不同温度条件下模拟干旱胁迫对小麦种子萌发的影响

张凯 马兰英 马丽媛

摘要：为研究不同温度下干旱胁迫对春小麦种子萌发及生理特性的影响，设置2种温度（恒温25 ℃和变温15 ℃/25 ℃）和3种模拟干旱胁迫情况[聚乙二醇（PEG-6000）浓度0%、10%、20%]处理小麦种子（新春6号），测定发芽数、萌发率、胚根长、胚芽长、根冠比和第4天时过氧化物酶、过氧化氢酶、丙二醛含量变化。结果表明，种子萌发在 30 h 基本完成，在恒温和PEG-6000浓度为0%时萌发时间最短，只需18 h;随时间进程推进，胚根长和胚芽长不断增加，变温会延缓生长速度;在同一温度下，胚根和胚芽的长度随着PEG-6000胁迫程度增加而降低，根冠比则相反，过氧化物酶、过氧化氢酶活性及丙二醛含量也随PEG-6000胁迫程度增加而增加;在相同浓度 PEG-6000处理下，不同温度对种子生长和生理特性有影响，但总体来说差异不明显。新春6号种子在恒温25 ℃萌发快，10%和20% PEG-6000 胁迫会对种子生长造成抑制，而根冠比、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量显著增大。

关键词：春小麦;温度处理;聚乙二醇胁迫;种子萌发;生理特性

中图分类号： S512.1+20.1;Q945.78  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）20-0079-04

干旱胁迫会严重影响植物的生存、生长和分布，在全球气候变化背景下，植物遭受干旱胁迫的现象普遍存在。在世界许多地区，经济、社会的发展和生态环境的建设所面临的最主要的限制因子之一就是水资源[1]。随着全球干旱加剧和人口增长，水资源将变得越来越稀缺，植物适应干旱胁迫的研究对于发展节水农业显得十分重要[2]。小麦是我国主要的粮食作物之一，在北方种植广泛，随着人口不断增长和经济社会的发展，对小麦的需求也越来越大。同时，社会经济不断发展消耗越来越多的生产生活用水，使得本来干旱的西北地区用水矛盾更加突出，为了应对将来可能面临的未知挑战，必须做到防患于未然，也就必须充分研究小麦在干旱胁迫条件下的生长发育过程，所以，干旱胁迫的研究对小麦种植意义越来越凸显。

良好的种子萌发是后期小麦齐苗壮苗的关键，关系到能否为作物的丰产打下良好的基础。因此，种子萌发在种子的整个生长历程中是非常重要的。种子的萌发是一个复杂的过程，涉及外观形态、内部生理机制的方方面面。在萌发的过程中除了形态质量变化，还伴随着相关酶的變化[3]，这些代谢成分受到种子萌发条件的强烈影响，其中温度和水分是影响种子萌发非常重要的条件。

有研究表明，模拟干旱环境（PEG胁迫）会降低小麦发芽势、萌发率和发芽指数，增加细胞膜透性[4-5]。赵永锋等对21个供试材料共采取了4个温度的梯度处理研究，随着温度的升高，各种材料的萌发率、发芽势、发芽指数和活力指数都会提高[6]。贾风勤探讨了不同变温条件对3种车前种子萌发的影响，发现车前的萌发进程受到不同影响[7]。闫兴富等研究不同温度下PEG-6000胁迫对柠条锦鸡儿种子萌发的影响，发现温度和PEG-6000模拟干旱胁迫及二者的交互作用对柠条锦鸡儿种子的萌发率、萌发速率系数、萌发值、萌发指数和活力指数均具有极显著影响[8]。在胁迫环境下，丙二醛（malondialdehyde，MDA）、过氧化物、过氧化氢等会在植物体内大量累积，因此，在一定胁迫环境下过氧化物酶（peroxidase，POD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）活性的变化，可以反映小麦种子在胁迫环境下的适应能力。不同温度和干旱胁迫共同作用下春小麦种子萌发过程中形态特性和抗氧化酶活性的变化研究还需要进一步探讨。

综上所述，本研究以新疆南疆地区普遍种植的新春6号小麦为材料，进行不同温度和PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，观测小麦种子萌发状况。通过测定不同温度和模拟干旱胁迫处理下新春6号种子的生长特性和生理生化特性，得到小麦种子在萌发过程中各指标对环境的响应特性，阐明不同温度下干旱胁迫对作物种子的萌发抑制作用，为西北干旱地区作物的生长提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所选的新春6号小麦是由新疆农业科学院选育，在1999年通过了全国农作物品种审定委员会审定。该品种属中早熟春小麦品种，适宜在西北较干旱地区种植。试验于2019年11—12月在喀什大学新疆帕米尔高原生物资源与生态重点实验室完成。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验采用随机区组设计，设置2个温度梯度，分别为恒温25 ℃和变温15 ℃/25 ℃（间隔12 h，G112-2电蒸型恒温培养箱培养）;PEG-6000配置3个梯度[0%（蒸馏水，CK）、10%、20%]的溶液模拟干旱胁迫;每个处理重复3次。试验过程中定时观察种子的变化并每天更换滤纸。处理组合如表1所示。

1.2.2 试验种子的处理 挑选颗粒饱满、大小均匀的种子，用浓度为0.1%的高锰酸钾溶液浸泡 3 min，完成表层消毒，再用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干水分备用。培养皿在121 ℃高压灭菌锅消毒25 min[9]。种子萌发用纸上培养法[10]，用镊子轻轻将小麦均匀地置于铺有单层滤纸的培养皿上，每个培养皿中放40粒。培养皿中滴入不同浓度的 PEG-6000 溶液，然后分别放在不同温度处理的培养箱中。

1.2.3 种子生长特性测定 种子的萌发以胚根露白为标准。每隔6 h观察1次，记录种子的发芽数，第2天开始计算萌发率：萌发率=正常发芽的种子数/供试种子数×100%[11]。从第2天开始，每个培养皿中随机挑选10粒种子，测量胚根长和胚芽长度，第4天时测胚根和胚芽质量[12]。

1.2.4 生理生化指标的测定 试验第4天测定种子生理生化指标：用硫代巴比妥酸法测定萌发种子体内的MDA含量[13];用愈创木酚法测定种子体内的POD活性[14];用紫外吸收法测定种子萌发过程CAT的活性变化[15]。

1.3 数据处理

试验数据用Excel 2013进行计算，整理制图，用SPSS 13.0软件对数值进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同温度下模拟干旱胁迫对种子生长特性的影响

2.1.1 種子萌发 由表2可知，0%和10% PEG-6000胁迫下，2种温度处理对小麦种子的萌发率没有显著影响。在恒温25 ℃时，0%处理下种子完成萌发约需要18 h，用时最短;而10%、20%处理下，种子萌发率完成所用的时间均有比0%处理有延迟。在15 ℃/25 ℃变温条件下，萌发时间0～30 h内，比较各观测时间点，0%处理下的种子萌发率比20% PEG胁迫下种子萌发率高，且差异显著;0%处理与10%处理比较，仅在处理6 h时有显著差异。不管恒温还是变温，0% PEG-6000萌发经历时间都短，说明种子萌发受到PEG-6000抑制，且变温会使得萌发延后。

2.1.2 胚根长 由表3可知，恒温25 ℃培养下，胚根长度和生长速率总体高于变温15 ℃/25 ℃。观测第2、3、4天，在温度处理条件相同时，随PEG-6000浓度增加，胚根生长受到抑制程度越来越明显，且胚根长表现为0%>10%>20%;第5、6天，0%和10%之间无显著差异，均显著高于20%。整个观测期，20% PEG-6000浓度处理下种子胚根生长受到严重抑制。

2.1.3 胚芽长 由表4可知，不管恒温还是变温条件，观测第2、4、5、6天，随PEG-6000浓度增加，胚芽长均显著降低。第3天，恒温条件下PEG-6000浓度为0%和10%种子胚芽长差异不显著，均显著高于PEG-6000浓度20%;变温条件下，0% PEG-6000处理时种子胚芽长显著高于10%和20% PEG-6000处理。观测第2天，20% PEG-6000胁迫下种子未萌发出胚芽。恒温条件更有利于胚芽生长。

2.1.4 根冠比 由图1可知，在试验的时间段内根冠比的比值均大于1，说明胚根的生长速度要比胚芽的快。2种温度处理下，在PEG-6000浓度逐渐增加的情况下，新春6号小麦根冠比逐渐增加。通过方差分析可知，恒温25 ℃时，PEG-6000浓度20%处理的根冠比显著高于10%和0%处理，后两者间无显著差异;变温15/25 ℃时，则为20%和10%胁迫无显著差异，均显著高于0%处理。说明PEG-6000胁迫会增大根冠比，而一定的变温设置会增大这种趋势。

2.2 不同温度下模拟干旱胁迫对种子MDA含量和抗氧化酶活性的影响

由表5可知，无论是恒温还是变温，随PEG-6000浓度的升高，MDA含量一直升高;同一PEG-6000浓度下，MDA含量无明显差别。在恒温25 ℃时，PEG-6000浓度20%与10%间差异不显著，PEG-6000浓度10%与0%同样没有显著差异。在变温15 ℃/25 ℃时，PEG-6000浓度20%与10%间差异不显著，均显著高于0%。

2种温度条件下，种子POD活性与PEG-6000浓度的关系与MDA含量相似。在恒温25 ℃时，PEG-6000浓度20%、10%时POD活性比0%分别显著高出55.3%、15.4%。在变温15 ℃/25 ℃时，PEG-6000浓度20%、10%时POD活性比0%分别显著高出60.1%、18.5%（表5）。

同一PEG-6000浓度下，CAT活性无显著差异;恒温和变温条件下，CAT活性均随PEG-6000浓度升高而增加。在恒温25 ℃时，20% PEG-6000浓度下的种子体内CAT活性比0%高出66.6%，比10%高出23.1%;在变温15 ℃/25 ℃时，PEG-6000浓度20%的CAT活性比0%高出62.4%，比10%高出26.5%（表5）。

3 讨论与结论

3.1 生长特性对温度和PEG胁迫的响应

干旱和不适温度等不良自然环境会对小麦的生理机制造成一定的伤害，甚至导致其死亡。对于干旱地区植物来说，在干旱胁迫条件下种子萌发率的降低可能是对干旱区生境的适应性机制[8]，避免了种子在萌发期遇少量降雨对其后期幼苗的形成产生影响。在西北干旱地区，因气候温差等自然环境的恶劣，新春6号小麦从开始播种到收获，都会不同程度地遭受各种自然灾害的胁迫。

研究表明，不同浓度PEG-6000的胁迫对小麦种子的萌发有直接的关系。本研究发现，新春6号小麦的生长特性对温度和PEG-6000的变化比较敏感。PEG-6000胁迫增加时会对小麦种子的生长产生抑制作用，而使得种子的萌发比较迟缓。此时种子启动休眠机制，推迟萌发，以此来适应变幻复杂的自然环境。张德楠等曾在研究温度和土壤水分对青冈栎种子萌发的影响[16]中也得出类似的结论。

植物的地上部分和地下部分是紧密相连相互依赖相互影响的，他们之间通过不间断的联系进行着物质流动、能量流通和信息交流。根冠比主要是用来反映植物在生长的过程中地上和地下部分生长发育的情况，根冠比值越高，说明根系机能活性越强，比值越低则活性越弱。在胁迫环境下，胚根相对干质量高，有利于维持种子的生存。

3.2 保护性酶对温度和PEG胁迫的响应

植物在胁迫环境下会造成体内MDA的积累，而MDA的大量累积会强烈破坏细胞质膜[17]，它反映了细胞膜受损程度。POD是植物体内普遍存在的用以保护植物组织的一种活性较高的抗氧化物保护酶[18-19]。CAT是植物体内存在的一种可以抗衰老的保护酶，它可以维持细胞膜的稳定性和完整性，可以清除植物体内累积H2O2[20]。Graae等认为，植物在胁迫环境下会提高酶活性来抵抗不利环境，从而减少胁迫环境对植物组织细胞的伤害[21]。本次试验中发现，新春6号小麦种子在萌发的过程中体内的保护性酶会随着温度和胁迫浓度的不同而发生变化。POD、CAT活性和MDA含量在相同温度下，随胁迫浓度增加而增加;同一胁迫浓度下，不同温度处理对POD、CAT活性及MDA含量影响不明显。在胁迫条件下，为了防御产生的活性氧等有害物质的伤害，种子细胞内保护性酶活性增强。

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