三種植物提取物對棉花種子發芽及幼苗生長影響

周小云,張軍高,3,周佳玉,李 進,3,秦冰霜,梁 晶,龔靜云,雷 斌,3

(1.新疆農業科學院核技術生物技術研究所/農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091;2. 新疆作物化學調控工程技術研究中心/農業農村部鹽堿土改良與利用(干旱半干旱區鹽堿地)重點實驗室,烏魯木齊 830091;3.新疆綠洲興源農業科技有限責任公司,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】植物源生長調節劑是利用植物資源作為提取原料,經過特殊的提取方法提取物參與調控作物生長發育的活性成分,與化學合成的生長調節劑相比,植物源生長調節劑具有具有高效、低毒、純天然、易降解等優點[1]。當前研究發現多種植物源活性成分對農作物生長發育具有一定調控作用。因此,分析從植物源中提取的天然植物生長調節劑,應用于農業生產實踐對發展綠色農業具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】苦參提取物苦參堿(Matrine)對玉米[2]、綠豆[3]、小麥[4]種子萌發和幼苗生長具有促進作用;孜然提取物枯茗荃(Cuminaldehyde)對雙子葉植物和單子葉植物的廣譜生長抑制活性[5],抑制生長素誘導的燕麥胚芽鞘伸長抑制芽和根生長,并降低葉綠素含量和總酚類化合物[6, 7];曼陀羅提取物曼陀羅堿(Datumetine)對綠豆[8]和玉米[9]種子萌發、促進種苗的伸長等方面都有顯著優勢?？梢?具有植物生長調節劑功能的植物提取物對作物生長發育具有一定調控作用?！颈狙芯壳腥朦c】苦豆子(Sophraalopecuroides),孜然(Cuminumcyminum),曼陀羅(Euphorbiapekinensis)的甲醇提取物分別含有苦參堿[4]、曼陀羅堿[8,9]、枯茗醛[10]對作物生根發芽等具有調控的作用,但對棉花種子萌發與幼苗生長等相關研究卻鮮有報道。需研究不同植物甲醇提取物對棉花種子萌發和幼苗生長的影響?！緮M解決的關鍵問題】采用主成分分析法評價植物提取物對棉花生長活性最優的植物提取物,研究植物提取物對棉花種子萌發與幼苗的影響,為研制植物源農藥新產品提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試棉花品種為新陸早57號,由新疆農業科學院經濟作物研究所提供。

供試植物:孜然、曼陀羅和苦豆子三種植物(采自新疆農業科學院瑪納斯試驗站藥用植物基地),陰干、粉碎,過40目篩后裝入密封袋內保存備用。

1.2 方 法

1.2.1 植物提取物的制備

采用超聲波提取法提取植物樣品。分別稱取植物干粉50.0 g,加入甲醇(料液質量比為1∶10)進行提取,每次30 min重復提取3次;過濾3次,濾液在37.0℃減壓濃縮成浸膏,參照郭小強等[11]方法分別將浸膏配置成1.00 g/mL母液,放入4.0℃冰箱中保存備用。

1.2.2 種子萌發

采用沙培法進行種子萌發試驗。種子采用75%乙醇預處理10 min,再用10% NaClO處理40 min的方法進行表面消毒,用無菌水沖洗3次,晾干備用。以蒸餾水處理作為對照,將孜然、苦豆子和曼陀羅植物提取物母液按照活性成分濃度稀釋分別制備成100、10、1、0.1、0.01 mg/mL的溶液,分別記作:CK、C1、C2、C3、C4、C5、S1、S2、S3、S4、S5、E1、E2、E3、E4、E5。將棉種浸泡到所設濃度的孜然、苦豆子、曼陀羅植物提取物中,室溫條件下浸種10 h,然后使用吸水紙吸干棉種表面的水分,即得到植物提取物處理棉種,備用。經水洗凈的細砂烘干熱滅菌后回溫到室溫下,在發芽盒內加入1 000 g細砂和160 mL蒸餾水拌勻攤平,在發芽盒沙床上等距離擺放不同提取物處理的30粒棉種,覆沙300 g后加入48 mL蒸餾水;3次重復;將發芽盒置于25℃的光照培養箱(12 h光照、12 h黑暗)中培養。

1.2.3 測定指標

參照高榮岐等[12]方法計算發芽勢、發芽率、發芽指數以及活力指數等種子萌發指標:參照施成曉等[13]方法,測定棉花株高、側根數、莖粗、葉片數、干鮮物質重量等幼苗生長指標以及干物質轉化效率和呼吸消耗量等干物質轉移指標。使用尺子測量主根長度和側根發生區(根、莖交界處到最幼嫩側根之間的距離)長度,記錄主根上肉眼可見的長于1 mm 的一級側根數目。使用萬分之一電子天平測定棉花植株鮮重,于105℃烘干殺青30 min,70℃烘至恒重,記錄棉株干重。

參照呂麗榮等[14]方法。采用Li-6400 XT型便攜式光合儀(美國LI-COR公司),于棉花子葉期在人工氣候室測定棉花子葉的光合特性,每個處理隨機選取10株,取平均值。光合參數測定:使用LED 2×3型紅藍光源葉室,閉合式氣路,葉室溫度設為25℃,CO2濃度約為380.0 μmol/L,光合有效輻射(Photosynthetically effective radiation,PAR)設定為1 200.0 μmol/(m2·S)。光合氣體交換參數主要包括胞間凈光合速率(Net photosynthesis rate,Pn)、氣孔導度(Stomatal conductance,Gs)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular CO2concentration,Ci)、蒸騰速率(Transpiration rate,Tr)和氣孔限制值(Stomatal limiation)。

參照Williamson和Richardson[15]方法,計算各指標化感作用測定效應指數即反應指數(Response Index,RI)。

式中,G為正常發芽種子數,N為種子總數,Gt為第td統計的發芽數,Dt為Gt相對應種子出苗經歷時間(d);W1為發芽前隨機選的 10粒各處理種子干重(g),W2為發芽 12 d 后隨機選取的10 株幼苗的種子殘留物干重(g),W3為 12 d 后隨機選取的 10 株幼苗的干物質質量(g);C為CK值,T為處理值,RI>0為促進作用,RI<0為抑制作用,絕對值的大小與強度一致;Ci為胞間CO2濃度,Ca為空氣CO2濃度,閉合氣路下Ca=400.0 μmol/L;G0為 25℃第4 d統計的發芽種子數。

1.3 數據處理

利用Microsoft Excel 2010進行數據計算,SPSS Statistics 25.0軟件進行方差分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同植物提取物對棉花種子萌發的影響

研究表明,不同植物提取物對棉花種子發芽指標具有不同的影響。其中,與CK比較,1 mg/mL苦豆子提取物處理的棉種發芽率、發芽指數分別增加8.89%、7.10%,0.1 mg/mL孜然甲醇提取物處理的棉花種子發芽勢、發芽率、活力指數分別增加29.98%、8.00%、2.99%,達到顯著差異水平。另外100 mg/mL苦豆子、孜然及曼陀羅提取物處理的棉種發芽率分別降低62.23%、66.67%以及86.67%,發芽指數分別降低89.13%、94.66%以及94.61%,達到顯著差異水平。0.1 mg/mL孜然與1 mg/mL苦豆子甲醇提取物可以明顯提高棉花種子的萌發活力,3種植物的高濃度提取物則會明顯降低棉花的發芽指標,對棉花幼苗產生化感抑制的作用。表1

表1 不同植物提取物處理下棉花種子發芽指標比較

2.2 不同植物提取物對棉花幼苗農藝性狀影響

研究表明,不同植物提取物浸種對棉花幼苗生長具有不同程度的影響,并且提取物濃度的不同也會影響棉花幼苗的生長效果。其中,與CK比較,1 mg/mL苦豆子甲醇提取物處理的棉花幼苗的莖粗、主根長、須根數、鮮重、干重以及干物質轉運率分別提高24.61%、8.87%、20.00%、66.09%、50.00%以及4.90%,0.1 mg/mL孜然甲醇提取物處理的棉花幼苗的莖粗、主根長、須根數、鮮重以及干物質轉運率分別提高7.33%、6.59%、10.00%、51.72%以及2.79%,1 mg/mL苦豆子與0.1 mg/mL孜然甲醇提取物的株高分別降低11.73%與3.22%。1 mg/mL苦豆子與0.1 mg/mL孜然甲醇提取物對棉花的幼苗生長具有一定的促進作用。表2

2.3 不同植物提取物對棉花種子干物質轉移的影響

研究表明,不同植物提取物浸種對棉花種子干物質轉移具有不同程度的影響。其中,與CK比較,1 mg/mL苦豆子甲醇提取物處理的棉花幼苗的鮮重、干重以及干物質轉運率分別提高66.09%、50.00%和4.90%,0.1 mg/mL孜然甲醇提取物處理的棉花幼苗的鮮重以及干物質轉運率分別提高51.72%和2.79%。1 mg/mL苦豆子與0.1 mg/mL孜然甲醇提取物對棉花的種子干物質轉移具有一定的促進作用,提高種子內物質的代謝能力,使得芽苗健壯。表3

表2 不同植物提取物處理下棉花幼苗形態指標比較

2.4 不同植物提取物液對棉花幼苗光合特性的影響

研究表明,不同提取物處理對棉花幼苗光合特性具有一定影響,而且部分低濃度的提取物處理能夠提高棉花幼苗的光合特性。其中,與CK比較,1 mg/mL苦豆子甲醇提取物處理對棉花幼苗的氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度分別顯著提高5.21%、7.10%。0.1 mg/mL孜然甲醇提取物處理對棉花幼苗的凈光合速率、氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度分別提高12.90%、4.27%、5.33%,達到顯著差異水平,0.01 g/mL孜然甲醇提取物處理對棉花幼苗的凈光合速率、氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度分別提高9.68%、5.21%、4.98%,而蒸騰速率與氣孔限制值差異不顯著。1 mg/mL苦豆子、0.1 mg/mL孜然、0.01 g/mL孜然甲醇提取物處理可以提高棉花幼苗的光合能力,增加物質積累,促進棉苗生長。表4

表3 不同植物提取物處理下棉花幼苗干物質轉移相關指標比較

表4 不同植物提取物處理下棉花幼苗子葉光合特性比較

2.5 不同提取物化控效果的主成分排序

研究表明,總共提取4個主成分,主成分的特征值分別為7.00、1.92、1.20和1.04,貢獻率分別為53.88%、14.76%、9.20%和8.00%,累積貢獻率為85.83%,提取前4個主成分作綜合評價。1 mg/mL苦豆子提取物處理對棉花生長影響的綜合評價為2.29,在綜合評價分別排在第1位,0.1 mg/mL孜然提取物處理的綜合評價值次之。表5

表5 主成分比較

3 討 論

3.1植物提取物的活性成分對作物生長發育具有調控作用[16]。核桃葉的水浸提液對棉花種子萌發與幼苗生長均有抑制效應,且抑制作用隨著濃度的增高而增強[17];銀杏外種皮提取物能夠促進桑樹的生長以及改良桑葉的品質[18];香附[19]提取物可促進小麥等種子發育和生長加快。研究表明,低濃度的苦豆子甲醇提取物促進棉花幼苗生長,與苦豆子提取物促進黃瓜[20]和小麥[11]根系的形成和生長的研究結果一致。

3.2植物提取物對作物凈光合速率產生影響,增加或減少營養物質積累,進而影響產量。毛竹[21]提取液對浙江楠凈光合速率及幼苗生長呈現低促高抑的規律;銀杏[22]外種皮提取物提高了桑樹葉片的凈光合速率,從而增加了桑葉的產量。研究表明,苦豆子提取物處理提高棉花幼苗葉片的光合能力,促進棉花幼苗生長,可能是苦豆子提取物中含有某種物質涉及到更為復雜的生理生化過程,更利于植株葉片光合作用,從而提高光合能力,其機理需進行深入研究。

3.3由于棉花生長、凈光合速率等光合參數指標存在相互聯系,在對其進行評價時,不能只考慮某一個性狀或隨機某幾個性狀的優劣而應該對其進行全面系統科學綜合評價,而主成分分析法可以利用降維的方式用少數綜合指標代替原本較多的單個指標來綜合評價其作用效果,是一種有效的綜合評價方法。利用主成分分析可以鑒定與評價作物種子萌發期耐冷性、抗旱性和耐鹽堿能力[23, 24]。研究表明,各處理的棉花發芽率等發芽指標、株高等形態指標、凈光合速率等光合參數指標共13個指標中共提取4個主成分進行綜合評價,在綜合評價第1位的1 mg/mL苦豆子提取物處理明顯促進棉花種子萌發以及幼苗生長,對棉花種子化感效應最佳,苦豆子提取物在棉花生產上具有很好的應用前景,但對植物提取物高效提取方式、產品劑型、田間應用等,尚需進一步深入研究。

4 結 論

苦豆子、孜然和曼陀羅3種低濃度甲醇提取物對棉花種子萌發及幼苗生長具有不同程度調控作用,能提高棉種發芽率和活力指數,可增強棉花幼苗的莖粗,還能降低棉花幼苗株高的作用,可提高棉花幼苗光合作用,提高光能利用率,表現化感營養效應;苦豆子、孜然和曼陀羅3種高濃度甲醇提取物會顯著降低棉花種子的發芽指標,抑制棉花幼苗生長,表現化感毒害效應。1 mg/mL苦豆子提取物處理最優,0.1 mg/mL孜然提取物處理次之。