不同硅處理方式對干旱脅迫下大麥萌發(fā)的影響

宋凌宇,齊軍倉,張 松,邱 英,尚紀(jì)霏,馮彩軍

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】大麥抗逆性強(qiáng),常被作為先鋒作物[1]。干旱影響作物播種、出苗和生長發(fā)育的重要因素,也是我國北方雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)大麥種植的主要制約因素[2]。種子萌發(fā)期對水分非常敏感,土壤干旱會影響種子的萌發(fā),不利于后期田間生產(chǎn)管理和作物產(chǎn)量構(gòu)成,嚴(yán)重威脅作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[3],大麥產(chǎn)業(yè)需要提高自身競爭力[4]。選育抗旱的大麥品種對提高大麥在干旱脅迫下的耐受力有重要意義。【前人研究進(jìn)展】硅可以促進(jìn)種子萌發(fā)和植物生長發(fā)育,并且能在一定程度上提高植物對部分生物脅迫和非生物脅迫的抗性。陳花等[5]使用硅培養(yǎng)液對蕎麥種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)對種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)有顯著提升,對發(fā)芽率的影響不顯著。適宜的硅濃度對低溫脅迫下春小麥種子萌發(fā)有促進(jìn)作用[6]。目前常用的硅處理方法有兩種,一種是使用硅溶液進(jìn)行浸種處理,另一種是在種子發(fā)芽的培養(yǎng)過程中往發(fā)芽盒里加硅培養(yǎng)液進(jìn)行處理。前者是在種子萌發(fā)的吸脹過程中硅已經(jīng)開始對種子產(chǎn)生影響,類似于種子引發(fā)的原理[7,8];后者是主要通過種子根系吸收硅進(jìn)入植物體進(jìn)而影響發(fā)芽過程,大麥根系含有的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Lsi1和Lsi2)是硅轉(zhuǎn)運(yùn)通道的重要組成[9,10]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于兩者對種子萌發(fā)的影響機(jī)制不同,不同處理方式下不同硅濃度處理對干旱脅迫下大麥種子萌發(fā)的影響可能存在差異,尚沒有關(guān)于這兩種處理方式間的對比。需研究兩種處理方式下不同濃度的硅對干旱脅迫下大麥萌發(fā)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新啤6號為材料,測定種子發(fā)芽指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)和生物量,采用主成分分析法和隸屬函數(shù)法對其分析后做出綜合評價,分析兩種處理方式之間的差異并篩選出促進(jìn)種子萌發(fā)和植株抗旱性的最佳硅處理方式和硅濃度,為研究硅對種子萌發(fā)生理和植株抗旱生理的影響機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為目前新疆主要種植的啤酒大麥品種新啤6號,2020年收獲于石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)站(44°18′47″N,86°3′31″E)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),分別通過在種子發(fā)芽前使用硅溶液浸種(A處理)和在種子發(fā)芽的培養(yǎng)過程中向發(fā)芽盒里加硅培養(yǎng)液(B處理)兩種方式對新啤6號大麥種子進(jìn)行處理。采用濃度(W/V)23%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,分別使用0.0(CK)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液浸種,進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。

選取大小均一,飽滿無破損的新啤6號種子,先用10%的次氯酸鈉溶液消毒10 min,蒸餾水清洗5～6次后用吸水紙濾干水分。A處理使用0.0(CK1)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液在黑暗中浸種24 h,在第12 h更換一次浸種液,用蒸餾水將種子洗凈。在消毒的發(fā)芽盒里鋪上4張濾紙,加入40 mL 23%的PEG-6000溶液。選取露白的種子均勻擺在發(fā)芽盒中,每盒50粒,每個濃度處理做3次重復(fù)。B處理用等量蒸餾水在黑暗中浸種24 h,在第12 h更換蒸餾水,洗凈并濾干水分。在消毒的發(fā)芽盒里鋪上4張濾紙,加入40 mL以20%PEG-6000為溶劑配置的0.0(CK2)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液,其他同A處理。將所有發(fā)芽盒放置在培養(yǎng)箱中培養(yǎng),溫度為25℃,每日光照時間12 h,濕度適宜、穩(wěn)定。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 測定種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

大麥種子第3 d的發(fā)芽總數(shù)占供測種子粒數(shù)的百分比為發(fā)芽勢,第7 d種子發(fā)芽數(shù)占供測種子總數(shù)的百分比為發(fā)芽率。計(jì)算發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)。

式中,Gt為發(fā)芽試驗(yàn)終期內(nèi)每日發(fā)芽數(shù),Dt為發(fā)芽日數(shù)。

活力指數(shù):VI=S×GI.

式中,S為發(fā)芽第7 d時的植株鮮重。

1.2.2.2 測定種子根長、芽長、芽鞘長和根數(shù)

發(fā)芽第7 d時每個發(fā)芽盒分別隨機(jī)選取5株大麥幼苗測量植株的根數(shù)、芽長、芽鞘長和最長根的根長。

1.2.2.3 測定種子根、芽的鮮重和干重

發(fā)芽第7 d時每個發(fā)芽盒分別隨機(jī)選取20株大麥幼苗植株測量根和芽的鮮重,然后放入烘箱,在105℃下殺青30 min,80℃烘干至恒重,測量根和芽的干重,根和芽的干重比為根芽比。

1.2.2.4 綜合抗旱評價

分別采用主成分分析法和隸屬函數(shù)法對大麥幼苗的抗旱性進(jìn)行綜合評價[11]。主成分分析法通過SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行主成分分析。隸屬函數(shù)法是計(jì)算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值并求平均值(R),計(jì)算公式為[12]:

對于與植物抗旱性呈正相關(guān)的指標(biāo):隸屬函數(shù)值R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中,R(Xi)為某個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,Xi為某個指標(biāo)的測量結(jié)果,Xmax和Xmin為所有處理中某個指標(biāo)的最大值和最小值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel2016和sigmaplot14.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和圖表制作,采用單因素ANOVA分析進(jìn)行方差分析并使用Fisher LSD法進(jìn)行差異顯著性分析。通過SPSS19.0運(yùn)用主成分分析法對A、B處理下不同硅濃度的作用進(jìn)行綜合評價,采用隸屬函數(shù)法對所有處理進(jìn)行綜合評價并排名。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對干旱脅迫下大麥種子萌發(fā)的影響

研究表明,A、B兩種處理方式下各濃度處理的種子的發(fā)芽率在前5 d增長迅速,第5 d后趨于穩(wěn)定。A處理下,1.0、1.5、0.5和2.0 mmol/LNa2SiO3·9H2O溶液浸種處理的種子發(fā)芽率增長最快的時間段均為第1 d～第2 d,增長率分別為60.67%、47.33%、40.67%。B處理下,CK1、0.5、1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理的種子發(fā)芽率在第2 d～第3 d增長最快,增長率分別為26.67%、29.33%和30.67%;1.5、2.0 mmol/LNa2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理的種子發(fā)芽率增長最快的時間段為第1 d到第2 d,增長率分別為35.55%和41.33%。適宜濃度的硅可以提高種子的發(fā)芽速度,尤其是在發(fā)芽前期。圖1

A、B處理下均有相應(yīng)濃度的硅可以促進(jìn)種子萌發(fā)并提高種子活力。A處理下,隨著硅濃度的增加,種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,而各處理的種子發(fā)芽率沒有顯著差異。在干旱脅迫下1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液引發(fā)處理的大麥發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)達(dá)到最大,顯著高于其他處理。相對于CK1處理,種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著提高62.33%、44.45%和125.88%。B處理下,隨著硅濃度的增加,發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,而發(fā)芽勢隨濃度增加而增加。在干旱脅迫下,CK2和0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O濃度處理的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均無顯著差異。1.0、1.5和2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著高于CK2,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理的發(fā)芽率顯著高于其他處理。所有發(fā)芽指標(biāo)均在2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理下達(dá)到最大值,分別相比CK2增加52.86%、4.32%、34.07%和90.46%。A處理下1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O濃度和B處理下2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O濃度對大麥種子發(fā)芽的促進(jìn)效果最佳。圖2

圖1 不同硅處理方式下大麥種子每日的發(fā)芽變化

2.2 硅對干旱脅迫下大麥幼苗根和芽的影響

研究表明,2種硅處理方式下均有相應(yīng)的硅濃度顯著促進(jìn)干旱脅迫下大麥幼苗根和芽的生長。對于不同形態(tài)指標(biāo),特定濃度的硅處理具有最佳的促進(jìn)效果。A處理下,各濃度的硅均能一定程度的增加干旱脅迫下大麥幼苗的根長、芽鞘長、芽長和根數(shù),且促進(jìn)效果呈先增加后降低的趨勢。1.0和1.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液處理顯著提高了根長,相對于CK1分別增加了1.05和0.73 cm;1.0和0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液處理顯著提高了芽長和根數(shù),芽長增加了0.48和0.35 cm,根數(shù)增加了0.34和0.20條;而0.5、1.0和1.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液浸種處理均能顯著提高芽鞘長,分別增加了0.41、0.84和0.28 cm。B處理下,隨著硅濃度的增加大麥幼苗的根長、芽長、芽鞘長呈增加趨勢,而各濃度間的幼苗根數(shù)無顯著差異。相對于CK2,1.5和2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理后根長顯著提高了22.2%和38.9%,芽長提高了41.4%和54.9%,芽鞘長提高了44.2%和80.6%;0.5mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理后與CK2無顯著差異。兩種硅處理方式均可以加快種子發(fā)芽進(jìn)程,促進(jìn)大麥幼苗在干旱條件下的生長。A處理方式下,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液的促進(jìn)效果最顯著;B處理方式下,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液的促進(jìn)效果最顯著。表1

圖2 硅處理干旱脅迫下大麥發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)變化

2種硅處理方式下不同硅濃度對大麥幼苗根和芽的重量也有相應(yīng)的促進(jìn)作用,而且同一濃度的硅對根和芽的促進(jìn)程度不同。A處理下,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液引發(fā)處理下根和芽鮮重分別是CK1的1.39倍和2.15倍;根和芽干重分別為CK1的1.31倍和1.82倍;根芽比是CK1的0.72倍,隨著硅濃度增加根芽比呈先降低在增加的趨勢。B處理下,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理下根和芽的鮮重分別是CK2的1.26和1.99倍;根和芽干重分別是CK2的1.22和1.67倍;根芽比是CK2的0.73倍,隨著硅濃度增加根芽比呈降低趨勢。2種處理方式下同一濃度的硅對大麥幼苗芽的促進(jìn)作用強(qiáng)于根。表2

表1 硅處理干旱脅迫下大麥幼苗根長、芽長、芽鞘長和根數(shù)變化Table 1 Effects of silicon treatment on root length, bud length, bud sheath length and root number of barley seedlings under drought stress

表2 硅處理干旱脅迫下大麥幼苗根和芽重量變化Table 2 Effects of silicon treatment on root and bud weight of barley seedlings under drought stress

2.3 硅對大麥幼苗抗旱能力影響的綜合評價

2.3.1 主成分分析評價

研究表明,A處理方式下,2個特征值大于1的主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率為95.912%。種子發(fā)芽指標(biāo)、幼苗形態(tài)指標(biāo)和生長量共13個變量因子載荷均較高,只有根芽比的因子載荷為負(fù)值。A處理提取的第1主成分為活力指數(shù)、根鮮重、芽鞘長、芽干重、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢;第2主成分為根干重、芽長、發(fā)芽率、根冠比和根數(shù)。B處理提取的第1主成分為發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根鮮重、芽長、芽鮮重和芽干重。表3,表4

表3 硅處理下大麥幼苗主成分列表及方差貢獻(xiàn)率Table 3 Component list and percentage of variance of barley seedlings under silicon treatment

表4 硅處理下大麥幼苗主成分因子載荷矩陣Table 4 Component factor load matrix of barley seedlings under silicon treatment

A處理下隨著硅濃度增加植株抗旱性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O浸種處理的綜合得分最高,抗旱性最強(qiáng);B處理下隨著硅濃度增加植株抗旱性呈增加趨勢,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培養(yǎng)液處理的綜合得分最高,抗旱性最強(qiáng)。選擇出了A、B處理下的各自最佳濃度。表5

2.3.2 隸屬函數(shù)法評價

研究表明,對大麥幼苗抗旱性促進(jìn)效果最佳的是A處理1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O的處理,其次是B處理2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O的處理,只有B處理方式下2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O處理的評價低于對照。表6

表5 硅處理下大麥幼苗抗旱能力的主成分綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation on drought resistance ability of barley seedlings under silicon treatment

3 討 論

大麥種子萌發(fā)期的的發(fā)芽指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)和生物量可以作為抗旱性鑒定指標(biāo)[13],且彼此之間存在一定相關(guān)性,因此采用主成分分析法全面而準(zhǔn)確地評價不同濃度的外源硅引發(fā)處理對大麥抗旱性的影響。硅可以促進(jìn)正常條件下的種子萌發(fā)[14],還可以提高逆境條件下種子萌發(fā)的抗逆性[13]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適宜濃度的硅浸種處理可以顯著提高干旱脅迫下大麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù),而發(fā)芽率無顯著差異,這與陳花等人研究正常條件下硅對蕎麥萌發(fā)的影響結(jié)果一致[5];而適宜濃度的硅培養(yǎng)液處理可以顯著提高干旱脅迫下大麥種子的發(fā)芽率,有學(xué)者證明硅可以提高水稻種子的萌發(fā)率[15],也可以顯著提高低溫下春小麥的發(fā)芽率[16]。這可能是由于不同處理方式和不同作物種子產(chǎn)生的差異,大麥本身是抗逆性較強(qiáng)的作物,浸種后種子具有一定含水量,使種子可以在一定的干旱程度下達(dá)到發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),所以不同濃度的硅對大麥發(fā)芽率影響不顯著。

硅引發(fā)對種子萌發(fā)的促進(jìn)作用存在濃度效應(yīng)[16,17]。浸種處理下硅對干旱脅迫下大麥種子萌發(fā)有濃度效應(yīng),1.0 mmol/L濃度下的硅處理效果最顯著。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)硅對水培條件下紫花苜蓿種子發(fā)芽沒有濃度效應(yīng),各濃度處理下的種子發(fā)芽率不顯著[17],這與硅培養(yǎng)處理的結(jié)果類似,也可能是由于該處理下硅濃度范圍不夠。在該范圍內(nèi)最大硅濃度2.0 mmol/L下的硅處理效果最顯著。

干旱會抑制種子的萌發(fā)和根、芽的生長,所以發(fā)芽指標(biāo)和根、芽的生長指標(biāo)均可以反映種子的抗旱性。通過主成分分析法對大麥抗旱性進(jìn)行鑒定,綜合大麥萌發(fā)和幼苗的相關(guān)指標(biāo),評價不同濃度硅處理的效果。結(jié)果硅浸種處理下抗旱性由強(qiáng)到弱依次為1.0>0.5>1.5>2.0>CK1,硅培養(yǎng)處理效果下抗旱性由強(qiáng)到弱依次為2.0>1.5>1.0>CK2>0.5。

4 結(jié) 論

硅可以促進(jìn)大麥種子萌發(fā)并提高種子的抗旱性。干旱脅迫下適當(dāng)濃度的硅浸種處理和硅培養(yǎng)處理后的種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)顯著提高,并促進(jìn)了大麥幼苗根和芽的生長。1.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O浸種處理效果和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液培養(yǎng)效果均顯著高于對照,分別排名為第1和第2。1.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O浸種效果最佳,可以用于實(shí)際生產(chǎn)時的種子處理。