干旱脅迫對向日葵種子萌發的影響及其抗旱性鑒定

溫 蕊，侯建華，張艷芳，呂 品，馬 宇

(1.內蒙古農業大學農學院， 內蒙古 呼和浩特 010018； 2.內蒙古農牧業科學院， 內蒙古 呼和浩特 010031)

向日葵(HelianthusannuusL.)屬菊科(Composite)向日葵屬(Helianthus)的一年生草本植物，起源于北美洲西南部，按籽粒的用途分為食用型、油用型和中間型3種類型。油用向日葵是世界上重要油料作物[1]，也是我國五大油料作物之一[2]，主要種植在我國華北、西北、東北的干旱和半干旱地區，是這些地區的主要油料作物，也是這些地區改良輕度鹽堿地的首選作物[3]。

隨著全球環境變化的加劇和生態平衡的破壞，水資源短缺已是全世界各國共同面臨的一個嚴峻問題[4]。農作物生產正面臨著越來越嚴重的干旱威脅，而對向日葵的消費需求卻與日俱增。解決這一問題的途徑，除了改善農田環境，提高水分利用效率，使之適應其生長發育外，還需培育和推廣抗旱性強、具有優良農藝性狀的向日葵新品種，使之適應干旱環境條件[5]。

種子萌發期是作物第一生長發育階段，萌發期受干旱直接影響種子發芽出苗，進而影響后期生長發育，最終造成作物產量、質量的下降。關于向日葵抗旱性的研究已有報道[6-8]，但有關向日葵種子萌發期抗旱性的研究還鮮有報道。本試驗采用18%PEG-6000溶液模擬向日葵種子在萌發期可能遇到的干旱環境，測定SOD、CAT、POD、丙二醛(MDA)含量等生理特性和發芽勢、發芽率等萌發特性，并采用模糊隸屬函數對參試材料萌發期的抗旱性進行綜合性評價，以期為向日葵種質資源抗旱性鑒定及抗旱基因的發掘提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為油用向日葵共計18份，包括耐旱型自選系K58、K59和干旱敏感型自選系K55及以K55為母本、K58為父本雜交得到的雜種F1通過單粒傳方法獲得的192個F5重組自交系株系，在模擬干旱條件下(18%PEG-6000)發芽率高的10個株系(株系35>118>28>192>29>184>50>81>88>101)和發芽率低的5個株系(株系23>20>53>60>64)，分別取以上15個株系的F6種子。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發特性的測定 按照李龍等[9]方法，選取18個供試材料各50粒飽滿種子，經消毒處理(75%酒精消毒60 s，0.1% HgCl2消毒8 min，蒸餾水漂洗數次)，置于鋪有2層濾紙的培養皿(9 cm)中，分別加3 ml 18% PEG-6000溶液(模擬干旱)和蒸餾水(對照)，置于25℃恒溫光照培養箱中(光照周期為光/黑暗：8/16 h)培養10 d，期間每天更換濾紙以保持恒定PEG濃度，每個處理重復3次。

種子置床后第2 d開始，每天統計種子發芽數，第4 d計算發芽勢(%)(GE)，發芽結束后計算發芽率(%)(GR)、發芽指數(GI)，從每個培養皿中隨機選取15株測量胚芽長度(cm)(EL)、胚根長度(cm)(RL)，稱量胚芽鮮重(g)(EFW)、胚根鮮重(g)(RFW)，將稱過鮮重的胚芽、胚根105℃烘干30 min，85℃烘干8 h后稱量胚芽干重(g)(EDW)、胚根干重(g)(RDW)。計算公式如下：

(1) 種子發芽率、相對發芽率：

發芽率(GR)=(第7 d發芽種子數/供試種子數)×100%；

相對發芽率(RGR)=(處理種子發芽率/對照種子發芽率)×100%。

(2) 發芽指數、相對發芽指數：

發芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)(Dt為發芽日數；Gt為相對應的每日發芽數)；

相對發芽指數(RGI)=(處理發芽指數/對照發芽指數)×100%。

(3) 種子發芽勢、相對發芽勢：

發芽勢(GV)=(第3 d發芽種子數/供試種子數)×100%；

相對發芽勢(RGV)=(處理發芽勢/對照發芽勢)×100%[10]。

(4) 相對性狀指標(%)=滲透脅迫處理下各性狀測定值/對照各性狀測定值×100%。

1.2.2 生理生化指標的測定 丙二醛(MDA)含量測定參照李合生[10]硫代巴比妥酸(TAB)比色法。超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用李合生[10]抑制氮藍四唑(NBT)光化還原比色法測定，以每單位時間內光還原50%氮藍四唑為1個酶活性單位，單位為U·g-1FW。過氧化物酶(POD)活性測定參照張憲政[11]愈創木酚法。過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定。ATP含量測定按照蘇州科銘生物技術有限責任公司的ATP含量試劑盒分別測定萌發種子的ATP含量。對照組與處理組均在種子萌發試驗72 h取樣，迅速研磨樣品得到新鮮酶液，4℃保存備用。

1.3 抗旱性綜合評價方法

采用隸屬函數法進行抗旱性綜合評價。隸屬函數值的計算公式(1)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Xij為i品種第j項指標測定值；Xjmin為全部品種第j項指標的最小值；Xjmax為全部品種第j項指標的最大值。μ(Xij)為i品種第j項指標的隸屬函數值。Xj表示全部品種第j項指標的平均值，Vj表示第j項指標標準差系數，Wj表示第j項指標權重，D表示各品種的抗旱性綜合評價，D值越大，抗旱性越強[12]。

1.4 數據統計分析

利用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行數據處理和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對向日葵種子萌發特性的影響

從表1可以看出，18%PEG模擬干旱脅迫下，相對發芽率、相對發芽勢、相對發芽指數、相對胚根、胚芽長度以及相對胚根、胚芽干重均低于1，表明干旱脅迫顯著抑制了種子的萌發。

不同供試材料間的比較發現，株系29、株系88、K59這3個材料的相對發芽率、相對發芽勢和相對發芽指數均顯著高于其它材料，表明其對干旱脅迫的耐受性較強。相對發芽勢較低的株系23、101、184這3個材料在所有供試材料中的相對發芽率也最小。從相對胚芽長度、相對胚根長度、相對胚芽干重和相對胚根干重看(表1)，對干旱脅迫敏感的有株系81、184和192，對脅迫較不敏感的有株系29、88和K55。

表1 干旱脅迫下向日葵種子萌發特性相對值

注：同列中標記不同字母的數據在0.05水平上差異顯著。相對發芽率：Relative germination rate(RGR)；相對發芽勢：Relative germination energy(RGE)；相對發芽指數：Relative germination index(RGI)；相對胚根長：Relative radicle length(RRL)；相對胚芽長：Relative germ length(RGL)；相對胚根干重：Relative radicle dry weight(RRDW)；相對胚芽干重：Relative embryo bud dry weight(REDW)。

Note： Data with mark different letters in a column significant difference at 0.05 level.

2.2 干旱脅迫對向日葵種子萌發期生理特性的影響

由表2可知，干旱脅迫下，供試不同材料間抗氧化保護酶系和丙二醛含量及ATP含量的差異較大，相對SOD酶活性變化介于1.22～0.06，相對CAT酶活性變化介于6.49～0.09，相對POD酶活性變化介于9.82～0.01，說明干旱脅迫下，不同供試材料間抗氧化酶活性變化差異較大，有些明顯增加，如株系88、株系35、株系64、K55等；有些明顯降低，如K55、K58、株系28等。丙二醛含量與ATP含量也表現相同規律，相對MDA含量變化范圍為1.86～0.35，最高值為株系35，最低值為株系60；相對ATP含量變化范圍為14.17～0.08，最高值為株系35、株系88、株系81等，最低值為株系50、株系29、株系184等。

2.3 相關性分析

12個測定指標相對值的相關分析(表3)表明，相對發芽率、相對發芽勢與相對發芽指數之間，相對發芽指數與ATP含量相對值、相對胚芽長度與相對胚芽干重之間均呈極顯著正相關；SOD酶活性相對值與POD酶活性相對值呈極顯著負相關。相對胚芽長度分別與相對發芽率、相對發芽勢、相對發芽指數之間，相對發芽指數與相對胚芽干重，CAT酶活性相對值與ATP含量相對值之間均呈現顯著正相關。

從18個供試材料12個抗旱性相關指標相關系數矩陣(表3)可以看出，所有測定指標間都存在著相關性，從而使得它們所提供的信息發生重疊，同時各指標在抗旱性中所起的作用也不盡相同，直接利用這些單個指標進行抗旱性評價可能具有不可靠性。

表2 干旱脅迫下向日葵種子生理特性的相對值

注：同列中標記不同字母的數據在0.05水平上差異顯著。

Note： Data with mark different letters in a column significant difference at 0.05 level.

2.4 向日葵萌發期抗旱性綜合性評價

用隸屬函數法對18個向日葵材料的相對發芽勢、相對發芽率、相對發芽指數等7個萌發特性和5個生理指標的相對值進行了綜合性評價，得到18個向日葵材料萌發期的綜合抗旱能力D值(表4)。D值越大表明抗旱性越強。供試18個材料D值變化范圍為0.36～1.49，其中株系88抗旱性最強，D值為1.49，184的抗旱性最弱，D值為0.36，K55和株系60抗旱性居中，D值分別為0.70和0.71。重組自交系株系88、35、29、64的D值顯著大于親本K55和K58，較大于非親本材料K59，說明重組自交系群體出現了超親分離現象。

2.5 12個指標與隸屬函數綜合評價值的相關分析

相對發芽勢、相對發芽率、相對發芽指數、相對胚根長度、相對胚芽長度、相對胚芽干重、相對CAT活性、相對MDA活性和相對ATP含量均與隸屬函數綜合評價值顯著相關，表明這些指標均可作為向日葵萌發期抗旱性篩選鑒定的主要參考指標(表5)。

3 討 論

多數研究結果表明，干旱脅迫對植物體的生理生化過程有著不同程度的影響，而且受供試植物體間基因型的不同，植物體對干旱脅迫的響應也不盡相同。本研究PEG模擬干旱脅迫下，18個供試材料SOD、CAT、POD保護酶活性及MDA和ATP含量與對照相比有增有減，不同供試材料對同一生理指標和同一材料對不同生理指標對干旱脅迫的響應均存在顯著差異。ATP作為生命活動中能量的重要攜帶者，為植物維持正常的生命活動提供了保障。在干旱脅迫下，ATP含量的增加，為各種代謝活動的正常進行保持了較高的能荷，抗旱性能被直接和間接的增強了，表現出對于干旱脅迫的適應性[13]。

表3 12個指標的相關性系數矩陣

注(Note)：*：P<0.5；**：P<0.1。

表4 18個向日葵材料的隸屬函數值及抗旱性綜合評價

作物抗旱性是一個受多因素影響、復雜的數量性狀[14]。白玉[15]、王賀正[16]等人的研究結果表明單一的使用某一指標的絕對值來比較不同品種的抗旱性，不能消除品種間固有差異的影響。本文采用干旱脅迫與其對照的相對值進行分析，可以消除品種間固有差異，使得供試材料間抗旱性的比較鑒定更為準確，如本實驗中干旱脅迫下低發芽率的株系60，其相對發芽率顯著高于高發芽率株系101、株系81和株系192。而且通過單一的一、二個指標進行抗旱或耐旱性篩選，與品種實際的抗旱能力雖有一定的相關性，但不完全相關，甚至有很大的出入，本實驗的研究結果亦說明了這一點，如干旱脅迫下低發芽率株系64，其相對發芽率也較低，但綜合抗旱性評價較高。利用隸屬函數法進行作物抗旱性的綜合評價已有大量報道[17-19]，且利用隸屬函數法對向日葵種子萌發期抗旱性綜合性評價結果與實際結果較為接近。

表5 向日葵種子萌發期12個指標與隸屬函數綜合評價值的相關分析

注(Note)：*：P<0.5；**：P<0.1.

圍繞向日葵種子萌發期抗旱性的研究，人們已經從多個生理或形態指標上進行了研究，提出了不同的抗旱性鑒定指標[7，20-22]。楊旭東[23]等對向日葵種子萌發期的活力指數、幼苗鮮重、電導率及抗旱指數等進行測定，并采用灰色關聯度的方法進行綜合性評價。本實驗分析了7個種子萌發特性指標和5個種子萌發生理特性指標與綜合指標D值的相關性，其中相對胚芽干重、發芽率、發芽勢、發芽指數及相對ATP含量與D值呈極顯著正相關，相對胚根長度、胚芽長度及相對MDA含量與D值呈顯著正相關(表5)，這些指標均可作為萌發期抗旱性鑒定指標。而相對胚根干重、相對SOD、CAT及POD酶活性與向日葵萌發期抗旱性相關不顯著(表5)，是否適合作為向日葵萌發期抗旱性鑒定指標，仍需進一步研究。本文首次在向日葵種子萌發期抗旱性鑒定中采用了ATP含量作為抗旱性鑒定的指標，進一步擴充了向日葵萌發期抗旱性鑒定指標體系，為今后的向日葵抗旱育種提供了一定的理論依據。

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