玉米种子萌发特性对不同浓度PEG-6000的响应

黄爱花，邹成林*，苏义成，翟瑞宁，莫润秀，黄开健，谭 华

(1.广西农业科学院玉米研究所，广西 南宁 530007；2.广西区农业科学院，广西 南宁 530007)

【研究意义】随着全球气候的不断剧烈变化，干旱作为主要自然灾害严重制约全球农业的发展。种子萌发期对水分需求虽然相对较少，但却是作物生长的关键时期，该时期种子的发芽率、幼苗生长和萌发期生理进程均关乎植物后期的生长发育，严重影响作物产量[1-3]。玉米作为全球和我国最重要的粮食作物之一，其产量受到干旱的严重制约。聚乙二醇(PEG)是一种高分子聚合物[化学式为HO(CH2CH2O)nH]，可导致细胞脱水而引起质膜结构变化和细胞融合，不同浓度PEG具有不同的渗透势，可利用其模拟不同干旱条件探究种子的萌发特性。广西种植的玉米品种以杂交种为主，且主要种植在丘陵和山区，多数无灌溉条件，受季节性影响明显，加上雨水分布不均，春旱、秋旱时常发生，严重影响玉米(尤其是春玉米)的适时播种及出苗和全苗[4]。因此，探究不同浓度PEG对玉米杂交种萌发特性的影响，对广西抗旱玉米新品种选育具有重要意义。【前人研究进展】安永平等[5]研究发现，高浓度PEG-6000溶液对种子萌发的限制作用显著大于低浓度，萌发干旱胁迫反应指数随着PEG-6000溶液浓度的降低而升高。李静静等[6]研究显示，PEG-6000胁迫后不同基因型小麦的芽长、主胚根长和芽鲜质量等指标均有所降低，但不同品种的降幅存在显著差异。吴政霖和章有知[7]研究表明，PEG-6000模拟干旱胁迫可显著降低大豆叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和还原型抗坏血酸(AsA)含量，同时显著增加丙二醛(MDA)和还原型谷胱甘肽(GSH)含量，并提高过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(AsA-POD)活性。呼凤兰等[8]开展不同浓度PEG-6000溶液模拟干旱胁迫对花生种子发芽率、发芽势和发芽指数影响研究，发现PEG-6000溶液模拟干旱胁迫能显著降低花生种子的发芽率、发芽势、发芽指数和根长。郭效龙等[9]利用不同浓度PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫研究玉米种子萌发过程中各项指标的响应规律，结果发现鉴定玉米自交系抗旱性最理想的指标是种子萌发抗旱指数，且较适宜的PEG-6000胁迫浓度为10%和15%。康志钰等[10]研究指出，PEG-6000处理对玉米杂交种种子的苗长、发芽势和发芽指数等均有明显抑制作用。赵玉坤等[11]通过室内不同浓度PEG-6000溶液模拟不同程度干旱胁迫，分析各PEG-6000浓度下玉米种子的发芽特性，结果表明，玉米种子萌发时的发芽率、发芽势和平均发芽速度均随着PEG-6000浓度的升高而呈明显下降趋势；平均发芽天数随着胁迫程度的加深向后推移1～3 d；在不同PEG-6000浓度下，胚根、胚轴和全株长度受到明显抑制。余贵海等[12]以20%PEG-6000溶液模拟干旱胁迫评价14个玉米品种萌发期的抗旱性，结果显示PEG-6000能降低玉米发芽率，胚根和胚芽生长受到不同程度抑制，活力指数降低。邱鹏程等[13]利用PEG-6000溶液模拟干旱胁迫并根据加权隶属函数值法评价结果，可确定伊单131和真金308属于耐旱玉米品种。庄克章等[14]试验结果表明，PEG-6000胁迫后，玉米种子发芽率降低，胚根和胚芽生长受到不同程度抑制，根据隶属函数法进行综合评价后从18个玉米品种中可筛选出7个抗旱品种。文景茹等[15]利用20%PEG-6000溶液对苗期的54个玉米自交系进行干旱胁迫，考察株高、根冠比和叶面积等9个指标后，通过主成分分析筛选，再利用隶属函数法计算出综合抗旱值D，鉴定出7个抗旱性玉米自交系。成锴等[16]研究认为，发芽势、发芽率、发芽指数和耐旱萌发指数可作为鉴定玉米抗旱能力的主要指标，种子吸水率、胚根长、胚芽长和贮藏物质运转率可作为鉴定玉米抗旱能力的间接指标。姚玉波等[17]研究报道，PEG-6000溶液模拟干旱胁迫对玉米的发芽势、发芽率、萌发抗旱指数、贮藏物质转运率、胚根数、胚根长和胚芽长等指标均产生不同程度影响，结合主成分分析和聚类分析结果，可鉴定出抗旱型材料。【本研究切入点】广西玉米播种期时常发生春旱和秋旱，已严重影响广西玉米生产的可持续发展，但目前鲜见针对广西玉米萌发期开展抗旱性研究的相关报道。【拟解决的关键问题】以广西主推玉米品种桂单162为试验材料，分析不同浓度PEG-6000模拟干旱胁迫对其种子发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、幼苗全长、胚根干重、胚芽干重和贮藏物质运转率等萌发指标的影响，以期为广西抗旱玉米新品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为桂单162，选取其颗粒饱满、大小一致和无损伤的种子为试验材料。桂单162于2013年通过广西品种审定委员会审定(桂审玉2013001号)，目前为广西主推玉米品种，也是广西玉米区域试验的对照品种，具有抗旱性较强的特点。将种子用蒸馏水洗净，75%酒精浸种3 min进行消毒，再用蒸馏水冲洗3遍后沥干备用。发芽盒、滤纸和蒸馏水使用前进行105 ℃高压灭菌20 min[11]。PEG-6000溶液购自生工生物工程(上海)股份有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 参照姚玉波等[17]的方法，设6个浓度梯度(5%、10%、15%、20%、25%和30%)PEG-6000处理，以蒸馏水处理为对照(CK)。人工气候箱温度设恒温25 ℃，相对湿度80%。发芽盒内放入3层滤纸作为发芽床，将经前期处理的种子置于滤纸上，分别加入不同浓度PEG-6000溶液20 mL，每天定时向滤纸中滴加蒸馏水少许，使滤纸保持湿润。每处理30粒种子，3次重复。以胚根突破种皮2 mm为发芽标准，每天定时调查1次发芽情况，连续调查8 d。

1.2.2 测定指标及方法 测定指标包括发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、胚根干重、胚芽干重、发芽后的籽粒干重和贮藏物质运转率及幼苗全长等。在PEG-6000处理后第8天从每个发芽盒选取10粒发芽的种子进行各项指标测定，其中测定胚根、胚芽和籽粒干重前需先用剪刀将胚根和胚芽与种子分离，放入铝盒置于烘箱中105 ℃杀青5 min，于80 ℃恒温烘干至恒重。

发芽势(%)=第4天发芽种子数/供试种子数×100%

发芽率(%)=第7天发芽种子数/供试种子数×100%

萌发指数=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8

贮藏物质运转率(%)=(胚芽干重+胚根干重)/(胚芽干重+胚根干重+籽粒干重)×100%

式中，nd2、nd4、nd6和nd8分别为第2、4、6和8天的种子发芽率。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行统计，以DPS 16.05进行相关分析和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 PEG-6000干旱胁迫对玉米种子发芽势、发芽率和萌发指数的影响

发芽势、发芽率和萌发指数作为种子发芽能力的重要指标，分别反映种子的发芽速度、发芽能力和幼苗生长情况。由表1可知，随着PEG-6000浓度的提高，玉米种子的发芽势、发芽率和萌发指数均呈逐渐下降趋势。在发芽势方面，PEG-6000浓度为5%时显著低于CK(P<0.05，下同)，PEG-6000浓度在10%～30%时均极显著低于CK(P<0.01，下同)，而PEG-6000浓度为25%时的发芽势(18.89%)降幅达77.03%，但与PEG-6000浓度为30%时的发芽势(14.44%)无显著差异(P>0.05，下同)，说明玉米种子发芽势的降幅在PEG-6000浓度为25%时已达极限。在发芽率方面，PEG-6000浓度为5%～15%时与CK无显著差异，PEG-6000浓度为20%～30%时极显著低于CK，而PEG-6000浓度为25%时的发芽率(30.00%)极显著低于PEG-6000浓度为20%时(78.89%)，同时PEG-6000浓度为25%时的发芽率与PEG-6000浓度为30%时无显著差异，说明发芽率的降幅在PEG-6000浓度为25%时已达极限。在萌发指数方面，PEG-6000浓度为5%时与CK差异不显著，PEG-6000浓度为10%～30%时均极显著低于CK，而PEG-6000浓度为20%时萌发指数的降幅明显增大，但PEG-6000浓度为25%时的萌发指数(0.35)与PEG-6000浓度为30%时无显著差异，说明萌发指数的降幅在PEG-6000浓度为25%时已达极限。可见，提高PEG-6000浓度会延缓玉米种子发芽时间，降低发芽能力，一般在PEG-6000浓度为15%或20%时会明显抑制种子萌发，但抑制作用未达到极限，而PEG-6000浓度为25%时降幅最小的指标发芽率，其降幅仍达68.24%，已严重影响玉米种子萌发。

2.2 PEG-6000干旱胁迫对玉米种子胚根、胚芽和幼苗全长的影响

由表2可知，不同浓度PEG-6000对玉米种子胚根长、胚芽长和幼苗全长均具有不同程度的抑制作用，PEG-6000浓度越高抑制作用越明显。在胚根长方面，PEG-6000浓度为5%时与CK无显著差异，PEG-6000浓度为10%时显著低于CK，PEG-6000浓度在15%～30%时均极显著低于CK，而PEG-6000浓度为25%时胚根长(2.78 cm)降幅达73.04%，但与PEG-6000浓度为30%时的胚根长(1.63 cm)无显著差异，说明PEG-6000浓度为25%时胚根长的降幅已达极限。在胚芽长和幼苗全长方面，二者的变化趋势与胚根相似，PEG-6000浓度为5%时与CK差异不显著，PEG-6000浓度在10%～30%时均极显著低于CK，PEG-6000浓度为25%和30%时的胚芽长和幼苗全长均无显著差异，说明PEG-6000浓度为25%时胚芽长和幼苗全长的降幅已达到极限。可见，提高PEG-6000浓度会限制玉米幼苗胚根和胚芽的生长发育。此外，PEG-6000浓度为5%时胚根长和胚芽长较CK分别降低11.06%和5.79%，而PEG-6000浓度在10%～30%时胚根长和胚芽长较CK分别降低15.81%～84.19%和24.41%～92.55%，说明较低浓度(5%)PEG-6000对玉米胚根长的抑制作用强于对胚芽长的抑制作用，较高浓度(10%～30%)PEG-6000对胚根长的抑制作用弱于对胚芽长的抑制作用。

表1 PEG-6000干旱胁迫对玉米种子发芽势、发芽率和萌发指数的影响

2.3 PEG-6000干旱胁迫对玉米种子胚根和胚芽干重及贮藏物质运转率的影响

由表3可知，玉米种子的胚根干重、胚芽干重和贮藏物质运转率均随着PEG-6000浓度的提高而降低。在胚根干重方面，PEG-6000浓度为5%时与CK差异显著，PEG-6000浓度为10%～30%时均极显著低于CK；PEG-6000浓度为20%时胚根干重为0.1253 g，较CK降低53.11%，而PEG-6000浓度为25%时胚根干重为0.0276 g，较CK降低89.67%，但与PEG-6000浓度为30%时的胚根干重(0.0158 g)无显著差异。在胚芽干重方面，PEG-6000浓度为5%～30%时均极显著低于CK；PEG-6000浓度为20%时胚芽干重为0.0806 g，较CK降低71.62%，而PEG-6000浓度为25%时胚芽干重为0.0209，较CK降低92.64%，但与PEG-6000浓度为30%时的胚芽干重无显著差异。可见，提高PEG-6000浓度对玉米幼苗胚根和胚芽的增重均具有抑制作用。在贮藏物质运转率方面，CK为27.82%，PEG-6000浓度为5%时与CK差异显著，PEG-6000浓度为10%～30%时均极显著低于CK，其中，PEG-6000浓度为25%时的贮藏物质运转率(2.31%)较CK降低91.68%，但与PEG-6000浓度为30%时的贮藏物质运转率(1.40%)无显著差异。可见，提高PEG-6000浓度可使玉米种子的贮藏物质运转率降低，PEG-6000浓度为10%或20%时抑制作用已十分明显，但抑制作用的极限浓度为25%。

表3 PEG-6000干旱胁迫对玉米种子胚根和胚芽干重及贮藏物质运转率的影响

表4 PEG-6000浓度与玉米种子萌发特性各指标间的相关分析

2.4 PEG-6000浓度与玉米种子萌发特性各指标间的相关分析结果

由表4可知，PEG-6000浓度与种子发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、幼苗全长、胚根干重、胚芽干重和贮藏物质运转率间均存在极显著负相关，相关系数分别为-0.985、-0.886、-0.971、-0.975、-0.980、-0.990、-0.978、-0.978和-0.979，相关程度排序为幼苗全长>发芽势>胚芽长>贮藏物质运转率>胚根干重=胚芽干重>胚根长>萌发指数>发芽率。同时，种子萌发特性各指标之间，除发芽率与胚芽长呈显著正相关外，其他均呈极显著正相关。说明PEG-6000溶液可从多个方面抑制玉米种子的萌发进程，延缓玉米种子的发芽时间，降低其发芽能力，限制其胚根和胚芽的生长发育，使种子的贮藏物质运转率降低。

3 讨 论

干旱可发生在玉米的不同生长阶段，是限制玉米产量提高的主要因素，在我国南方地区，尤其是广西，干旱一般发生在种子萌发期和灌浆期[18]。种子萌发期遇到干旱一方面会导致出苗不全，致使种植密度减小，另一方面会导致玉米初期生长发育严重受阻，对后期生长产生不利影响。玉米从萌发到出苗虽然需水量最低，但该阶段对水分却最为敏感[1]，该阶段若遇干旱常使玉米缺苗率达20%，严重时达40%～50%，造成大面积减产[19]。因此，加强对玉米萌发阶段的抗旱性研究具有重要的现实意义。

PEG-6000是模拟干旱胁迫的理想溶剂，具有降低水势和模拟干旱环境作用，其作用机理主要是使植物细胞和组织失水，最终抑制其正常生长发育[20]。但作物种类、生长环境和种植方式不同，模拟干旱胁迫的最适宜PEG-6000浓度也不相同。本研究发现，除胚芽干重外，玉米的其他萌发特征指标在PEG-6000浓度为5%时与CK均无极显著差异；除发芽率和胚根长外，玉米的其他萌发特征指标在PEG-6000浓度为10%和15%时均极显著低于CK；当PEG-6000浓度达20%时，玉米的所有萌发特征指标均极显著低于CK；当PEG-6000浓度达25%时，与CK相比玉米的萌发特征指标降幅极大，此浓度下降低幅度最小的发芽率其降幅仍达68.24%，对种子萌发造成严重制约，与郭效龙等[9]研究认为当PEG-6000浓度达25%时种子几乎不能萌发的观点相似。因此，为最大程度地体现干旱胁迫的影响效果而又不对玉米种子萌发产生严重制约，建议在利用PEG-6000溶液模拟干旱胁迫研究时选用浓度为15%或20%，这与多数研究者利用PEG-6000进行玉米萌发期抗旱性研究时所使用的PEG-6000浓度相同[12，14，17，19，21-24]。

玉米对干旱胁迫的响应是一个复杂过程，受多种因子调控，单一指标无法全面反映这一变化。本研究中，玉米种子的发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、幼苗全长、胚根干重、胚芽干重和贮藏物质运转率9项萌发指标均随着PEG-6000浓度的增加呈下降趋势，与前人研究结果[12，14，25-27]一致；相关分析结果也表明，这些指标与PEG-6000浓度间均存在极显著负相关。说明PEG-6000可从多方面抑制玉米种子的萌发进程，延缓玉米种子的发芽时间，降低其发芽能力，限制其胚根和胚芽的生长发育，使种子中的贮藏物质运转率降低。因此，上述9项指标均可用于反映玉米种子萌发过程中对干旱胁迫的适应能力，可将这些指标综合应用于与玉米种子萌发相关的抗旱性分析。

截至目前，南方地区开展玉米种子萌发期抗旱性研究的报道较少。本研究通过对广西主推玉米品种桂单162进行萌发期抗旱性研究，发现不同PEG-6000浓度与玉米种子萌发各指标间均呈极显著相关，与北方及黄淮海地区开展玉米种子萌发期抗旱性研究的结果[10-12]存在差异，可能与桂单162种子属于南方典型硬粒型品种有关，说明相比北方及黄淮海地区，利用PEG-6000进行干旱胁迫更有利于开展南方玉米种子萌发特性影响研究。

本研究主要从农艺性状方面分析PEG-6000模拟干旱胁迫对玉米种子萌发期的影响，属于玉米表观对PEG-6000干旱胁迫响应方面的探讨，但玉米种子的内在变化还涉及生理生化和分子水平，因此，后续研究还将从生理生化及基因表达等方面进行分析，以进一步阐明PEG-6000模拟干旱胁迫对玉米种子萌发期的内在影响。此外，本研究仅以1个玉米杂交种开展不同浓度PEG-6000溶液干旱胁迫影响研究，其最适模拟干旱胁迫浓度是否适用于其他玉米品种或自交系，后续研究需增加参试品种或自交系数量以进一步验证。

4 结 论

不同浓度PEG-6000干旱胁迫对玉米种子发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、幼苗全长、胚芽干重、胚根干重和贮藏物质转运率等具有明显抑制作用，提高PEG-6000浓度会延缓玉米种子发芽时间，降低发芽能力，限制其胚根和胚芽的生长发育，使种子的贮藏物质运转率降低。在玉米干旱胁迫研究中建议选用的PEG-6000浓度为15%或20%。