PEG 胁迫对2 个青稞新品系种子萌发和幼苗生理生化特性的影响*

2022-05-28施丹丹王建军朵惠民王家月雷东花康志钰

云南农业大学学报(自然科学) 2022年3期

施丹丹，王建军，朵惠民，王家月，雷东花，康志钰

(云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201)

干旱会引起植物一系列表型、生理生化、相关激素和分子水平的变化，严重干旱会导致光合作用终止和代谢紊乱，最终导致植物死亡[1-2]。因干旱造成的全球农作物年产量损失不可估量，选择耐旱作物以克服水资源减少的问题是解决干旱地区粮食减产的有效措施，也是当前的研究热点之一[3]。目前对大麦[4]、小麦[5-6]、玉米[7]和棉花[8]等作物的抗旱性研究较多，但对青稞抗旱性的研究相对较少。青稞作为地区性作物，其推广面积远远不如小麦和玉米等大田作物，但青稞独具的耐旱、耐寒、耐贫瘠和耐盐碱等多重抗性却是其他作物不可比拟的[2]。青稞在种子发芽和苗期易受干旱影响，苗期干旱直接影响青稞的产量[9-12]。研究表明：PEG 处理对种子发芽和出苗、提高种子活力及抗逆性有一定的作用[13]。刘贵河等[14]研究表明：低质量分数PEG(5%～15%)对鲁梅克斯和高丹草种子的萌发以及高丹草抗旱指数有一定促进作用。

本研究选用滇青1 号和滇青2 号2 个青稞新品系，采用不同质量分数PEG 模拟不同程度干旱胁迫对青稞种子进行预处理，探讨干旱胁迫下青稞种子萌发、幼苗生长和生理调节的特性，旨在了解不同强度干旱胁迫对不同青稞品种的影响，筛选适宜的PEG 预处理，为提高青稞抗旱性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为云南农业大学新选育的滇青1 号和滇青2 号青稞新品系。

1.2 试验设计

设置0%(CK)、5%、10%、15%、20%和25%共6 个PEG 质量分数梯度，在室温内进行幼苗生长测定，每天更换处理液确保PEG 质量分数，每24 h 观测萌发和幼苗生长动态；观测7 d 后，测定青稞幼苗叶和根在不同水势下的生理生化指标。试验重复3 次。

1.3 测定方法

从发芽试验的第1 天开始，每天统计已发芽的全部种子数，连续统计7 d，第7 天发芽试验结束时测定平均苗长、苗质量、根长和根质量[15]，根据统计结果计算发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数和根冠比[16]；测定青稞幼苗的生理生化特性，叶片相对含水量采用烘干法测定[17]；相对电导率采用常规浸泡法测定[16]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[18]；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250 法测定[18]；超氧化物酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定[18]；游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定[19]。

1.4 统计分析

所有数据采用Excel 2010 整理，运用SPSS 19.0 软件进行方差分析、相关分析及回归分析。

2 结果与分析

2.1 PEG 处理对青稞种子萌发和幼苗生长发育的影响

由表1 可知：滇青1 号的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数的最大值和最小值均大于滇青2 号，且滇青1 号在0%～20% PEG 处理时有较高发芽率，说明其耐旱范围大于滇青2 号。t检验结果显示：滇青1 号和滇青2 号的发芽势在15%和20% PEG 处理时差异极显著，25% PEG处理时差异显著；两者的发芽率在25% PEG 处理时差异极显著；发芽指数在除5% PEG 外的处理时差异极显著；活力指数在所有处理下均呈极显著差异。所有指标的t值均大于0，即滇青1 号的萌发特性高于滇青2 号，故滇青1 号更耐干旱。

表1 不同质量分数PEG 对滇青1 号和滇青2 号种子萌发特性的影响Tab.1 Effects of different mass fractions of PEG on the seed germination characteristics of Dianqing No.1 and Dianqing No.2

由表2 可知：滇青1 号幼苗苗长和单株苗质量的最大值和最小值均大于滇青2 号，滇青2 号幼苗根长和根冠比的最大值和最小值均大于滇青1 号；根冠比随PEG 质量分数的增加而增大，说明随着干旱程度的增加幼苗生长明显受限制，更倾向根系发展，因此，滇青1 号更抗干旱。t检验结果显示：青稞幼苗的苗长在0%、5%、10%和25% PEG 处理下差异极显著；根长在所有处理下差异极显著；苗质量在除15% PEG 外的处理差异极显著；根质量在5%～20% PEG 处理下差异极显著；根冠比在0%和15%～25% PEG 处理下差异极显著。除根长外，所有处理下的t值多为正值，即PEG 胁迫下滇青1 号幼苗生长发育优于滇青2 号，但滇青2 号幼苗的根系生长优于滇青1 号。

表2 不同质量分数PEG 对滇青1 号和滇青2 号幼苗生长发育的影响Tab.2 Effects of different mass fractions of PEG on the seedlings growth and development of Dianqing No.1 and Dianqing No.2

2.2 PEG 处理对青稞幼苗生长表型的影响

由图1 可知：0% PEG 处理时，滇青1 号和滇青2 号的幼苗生长能力均最强，25% PEG 处理时最弱。随PEG 质量分数的增加，滇青1 号的幼苗和根系均逐渐减小；滇青2 号的幼苗在0%和5% PEG 处理间相差不大，但在10%～25% PEG处理时幼苗生长明显受抑制，且4 组处理间幼苗生长差异不明显。

图1 不同PEG 处理对滇青1 号(上)和滇青2 号(下)幼苗生长表型的影响Fig.1 Effects of different PEG treatments on the growth phenotype of Dianqing No.1(up)and Dianqing No.2(down)seedlings

2.3 PEG 处理对青稞幼苗生理生化指标的影响

由表3 可知：2 个青稞品系叶片的游离脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白(SP)含量和SOD 酶活性以及滇青 2 号的相对电导率均在CK 处理时最小，并随PEG 质量分数的增大而增大，在25% PEG 处理时达到最大值；滇青 1 号的相对电导率在5% PEG 处理时最小，然后再随PEG 质量分数的增大而增大；叶片相对含水量在CK 处理时最大，并随PEG 质量分数的增大而减小。滇青2 号叶片Pro、MDA 和SP 含量的最大值和最小值均分别高于滇青1 号。t检验结果显示：滇青1 号叶片的Pro 含量、MDA含量和SOD 酶活性在所有处理下均与滇青2 号差异极显著；两者的SP 含量在10%～20% PEG 处理时差异显著；叶片相对电导率在0%～15% PEG处理时差异极显著；叶片相对含水量在5%～20%PEG 处理时差异极显著。所有处理下的幼苗叶片生理生化指标的t值多为负值，即滇青2 号的叶片生理生化变化高于滇青1 号。

表3 不同质量分数PEG 对滇青1 号和滇青2 号幼苗叶片生理生化指标的影响Tab.3 Effects of different mass fractions PEG on the physiological and biochemical indexes of Dianqing No.1 and Dianqing No.2 seedling leaves

由表4 可知：2 个青稞品系根系的游离脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白(SP)含量、SOD 活性和相对电导率最大值均在25% PEG 处理；5% PEG 处理的滇青1 号根系MDA 含量和SOD 活性以及滇青2 号根系MDA含量和相对电导率最小，其他指标最小值均出现在CK 处理，且指标随PEG 质量分数的增大而增加。t检验结果显示：2 个品系的根系Pro 含量仅在20%和25% PEG 处理时呈极显著差异；所有处理的根系MDA 含量均呈极显著差异；根系SP 含量和SOD 活性除少部分在5%和10% PEG处理时无显著差异外，在其他处理下均呈极显著差异；根系相对电导率在5%、15%和25% PEG处理下差异极显著。所有PEG 处理下幼苗根系的生理生化指标正、负t值相差不大，即两品系青稞根系的生理生化变化相差不大。

表4 不同质量分数PEG 对滇青1 号和滇青2 号幼苗根系生理生化指标的影响Tab.4 Effects of different mass fractions PEG on the physiological and biochemical indexes of Dianqing No.1 and Dianqing No.2 seedlings’ roots

2.4 青稞种子发芽特性与PEG 胁迫的相关性分析

由表5 可知：PEG 质量分数与发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、苗长、根长和苗质量呈极显著负相关，与根质量呈显著负相关，与根冠比呈极显著正相关，其中PEG 质量分数与苗质量的相关性最高。发芽势与根质量呈显著正相关，发芽率、根长和根冠比与根质量均无显著相关性，根冠比与发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、苗长、根长和苗质量均呈极显著负相关，其他指标之间均呈极显著正相关。说明干旱程度加剧会使青稞种子的发芽率、发芽指数、活力指数、苗长、根长、苗质量和根质量降低，根冠比增加，且各指标间相关性较高。

表5 不同PEG 胁迫下种子萌发和幼苗发育特性的相关性Tab.5 Correlation between seed germination and seedling development characteristics at different PEG stress

2.5 青稞种子发芽特性与PEG 胁迫的线性回归分析

青稞种子发芽特性(y1～y9)与PEG 质量分数(x)的线性回归分析(表6)进一步说明：PEG 质量分数与青稞种子发芽特性之间存在显著或极显著的相关关系。当PEG 质量分数每增加1 个单位，发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、苗长、根长、单株苗质量和单株根质量分别降低14.486%、7.924%、10.521、188.704、1.956 cm、0.984 cm、15.363 mg 和3.381 mg，而根冠比增加0.393。

表6 青稞种子发芽特性与PEG 质量分数的线性回归分析Tab.6 Linear regression analysis of the germination characteristics of barley seeds and PEG mass fraction

2.6 青稞幼苗生理生化指标与PEG 胁迫的相关性分析

由表7 可知：叶片相对含水量除与根系MDA含量呈显著负相关外，与其他所有指标均呈极显著负相关；PEG 质量分数与除叶片相对含水量外的所有指标呈极显著正相关，其中，与叶片可溶性蛋白含量的相关性最高；叶片和根系MDA 含量均与根系SOD 活性无显著相关性；根系可溶性蛋白含量与根系相对电导率呈显著正相关；其他指标间均呈极显著正相关。说明随PEG 质量分数的增加，除叶片含水量逐渐降低外，其他指标均升高，说明青稞幼苗受到的干旱胁迫增加。

2.7 青稞幼苗生理生化指标与PEG 胁迫的线性回归分析

青稞幼苗生理生化指标(y10～y20)与PEG 质量分数(x)的线性回归(表8)分析表明：PEG 质量分数与青稞幼苗生理生化指标之间存在极显著的相关关系。当PEG 胁迫每增加1 个单位，叶片和根系游离脯氨酸(Pro)含量、叶片和根系MDA 含量、叶片和根系可溶性蛋白(SP)含量、叶片和根系SOD 活性以及叶片和根系相对电导率分别增加14.251 和16.325 μg/g、0.827 和0.332 mmol/g、0.018 和0.045 mg/g、13.340 和9.474 U/g、12.752%和 3.728%；叶片含水量降低 7.027%，叶片SP 含量与PEG 质量分数的决定系数最高(R2=0.883)，根系MDA 含量与PEG 质量分数的决定系数最低(R2=0.316)。

表8 青稞幼苗生理生化指标与PEG 质量分数的线性回归分析Tab.8 Linear regression analysis of physiological and biochemical indexes of barley seedlings and PEG mass fraction

3 讨论

3.1 青稞种子萌发和幼苗生长发育对干旱的响应

水分是影响种子发芽的关键环境因子，它不仅影响发芽时间，且还决定着发芽率、发芽速率及其稳定性[20]。本研究中滇青1 号和滇青2 号种子发芽率和发芽指数随着PEG 质量分数的增加而逐渐降低，说明随着干旱程度的增加，青稞种子发芽活力受到的抑制作用逐渐增强，这与已有研究结果[20-22]一致；但适宜质量分数(5%～15%)PEG处理的发芽势、发芽率和发芽指数效果较好，这与姚晓华等[3,9]的研究结果一致。这可能是由于适宜的干旱条件或一定质量分数的PEG 溶液对种子内部的某些酶或活性物质产生了刺激作用[23]，进而促进其发芽，这也许是青稞长期生长在极端环境中为保证种群延续而形成的生存策略。随着干旱胁迫程度的增加，滇青1 号和滇青2 号的苗长、根长和苗质量均逐渐下降，而根质量呈先增加后减小的趋势，根冠比呈逐渐增大的趋势，说明青稞种子的地上部对干旱胁迫更敏感，而地下部对干旱胁迫有一定的适应性[24]，与李淑梅等[25]和孙艳茹等[26]的研究结果一致。

3.2 青稞幼苗对干旱的生理生化响应

叶片相对含水量作为表征植物遭受干旱胁迫的主要生理指标之一，其降幅越小表明植株的抗旱性越强。本研究中，PEG 胁迫下滇青1 号和滇青2 号的幼苗叶片相对含水量随干旱加剧均逐渐降低。丙二醛(MDA)含量是衡量膜透性发生胁迫性变化的重要生理指标之一，MDA 含量大量增加，表明植物体内细胞受到较严重的破坏。植物组织外渗液电导率可以表征质膜透性的变化，并反映胁迫条件下植物质膜受损伤的程度，电导率增幅越大，植物受胁迫损伤越重[27]。2 个青稞品系幼苗和根系的MDA 含量及叶片相对电导率均随PEG 胁迫增加而增加，说明其细胞膜系统受到不同程度损坏，且根系反应比幼苗更为明显。

游离脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白(SP)是调节植物水分胁迫下细胞水势的物质，水分胁迫下Pro 含量和SP 含量均上升，反映了植物对不良环境条件的忍耐能力[28-29]。本研究显示：2 个青稞品系幼苗和根系的Pro 含量和SP 含量均随PEG质量分数的增加而升高，总体上滇青2 号幼苗Pro 含量和SP 含量高于滇青1 号，而滇青2 号的根系在高PEG 胁迫(20%和25%)时才高于滇青1 号，说明随PEG 胁迫加剧滇青2 号遭受的损伤明显增加，尤其是根系变化突出。

SOD 是植物体内清除活性氧系统的第1 道防线，发挥着特别重要的作用。SOD 活性越强，清除自由基的能力就越强，植物的抗逆性也越强[30]。本研究中，随着PEG 胁迫加剧，2 个青稞品系幼苗和根系的SOD 活性均增强，滇青1 号的根系SOD 活性强于滇青2 号，但滇青2 号的幼苗SOD活性强于滇青1 号(除25% PEG 处理外)，说明PEG胁迫下滇青1 号地下部SOD 活性较强，而地上部相对弱于滇青2 号。

滇青1 号根系MDA 含量和SOD 活性以及滇青2 号根系MDA 含量和相对电导率均在5% PEG处理时最小，说明随着干旱胁迫的加剧，青稞幼苗生长受到的抑制作用逐渐加大；但适宜质量分数PEG(5%)处理有利于青稞根系生长，这与姚晓华等[3,9]的研究结果有所差异。