農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子萌發及生長的影響

戴 燚, 黃仁權, 高 永, 何安會, 蘇 躍

(貴州農業職業學院, 貴陽 551400)

作物生長過程中受多種因素的影響,其中水分是影響植物生長、產量及品質重要因素之一[1]。水分缺失達到一定閾值時,會顯著抑制種子萌發和幼苗生長,導致作物大幅減產,甚至植株死亡[2]。高粱(SorghumbicolorL.Moench)為禾本科高粱屬一年生C4植物[3],主要做為糧食和飼料以及釀酒原料。高粱具有較強的抗旱能力,但在種子萌發階段易受干旱因素的影響,種子萌發期是高粱生長發育的關鍵時期,對其群體數量和結構起決定作用[4-6]。因此,開展高粱種子萌發期干旱相關研究,對保障高粱高產穩產具有重要現實意義。

酵素是以動物、植物等經微生物發酵制得具有特定活性成分的制品,對作物有提高發芽率、促進植物生長發育、提高作物生長品質和產量等作用[7]。然而,關于酵素在高粱種子萌發方面的研究鮮有報道。因此,本研究以紅纓子和紅珍珠兩個高粱品種為試驗材料,研究農用植物酵素對干旱脅迫條件下高粱種子萌發和生長的影響,旨在探究農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子的緩釋作用,為高粱生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以貴州省農業科學院旱糧所提供的高粱品種(紅纓子和紅珍珠)為試驗材料,聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)購自北京索萊寶科技有限公司,酵素為貴州農業職業學院酵素研發團隊生產的農用植物酵素。

1.2 實驗方法

1.2.1不同濃度PEG-6000處理高粱種子

設置不同濃度(5%、10%、15%和20%)的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,分別用A 1、A 2、A 3和A 4表示,以清水作為對照(ck)。分別隨機挑選籽粒飽滿、大小均勻的紅纓子和紅珍珠種子各30粒,將不同濃度的PEG-6000溶液浸泡種子2 h,每個處理3次重復。采用培養皿紙上發芽法,在培養皿底部放置珍珠巖,覆蓋兩層濾紙,將種子置于濾紙上,處理液浸濕濾紙,置于28 ℃恒溫箱內培養。以種子露白作為萌發標準,每天定時觀察種子萌發數和發霉數,適時更換濾紙避免培養皿內水分蒸發導致處理液濃度變化,連續3 d種子萌發數未有增加視為萌發停止。

1.2.2不同濃度農用植物酵素處理高粱種子

稀釋不同濃度的農用植物酵素(200倍、400倍、600倍、800倍、1 000倍、1 200倍、1 400倍和1 600倍)對兩個高粱種子進行浸種,分別用B 1、B 2、B 3、B 4、B 5、B 6、B 7、B 8表示,以清水作為對照(ck)。隨機挑選籽粒飽滿、大小均勻的紅纓子和紅珍珠種子各30粒,將稀釋的不同濃度農用植物酵素對種子進行處理,方法同1.2.1。每個處理30粒種子,每個處理3次重復。

1.2.3酵素對干旱脅迫下高粱種子萌發的影響

用不同濃度(0、5%、10%、15%和20%)PEG-6000溶液處理種子,然后利用1.2.2篩選出最適高粱種子萌發的農用植物酵素分別處理干旱脅迫下的高粱種子,分別用ck 1、C 1、C 2、C 3、C 4表示,每個處理3次重復。計數方法同1.2.1。

1.3 指標測定

測定指標主要包括發芽率、發芽勢、發芽指數、發霉率、苗高以及根長。

發芽率/%=(發芽種子數/供試種子數)×100%;

發芽勢/%=(第4天種子萌發數/供試種子數)×100%;

發霉率/%=(發霉種子數/供試種子數)×100%;

發芽指數=∑Gt/Dt,

式中:Gt為第t天發芽種子數;Dt為相應的發芽天數。

1.4 數據處理與分析

利用Excel和SPSS 18.0軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同PEG濃度對高粱種子萌發的影響

如表1可知,兩個高粱種子在ck處理中發芽率、發芽勢及發芽指數均為最高,其中紅纓子發芽率、發芽勢及發芽指數分別為81.41%、21.11%及9.35,紅珍珠分別為80.00%、22.22%和9.30。隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子的發芽率、發芽勢及發芽指數均呈降低趨勢,當PEG-6000溶液濃度為20%時,紅纓子發芽率、發芽勢及發芽指數分別比ck降低了52.52%、14.44%和6.32,紅珍珠分別比ck降低了52.22%、15.55%和4.22,差異均達顯著水平。隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子發霉率均呈增加趨勢。說明干旱脅迫不但影響高粱種子萌發,也會影響種子發霉。

表1 不同PEG-6000濃度對高粱種子萌發的影響Table 1 Effects of different PEG-6000 concentrations on seed germination of sorghum

2.2 不同濃度農用植物酵素對高粱種子萌發的影響

如表2可知,不同稀釋倍數的農用植物酵素對高粱種子的萌發指標存在差異,但所有處理組發霉率均比ck處理低。隨著農用植物酵素稀釋倍數的增加,紅纓子種子發芽率和發芽指數呈先降低后升高再降低的趨勢。其中,當稀釋倍數為B 6(1 200倍)時,紅纓子種子發芽率和發芽指數達最大值,分別為82.33%和10.08,且此時種子發霉率最低(1.11%),比ck降低了8.89%,差異達顯著水平。隨著農用植物酵素稀釋倍數的增加,紅珍珠種子發芽率呈先降低后升高再降低的趨勢,當稀釋倍數為B 6(1 200倍)時,紅珍珠種子發芽率達最大值(85.56%),比ck增加了5.56%,差異達顯著水平,此時種子發霉率最低(1.48%)。說明一定濃度的農用植物酵素能促進種子萌發,并降低種子的發霉率。綜上所述,B 6處理組為最優處理,即農用植物酵素稀釋至1 200倍,將作為最佳處理濃度開展后續試驗。

表2 不同濃度農用植物酵素對高粱種子萌發的影響Table 2 Effects of different concentrations of agricultural plant Jiaosu on seed germination of sorghum

2.3 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子萌發的影響

2.3.1農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發芽率的影響

由圖1可知,隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子萌發率呈逐漸降低趨勢,當添加了稀釋1 200倍的農用植物酵素后,處于干旱脅迫的兩個高粱種子發芽率均得到提升。其中,在20%濃度PEG-6000溶液下種子萌發解除效果最明顯,添加農用植物酵素后,紅纓子和紅珍珠發芽率分別比脅迫條件下的種子提高了16.67%和37.78%,差異達顯著水平。說明稀釋1 200倍的農用植物酵素能解除高粱種子處于干旱脅迫條件下的影響,促進種子萌發。

圖1 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發芽率的影響Fig.1 Effects of agricultural plant Jiaosu on germination rate of sorghum seeds under drought stress

2.3.2農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發芽勢的影響

由圖2可知,整批種子發芽整齊度較差,發芽勢較低。隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子發芽勢呈先降后升再降的趨勢,當添加了稀釋1 200倍的農用植物酵素后,處于干旱脅迫的兩個高粱種子發芽勢均有不同程度的提升。其中,紅珍珠在20%濃度PEG-6000溶液下種子萌發解除效果最明顯,添加農用植物酵素后,發芽勢分別比脅迫條件下的種子提高了6.67%,差異達顯著水平。

圖2 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發芽勢的影響Fig.2 Effects of agricultural plant Jiaosu on germination potential of sorghum seeds under drought stress

2.3.3農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發芽指數的影響

由圖3可知,隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子發芽勢呈逐漸降低趨勢,當PEG-6000溶液濃度為20%時,發芽指數最低。當添加了稀釋1 200倍的農用植物酵素后,處于干旱脅迫的兩個高粱種子發芽指數均有不同程度的提升。

圖3 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發芽指數的影響Fig.3 Effects of agricultural plant Jiaosu on germination index of sorghum seeds under drought stress

2.3.4農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發霉率的影響

種子萌發過程中出現發霉對種子的萌發及幼苗的生長有重要影響,降低種子發霉率是提高種子萌發的一項重要措施。由圖4可知,隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子發霉率呈逐漸增加趨勢,當添加了稀釋1 200倍的農用植物酵素后,處于干旱脅迫的兩個高粱種子發霉率均有不同程度的降低。其中,在20%濃度PEG-6000溶液下,添加農用植物酵素后抑制種子發霉的效果最明顯,紅纓子和紅珍珠發霉率分別比脅迫條件下的種子降低了9.03%和10.78%,差異達顯著水平。說明稀釋1 200倍的農用植物酵素能抑制高粱種子發霉,進而提高種子萌發。

圖4 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子發霉率的影響Fig.4 Effects of agricultural plant Jiaosu on the mildew rate of sorghum seeds under drought stress

2.3.5農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子根長的影響

由圖5可知,種子萌發結束后對其種子根長進行測定,隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱種子根長呈逐漸降低趨勢,當PEG-6000溶液濃度為20%時,根長受抑制情況最嚴重,紅珍珠種子未長根。當添加了稀釋1 200倍的農用植物酵素后,處于干旱脅迫下的兩個高粱種子根長均有不同程度的提高。其中,紅珍珠在20%濃度PEG-6000溶液下,添加農用植物酵素后種子根生長效果最明顯,根長達1.03 cm,差異達顯著水平。

圖5 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子根長的影響Fig.5 Effects of agricultural plant Jiaosu on root length of sorghum seed under drought stress

2.3.6農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子苗高的影響

由圖6可知,種子萌發結束后對其苗高進行測定,隨著PEG-6000溶液濃度的增加,兩個高粱苗高降低程度較大。當PEG-6000溶液濃度為20%時,紅珍珠種子幾乎無生長。當添加了稀釋1 200倍的農用植物酵素后,處于干旱脅迫下的兩個高粱種子苗高均有不同程度的提高。其中,紅珍珠在20%濃度PEG-6000溶液下,添加農用植物酵素后種子苗高變化效果最明顯,苗高達0.9 cm,差異達顯著水平。

圖6 農用植物酵素對干旱脅迫下高粱種子苗高的影響Fig.6 Effects of agricultural plant Jiaosu on seedling height of sorghum seed under drought stress

3 結論與討論

高粱是重要的糧食和飼料作物之一,市場上需求量逐年增加,其中干旱是影響高粱產量的重要限制性因素。因此,探究適宜的方法解除干旱脅迫對農作物的影響,確保高粱高產穩產具有重要的現實意義。

3.1 干旱脅迫對高粱種子萌發的影響

干旱是影響作物種子萌發的重要因子,PEG-6000 常被用來模擬干旱環境進行萌發期抗旱鑒定[8-9]。王平等[10]利用17.5%的PEG-6000水溶液對575份高粱材料進行萌發期干旱脅迫,發現高粱萌發期不同材料間萌發率差異較大;王志恒等[11]認為,PEG-6000干旱脅迫能顯著抑制甜高粱種子的萌發指標。本研究發現,紅珍珠和紅纓子高粱種質對20%的PEG-6000水溶液最敏感,且隨著干旱脅迫程度的增加,高粱種子發芽率、發芽勢及發芽指數逐漸降低,后期的種子根長的生長也受到抑制。

3.2 農用植物酵素對種子萌發的影響

酵素可以迅速催化農作物秸稈、雜草、落葉等有機物質,并可以將其分解,形成腐殖質、沸石頁巖等礦物質,活化營養元素,增加作物產量[12]。 同時,酵素能促進作物種子萌發,提高種子發芽率。本研究發現,不同稀釋倍數的農用植物酵素對高粱種子的萌發促進作用不同,過高濃度或過低濃度的農用植物酵素會降低高粱種子萌發,但均會降低種子發霉率。當稀釋為1 200倍時對兩個高粱的萌發效果最好,紅纓子和紅珍珠的發芽率分別為82.33%和85.56%,種子發霉率分別為1.11%和1.48%,與對照相比差異顯著。說明稀釋為1 200倍的農用植物酵素對高粱種子的萌發促進效果最好,且能降低種子發霉率,可能是由于農用植物酵素自身在發酵的過程中產生某種物種,抑制霉菌的生長,從而促進種子的萌發,具體原因有待進一步研究。

3.3 農用植物酵素對逆境脅迫種子萌發的影響

酵素被廣泛應用到種植業、養殖業和食用菌生產中,但其在作物逆境脅迫下的研究較少。本研究發現,當添加稀釋1 200倍的農用植物酵素處理干旱脅迫條件下的高粱種子,其種子的萌發抑制得到解除,種子發霉率降低,根長和苗高均有提高,其中對PEG-6000溶液濃度為20%時的解除效果最為顯著。農用植物酵素不僅作為生產綠色食品的理想肥料,還可以在田間生產中作為緩沖劑,開發前景廣闊,但其緩釋機制有待進一步研究。

本研究表明,稀釋1 200倍的農用植物酵素濃度是紅纓子和紅珍珠高粱種子最適的萌發濃度,且該濃度的農用植物酵素能解除高粱種子在干旱脅迫條件下受到的影響,此結果僅為室內研究結果,還需進一步開展田間試驗,以探究農用植物酵素對高粱生產的作用規律,為高粱生產提供更為具體和科學的指導。