富氢水对干旱胁迫下大麦种子萌发及幼苗生物量分配的影响

宋瑞娇 冯彩军 齐军仓

富氢水对干旱胁迫下大麦种子萌发及幼苗生物量分配的影响

宋瑞娇 冯彩军 齐军仓

（石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，832003，新疆石河子）

为探讨富氢水对干旱胁迫下大麦种子萌发期抗旱性与幼苗生物量分配的影响，以大麦品种“新啤6号”为试材，采用20%聚乙二醇（PEG）-6000模拟干旱胁迫，比较不同浓度富氢水浸种处理后大麦种子的发芽率和幼苗根冠比等16个指标的差异。结果表明，适宜浓度的富氢水处理能显著提高干旱胁迫下大麦种子的发芽率、干物质转移量、转移率及转化效率，并减少呼吸消耗干物质量，还可以降低干旱胁迫下大麦幼苗根冠比，增加幼苗根和芽的干重，促进幼苗可溶性糖、可溶性蛋白及叶绿素累积。由此可知，一定浓度的富氢水能通过调控种子干物质转运的途径提升干旱胁迫下大麦种子的萌发率，并可通过调节可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量降低干旱胁迫对大麦幼苗根和芽生物量分配的不利影响。

富氢水；干旱胁迫；大麦；萌发

大麦（L.）是世界第四大谷类作物，也是啤酒生产和饲料加工必不可缺的工业原料[1]。近年来，随着全球气候变化加剧，水资源匮乏已成为影响植物正常生长发育的主要胁迫因子[2]。种子萌发期和幼苗生长期是高等植物对外界环境高度敏感的时期[3]。有研究[4-5]表明，缺水条件下，大麦种子的萌发与幼苗建成会受到严重抑制，并显著影响后期产量与品质形成。

氢气是一种新型的气体信号分子，被证实在促进植物生长发育和抗逆生理中有着积极作用[6]。Xie等[7]研究表明，富氢水（hydrogen-rich water，HRW，外源氢气供体）处理能有效增加植物细胞内氢气的产生，并通过刺激NO与H2O2的合成来降低气孔孔径，从而增强拟南芥的耐旱性。Chen等[8]则发现氢气通过CO途径增加叶绿素含量和叶绿素荧光，并提升幼苗含水量，以此促进干旱胁迫下黄瓜不定根的发育。Felix等[9]以紫花苜蓿幼苗为材料研究氢气生物学功能，结果表明富氢水通过调节脱落酸相关基因的表达，提高抗氧化酶活性来缓解聚乙二醇（PEG）处理对植物造成的氧化损伤。

尽管氢气可能参与调控多种植物对干旱的响应，但在大麦抗旱研究中，富氢水的作用仍未见报道，且现有研究多集中于探讨富氢水对植物根苗发育的影响，鲜有涉及干物质调控。本研究以大麦品种“新啤6号”为试材，使用PEG模拟干旱胁迫，分析了不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦种子发芽率、干物质转移和幼苗生物量分配的影响，旨在丰富氢气的植物学作用机理，为增强大麦耐旱性研究提供一定理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试大麦品种为“新啤6号”，由石河子大学农学院提供。

1.2 试验方法

1.2.1 富氢水的制备 使用AK-H300氢气发生器（上海埃焜仪器设备有限公司）制备纯度为99.994%的氢气，并将制备好的氢气以150mL/min的速率向500mL蒸馏水中持续鼓泡，1h后按Tomoki等[10]的方法测量蒸馏水中氢气含量，达到饱和后立即按比例将饱和富氢水溶液稀释至所需浓度。

1.2.2 种子发芽及幼苗生长试验 选取健康、大小均匀一致的大麦种子，取20份（每份10粒）置于80℃烘箱，2d后称取发芽前干重，得平均值为629.6mg（＜0.01）。剩余部分用10%的次氯酸钠消毒10min，蒸馏水冲洗3次后分别置于0%（CK）、25%、50%、75%和100%浓度的富氢水中暗培养24h，期间每隔12h更换一次处理液。之后采用纸上发芽法，将浸后的种子转移至含有40mL 20% PEG-6000的发芽盒中，50粒/盒，在光强400µmol/(m2·s)、光暗比12h/12h、温度25℃的条件下培养，每个处理重复3次。萌发期间，每日以根与种子等长、芽达种子长度一半为标准，记录发芽率，7d后，各处理选取10株幼苗置于80℃烘箱内烘干至恒重，称芽、根和种子干重，并计算相关指标[11]，方法如下：

幼苗干重=根干重+芽干重；

根冠比=根干重/芽干重；

干物质转运量=发芽前种子干重-发芽后种子干重；

干物质转移率（%）=（干物质转运量/发芽前种子干重）×100；

干物质转化效率（%）=（幼苗干重/干物质转运量）×100；

呼吸消耗干物质量=干物质转移量-幼苗干重。

1.2.3 生理指标测定 萌发7d后取样测定幼苗生理指标。采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[12]；按照Bradford[13]的方法测定可溶性蛋白含量；参考Arnon[14]的方法测定叶绿素含量。所有指标测定均重复3次。

1.3 数据处理

使用SPSS 19.0软件进行统计分析，采用Microsoft Excel 2010绘制图表。

2 结果与分析

2.1 富氢水对干旱胁迫下大麦种子发芽率的影响

由图1可知，不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦种子的发芽率有不同程度的影响。萌发3d时发芽率增长最快，是确保种子正常萌发的关键时期，该时期25%和50%浓度富氢水处理后发芽率相比CK有显著提升。萌发5d后，大麦种子的发芽率增幅明显减小，在萌发7d时趋于稳定。对第7天种子发芽率进行比较，可见经25%、50%和75%富氢水处理后种子发芽率显著高于CK，其中以25%浓度最佳；100%富氢水浸种处理后发芽率有轻微地提高，但相比CK提高不显著。

不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示处理间差异极显著（P＜0.01），下同

2.2 富氢水对干旱胁迫下大麦种子干物质转运与幼苗根和芽生物量分配的影响

由表1可得，适宜浓度富氢水浸种对大麦种子干物质转运有显著或极显著的影响。与CK相比，75%和100%富氢水浸种显著提高了大麦种子干物质转移量与转移率，其余浓度处理与CK无显著差异。相对而言，富氢水对干物质转化效率作用更加明显。50%富氢水处理相比CK有极显著提高，其余浓度富氢水处理也能显著提高干旱胁迫下大麦种子干物质转化效率。此外，25%、50%和75%富氢水处理与其他处理相比还显著降低了大麦种子萌发期间呼吸消耗干物质量，100%浓度处理与CK间则无显著差异。

表1 不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦种子干物质转运的影响

不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05），不同大写字母表示处理间差异极显著（＜0.01），下同

Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (< 0.05), different capital letters indicate extremely significant differences between treatments (< 0.01), the same below

由表2可知，与CK相比，25%、50%和75%富氢水浸种极显著提高了幼苗的干重，增幅在1.34～1.45倍之间，100%浓度处理则与CK无显著性差异。对于幼苗根系而言，与CK相比，50%和75%富氢水浸种能极显著增加根干重1.28倍和1.47倍，其余浓度处理与CK无显著差异。对于大麦幼芽，25%和50%浓度富氢水处理效果最好，芽干重较CK分别提升1.69倍和1.72倍，差异极显著，75%浓度处理次之，增幅为1.42倍，100%浓度处理则与CK无显著区别。由根冠比可知，随富氢水浓度升高，根冠比呈先下降后上升的趋势，其中25%浓度与CK相比显著减少0.32倍，100%与CK相比增加0.17倍，其余处理则无显著差异。

表2 不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗根芽生物量分配的影响

2.3 富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

据图2可知，随富氢水浓度的增加，大麦幼苗根和芽的可溶性糖含量均呈现先上升后下降的趋势。其中，根可溶性糖含量在富氢水浓度50%时达到峰值，约为CK的1.49倍；75%和25%浓度次之，约为CK的1.37和1.23倍；100%富氢水处理与CK相比则无显著变化。芽可溶性糖含量在25%富氢水处理下达到峰值，约为CK的1.69倍；其余处理芽可溶性糖含量则随浓度的增加而递减，依次为CK的1.60、1.30和1.16倍，除100%富氢水外，其余浓度下芽可溶性糖含量与CK差异均达显著水平。

图2 干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种对大麦幼苗根和芽可溶性糖含量的影响

从图3可知，不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗根和芽可溶性蛋白含量有不同程度的影响。在幼苗根中，与CK相比，仅75%富氢水处理能极显著促进可溶性蛋白的累积，为CK的1.71倍，其余浓度处理下，根可溶性蛋白含量有轻微提升，但与CK均无显著性差异。在幼苗芽中，可溶性蛋白累积量随着富氢水浓度的增加呈现上升趋势，在50%、75%和100%浓度下达到极显著水平，分别为CK的1.95、2.75和3.10倍，25%浓度处理则与CK无显著差异。

2.4 富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量的影响

由表3可知，各浓度富氢水处理能不同程度提升干旱胁迫下大麦幼苗叶绿素a含量，相较于CK，25%、50%和75%富氢水处理下叶绿素a含量极显著升高，分别达CK的1.50、1.33和1.24倍；100%浓度处理下叶绿素a含量也显著高于CK，为CK的1.09倍。随着浓度增加，富氢水对干旱胁迫下大麦幼苗叶绿素b含量的影响呈先上升后下降趋势，但各处理与CK均差异不显著。总体而言，富氢水浸种能增加大麦幼苗中叶绿素总含量，其中在浓度为25%时效果最好，为CK的1.39倍；50%和75%次之，为CK的1.22和1.15倍；100%浓度处理的总叶绿素含量有轻微增幅，但与CK差异不显著。

图3 干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种对大麦幼苗根和芽可溶性蛋白含量的影响

表3 干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种对大麦叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量的影响

3 讨论

种子萌发是农业生产的第一步，也是保证作物高产稳产的关键时期。该时期种子易受到不利环境的影响，其中，干旱胁迫的抑制作用尤为明显。李淑梅等[4]利用PEG模拟土壤干旱条件，结果表明，随着胁迫程度的升高，大麦种子的发芽率、发芽势和发芽指数逐渐降低，萌发质量与PEG质量分数呈显著负相关关系[4]。本试验发现，适宜浓度富氢水浸种可缓解干旱胁迫对大麦种子萌发的抑制。当富氢水浸种浓度为25%、50%和75%时，种子发芽率均有显著提升，这与富氢水在水稻和小麦等植物中参与非生物胁迫拮抗的结果相似[15-16]。

植物发芽初期，根芽发育尚不健全，幼苗建成所需能量多来自于种子中的营养物质。施成晓等[17]研究表明，干旱胁迫抑制了冬小麦萌发期幼苗生物量累积，这与种苗转化过程中种子干物质转移效率下降有关。本试验发现适宜浓度的富氢水能显著增加干旱胁迫下大麦幼苗干物质转移量与转移率，并因此提高幼苗干物质质量。此外，Soltani等[11]指出植物萌发期间，呼吸作用使得幼苗生物量总是低于种子干物质转移量，因此，呼吸消耗干物质量也是衡量植物萌发质量的重要指标。本研究表明，25%、50%和75%浓度的富氢水均能显著降低种子萌发期间呼吸消耗的干物质量，并因此提升种子干物质转化效率，该结果与大麦种子发芽率相一致，说明富氢水通过提升种子干物质转移量与转化效率改善了干旱胁迫下大麦种子发芽质量。

协调地上和地下生物量分配比例是植物高效利用资源和正常生长发育的基础。贺海波等[18]发现，干旱胁迫会打破植物生物量分配平衡，随着干旱胁迫程度的加深，植物会将更多营养物质分配到根部，以缓解水分供应不足带来的不利影响。代小冬等[19]也表明，干旱胁迫会显著抑制谷子苗期地上与地下部发育，胁迫程度越强，根冠比增加幅度越大。本研究结果证实，适宜浓度的富氢水可以显著或极显著增加大麦幼苗根干重与芽干重，减小干旱胁迫下大麦幼苗的根冠比，这说明富氢水浸种不仅改善了干旱处理下植物干物质累积情况，还协调了植物地上与地下部生物量的分配。

渗透调节是植物拮抗干旱胁迫的重要生理机制，可溶性糖是重要渗透调节物质之一。有研究[20-21]表明，干旱处理下，组织内可溶性糖含量的增加有助于增强植物抗旱性，且耐旱品种积累可溶性糖的能力比干旱敏感品种更强。本试验显示，适宜浓度的富氢水能显著或极显著地提升大麦幼苗根芽中可溶性糖含量，这与Wang等[22]在水稻抗硼害研究中所得结果相似，表明富氢水具有促进植物幼苗可溶性糖累积的作用。可溶性蛋白既是一种渗透调节物质，也是衡量植物蛋白质损伤的重要指标。顾正中等[23]研究表明，可溶性蛋白含量与小麦抗旱性呈正相关，抗旱性越强的小麦品种，其可溶性蛋白积累量越丰富，蛋白质损伤越小。本研究发现，富氢水浸种能显著或极显著地增加干旱胁迫下大麦幼苗可溶性蛋白含量，且对芽的作用显著强于对根系，说明富氢水处理不同程度地增加了大麦幼苗根和芽的耐旱性。此外，上述渗透调节物含量变化基本与根和芽干重的变化对应，证明外源氢气可能通过增加大麦幼苗可溶性物质含量的途径提升渗透调节能力，并因此影响植物干物质累积与分配。

光合作用是种子萌发中后期重要营养物质来源之一，叶绿素是参与植物光合作用不可或缺的物质。刘军等[24]研究指出，严重的水分胁迫会明显抑制紫花苜蓿光系统Ⅱ的光化学活性，而干扰光合作用的主要原因是干旱胁迫阻碍了叶绿体的功能。Chen等[8]研究表明，50%富氢水浸种能够缓解干旱对黄瓜幼苗叶绿素合成的负面影响，显著增加植株体内叶绿素含量和叶绿素荧光。本研究则发现25%浓度对干旱胁迫下大麦幼芽中叶绿素含量的增加效果最为显著，且这种增幅主要是通过提高叶绿素a含量实现的。鉴于在光合作用中只有极少数叶绿素a分子能起到转换光能的作用，因此我们有理由推测，外源氢气通过增加叶绿素含量的途径提升大麦幼苗光能转换率，并因此影响干旱胁迫下大麦幼苗的形态建成。

4 结论

适宜浓度外源富氢水浸种能显著提高干旱胁迫下大麦种子发芽率，明显改良大麦幼苗干物质转移与分配情况。一方面，富氢水通过增加种子干物质转运量与转运效率来缓解干旱胁迫对大麦种子萌发的抑制。另一方面，富氢水通过提升可溶性糖与可溶性蛋白含量来增强植株渗透调节能力；通过提升叶绿素含量的方式增加叶片光能转换效率，并由此协调根芽生物量分配比例，使大麦幼苗更加适应干旱环境。

[1] 刘慧，薛凤蕊. 中国大麦贸易现状及发展趋势. 农业展望，2015，11(8)：66-69.

[2] 周曙东，周文魁，林光华，等. 未来气候变化对我国粮食安全的影响. 南京农业大学学报（社会科学版），2013，13(1)：56-65.

[3] Tan L Y，Chen S X，Wang T，et al. Proteomic insights into seed germination in response to environmental factors. Proteomics，2013，13(12/13)：1850-1870.

[4] 李淑梅，董丽平，王付娟. PEG模拟干旱胁迫对大麦种子萌发及生理特性的响应. 种子，2016，35(10)：99-101.

[5] 包奇军，潘永东，张华瑜，等. 旱胁迫对啤酒大麦产量及酿造品质的影响. 干旱地区农业研究，2016，34(5)：27-34.

[6] 宋瑞娇，齐军仓. 氢气的植物学作用研究进展. 植物生理学报，2020，56(5)：913-920.

[7] Xie Y，Mao Y，Zhang W，et al. Reactive oxygen species-dependent nitric oxide production contributes to hydrogen-promoted stomatal closure in. Plant Physiology，2014，165(2)：759-773.

[8] Chen Y，Wang M，Hu L，et al. Carbon monoxide is involved in hydrogen gas-induced adventitious root development in cucumber under simulated drought stress. Frontiers in Plant Science，2017，8：128.

[9] Felix K，Su J C，Lu R F，et al. Hydrogen-induced tolerance against osmotic stress in alfalfa seedlings involves ABA signaling. Plant Soil，2019，445：409-423.

[10] Tomoki S，Ryosuke K，Bunpei S. A convenient method for determining the concentration of hydrogen in water：use of methylene blue with colloidal platinum. Medical Gas Research，2012，2(1)：1-6.

[11] Soltani A，Gholipoor A，Zeinali E. Seed reserve utilization and seedling growth of wheat as affected by drought and salinity. Environmental and Experimental Botany，2006，55：195-200.

[12] 李合生，孙群，赵世杰. 植物生理生化实验原理和技术. 北京：高等教育出版社，2000：195-197.

[13] Bradford M M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry，1976，72：248-254.

[14] Arnon D I. Copper enzymes in isolated chlorplasts polyphenoloxidase in. Plant Physiology，1949，24：1-15.

[15] Xu S，Zhu S，Jiang Y，et al. Hydrogen-rich water alleviates salt stress in rice during seed germination. Plant and Soil，2013，370：47-57.

[16] 田婧芸，张慧洁，陕嘉楠，等. 富氢水处理对铜胁迫下小麦幼苗生长及其细胞结构的影响. 河南农业大学学报，2018，52(2)：193-198.

[17] 施成晓，陈婷，王昌江，等. 干旱胁迫对不同抗旱性小麦种子萌发及幼苗根芽生物量分配的影响. 麦类作物学报，2016，36(4)：483-490.

[18] 贺海波，李彦. 干旱、盐胁迫条件下两种盐生植物生物量分配对策的研究. 干旱区研究，2008，25(2)：242-247.

[19] 代小冬，徐心志，朱灿灿，等. 谷子苗期对不同程度干旱胁迫的响应及抗旱性评价. 作物杂志，2016(1)：140-143.

[20] 姜颖，左官强，王晓楠，等. 烯效唑浸种对干旱胁迫下工业大麻幼苗形态、渗透调节物质及内源激素的影响. 干旱地区农业研究，2020，38(3)：74-80.

[21] 侯俊峰，黄鑫，侯阁阁，等. 非结构性碳水化合物积累与小麦植株抗旱性及产量的关系. 西北农业学报，2017，26(11)：1590-1597.

[22] Wang Y，Duan X L，Xu S，et al. Linking hydrogen-mediated boron toxicity tolerance with improvement of root elongation，water status and reactive oxygen species balance：a case study for rice. Annals of Botany，2016，118(7)：1279-1291.

[23] 顾正中，周羊梅，杨子博，等. 干旱胁迫下淮麦33等不同小麦品种幼苗生理响应的研究. 西南农业学报，2017，30(1)：67-71.

[24] 刘军，齐广平，康燕霞，等. 不同灌溉处理下紫花苜蓿光合特性、叶绿素荧光参数及生物量的变化. 草地学报，2019，27(6)：1569-1576.

Effects of Hydrogen-Rich Water on Barley Seed Germination and Barley Seedling Biomass Distribution under Drought Stress

Song Ruijiao, Feng Caijun, Qi Juncang

(Agricultural College of Shihezi University/The Key Laboratory of Oasis Eco-Agriculture,Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, Xinjiang, China)

To investigate the effects of hydrogen-rich water (HRW) on drought resistance in germination period and seedling biomass distribution under drought stress, barley variety Xinpi 6 was used as material, which cultured in 20% polyethylene glycol-6000 (PEG). The 16 indexes were compared in different concentrations of HRW, such as germination rate and seedling root-shoot ratio. The results showed that the suitable concentration of HRW treatment could significantly increase the germination rate, dry matter transfer amount, transfer rate, and conversion efficiency; reduced respiratory consumption of dry matter and root-shoot ratio; increased the roots and buds’ dry weight; promoted the accumulation of soluble sugar, soluble protein, and chlorophyll in barley seedlings. It could be concluded that suitable concentration of HRW could increase the germination rate of barley seeds under drought stress by regulating the transport of dry matter, and reduce the adverse effects of drought stress on the proportion of root and bud biomass of seedlings by regulating the contents of soluble sugar, soluble protein, and chlorophyll.

Hydrogen-rich water; Drought stress; Barley; Germination

10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.032

宋瑞娇，研究方向为种子生理学，E-mail：435991524@qq.com

齐军仓为通信作者，研究方向为大麦遗传育种与栽培技术研究，E-mail：shzqjc@qq.com

现代农业产业技术体系建设专项（CARS-05-22B）

2020-08-14；

2020-12-24；

2021-06-29