不同品种水稻种子萌发速率的差异及其对外源植物激素的响应

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(1. 湖北民族学院，林学园艺学院，种子生物学实验室， 湖北 恩施 445000；2.湖北省利川市毛坝乡特产服务中心， 湖北 利川 445422；3.湖北省恩施土家族苗族自治州气象局， 湖北 恩施 445000)

·研究报告·

不同品种水稻种子萌发速率的差异及其对外源植物激素的响应

胡晓芳1，向先斌2，熊莉军3，朱艳芳1，邓志军1

(1. 湖北民族学院，林学园艺学院，种子生物学实验室， 湖北 恩施 445000；2.湖北省利川市毛坝乡特产服务中心， 湖北 利川 445422；3.湖北省恩施土家族苗族自治州气象局， 湖北 恩施 445000)

研究了5个来自不同产地的不同品种的水稻种子在相同条件下的萌发进程，从中选择萌发最快(临籼21)和最慢(稻花香2号)的2个品种的种子作为进一步试验的材料，测试并对比它们萌发时对外源GA3、乙烯利和ABA的响应。结果显示，GA3和乙烯利对2个品种的水稻种子的萌发均有显著的促进作用，而ABA则有显著的抑制作用，且这种促进或抑制作用具有浓度依赖性和品种依赖性；萌发快速的临籼21水稻种子对GA3和乙烯利的促进作用相对敏感，对ABA的抑制作用相对不敏感，而萌发相对较慢的稻花香2号水稻种子则恰好相反。这些试验结果似乎暗示着2个品种的水稻种子之所以萌发速率不同，或许是因为它们具有不同的内源植物激素组成比例。

水稻种子； 萌发速率； 赤霉酸； 乙烯利； 脱落酸

表1 各供试水稻品种种子产地经纬度和海拔信息

品种产地经度范围(东经)纬度范围(北纬)海拔(m)临籼21云南省临沧市98°40′～100°33′23°05′～25°02′1515稻花香2号黑龙江大庆市124°19′～125°12′45°46′～46°55′146超级稻湖南省长沙市111°53＇～114°05＇27°51＇～28°40＇44．9松98⁃122黑龙江大庆市124°19′～125°12′45°46′～46°55′146楚粳27云南省楚雄市100°35′～101°48′24°30′～25°15′1773

种子休眠与萌发受其内源植物激素的调控。一般来说，GA、乙烯促进萌发，而ABA抑制萌发并诱导休眠[1]。然而实质上控制种子萌发的是促进和抑制萌发的两类内源植物激素的比值，而非内源植物激素的绝对含量[2]。

水稻杂交育种过程中，由于大量使用外源GA，常常导致胎萌现象，严重影响所育种子的质量和产量[3-4]。

本研究选择了5个来自不同产地的不同品种的水稻种子，在相同条件下进行萌发测试，对比其萌发速率，然后从中选择萌发最快和最慢的2个品种的种子作为进一步试验的材料，测试并对比它们萌发时对外源GA3、乙烯利和ABA的响应，以期探讨其萌发速率与内源植物激素间的关系，为水稻等作物杂交育种时尽量避免胎萌现象提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试水稻种子共有5个品种，其产地经纬度和海拔信息见表1。

1.2 方 法

1.2.1 含水量测定

参照国际种子检验规程[5]的方法，设4次重复，每次重复随机取25粒种子，先称量称量瓶的重量W0及称量瓶与新鲜种子的重量W1，然后将装有新鲜种子的称量瓶敞口置于(103±1)℃烘箱中烘干，17 h后从烘箱中取出装有已烘干种子的称量瓶(取出前盖好盖子)，在干燥器中冷却至室温后称取称量瓶与已烘干种子的重量W2。通过下式以鲜重为基础计算含水量(%)。

种子含水量(%)=(W1-W2)/(W1-W0)×100%。

1.2.2 千粒重测定

每个水稻品种随机选取1 000粒种子在精度为0.000 1 g的电子天平上称重，3次重复。千粒重以平均值±标准误表示。

1.2.3 形态指标测定

每个水稻品种随机选取25粒种子，用精度为0.02 mm的游标卡尺分别测定每一粒种子的长度、宽度和厚度，并计算长宽比。最终种长、种宽、种厚和长宽比均以平均值±标准误表示。

1.2.4萌发测试

每个处理均设4次重复，每次重复50粒种子，播于垫有2层滤纸的培养皿中，每皿添加6 mL蒸馏水或不同浓度的外源植物激素(GA3、乙烯利和ABA)溶液(为防止试剂蒸发，用封口膜将培养皿密封)后在25 ℃恒温培养箱中暗培养，为避光，先用报纸包裹培养皿，再在外面包裹锡箔纸，144 h(ABA恢复试验延长至264 h；吸水率测试后的萌发测试延长至168 h)后计算萌发率。以胚根突破种皮作为萌发标准。

萌发速率以从开始吸水到萌发率达最终萌发率的50%所需时间T50表示。具体计算方法是，先对种子随培养时间萌发率的变化进行曲线回归，然后通过回归方程计算T50。

1.2.5 ABA处理恢复试验

在一定浓度的ABA溶液培养下的种子，培养144 h后去除ABA溶液和滤纸，并用蒸馏水冲洗种子3次，然后重新播于垫有2层新滤纸的新培养皿中，并添加6 mL蒸馏水继续在25 ℃黑暗条件下培养。吸水进程试验中的恢复试验在吸胀开始66 h后进行。

1.2.6 水和溶液吸收进程的测定

参照Deng等[6]的方法，每个处理均设4次重复，每次重复50粒种子，均匀播于垫有2层滤纸的培养皿中，每皿分别添加6 mL的蒸馏水、2.5 mmol/L GA3、2.5 mmol/L乙烯利、0.1 mmol/L和1 mmol/L ABA溶液，然后置于25 ℃恒温培养箱中暗培养。每隔一定时间取出种子，用吸水纸吸干种子表面水分后称重，称完后再均匀放回培养皿里，补充相应的蒸馏水或外源植物激素溶液后继续培养。按下式计算水和溶液的吸收百分率。

吸收百分率(%)=(Wt-W0)/W0×100%。

W0为吸胀试验开始前种子的初始重量，Wt为吸胀一定时间后的种子重量。

1.2.7 数据分析

用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Student-Newman-Keuls多重比较法对各种处理下的萌发速率T50进行显著性检验(p=0.05)。统计数据以平均值±标准误形式表示。所有统计图通过GraphPad Prism 5软件完成。

表2 各供试水稻品种种子的大小、含水量和千粒重

水稻品种种长(cm)种宽(cm)种厚(cm)长/宽含水量(%)千粒重(g)临籼210．84±0．01a0．27±0．01c0．18±0．00c3．15±0．06b11．78±0．04d30．15±0．07a稻花香2号0．84±0．01a0．26±0．00d0．20±0．00b3．26±0．05a12．38±0．04c25．53±0．31b超级稻0．65±0．01c0．31±0．00a0．21±0．00a2．11±0．02d14．47±0．06a23．15±0．73c松98⁃1220．74±0．01b0．29±0．00b0．20±0．00b2．60±0．03c13．06±0．03b24．51±0．18bc楚粳270．62±0．00d0．31±0．00a0．21±0．00b1．98±0．02e11．49±0．03e23．78±0．11c

注：同列标有相同上标英文字母的数据间无显著性差异 (p=0.05)。下同。

表3 5个品种水稻种子的萌发速率

水稻品种稻花香2号楚粳27松98⁃122培两优210临籼21T50(h)76．5±1．1a59．8±1．0b58．7±0．5b49．7±0．2c46．4±0．3d

2 结果与分析

2.1 5个品种水稻种子的形态、含水量、千粒重和萌发进程差异

5个品种的水稻种子在种长、种宽、种厚、长宽比、千粒重和含水量方面均存在显著差异(plt;0.05，表2)。种长、种宽、种厚和长宽比是随机选取的25粒种子的平均值；含水量测定设4次重复，每次重复25粒种子；千粒重测定设3次重复，每次重复1 000粒种子。统计数值以平均值 ± 标准误表示。

图1 5个品种水稻种子的萌发进程

图1中，每个品种的水稻种子均设4次重复，每次重复50粒种子，在25 ℃黑暗条件下培养。每个统计数值表示的是平均值 ± 标准误。

5个品种的水稻种子在25 ℃黑暗条件下的最终平均萌发率无显著性差异(pgt;0.05，图1)，但萌发速率方面差异显著(plt;0.05，表3)。临籼21水稻种子的萌发速率最快，其T50为(46.4±0.3)h；稻花香2号水稻种子的萌发速率最慢，其T50为(76.5± 1.1)h(表3)。因此，选择该2个品种的水稻种子作为试验材料，测试GA3、乙烯利和ABA对其萌发的影响。

萌发速率以从开始吸水到萌发率达最终萌发率的50%所需时间T50表示，萌发测试在25 ℃黑暗条件下进行，每个品种种子均设4次重复，每次重复50粒种子。统计数值以平均值 ± 标准误表示。下同。

2.2 GA3对临籼21和稻花香2号水稻种子萌发的影响

每个品种的水稻种子均设4次重复，每次重复50粒种子，在25 ℃黑暗条件下培养。每个统计数值表示的是平均值±标准误。标有相同英文字母的数据间无显著性差异(p=0.05)。

GA3溶液浓度对临籼21水稻种子的最终平均萌发率无显著性影响(pgt;0.05)，但对其萌发速率则有显著性影响(plt;0.05)。与对照相比，0.000 1，0.001 mmol/L和0.01 mmol/L的GA3溶液显著降低萌发速率(plt;0.05)；0.1 mmol/L的GA3溶液对萌发速率影响不显著(pgt;0.05)；1 mmol/L和2.5 mmol/L的GA3溶液则显著增加萌发速率(plt;0.05)，其中2.5 mmol/L的GA3溶液对萌发速率的提高效果尤为显著；10 mmol/L的GA3溶液又显著降低萌发速率(plt;0.05，图2 A，表4)。

GA3溶液浓度对稻花香2号水稻种子的最终平均萌发率和萌发速率均具有显著性影响(plt;0.05，图2 B，表4)。与对照相比，0.000 1～1 mmol/L的GA3溶液对其最终平均萌发率和萌发速率均无显著性影响(pgt;0.05)；2.5 mmol/L和10 mmol/L的GA3溶液则显著增加最终平均萌发率和萌发速率(plt;0.05)，其中以2.5 mmol/L的GA3溶液的促进作用尤为显著(图2 B，表4)。

注：A为临籼21；B为稻花香2号。下同。图2 不同浓度的GA3溶液对水稻种子萌发进程的影响

表4 不同浓度的GA3溶液对临籼21和稻花香2号水稻种子萌发速率的影响

GA3浓度(mmol/L)T50(h)临籼21稻花香2号 0(对照)48．3±0．8c82．8±1．0ab 0．000150．2±0．3b84．4±0．6a 0．00150．6±0．3b84．5±1．0a 0．0150．2±0．7b84．4±0．5a 0．147．3±0．5cd81．0±0．4b 146．1±0．7d82．4±0．7ab 2．541．7±0．6e67．4±0．7d 1060．9±0．1a75．5±0．2c

注：横向数据间未做方差分析。下同。

2.3 乙烯利对临籼21和稻花香2号水稻种子萌发的影响

每个品种的水稻种子均设4次重复，每次重复50粒种子，在25 ℃黑暗条件下培养。每个统计数值表示的是平均值±标准误。标有相同英文字母的数据间无显著性差异(p=0.05)。

乙烯利溶液浓度对临籼21和稻花香2号2个品种水稻种子的最终平均萌发率均无显著性影响(pgt;0.05，图3)，但对2个品种水稻种子的萌发速率则均有显著性影响(plt;0.05，图3，表5)。

图3 不同浓度的乙烯利溶液对水稻种子萌发进程的影响

表5 不同浓度的乙烯利溶液对临籼21和稻花香2号水稻种子萌发速率的影响

乙烯利浓度(mmol/L)T50(h)临籼21稻花香2号 0(对照)48．3±0．8a82．8±1．0ab 0．000149．3±0．8a84．6±0．8a 0．00146．4±0．5a84．8±1．1a 0．0146．9±0．6a83．6±0．7ab 0．148．8±1．0a81．5±0．8ab 143．8±0．8b79．8±1．4b 2．541．8±0．9b68．0±1．5c

对于临籼21水稻种子，与对照相比，0.000 1～0.1 mmol/L的乙烯利溶液对萌发速率影响不显著(pgt;0.05)；1 mmol/L和2.5 mmol/L的乙烯利溶液则显著增加萌发速率(plt;0.05)，其中以2.5 mmol/L的乙烯利溶液对萌发速率的提高效果尤为显著(图3 A，表5)。

对于稻花香2号水稻种子，与对照相比，0.000 1～1 mmol/L的乙烯利溶液对其萌发速率均无显著性影响(pgt;0.05)；2.5 mmol/L的乙烯利溶液则显著提高其萌发速率(plt;0.05，图3 B，表5)。

2.4 ABA对临籼21和稻花香2号水稻种子萌发的影响

每个品种的水稻种子均设4次重复，每次重复50粒种子，在25 ℃黑暗条件下培养。每个统计数值表示的是平均值 ± 标准误。标有相同英文字母的数据间无显著性差异(p=0.05)。

图4 不同浓度的ABA溶液对水稻种子萌发进程的影响

表6 不同浓度的ABA溶液对临籼21和稻花香2号水稻种子萌发速率的影响

ABA浓度(mmol/L)T50(h)临籼21稻花香2号 0(对照)48．3±0．8d82．8±1．0c 0．000147．3±0．9d86．2±1．1c 0．00149．4±0．9d85．6±1．4c 0．00554．0±0．9d— 0．0172．0±2．3c87．4±0．8c 0．05174．6±6．6a116．8±2．5b 0．1～111．3±1．6b 0．1恢复72．3±0．8c— 1～～ 1恢复141．1±6．7b125．5±5．8a

注：“—”表示没有该处理；“～”表示该处理没有种子萌发。

ABA溶液浓度对临籼21和稻花香2号2个品种水稻种子的最终平均萌发率和萌发速率均有显著性影响(plt;0.05，图4，表6)。随着ABA溶液浓度的增加，对2个品种水稻种子的最终平均萌发率和萌发速率的抑制作用增强(图4，表6)。尽管如此，但2个品种的水稻种子对具体的ABA溶液浓度的响应却存在差异，相同浓度的ABA溶液对临籼21水稻种子的抑制作用要强于稻花香2号水稻种子。例如，0.1 mmol/L的ABA溶液完全抑制临籼21水稻种子的萌发，培养264 h后的萌发率仍为0(图4 A)，但同样浓度的ABA溶液却不能完全抑制稻花香2号水稻种子的萌发，培养144 h后的萌发率达(22.5± 4.0)%(图4 B)。

值得注意的是，对于完全抑制2个品种水稻种子萌发的ABA溶液浓度，在萌发过程中去除ABA溶液，换之以蒸馏水，又可解除抑制，使其萌发率恢复到或接近对照的水平(图4)。

2.5 稻花香2号水稻种子在GA3、乙烯利和ABA溶液中的吸水率差异

对于稻花香2号水稻种子，促进其萌发的2.5 mmol/L的GA3和乙烯利溶液，部分抑制其萌发的0.1 mmol/L的ABA溶液和完全抑制其萌发的1 mmol/L的ABA溶液，在萌发前的吸胀过程中的溶液吸收进程和对照并无显著性差异(图5 A)，只是在种子开始萌发后，其萌发进程才呈现显著性差异(图5 B)。

图5 稻花香2号水稻种子在各外源植物激素溶液中的吸水进程(A)及其萌发进程(B)

每个处理均设4次重复，每次重复50粒种子，在25 ℃黑暗条件下培养；1 mmol/L ABA恢复试验在开始吸胀66 h后进行。每个统计数值表示的是平均值 ± 标准误。标有相同英文字母的数据间无显著性差异(p=0.05)。

3 结论与讨论

萌发速率的快慢似乎跟产地的纬度和海拔有关，产地的纬度或海拔越高，其萌发速率越慢(表1和图1)，即相对具有休眠。高纬度和高海拔地区具有类似的水热等自然条件，因此，不同产地的各品种水稻种子的萌发速率差异似乎反映了它们不同的生态适应。

临籼21和稻花香2号2个品种的水稻种子萌发过程中对GA3溶液浓度的响应不同(图2，表4)。GA3溶液对临籼21水稻种子的最终平均萌发率无显著性影响，但对其萌发速率的影响却具有浓度依赖性，在一定浓度范围内，萌发速率随GA3溶液浓度升高而加快，浓度过低和过高都降低其萌发速率；而稻花香2号水稻种子的最终萌发率和萌发速率均受GA3溶液浓度显著影响。值得注意的是，尽管在本研究当中，对于2个品种的水稻种子而言，都以2.5 mmol/L的GA3溶液对萌发速率的促进作用最强(图2)，但10 mmol/L的GA3溶液既提高稻花香2号水稻种子的最终平均萌发率又提高其萌发速率(图2 B)，而对临籼21水稻种子的萌发速率却有抑制作用(图2 A)。这或许是因为，2个水稻品种种子所含的内源GA，或其他同样具有类似作用的内源激素的量不同，而对种子最终平均萌发率和萌发速率的促进或抑制作用是内源和外源植物激素共同作用的结果。

乙烯利处理的试验结果与GA3处理的试验结果相类似，这或许暗示着种子萌发过程中其内源植物激素间复杂的相互作用。

与临籼21水稻种子相比，稻花香2号水稻种子萌发时对ABA溶液浓度更为敏感，即相同浓度的ABA溶液对稻花香2号水稻种子萌发的抑制作用要比对临籼21水稻种子萌发的抑制作用强。值得注意的是，高浓度ABA处理去除ABA溶液，换之以蒸馏水恢复萌发，不是完全去除了ABA，而应是稀释了ABA的浓度，因为恢复试验前种子内部已吸收了一些ABA。

综合本研究的结果，可以推测：临籼21水稻种子之所以萌发快速，且对促进萌发的外源植物激素GA3和乙烯利相对敏感，对抑制萌发的外源植物激素ABA相对不敏感，是因为其种子内部所含的促进萌发的内源植物激素相对较多，而所含的抑制萌发的内源植物激素相对较少之故；而稻花香2号水稻种子之所以萌发相对慢，且对促进萌发的外源植物激素GA3和乙烯利相对不敏感，对抑制萌发的外源植物激素ABA相对敏感，则是因为其种子内部所含的抑制萌发的内源植物激素相对较多，而所含的促进萌发的内源植物激素相对较少之故。而2个品种水稻种子内所含各类内源植物激素的多少则是其对产地生态环境相适应的结果。

水稻育种过程中的胎萌现象是一个长期困扰育种和制种业的问题[7]，其问题实质就是种子内各类激素的比例问题。因此，在育种和制种过程中如何调控种子内部各类激素的水平具有重要的现实意义。

[1]Le Page-Degivry,M.T.,Bianco,J.,Barthe,P.,et al.Change in hormone sensitivity in relation to the onset and breaking of sunflower embryo dormancy.In:Lang,G.A.(ed) Plant dormancy:physiology,biochemistry and molecular biology[J].Wallingford:CAB International,1996:221-231.

[2]Deng,Z.J.,Hu,X.F.,Ai,X.R.,et al.Dormancy release ofCotinuscoggygriaseeds under a pre-cold moist stratification:an endogenous abscisic acid/gibberellic acid and comparative proteomic analysis[J].New Forestry,2016,47:105-118.

[3]Ogawa,M.,Hanada,A.,Yamauchi,Y.,et al.Gibberellin biosynthesis and response during Arabidopsis seed germination[J].The Plant Cell,2003,15:1 591-1 604.

[4]张朝显,高光先.杂交水稻繁殖制种穗上芽防治技术研究[J].杂交水稻,2000,15(增刊):10-11.

[5]International Seed Testing Association. International rules for seed testing[J].Seed Science and Technology,1999,27(Supplement):47-50.

[6]Deng,Z.J.,Cheng,H.Y.,Song,S.Q.Effects of temperature,scarification, dry storage,stratification,phytohormone and light on dormancy-breaking and germination ofCotinuscoggygriavar.cinerea(Anacardiaceae) seeds[J].Seed Science and Technology,2010,38:572-584.

[7]周述波,林伟,萧浪涛,等.外源GA3和ABA对杂交水稻种子萌发的影响[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2005,31(3):269-271.

Differences in Germination Rate Among Different Varieties of Rice Seedsand Their Responses to Exogenous Phytohormones

HUXiaofang1,XIANGXianbin2,XIONGLijun3,ZHUYanfang1,DENGZhijun1

(1.Seed Biology Laboratory, College of Forestry and Horticulture,Hubei University for Nationalities,Enshi Hubei 445000，China;2.Specialty Service Center of Maoba Town,Lichuan Hubei 445422，China;3. Meteorological Bureau of Enshi Tujia amp; Miao Autonomous Prefecture,Enshi Hubei 445000，China)

Five different varieties of rice seeds were submitted to a germination test under the same temperature and light conditions, and then the fastest (Linxian No.21) and slowest (Daohuaxiang No.2) varieties in germination rate were used as experimental materials to test and compare their germination responses on exogenous GA3,ABA and ethephon.The results showed that the germination of two varieties of rice seeds was significantly promoted by GA3and ethephon and significantly inhibited by ABA,and the roles of promotion and inhibition were concentration-dependent and variety-dependent.Nevertheless,the rapidly germinative Linxian No.21 rice seeds were relatively sensitive to GA3and ethephon and relatively insensitive to ABA,while that of the relatively slow germinative Daohuaxiang No.2 rice seeds were contrary to Linxian No.21 rice seeds.These results seemed to imply why the germination rate of two varieties of rice seeds was different,there were different endogenous phytohormone ratios in them.

rice seed; germination rate; gibberellic acid; ethephon; abscisic acid

2016-10-15

国家自然科学基金青年基金项目(81303169)；广西自然科学基金项目(2013 GXNSFBA 019169)；湖北省教育厅科学研究计划资助项目(Q 20141902)；生物资源保护与利用湖北省重点实验室开放课题(PKLHB 1304)；湖北民族学院博士科研启动基金项目(MY 2013 B 014)。

胡晓芳(1991—)，女，湖北省恩施人；在读硕士研究生，研究方向：园林植物种质资源；E-mail：891726068@qq.com。

邓志军(1980—)，男，河北省青龙满族自治县人；博士，硕士研究生导师，主要从事种子生物学研究；E-mail：zhijundeng@qq.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.01.001

S 511

A

1001-4705(2017)01-0001-06