圖4 冷脅迫下各包衣處理棉花幼苗 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的比較

2.5 各處理對冷脅迫下棉花幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的影響

研究表明,與對照比較,拌種靈和萎銹靈包衣處理的SOD活性分別增加6.67%和10.67%,且差異顯著;POD和CAT活性分別增加1.50%、1.60%、-3.33%和3.33%,且差異不顯著。兩藥劑處理均能不同程度提高SOD酶活性,萎銹靈包衣處理提高幅度較大,更能提高棉花幼苗葉片抗氧化酶活性,以清除植物體內(nèi)活性氧的積累,消除活性氧對細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害,增強(qiáng)對細(xì)胞的保護(hù)作用。圖5(A-C)

圖5 冷脅迫下各包衣處理棉花幼苗抗氧化酶活性和CI的比較

2.6 各處理對冷脅迫下棉苗CI的影響

研究表明,與對照比較,拌種靈種衣劑和萎銹靈種衣劑包衣處理CI分別降低-5.33%和-10.67%,且差異顯著。萎銹靈種衣劑包衣處理的CI降幅較大,該處理增強(qiáng)棉花幼苗適應(yīng)冷脅迫的能力,受冷脅迫程度較輕。圖5(D)

2.7 各處理的冷脅迫下棉花幼苗CI與其生理生化指標(biāo)的相關(guān)性

研究表明,拌種靈和萎銹靈包衣處理的棉花幼苗CI與其REC、SP和SOD均顯著正相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.75、0.91和0.89、0.71、0.90;基礎(chǔ)種衣劑(對照)包衣處理的棉花幼苗CI與其指標(biāo)均無顯著相關(guān)。兩藥劑包衣處理的棉苗CI與REC、SP、SOD等指標(biāo)有一定相關(guān)性,兩藥劑處理包衣處理能增強(qiáng)棉花幼苗適應(yīng)冷脅迫的能力。表1

表1 各處理冷脅迫下棉花幼苗CI與 其生理生化指標(biāo)的相關(guān)性

2.8 各處理的冷脅迫下棉花幼苗相關(guān)指標(biāo)的主成分

研究表明,系統(tǒng)默認(rèn)方差大于1的為主成分,得到第一、第二和第三主成分,其綜合評值為F=4.18F1+3.45F2+1.03F3。根據(jù)第一、第二和第三主成分與客觀權(quán)重之積,得到各處理的冷脅迫下棉花幼苗生長的綜合影響評判結(jié)果。CK、T1和T2處理對棉花幼苗生長影響的綜合評價分別為-1.69、2.12和3.69,T1和T2得分均大于1,并且其綜合評分分別排在第2位和第1位。萎銹靈包衣處理提高棉花幼苗生長能力的綜合影響最佳,拌種靈次之。表2

表2 各處理冷脅迫下棉花生長的綜合評價

3 討 論

3.1棉花苗期冷害是制約棉花生產(chǎn)及誘導(dǎo)病害發(fā)生的主要因素之一,在萌發(fā)過程中種子淀粉酶等酶活性被抑制,細(xì)胞內(nèi)分解轉(zhuǎn)化為能量供細(xì)胞生長的物質(zhì)減少,種子活力減弱,種子萌發(fā)延遲,從而抑制種子幼芽和幼根的伸長和生長,造成出苗緩慢,苗瘦苗弱,棉苗無法自然出土;棉花幼苗活性氧代謝失調(diào),自由基積累,細(xì)胞膜脂過氧化作用加強(qiáng),細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞、功能喪失、透性增加,而致使細(xì)胞液外滲,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致葉片壞死,葉綠素含量降低和光合作用效率降低,抗逆性減弱,缺苗斷壟甚至毀種重播,最后表現(xiàn)為棉苗植株矮小,生長發(fā)育緩慢,對棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成影響非常大。植物耐冷性與植株形態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理生化以及代謝等方面的抗逆指標(biāo)相關(guān)[16]。大多通過外源植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)誘導(dǎo)其耐冷性,如用油菜素內(nèi)脂處理或脫落酸來提高植物對低溫環(huán)境下的耐受能力[17,18],也有通過種子包衣技術(shù)提高棉花、玉米等在冷脅迫下種子發(fā)芽及幼苗的生長能力[19-21]。但是采用殺菌劑提高作物抗冷能力研究報道很少。研究通過琥珀酸脫氫酶抑制劑類殺菌劑制成種衣劑包衣處理,主成分分析表明,萎銹靈處理對增強(qiáng)棉苗耐冷能力的效果優(yōu)于拌種靈處理。尚需在此理論基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過田間試驗(yàn)考察萎銹靈和拌種靈包衣提高棉苗實(shí)際適應(yīng)冷脅迫的能力。

3.2在逆境環(huán)境中,植物體通過增加保護(hù)酶活性及時清除活性氧以及調(diào)控相關(guān)代謝滲透調(diào)節(jié)劑物質(zhì)來降低或緩解逆境脅迫帶來的傷害[22]。研究表明,2種藥劑包衣處理棉苗在處理時間內(nèi)的保護(hù)酶活性存在顯著差異,與對照比較,兩藥劑包衣處理棉花幼苗在冷脅迫下的過氧化物歧化酶活性呈現(xiàn)增高的趨勢,丙二醛及可溶性蛋白含量呈現(xiàn)上升的趨勢,棉苗通過調(diào)節(jié)過氧化物歧化酶活性和丙二醛含量、可溶性蛋白含量來降低活性氧傷害,維持細(xì)胞內(nèi)滲透平衡,以避免或降低逆境脅迫對棉苗細(xì)胞和組織的傷害,使棉苗耐冷性能力增強(qiáng),提高適應(yīng)冷脅迫的調(diào)節(jié)能力。該結(jié)果與前人的抗冷指標(biāo)變化結(jié)論一致[23]。另外,研究結(jié)果還表明,棉苗冷脅迫指數(shù)與相對電導(dǎo)率、可溶性蛋白和過氧化物歧化酶活性等相關(guān)生理生化指標(biāo)有一定相關(guān)性,兩藥劑包衣處理能增強(qiáng)棉花幼苗適應(yīng)冷脅迫的能力。有關(guān)外源物質(zhì)包衣處理增強(qiáng)棉花耐冷的能力,是一個復(fù)雜的的調(diào)控過程,還有待進(jìn)一步在細(xì)胞、分子水平上進(jìn)行深入研究。

4 結(jié) 論

7.2%萎銹靈和40%拌種靈包衣處理均對棉花種子萌發(fā)和幼苗的生理特征有一定影響,能促進(jìn)萌發(fā)期種子內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與合成,提高種子活性,從而提高種子的發(fā)芽率,通過誘導(dǎo)棉花幼苗細(xì)胞內(nèi)部酶的活性增強(qiáng),清除幼苗體內(nèi)活性氧自由基,加快MDA含量的積累,保護(hù)幼苗細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,從而提高棉苗適應(yīng)冷脅迫的能力。兩種藥劑中,萎銹靈種衣劑誘導(dǎo)棉苗耐冷效果優(yōu)于拌種靈。