低溫脅迫對不同含水量花生種子萌發幼苗干物質量及功能葉片內源激素含量的影響

霍俊豪李 峰劉 璇韓 猛鄒曉霞*

(1.青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室,山東 青島 266109;2.棗莊市市中區農業農村局,山東 棗莊 277100)

花生是重要的油料作物和經濟作物,中國是世界最大的花生生產國和消費國[1],大力發展花生產業對加快我國農業結構調整、推進農業可持續發展具有重要作用和積極的戰略意義[2]。

溫度是花生種子萌發的必要條件,研究表明14～23℃范圍內日均氣溫每升高1℃,出苗時間縮短約1.5 d[3],日均溫度升至25℃左右時,花生株高顯著增加[4]?；ㄉN子不僅在貯藏和播種過程中可能會受到低溫冷害,在我國東北地區,花生如未能及時收獲或遇初霜期提前,很容易發生凍害,也會導致花生種子發芽率大幅降低甚至喪失萌發能力[5-7]。陶群等[8]研究發現,種子經低溫處理后能降低花生幼苗主、側根長度和側根數量,降低根系活力。史普想等[9]觀察到,花生種子含水量為5%時,經-20℃低溫貯藏后,種子活力下降不明顯,對出苗率的影響較小;但種子含水量為10%時,活力明顯降低,出苗率僅為70.0%;種子含水量為15%時則完全喪失發芽能力。

植物對逆境信號的響應是一個極其復雜的過程,而內源激素水平的變化是植物逆境響應的重要信號因子。生長素(IAA)最基本的生理作用是促進生長,但對不同器官生長的促進作用因濃度而異[10],于運華等[11]發現,受低溫脅迫時,冬小麥根系中生長素(IAA)含量會提高,利于解決根系生長的脅迫以恢復正常功能;赤霉素(GA3)能促進種子萌發和植物生長發育,在植物響應非生物脅迫過程中同樣發揮著重要作用[12]。劉瑜霞[13]研究發現,在楨楠種子萌發過程可通過調控GA3水平來響應溫度的變化,提高種子發芽率。脫落酸(ABA)具有協調作物體內代謝的能力,可促進碳水化合物向庫的運輸,對提高農作物的產量和品質具有重要作用[14]。張東琴等[15]研究發現,低溫對內源ABA 的形成和積累有抑制作用,可減緩黃瓜子房發育的進程。李雪苗[16]研究大葉黃楊的抗寒性時發現,IAA 能夠抵御一定程度的寒冷環境,但隨著溫度的降低,IAA 增強抗寒的效果減弱。玉米素核苷(ZR)是植株體內主要的并可在木質部中轉運的細胞分裂素[17],研究發現,在根部受到低溫脅迫和生長延緩劑共同作用下,ZR 含量有明顯提高[18]。綜上可見,低溫脅迫可引起多種植物內源激素水平發生變化,盡管作用機制不同,但激素水平的變化并不是孤立單一的,而是彼此相互作用、相互影響。如羅寧[19]觀察到玉米受低溫脅迫時,ABA 顯著高于對照,IAA 變化不顯著,GA3減少;王曉嬌等[20]研究發現,受水分脅迫時,IAA 含量逐漸降低,ABA 含量升高,IAA/ABA 降低;胡朝暉等[21]研究表明,水分脅迫下,花生幼苗GA3含量先升后降,出現兩個高峰值,ABA 含量則逐漸升高,IAA 和ZR先降低后升高,隨著脅迫時間的延長,葉片中ABA/IAA 先升后降,ABA/ZR 則逐漸升高。

前人對低溫脅迫下花生種子生活力、幼苗形態變化、根系活力、葉綠素含量及部分生理特性展開了研究[22-23],但不同含水量花生種子受低溫脅迫后,幼苗生長特性和內源激素含量變化并不明確。因此,本研究以青花7號花生品種為供試材料,以自然風干未受低溫脅迫處理種子為對照,研究了不同含水量種子經低溫脅迫后其萌發幼苗干物質積累和功能葉片的內源激素含量變化,明確了低溫脅迫對不同含水量花生種子品質的影響,以期為花生種植生產提供有效保障。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2019-2020年在青島農業大學可控溫濕培養室進行,供試花生品種為青花7號,供試土壤為營養土與蛭石混合的培養基質(營養土∶蛭石=7∶3),試驗培養裝置規格為直徑10 cm,高15 cm 的花盆。

1.2 試驗設計

將成熟飽滿花生莢果設(36±1)%、(43±1)%兩個含水量(其中(43±1)%含水量為收獲后未晾曬,(36±1)%含水量為收獲后晾曬1 d),分別置于2℃和-1℃下處理12 h,然后自然風干,組合為4 個處理,以自然風干成熟飽滿莢果為對照(CK),共計5個處理:CK,自然風干莢果,未受低溫脅迫;T1,含水量(36±1)%,2℃低溫處理;T2,含水量(36±1)%,-1℃低溫處理;T3,含水量(43±1)%,2℃低溫處理;T4,含水量(43±1)%,-1℃低溫處理。將浸種后的種子播于花盆中,每組處理25盆(每盆1粒),置于培養室內培養,溫度設置為25℃,期間每日保持12 h黑暗,12 h光照,空氣相對濕度穩定為75%。

1.3 測定指標與方法

出苗后10 d開始取樣,之后每4 d取樣一次,共取樣5次,每次每處理取樣3盆。取樣后,取植株倒三葉于自封袋中,置于-80℃冰箱保存,用于測定內源激素,采用酶聯免疫吸附測定法(ELISA)[24]。將植株分為地上和地下兩部分,于烘箱中105℃殺青30 min,然后75℃烘干到恒質量,冷卻至室溫,分別測定兩部分干物質量。

1.4 數據處理

試驗結果利用Excel 2019 進行數據處理和繪圖,利用DPS統計軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對不同含水量種子萌發植株干物質量的影響

2.1.1 地上部干物質積累

圖1結果顯示,花生地上部干物質量隨植株生育進程呈現逐漸升高的趨勢,出苗后10～18 d生長較為緩慢,18～22 d增長速率達到最大,最后一次取樣時(出苗后26 d)地上部干物質量達最大值。出苗后22～26 d,T1和T2處理地上部干物質量均顯著高于對照,T3處理顯著低于對照,T4與對照差異不顯著,出苗后26 d取樣時,相較于對照,T1、T2地上部干物質量分別增加24.38%、35.88%,T3處理降低18.23%。就生育期內地上部干物質量的總體趨勢而言:含水量36%(T1、T2)的種子萌發植株地上部干物質量總體高于含水量43%(T3、T4)的種子,并且在相同含水量下,處理均以-1℃處理(T2、T4)干物質量最高。

圖1 不同處理對花生地上部干物質量的影響Fig.1 Effect of different treatments on aboveground dry matter mass of peanut

2.1.2 地下部干物質積累

圖2顯示,花生地下部干物質量隨生育時期逐漸增加,10～14 d增長速率最大,出苗后26 d達到最大值。出苗后22～26 d,各低溫處理地下部干物質量均顯著高于對照,出苗后26 d 取樣時,相較于對照,T1、T2、T3、T4地下部干物質量分別增加63.39%、85.43%、15.35%和20.87%。地下部干物質量的總體積累趨勢與地上部干物質量積累趨勢相似:含水量36%(T1、T2)的種子萌發植株地下部干物質量總體高于含水量43%(T3、T4)的種子,并且在相同含水量種子處理下,均以-1℃處理(T2、T4)地下部干物質量最高。

圖2 不同處理對花生地下部干物質量的影響Fig.2 Effect of different treatments on underground dry matter mass of peanut

2.2 低溫脅迫對不同含水量花生種子萌發植株葉片內源激素的影響

2.2.1 玉米素核苷(ZR)

表1可見,在培養周期內,各處理花生功能葉片ZR含量均呈上升趨勢,其中T2、T4處理變化趨勢相似,在出苗后18 d達最大值;CK、T3處理變化趨勢相似,在出苗后26 d達最大值。出苗后18 d采樣時,T1處理功能葉片ZR含量最高,較CK、T3和T2處理分別高出3.54%、16.45%和14.76%;第26 d采樣時,CK 處理功能葉片ZR 含量最高,此時T3、T2、T1和T4處理的功能葉片ZR含量分別比CK 低2.50%、12.46%、13.30%和15.62%。由此表明,低溫脅迫和含水量處理種子對其萌發植株功能葉片ZR 含量均有影響:出苗后10～18 d,溫度和含水量越低的處理,功能葉片ZR 含量越高,出苗后18～22 d,低溫脅迫越輕、含水量越低的處理,功能葉片ZR 含量越高。

表1 不同處理下各取樣時期花生功能葉片ZR 含量 (ng·g-1)Table 1 ZR content of functional leaves at different sampling time under different treatments

2.2.2 生長素(IAA)

隨著處理種子萌發幼苗的生長,花生功能葉片IAA 含量在T1、T3和CK 處理下均呈逐漸下降趨勢;T2、T4處理均呈現先上升后下降的變化趨勢。出苗后第10 d采樣時,2℃處理(T1、T3)種子萌發幼苗功能葉片IAA 含量明顯高于CK和-1℃處理(T2、T4),此時,T1 比T2、CK 分別高出49.02%、39.00%,T3比T4、CK 分別高出41.39%、14.91%,表明種子含水量相同時,溫度越低,種子萌發幼苗功能葉片IAA 含量越高;出苗后第26 d采樣時,-1℃處理(T2、T4)IAA 含量明顯高于2℃處理(T1、T3)和CK 處理,在相同含水量43%情況下,-1℃處理的T4比2℃處理的T3和CK 分別高出51.23%和70.30%。以上結果表明,脅迫溫度和含水量越低,IAA 含量越高 (表2)。

表2 不同處理下各取樣時期花生功能葉片IAA 含量 (ng·g-1)Table 2 IAA content of functional leaves at different sampling time under different treatments

2.2.3 赤霉素(GA3)

研究發現,T2、T4處理下花生功能葉片GA3含量呈現高—低—高的動態變化,均在出苗后18 d降到最低值;T1、T3處理呈現先降低后升高的變化趨勢,分別在出苗后的26 d、22 d達到最大值。出苗后14 d采樣時,-1℃處理(T2、T4)的GA3含量顯著高于T1、T3和CK,T2比T1和CK 分別高出82.93%、45.78%,T4比T3和CK 分別高出99.84%、51.47%;出苗后22 d采樣時,T4比T3和CK 分別高出36.21%和13.54%,T2較T1高0.95%;出苗后26 d采樣時,36%含水量處理(T1、T2)GA3含量顯著高于CK 和43%含水量處理(T3、T4),T2 處理比T4、CK 分別高出50.15%、52.91%,T1 處理比T3、CK 分別高出32.29%、46.93%。綜上可見,出苗后10～22 d,GA3的變化趨勢與種子受脅迫溫度有一定相關性,脅迫溫度越低,GA3含量越高 (表3)。

表3 不同處理下各取樣時期花生功能葉片GA3含量 (ng·g-1)Table 3 GA3 content of functional leaves at different sampling time under different treatments

2.2.4 脫落酸(ABA)

表4可看出,在培養周期內,CK 和T3處理種子萌發花生幼苗功能葉片ABA 含量變化趨勢相近,均在出苗后26 d時達最大值;T2和T4處理趨勢相近,T1呈先高后低趨勢,在出苗后18 d達到最大值。出苗后18 d采樣時,各處理間均存在顯著差異,除T1處理外,其余處理均低于CK,由高至低依次為T1＞CK＞T3＞T4＞T2,表明在含水量相同時,脅迫溫度越低葉片ABA 含量越低;出苗后26 d采樣時,T2和T3處理葉片ABA含量顯著高于CK,T1和T4處理顯著低于CK,此時T2和T3 處理較CK 分別提升10.25%和12.63%,在36%含水量情況下,溫度越低葉片ABA 含量越高,在43%含水量情況下,隨溫度的降低,葉片ABA 含量逐漸降低。

表4 不同處理種子萌發幼苗各取樣時期花生功能葉片ABA 含量 (ng·g-1)Table 4 ABA content of functional leaves at different sampling time under different treatments

2.3 內源激素變化影響因素分析

取樣時間、取樣時間×種子脅迫溫度及取樣時間×種子含水量的交互作用,對種子萌發幼苗功能葉片4種內源激素含量均有極顯著影響。除GA3外,種子含水量對葉片ZR、IAA、ABA 含量均有極顯著影響,種子脅迫溫度對葉片ZR、IAA、GA3含量有極顯著影響,對葉片ABA含量有顯著影響,種子含水量與脅迫溫度的交互作用對葉片GA3含量影響不顯著,對ABA 和ZR、IAA 含量分別呈顯著和極顯著影響。取樣時期、種子含水量和脅迫溫度三者的交互作用對葉片ZR 含量無顯著影響,對葉片IAA、GA3、ABA 含量均呈極顯著影響?？梢?取樣時間可能對判斷種子脅迫溫度和含水量對萌發幼苗功能葉片內源激素含量的影響有一定干擾,具體還需進一步研究驗證 (表5)。

表5 種子脅迫溫度、含水量及幼苗取樣時期對花生葉片內源激素含量的影響Table 5 Effects of stress temperature and water content of seeds and sampling period on endogenous hormone content in peanut leaves

3 討論

種子含水量會影響其對低溫脅迫的耐受性[25]。干物質量是指示作物生長狀況的基本特征,而種子受到低溫脅迫后會導致萌發幼芽生長減緩,植株干物質量下降[26],林煜春[25]研究發現花生種子經過低溫處理后含水量高的種子生活力、出苗率及其發育植株的高度、葉綠素含量均下降。本研究也發現低溫脅迫(-1℃、2℃)后,含水量36%的花生種子發育植株苗期干物質積累總量明顯高于含水量43%的花生種子,這表明花生種子遭遇一定范圍的低溫脅迫后,含水量越高,受害越明顯,原因可能是由于種子含水量越高,脂肪酶和其他酶活性增強,呼吸作用加強[26],抗性降低,不利于抵御低溫脅迫。

低溫條件下,作物生長活力下降,為保證作物的生長,主要通過調控作物體內的內源激素含量調節植株的生理反應[27]。馬學才等[28]發現隨低溫處理時間的延長,ABA/IAA、ABA/GA3 的比值升高,通過增加ABA 的合成,同時適當減少IAA、GA3的合成來抵御低溫;趙彩霞[29]發現油菜可以通過積累ABA含量緩解低溫受到的脅迫;王興[30]研究發現小麥抗寒性強的品種IAA 含量高于抗寒性差的品種;田小霞等[31]在對薰衣草的研究中發現低溫影響植株體內GA3合成導致其含量降低,進而使植株生長速率減慢以適應低溫脅迫;閆世江[32]研究表明低溫脅迫的黃瓜種子萌發后葉片中內源激素(ABA、IAA、GA3)含量都較對照增幅顯著。在本研究中也發現相較于含水量,內源激素變化與低溫脅迫的相關性更強,并且隨低溫脅迫程度的增加,植物體的內源激素含量也逐漸增加。

探究不同含水量花生種子受低溫脅迫后萌發幼苗的生長和功能葉片中內源激素含量變化,對深刻理解低溫脅迫對花生種子活力的影響有積極意義。但本研究也發現,取樣時間、取樣時間×溫度及取樣時間×含水量的交互作用,對內源激素含量均有極顯著影響,表明在花生幼苗生長階段內源激素含量隨著植株生長變異較大。王寶卿[33]研究也發現甘薯苗期內源激素含量在時間上存在顯著差異,因此,取樣時期可能會干擾對含水量和低溫脅迫影響的判斷,具體還需開展進一步的研究驗證。

4 結論

花生種子含水量對受低溫脅迫后萌發幼苗的干物質積累量有顯著影響,呈種子含水量越高,受低溫脅迫后萌發幼苗的干物質積累量越低的趨勢;種子受低溫脅迫后萌發幼苗的功能葉片內源激素變化與低溫和含水量均有一定相關性,但受低溫脅迫的影響更顯著,因此,生產上應避免種子受到低溫脅迫危害,同時在花生種子貯藏期間應盡量降低其含水量。