維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)及幼苗生理生化指標(biāo)的影響

盧海博, 謝世興, 張佳琪, 趙冰欣, 王明杰,張付強(qiáng), 劉松濤, 趙海超, 黃智鴻

(1.河北北方學(xué)院,河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 張家口 075000;2.北京中捷四方生物科技有限公司, 北京 101100)

植物激活蛋白不僅能夠增強(qiáng)植物抗蟲(chóng)、抗病和抗逆能力,還能促進(jìn)植物生長(zhǎng)[1],可通過(guò)激活植物不同代謝途徑的信號(hào)傳導(dǎo)而激活植物的免疫系統(tǒng),提高植物免疫力,也可通過(guò)調(diào)節(jié)代謝系統(tǒng),促進(jìn)植物地上部、地下部生長(zhǎng)和葉綠素含量提高,從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]。

維大力(VDAL)是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院用大麗花輪枝孢激活蛋白創(chuàng)制成的新型生物工程蛋白干粉制劑,它是一種激活蛋白,能夠誘導(dǎo)植物的防衛(wèi)反應(yīng),促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育,改善作物品質(zhì),提高產(chǎn)量,是一種新型的廣譜、高效、多功能產(chǎn)品[4-5]。

前期針對(duì)植物激活蛋白在黃瓜、蘋(píng)果、棉花、小麥等作物上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。以大麗花輪枝孢激活蛋白干粉制劑(VDAL)研究黃瓜貯藏前與貯藏4 d后幼苗質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)以及定植后3～6 d恢復(fù)生長(zhǎng)情況,結(jié)果表明,1.25 g/L大麗花輪枝孢激活蛋白處理可以顯著增強(qiáng)黃瓜幼苗的耐貯運(yùn)性,與其他處理相比,該處理濃度貯藏過(guò)程中葉綠素含量穩(wěn)定,定植后恢復(fù)生長(zhǎng)快,表明育苗期葉面噴施適宜濃度的大麗花輪枝孢激活蛋白,有利于提高黃瓜商品苗的貯藏質(zhì)量[6]。肖慶會(huì)等[7]研究表明,蘋(píng)果果實(shí)膨大期噴施蛋白制劑VDAL,可顯著提高蘋(píng)果果實(shí)Vc含量、果實(shí)含糖量、果實(shí)總酸含量、果實(shí)品質(zhì)以及單果重。劉開(kāi)智[8]研究表明,不同濃度新型激活蛋白可顯著提高棉花種子萌發(fā)率、增加根重、促進(jìn)根系生長(zhǎng),提高棉花株高、果枝數(shù)和棉鈴重,顯著提高棉花的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。賈秋珍等[9]研究表明,灌漿期噴施和播種期拌種新型植物免疫激活蛋白維大力(VDAL)可提高小麥千粒重、穗粒重,折合產(chǎn)量后,比對(duì)照增加6.89%,表明維大力噴施或種子處理均具有節(jié)本增效的作用,可在生產(chǎn)上應(yīng)用。

杜茜等[10]以鮮食玉米墾黏1 號(hào)為試驗(yàn)材料,研究植物激活蛋白對(duì)玉米種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)、抗逆能力等的影響,結(jié)果表明,激活蛋白浸種可顯著提高種子的發(fā)芽勢(shì)和種子萌發(fā)活力指數(shù),增強(qiáng)幼苗的光合特性,提高玉米品質(zhì)。本試驗(yàn)以春玉米區(qū)常用品種鄭單958為試驗(yàn)材料,研究了維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)和幼苗各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的影響,為維大力在玉米上的科學(xué)合理使用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)品種為鄭單958。維大力粉劑(北京中捷四方有限公司)。用雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(普析TU-1900),GXZ光照培養(yǎng)箱,冷凍離心機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

種子浸泡處理:準(zhǔn)確稱取維大力制劑,根據(jù)制劑推薦劑量稀釋成制劑用量為0.4 g/L,0.5 g/L,0.7 g/L,1.0 g/L,2.0 g/L的浸泡液,清水處理為對(duì)照,分別用上述不同濃度的維大力溶液浸泡玉米種子12 h。

1.2.1種子發(fā)芽試驗(yàn)

將浸泡后的種子置于帶濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi),3次重復(fù),每次重復(fù)50粒,置于光照培養(yǎng)箱中,在6 ℃條件下培養(yǎng)4 d,再轉(zhuǎn)入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。從種子發(fā)芽之日起,每天記錄發(fā)芽粒數(shù),計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標(biāo);繼續(xù)培養(yǎng)7 d,測(cè)定莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)、苗干重等指標(biāo)。

1.2.2幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)

將浸泡后的種子置于育苗杯中,每杯放入2粒浸種后的玉米種子,每個(gè)濃度種植10盆,重復(fù)3次,放于光照培養(yǎng)箱中25 ℃恒溫培養(yǎng),待玉米幼苗長(zhǎng)至2葉1心時(shí),置于5 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)4 d,玉米生長(zhǎng)過(guò)程中注意及時(shí)補(bǔ)充水分。分別于低溫處理前、低溫處理后第 1,7,14 天測(cè)量葉片葉綠素含量、葉片生理生化指標(biāo)和根系活力。

1.2.3葉片生理生化指標(biāo)測(cè)定

采用SPAD儀測(cè)定葉片葉綠素含量;采用硫代巴比妥酸顯色法測(cè)定丙二醛含量;采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定脯氨酸含量。

1.2.4玉米根系活力測(cè)定

采用TTC法[11],稱取玉米幼苗根0.15 g,放入25 mL試管中,加入0.4%的TTC溶液5 mL,加入0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH值7.0)5 mL,混合后于37 ℃避光保溫1 h。然后向試管中加入2 mL濃度為1 mol/L H2SO4終止反應(yīng)。取出根尖,用吸水紙吸干根系表面水分,放入試管中,加入甲醇,混勻后放入恒溫?fù)u床中,35 ℃浸泡6 h,以甲醇為對(duì)照,測(cè)定波長(zhǎng)在485 nm下的吸光值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 和SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米種子發(fā)芽的影響

由表1可以看出,低溫脅迫下,維大力浸種處理能顯著提高玉米種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。在0.4,0.5,0.7,1.0,2.0 g/L的處理濃度下,發(fā)芽率分別比對(duì)照高6.98%,8.14%,11.63%,13.02%和13.95%;發(fā)芽指數(shù)分別比對(duì)照高1.32%,8.14%,19.92%,47.72%和86.63%;活力指數(shù)在2.0 g/L濃度下最高,比對(duì)照高182.78%,顯著高于對(duì)照。表明低溫對(duì)玉米種子萌發(fā)有一定的破壞作用,而維大力浸種后能提高種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù),保證玉米種子在低溫下的正常出苗。

表1 維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響Table 1 Effects of VDAL seed-soaking on seed germination percentage, germination index and vigor index of maize under low temperature stress

2.2 維大力浸種處理對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)量的影響

由表2可以看出,低溫逆境下維大力浸種處理的玉米幼苗莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)、莖粗和鮮重均顯著高于對(duì)照,表明維大力浸種能促進(jìn)低溫脅迫下幼苗的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)。在維大力1.0 g/L處理下,莖長(zhǎng)最高,比對(duì)照高36.31%;莖粗最高,比對(duì)照高19.73%;根長(zhǎng)和須根數(shù)最多,分別比對(duì)照高26.10%和45.65%;鮮重最高,比對(duì)照高43.97%。1.0 g/L處理下的莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)、莖粗和鮮重顯著高于其他處理,與2.0 g/L處理差異不顯著。

表2 維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)量的影響Table 2 Effects of VDAL seed-soaking on seeding growth of maize under low temperature stress

2.3 維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗葉片生理指標(biāo)的影響

2.3.1維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

如圖1所示,低溫脅迫前,維大力浸種處理的玉米葉綠素含量顯著高于對(duì)照,表明維大力處理有利于玉米幼苗生長(zhǎng)。低溫脅迫后,玉米葉片葉綠素含量顯著降低,但維大力浸種處理的玉米葉片葉綠素含量仍顯著高于對(duì)照。在維大力2.0 g/L處理下,脅迫1 d、7 d后,葉片葉綠素含量分別比對(duì)照高43.75%和70.42%。脅迫后14 d,維大力各處理葉片葉綠素含量逐漸恢復(fù),2.0 g/L處理可恢復(fù)至脅迫前水平,對(duì)照恢復(fù)較慢,2.0 g/L處理葉片葉綠素含量比對(duì)照高90.24%。說(shuō)明維大力浸種可減緩低溫對(duì)玉米幼苗的傷害,提高幼苗葉片葉綠素含量和光合作用能力,提高玉米抗寒能力。

2.3.2維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影響

植物在逆境脅迫下,體內(nèi)游離脯氨酸含量大量積累,這通常被認(rèn)為是植物對(duì)逆境的一種反應(yīng)[12]。由圖2可知,脅迫后1 d、7 d,玉米葉片脯氨酸含量迅速上升,維大力浸種處理的玉米葉片脯氨酸含量明顯高于對(duì)照,2.0 g/L維大力處理顯著高于其他處理,脅迫1 d、7 d后,葉片脯氨酸含量分別比對(duì)照高15.15%和188%。脅迫后14 d,維大力各處理下玉米葉片脯氨酸含量下降,玉米受低溫脅迫的影響逐漸恢復(fù),但是對(duì)照的脯氨酸含量仍較高。

圖2 維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米葉片脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of VDAL seed-soaking on proline content of maize under low temperature stress

2.3.3維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛是細(xì)胞毒性物質(zhì),在常溫下植物體內(nèi)含量較少,但遇逆境傷害時(shí)其含量會(huì)升高,并且隨逆境程度的加劇不斷增加[13]。圖3表明,低溫脅迫后1 d、7 d,玉米葉片丙二醛含量上升,但是維大力浸種處理的玉米葉片丙二醛含量顯著高于對(duì)照,2.0 g/L維大力處理下顯著高于其他處理,脅迫1 d、7 d后,葉片丙二醛含量分別比對(duì)照高113.63%和110.82%。脅迫后14 d,維大力各處理下玉米葉片丙二醛含量下降,玉米受低溫脅迫的影響逐漸恢復(fù),但是對(duì)照的丙二醛含量仍較高。在低溫脅迫下,維大力浸種可促使玉米幼苗積累更多的丙二醛,從而減緩低溫對(duì)玉米幼苗的傷害,提高幼苗的抗寒能力。

圖3 低溫脅迫下維大力浸種對(duì)玉米葉片丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of VDAL seed-soaking on malondial dehyde content of maize under low temperature stress

2.4 維大力浸種對(duì)玉米根系活力的影響

圖4表明,低溫脅迫前,維大力浸種處理的玉米根系活力顯著高于對(duì)照,表明維大力處理有利于提高玉米根系活力。低溫脅迫后,玉米根系活力顯著降低,但維大力浸種處理的玉米根系活力仍顯著高于對(duì)照。在維大力2.0 g/L處理下,脅迫1 d、7 d后,根系活力分別比對(duì)照高140.63%和142.86%。脅迫后14 d,維大力各處理根系活力逐漸恢復(fù),2.0 g/L處理可恢復(fù)至脅迫前水平,對(duì)照恢復(fù)較慢,2.0 g/L處理根系活力比對(duì)照高162.5%。

圖4 維大力浸種對(duì)低溫脅迫下玉米根系活力的影響Fig.4 Effects of VDAL seed-soaking on root activity of maize under low temperature stress

3 討論與結(jié)論

玉米幼苗的莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)、莖粗、須根數(shù)和鮮重等是評(píng)價(jià)玉米長(zhǎng)勢(shì)的重要指標(biāo)[14]。杜茜等[10]研究3%植物激活蛋白可濕性粉劑(WP)對(duì)玉米種子萌發(fā)的影響,結(jié)果表明,以3%植物激活蛋白1 000倍稀釋液浸種,玉米種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)分別比對(duì)照提高1%和3.63%,但均與清水對(duì)照無(wú)顯著差異;種子的發(fā)芽勢(shì)和萌發(fā)活力指數(shù)分別提高了11%和7.05%,與清水對(duì)照有極顯著差異。這與本試驗(yàn)結(jié)果類似,本研究表明,在0.4～2.0 g/L濃度范圍內(nèi),采用維大力浸種,能夠促進(jìn)低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)和提高植株的生長(zhǎng)指標(biāo),在2.0 g/L的濃度下,效果最明顯,發(fā)芽率比對(duì)照高13.95%,發(fā)芽指數(shù)比對(duì)照高86.63%,對(duì)植株的生長(zhǎng)也有促進(jìn)作用,提高了莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)和須根數(shù)。維大力對(duì)低溫脅迫后玉米脯氨酸和丙二醛含量也有促進(jìn)作用。脯氨酸和丙二醛含量的高低可衡量作物受逆境的程度,本試驗(yàn)表明,低溫處理后,對(duì)照和維大力處理的玉米葉片脯氨酸和丙二醛含量均升高,但是維大力處理的玉米應(yīng)對(duì)逆境的能力更強(qiáng),脅迫后1 d、7 d,葉片脯氨酸含量分別比對(duì)照高出15.15%和188%,葉片丙二醛含量分別比對(duì)照高113.63%和110.82%。脅迫后14 d,維大力各處理下玉米葉片脯氨酸和丙二醛含量下降,恢復(fù)至對(duì)照水平。說(shuō)明在低溫脅迫下,維大力浸種可促使玉米幼苗積累更多的脯氨酸和丙二醛,從而減緩低溫對(duì)玉米幼苗的傷害,提高幼苗的抗寒能力。

植物的根系是植物體內(nèi)重要的吸收和合成器官,根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響植株地上部的營(yíng)養(yǎng)狀況和吸收水平,根系活力的高低能直接反映植物根系的生理機(jī)能(包括吸收能力、合成代謝能力等)的活動(dòng)能力[15-16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,維大力浸種可顯著提高玉米的根系活力,進(jìn)而減少低溫脅迫對(duì)玉米根系的傷害。維大力是一種新型的廣譜、高效的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,能夠激活植物體內(nèi)的抗逆蛋白,提高植物抗逆能力,目前較多應(yīng)用于葉面噴霧,本試驗(yàn)嘗試將其應(yīng)用于玉米種子處理,以擴(kuò)大維大力的使用范圍。后續(xù)將繼續(xù)關(guān)注其對(duì)其他種類或品系玉米的安全性及作為種子處理劑的進(jìn)一步應(yīng)用。