水分逆境下PEG诱导引发种子对糯玉米芽苗的生理调控

(辽宁省农业科学院玉米研究所，沈阳 110161)

水分逆境是造成全世界作物减产的最重要因素之一。水分胁迫可归结为土壤水分过量和土壤水分亏缺[1]。对种植于我国北方的糯玉米而言，水分资源供应有限，尤其在春季糯玉米生长的早期，干旱发生频繁；而在南方潮湿的夏季，糯玉米可能遭受阶段性或持续过度降雨、风暴或洪水。此外，近年来由于全球变暖和气候变化的不规律性，常常因降雨时间和降雨量不平衡而引起土壤水分波动，也会对糯玉米生产造成不利影响。

关于水分亏缺或过量对作物生长的影响，目前已开展了大量研究。通常情况下，种子发芽和早期幼苗生长对环境水分波动的耐受能力更为薄弱。因此，在早期生长阶段遭受土壤水分胁迫可能会导致芽苗较高的死亡率，导致作物生产能力下降。研究显示，诱导引发种子是一种促进水分逆境下种子发芽、出苗和幼苗形态建成的有效措施，在一些作物品种上已经有所报道[2-4]。例如，早在1991年Hur报道，种子引发处理后意大利黑麦草和糯玉米在干旱、低温、高盐胁迫下的萌发和幼苗形态建成情况有所改善[5]；Yuan-Yuan S等[6]研究了干旱条件下引发处理对水稻种子的影响。

然而，这些引发后改善种子萌发和幼苗形态建成的生理原因目前还不十分清楚。因此，本试验对PEG 诱导引发后种子发芽性能和抗逆性的生理变化进行了研究，旨在探讨PEG诱导引发对糯玉米种子发芽和幼苗生理特性的调控，阐述水分逆境下其耐受能力增强的内在原因，以期为糯玉米的抗逆栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验品种、地点

试验于2017年在辽宁省农业科学院人工气候室进行，试验品种为京科糯2000。

1.2 土壤水分处理

设5个土壤水分处理，包括(Ⅰ)正常土壤供水，即田间土壤含水量为24%(对照)；(Ⅱ)16%的土壤水分含量(干旱)；(Ⅲ)32%的土壤水分含量(水分过量)；(Ⅳ)7 d干旱+7 d水分过量；(V)7 d水分过量+7 d干旱。土壤含水量采用土壤水分传感器监测，每天17：30时进行补水。

1.3 种子诱导引发处理

种子处理分为引发和不引发2种。引发处理：将种子在20%的PEG-8000中浸种40 h(20 ℃)。将种子用蒸馏水漂洗干净，放置于20 ℃恒温箱中，干燥至恒重。不引发处理：以未接触过任何抗性处理的种子作对照。

1.4 试验设计

试验采用盆栽，随机区组设计，3次重复。塑料盆大小为直径20 cm，盆深18 cm，每盆装0.8 kg过筛干土，土壤类型为风干粉质壤土(0.49%有机碳、40.5%砂、16.3%粗泥沙、27.9%中等颗粒泥沙、15.3%粘土；土壤养分状况为0.106%全氮，0.158%全磷，2.014%钾，69 mg·kg-1有效氮，18.6 mg·kg-1有效磷，152.4 mg·kg-1有效钾以及pH值6.8)。试验人工气候室进行，昼/夜温度为30 ℃/24 ℃，湿度为50%，光照/黑暗周期为12 h/12 h，光照强度为190μmol·(m2·s)-1。

1.5 测定项目与方法

1.5.1萌发参数

每个水分处理的盆中播种引发和未引发的种子各10粒，每盆代表1个试验单位，3次重复，随机区组设计。从播种后5 d开始，每天进行检查，记录测定数值并进行统计分析，直至播种后15 d测定结束，将所有发芽种子收集，统计胚根长度大于种子长度的种子数量。发芽指数和活力指标根据孙璐等[7]的方法进行测定，计算公式为：

发芽指数=∑(Gt/Dt)，式中Gt是t天时种子萌发数量，Dt代表播种后天数。

对于上述问题，仍用“3个0.5相加”来解释显然是不对的.传统的小数乘法教学中，教师往往会忽略对于小数乘法意义的多方面理解.用单一模型讲解小数乘法的意义，会使学生陷入误区，同时对后续小数乘小数的意义理解形成影响.确切地说，学生不明白这种模型下为什么要用乘法，即3×0.5为什么表示“3的一半”！这一点在[4]中有较为详细的研究.

活力指数=发芽指数×胚根鲜重。

1.5.2生理参数

与萌发试验分开，单独每盆播种10粒引发和10粒未引发的种子，待出苗后每盆选取有代表性的引发和未引发处理的幼苗各1株定苗。播种后每盆喷洒60 mL Hoagland营养液，然后立即进行土壤水分胁迫处理。随机区组设计，3次重复。相对含水量、根系活力、抗氧化系统、脂质透性、O2-含量、细胞膜的稳定性、渗透调节物质等均在胁迫后15 d和30 d时进行测定。根系和叶片的相对水含量(RWC)通过公式进行计算：

RWC(%)=[(FW-DW)/(TW-DW)]×100%，(式中：FW为鲜重；DW为干重；TW为吸胀后重量)。DW为测定时样品在烘箱中65 ℃烘至恒重；TW为测定样品在4 ℃去离子水中浸泡24 h后的重量。根系活力、抗氧化系统(CAT、POD、APX、CAT、POD、MDA)及渗透调节指标(游离氨基酸、脯氨酸、可溶性糖、还原性糖等)采用作物生理研究法[8]进行测定。

1.6 数据统计分析

采用DPS 7.05软件对数据进行统计分析，方差分析采用LSD方法。

2 结果与分析

2.1 发芽的表现

结果表明，不同种子引发处理、土壤水分胁迫处理以及它们的互作效应对发芽率、发芽指数和活力指数均存在显著影响(表1)。正常土壤水分供应条件下引发和未引发的种子发芽表现均优于水分胁迫下的萌发，二者差异不大。在土壤水分逆境下，引发的种子在发芽率、发芽指数和活力指数较未引发的种子均有所改善。此外，不同水分逆境下，干旱处理较其它土壤水分胁迫处理对种子发芽负面影响更大，但种子引发在干旱胁迫下可显著提高其发芽性能。在处理种子5 d和15 d，未引发处理的种子在干旱胁迫下萌发率分别为39.58%和48.13%，而引发的种子在干旱胁迫下萌发率可分别达到43.21%和72.68%。

2.2 相对含水量

种子引发增强了不同土壤水分条件下植株叶片、根系和茎秆相对含水量(表2)。方差分析表明：在处理后15 d和30 d，种子处理和土壤水分胁迫处理对叶片、根系和茎秆的相对含水量差异显著。其中干旱、水分过量和干旱-水分过量处理相对含水量均下降幅度较大。说明种子引发处理可显著提高不同土壤水分环境下植株叶片、根系和茎秆的相对含水量，维持植株水分平衡。

表1 PEG引发对不同土壤水分条件下糯玉米萌发的影响

种子处理 土壤水分处理 发芽率/%处理后5d处理后15d发芽指数活力指数对照83.3886.4326.960.75干旱39.5848.1310.020.21未引发水分过量57.5561.8814.730.52干旱-水分过量44.2068.7516.700.64水分过量-干旱55.9870.7113.750.40对照83.4889.3829.460.85干旱43.2172.6824.550.67引发水分过量57.9564.8219.640.58干旱-水分过量65.8081.5218.660.78水分过量-干旱69.7372.6816.700.72LSD0.054.36.40.70.1种子处理F值15.28∗89.17∗214.66∗∗428.57∗∗土壤水分处理F值17.14∗94.25∗478.28∗∗174.25∗∗∗种子×土壤水分F值29.56∗10.38∗24.15∗∗68.94∗∗

注：“*”代表差异显著，“**”代表差异极显著下同。

表2 PEG引发对不同土壤水分条件下糯玉米相对含水量的影响

种子处理 土壤水分处理 相对含水量/% 处理后15d 处理后30d 叶根茎叶根茎对照82.0683.0279.1679.1680.1374.34干旱69.5162.7567.5869.5171.4472.40未引发水分过量71.4473.3769.5170.4776.2769.51干旱-水分过量78.2072.4072.4077.2374.3475.30水分过量-干旱74.3467.5874.3479.1672.4073.37对照83.0284.9582.0682.0669.5178.20干旱79.1683.0269.5179.1671.4474.34引发水分过量77.2380.1376.2781.0977.2377.23干旱-水分过量80.1373.3778.2083.0278.2078.15水分过量-干旱82.0680.1379.1682.0677.2379.16LSD0.055.83.96.74.83.23.9种子处理F值41.5∗44.3∗24.9∗23.8∗16.2∗38.5∗土壤水分处理F值33.9∗21.5∗10.6∗18.5∗9.8∗11.7∗种子×土壤水分F值8.4∗1.72.7∗8.9∗1.45.9∗

2.3 根系活力

结果表明，植株的根尖、根中间部分和基部相比具有更好的根系活力(表3)。方差分析结果表明，不同种子引发处理、土壤水分胁迫处理以及二者之间的互作效应对植株的根尖、根中间部分和基部的根系活力均存在显著影响。在处理后15 d和30 d，种子引发均显著增强了植株的根尖与根中间部分和基部的根系活力，其中根尖更为突出。

2.4 抗氧化系统

在处理后15 d和30 d，对APX、CAT、POD和SOD等抗氧化酶活性测定结果表明，APX和CAT活性受种子引发处理影响程度最大，种子引发处理提高了所有土壤水分处理下的APX、CAT、POD和SOD活性，且种子处理间、土壤水分处理间和测定时期间均存在着显著的互作(表4)。

幼苗叶子中MDA含量是评估抗氧化作用的重要指标，分析发现，种子处理间、土壤水分处理间和测定时期间以及它们之间的互作对MDA活性都具有显著影响(表4)。在处理后15 d和30 d，引发处理后的种子中MDA含量与未引发处理相比明显降低。另外，种子引发处理的O2-在不同水分逆境下均表现为：种子引发处理降低了O2-的积累量。研究表明，引发处理后的种子中质膜透性与未引发处理的相比降低明显。

2.5 渗透调节物质

方差分析结果显示，种子处理间、土壤水分处理间和测定时期间以及它们之间的互作对游离氨基酸和脯氨酸都具有显著影响，它们之间还原糖含量差异也达到了显著水平(表5)。此外，种子处理间、土壤水分处理间和测定时期间的互作效应可溶性蛋白存在着显著的互作作用。总体研究结果表明，在所有水分逆境处理下种子引发均增强了糯玉米幼苗叶片中还原糖、脯氨酸和可溶性糖含量。

3 结论与讨论

本研究结果表明，种子引发可促进不同的土壤水分逆境下糯玉米种子的萌发，增强其发芽性能。研究表明，种子引发处理可提高种子的发芽率、发芽指数和活力指数，如小麦、油菜、水稻和向日葵[9-11]；本研究结果与之基本一致。种子萌发和幼苗早期形态建成几乎对所有作物来说都是生长的关键阶段，而干旱和水分过量等水分逆境会严重降低发芽率和发芽整齐性[12]。因此，种子引发的主要效应是增强种子对水分逆境的耐受能力，为种子萌发创造更好的环境[32]。

表3 PEG引发对不同土壤水分条件下糯玉米苗期根系活力的影响

种子处理土壤水分处理 根系活力/[μg·(g·h)-1] 处理后15d 处理后30d 根尖中部基部根尖中部基部对照132.8679.9247.75141.1688.2349.82干旱88.2346.7120.76113.1472.6625.95未引发水分过量96.5356.0518.6885.1153.9728.03干旱-水分过量77.8565.3928.03108.9977.8525.95水分过量-干旱107.9570.5834.25116.2573.7039.44对照132.8687.1956.05139.09105.8753.97干旱119.3767.4737.37132.8686.1541.52引发水分过量112.1056.0524.9183.0464.3538.40干旱-水分过量89.2748.7834.25121.4484.0850.86水分过量-干旱116.2572.6641.52119.3776.8146.71LSD0.050.580.470.381.140.520.28种子处理F值10.25∗0.2812.54∗21.54∗8.2517.28∗土壤水分处理F值19.87∗15.27∗2.58111.28∗∗68.58∗5.24种子×土壤水分F值533.84∗∗852.41∗∗987.25∗∗142.58∗∗245.18∗1024.5∗∗

表4 抗氧指标化F值检验

自变量 因变量APXCATMDAO2-PODSOD种子处理326.60∗514.04∗256.29∗154.37∗322.26∗142.30∗土壤水分处理53.60∗59.78∗15.28∗65.23∗22.60∗96.08∗处理后天数18.85∗30.90∗156.37∗23.31∗30.63∗146.79∗种子×水分5.89∗6.21∗10.56∗13.59∗14.18∗4.07种子×天数3.832.079.82∗2.3512.16∗3.95水分×天数22.55∗31.08∗25.57∗2.819.31∗16.92∗种子×水分×天数1.044.5218.63∗4.65∗4.211.39

表5 渗透调节指标F值检验

自变量 因变量电导率游离氨基酸脯氨酸还原性糖可溶性糖可溶性蛋白种子处理655.06∗211.15∗356.73∗190.81∗52.64∗295.50∗土壤水份处理334.04∗68.28∗86.30∗57.31∗49.62∗45.68∗处理后天数417.83∗825.07∗921.31∗70.95∗74.42∗736.49∗种子×水份42.01∗9.13∗9.83∗2.383.262.87种子×天数43.51∗11.28∗14.520.172.2219.02水份×天数19.18∗6.398.950.3520.49∗22.62∗种子×水份×天数3.422.217.082.452.715.30

根系活力是恒量水分逆境下根系损伤的有效指标[38]。本研究发现，糯玉米幼苗的根系在土壤水分逆境下遭到了一定的损伤，尤其根尖和根中部活力下降明显，种子引发处理与未引发处理相比增强了植株在不同土壤水分逆境下的根系活力。植物具有通过活性氧系统作用减轻其对植物体损害的防御机制，抗氧化系统包括APX、CAT、POD和SOD等，在遭受逆境时这些指标的调节可有效缓解氧化损伤[13]。结果表明，种子引发处理改善了细胞膜的稳定性和降低了脂质过氧化，从而使APX、CAT、POD和SOD酶活性增强，尤其是APX、CAT变化最为活跃。本研究结果与Zhang C等[14]报道的PEG引发增强了荷紫苏中SOD、POD和CAT的活性的研究结果基本吻合。

在干旱和水分过量等多种逆境下植物叶片中的脯氨酸含量会有所增加[15-16]。本试验结果表明，脯氨酸含量在种子引发处理后糯玉米幼苗中显著增加，游离氨基酸和可溶性蛋白含量也有所提高，特别是在处理后15 d测得的结果更为突出。水分逆境下的游离氨基酸的积累可能是由于蛋白的渗透调节所致，所以水分胁迫下增加的游离氨基酸含量可能是一种适应机制。虽然在幼苗生长后期这种促进作用有所减弱，但种子引发处理仍可有效的加强这一生理适应性。Chen and Arora[7]用PEG引发菠菜种子研究也得出了类似的结论。

综上所述，采用PEG引发种子对不同水分逆境下糯玉米发芽和幼苗生长都具有促进作用。PEG引发种子显著提高了叶绿素含量和根系活力，并有利于保持幼苗根、茎相对含水量在土壤水分逆境下维持平衡。另外，种子引发处理增强了水分逆境下APX、CAT、POD和SOD等抗氧化酶的活性，促进了游离氨基酸、脯氨酸的积累，同时促进了还原性糖和可溶性糖的活动，降低了MDA积累和细胞电解液的泄漏。因此，增强了机体对水分逆境的耐受性。