PEG-6000模擬干旱對春小麥種子萌發的影響

(北方民族大學生物科學與工程學院國家民委生態系統模型及應用重點實驗室， 寧夏 銀川 750021)

干旱是限制農業發展的重要環境因子，嚴重威脅著農作物產量和農村經濟發展，據不完全統計，全球每年因旱災造成的作物減產超過其他非生物脅迫因子的總和，尤其是近年來，旱災發生的頻率越來越高，直接威脅到人類的糧食安全[1]。我國西北地區深處內陸腹地，屬于干旱和半干旱地區，旱災對該地區農業和區域生態環境影響巨大，春小麥作為該區最重要的糧食作物，同時也是該區糧食作物中種植面積最大的作物之一，干旱是影響其產量進一步提高的主要因素之一[2]。種子萌發階段作為植物生長周期中對外界環境最敏感的時期，極易受到環境因子的影響[3]。在種子萌發時，干旱脅迫引起的滲透效應，從而造成種子吸脹吸水困難，影響種子內貯藏物質的轉化和利用，從而引起一系列生理生化活動，最終影響種子正常發芽[4]。

關于干旱脅迫對冬小麥的萌發或幼苗的影響已有較多研究[5-8]，但對于春小麥種子的研究鮮見報道，為了解干旱脅迫對春小麥種子萌發的影響，本研究采用不同濃度的PEG-6000處理模擬干旱脅迫條件，測定形態指標和生理指標，采用隸屬函數法比較2個春小麥品種的抗旱性，從而為我國西北地區春小麥種植提供理論依據和技術指導。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試春小麥種子為寧春50號和寧春4號，由寧夏農科院提供。

1.2 試驗方法

取飽滿、色澤和大小基本一致的春小麥種子適量，將種子用10%的次氯酸鈉溶液浸泡20 min后用無菌水沖洗7～8次，用濾紙吸干種子表面水分。將PEG-6000用蒸餾水配置成0(ck)，50，100，150，200 g·L-1的溶液，將30粒種子整齊置于直徑120 mm的墊有2層濾紙的培養皿中，每個處理加入10 mL不同濃度的PEG-6000溶液，均設置3個重復。在室內智能人工氣候箱(BIC-800)中進行萌發實驗，光照12 h/黑暗12 h，溫度25 ℃。

1.3 萌發測定指標及生長測定指標

試驗過程中，每隔24 h觀察記錄種子萌發情況，以胚根伸出種皮2 mm為萌發標準，記錄種子萌發個數，統計萌發率。7 d后結束萌發，從各個重復中隨機選出10株幼苗，用直尺測量胚芽、胚根長度，用電子分析天平測量胚芽、胚根干重、種子殘留干重，測干重前先105 ℃烘2 h殺青，后80 ℃烘24 h至恒重。按以下公式進行各指標的計算[8]：

發芽率(%)=(萌發種子數/供試種子總數)×100%；

發芽勢(%)=(第3天發芽種子數/供試種子總數)×100%；

發芽指數=∑Gt/t，式中：Gt為發芽的種子數，t為相應的萌發天數；

根冠比=根干重/芽干重；

干物質轉移量=發芽前種子干重-發芽后種子殘留干重；

干物質轉移率(%)=(干物質轉移量/發芽前種子干重)×100%；

比根重=根長/根干重。

可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250法[9]；脯氨酸(Pro)含量測定采用南京建成生物工程研究所的脯氨酸測試盒；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑光還原法[10]；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚顯色法[11]；過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收比色法[12]；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性測定參考孫云等[13]方法。

1.4 抗旱性綜合評價

以供試材料的不同指標抗旱系數為依據，應用隸屬函數法對寧春50號和寧春4號抗旱性進行綜合評價。在抗旱性評價中，作物各品種的實際抗旱能力以抗旱隸屬值來表示，若某一指標與抗旱性為正相關，采用(1)計算，若為負相關，則采用(2)計算抗旱隸屬值[14]。

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，X為作物各品種的某一指標測定值，Xmin所試品種中某一指標測定值的最小值，Xmax為該指標中最大值。最后將各個指標抗旱隸屬值累加求平均值，平均值越大則抗旱性越強，根據各品種平均隸屬值來比較其抗旱性強弱。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2003軟件和GraphPad Prism 5.0軟件進行數據處理、統計分析與作圖，用SPSS 20.0軟件進行相關性分析，圖中參數的數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同濃度PEG-6000對春小麥種子發芽率、發芽勢和發芽指數的影響

由圖1可知，與ck處理相比，50～150 g·L-1濃度PEG-6000處理的寧春50號和寧春4號的發芽率和發芽勢無顯著差異，200 g·L-1的PEG-6000處理寧春50號和寧春4號的發芽率和發芽勢均顯著低于ck處理(p<0.05)。與ck處理相比，不同濃度的PEG-6000處理的寧春50號和寧春4號的發芽指數均顯著下降(p<0.05)，并且隨著濃度的增加變化更為明顯。整體來看，寧春4號的3個指標比寧春50號略低，說明寧春4號較寧春50號對PEG-6000脅迫更敏感。

表1 不同濃度PEG-6000對春小麥生長指標的影響

品種PEG-6000/(g·L-1)芽長/cm根長/cm總鮮重/mg總干重/mg芽干重/mg根干重/mg根冠比比根重012.62±0.40a12.96±1.27a191.60±20.86a41.23±5.08c13.76±2.39a9.62±1.66c0.72±0.20d1.38±0.23a5011.98±0.23b12.91±1.18a154.87±9.00b47.64±4.19b13.48±1.99a11.77±1.51a0.89±0.15d1.11±0.16b寧春50號1007.62±0.53c10.53±1.28b129.93±11.93c50.21±4.33b9.22±0.97b11.31±1.59ab1.23±0.19c0.94±0.14c1503.92±0.32d6.84±0.85c105.97±13.38d56.49±7.49a6.59±0.62c10.24±2.91bc1.57±0.49b0.71±0.17d2002.09±0.25e5.30±0.76d89.04±13.22e59.49±5.76a4.06±0.64d9.47±2.34c2.36±0.58a0.58±o.58e011.90±0.58a10.45±1.37a190.30±18.78a42.50±6.56c10.52±1.77a7.92±1.28a0.74±0.12c1.34±0.20a5010.02±0.60b10.75±1.32a160.86±11.01b48.10±4.27b9.64±1.42b8.19±1.66a0.86±0.17c1.30±0.19a寧春4號1004.24±0.36c7.14±0.99b118.40±12.74c51.92±4.53a6.12±0.62c7.37±1.28a1.21±0.20b0.99±0.20b1503.00±0.68d5.32±0.81c102.74±9.53d53.26±5.35a4.93±1.02d6.11±0.90bc1.27±0.21b0.89±0.18bc2001.20±0.37e3.56±0.60d95.78±3.33d55.62±3.64a1.74±0.22e4.91±0.90c2.85±0.56a0.73±0.10c

注：圖中不同字母表示處理間差異達顯著水平(p<0.05)。下同。圖1 不同濃度PEG-6000對春小麥種子發芽率、發芽勢和發芽指數的影響

2.2 不同濃度PEG-6000對春小麥種子干物質轉移的影響

在本研究中，隨著PEG-6000濃度的增加，春小麥種子殘留干重逐漸增大，干物質轉移量和干物質轉移率逐漸減小，并且隨著濃度的增加，抑制程度逐漸增加(圖2)。同濃度處理條件下寧春4號的種子殘留干重高于寧春50號，而干物質轉移量及干物質轉移率則相反，說明寧春4號較寧春50號對PEG-6000脅迫更敏感。

2.3 不同濃度PEG-6000對春小麥生長指標的影響

由表1可知，與ck相比，對于寧春50號的根長和芽干重來說，50 g·L-1的PEG-6000處理均與ck處理差異不顯著；對于根干重來說，50 g·L-1和100 g·L-1濃度PEG-6000處理顯著增加根干重(p<0.05)，150 g·L-1濃度PEG-6000處理增加不顯著，200 g·L-1濃度PEG-6000處理減少根干重，但是差異不顯著。對寧春4號的根長和根干重來說，50 g·L-1濃度PEG-6000處理增加根長和根干重，但是差異不顯著，當PEG-6000濃度超過100 g·L-1時開始抑制根長和根干重的增加。

2.4 不同濃度PEG-6000對春小麥滲透調節物質和抗氧化物酶活性的影響

由圖3可知，不同濃度的PEG-6000處理均能提高春小麥可溶性蛋白和脯氨酸含量，寧春50號可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸升高，寧春4號可溶性蛋白和脯氨酸含量先升高后下降，且同濃度處理下寧春50號脯氨酸含量均高于寧春4號。

由圖4可知，隨著PEG-6000濃度的增加寧春50號的SOD、CAT、APX活性不斷升高，200 g·L-1濃度PEG-6000處理的POD活性低于150 g·L-1處理，顯著高于ck處理；不同濃度PEG-6000處理均能提高寧春4號的SOD、POD、CAT、APX活性，隨著PEG-6000濃度的增加，寧春4號SOD、POD、CAT、APX活性先升高后下降，且均高于ck處理。同濃度處理下寧春50號抗氧化物酶活性基本高于寧春4號，說明同等干旱脅迫條件下寧春4號更敏感。

圖2 不同濃度PEG-6000對春小麥種子干物質轉移的影響

圖3 不同濃度PEG-6000對春小麥可溶性蛋白、脯氨酸含量的影響

圖4 不同濃度PEG-6000對春小麥抗氧化物酶活性的影響

2.5 春小麥種子萌發期抗旱性綜合評價

為進一步比較寧春50號和寧春4號抗旱性強弱，將各個指標進行相關性分析，結果表明：萌發指標之間呈顯著正相關，在干物質轉移指標中，除根干重外其余指標均呈顯著正相關，在生理指標中，除CAT活性外，其余生理指標均呈顯著正相關。采用隸屬函數法對17個指標進行隸屬函數值計算，得出寧春50號和寧春4號的隸屬函數總平均值，對二者萌發期抗旱性進行綜合評價。由表3可知，寧春50號春小麥種子萌發期的綜合抗旱性強于寧春4號。

表2 各指標的相關性分析

指標123456789101112131415161711.00020.969**1.00030.754*0.686*1.00040.648*0.5720.940**1.00050.6320.5390.920**0.988**1.00060.687*0.6110.883**0.965**0.965**1.00070.5700.4560.937**0.954**0.960**0.874**1.00080.707*0.637*0.893**0.972**0.964**0.987**0.880**1.00090.5160.5750.4610.5350.4970.660*0.2870.650*1.00010-0.642*-0.581-0.921**-0.993**-0.971**-0.971**-0.917**-0.980**-0.6201.00011-0.564-0.425-0.884**-0.921**-0.921**-0.839**-0.973**-0.848**-0.1950.876**1.00012-0.416-0.240-0.767**-0.810**-0.846**-0.752*-0.906**-0.740*-0.0390.746*0.941**1.00013-0.448-0.352-0.844**-0.902**-0.938**-0.836**-0.950**-0.843**-0.2440.861**0.895**0.881**1.00014-0.221-0.064-0.672*-0.673*-0.715*-0.531-0.856**-0.5360.2180.5940.860**0.894**0.850**1.00015-0.215-0.093-0.561-0.715*-0.777**-0.645*-0.793**-0.649*-0.0030.664*0.795**0.797**0.874**0.839**1.000160.2740.397-0.260-0.412-0.430-0.257-0.528-0.2960.1910.3830.5530.5640.5510.720*0.698*1.00017-0.175-0.018-0.477-0.619-0.682*-0.525-0.720*-0.5540.0670.5680.751*0.747*0.758*0.825**0.929**0.810**1.000

注：1～17分別為發芽率、發芽勢、發芽指數、干物質轉移量、芽長、根長、總鮮重、芽干重、根干重、種子殘留干重、總干重、可溶性蛋白含量、Pro含量、SOD活性、POD活性、CAT活性、APX活性。下同。

表3 春小麥種子萌發期抗旱性各指標隸屬函數值及綜合評價值

品種隸屬函數值1234567891011121314151617平均隸屬值排序寧春50號0.870.950.600.560.560.650.440.640.810.600.460.480.590.690.520.560.550.621寧春4號0.780.800.510.390.430.410.430.400.290.360.500.320.560.440.370.490.420.462

3 討論與結論

發芽率、發芽勢、發芽指數是種子活力的常用評價指標，可以反映出種子的萌發能力。本研究中，中低濃度的PEG-6000處理不影響春小麥種子發芽率、發芽勢，但對發芽指數具有顯著影響，說明輕中度干旱脅迫沒有影響春小麥種子的發芽率，只是延緩了種子萌發。

植物從種子轉化到幼苗的過程中所需的物質及能量是由種子中貯藏的有機物提供，因此在種子萌發過程中干物質轉移量和干物質轉移率能體現出植物種苗轉化狀況[15]。本研究中不同濃度的PEG-6000處理的春小麥的干物質轉移量、轉移率均隨著濃度的增加而明顯的下降，其中寧春4號受到的影響高于寧春50號，這與施成曉等[8]的研究結果一致，說明干旱脅迫會破壞種子萌發時的吸脹吸水，從而影響春小麥萌發期種子干物質的轉移。不同濃度PEG-6000處理下，2個品種春小麥的根干重呈先上升后下降趨勢，中低濃度的PEG-6000處理可以提高寧春50號根干重，而寧春4號只有低濃度處理可以提高根干重，這可能是由于干旱條件下，春小麥早期幼苗為了增強從環境吸水的能力，根長變化不大，但是側根的數量會增加，這與馬富舉[15]和唐玉婧[16]的研究結果一致。

本研究中，隨著PEG-6000濃度的增加，寧春50號的可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸升高，寧春4號的可溶性蛋白和脯氨酸含量先升高后下降，說明適宜濃度的PEG-6000處理可以增加可溶性蛋白與脯氨酸含量，從而減輕干旱脅迫對植物的傷害作用，當PEG-6000濃度較高時，植物受到干旱脅迫的傷害較大，可溶性蛋白與脯氨酸含量下降，這與韓忠明等[17]的研究結果一致。SOD、POD、CAT和APX是細胞內清除活性氧的主要保護酶，整個保護酶系統防御能力的變化取決于這幾種酶的彼此協調的綜合結果[18]。本研究中不同濃度PEG-6000處理均可提高春小麥SOD、POD、CAT和APX活性，其中寧春4號的這幾種酶活變化較寧春50號更為明顯，說明寧春4號對干旱脅迫較為敏感。

綜上所述，參考寧春50號與寧春4號在不同濃度PEG-6000脅迫下的形態指標和生理指標變化，以及結合隸屬函數法對兩者進行抗旱性比較，可知在種子萌發期寧春50號的抗旱性高于寧春4號。