不同谷子品種萌發期抗旱鑒定及生理變化

柏 玲,馮國郡,胡相偉,趙 云,石書兵

(1.新疆農業大學農學院,烏魯木齊 830052;2.新疆農業科學院糧食作物研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】水資源短缺制約農業生產發展[1]。每年因干旱導致的糧食減產占氣象災害損失的50%左右[2]。谷子(Setariaitalica．Beauv)已經適應了干旱和半干旱地區的氣候條件和生態環境,具有耐旱、適應性廣、抗逆性強的特點,是一種優良的耐旱作物資源[3],目前在我國北方干旱地區廣泛種植。盡管谷子是耐旱作物,但干旱仍然是制約谷子生長發育和產量品質的主要因素之一。谷子雖然具有很強的耐旱品性,但品種間的不同耐旱性存在很大差異。因此,在使用耐旱品種種質資源之前,確保干旱條件下谷物產量的一個重要方法是鑒定抗旱品種[4]。由于不同生育時期作物抗旱性的內在機理不同,作物抗旱性鑒定可分為不同生育期的抗旱性鑒定,包括萌發期、苗期、開花期、灌漿期和全生育期的抗旱性鑒定。種子萌發期是作物抗旱的關鍵時期,種子發芽是整個作物生命周期的開始,是植物生命周期中最關鍵的階段,對水特別敏感。作物萌動階段直接影響著谷子出苗以及最后的產量形成[5],因而萌發期抗旱性鑒定更能代表其抗旱特性,尤為重要。【前人研究進展】聚乙二醇-6000(PEG-6000)常作為植物耐旱性選擇劑或水分脅迫劑來模擬干旱脅迫[6],高汝勇等[7]分析了十幾種谷物在萌發期干旱脅迫下的發芽率、根長、鮮重和活力指數等變化,并通過使用隸屬函數法來綜合評價其抗旱性。植物在干旱逆境下生長,其體內的保護酶活性就會增加,以此來維持植物正常的生長,因此可以通過測定植物體內的酶活性來鑒定其抗旱性[7]。朱永波等[8]發現,耐旱作物的耐旱性與其POD活性密切相關,耐旱性強的作物有較高的POD活性。【本研究切入點】目前,關于谷子的形態和生理特征與抗旱性之間的關系以及抗旱性的測定,已經開展了研究[9-11],但對于谷子萌發期抗旱性鑒定指標的選擇及生理特征變化情況還沒有達成共識。【擬解決的關鍵問題】研究采用20%PEG溶液對15個谷子品種模擬萌發期干旱脅迫,利用其表型特征進行抗旱性鑒定,測量各品種在干旱脅迫條件下SOD、POD、CAT和GR活性的變化情況,篩選出在萌發期抗旱性強的谷子品種,分析內在抗氧化酶活性對干旱脅迫的響應,為抗旱品種的田間驗證和育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試谷子品種15個,由新疆農業科學院糧食作物研究所提供。供試藥劑:聚乙二醇(PEG-6000),由中國醫藥集團有限公司生產。

表1 供試品種名稱及來源

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗以聚乙二醇溶液(PEG-6000,平均分子量6000)為滲透介質,模擬干旱中的水分脅迫,于2022年4～10月在新疆農業科學院糧食作物研究所實驗室進行。設1個對照(蒸餾水)和1個處理(20%PEG),3次重復,每次重復用種50粒。每份供試材料選取大小均勻,顆粒飽滿,無病蟲的種子進行消毒處理[12],放置在光暗培養箱中進行為期8 d的培養[2]。

1.2.2 指標測定

記錄發芽第2、4、6、8 d的種子萌發情況及發芽數,分別以第2 d和第8 d的發芽數量計算發芽勢、發芽率,并在萌發第8 d測量各處理的胚芽長、胚根長、鮮質量及干質量[2]。并以第2和8 d計算發芽勢、發芽率、活力指數[13]、抗旱指數[14]等指標。

各品種谷子第8 d在后結束培養,取出完整的有胚根和胚芽的種子材料,蒸餾水輕輕沖洗后用濾紙吸干,從各處理均取樣0.1 g,冰浴研磨并提取酶原液,測定各品種的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性[15]。

1.3 數據處理

利用Microsoft excel 2010對原始數據進行運算與處理,采用SPSS 21.0對各性狀數據進行方差分析,使用隸屬函數值法進行綜合抗旱鑒定,應用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫后谷子發芽勢和發芽率的變化

研究表明,干旱脅迫后15個品種谷子種子發芽勢均出現下降現象。干旱脅迫后,龍谷28、冀谷19和濟谷12發芽勢較對照下降幅度較大,降幅依次為75.00%、54.55%、和43.66%,達到極顯著差異;龍32、豫谷23、公谷67號、張雜谷19號和壩谷214的發芽勢降幅較小,分別為8.33%、5.06%、5.44%、1.21%和9.32%,未達到顯著差異。

15個品種谷子種子發芽率在干旱脅迫后較對照也均有不同程度下降。干旱脅迫后,九谷33、龍谷28和壩谷214的發芽率較對照下降幅度較大,降幅依次為21.05%、23.68%和19.72%,達到極顯著差異;濟谷12發芽率降幅最小,為0.65%。表2

表2 干旱脅迫下的谷子種子發芽勢和發芽率

2.2 干旱脅迫后谷子主胚根長和芽長的變化

研究表明,干旱脅迫后谷子種子主胚根長除九谷33、蒙豐谷7號、濟谷12以外均低于對照。干旱脅迫下,公谷67號、張雜谷19號、制1-16H、冀谷19和九谷11主胚根長降幅較大,分別為56.12%、54.30%、54.93%、55.43%和59.94%,達到極顯著差異;而九谷33、蒙豐谷7號、濟谷12主胚根長較對照有所升高,升幅分別為1.56%、 226.81%、 27.02%。

干旱脅迫后谷子種子芽長除蒙豐谷7號以外較對照均有所下降。干旱脅迫下,冀谷19芽長與對照相比降幅最大為60.92%,達到極顯著差異;濟谷12芽長降幅最小為4.79%,差異不顯著;而蒙豐谷7號胚芽長較對照有所升高,升幅分別為33.88%。表3

表3 干旱脅迫下的谷子種子主胚根長和芽長變化

2.3 干旱脅迫后谷子芽鮮質量和芽干質量變化

研究表明,供試谷子品種芽鮮質量在干旱脅迫后除九谷33、蒙豐谷7號、濟谷12以外均下降。干旱脅迫下,13H616芽鮮質量降幅最大,為79.41%,極顯著低于對照;九谷33和濟谷12芽鮮質量降幅最小,為0.00%;而蒙豐谷7號芽鮮質量較對照有所升高,升幅分別為164.70%。其余品種芽鮮質量降幅介于24.53%～57.89%。

干旱脅迫后谷子芽干質量除九谷33、蒙豐谷7號、濟谷12以外均出現下降。干旱脅迫下,13H616芽干質量降幅最大,為71.43%;龍谷28芽干質量降幅最小,為0.00%;而九谷33、蒙豐谷7號、濟谷12芽鮮質量較對照有所升高,升幅分別為14.29%、150.00%、0.01%。其余品種芽干質量降幅介于9.09%～42.86%。表4

表4 干旱脅迫下的谷子種子芽鮮質量和芽干質量變化

2.4 抗旱等級分類

研究表明,按照D值進行從大到小排序,變幅范圍為0.04～0.69,其中蒙豐谷7號的綜合D值最大達到0.685,而其萌發抗旱指數、相對發芽勢和相對胚根長的隸屬函數值表現并不突出,分別為0.472、0.456和0.389;龍32的綜合D值排第二達到0.679,而其相對胚芽長、相對芽干重的隸屬函數值分別只有0.282、0.243;濟谷12的綜合D值排第三達到0.677,而相對芽干重和活力抗旱指數的隸屬函數值分別只有0.320、0.188;15個谷子品種的耐旱綜合D值排名為蒙豐谷7號>龍32>濟谷12>九谷33>龍谷28>豫谷23>公谷67號>隴谷17>張雜谷19號>制1-16H>壩谷214>冀谷19>九谷11>夏谷2號>13H616,其中13H616的綜合D值最小為0.04,品種抗旱性最差。強抗旱型品種5個(抗旱分級:0.6～1.0);中度抗旱型品種4個(抗旱分級:0.4～0.6);干旱敏感型品種5個(抗旱分級:0.2～0.4)、干旱極敏感型1個(抗旱分級:0.0～0.1)。表5

2.5 干旱脅迫下抗氧化酶活性的變化

2.5.1 干旱脅迫下SOD活性的變化

研究表明,在正常用水情況下各品種谷子的SOD值也存在一定差異,而在干旱脅迫下各品種谷子的SOD值較對照均有顯著升高,但升高幅度因品種不同而存在差異。其中干旱處理后SOD活性表現最高的是龍32號品種為230.75 U/g,與對照(CK)相比提高了93.23 U/g,達到顯著差異,且是眾多品種中增幅最大的;次之是蒙豐谷7號和九谷33品種,SOD值分別為185.17 和173.32 U/g,較對照相比分別提高了29.56、13.03 U/g,也達到顯著差異;而13H616品種的SOD值表型最低為139.27 U/g,較對照相比提高了16.48 U/g。超氧化物歧化酶SOD值的積累有助于提高植物的免疫力,龍32號、蒙豐谷7號和九谷33的抗旱能力相對更強。圖1

圖1 干旱脅迫下谷子超氧化物歧化酶活性變化

2.5.2 干旱脅迫下POD活性的變化

研究表明,不同品種谷子的POD活性對干旱脅迫的響應結果與SOD活性基本相一致,均有所升高,但升高幅度因品種不同而存在差異,且各處理下各品種間差異均達顯著水平。其中干旱處理后POD 活性表現最高的是九谷33品種值為123.20 U/g,與對照(CK)相比提高了23.69%,達到顯著差異;次之是龍32和蒙豐谷7號品種,POD值分別為80.20和79.00 U/g,較對照相比分別提高了7.80%、34.81%;也達到顯著差異;而13H616品種的POD值表型最低為37.60 U/g,較對照相比提高了9.30%。POD值的積累有助于提高植物的抗逆性,九谷33、龍32號和蒙豐谷7號的抗旱能力相對更強,13H616品種的抗旱能力最弱。圖2

圖2 干旱脅迫下谷子過氧化物酶活性變化

2.5.3 干旱脅迫下CAT活性的變化

研究表明,與對照相比,不同谷子品種CAT活性在水分脅迫條件下都明顯提高,但不同抗旱性品種酶活性上升的幅度不同,谷子在受到干旱脅迫后體內的CAT活性會提高,但不同品種的提高幅度會有所差異。抗旱性較強的品種如九谷33、龍32、蒙豐谷7號、濟谷12在干旱脅迫下的CAT活性值分別達到82.74、85.45、74.60和71.89 U/g,與對照相比分別提高了8.16、8.58、2.02和4.75 U/g。抗旱性較弱的品種如張雜谷19號、制1-16H、冀谷19、夏谷2號在干旱脅迫下的CAT活性值分別為30.39、29.84、27.81和28.80 U/g,與對照相比分別提高了9.36、10.85、10.85和6.10 U/g。圖3

圖3 干旱脅迫下谷子過氧化氫酶活性變化

2.5.4 干旱脅迫下GR活性的變化

研究表明,與對照相比,不同谷子品種 GR 活性在干旱脅迫條件下都有所提高,但不同抗旱性品種酶活性上升的幅度有所差異。其中干旱脅迫后谷子的GR活性由高到低的品種排序為:隴谷17>龍32>張雜谷19號>制1-16H>冀谷19>公谷67號>龍谷28>13H616>龍谷33>蒙豐谷7號>夏谷2號>濟谷12>九谷11>豫谷23>壩谷214。圖4

圖4 干旱脅迫下谷子谷胱甘肽酶活性變化

3 討 論

PEG-6000(聚乙二醇)具有良好的親水性,加入水中可以降低溶液水勢,進而很好的模擬干旱脅迫,應用廣泛[16-18]。王星宇等[19]研究發現,干旱脅迫、品種和二者交互作用均可顯著影響燕麥種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和抗旱指數等發芽及抗旱性相關指標。吳秀寧等[20]對黑小麥種子萌發研究發現,干旱脅迫后,黑小麥發芽勢、發芽率、主胚根長、芽長、根干質量和芽干質量較對照均有不同程度下降。試驗研究也發現,干旱處理后不同品種谷子發芽勢、發芽率、胚芽長、胚根長、芽鮮重、芽干重幾乎均有所降低,與前人研究基本一致。但蒙豐谷7號胚芽長、胚根長、芽鮮重、芽干重在干旱脅迫下卻分別顯著提高了33.88%、226.81%、164.70%、155.00%,該品種可能在低于正常水分下性狀表現更加良好,但是否適用于整個生育時期還不能下決定,仍需要進一步研究論證。

鑒定不同品種的抗旱性,需要結合多個指標進行綜合評價[21]。不同谷子品種測定的指標反映谷子對干旱脅迫的耐受能力不同,而用單一指標不能準確反映不同品種對逆境的耐受能力,且不同指標最終表示的結果也存在一定差異[22]。隸屬函數法可綜合多個指標,得到的D值是介于[0-1]區間上的無量綱的純數,使品種間抗逆性具有可比性,能較全面的反映不同品種在逆境中的耐受能力,更能直觀準確的反映其綜合抗旱能力[23-24]。裴帥帥等[22]利用隸屬函數法綜合篩選出耐干旱谷子品種。研究中,基于綜合D值,將供試谷子品種進行耐旱排序,其中蒙豐谷7號、龍谷32、濟谷12排名前三,D值分別為0.685、0.679、0.677,較為耐旱。作物的整個生育期中萌發期只是一個比較重要的時期,萌發期抗旱鑒定不能完全代表整個生育期,故而供試品種在其他生育階段的抗旱性以及其遭受干旱脅迫后和產量品質的關系,還需進一步研究。

植物在生長過程中形成了對活性氧的完善防御系統,并在干旱條件下保持相對正常的生長,它們通過提高生物體內的SOD、POD和CAT活性來保護生物膜系統,減少膜脂質過氧化,實現對活性氧的清除,減輕作物的缺水損害,顯示了植物在惡劣干旱條件下的適應能力[25]。植物的抗逆特性實質上是一個相互交叉、錯綜復雜的生理變化過程。在進行品種耐旱性鑒定時,只通過表型來鑒定有時候結果可能存在偏差,此時可以注重其內在生理變化來進一步明確其抗旱機理[26]。不良環境中,植物體內生理生化特性會呈現一定的變化,SOD、POD、CAT活性的增加能增強活性氧的代謝,提高植物在不良環境中的耐受性[27]。麥苗苗等[28]研究表明95%～345%PEG預處理連香樹種子,能提高保護酶SOD、POD和CAT的活性。試驗在研究了不同品種谷子表型耐旱鑒定之后,進一步對比了其內在抗氧化酶SOD、POD、CAT、GR的變化,明確其對谷子干旱脅迫的響應機理。結果表明,在干旱脅迫下,所有品種谷子的抗氧化酶活性均有所提高,另外,耐旱性品種本身抗氧化酶活性就比較高且能夠維持較高的SOD、POD、CAT活性,但GR活性并不完全一致,有待進一步研究。

4 結 論

15個谷子品種的抗旱性劃分4個等級,其中強抗旱型品種5個、中度抗旱型品種4個、干旱敏感型品種5個、干旱極敏感型1個。并且,進一步對其內在的抗氧化酶活性進行測定,發現不同谷子品種的抗氧化酶SOD、POD、CAT、GR活性在干旱脅迫條件下都有所提高,但提高幅度存在一定差異。谷子萌發期內在SOD、POD、CAT活性與表型指標綜合D值基本吻合一致,但GR活性存在一定差異。在干旱脅迫條件下,不同谷子品種萌發期抵御干旱內在抗氧化酶主要是SOD、POD、CAT,而GR關聯較小。