不同浸种剂对低温胁迫下玉米种子萌发特性的影响

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(1.山西大同大学生命科学学院, 山西 大同 037009; 2.中国农业大学农学院, 北京 100193)

玉米作为我国重要粮食作物，在粮食安全、畜禽饲料、工业生产中占有重要地位[1]。东北地区处于玉米种植黄金带，是我国重要的玉米生产区域[2]，以一年一季的春玉米生产为主导，由于早春低温冷害时有发生，对玉米种子萌发出苗产生严重影响[3]。玉米在萌发出苗期遭受低温胁迫，容易导致种子发芽出苗延迟，出现粉种、烂种的现象，造成缺苗断垄，导致严重减产[4]。如何利用化学调控手段，克服品种遗传缺点，增强玉米抗低温发芽出苗能力，以适应环境变化，对保证玉米高产、稳产、耐冷具有现实意义。玉米喜温，最适萌发温度为25～28 ℃，早春低于10 ℃的低温，就会抑制玉米种子的萌发出苗[5]，破坏玉米的活性氧清除系统，损伤细胞膜结构，导致幼苗代谢紊乱，造成玉米发芽时间延长，出苗不整齐，植株弱小[6]。低温胁迫下，玉米幼苗可溶性糖含量与耐低温能力呈正相关，通过渗透调节作用，来维持低温下细胞的渗透势，增强膜的稳定性[7]。低温胁迫还造成玉米幼苗内源激素系统紊乱，进而限制了正常的种子萌发及幼苗发育[8]。植物生长调节剂能通过调节玉米幼苗细胞内物质代谢，达到提高抗寒性，适应环境胁迫的作用，其中赤霉素[9]、脱落酸[10]、水杨酸[11]、甜菜碱[12]、尿囊素[13]、多胺[14]等物质具有明显提升幼苗抗寒性的作用。本研究设置10 ℃低温萌发环境，比较浸种剂处理和对照处理间种子发芽率等萌发特性指标以及幼苗胚根胚芽形态指标变化，测定可溶性糖含量、α-淀粉酶活性、幼苗内源激素IAA、GA3、ZR、ABA的含量，对不同浸种剂的作用效果进行比较。研究在低温条件下浸种剂对玉米萌发特性、形态变化、生理指标的影响，对不同浸种剂进行比较评价，为生产应用提供依据。

表1 浸种剂配方

处理6KGKAK6GA ck药剂6-BA+KClGA3+KClALL+KCl6-BA+GA3+ALL+KClH2O浓度(0.1+1)mmol/L(0.1+1)mmol/L(1+1)mmol/L(0.1+0.1+1+1)mmol/L-

1 材料与方法

1.1 试验材料与浸种剂处理

试验在中国农业大学农学院农业部耕作制度重点实验室进行。玉米品种为郑单958，由北京德农种业提供。玉米种子先用1% NaClO溶液消毒10 min，然后采用6-BA(6-苄氨基嘌呤)、GA3(赤霉素)、ALL(尿囊素)、KCl(氯化钾)等按照不同配比复配的浸种剂(见表1)浸种12 h，经灭菌水冲洗后置于铺有2层滤纸边长为10 cm的正方形种子发芽盒内，每盒100粒种子，放置于10 ℃人工气候箱进行发芽试验，设置4次重复，试验期间根据情况及时补充蒸馏水。

1.2 种子萌发特性测定

以胚根长超过种子长度，胚芽长超过种子长度一半作为发芽标准，分别记录每天发芽数，计算发芽率。并取发芽12 d种子的胚芽、胚根及残留胚乳，于烘箱中105 ℃杀青15 min, 然后在80 ℃下烘干至恒重，分别称量，得幼苗(胚芽+胚根)干重、残留胚乳干重。

发芽率(%) = 发芽种子数/供试种子总数×100%；

储存物质转运率(%)=幼苗干重/(幼苗干重+残留胚乳干重)×100%。

1.3 幼苗生理指标测定

取发芽第12天幼苗，测定α-淀粉酶活性及可溶性糖含量[15]。

α-淀粉酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色定糖法进行，以每分钟产生1 mg麦芽糖所需要的酶量为一个酶活单位。

可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法。

1.4 幼苗形态指标测定

每个处理分别取发芽第12天玉米胚芽、胚根各10份，采用WinRHIZO根系扫描系统测定平均直径、平均长度、总表面积、总体积。

1.5 幼苗内源激素含量测定

取发芽第12天玉米胚芽0.2 g，加4 mL 样品提取液(80%甲醇，内含1 mmol/L BHT)，冰浴下研磨成匀浆，摇匀后4 ℃下静置提取4 h后，1 000×g 离心15 min，取上清液。在离心沉淀中加入1 mL 提取液，摇匀后在4 ℃下再静置提取1 h，离心后取上清液与前次上清液合并，并记录体积。上清液过C-18 固相萃取柱，过柱后的样品用氮气吹干，去除提取液中的甲醇，用2 mL 样品稀释液定容，参照宋松泉等[16]的酶联免疫法测定内源激素，酶联免疫试剂盒由中国农业大学提供。

1.6 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2013软件和IBM SPSS Statistics 21软件统计分析数据，采用Duncan’s法进行显著性检验；采用Excel 2013软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同浸种剂对低温胁迫下玉米种子萌发特性的影响

由图1可见，不同处理间发芽率存在较大差异，其中浸种剂处理从发芽试验第7天至第11天均显著高于对照处理(p<0.05)，且这种优势一直持续到发芽试验第12天。不同浸种剂之间也存在较大差异，从发芽试验第7天至第10天不同浸种剂的发芽率整体表现为6 GA>6 K>GK>AK>ck，且6 GA处理均显著高于其他处理(p<0.05)。在发芽试验第7天，6 GA浸种后玉米种子发芽率从20.5%提高到54.2%，且在发芽试验第9天即达到发芽率超过95%的高峰期，早于其他处理，其中较对照早3 d，较其他浸种剂处理早1～2 d，表明浸种剂有缓解低温胁迫，提高玉米发芽率，提前完成发芽过程的作用。

由图2、图3可知，在低温条件下，不同浸种剂处理提高了玉米种子发芽指数和活力指数，均表现为6 GA>6 K>GK>AK>ck，其中6 GA、6 K、GK 3种浸种剂均显著高于对照(p<0.05)，AK浸种剂处理与对照差异不显著。表明不同浸种剂处理均缓解了低温胁迫，其中6 GA缓解效果最为显著，发芽指数比对照高39.4%，活力指数比对照高30.7%，浸种剂处理保证了玉米种子的萌发速率和发芽的一致程度。

图1 不同浸种剂对低温下玉米发芽率的影响

图2 不同浸种剂对低温下玉米发芽指数的影响

图3 不同浸种剂对低温下玉米活力指数的影响

发芽过程中，玉米种子的贮藏物质逐步转化成为幼苗，低温处理后玉米发芽能力有所降低，使用浸种剂处理后，显著提高了玉米种子贮藏物质转运率(p<0.05)。由图4可见，6 GA浸种剂能显著提升低温胁迫下玉米种子的贮藏物质转运率，其他浸种剂虽然均显著高于对照(p<0.05)，但其增加幅度小于6 GA浸种剂，与对照相比较，6 GA浸种剂处理的贮藏物质转运率提高了11.2%。

图4 不同浸种剂对低温下玉米贮藏物质转运率的影响

2.2 不同浸种剂对低温胁迫下玉米种子幼苗形态指标的影响

浸种剂对玉米种子萌发的影响，直接表现在对胚根胚芽的直径、长度、体积等形态指标上，由表2可以看出，不同浸种剂处理后，玉米幼苗胚根、胚芽各项形态指标基本都高于对照，仅GK处理在胚根长度和胚芽长度两项指标低于对照。6 GA、6 K浸种剂在各项指标上都显著优于对照，GK浸种剂在胚芽长度和胚芽体积两项指标显著优于对照，其他指标与对照差异不显著，AK浸种剂在胚根长度显著优于对照，其他指标与对照差异不显著。

不同浸种剂对玉米幼苗形态指标的影响也存在差异，其中6 GA与6 K 2种浸种剂对胚根、胚芽各项形态指标的促进作用，在全部浸种剂中都是最优的，但两者之间各项形态指标之间差异不显著。GK浸种剂在胚根直径、胚芽直径两项指标与6 GA及6 K浸种剂差异不显著，其他形态指标都显著低于这2种浸种剂处理，在胚芽直径上显著高于AK，在胚根长度、胚根体积上显著低于AK，在胚根直径和胚芽长度上与AK差异不大。AK浸种剂在胚根直径、胚根长度和胚芽长度上与6 GA、6 K 2种浸种剂差异不显著，在胚芽直径和胚芽体积上显著低于6 GA和6 K 2种浸种剂。

2.3 不同浸种剂对低温胁迫下玉米种子幼苗α-淀粉酶活性和可溶性糖含量的影响

由图5可以看出，不同浸种剂对低温下玉米种子萌发过程中α-淀粉酶活性均产生不同影响，6 GA和GK 2种浸种剂处理后，玉米种子α-淀粉酶的活性均显著高于其他处理，其中6 GA比对照高64.1%，GK比对照高56.5%，但2种浸种剂之间无显著差异。6 K和AK 2种浸种剂均显著高于对照，6 K比对照高34.7%，AK比对照高39.5%，但两者之间差异不显著。

表2 不同浸种剂对玉米种子胚根和胚芽形态指标的影响

处理根平均直径(mm)根平均长度(cm)根平均体积(mm3)芽平均直径(mm)芽平均长度(cm)芽平均体积(mm3)6GA1.70±0.05a2.29±0.9a51.8±3ab1.45±0.07a6.8±0.7a11.0±0.5a6K1.73±0.08a2.43±3a56.7±2.2a1.40±0.06a6.8±0.6 a10.4±0.8aGK1.65±0.08ab1.90±1.5b40.3±2.9d1.39±0.08a5.6±0.6 b8.5±0.2bAK1.63±0.05ab2.21±1.1a48.3±2.4bc1.23±0.10b6.0±0.4 ab7.3±1.3bcck1.61±0.01b2.18±3.7b44.5±7.6cd1.24±0.09b5.7±0.4 b6.9±1.3c

注：小写字母表示0.05水平差异显著。

图5 不同浸种剂对低温下玉米α-淀粉酶活力的影响

可溶性糖在低温胁迫下能够起到有效渗透调节作用，从图6看来，6 GA和GK 2种调节剂显著提高了低温下玉米幼苗的可溶性糖含量，分别比对照提高了60.5%和35.8%，而6 K和AK浸种剂虽然可溶性糖含量高于对照处理，但差异不显著，同时也显著低于6 GA及GK处理。

图6 不同浸种剂对低温下玉米可溶性糖含量的影响

2.4 不同浸种剂对低温胁迫下玉米幼苗内源激素含量的影响

图7是经不同浸种剂处理后，在低温胁迫下发芽第12天玉米幼苗中IAA、GA3、ZR、ABA 4类内源激素的含量，由图7可知，浸种剂对玉米幼苗内源激素产生了不同影响。

IAA是促进胚芽伸长生长的重要内源激素，浸种后，在低温下各浸种剂处理中幼苗IAA含量均显著高于对照处理，而6 GA处理显著高于其他浸种剂，且比对照处理高27.6%，其他浸种剂处理IAA含量差异不显著。

GA3是促进种子萌发，诱导合成水解酶类的一种内源激素，浸种剂处理的GA3含量都显著高于对照处理，其中GK和AK 2种浸种剂处理的GA3含量都显著高于其他处理，两者之间差异不显著，6 GA和6 K 2种浸种剂之间的GA3含量差异不显著，处理间GA3含量表现为GK>AK>6 GA>6 K>ck。

ZR是调控根尖、茎尖等顶端分身组织发育的重要内源激素，有促进幼苗根系活力的作用，6 GA浸种剂处理后，玉米幼苗显著高于其他处理，比对照含量高44.5%。6 K、GK、AK 3种浸种剂处理显著高于对照，三者ZR含量差异不显著，处理间ZR含量表现为6 GA>GK>6 K>AK>ck。

浸种剂处理对低温胁迫下玉米种子萌发过程中的ABA含量影响不明显，不同浸种剂处理与对照的ABA含量存在一定差异，但差异没有达到显著水平，不同浸种剂之间差异同样没有达到显著水平。

3 讨 论

玉米种子萌发需要满足一定的积温条件[17]，当种子萌发期间遭遇低温胁迫，就会导致种子萌发时间延长，种子活力下降，出苗不整齐，发生粉种、烂种、死苗等严重后果[18]。在播种后遭遇低温，玉米种子发芽率、发芽势降低，出苗缓慢，时间推迟[19]，增加了病害侵染几率，导致出苗后幼苗小、瘦、弱[20]。在本研究中，浸种剂处理提升发芽率的同时，缩短了发芽时间，其中6 GA浸种剂能够促进低温胁迫下玉米种子萌发时间提早3 d。发芽指数可以反映种子发芽的速率和整齐程度，发芽指数越高，表明种子发芽速率和整齐度也越高。活力指数反映了种子在萌发过程中的活力大小，活力指数越高，出苗状况表现越好[21]。本试验中，浸种剂提高了玉米发芽指数和活力指数，其中6 GA浸种剂处理后提升幅度最大，分别比对照提高了39.4%和30.7%，表现出发芽整齐，幼苗活力高，能为后期苗齐、苗壮奠定基础。

图7 不同浸种剂对低温下玉米胚芽内源激素的影响

种子发芽过程就是一个将籽粒胚乳中的贮藏物质转运到胚根、胚芽进行幼苗建成，提供营养生长消耗的过程[22]。在萌发期，贮藏物质的转运效率的高低，关系到幼苗形成壮苗的潜力大小，幼苗获得的营养物质越多，其营养生长越旺盛，其适应非生物逆境的能力就越强，越有利于其抵御非生物胁迫[23]。本研究中，浸种剂处理后，提升了种子低温胁迫下α-淀粉酶活性，提高了胚乳淀粉的转化效率，表现为种子贮藏物质转运率比对照提高了11.2%。

研究表明低温胁迫抑制幼苗胚根、胚芽的生长发育，导致玉米胚根长、芽长、胚芽鲜重下降[24]，在本研究中，浸种剂处理可以改善低温对幼苗胚根、胚芽形态指标的影响，其中6 GA与6 K 2种浸种剂对胚根、胚芽直径、长度、体积都有较好的促进作用，这对胚芽鞘顶土出苗，根系形态建成有利。

玉米种子萌发过程遭遇低温胁迫后，由于活性氧平衡破坏，导致自由基积累加大，造成膜系统损伤[25]，进而对内源激素代谢造成影响，导致激素水平紊乱[26]。植物对外界因素的响应，可以通过内源激素水平来表达，低温胁迫下，内源激素对幼苗生长发育起着重要的调节作用。浸种剂处理显著提高了幼苗IAA、ZR及GA3含量，对ABA含量影响不显著。浸种剂提高了胚芽IAA含量，这有助于茎尖伸长[27]，对胚芽鞘减少留土时间，加速出苗有促进作用，这与魏湜等[28]，王兴等[8]对低温胁迫下幼苗根系的研究结果有所不同，可能与本研究取样对象为胚芽有关。ZR含量的提高有利于提高幼苗抗寒性，作为信号有利于调整环境胁迫下的代谢反应，对膜保护酶活性的提高有利，进而提高幼苗抗性[29]。经浸种剂处理后的种子在萌发过程中，胚芽ZR含量高于对照处理，且6 GA浸种剂在IAA、ZR含量促进效果上都是最优的。玉米种子萌发过程中GA3具有打破种子休眠、诱导α-淀粉酶合成的作用[30]，本研究中胚芽中GA3的含量水平与α-淀粉酶活性、可溶性糖含量变化趋势相似，其中包含有GA3组分的6 GA和GK浸种剂，作用效果最为显著。研究表明，ABA对促进植物抗寒性具有重要作用[30]，但本研究中，各处理间ABA含量差异并不显著，可能与种子萌发时间较短，ABA的调节作用尚未明显发挥出来有关。

4 结 论

利用不同植物生长调节剂复配的浸种剂，具有显著提高低温胁迫下玉米种子发芽率、发芽指数、活力指数、贮藏物质转运率等萌发特性指标的作用，并能增强α-淀粉酶活性，提高渗透调节物质可溶性糖含量，促进胚根、胚芽直径、长度、体积等形态指标，并能调节胚芽内源激素含量，显著增强IAA、GA3及ZR含量，综合各项指标，6 GA复配浸种剂性能优于单一组分浸种剂，具有显著提高玉米种子低温胁迫下发芽出苗能力的作用。