PEG模擬干旱條件下大豆萌發特性研究

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(山西省農業科學院小麥研究所，山西 臨汾 041000)

隨著全球氣候變暖和水資源危機加劇，干旱已成為威脅農業生產的主要因素之一[1-3]。目前，在我國規定的五大審定類農作物中，大豆因蛋白質、脂肪含量高、生育期短、生育期需水量較小、養地節肥等特點而備受關注[4]。研究大豆在干旱生產作業條件(土壤水分含量低、非澆灌地等)的萌發特性，對保證齊苗、壯苗和產量形成具有重要意義。對抗旱性研究方法有干旱區栽培、盆栽、抗旱基因檢測等[5-10]，其中不同PEG-6000濃度模擬干旱脅迫方法因具備簡單、可靠、易行等特點而被廣泛應用于各種植物抗旱研究中[11-22]。山西南部地區常年播種大豆面積約占山西省大豆播種面積的1/3，是大豆重要產區和生態區。但目前針對該地區主栽品種或典型品種的萌發期抗旱性研究尚未見報道。為此，設置了5個質量濃度PEG-6000溶液，模擬不同干旱脅迫條件，研究5個本地區典型大豆品種萌發特性，旨在為大豆萌發期抗旱研究和實際生產中品種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在山西省農業科學院小麥研究所大豆實驗室進行。供試品種：晉豆36，晉豆19，晉遺31，晉大70，汾豆79，均為山西省南部主要或典型品種。均為黃色種皮大豆，生育期總體上表現為：晉豆36抗旱性表現一般，晉豆19耐旱，晉遺31和汾豆79抗旱性好，晉大80鑒定為一級抗旱。參照前人研究結果，設置了不同質量濃度的PEG-6000溶液，模擬不同水勢，具體為：0(ck)、5%、10%、15%、20%，對應水勢0(ck)、-0.1、-0.2、-0.4、-0.6 MPa[14]。

試驗主要步驟：在直徑9 cm塑料培養皿中，鋪2層濾紙，加入20 mL相應濃度溶液，并做液面標記于培養皿外壁，蓋上。選取25粒顏色均勻、大小和外觀一致、飽滿的大豆種子，用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡消毒2 min，蒸餾水沖洗干凈，均勻擺放在培養皿濾紙上，蓋好，置于光溫培養箱，設置溫度25 ℃，光照12 h。每處理3次重復，每隔24 h觀察統計萌發率，并補充蒸餾水至標記位置，確保濃度相對穩定和濾紙濕潤。

1.2 測定項目與方法

試驗進行7 d，計算公式如下：

首日萌發率(%)=(首日萌發種子數/供試種子總數×100%；

發芽勢(%)=(前4 d 內正常發芽的種子數/供試種子總數×100%；

發芽率(%)=(前7 d 內正常發芽的種子數/供試種子總數)×100%；

發芽指數=∑(Gt/Dt)。

式中:Gt為t天內的發芽數，Dt為相應的發芽天數。

1.3 數據分析

利用DPS 7.05軟件和SPSS 18.0軟件進行統計分析，分析前進行必要的反正弦平方根轉換。

2 結果與分析

2.1 首日發芽率

進行萌發試驗24 h后，首日發芽率方差分析見表1，重復間差異不顯著，說明試驗控制效果較好。進行Duncan多重比較，品種間、濃度間差異均極顯著。均值比較見表2、表3，不同品種間，首日發芽率表現依次為：晉豆36>晉大70>汾豆79>晉遺31>晉豆19，前4個品種間無顯著差異，但前3個品種均極顯著高于晉豆19，晉遺31顯著高于晉豆19。不同濃度間，隨著濃度升高，萌發率降低。除對照0%與5%處理間無顯著差異外，其余水平間差異極顯著。平均首日發芽率從10%濃度開始明顯下降，且差異極顯著，20%濃度下，均值降至4%。由圖1可看出，0%、5%處理下，品種間首日發芽率差異不明顯，10%處理下差異最明顯。值得關注的是晉豆36，在不同濃度處理下，首日發芽率變化曲線最平緩，在15%和20%這樣較高濃度處理下首日萌發率最高。

表1 首日發芽率方差分析

變異來源平方和自由度均方F值p值重復間147.76273.881.620.21品種間1048.784262.195.750.00濃度間74323.95418580.99407.830.00品種×濃度4074.1216254.635.590.00誤差2186.904845.56總變異81781.5074

表2 不同品種首日發芽率多重比較

品種均值(%)5%水平11%水平晉豆3668.0aA晉大7065.0aA汾豆7963.7aA晉遺3161.3aAB晉豆1954.3bB

注：不同小寫字母表示在0.05水平上的差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平上的差異顯著性。下同。

表3 不同濃度首日發芽率多重比較

濃度(%)均值(%)5%水平1%水平098.3aA596.3aA1086.3 bB1527.3cC204.0dD

圖1 不同處理首日發芽率變化

2.2 發芽勢

發芽勢方差分析和Duncan多重比較，結果見表4～表6。品種間、濃度間差異極顯著，不同品種的發芽勢排序，與首日萌發率均值排序相比，發生了較大變化。汾豆79發芽勢顯著高于晉遺31，極顯著高于晉豆36和晉豆19；晉大70顯著高于晉豆19，與其他4個品種差異不顯著；晉遺31、晉豆36、晉豆19之間差異不顯著。不同濃度的發芽勢排序，與首日發芽率排序相比無變化，但差異顯著程度有變化，即從15%處理開始，發芽勢差異表現極顯著。具體表現為：0、5%、10%三者之間無顯著差異，15%處理極顯著低于前三者，20%處理極顯著低于其他處理。圖2顯示，從濃度15%處理開始，發芽勢開始出現顯著下降和明顯分化。

表4 發芽勢方差分析

變異來源平方和自由度均方F值p值重復間201.02 2 100.51 4.03 0.02 品種間588.73 4 147.18 5.91 0.00 濃度間17580.12 4 4395.03 176.41 0.00 品種×濃度1224.75 16 76.55 3.07 0.00 誤差1195.87 48 24.91 總變異20790.4774

表5 不同品種發芽勢多重比較

處理均值(%)5%水平1%水平汾豆7996.3aA晉大7091.7abAB晉遺3190.3bcAB晉豆3688.3bcB晉豆1987.7cB

表6 不同濃度發芽勢均值多重比較

處理(%)均值(%)5%水平1%水平0100.0aA5100.0aA10100.0aA1595.7bB2058.7cC

圖2 不同處理發芽勢變化

2.3 發芽率

發芽率方差分析和Duncan多重比較，結果見表7～表9。品種間、濃度間差異極顯著。不同品種的發芽率排序與發芽勢排序相比，變化不大。具體表現為：晉豆36和晉豆19交換位次，其他位次無變化。汾豆79、晉大70發芽率顯著高于晉豆19、晉豆36，晉遺31與汾豆79、晉大70、晉豆19差異不顯著，但顯著高于晉豆36，汾豆79極顯著高于晉豆36。不同濃度的發芽率排序，與首日發芽率、發芽勢排序相比，均無變化，

表7 發芽率方差分析

變異來源平方和自由度均方F值p值重復間19.38 2 9.69 0.42 0.66 品種間397.59 4 99.40 4.35 0.00 濃度間2828.93 4 707.23 30.94 0.00 品種×濃度1015.17 16 63.45 2.78 0.00 誤 差1097.33 48 22.86 總變異5358.40 74

表8 不同品種發芽率多重比較

品種均值(%)5%水平1%水平汾豆7999.7aA晉大7099.3aAB晉遺3198.7abAB晉豆1995.7bcAB晉豆3695.0cB

表9 不同濃度發芽率多重比較

濃度(%)均值(%)5%水平1%水平0100.0aA5100.0aA10100.0aA1599.3aA2089.0 bB

圖3 不同處理發芽率變化

但差異顯著程度有變化，即從20%處理開始，發芽率出現極顯著下降趨勢。具體表現為：前四者之間無顯著差異，20%極顯著低于其他處理。圖3顯示，從濃度20%處理開始，發芽率出現了極顯著下降和明顯的高低分化。

2.4 發芽指數

發芽指數方差分析和Duncan多重比較，結果見表10、表11。品種間差異不顯著、濃度間差異極顯著。不同濃度的發芽指數排序，與首日發芽率、發芽勢、發芽率排序相比無變化，但差異顯著程度有變化，即從15%處理開始，發芽指數出現極顯著下降。具體表現為：0、5%、10%三者之間無顯著差異，15%極顯著低于前三者處理，20%處理極顯著低于其他處理。圖4顯示，從濃度15%處理開始，發芽指數開始出現極顯著下降。從濃度10%處理開始品種間發芽指數出現明顯高低分化。

表10 發芽指數方差分析

變異來源Ⅲ型平方和自由度均方F值p值校正模型777.927a897.24189.9790截距5664.97115664.9715241.9050品種8.70542.1762.0140.141濃度769.2224192.306177.9440誤差17.291161.081總計6460.18925校正的總計795.21824

注：a.R2=0.978(調整R2=0.967)。

表11 不同濃度的發芽指數多重比較

處理(%)均值5%水平1%水平019.83aA519.62aA1018.57aA1511.37bB205.88cC

圖4 不同處理發芽指數變化

3 討 論

PEG-6000因分子量大，不易進入植株細胞內等特性，被廣泛用于抗旱研究領域[11-22]。對于不同植物，對應的有效篩選抗旱PEG濃度并不完全相同。比如，20% PEG-6000處理8 h，適合作為幼苗黃芩抗旱材料的篩選條件[11]，這一濃度也是評價亞麻抗旱性的最適濃度[12]。5%～10% PEG-6000濃度適合篩選小豆苗期抗旱性生理指標并鑒定抗旱性[13]。10% PEG-6000可作為大麥發芽期判斷大麥抗旱性的適宜脅迫濃度[14]。

PEG-6000模擬干旱脅迫造成的萌發、生理、表觀特性變化主要表現在以下方面：大麥發芽率隨著濃度增加而降低[14]；不同濃度處理均降低鈴鐺刺和披針葉野決明種子發芽率、發芽勢、日相對發芽率和平均發芽速率，延緩種子萌發進程[15]；玉米萌發中，也發現一定濃度對萌發指標造成的顯著延緩效應[16]；花生幼苗滲透調節物質(可溶性糖、可溶性蛋白等)和丙二醛(MDA)含量隨PEG濃度升高都顯著增加，并隨脅迫時間延長而積累[17]；隨著干旱脅迫加重和時間延長,小麥MDA含量均不斷升高[18];大麥幼苗葉片表皮蠟質總量和各組分含量在PEG脅迫6 d后均呈極顯著增加[19]。這些現象均是植物對干旱脅迫的一種響應。但也有研究發現：適當濃度PEG-6000溶液處理可促進萌發；史鋒厚等對油松種子萌發研究發現，溶液質量分數、處理時間和處理溫度對處理效果具有明顯影響[20]；陳士超等研究發現，5%～10%處理對紫花苜蓿種子萌發和幼苗生理綜合評價結果最優,是最適宜萌發的滲透勢條件[21]；張峻琳等研究表明，在35 ℃高溫脅迫下，5%～15% PEG-6000對北紫生1號、北紫生2號、北紫生3號種子萌發具有促進作用，25% 濃度對北紫生4號萌發作用顯著[22]。可以看出，滲透調節物質、MDA含量上升是植物對干旱脅迫的重要響應手段，通過這些植物降低了自身水勢，有利于獲得水分，起到抗旱效果。

在大豆方面，王燕平等利用PEG-6000模擬干旱脅迫研究了22份大豆品種(除吸水率使用30%質量濃度外，其他指標均使用15%)，發現品種間萌發性狀存在差異，12 h吸水率、相對發芽勢、相對發芽率、根長指數與萌發抗旱系數呈極顯著正相關。鑒定出晉大74、晉大70等4個高抗旱品種[23]。本研究采用的PEG-6000濃度為0～20%，梯度為5%，過高或過低的濃度不適于對干旱模擬和萌發期抗旱鑒定。試驗中在培養皿外壁設置液面刻度線標記，方便了定量補充蒸餾水，減輕了整體換培養液的繁瑣工作，同時保持了試驗濃度相對穩定和可靠。研究發現，10% PEG-6000處理時，首日發芽率即出現極顯著下降；15%濃度處理時，發芽勢和發芽指數出現極顯著下降；20%處理時，發芽率出現極顯著下降。結論基本符合前人報道的不同濃度PEG-6000對萌發指標的影響和延緩效應。試驗發現，有的品種表現為播種初期抗旱萌發，但隨后抗旱能力表現不佳(如晉豆36)，有的品種表現為初期抗旱一般，但后期持續抗旱轉好(如汾豆79)，不同品種萌發特性表現不同。總體上，汾豆79、晉大70表現萌發期抗旱性表現較好。15%～20% PEG-6000比較適合大豆萌發期抗旱的篩選和鑒定。后續研究應加強試驗品種的廣泛性和代表性，加強生理生化和分子生物學變化分析和機理探索，設置更有效的濃度區分發芽率，跟蹤研究其他重要生育時期的抗旱性表現。