黑豆種子萌發(fā)期和幼苗期抗旱性研究

段義忠，張 雄

（榆林學(xué)院陜西省陜北生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西榆林719000）

黑豆（Glycine max var）又名櫓豆、黑大豆、馬料豆等，屬豆科菜豆屬草本植物。黑豆適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的能力極強(qiáng)，所以，在我國(guó)從北到南、從東到西都有種植。在我國(guó)大豆資源中，黑豆的數(shù)量?jī)H次于黃豆，居第2名，在2 980份黑豆資源中，有1 800余份分布在黃河中下游的山西、陜西、河北、河南、山東諸省，占全部黑豆資源的62.8%，而山西、陜西、河北省又是我國(guó)著名的小黑豆產(chǎn)區(qū)；其次是長(zhǎng)江流域和西南地區(qū)，分別占10.6%和9.7%；東北和華南地區(qū)，分別占3.4%和6.5%[1]。雖然黑豆種質(zhì)資源很多，但種植面積較小，且呈零散分布狀態(tài)[2]。

我國(guó)黑豆多以春播為主，頻發(fā)的春旱造成黑豆出苗不齊或者幼苗長(zhǎng)勢(shì)較弱。干旱限制了作物的正常生長(zhǎng)，種子的萌發(fā)期和苗期都是生長(zhǎng)較敏感的時(shí)期。干旱對(duì)種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、胚根長(zhǎng)、葉綠素含量、游離脯氨酸含量、丙二醛含量都有影響[3]。關(guān)于干旱對(duì)種子萌發(fā)的影響，近年來通常會(huì)通過模擬干旱脅迫對(duì)作物進(jìn)行處理，然后對(duì)干旱脅迫下作物的抗旱性指標(biāo)進(jìn)行分析，從而研究作物的抗旱性[4]。關(guān)于干旱對(duì)種子苗期的影響研究，水分是植物生長(zhǎng)必需的元素，不同程度的水分缺失都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[5-6]。輕度的干旱會(huì)造成植物葉片發(fā)黃，葉面積變小，生長(zhǎng)遲緩，生物量減少；重度的干旱會(huì)造成葉片脫落，莖根干枯，甚至死亡[7-8]。干旱成為我國(guó)黑豆生產(chǎn)一大難題，黑豆種子萌發(fā)期是植物生活史中的重要階段[9]，也是最敏感的時(shí)期，萌發(fā)期抗旱性是研究抗旱性重要的內(nèi)容之一，水分對(duì)苗期生長(zhǎng)也特別重要。

本試驗(yàn)通過聚乙二醇（PEG-6000）模擬干旱脅迫環(huán)境對(duì)黑豆種子在萌發(fā)期和苗期各指標(biāo)的測(cè)定，比較各項(xiàng)指標(biāo)在不同強(qiáng)度干旱脅迫下的變化，評(píng)價(jià)干旱脅迫對(duì)各指標(biāo)的影響，為黑豆育種和抗旱性研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試黑豆品種為雞腰白，來源于神木縣。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 黑豆種子萌發(fā)期抗旱性處理 先進(jìn)行種子預(yù)處理，種子先用蒸餾水清洗干凈并浸泡1 h，再用0.1%的高錳酸鉀溶液消毒20 min后沖洗3次以上用濾紙吸干備用。設(shè)置質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，紙床培養(yǎng)。用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇（PEG-6000）處理黑豆種子，質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度分別為：0（CK，蒸餾水），5%，10%，15%，20%，3次重復(fù)。設(shè)置溫度（25±1）℃，濕度75%，光照8 h、暗處理16 h條件下萌發(fā)。試驗(yàn)過程中2 d換一次濾紙。

1.2.2 黑豆種子苗期抗旱性處理 試驗(yàn)于2017年4月在榆林學(xué)院西區(qū)試驗(yàn)基地溫棚內(nèi)進(jìn)行。采用盆栽法，將黃土和農(nóng)家肥按質(zhì)量比1∶1均勻混合，分裝15個(gè)花盆，再將準(zhǔn)備好的黑豆種子每盆種8顆，前期給所有盆栽進(jìn)行相同的供水處理，幼苗長(zhǎng)出3片子葉時(shí)停止供水，進(jìn)行干旱脅迫處理，設(shè)置同萌發(fā)期試驗(yàn)一樣的脅迫梯度進(jìn)行處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。在50%幼苗出現(xiàn)萎蔫時(shí)測(cè)量各項(xiàng)生理指標(biāo)，在每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)中各取3株進(jìn)行測(cè)量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 黑豆種子萌發(fā)期抗旱性測(cè)定 在種子置床次日起開始觀察記錄，以種子胚根露白為發(fā)芽，以3個(gè)重復(fù)中第1顆種子發(fā)芽為該處理的種子萌發(fā)始期，以后每天記錄萌發(fā)種子數(shù)。發(fā)芽結(jié)束后稱量每顆鮮質(zhì)量和測(cè)量其胚根長(zhǎng)和苗長(zhǎng)，計(jì)算發(fā)芽率（GR）、發(fā)芽勢(shì)（GE）、發(fā)芽指數(shù)（GI）、活力指數(shù)（VI）、萌發(fā)抗旱指數(shù)（GDRI）及其相對(duì)性狀指標(biāo)。

式中，GT為逐日發(fā)芽數(shù)；DT為對(duì)應(yīng)發(fā)芽天數(shù)；d2，d4，d6為第 2，4，6 天的種子發(fā)芽率。

1.3.2 黑豆種子苗期抗旱性測(cè)定 葉綠素含量參照張麗彬等[10]的乙醇法進(jìn)行測(cè)定；丙二醛含量參照趙世杰等[11]的硫代巴比妥酸法進(jìn)行測(cè)定；脯氨酸含量參照孫學(xué)文等[12]的磺基水楊酸法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010分析和制圖，方差分析采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑豆種子萌發(fā)期的抗旱性研究

2.1.1 萌發(fā)期各指標(biāo)特性分析 隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，黑豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均逐漸降低（表1），5%和10%處理下的降低率較小，15%的降低率高達(dá)52%～64%，20%處理下的降低率甚至可達(dá)92%～97%。因此，輕度干旱對(duì)黑豆種子萌發(fā)影響不大，重度干旱嚴(yán)重影響了種子的萌發(fā)，當(dāng)田間干旱程度同15%PEG同等級(jí)以上時(shí)黑豆種子萌發(fā)受到嚴(yán)重抑制，應(yīng)該慎重種植或采取補(bǔ)救措施。

發(fā)芽率是種子萌發(fā)的重要指標(biāo)之一，發(fā)芽率高說明有生活力的種子數(shù)多。通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG-6000模擬干旱對(duì)黑豆種子萌發(fā)進(jìn)行7 d的處理后，計(jì)算其發(fā)芽率。由表1可知，隨著PEG-6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，各處理下的黑豆發(fā)芽率逐漸減小，其中，CK發(fā)芽率最高，可以高達(dá)98%以上。20%處理下最低，僅有6.67%。在5%和10%處理下的發(fā)芽率基本相同，二者之間沒有明顯的差異，卻明顯小于CK，15%處理下出現(xiàn)更明顯的下降。由此說明，15%PEG干旱脅迫嚴(yán)重威脅到種子的發(fā)芽，此質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的田間干旱程度不適合種植黑豆。

表1 黑豆種子萌發(fā)各指標(biāo)特性

發(fā)芽勢(shì)是鑒別種子發(fā)芽速度和整齊度的主要指標(biāo)，不同植物種子的發(fā)芽勢(shì)規(guī)定天數(shù)不同，黑豆種子發(fā)芽勢(shì)規(guī)定為4 d，因此，在種子開始萌發(fā)4 d后對(duì)其進(jìn)行發(fā)芽勢(shì)的計(jì)算。由表1可知，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的變化趨勢(shì)大致相同，隨著PEG-6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，各處理下的黑豆發(fā)芽勢(shì)在逐漸減小，CK發(fā)芽勢(shì)為93.33%，5%和10%處理下的發(fā)芽勢(shì)也大致相同，較CK明顯下降；15%處理下的發(fā)芽勢(shì)明顯下降。20%處理下的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率同樣為6.67%，說明黑豆種子萌發(fā)集中在前4 d，之后種子再萌發(fā)的數(shù)量不多。由此建議，黑豆種植不能在20%PEG同等干旱脅迫下進(jìn)行。

發(fā)芽指數(shù)比發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率更能靈敏的表現(xiàn)種子的活力，也是種子抗旱性研究的一個(gè)重要指標(biāo)。表1表明，0（CK），5%，10%，15%，20%處理下的發(fā)芽指數(shù)分別是 24.62，22.11，19.65，9.53，1.35，0（CK），5%，10%處理下發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)出較平緩下降；同發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)一樣，15%PEG對(duì)黑豆種子有嚴(yán)重的威脅，其對(duì)應(yīng)干旱程度不適合黑豆的實(shí)際生產(chǎn)。

活力指數(shù)是植物發(fā)芽指數(shù)與幼苗鮮質(zhì)量的乘積，它用來測(cè)定植物萌發(fā)生長(zhǎng)速度，萌發(fā)整齊度、活性強(qiáng)度的綜合指標(biāo)，活力指數(shù)越大表明種子迅速萌發(fā)并長(zhǎng)成正常幼苗的潛在能力越大。從表1可以看出，除了5%外，其他處理均小于CK，原因是其處理下的幼苗鮮質(zhì)量高于CK，由此說明，5%處理下的干旱脅迫促進(jìn)了黑豆種子萌發(fā)。

2.1.2 萌發(fā)期各相對(duì)指標(biāo)特性分析 由于黑豆萌發(fā)時(shí)各指標(biāo)表現(xiàn)的抗旱性不一致，不能直觀說明問題，采用各相對(duì)指標(biāo)和萌發(fā)抗旱指數(shù)判斷抗旱性會(huì)比較準(zhǔn)確。植物萌發(fā)期的各相對(duì)指標(biāo)和萌發(fā)抗旱指數(shù)比發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)等能更有效的說明其抗旱性。本試驗(yàn)所用的黑豆種子的各相對(duì)指標(biāo)和萌發(fā)抗旱指數(shù)如表2所示，因?yàn)?5%和20%處理下嚴(yán)重抑制了種子的萌發(fā)，所以，5%和10%處理下的值除了相對(duì)胚根長(zhǎng)在10%處理下為67.16%外，其他指標(biāo)均在80%以上，說明本試驗(yàn)所選的黑豆種子抗旱性較強(qiáng)。

表2 黑豆種子萌發(fā)期各相對(duì)指標(biāo)和萌發(fā)抗旱指數(shù)

2.2 黑豆種子苗期抗旱性研究

2.2.1 不同PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理對(duì)黑豆幼苗葉片中丙二醛含量的影響 丙二醛是常用的植物干旱脅迫的生理指標(biāo)，在本試驗(yàn)中，通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG模擬干旱脅迫對(duì)黑豆種子幼苗進(jìn)行控水10 d后測(cè)定其葉片中丙二醛的含量，結(jié)果表明，各處理中的丙二醛含量都高于對(duì)照，黑豆種子在一定干旱脅迫下，隨著干旱程度的增加，作為植物抗逆性指標(biāo)的丙二醛含量也在增加（圖1-a）。

2.2.2 不同PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理對(duì)黑豆幼苗葉片中葉綠素含量的影響 葉綠素是植物體內(nèi)與光合作用有關(guān)的最重要的色素，而光合作用又關(guān)系到植物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，因此，葉綠素含量決定著植物能否正常生長(zhǎng)。從圖1-b可以看出，黑豆種子隨著干旱程度的增加，葉綠素含量出現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，15%處理下的葉綠素含量增加的原因是在干旱脅迫下葉綠素a增加，而消耗因?yàn)楦珊祵?dǎo)致的過剩光能，避免對(duì)植株造成更大的傷害。

2.2.3 不同PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理對(duì)黑豆種子幼苗葉片中脯氨酸含量的影響 游離脯氨酸干旱時(shí)增加可以幫助細(xì)胞吸水，植物在干旱脅迫下會(huì)大量積累，以調(diào)節(jié)植物的缺水現(xiàn)狀，是水分虧損的生理反應(yīng)。

由圖1-c可知，黑豆種子在干旱脅迫下的游離脯氨酸含量均大于CK，而且游離脯氨酸增加的程度和干旱脅迫濃度呈正相關(guān)。

3 討論

由于植物的多樣性，植物生理過程的復(fù)雜性，環(huán)境條件的易變形和綜合性，形成了植物適應(yīng)干旱的多樣性，因此，作物的抗旱性研究不能針對(duì)一兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行，單一指標(biāo)都具有片面性，這種方法研究的抗旱性與作物實(shí)際的抗旱能力雖有一點(diǎn)的相關(guān)性，但不完全相關(guān)，甚至有很大的出入[13-14]。多個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)作物的抗旱性，評(píng)價(jià)出的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較接近。因此，本試驗(yàn)通過測(cè)定多個(gè)指標(biāo)研究黑豆種子的抗旱性，這樣不僅可以有較全面的數(shù)據(jù)判斷黑豆在實(shí)際生產(chǎn)中是否遭受著干旱脅迫并可及時(shí)實(shí)施補(bǔ)救措施，而且可以提前根據(jù)土壤的含水量判斷某區(qū)域土地是否適合黑豆的種植生產(chǎn)，以提高我國(guó)黑豆在旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)的生產(chǎn)效率，來發(fā)展黑豆的節(jié)水、旱作栽培，這對(duì)加速我國(guó)節(jié)水旱作農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于5%時(shí)，黑豆種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)都有明顯的下降，說明本試驗(yàn)設(shè)置PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，但這些數(shù)據(jù)也可說明干旱脅迫抑制了黃秋葵、黑豆和胡麻種子活力和幼苗的正常生長(zhǎng)。但黑豆種子的抗旱性要強(qiáng)于胡麻種子，在5%處理下的活力指數(shù)比CK稍微增加，說明5%處理同等干旱程度有利于黑豆種子的萌發(fā)。

顏麗麗[15]研究認(rèn)為，MDA含量的變化動(dòng)態(tài)與植物的抗旱性存在一定關(guān)系。豌豆和黑豆苗期葉片中丙二醛（MDA）含量均會(huì)增加，而且重度脅迫的增加幅度大于輕度脅迫，這與張紅萍[16]研究干旱脅迫對(duì)豌豆葉片生理指標(biāo)的影響結(jié)果基本一致，且豌豆和黑豆幼苗在干旱的脅迫下游離脯氨酸都表現(xiàn)出了增加，且增加幅度和干旱程度呈正相關(guān)，這與劉美珍[17]研究干旱脅迫對(duì)豌豆葉片生理指標(biāo)的影響結(jié)果基本一致；而在葉綠素含量測(cè)定中，豌豆葉片中葉綠素含量均高于對(duì)照水平，其原因在于干旱脅迫下葉綠素a增加，進(jìn)而消耗因干旱導(dǎo)致的過剩光能，避免對(duì)植株造成更大的傷害，在本試驗(yàn)中黑豆葉片中的葉綠素含量均低于CK，這一結(jié)論與一般在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG模擬的干旱脅迫下植物葉綠素含量變化大致相同，主要是由于干旱脅迫造成葉綠素合成受阻和分解加快導(dǎo)致的葉綠素含量減少。本試驗(yàn)結(jié)果對(duì)榆林地區(qū)黑豆生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義，在實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)土壤含水量和干旱程度判斷此區(qū)域是否合適種植黑豆，推測(cè)黑豆的出苗率和長(zhǎng)勢(shì)情況，也可大致推斷出種植黑豆品種的抗旱性。

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