人工老化和低温胁迫对陆地棉种子活力的影响和评价

邓晓娟，苏秀娟，玛依拉·依不拉音，陆小双，麦尔旦·图尔贡，刘鹏飞

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】棉花是喜温作物，新疆春季气候多变，常有明显的倒春寒，导致棉花苗期冷害发生较频繁，是影响其生长发育和品质的主要环境胁迫因子之一[1]。棉花种子老化是种子贮藏过程中普遍存在的一种现象，影响种子的萌发和幼苗生长及后期种子的产量与品质，而且对种质资源的保存、开发和利用等都产生严重的影响[2]。分析模拟逆境对棉花种子萌发的影响，为筛选和培育高活力种子提高棉种播种质量和种用价值提供参考。通过低温胁迫和人工模拟种子老化的相关研究，分析种子低温响应和老化机理并进一步找出相关减缓种子劣变速率的应对策略，对于种质资源保存和环境保护以及作物的繁殖生产具有重要的现实意义。【前人研究进展】在作物生产中，种子质量直接影响作物的产量与质量，种子活力又是反映种子质量的重要指标[3-4]。测定种子活力，评价对种子活力，并筛选出高活力种子，对于确保播种种子质量，节约播种费用，提高种子抵御不良环境的能力，增强种子对病虫杂草的竞争能力，提高实际田间出苗率，提高作物产量，增强种子的耐储藏性。棉花在整个生育期均容易遇到低温胁迫，主要是在萌发期和苗期[5]。棉花生长季节早期的低温会对棉花幼苗造成伤害，在温度恢复正常后棉株也可能无法完全恢复[6]。高活力种子在经历一段时间的低温后发芽能力仍然较强，而低活力的种子经低温处理后，发芽能力明显降低，甚至不能够正常萌发出苗[7]。种子生理成熟后便进入贮藏或休眠阶段，该阶段种子会发生老化或劣变，发芽率和活力等随之降低。种子老化对萌发的影响巨大，发芽率、发芽指数和整齐率下降，生长缓慢[8]，抗逆性下降，弱苗、白化苗、畸形苗增多，严重时会导致生活力丧失[9]，造成经济损失[10-11]。【本研究切入点】棉花对低温比较敏感，苗期冷害影响棉花品质和产量。棉花种子是否耐受贮藏能力影响种子活力。目前有关棉花种子质量的研究多数仍然用标准发芽试验的发芽率，而对种子活力研究，特别是逆境胁迫下的活力研究较少[12-13]。研究人工老化处理和低温胁迫对陆地棉种子萌发的影响。【拟解决的关键问题】以12份陆地棉种子为材料进行了低温胁迫和人工老化处理后发芽试验，分析人工老化处理和低温胁迫对陆地棉种子活力的影响，为陆地棉种子耐低温和耐贮藏性提供资源参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

2019年10月收获 12 个陆地棉品种、品系种子，分别为中棉49号、XND1580、新陆早42号、关农1号、KK1543、新陆早7号、新陆早72号、塔什干、吐76-94、新陆早57号、中棉35号和10615等，种植在新疆农业大学乌鲁木齐三坪农场，种子由新疆农业大学2612棉花团队提供。

1.2 方 法

1.2.1 种子处理

采收后机械脱长绒，浓硫酸脱短绒，于阴凉通风处晾干贮藏，约6个月后用于种子活力测定。

1.2.2 标准发芽

根据农作物检验规程(GB/T 3543.4-1995)采用滤纸法恒温变光培养进行。每材料取100粒种子，0.1%的氯化汞灭菌15～20 min，无菌水洗3～4次，置种于铺有无菌滤纸的用75%酒精消毒过的发芽盒上，盖上无菌滤纸，并用无菌水湿润，发芽盒置于每天8 h全光照26℃光照培养箱进行。每个品种3次重复，每天统计发芽情况及补无菌水，第8 d并称量苗鲜重、根鲜重、苗长和根长。

简化活力指数=G×S，S为苗鲜重。

1.2.3 低温发芽

每材料3次重复，每重复100粒种子，采用同标准发芽法相同的滤纸发芽盒法，发芽盒置于18℃光照培养箱。统计指标及公式同标准发芽试验。

1.2.4 人工老化发芽

先对种子人工老化处理[9]，将种子放入 65℃的水浴锅里浸泡40 min，取出于37℃烘箱过夜烘干，按照标准进行发芽试验。

1.3 数据处理

采用Excel对数据进行处理，用SPSS23.0软件进行聚类分析。采用系统聚类的方式，对数据进行Z得分标准化，采用组间联接方法、平方欧氏距离测量，得出聚类树。

2 结果与分析

2.1 不同胁迫处理间发芽势比较

研究表明，人工老化发芽势最高，其次是标准发芽法，最后是低温发芽法。除了新陆早7号和新陆早57号，人工老化平均提高了发芽势15.0%，即加快了快速整齐出苗速率。新陆早7号和新陆早57号人工老化发芽势分别比标准下低了68.7%和37.0%，人工老化处理严重影响了新陆早7号和新陆早57号的出苗速率。除了新陆早7号、塔什干和中棉35号，其它材料均受低温负影响较大，发芽势平均降低了30.0%。而新陆早7号和中棉35号低温提高了发芽速度，分别比标准下提高了15.3%和19%，塔什干低温下发芽势比标准下高了4%，均表现出较高耐低温能力。图1

注：1:中棉49号，2:XND1580，3:新陆早42号，4:关农1号，5:KK1543，6:新陆早7号，7:塔什干，8:吐76-94，9:新陆早72号，10:新陆早57号，11:中棉35号，12:10615

2.2 不同胁迫处理间发芽率比较

研究表明，不同活力测定方法下陆地棉种子发芽率总体趋势和发芽势不同，标准>人工老化>低温。人工老化发芽率比人工老化下发芽势平均只高了5%，人工老化处理加快了发芽速度，但降低了发芽率。低温下发芽率比标准下低了26%，人工老化比标准下低了10%，低温对发芽率的影响较大。其中中棉35号最耐低温，发芽率为75%，比对照高了3%；其次是塔什干和新陆早7号，发芽率分别为70%和78%，比对照分别一致和少2.7%。新陆早7号和新陆早57号最不耐贮藏，发芽率比对照分别低了82.7%和35%。中棉49号、塔什干、新陆早72号和10615发芽率都高于对照，耐贮藏。图2

2.3 不同胁迫处理间苗长和根长比较

研究表明，苗长为标准下最长，其次是低温和人工老化，平均值分别是4.36、2.72和2.64 cm。根长为标准下2.55 cm，人工老化下1.15 cm，而低温下是0.95 cm。根长占苗长百分比平均值为标准下59%，人工老化下为44%，低温下为35%，低温下根长占比最小，其次是人工老化下，逆境下负影响根的伸长。

品种间对不同逆境的反应也不同，低温下有的品种根显著长，占苗长50%以上，如中棉49号、XND1586、新陆早42号、KK1543等，根占苗百分比为95%、71%、61%和64%；有的品种根显著短，如塔什干、吐76-94、新陆早72号和10625等，根占苗百分比为19%、22%、16%和17%；其余与标准下比例接近。图3

图3 不同测定方法下苗长和根长重叠变化Fig. 3 The superposed graph of seedling length and root length under three types of germination

2.4 不同胁迫处理间鲜重比较

研究表明，标准发芽，人工老化发芽和低温发芽平均苗鲜重分别为1.8、2.4和2.7 g，平均根鲜重分别为0.37、0.29和0.60 g。苗鲜重规律为低温>人工老化>标准，根鲜重规律为低温>标准>人工老化。人工老化苗根鲜重比最高，为8.38，更接近于标准下的4.73，而低温下苗根鲜重比为0.22，低温胁迫下发芽的幼苗易形成粗根、状根。图4

图4 不同测定方法下苗鲜重和根鲜叠加变化Fig. 4 The layer overlay mode of seedling fresh weight and root fresh weight under three types of germination

2.5 不同胁迫处理间简化活力指数比较

研究表明，低温胁迫和人工老化处理都降低了陆地棉种子活力，但各材料对不同逆境响应有所不同。多数材料人工老化处理下简化活力指数大于低温下的，而新陆早7号，塔什干，吐76-94和新陆早57号则相反。其中，塔什干在逆境下简化活力指数较正常下稍高。吐76-94、中棉35号在各环境中简化活力指数保持相近。图5

注：1:中棉49号，2:XND1580，3:新陆早42号，4:关农1号，5:KK1543，6:新陆早7号，7:塔什干，8:吐76-94，9:新陆早72号，10:新陆早57号，11:中棉35号，12:10615

2.6 不同胁迫处理萌发能力聚类

研究表明，标准状态下发芽率均在70%以上，根据标准发芽各指标进行综合系统聚类分析，在相似系数为15时分类2类，高活力和中活力。高活力包括XND1586、关农1号、新陆早42号、KK1543、新陆早7号和中棉49号，中活力包括塔什干、新陆早72号、中棉35号、吐76-94、新陆早57号和10615。图6

图6 标准发芽试验陆地棉种子活力系统聚类Fig. 6 Clustering analysis of cotton seed vigor under standard germination

在相似系数20分为3类，耐冷型、中间型和敏冷型。耐冷型有5个材料，包括新陆早7号、吐76-94、中棉35号、新陆早57号和塔什干，其中新陆早7号属于高耐冷型。中间型有3个材料，分别是kk1543、XND1586和中棉49号。敏冷型有4个材料，分别是关农1号、新陆早42号、10615和新陆早72号，其中10615和新陆早72号极敏冷。图7

图7 低温胁迫系统聚类Fig.7 Clustering analysis of cotton seed vigor under low temperature germination

在相似系数15的时候分为3类，耐贮藏型，中间型和不耐贮藏型。耐贮藏型有4个材料，包括中棉35号、10615、新陆早72号和塔什干。中间型有6个材料，分别是吐76-94、新陆早42号、关农1号、KK1543、XND1586和中棉49号。不耐贮藏型有2个材料，新陆早7号和新陆早57号。图8

图8 人工老化处理系统聚类Fig. 8 Clustering analysis of cotton seed vigorunder artificial aging germination

在相似系数20的时候分为3类，不耐低温耐贮藏型，中间型和耐低温不耐贮藏型。不耐低温耐贮藏型有5个材料，包括XND1586、KK1543、中棉49号、新陆早42号和关农1号。中耐低温中耐贮藏型有5个材料，分别是新陆早72号、10615、塔什干、中棉35号、新陆早57号和吐76-94。耐低温不耐贮藏型只有1个，即新陆早7号。图9

图9 综合逆境系统聚类Fig. 9 Clustering analysis of cotton seed vigor under three types of germination

3 讨 论

3.1 各品种对逆境下种子活力响应有所不同

不同活力测定方法所得到的棉花种子活力结果并不完全一致，标准发芽试验活力水平高的品种逆境发芽能力不一定好，而活力低的品种逆境发芽能力也不一定表现都差[12]。在玉米、水稻等作物种子活力的研究，也发现不同活力测定方法的结果不一致现象[14-15]。品种不同，响应会有所不同，研究发现，标准状态下活力高的不一定所有逆境下活力高。新陆早7号和新陆早57号标准下发芽率和低温胁迫发芽率分别是98.7%和80%及96%和72%，而人工老化只有16%和45%。10615的标准发芽率和老化处理发芽率到80%和94%，而低温胁迫发芽率只有20%。闫强等[12]通过低温胁迫和人工老化处理结果显示，湘杂7号、屯杂6号、中棉所50号等都表现出在标准条件和低温胁迫下活力高，而人工老化处理下活力较低。苏秀娟等[16]在盐胁迫处理海岛棉种子后测定活力显示，N3、农科57在标准条件活力高，而盐胁迫下活力较低。一种活力测定方法的结果仅能侧重于判断种子对某种逆境条件的耐受能力，标准发芽试验下所测定的种子活力并不能完全反映种子在逆境下的发芽能力和芽苗健壮程度。

3.2 逆境胁迫下发芽的幼苗响应不同

低温胁迫下苗长和根长较标准条件下短，苗重和根重较标准条件下重，说明低温胁迫下出的幼苗为粗、短苗。人工老化处理下苗长和根长较标准条件下短，苗重较标准条件下重，根重较标准条件下轻，人工老化处理出的幼苗以子叶重、短苗为主。对17个陆地棉进行低温和人类老化处理研究种子活力发现逆境下幼苗鲜重下降[17]，种子活力是一个综合性状，不同的逆境可能影响种子萌发过程的不同生理生化反应。

4 结 论

4.1 相比标准条件下进行的简化的发芽试验，低温胁迫与人工老化发芽处理都降低了陆地棉种子发芽势、发芽率、苗长、根长、苗鲜重和根鲜重，且品种间存在较大差异。人工老化主要抑制种子发芽率，而低温胁迫及抑制了种子发芽也抑制了幼苗生长势。人工老化处理加快了出苗速度，但降低了最终发芽率，易形成粗壮苗，除了高度不耐贮藏的新陆早7号和新陆早57号，发芽率都达到国家标准70%以上，在该范围内的人工老化处理可作为促进早出苗、齐出苗的播前处理手段。低温胁迫既降低了出苗速率也降低了发芽率，易形成小叶粗根短苗。

4.2 发芽势高的不一定发芽率高，例如人工老化处理评价发芽势是68.5%，比标准发芽势高了4%，而平均发芽率为74.3%，比标准发芽势低了10%。发芽势低的不一定发芽率低，例如KK1543的发芽势只有35%，而发芽率高达81.3%。标准状态下高活力的不一定在逆境下也高活力，新陆早7号，表现出极不耐贮藏。逆境下高活力的标准状态下一定高，新陆早7号在低温、中棉35号在低温和人工老化都具有高发芽率，标准状态下也是高发芽率。

4.3 12个陆地棉材料里，高度耐低温的材料只有新陆早7号，且表现为不耐贮藏。中耐低温的有吐76-94、中棉35号、新陆早57号和塔什干。耐贮藏的材料有塔什干、新陆早72号和10615，且也中度耐低温。耐贮藏不耐低温的材料有XND1586、KK1543、中棉49号、新陆早42号和关农1号。