人工老化和低溫脅迫對陸地棉種子活力的影響和評價

鄧曉娟，蘇秀娟，瑪依拉·依不拉音，陸小雙，麥爾旦·圖爾貢，劉鵬飛

(新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】棉花是喜溫作物，新疆春季氣候多變，常有明顯的倒春寒，導致棉花苗期冷害發(fā)生較頻繁，是影響其生長發(fā)育和品質(zhì)的主要環(huán)境脅迫因子之一[1]。棉花種子老化是種子貯藏過程中普遍存在的一種現(xiàn)象，影響種子的萌發(fā)和幼苗生長及后期種子的產(chǎn)量與品質(zhì)，而且對種質(zhì)資源的保存、開發(fā)和利用等都產(chǎn)生嚴重的影響[2]。分析模擬逆境對棉花種子萌發(fā)的影響，為篩選和培育高活力種子提高棉種播種質(zhì)量和種用價值提供參考。通過低溫脅迫和人工模擬種子老化的相關研究，分析種子低溫響應和老化機理并進一步找出相關減緩種子劣變速率的應對策略，對于種質(zhì)資源保存和環(huán)境保護以及作物的繁殖生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】在作物生產(chǎn)中，種子質(zhì)量直接影響作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，種子活力又是反映種子質(zhì)量的重要指標[3-4]。測定種子活力，評價對種子活力，并篩選出高活力種子，對于確保播種種子質(zhì)量，節(jié)約播種費用，提高種子抵御不良環(huán)境的能力，增強種子對病蟲雜草的競爭能力，提高實際田間出苗率，提高作物產(chǎn)量，增強種子的耐儲藏性。棉花在整個生育期均容易遇到低溫脅迫，主要是在萌發(fā)期和苗期[5]。棉花生長季節(jié)早期的低溫會對棉花幼苗造成傷害，在溫度恢復正常后棉株也可能無法完全恢復[6]。高活力種子在經(jīng)歷一段時間的低溫后發(fā)芽能力仍然較強，而低活力的種子經(jīng)低溫處理后，發(fā)芽能力明顯降低，甚至不能夠正常萌發(fā)出苗[7]。種子生理成熟后便進入貯藏或休眠階段，該階段種子會發(fā)生老化或劣變，發(fā)芽率和活力等隨之降低。種子老化對萌發(fā)的影響巨大，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和整齊率下降，生長緩慢[8]，抗逆性下降，弱苗、白化苗、畸形苗增多，嚴重時會導致生活力喪失[9]，造成經(jīng)濟損失[10-11]?！颈狙芯壳腥朦c】棉花對低溫比較敏感，苗期冷害影響棉花品質(zhì)和產(chǎn)量。棉花種子是否耐受貯藏能力影響種子活力。目前有關棉花種子質(zhì)量的研究多數(shù)仍然用標準發(fā)芽試驗的發(fā)芽率，而對種子活力研究，特別是逆境脅迫下的活力研究較少[12-13]。研究人工老化處理和低溫脅迫對陸地棉種子萌發(fā)的影響。【擬解決的關鍵問題】以12份陸地棉種子為材料進行了低溫脅迫和人工老化處理后發(fā)芽試驗，分析人工老化處理和低溫脅迫對陸地棉種子活力的影響，為陸地棉種子耐低溫和耐貯藏性提供資源參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

2019年10月收獲 12 個陸地棉品種、品系種子，分別為中棉49號、XND1580、新陸早42號、關農(nóng)1號、KK1543、新陸早7號、新陸早72號、塔什干、吐76-94、新陸早57號、中棉35號和10615等，種植在新疆農(nóng)業(yè)大學烏魯木齊三坪農(nóng)場，種子由新疆農(nóng)業(yè)大學2612棉花團隊提供。

1.2 方 法

1.2.1 種子處理

采收后機械脫長絨，濃硫酸脫短絨，于陰涼通風處晾干貯藏，約6個月后用于種子活力測定。

1.2.2 標準發(fā)芽

根據(jù)農(nóng)作物檢驗規(guī)程(GB/T 3543.4-1995)采用濾紙法恒溫變光培養(yǎng)進行。每材料取100粒種子，0.1%的氯化汞滅菌15～20 min，無菌水洗3～4次，置種于鋪有無菌濾紙的用75%酒精消毒過的發(fā)芽盒上，蓋上無菌濾紙，并用無菌水濕潤，發(fā)芽盒置于每天8 h全光照26℃光照培養(yǎng)箱進行。每個品種3次重復，每天統(tǒng)計發(fā)芽情況及補無菌水，第8 d并稱量苗鮮重、根鮮重、苗長和根長。

簡化活力指數(shù)=G×S，S為苗鮮重。

1.2.3 低溫發(fā)芽

每材料3次重復，每重復100粒種子，采用同標準發(fā)芽法相同的濾紙發(fā)芽盒法，發(fā)芽盒置于18℃光照培養(yǎng)箱。統(tǒng)計指標及公式同標準發(fā)芽試驗。

1.2.4 人工老化發(fā)芽

先對種子人工老化處理[9]，將種子放入 65℃的水浴鍋里浸泡40 min，取出于37℃烘箱過夜烘干，按照標準進行發(fā)芽試驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進行處理，用SPSS23.0軟件進行聚類分析。采用系統(tǒng)聚類的方式，對數(shù)據(jù)進行Z得分標準化，采用組間聯(lián)接方法、平方歐氏距離測量，得出聚類樹。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同脅迫處理間發(fā)芽勢比較

研究表明，人工老化發(fā)芽勢最高，其次是標準發(fā)芽法，最后是低溫發(fā)芽法。除了新陸早7號和新陸早57號，人工老化平均提高了發(fā)芽勢15.0%，即加快了快速整齊出苗速率。新陸早7號和新陸早57號人工老化發(fā)芽勢分別比標準下低了68.7%和37.0%，人工老化處理嚴重影響了新陸早7號和新陸早57號的出苗速率。除了新陸早7號、塔什干和中棉35號，其它材料均受低溫負影響較大，發(fā)芽勢平均降低了30.0%。而新陸早7號和中棉35號低溫提高了發(fā)芽速度，分別比標準下提高了15.3%和19%，塔什干低溫下發(fā)芽勢比標準下高了4%，均表現(xiàn)出較高耐低溫能力。圖1

注：1:中棉49號，2:XND1580，3:新陸早42號，4:關農(nóng)1號，5:KK1543，6:新陸早7號，7:塔什干，8:吐76-94，9:新陸早72號，10:新陸早57號，11:中棉35號，12:10615

2.2 不同脅迫處理間發(fā)芽率比較

研究表明，不同活力測定方法下陸地棉種子發(fā)芽率總體趨勢和發(fā)芽勢不同，標準>人工老化>低溫。人工老化發(fā)芽率比人工老化下發(fā)芽勢平均只高了5%，人工老化處理加快了發(fā)芽速度，但降低了發(fā)芽率。低溫下發(fā)芽率比標準下低了26%，人工老化比標準下低了10%，低溫對發(fā)芽率的影響較大。其中中棉35號最耐低溫，發(fā)芽率為75%，比對照高了3%；其次是塔什干和新陸早7號，發(fā)芽率分別為70%和78%，比對照分別一致和少2.7%。新陸早7號和新陸早57號最不耐貯藏，發(fā)芽率比對照分別低了82.7%和35%。中棉49號、塔什干、新陸早72號和10615發(fā)芽率都高于對照，耐貯藏。圖2

2.3 不同脅迫處理間苗長和根長比較

研究表明，苗長為標準下最長，其次是低溫和人工老化，平均值分別是4.36、2.72和2.64 cm。根長為標準下2.55 cm，人工老化下1.15 cm，而低溫下是0.95 cm。根長占苗長百分比平均值為標準下59%，人工老化下為44%，低溫下為35%，低溫下根長占比最小，其次是人工老化下，逆境下負影響根的伸長。

品種間對不同逆境的反應也不同，低溫下有的品種根顯著長，占苗長50%以上，如中棉49號、XND1586、新陸早42號、KK1543等，根占苗百分比為95%、71%、61%和64%；有的品種根顯著短，如塔什干、吐76-94、新陸早72號和10625等，根占苗百分比為19%、22%、16%和17%；其余與標準下比例接近。圖3

圖3 不同測定方法下苗長和根長重疊變化Fig. 3 The superposed graph of seedling length and root length under three types of germination

2.4 不同脅迫處理間鮮重比較

研究表明，標準發(fā)芽，人工老化發(fā)芽和低溫發(fā)芽平均苗鮮重分別為1.8、2.4和2.7 g，平均根鮮重分別為0.37、0.29和0.60 g。苗鮮重規(guī)律為低溫>人工老化>標準，根鮮重規(guī)律為低溫>標準>人工老化。人工老化苗根鮮重比最高，為8.38，更接近于標準下的4.73，而低溫下苗根鮮重比為0.22，低溫脅迫下發(fā)芽的幼苗易形成粗根、狀根。圖4

圖4 不同測定方法下苗鮮重和根鮮疊加變化Fig. 4 The layer overlay mode of seedling fresh weight and root fresh weight under three types of germination

2.5 不同脅迫處理間簡化活力指數(shù)比較

研究表明，低溫脅迫和人工老化處理都降低了陸地棉種子活力，但各材料對不同逆境響應有所不同。多數(shù)材料人工老化處理下簡化活力指數(shù)大于低溫下的，而新陸早7號，塔什干，吐76-94和新陸早57號則相反。其中，塔什干在逆境下簡化活力指數(shù)較正常下稍高。吐76-94、中棉35號在各環(huán)境中簡化活力指數(shù)保持相近。圖5

注：1:中棉49號，2:XND1580，3:新陸早42號，4:關農(nóng)1號，5:KK1543，6:新陸早7號，7:塔什干，8:吐76-94，9:新陸早72號，10:新陸早57號，11:中棉35號，12:10615

2.6 不同脅迫處理萌發(fā)能力聚類

研究表明，標準狀態(tài)下發(fā)芽率均在70%以上，根據(jù)標準發(fā)芽各指標進行綜合系統(tǒng)聚類分析，在相似系數(shù)為15時分類2類，高活力和中活力。高活力包括XND1586、關農(nóng)1號、新陸早42號、KK1543、新陸早7號和中棉49號，中活力包括塔什干、新陸早72號、中棉35號、吐76-94、新陸早57號和10615。圖6

圖6 標準發(fā)芽試驗陸地棉種子活力系統(tǒng)聚類Fig. 6 Clustering analysis of cotton seed vigor under standard germination

在相似系數(shù)20分為3類，耐冷型、中間型和敏冷型。耐冷型有5個材料，包括新陸早7號、吐76-94、中棉35號、新陸早57號和塔什干，其中新陸早7號屬于高耐冷型。中間型有3個材料，分別是kk1543、XND1586和中棉49號。敏冷型有4個材料，分別是關農(nóng)1號、新陸早42號、10615和新陸早72號，其中10615和新陸早72號極敏冷。圖7

圖7 低溫脅迫系統(tǒng)聚類Fig.7 Clustering analysis of cotton seed vigor under low temperature germination

在相似系數(shù)15的時候分為3類，耐貯藏型，中間型和不耐貯藏型。耐貯藏型有4個材料，包括中棉35號、10615、新陸早72號和塔什干。中間型有6個材料，分別是吐76-94、新陸早42號、關農(nóng)1號、KK1543、XND1586和中棉49號。不耐貯藏型有2個材料，新陸早7號和新陸早57號。圖8

圖8 人工老化處理系統(tǒng)聚類Fig. 8 Clustering analysis of cotton seed vigorunder artificial aging germination

在相似系數(shù)20的時候分為3類，不耐低溫耐貯藏型，中間型和耐低溫不耐貯藏型。不耐低溫耐貯藏型有5個材料，包括XND1586、KK1543、中棉49號、新陸早42號和關農(nóng)1號。中耐低溫中耐貯藏型有5個材料，分別是新陸早72號、10615、塔什干、中棉35號、新陸早57號和吐76-94。耐低溫不耐貯藏型只有1個，即新陸早7號。圖9

圖9 綜合逆境系統(tǒng)聚類Fig. 9 Clustering analysis of cotton seed vigor under three types of germination

3 討 論

3.1 各品種對逆境下種子活力響應有所不同

不同活力測定方法所得到的棉花種子活力結(jié)果并不完全一致，標準發(fā)芽試驗活力水平高的品種逆境發(fā)芽能力不一定好，而活力低的品種逆境發(fā)芽能力也不一定表現(xiàn)都差[12]。在玉米、水稻等作物種子活力的研究，也發(fā)現(xiàn)不同活力測定方法的結(jié)果不一致現(xiàn)象[14-15]。品種不同，響應會有所不同，研究發(fā)現(xiàn)，標準狀態(tài)下活力高的不一定所有逆境下活力高。新陸早7號和新陸早57號標準下發(fā)芽率和低溫脅迫發(fā)芽率分別是98.7%和80%及96%和72%，而人工老化只有16%和45%。10615的標準發(fā)芽率和老化處理發(fā)芽率到80%和94%，而低溫脅迫發(fā)芽率只有20%。閆強等[12]通過低溫脅迫和人工老化處理結(jié)果顯示，湘雜7號、屯雜6號、中棉所50號等都表現(xiàn)出在標準條件和低溫脅迫下活力高，而人工老化處理下活力較低。蘇秀娟等[16]在鹽脅迫處理海島棉種子后測定活力顯示，N3、農(nóng)科57在標準條件活力高，而鹽脅迫下活力較低。一種活力測定方法的結(jié)果僅能側(cè)重于判斷種子對某種逆境條件的耐受能力，標準發(fā)芽試驗下所測定的種子活力并不能完全反映種子在逆境下的發(fā)芽能力和芽苗健壯程度。

3.2 逆境脅迫下發(fā)芽的幼苗響應不同

低溫脅迫下苗長和根長較標準條件下短，苗重和根重較標準條件下重，說明低溫脅迫下出的幼苗為粗、短苗。人工老化處理下苗長和根長較標準條件下短，苗重較標準條件下重，根重較標準條件下輕，人工老化處理出的幼苗以子葉重、短苗為主。對17個陸地棉進行低溫和人類老化處理研究種子活力發(fā)現(xiàn)逆境下幼苗鮮重下降[17]，種子活力是一個綜合性狀，不同的逆境可能影響種子萌發(fā)過程的不同生理生化反應。

4 結(jié) 論

4.1 相比標準條件下進行的簡化的發(fā)芽試驗，低溫脅迫與人工老化發(fā)芽處理都降低了陸地棉種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、苗長、根長、苗鮮重和根鮮重，且品種間存在較大差異。人工老化主要抑制種子發(fā)芽率，而低溫脅迫及抑制了種子發(fā)芽也抑制了幼苗生長勢。人工老化處理加快了出苗速度，但降低了最終發(fā)芽率，易形成粗壯苗，除了高度不耐貯藏的新陸早7號和新陸早57號，發(fā)芽率都達到國家標準70%以上，在該范圍內(nèi)的人工老化處理可作為促進早出苗、齊出苗的播前處理手段。低溫脅迫既降低了出苗速率也降低了發(fā)芽率，易形成小葉粗根短苗。

4.2 發(fā)芽勢高的不一定發(fā)芽率高，例如人工老化處理評價發(fā)芽勢是68.5%，比標準發(fā)芽勢高了4%，而平均發(fā)芽率為74.3%，比標準發(fā)芽勢低了10%。發(fā)芽勢低的不一定發(fā)芽率低，例如KK1543的發(fā)芽勢只有35%，而發(fā)芽率高達81.3%。標準狀態(tài)下高活力的不一定在逆境下也高活力，新陸早7號，表現(xiàn)出極不耐貯藏。逆境下高活力的標準狀態(tài)下一定高，新陸早7號在低溫、中棉35號在低溫和人工老化都具有高發(fā)芽率，標準狀態(tài)下也是高發(fā)芽率。

4.3 12個陸地棉材料里，高度耐低溫的材料只有新陸早7號，且表現(xiàn)為不耐貯藏。中耐低溫的有吐76-94、中棉35號、新陸早57號和塔什干。耐貯藏的材料有塔什干、新陸早72號和10615，且也中度耐低溫。耐貯藏不耐低溫的材料有XND1586、KK1543、中棉49號、新陸早42號和關農(nóng)1號。