不同引發(fā)劑對(duì)干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

張康康,余 慶,朱坤淼,吉曉晨,胡立勇,畢俊國(guó),羅利軍

(1華中農(nóng)業(yè)大學(xué),武漢 430070;2上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

水稻是世界三大糧食作物之一,也是灌溉水需求量最大的糧食作物,傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)極易受到干旱的影響而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。為解決水稻生產(chǎn)對(duì)水分過度依賴的問題,我國(guó)科學(xué)家培育出“節(jié)水抗旱稻”,通過十余年的努力,已育成包括秈型、粳型、雜交和常規(guī)4個(gè)系列的節(jié)水抗旱稻新品種,并在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用[1]。與水稻相比,節(jié)水抗旱稻具有節(jié)水、抗旱和易栽培等特點(diǎn),可采用旱直播旱管的種植方式。旱直播不僅可有效地降低灌溉量,還可大幅減少水稻生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。目前,由于旱直播下土壤水分含量相對(duì)較低,加上種子本身質(zhì)量有所差異,導(dǎo)致諸如播種量大、出苗率低、出苗不整齊、苗期生長(zhǎng)緩慢等問題,對(duì)節(jié)水抗旱稻后期群體建成造成負(fù)面影響,亟需在播種技術(shù)上進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

種子引發(fā)是一種通過控制種子緩慢吸水膨脹,然后逐步回干的播前種子處理技術(shù)[2]。前人研究表明,采用不同類型的引發(fā)方法,如激素引發(fā)、無機(jī)物質(zhì)引發(fā)等[3],能夠有效促進(jìn)不同作物種子的萌發(fā)[4],顯著提高出苗率,從而減少用種量,降低用種成本[5]。同時(shí),種子經(jīng)過引發(fā)后,其幼苗生長(zhǎng)更快、封行更早,可有效減少田間空窗期[6],有利于抑制雜草生長(zhǎng)。在前人研究的基礎(chǔ)上,本試驗(yàn)選擇木醋液、褪黑素、硫酸亞鐵等3種物質(zhì)作為引發(fā)劑,進(jìn)行種子引發(fā),比較旱直播下3種引發(fā)物質(zhì)在促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)方面的效果,為節(jié)水抗旱稻旱直播栽培技術(shù)體系的完善提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料:秈型雜交節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)73’,該品種的種子由上海天谷生物科技股份有限公司提供。

供試引發(fā)劑:木醋液由湖北楚天生物質(zhì)能源科技開發(fā)有限公司提供;褪黑素由上海源葉生物科技有限公司生產(chǎn);硫酸亞鐵(FeSO4)由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 PEG濃度梯度及種子萌發(fā)方法

利用PEG6000(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))模擬干旱脅迫,篩選模擬種子萌發(fā)過程中,干旱脅迫處理效果較好的PEG濃度。水培盒(24 cm×17 cm×8.5 cm)內(nèi)設(shè)置PEG濃度梯度為0%、5%、10%、15%、20%和25%。將干種子播在具有獨(dú)立播種區(qū)域(播種區(qū)域相互獨(dú)立,互不影響)的帶孔浮板上,浮板兩邊采用泡沫板夾住,使浮板漂浮在溶液表面。每個(gè)區(qū)域播種40粒。水培盒完全隨機(jī)排列在光照培養(yǎng)箱內(nèi),培養(yǎng)箱設(shè)置為白天(12 h)30℃,黑暗(12 h)25℃,光照強(qiáng)度30 000 lx,生長(zhǎng)箱的相對(duì)濕度保持在60%左右。

1.2.2 種子引發(fā)處理

挑選飽滿、大小基本一致的‘旱優(yōu)73’種子,使用1%次氯酸鈉溶液浸泡15 min進(jìn)行消毒處理,然后用蒸餾水沖洗3遍,用吸水紙吸去種子表面的水分。將消毒后的種子裝入尼龍網(wǎng)袋后,分別浸入蒸餾水(水引發(fā))、木醋液(1%、2%、4%)、褪黑素(25μmol∕L、50μmol∕L、100μmol∕L)、硫酸亞鐵(2 mmol∕L、4 mmol∕L、6 mmol∕L)溶液中,種子質(zhì)量與溶液體積的比率為1∶5[7]。在25℃黑暗中引發(fā)24 h。將浸泡完成的種子用蒸餾水沖洗2 min,用吸水紙吸干種子表面水分,轉(zhuǎn)移到25℃烘箱中進(jìn)行干燥,待種子質(zhì)量降低到與處理前質(zhì)量一致后取出,完成引發(fā)處理。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時(shí)間

以正常水分條件下未引發(fā)的干種子為對(duì)照1(CK1),以干旱脅迫處理下未引發(fā)的干種子為對(duì)照2(CK2),調(diào)查不同處理的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率等指標(biāo)。水稻種子萌發(fā)根據(jù)AOSA(1990)[8]的標(biāo)準(zhǔn)判斷。發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時(shí)間的計(jì)算公式如下:

發(fā)芽勢(shì)=播種后第3天發(fā)芽數(shù)∕供試種子數(shù)×100%。

發(fā)芽率=播種后第7天發(fā)芽數(shù)∕供試種子數(shù)×100%。

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt∕Dt),Gt為第t天的發(fā)芽種子粒數(shù),Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);

平均發(fā)芽時(shí)間(d)=Σ(Ti×Ni)∕ΣNi,其中Ni是在時(shí)間Ti內(nèi)新發(fā)芽的種子數(shù)[9]。

1.3.2 幼苗生長(zhǎng)相關(guān)指標(biāo)和幼苗活力指數(shù)

播種后第11天,每個(gè)重復(fù)取有代表性的幼苗10株,測(cè)定芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)后,將根和芽分開,放入105℃烘箱內(nèi)殺青30 min,然后75℃烘至恒重,分別稱量芽干重、根干重,計(jì)算根芽比。幼苗活力指數(shù)和根芽比的計(jì)算公式如下:

幼苗活力指數(shù)Ⅰ=發(fā)芽率×(芽長(zhǎng)+根長(zhǎng))[10];

幼苗活力指數(shù)Ⅱ=發(fā)芽率×(芽干重+根干重)[10];

根芽比=根干重∕芽干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2021和Statistix 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和方差分析,采用R語言ggplot2作圖。各處理間差異顯著性分析基于0.05水平的最小顯著性差異(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG濃度的篩選

PEG處理不同程度抑制了‘旱優(yōu)73’種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。由圖1可知,5%和10%PEG處理對(duì)‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽率的影響較小,最終發(fā)芽率為95%—97%。當(dāng)PEG濃度為15%時(shí),發(fā)芽率顯著降低;當(dāng)PEG濃度為25%時(shí),播后第8天的發(fā)芽率為40.3%。

圖1 不同濃度PEG溶液對(duì)‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of PEG solution on seed germination of‘Hanyou 73’

與0%PEG處理相比,15%PEG處理的‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽勢(shì)降低了80.6%,發(fā)芽率降低了13.5%,發(fā)芽指數(shù)降低了49.9%,芽干重降低了51.8%,根干重降低了42.9%,幼苗活力指數(shù)Ⅰ降低了54.1%,且均達(dá)到顯著水平(表1)。可見,當(dāng)PEG濃度達(dá)到15%時(shí),‘旱優(yōu)73’種子受到一定程度的脅迫,種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)均受到了抑制。但與20%、25%PEG處理相比,15%PEG處理的‘旱優(yōu)73’具有較高的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)及干物質(zhì)積累。因此,為了更好地觀察引發(fā)處理對(duì)于干旱脅迫的作用機(jī)制,選擇15%PEG模擬干旱脅迫。

表1 不同濃度PEG溶液對(duì)‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of different concentrations of PEG solution on seed germination and seedling growth of‘Hanyou 73’

2.2 不同引發(fā)劑對(duì)干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)的影響

由表2可知,與正常水分相比,干旱處理降低了‘旱優(yōu)73’種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù);而種子引發(fā)處理則有效降低了干旱脅迫的抑制作用,促進(jìn)了種子萌發(fā)。在不同濃度木醋液處理中,以2%木醋液引發(fā)效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗活力指數(shù)Ⅰ分別提高了24.8%和17.7%,幼苗活力指數(shù)Ⅱ分別提高了37.7%和25.9%,且與其他2個(gè)濃度木醋液處理差異顯著。在不同濃度褪黑素處理中,以50μmol∕L褪黑素處理最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽勢(shì)分別提高了156.3%和93.8%,發(fā)芽指數(shù)分別提高了23.8%和23.8%,幼苗活力指數(shù)Ⅰ分別提高了26.7%和19.4%,且與25μmol∕L褪黑素處理差異顯著。在不同濃度硫酸亞鐵處理中,以4 mmol∕L硫酸亞鐵處理效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽勢(shì)分別提高了194.7%和122.9%,發(fā)芽率分別提高了8.3%和5.4%,平均發(fā)芽時(shí)間分別縮短16.7%和14.6%。可見,3種引發(fā)劑在適宜濃度下均可顯著促進(jìn)干旱脅迫下節(jié)水抗旱稻種子的萌發(fā)并提高幼苗活力。

表2 不同引發(fā)劑對(duì)干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)指標(biāo)的影響Table 2 Effects of different priming agents on seed germination indexes of‘Hanyou 73’under drought stress

2.3 不同引發(fā)劑對(duì)干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’幼苗生長(zhǎng)的影響

由表3可知,與正常水分相比,干旱脅迫顯著抑制了未引發(fā)處理‘旱優(yōu)73’幼苗的生長(zhǎng),芽長(zhǎng)降低了32.6%,根長(zhǎng)降低了54.6%,總干重降低了40.1%。種子引發(fā)處理可以有效減輕干旱脅迫的抑制作用。在不同濃度木醋液處理中,2%木醋液處理效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗根長(zhǎng)分別增加了31.7%、20.6%,芽干重分別增加了41.4%、33.5%,根干重分別增加了22.2%、13.6%,總干重分別增加了32.7%、24.5%,且與其他2個(gè)濃度木醋液處理差異顯著。在不同濃度褪黑素處理中,以50μmol∕L褪黑素處理最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗芽長(zhǎng)均增加了13.0%,根長(zhǎng)分別增加了27.5%、16.8%。在不同濃度硫酸亞鐵處理中,4 mmol∕L硫酸亞鐵處理效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗芽長(zhǎng)均增加了22.7%,芽干重分別增加了50.6%、42.3%,總干重分別增加了37.1%、28.6%。可見,3種引發(fā)劑適宜濃度處理均能有效促進(jìn)干旱脅迫下節(jié)水抗旱稻幼苗生長(zhǎng)。其中,以硫酸亞鐵處理對(duì)提高芽長(zhǎng)與芽干重影響更大一些,以2%木醋液對(duì)提高根長(zhǎng)與根干重作用更大一些。從根芽比來看,不同濃度木醋液的作用均較顯著。

表3 不同引發(fā)劑對(duì)干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’幼苗生長(zhǎng)的影響Table 3 Effects of different priming agents on seedling growth of‘Hanyou 73’under drought stress

3 討論與結(jié)論

本研究表明,3種不同物質(zhì)引發(fā)處理均能不同程度地提高節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)73’種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù),縮短平均萌發(fā)時(shí)間,有效促進(jìn)干旱脅迫下幼苗生長(zhǎng)。木醋液是由秸稈、稻草和樹木等生物質(zhì)材料制備生物炭過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,是一種具有多種生物學(xué)功能的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)類物質(zhì)[11-12],含有154種以上的有機(jī)物[13],主要為有機(jī)酸、酚類、酯類、醛酮類,這些物質(zhì)在適宜濃度下可協(xié)同作用,促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育并提高其抗逆性。本研究發(fā)現(xiàn),木醋液引發(fā)顯著促進(jìn)了節(jié)水抗旱稻種子萌發(fā)生長(zhǎng),并增強(qiáng)幼苗活力。木醋液促進(jìn)萌發(fā)的具體物質(zhì)及作用機(jī)制尚不夠清楚明了,但已有研究表明,木醋液中含有的丁烯酸內(nèi)酯是其促進(jìn)干旱下種子萌發(fā)出苗與幼苗生長(zhǎng)的有效物質(zhì)之一[14-15]。此外,2%木醋液引發(fā)明顯增加根長(zhǎng),這與Wang等[16]的研究結(jié)果一致,即木醋液可以有效促進(jìn)干旱脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng),特別對(duì)根系生長(zhǎng)具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。這可能是因?yàn)槟敬滓捍龠M(jìn)了茉莉酸和水楊酸的生物合成,并通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與ABA調(diào)控下游相關(guān)抗旱基因的表達(dá)。由于木醋液具有顯著促進(jìn)根系干物質(zhì)積累的作用,因此筆者推測(cè)在幼苗后續(xù)生長(zhǎng)中對(duì)提高水稻抗旱性有更大的作用。同時(shí),由于木醋液含有上百種以上有效物質(zhì),其促進(jìn)生長(zhǎng)與抗逆的綜合作用還有更大的潛在可能。褪黑素是一種吲哚胺類的新型植物激素,參與多種生理過程,包括調(diào)控種子萌發(fā)、調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育、參與植物非生物和生物脅迫應(yīng)答等[17],是有效的活性氧清除劑和抗氧化劑。許多研究表明,外源施用褪黑素能夠增強(qiáng)植物的抗逆能力[18-20]。Khan等[21]研究指出,干旱脅迫下,褪黑素引發(fā)處理可以提高油菜種子萌發(fā)及幼苗建成,增強(qiáng)抗氧化酶活性,提高非酶促抗氧化物質(zhì)與滲透調(diào)節(jié)類物質(zhì)含量,從而緩解干旱脅迫對(duì)油菜幼苗的抑制。此外,研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下褪黑素下調(diào)ABA合成基因NCED3,降低植物體內(nèi)ABA含量,同時(shí)上調(diào)細(xì)胞色素P450單氧化酶基因CYP707A1、CY-P707A2的表達(dá),從而增強(qiáng)植株對(duì)干旱脅迫的抗性[20]。

鐵元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素,其對(duì)植物葉綠素合成、電子傳遞鏈構(gòu)建都是不可或缺。鐵是參與線粒體電子傳遞鏈上所有酶的重要輔因子,在促進(jìn)能量貨幣ATP生成和種子發(fā)芽等方面起著重要作用。Dey等[22]研究指出,硫酸亞鐵處理增加了α-淀粉酶和蛋白酶的活性,并且上調(diào)了水通道蛋白表達(dá),從而促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)生長(zhǎng)。劉艾等[23]研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)濃度的硫酸亞鐵處理可以促進(jìn)木豆種子萌發(fā)。這與本研究結(jié)果基本一致,硫酸亞鐵引發(fā)處理可以有效提高種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì),這可能歸因于引發(fā)處理提高了幼苗內(nèi)的淀粉酶活性,促進(jìn)淀粉降解,加速稻種內(nèi)部糖代謝進(jìn)程,進(jìn)而提高可溶性糖含量,促進(jìn)節(jié)水抗旱稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。

綜上所述,木醋液、褪黑素和硫酸亞鐵引發(fā)均能提高節(jié)水抗旱稻干旱脅迫下的種子活力、出苗率與幼苗素質(zhì),以2%木醋液、50μmol∕L褪黑素、4 mmol∕L硫酸亞鐵引發(fā)處理效果較好。其中,2%木醋液處理可有效增加‘旱優(yōu)73’種子的根長(zhǎng),促進(jìn)根系生長(zhǎng);4 mmol∕L硫酸亞鐵可提高‘旱優(yōu)73’種子的萌發(fā)率與幼苗生物量。