外源物質浸種對遲播油菜越冬期抗寒性及產量的影響

王先領 姜 岳 雷貽忠 肖勝男 厙惠潔 段圣省 黃 銘 蒯 婕 汪 波 王 晶 趙 杰 徐正華 周廣生

外源物質浸種對遲播油菜越冬期抗寒性及產量的影響

王先領 姜 岳 雷貽忠 肖勝男 厙惠潔 段圣省 黃 銘 蒯 婕 汪 波 王 晶 趙 杰 徐正華*周廣生

華中農業大學植物科學技術學院/ 農業農村部長江中游作物生理生態與耕作重點實驗室, 湖北武漢 430070

確保遲播油菜產量是壓減長江流域雙季稻區冬閑田的關鍵, 提高越冬期抗寒性、促進冬前干物質積累是增加遲播油菜產量的有效途徑。播前外源物質浸種是提高越冬期抗寒性, 促進冬前快速生長的有效措施。試驗選用早熟品種華油雜137, 設置清水(CK), 0.01 mmol L-1、0.05 mmol L–1、0.10 mmol L–1的甜菜堿(T1-1、T1-2、T1-3), 0.1 mmol L–1、0.5 mmol L–1、1.0 mmol L–1的脯氨酸(T2-1、T2-2、T2-3), 0.03%、0.15%、0.30%的過氧化氫(T3-1、T3-2、T3-3), 0.001 mmol L–1、0.01 mmol L–1、0.05 mmol L–1的蘋果酸(T4-1、T4-2、T4-3), 25 mg L–1、100 mg L–1、300 mg L–1的氧化納米鋅(T5-1、T5-2、T5-3), 0.5 mmol L–1、1.0 mmol L–1的多胺(T6-1、T6-2)浸種處理后, 于2021—2023年開展田間試驗, 研究不同外源物質及濃度浸種對遲播油菜越冬期抗寒性及產量的影響。結果表明, 不同外源物質和不同濃度浸種處理影響遲播油菜出苗率, 部分處理如T3-3、T4-2、T5-3與CK相比顯著提高, 提高幅度分別達到19.2%、15.3%、17.3%。部分外源物質浸種也顯著提高了遲播油菜抗寒性, 其機制一方面是提高抗氧化系統中過氧化物酶、過氧化氫酶活性和谷胱甘肽含量, 減少活性氧、過氧化氫及丙二醛含量, 另一方面是增加可溶性糖、脯氨酸、蘋果酸、多胺、甘露醇等滲透調節物質含量, 提高膜聯冷應答蛋白激酶含量從而提高抗寒性。葉片抗寒性的增加有利于越冬期葉片生物量的積累, 有效分枝數增加, 單株角果數增加, 從而促進產量的提高。另外, 對篩選出的9個正向指標和3個負向抗寒性指標進行綜合評價, 結果表明, 2年平均產量排序和抗寒性綜合評價值排序結果基本一致, 產量較高、抗寒性較強的浸種處理為T5-3、T5-2、T2-3、T1-2。該研究可為長江流域遲播油菜冬前壯苗培育、提高越冬期抗寒性提供理論與技術支撐, 為遲播油菜抗逆穩產、促進冬閑田開發利用提供依據。

油菜; 遲播; 抗寒性; 外源物質; 浸種

當前, 我國食用植物油自給率僅30%左右[1]。我國是世界最主要的油菜生產國和消費國, 種植面積超過667萬公頃、總產量達1400萬噸, 占世界種植面積和產量的五分之一左右[2-3]。油菜作為國產植物油第一大油源, 在食用油的供給安全方面, 起到了重要的支撐作用。進一步擴大油菜種植面積是提高油菜籽總產量及食用油自給率的重要抓手。但我國油菜主產區在長江流域, 該產區主要采用稻-油及稻-稻-油輪作模式, 常因前茬水稻收獲遲, 后茬油菜播期嚴重滯后導致油菜產量及效益嚴重降低, 我們將長江流域播期遲于10月25日的油菜稱之為遲播油菜。因此, 利用油菜壓減長江流域冬閑田擴大油菜面積的核心是確保遲播油菜的產量和效益, 提升油菜種植面積。

外源物質浸種可提高遲播油菜抗寒性, 利于越冬期干物質積累, 是提升產量的有效手段。提高出苗率是遲播油菜產量形成的基礎。研究表明, 播種前對種子浸種處理可提高種子活力, 增強抗逆性, 加快種子萌發并提高發芽率[4-5], 利于溫光資源的利用。遲播油菜越冬期生物量低, 干物質增長緩慢, 不利于產量形成。研究指出, 利用過氧化氫等外源物質浸種可促進低溫油菜葉面積增大和干物質積累, 提高油菜分枝數與單株角果數, 提高產量[4]。低溫脅迫下, 膜脂過氧化產生丙二醛和活性氧加重葉片的低溫傷害, 與組織器官的耐寒性呈顯著負相關[6-7]。抗寒性較高的作物體內同時也產生清除活性氧的抗氧化酶以及非酶促清除物質, 超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶等抗氧化酶活性增強[8], 抗壞血酸、類胡蘿卜素、谷胱甘肽等非酶促抗氧化物質含量增加[9-10], 并提高了對超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫的清除能力及清除率[11]。作物的抗寒性還表現在通過增加體內甜菜堿、脯氨酸、蘋果酸、多胺等滲透調節物質, 以維持細胞膜的穩定性和通透性, 降低膜脂過氧化等過程中產生的有害物質, 提高細胞膜的保護功能[12], 從而提高作物的抗寒性。但這些滲透調節物質作為外源物質以浸種的方式在作物抗寒方面的應用卻鮮有報道。

遲播油菜冬前葉片數僅3～5片, 抗寒性差, 冬季干物質積累量小, 導致籽粒產量低而不穩, 因此, 提高遲播油菜越冬期抗寒性, 增加冬季干物質積累量是遲播油菜田間管理的重點。前人較多研究均集中在利用種子處理技術提高發芽出苗階段的抗寒性,但利用外源物質浸種提高遲播油菜苗期抗寒性, 并提高越冬期干物質積累量的研究鮮有報道。本研究在前期室內篩選的基礎上, 選用6種不同濃度的外源物質進行浸種處理后, 進行2年的田間試驗, 通過測定抗寒性關鍵指標、產量及產量構成, 篩選對遲播油菜浸種有實際應用價值的外源物質及適宜濃度并解析其機制, 為長江流域遲播油菜生產提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2021—2023連續2年在華中農業大學試驗基地(30.52°N, 114.31°E)進行。前茬為水稻, 2021—2022年試驗地全氮、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.89 g kg-1、15.67 g kg–1、24.32 mg kg–1、14.11 mg kg–1、127.00 mg kg–1, 2022— 2023年分別為0.90 g kg–1、14.77 g kg–1、24.17 mg kg–1、14.58 mg kg–1、123.96 mg kg–1。供試品種為華油雜137, 隨機區組設計, 3次重復, 計54個小區。10月25日條播, 行距為25 cm, 小區面積為20 m2。基肥使用復合肥(N∶P2O5∶K2O = 25%∶7%∶8%) 750 kg hm–2及硼肥15 kg hm–2。三葉期定苗, 密度為7.5×104株 hm–2。

浸種前, 將待浸種油菜種子去除干癟、破損籽粒, 使用80%乙醇溶液表面消毒10 min, 并用無菌水沖洗3次, 藥劑浸種10 h, 在超凈工作臺中自然風干備用。浸種所用外源物質及濃度如表1所示。

表1 用于遲播油菜浸種的不同外源物質及濃度

1.2 測定指標與方法

1.2.1 出苗率和越冬期農藝性狀 出苗后每小區選取5行統計出苗數, 計算出苗率。出苗率(%)=出苗數/播種種子數×100%。越冬期取樣調查株高、根頸粗、主根長、葉片干物重等指標, 使用葉面積儀(Li-3100c, Li-Cor Inc, 美國)測定葉面積。取樣時選取代表性植株10株, 3次重復。

1.2.2 成熟期關鍵性狀 于成熟期(4月27日)每小區連續取樣10株, 考察株高、有效分枝數、根頸粗和地上部干重等關鍵農藝性狀, 采用YYD-1莖稈強度測定儀(浙江杭州托普儀器有限公司)測定其縮莖段以上15 cm處抗折力。

1.2.3 成株率、產量與產量構成因素 于成熟期每小區連續取樣10株, 考察單株角果數、每角粒數、千粒重和單株產量, 以小區實收記實際產量。收獲后, 統計單位面積內收獲的油菜株數, 計算成株率。成株率(%)=收獲密度/定苗密度′100%。

1.2.4 生理指標 越冬期每個小區連續取樣5株的葉片, 去掉葉脈及邊緣, 用錫紙包裹后至液氮中于-80℃低溫保存。采用Elisa試劑盒(Jiangsu Meibiao Biotechnology Co., Ltd., 江蘇鹽城)測定抗寒性相關生理指標(超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、丙二醛、過氧化氫、超氧陰離子、羥自由基、抗壞血酸、類胡蘿卜素、谷胱甘肽、可溶性糖、脯氨酸、蘋果酸、甜菜堿、多胺、甘露醇、膜聯冷應答蛋白激酶和Ca2+通道蛋白)。用快速自動研磨儀(JXFSTPRP24, 上海凈信實業發展有限公司, 上海)對低溫冷凍樣品研磨。取0.1000 g樣品與0.90 mL磷酸緩沖液(pH 7.0)混合, 低溫混勻震蕩5 min, 4℃離心15 min, 提取上清液和酶標試劑加入每個樣品孔中, 37℃避光孵育15 min。顯色后, 在450 nm波長先測定樣品OD值, 根據標準曲線計算各物質含量[13]。

1.2.5 抗寒性綜合評價 利用“逼近理想解法”(Topsis法)對18個浸種處理通過主成分分析所篩選到的指標進行抗寒性綜合評價。首先對負向指標進行逆向化處理, 逆向化計算公式為

U= [max(Y) –Y]/[max(Y) – min(Y)],

然后將所有指標映射區間至[1, 2], 進行區間化處理以消除量綱的影響, 區間化計算公式為

Z= 1+[(U– min(U)]/[max(U) – min(U)]。

構建一個×的矩陣, 然后通過計算相對接近度C進行綜合排序, 計算方法如下:

定義最大值:

定義最小值:

定義第(= 1, 2, 3, …,)個評價對象距離與最大值的距離

定義第(= 1, 2, 3, …,)個評價對象距離與最小值的距離

得出第個評價對象的得分

其中,代表待評價的處理數,代表參與綜合評價的指標。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2020軟件整理數據, 采用SPSS 24.0進行方差分析, 采用最小顯著差法(Least significant difference, LSD)進行多重比較, 使用Origin 2022繪圖和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 2個油菜生長季的氣象因子

2個油菜生長季的日最高溫度、日最低溫度、日降雨量和日太陽輻射量存在差異。相比第1生長季(2021—2022), 第2生長季(2022—2023)越冬期、花期和角果期降雨量明顯增加。第2生長季越冬期太陽輻射量相較第1生長季整體有所降低。同時, 第2生長季越冬期內溫度較低, 其中零下低溫有21 d, 而第1生長季僅有4 d, 同比增加425.0% (圖1-a, b)。

2.2 不同外源物質浸種對油菜出苗率的影響

不同外源物質浸種, 出苗率存在差異, 年際間表現一致。與CK比, 出苗率最高的處理是T3-3, 2021—2022年提高了20.1%, 2022—2023年提高了18.3%, 均達顯著水平(< 0.05)。其余5種外源物質最佳處理為T1-3、T2-3、T4-2、T5-3、T6-1, 分別比CK提高10.9%、12.5%、14.0%、16.0%、10.0% (圖2)。

2.3 不同外源物質浸種對遲播油菜產量及產量構成的影響

外源物質浸種, 處理間產量差異較大。2年產量最高的處理均是T5-3, 分別比CK提高12.3%和12.9%, 其次是T5-2和T2-3。T1-2、T3-3、T4-2、T6-2是該外源物質浸種處理下增產效果的最適濃度, 2021—2022年分別比CK提高9.0%、3.5%、4.4%、6.9%, 2022—2023年則分別提高10.0%、3.8%、3.5%、7.7%。每角粒數、千粒重、成株率在浸種后變化較小, 主要通過單株角果數影響油菜產量(表2)。方差分析表明, 單株角果數受年份和浸種處理的影響分別達顯著(<0.05)和極顯著水平(<0.01), 產量受兩者影響均達極顯著水平(<0.01), 每角粒數、千粒重和成株率受兩者的影響不顯著。年份和浸種處理的互作效應對產量及產量構成因素的影響不顯著。

圖1 2021-2022生長季(a)和2022-2023生長季(b)的主要氣象因子

min和max分別代表日最低溫和日最高溫。

minandmaxrepresent the daily minimum temperature and the daily maximum temperature, respectively.

圖2 不同外源物質浸種對遲播油菜2021-2022 (a)和2022-2023 (b)生長季出苗率的影響

不同小寫字母表示不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。處理同表1。

Different lowercase letters indicate that there is significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances (< 0.05). Treatments are the same as those given in Table 1.

表2 不同外源物質浸種對遲播油菜產量及產量構成的影響

(續表2)

不同小寫字母表示同一年份不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。*、**分別表示在0.05和0.01概率水平顯著差異, ns表示差異不顯著。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances in the same year at< 0.05. * and ** indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively, while ns indicates no significant differences. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.4 不同外源物質浸種對油菜成熟期關鍵農藝性狀的影響

2021—2022生長季和2022—2023生長季有效分枝數最大的處理分別是T1-2和T1-3, 分別比CK提高28.3%和24.2%; 根頸粗最大的處理分別是T3-2和T3-1, 分別比CK提高18.5%、18.6%; 地上部干重最大的處理分別是T5-3和T6-1, 分別比CK提高37.7%、39.7%。抗折力最大的處理分別是T2-3和T6-1, 分別比CK提高46.0%、40.0% (表3)。方差分析表明, 浸種處理對有效分枝數、地上部干重和抗折力的影響極顯著(<0.01), 年份對根頸粗和抗折力的影響極顯著(<0.01), 株高、根頸粗受年份和浸種處理之間互作效應的影響極顯著(<0.01)。

2.5 不同外源物質浸種對遲播油菜越冬期關鍵農藝性狀及葉片生物量的影響

浸種處理后, 根頸粗、葉面積及葉片生物量均在T5-3處理下最高, 2021—2022年相比CK分別提高了36.9%、30.9%、55.3%, 2022—2023年則分別提高了33.1%、28.5%、52.9%。方差分析表明, 除葉面積外, 其余指標受年份的影響達顯著(<0.05)或極顯著水平(<0.01)。浸種處理對株高、根長、根頸粗、葉面積、葉片生物量的影響均達到極顯著水平(<0.01), 年份和浸種處理之間的互作效應對以上指標的影響均未達到顯著水平(表4)。

表3 不同外源物質浸種對遲播油菜成熟期關健農藝性狀的影響

(續表3)

不同小寫字母表示同一年份不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。*、**分別表示在0.05和0.01概率水平顯著差異, ns表示差異不顯著。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances in the same year at< 0.05. * and ** indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively, while ns indicates no significant differences. Treatments are the same as those given in Table 1.

表4 不同外源物質浸種對遲播油菜越冬期關鍵農藝性狀及葉片生物量的影響

不同小寫字母表示同一年份不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。*、**分別表示在0.05和0.01概率水平顯著差異, ns表示差異不顯著。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances in the same year at< 0.05. * and ** indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively, while ns indicates no significant differences. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.6 產量與越冬期關鍵農藝性狀的相關性分析

對越冬期根頸粗、葉面積及葉片生物量與產量進關性分析, 產量與根頸粗、葉面積、葉片生物量相關性均達極顯著水平(<0.001)。因此, 可以針對越冬期葉片生理指標進行抗寒性評價(圖3)。

2.7 不同外源物質浸種對油菜越冬期葉片抗寒生理的影響

2.7.1 活性氧積累和抗氧化酶系統 浸種后, 葉片MDA和H2O2、?OH含量均有降低趨勢, 最低處理均為T5-3, 分別比CK降低42.8%、42.9%、43.8%, O2?-最低處理是T3-2, 比CK降低29.2%。葉片中SOD、POD、CAT活性最高處理是T5-3, 分別比CK提高91.5%、55.7%、90.5%, APX最高的處理是T2-3, 比CK提高59.6% (表5)。

2.7.2 非酶促清除系統 浸種后, 葉片中抗壞血酸、類胡蘿卜素含量最高的處理均是T6-2, 分別比CK提高41.4%和28.2%; 還原型谷胱甘肽則以T5-3 處理含量最高, 比CK提高37.1%。蘋果酸、氧化納米鋅、多胺浸種處理后各濃度下葉片中類胡蘿卜素、谷胱甘肽含量均高于CK (表6)。

2.7.3 滲透調節物質 浸種后, 葉片中可溶性糖、蘋果酸、多胺和甘露醇含量最高的處理均是T5-3, 分別比CK提高47.4%、61.7%、76.5%和70.0%; 脯氨酸和甜菜堿含量最高的處理分別是T5-2和T1-3, 分別比CK提高23.2%和31.3%。外源脯氨酸和氧化納米鋅浸種后, 各濃度下葉片脯氨酸含量均高于CK, 外源脯氨酸、氧化納米鋅和多胺浸種后, 各濃度下葉片中蘋果酸、多胺、甘露醇含量均高于CK (表7)。

2.7.4 膜聯冷應答蛋白激酶和Ca2+通道蛋白 浸種后, 位于細胞膜上的膜聯冷應答蛋白激酶(MRPK)除T1-1、T3-1和T3-2處理外, 其余處理較CK酶活性明顯提高; 而Ca2+通道蛋白(VGCC)含量除T2-3、T4-3處理外, 其余處理較CK均顯著增加。MRPK酶活性提高最高的處理是T5-3, 較CK提高34.8%; VGCC含量增加最多的處理是T6-1, 較CK提高54.7% (圖4)。

圖3 產量與越冬期遲播油菜(a)根頸粗、(b)葉面積和(c)葉片生物量的相關性分析

***:<0.001.

表5 不同外源物質浸種對遲播油菜越冬期葉片活性氧及抗氧化系統的影響

(續表5)

不同小寫字母表示不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1.

表6 不同外源物質浸種對遲播油菜越冬期葉片非酶促清除系統的影響

不同小寫字母表示不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1.

表7 不同外源物質浸種對遲播油菜越冬期葉片滲透調節物質的影響

不同小寫字母表示不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1.

圖4 不同外源物質浸種對遲播油菜越冬期葉片膜聯冷應答蛋白激酶和Ca2+通道蛋白的影響

不同小寫字母表示不同外源物質浸種處理間差異達顯著水平(< 0.05)。MRPK: 膜聯冷應答蛋白激酶; VGCC: Ca2+通道蛋白。處理同表1。

Different lowercase letters indicate significant difference between different seed soaking treatments with different exogenous substances at< 0.05. MRPK: the membrane-associated cold response protein kinase; VGCC: Ca2+channel protein. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.8 遲播油菜外源物質浸種抗寒性的評價指標篩選與Topsis綜合評價

2.8.1 遲播油菜外源物質浸種抗寒性評價指標篩選

通過對產量、越冬期葉面積和生物量及葉片生理指標主成分分析后聚類。根據指標間相關性, 將與Y、LA、LB正相關的POD、CAT、GSH、MRPK、Mal、Pol、Man、Pro、SS等9個指標劃分為葉片抗寒性正向指標, 將與Y、LA、LB負相關的H2O2、?OH、MDA等3個指標劃分為葉片抗寒性負向指標(圖5)。

2.8.2 遲播油菜外源物質浸種后抗寒性綜合評價

將9項正向指標和3項負向指標進行Topsis綜合評價, 正理想距離D+越小, 負理想距離D-越大, 則相對接近度C越大, 越接近最優結果。結果表明, 2年平均產量排序結果和抗寒性綜合評價結果基本一致, 提高越冬期抗寒性能促進產量提升。根據相對接近度C得出遲播油菜外源物質浸種處理抗寒性較優、產量較高的4種試劑及濃度分別是T5-3、T5-2、T2-3、T1-2。另外, 篩選出甜菜堿浸種的最適濃度為T1-2, 脯氨酸為T2-3, 過氧化氫為T3-3, 蘋果酸為T4-2, 氧化納米鋅為T5-3, 多胺為T6-2 (表8)。

圖5 抗寒性生理指標的主成分分析

Y: 產量; LA: 葉面積; LB: 葉片生物量; POD: 過氧化物酶; SOD: 超氧化物歧化酶; CAT: 過氧化氫酶; GSH: 谷胱甘肽; MRPK: 膜聯冷應答蛋白激酶; Mal: 蘋果酸; Pol: 多胺; Man: 甘露醇; ASA: 抗壞血酸; Car: 類胡蘿卜素; O2?–: 超氧陰離子自由基; SS: 可溶性糖; Pro: 脯氨酸; Bet: 甜菜堿; VGCC: Ca2+通道蛋白; APX: 抗壞血酸過氧化物酶; H2O2: 過氧化氫; ?OH: 羥自由基; MDA: 丙二醛。

Y: yield; LA: leaf area; LB: leaf biomass; POD: peroxidase; SOD: superoxide dismutase; CAT: catalase; GSH: glutathione; MRPK: membrane-associated cold response protein kinase; Mal: malic acid; Pol: polyamine; Man: mannitol; ASA: ascorbic acid; Car: carotenoids; O2?-: superoxide anion radical; SS: soluble sugar; Pro: proline; Bet: betaine; VGCC: Ca2+channel protein; APX: ascorbate peroxidase; H2O2: hydrogen peroxide; ?OH: hydroxyl radical; MDA: malondialdehyde.

表8 遲播油菜外源物質浸種抗寒性Topsis綜合評價及平均產量排序結果

(續表8)

處理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

3 討論

3.1 外源物質浸種對遲播油菜出苗率、越冬期干物質積累和產量的影響

提升遲播油菜產量是利用長江流域冬閑田的前提。油菜播期推遲帶來的直接問題是出苗困難, 生長緩慢, 越冬期抗寒性弱, 產量低。因此遲播油菜田間管理的核心是提高出苗率、增加越冬期生物量積累。浸種是促進種子萌發, 增加出苗率的有效手段。研究表明, 外源過氧化氫浸種可緩解低溫對種子萌發抑制并增加萌發期間對低溫脅迫的抗性[14]。方彥等[15]指出, 適宜濃度外源脫落酸浸種促進種子萌發并增加了體內脯氨酸等滲透調節物質的含量, 出苗率增加。本研究表明不同外源物質浸種, 遲播油菜出苗率顯著提高。

葉片是油菜越冬期生物量最大的器官, 油菜抗寒性增加有利于冬前生物量積累[16]。研究表明, 播期每推遲5 d, 活動積溫減少100℃左右, 達到一定葉片數的時間大幅增加[17], 導致干物質積累不足, 苗長勢弱。本研究表明, 外源物質浸種處理后油菜越冬期干物質積累量相比對照有升高趨勢。前人研究表明, 遲播產量降低, 通過過氧化氫浸種后可以通過提高油菜有效分枝數與單株角果數來彌補遲播帶來的產量損失, 對每角粒數無顯著影響[18], 與本研究一致。有研究指出, 過氧化氫浸種處理除可以增加分枝數和每角粒數外, 千粒重也顯著提高[4], 這與本研究中外源物質浸種處理后千粒重無顯著差異不同, 這可能是因為浸種濃度、品種選用或者環境因素所導致。

3.2 外源物質浸種對遲播油菜越冬期抗寒性的影響

提高遲播油菜越冬期抗寒性是產量提高的關鍵舉措。葉片細胞膜脂損傷與修復的活性氧積累及清除系統, 維持細胞膜結構穩定的滲透調節物質及膜信號傳導蛋白是研究抗寒性的重要生理。本研究發現遲播油菜浸種處理后, 相比對照葉片通過增加體內抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性, 迅速清除體內的H2O2、?OH和MDA來減輕膜脂傷害, 這與前人研究一致[19]。低溫環境下, 作物體內抗壞血酸、還原型谷胱甘肽含量降低, 活性氧積累, 破壞膜的結構和功能, 加劇膜質過氧化[9]。有研究表明, 氧化納米鋅可以激活作物體內的抗氧化系統, 增加體內抗氧化酶的活性[20-21], 幫助油菜降解和清除寒冷環境產生的有害自由基, 減輕寒冷傷害, 這與本研究的結果基本一致。同時有助于在細胞膜和和細胞結構上形成一層保護膜, 增強細胞膜的穩定性和抗寒性[22], 防止膜的損傷和細胞結構的破壞。另外, 也有研究提出了氧化納米鋅增加作物抗性的新見解, 即通過調節赤霉素和脫落酸等植物激素的合成與信號傳導, 增加體內激素含量調節作物的生長和抗性[23]。

滲透調節是作物面對低溫脅迫的主要調節方式[24]。脯氨酸作為作物體內重要的滲透調節物質[24-25], 在油菜受到低溫脅迫后, 體內脯氨酸含量顯著增加, 以維持細胞膜滲透調節的穩定[26]。這與本研究外源脯氨酸浸種可以增加油菜越冬期的內源脯氨酸含量相一致。脯氨酸浸種后, 還可以通過提高體內脯氨酸的含量降低細胞內液相轉變為固相的溫度, 防止低溫凍傷[27]。還有研究表明, 脯氨酸浸種可以通過調節脂質代謝, 促進脂肪的分解和氧化, 從而增加產生熱能的能力, 幫助作物在寒冷環境中產生更多熱量從而提高抗寒性[28]。除此之外, Chen等[29]也提到了脯氨酸浸種可以提高和抗寒基因的表達, 從而增強對寒冷的適應能力。

細胞膜的穩定性與作物的抗寒性存在密切關系,抗寒性較強的作物在低溫脅迫時膜的穩定性顯著提高。Ca2+對維持膜的完整性[30]、調節離子運輸[31]等方面起到重要作用, 維持細胞中Ca2+的穩定是保持細胞活力所必需的[32], 本研究發現外源脯氨酸浸種處理后, VGCC、MRPK相較對照有所提高, 表明浸種后可通過介導細胞膜的Ca2+的跨膜運輸以維持細胞內Ca2+穩定, 提高葉片的抗寒性, 這與前人報道低溫可誘導膜聯蛋白基因表達上調[33-34]以及Wang等[35]發現VGCC含量增加調控作物對低溫的耐受性相一致。

3.3 抗寒性評價指標篩選及評價方法

目前普遍認為, 運用多指標多方法相結合的抗逆性評價是較為可靠的[36]。油菜越冬期抗寒性受多種因素共同影響, 機制復雜, 且不同指標間存在交互作用, 通過單一指標進行抗寒性評價是片面的。因此, 需要運用多指標進行綜合評價來全面、準確地衡量抗寒性強弱[37]。研究作物某一特性與抗寒性關系, 可采用隸屬函數綜合評價(D-CRITIC)的方法, 例如范軍強等[38]運用此方法并結合主成分分析比較了14個油菜品種的氣孔特性與抗寒性的關系。但是, 評價由若干指標組成的不同的試驗方案之間的優劣程度, 更宜采用“逼近理想解”排序方法(Topsis法)來進行綜合排序, Su等[39]利用該方法評價了肥料類型、不同鹽水灌溉量和灌溉水鹽度對產量和水分生產力的影響大小進行優劣排序。這與本研究通過主成分分析對抗氧化系統、滲透調節物質、細胞膜穩定等指標與產量、葉面積、葉片生物量相關性強弱進行篩選, 篩選出正向指標與負向指標, 然后利用以上兩類指標評價不同的外源物質及濃度對油菜抗寒性的影響, 找到最適處理相類似, 是一種比較可靠的綜合評價手段。

4 結論

通過主成分分析篩選出與越冬期抗寒性相關的9項正向指標和3項負向指標, 對以上12項指標進行Topsis評價排序, 得出遲播油菜越冬期抗寒性排序和2年平均產量排序基本一致, 產量較好和抗寒性較優的4個處理為300 mg L–1氧化納米鋅、100 mg L–1氧化納米鋅、1.0 mmol L–1脯氨酸、0.05 mmol L–1甜菜堿。遲播油菜浸種后通過提高抗氧化系統中抗氧化酶活性、提高非酶促清除物質和減少活性氧、丙二醛含量, 增加滲透調節物質含量和膜聯冷應答蛋白激酶活性, 緩解了低溫帶來的損傷, 提高了遲播油菜的抗寒性, 促進葉片越冬期的干物質積累, 增加有效分枝數和角果數, 從而提高了產量。

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Effects of seed soaking with exogenous substances on late-seeded rapeseed cold resistance of during overwintering period and yield

WANG Xian-Ling, JIANG Yue, LEI Yi-Zhong, XIAO Sheng-Nan, SHE Hui-Jie, DUAN Sheng-Xing, HUANG Ming, KUAI Jie, WANG Bo, WANG Jing, ZHAO Jie, XU Zheng-Hua*, and ZHOU Guang-Sheng

College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System for the Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070, Hubei, China

In double-cropping rice areas in the Yangtze River Basin (YRB), ensuring the yield of late-seeded rapeseed is essential to reduce the winter fallow fields. Additionally, promoting the accumulation of dry matter before winter and improving cold resistance during the overwintering period are effective ways to increase the yield of late-seeded rapeseed. Soaking seeds with exogenous substances is an effective measure to improve the cold resistance during the overwintering period and promote the rapid growth before winter. In this experiment, the early maturing rapeseed variety Huayouza 137 was selected, while soaking-seed treatments of water (CK); 0.01 mmol L–1, 0.05 mmol L–1, 0.10 mmol L–1betaine (T1-1, T1-2, T1-3); 0.1 mmol L–1, 0.5 mmol L–1, 1.0 mmol L–1proline (T2-1, T2-2, T2-3); 0.03%, 0.15%, 0.30% hydrogen peroxide (T3-1, T3-2, T3-3); 0.001 mmol L–1, 0.01 mmol L–1,0.05 mmol L–1malic acid (T4-1, T4-2, T4-3); 25 mg L–1, 100 mg L–1, 300 mg L–1nano zinc oxide (T5-1, T5-2, T5-3); 0.5 mmol L–1, 1.0 mmol L–1polyamines (T6-1, T6-2) were conducted between 2021 and 2023 rapeseed growing season. We studied the effects of soaking seeds with different exogenous substances and their levels on the cold resistance in winter and yield of late-seeded rapeseed. The results showed that the different exogenous substances and their levels of soaking seeds affected the germination rate of late-seeded rapeseed, and part of them, such as T3-3, T4-2, and T5-3, significantly increased by 19.2%, 15.3%, and 17.3% versus CK. Soaking seeds with some exogenous substances significantly improved the cold resistance of late-seeded rapeseed in winter. On the one hand, the activities of peroxidase, catalase, and the content of glutathione were improved, and the contents of hydrogen peroxide, active oxygen and MDA reduced; on the other hand, the contents of soluble sugar, proline, malic acid, polyamine, and mannitol were increased; at the same time, the content of membrane cold response protein kinase was increased. The increase of leaf cold resistance was beneficial to the accumulation of leaf biomass and the increase of effective branches and pod number per plant, thus promoting yield. In addition, 9 positive and 3 negative cold resistance indicators were comprehensively evaluated. The results showed that the two-year average yield ranking and the comprehensive evaluation value ranking of cold resistance were basically the same over the two years. While the soaking-seed treatments with the best yield and cold resistance were T5-3, T5-2, T2-3, and T1-2. These results of this study provide theoretical and technical support for the cultivation of late-seeded rapeseed seedlings before winter and the improvement of cold resistance in the YRB, and provide a basis for the stress resistance and stable production of late-seeded rapeseed and the development and utilization of winter fallow fields.

rapeseed; late-seeded; cold resistance; exogenous substance; soaking seeds

10.3724/SP.J.1006.2024.34134

本研究由湖北省重點研發計劃項目(2023BBB028)和財政部和農業農村部國家現代農業產業技術體系建設專項(CARS-12)資助。

This study was supported by the Key Research and Development Plan of Hubei Province (2023BBB028) and the China Agriculture Research System of MOF and MARA (CARS-12).

徐正華, E-mail: xzh@mail.hzau.edu.cn

E-mail: xlwang@webmail.hzau.edu.cn

2023-08-05;

2024-01-12;

2024-02-09.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20240206.1532.010

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