不同硅处理方式对干旱胁迫下大麦萌发的影响

宋凌宇,齐军仓,张 松,邱 英,尚纪霏,冯彩军

(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,新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】大麦抗逆性强,常被作为先锋作物[1]。干旱影响作物播种、出苗和生长发育的重要因素,也是我国北方雨养农业地区大麦种植的主要制约因素[2]。种子萌发期对水分非常敏感,土壤干旱会影响种子的萌发,不利于后期田间生产管理和作物产量构成,严重威胁作物高产稳产[3],大麦产业需要提高自身竞争力[4]。选育抗旱的大麦品种对提高大麦在干旱胁迫下的耐受力有重要意义。【前人研究进展】硅可以促进种子萌发和植物生长发育,并且能在一定程度上提高植物对部分生物胁迫和非生物胁迫的抗性。陈花等[5]使用硅培养液对荞麦种子进行发芽试验,发现对种子的发芽势、发芽指数和活力指数有显著提升,对发芽率的影响不显著。适宜的硅浓度对低温胁迫下春小麦种子萌发有促进作用[6]。目前常用的硅处理方法有两种,一种是使用硅溶液进行浸种处理,另一种是在种子发芽的培养过程中往发芽盒里加硅培养液进行处理。前者是在种子萌发的吸胀过程中硅已经开始对种子产生影响,类似于种子引发的原理[7,8];后者是主要通过种子根系吸收硅进入植物体进而影响发芽过程,大麦根系含有的硅转运蛋白(Lsi1和Lsi2)是硅转运通道的重要组成[9,10]。【本研究切入点】由于两者对种子萌发的影响机制不同,不同处理方式下不同硅浓度处理对干旱胁迫下大麦种子萌发的影响可能存在差异,尚没有关于这两种处理方式间的对比。需研究两种处理方式下不同浓度的硅对干旱胁迫下大麦萌发的影响。【拟解决的关键问题】以新啤6号为材料,测定种子发芽指标、形态指标和生物量,采用主成分分析法和隶属函数法对其分析后做出综合评价,分析两种处理方式之间的差异并筛选出促进种子萌发和植株抗旱性的最佳硅处理方式和硅浓度,为研究硅对种子萌发生理和植株抗旱生理的影响机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

材料为目前新疆主要种植的啤酒大麦品种新啤6号,2020年收获于石河子大学农学院实验站(44°18′47″N,86°3′31″E)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用双因素随机区组设计,分别通过在种子发芽前使用硅溶液浸种(A处理)和在种子发芽的培养过程中向发芽盒里加硅培养液(B处理)两种方式对新啤6号大麦种子进行处理。采用浓度(W/V)23%的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫,分别使用0.0(CK)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液浸种,进行发芽试验。

选取大小均一,饱满无破损的新啤6号种子,先用10%的次氯酸钠溶液消毒10 min,蒸馏水清洗5～6次后用吸水纸滤干水分。A处理使用0.0(CK1)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液在黑暗中浸种24 h,在第12 h更换一次浸种液,用蒸馏水将种子洗净。在消毒的发芽盒里铺上4张滤纸,加入40 mL 23%的PEG-6000溶液。选取露白的种子均匀摆在发芽盒中,每盒50粒,每个浓度处理做3次重复。B处理用等量蒸馏水在黑暗中浸种24 h,在第12 h更换蒸馏水,洗净并滤干水分。在消毒的发芽盒里铺上4张滤纸,加入40 mL以20%PEG-6000为溶剂配置的0.0(CK2)、0.5、1.0、1.5和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O培养液,其他同A处理。将所有发芽盒放置在培养箱中培养,温度为25℃,每日光照时间12 h,湿度适宜、稳定。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 测定种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数

大麦种子第3 d的发芽总数占供测种子粒数的百分比为发芽势,第7 d种子发芽数占供测种子总数的百分比为发芽率。计算发芽指数与活力指数。

式中,Gt为发芽试验终期内每日发芽数,Dt为发芽日数。

活力指数:VI=S×GI.

式中,S为发芽第7 d时的植株鲜重。

1.2.2.2 测定种子根长、芽长、芽鞘长和根数

发芽第7 d时每个发芽盒分别随机选取5株大麦幼苗测量植株的根数、芽长、芽鞘长和最长根的根长。

1.2.2.3 测定种子根、芽的鲜重和干重

发芽第7 d时每个发芽盒分别随机选取20株大麦幼苗植株测量根和芽的鲜重,然后放入烘箱,在105℃下杀青30 min,80℃烘干至恒重,测量根和芽的干重,根和芽的干重比为根芽比。

1.2.2.4 综合抗旱评价

分别采用主成分分析法和隶属函数法对大麦幼苗的抗旱性进行综合评价[11]。主成分分析法通过SPSS统计分析软件进行主成分分析。隶属函数法是计算各指标的隶属函数值并求平均值(R),计算公式为[12]:

对于与植物抗旱性呈正相关的指标:隶属函数值R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中,R(Xi)为某个指标的隶属函数值,Xi为某个指标的测量结果,Xmax和Xmin为所有处理中某个指标的最大值和最小值。

1.3 数据处理

使用Excel2016和sigmaplot14.0进行数据处理分析和图表制作,采用单因素ANOVA分析进行方差分析并使用Fisher LSD法进行差异显著性分析。通过SPSS19.0运用主成分分析法对A、B处理下不同硅浓度的作用进行综合评价,采用隶属函数法对所有处理进行综合评价并排名。

2 结果与分析

2.1 硅对干旱胁迫下大麦种子萌发的影响

研究表明,A、B两种处理方式下各浓度处理的种子的发芽率在前5 d增长迅速,第5 d后趋于稳定。A处理下,1.0、1.5、0.5和2.0 mmol/LNa2SiO3·9H2O溶液浸种处理的种子发芽率增长最快的时间段均为第1 d～第2 d,增长率分别为60.67%、47.33%、40.67%。B处理下,CK1、0.5、1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理的种子发芽率在第2 d～第3 d增长最快,增长率分别为26.67%、29.33%和30.67%;1.5、2.0 mmol/LNa2SiO3·9H2O培养液处理的种子发芽率增长最快的时间段为第1 d到第2 d,增长率分别为35.55%和41.33%。适宜浓度的硅可以提高种子的发芽速度,尤其是在发芽前期。图1

A、B处理下均有相应浓度的硅可以促进种子萌发并提高种子活力。A处理下,随着硅浓度的增加,种子的发芽势、发芽指数和活力指数呈现先上升后下降的趋势,而各处理的种子发芽率没有显著差异。在干旱胁迫下1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液引发处理的大麦发芽势、发芽指数和活力指数达到最大,显著高于其他处理。相对于CK1处理,种子发芽势、发芽指数和活力指数显著提高62.33%、44.45%和125.88%。B处理下,随着硅浓度的增加,发芽率、发芽指数和活力指数均呈现先降低后增加的趋势,而发芽势随浓度增加而增加。在干旱胁迫下,CK2和0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O浓度处理的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均无显著差异。1.0、1.5和2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理的发芽势、发芽指数和活力指数显著高于CK2,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理的发芽率显著高于其他处理。所有发芽指标均在2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理下达到最大值,分别相比CK2增加52.86%、4.32%、34.07%和90.46%。A处理下1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O浓度和B处理下2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O浓度对大麦种子发芽的促进效果最佳。图2

图1 不同硅处理方式下大麦种子每日的发芽变化

2.2 硅对干旱胁迫下大麦幼苗根和芽的影响

研究表明,2种硅处理方式下均有相应的硅浓度显著促进干旱胁迫下大麦幼苗根和芽的生长。对于不同形态指标,特定浓度的硅处理具有最佳的促进效果。A处理下,各浓度的硅均能一定程度的增加干旱胁迫下大麦幼苗的根长、芽鞘长、芽长和根数,且促进效果呈先增加后降低的趋势。1.0和1.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液处理显著提高了根长,相对于CK1分别增加了1.05和0.73 cm;1.0和0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液处理显著提高了芽长和根数,芽长增加了0.48和0.35 cm,根数增加了0.34和0.20条;而0.5、1.0和1.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液浸种处理均能显著提高芽鞘长,分别增加了0.41、0.84和0.28 cm。B处理下,随着硅浓度的增加大麦幼苗的根长、芽长、芽鞘长呈增加趋势,而各浓度间的幼苗根数无显著差异。相对于CK2,1.5和2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理后根长显著提高了22.2%和38.9%,芽长提高了41.4%和54.9%,芽鞘长提高了44.2%和80.6%;0.5mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理后与CK2无显著差异。两种硅处理方式均可以加快种子发芽进程,促进大麦幼苗在干旱条件下的生长。A处理方式下,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液的促进效果最显著;B处理方式下,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液的促进效果最显著。表1

图2 硅处理干旱胁迫下大麦发芽势、发芽率和发芽指数变化

2种硅处理方式下不同硅浓度对大麦幼苗根和芽的重量也有相应的促进作用,而且同一浓度的硅对根和芽的促进程度不同。A处理下,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O溶液引发处理下根和芽鲜重分别是CK1的1.39倍和2.15倍;根和芽干重分别为CK1的1.31倍和1.82倍;根芽比是CK1的0.72倍,随着硅浓度增加根芽比呈先降低在增加的趋势。B处理下,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理下根和芽的鲜重分别是CK2的1.26和1.99倍;根和芽干重分别是CK2的1.22和1.67倍;根芽比是CK2的0.73倍,随着硅浓度增加根芽比呈降低趋势。2种处理方式下同一浓度的硅对大麦幼苗芽的促进作用强于根。表2

表1 硅处理干旱胁迫下大麦幼苗根长、芽长、芽鞘长和根数变化Table 1 Effects of silicon treatment on root length, bud length, bud sheath length and root number of barley seedlings under drought stress

表2 硅处理干旱胁迫下大麦幼苗根和芽重量变化Table 2 Effects of silicon treatment on root and bud weight of barley seedlings under drought stress

2.3 硅对大麦幼苗抗旱能力影响的综合评价

2.3.1 主成分分析评价

研究表明,A处理方式下,2个特征值大于1的主成分,累计贡献率为95.912%。种子发芽指标、幼苗形态指标和生长量共13个变量因子载荷均较高,只有根芽比的因子载荷为负值。A处理提取的第1主成分为活力指数、根鲜重、芽鞘长、芽干重、发芽指数和发芽势;第2主成分为根干重、芽长、发芽率、根冠比和根数。B处理提取的第1主成分为发芽指数、活力指数、根鲜重、芽长、芽鲜重和芽干重。表3,表4

表3 硅处理下大麦幼苗主成分列表及方差贡献率Table 3 Component list and percentage of variance of barley seedlings under silicon treatment

表4 硅处理下大麦幼苗主成分因子载荷矩阵Table 4 Component factor load matrix of barley seedlings under silicon treatment

A处理下随着硅浓度增加植株抗旱性呈现先增加后降低的趋势,1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O浸种处理的综合得分最高,抗旱性最强;B处理下随着硅浓度增加植株抗旱性呈增加趋势,2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O培养液处理的综合得分最高,抗旱性最强。选择出了A、B处理下的各自最佳浓度。表5

2.3.2 隶属函数法评价

研究表明,对大麦幼苗抗旱性促进效果最佳的是A处理1.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O的处理,其次是B处理2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O的处理,只有B处理方式下2.0 mmol/L Na2SiO3·9H2O处理的评价低于对照。表6

表5 硅处理下大麦幼苗抗旱能力的主成分综合评价Table 5 Comprehensive evaluation on drought resistance ability of barley seedlings under silicon treatment

3 讨 论

大麦种子萌发期的的发芽指标、形态指标和生物量可以作为抗旱性鉴定指标[13],且彼此之间存在一定相关性,因此采用主成分分析法全面而准确地评价不同浓度的外源硅引发处理对大麦抗旱性的影响。硅可以促进正常条件下的种子萌发[14],还可以提高逆境条件下种子萌发的抗逆性[13]。试验发现适宜浓度的硅浸种处理可以显著提高干旱胁迫下大麦种子的发芽势、发芽指数和活力指数,而发芽率无显著差异,这与陈花等人研究正常条件下硅对荞麦萌发的影响结果一致[5];而适宜浓度的硅培养液处理可以显著提高干旱胁迫下大麦种子的发芽率,有学者证明硅可以提高水稻种子的萌发率[15],也可以显著提高低温下春小麦的发芽率[16]。这可能是由于不同处理方式和不同作物种子产生的差异,大麦本身是抗逆性较强的作物,浸种后种子具有一定含水量,使种子可以在一定的干旱程度下达到发芽标准,所以不同浓度的硅对大麦发芽率影响不显著。

硅引发对种子萌发的促进作用存在浓度效应[16,17]。浸种处理下硅对干旱胁迫下大麦种子萌发有浓度效应,1.0 mmol/L浓度下的硅处理效果最显著。也有学者发现硅对水培条件下紫花苜蓿种子发芽没有浓度效应,各浓度处理下的种子发芽率不显著[17],这与硅培养处理的结果类似,也可能是由于该处理下硅浓度范围不够。在该范围内最大硅浓度2.0 mmol/L下的硅处理效果最显著。

干旱会抑制种子的萌发和根、芽的生长,所以发芽指标和根、芽的生长指标均可以反映种子的抗旱性。通过主成分分析法对大麦抗旱性进行鉴定,综合大麦萌发和幼苗的相关指标,评价不同浓度硅处理的效果。结果硅浸种处理下抗旱性由强到弱依次为1.0>0.5>1.5>2.0>CK1,硅培养处理效果下抗旱性由强到弱依次为2.0>1.5>1.0>CK2>0.5。

4 结 论

硅可以促进大麦种子萌发并提高种子的抗旱性。干旱胁迫下适当浓度的硅浸种处理和硅培养处理后的种子发芽势和发芽指数显著提高,并促进了大麦幼苗根和芽的生长。1.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O浸种处理效果和2.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O溶液培养效果均显著高于对照,分别排名为第1和第2。1.0 mmol/L的Na2SiO3·9H2O浸种效果最佳,可以用于实际生产时的种子处理。