农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子萌发及生长的影响

戴 燚, 黄仁权, 高 永, 何安会, 苏 跃

(贵州农业职业学院, 贵阳 551400)

作物生长过程中受多种因素的影响,其中水分是影响植物生长、产量及品质重要因素之一[1]。水分缺失达到一定阈值时,会显著抑制种子萌发和幼苗生长,导致作物大幅减产,甚至植株死亡[2]。高粱(SorghumbicolorL.Moench)为禾本科高粱属一年生C4植物[3],主要做为粮食和饲料以及酿酒原料。高粱具有较强的抗旱能力,但在种子萌发阶段易受干旱因素的影响,种子萌发期是高粱生长发育的关键时期,对其群体数量和结构起决定作用[4-6]。因此,开展高粱种子萌发期干旱相关研究,对保障高粱高产稳产具有重要现实意义。

酵素是以动物、植物等经微生物发酵制得具有特定活性成分的制品,对作物有提高发芽率、促进植物生长发育、提高作物生长品质和产量等作用[7]。然而,关于酵素在高粱种子萌发方面的研究鲜有报道。因此,本研究以红缨子和红珍珠两个高粱品种为试验材料,研究农用植物酵素对干旱胁迫条件下高粱种子萌发和生长的影响,旨在探究农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子的缓释作用,为高粱生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

以贵州省农业科学院旱粮所提供的高粱品种(红缨子和红珍珠)为试验材料,聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)购自北京索莱宝科技有限公司,酵素为贵州农业职业学院酵素研发团队生产的农用植物酵素。

1.2 实验方法

1.2.1不同浓度PEG-6000处理高粱种子

设置不同浓度(5%、10%、15%和20%)的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫,分别用A 1、A 2、A 3和A 4表示,以清水作为对照(ck)。分别随机挑选籽粒饱满、大小均匀的红缨子和红珍珠种子各30粒,将不同浓度的PEG-6000溶液浸泡种子2 h,每个处理3次重复。采用培养皿纸上发芽法,在培养皿底部放置珍珠岩,覆盖两层滤纸,将种子置于滤纸上,处理液浸湿滤纸,置于28 ℃恒温箱内培养。以种子露白作为萌发标准,每天定时观察种子萌发数和发霉数,适时更换滤纸避免培养皿内水分蒸发导致处理液浓度变化,连续3 d种子萌发数未有增加视为萌发停止。

1.2.2不同浓度农用植物酵素处理高粱种子

稀释不同浓度的农用植物酵素(200倍、400倍、600倍、800倍、1 000倍、1 200倍、1 400倍和1 600倍)对两个高粱种子进行浸种,分别用B 1、B 2、B 3、B 4、B 5、B 6、B 7、B 8表示,以清水作为对照(ck)。随机挑选籽粒饱满、大小均匀的红缨子和红珍珠种子各30粒,将稀释的不同浓度农用植物酵素对种子进行处理,方法同1.2.1。每个处理30粒种子,每个处理3次重复。

1.2.3酵素对干旱胁迫下高粱种子萌发的影响

用不同浓度(0、5%、10%、15%和20%)PEG-6000溶液处理种子,然后利用1.2.2筛选出最适高粱种子萌发的农用植物酵素分别处理干旱胁迫下的高粱种子,分别用ck 1、C 1、C 2、C 3、C 4表示,每个处理3次重复。计数方法同1.2.1。

1.3 指标测定

测定指标主要包括发芽率、发芽势、发芽指数、发霉率、苗高以及根长。

发芽率/%=(发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽势/%=(第4天种子萌发数/供试种子数)×100%;

发霉率/%=(发霉种子数/供试种子数)×100%;

发芽指数=∑Gt/Dt,

式中:Gt为第t天发芽种子数;Dt为相应的发芽天数。

1.4 数据处理与分析

利用Excel和SPSS 18.0软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同PEG浓度对高粱种子萌发的影响

如表1可知,两个高粱种子在ck处理中发芽率、发芽势及发芽指数均为最高,其中红缨子发芽率、发芽势及发芽指数分别为81.41%、21.11%及9.35,红珍珠分别为80.00%、22.22%和9.30。随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子的发芽率、发芽势及发芽指数均呈降低趋势,当PEG-6000溶液浓度为20%时,红缨子发芽率、发芽势及发芽指数分别比ck降低了52.52%、14.44%和6.32,红珍珠分别比ck降低了52.22%、15.55%和4.22,差异均达显著水平。随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子发霉率均呈增加趋势。说明干旱胁迫不但影响高粱种子萌发,也会影响种子发霉。

表1 不同PEG-6000浓度对高粱种子萌发的影响Table 1 Effects of different PEG-6000 concentrations on seed germination of sorghum

2.2 不同浓度农用植物酵素对高粱种子萌发的影响

如表2可知,不同稀释倍数的农用植物酵素对高粱种子的萌发指标存在差异,但所有处理组发霉率均比ck处理低。随着农用植物酵素稀释倍数的增加,红缨子种子发芽率和发芽指数呈先降低后升高再降低的趋势。其中,当稀释倍数为B 6(1 200倍)时,红缨子种子发芽率和发芽指数达最大值,分别为82.33%和10.08,且此时种子发霉率最低(1.11%),比ck降低了8.89%,差异达显著水平。随着农用植物酵素稀释倍数的增加,红珍珠种子发芽率呈先降低后升高再降低的趋势,当稀释倍数为B 6(1 200倍)时,红珍珠种子发芽率达最大值(85.56%),比ck增加了5.56%,差异达显著水平,此时种子发霉率最低(1.48%)。说明一定浓度的农用植物酵素能促进种子萌发,并降低种子的发霉率。综上所述,B 6处理组为最优处理,即农用植物酵素稀释至1 200倍,将作为最佳处理浓度开展后续试验。

表2 不同浓度农用植物酵素对高粱种子萌发的影响Table 2 Effects of different concentrations of agricultural plant Jiaosu on seed germination of sorghum

2.3 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子萌发的影响

2.3.1农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发芽率的影响

由图1可知,随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子萌发率呈逐渐降低趋势,当添加了稀释1 200倍的农用植物酵素后,处于干旱胁迫的两个高粱种子发芽率均得到提升。其中,在20%浓度PEG-6000溶液下种子萌发解除效果最明显,添加农用植物酵素后,红缨子和红珍珠发芽率分别比胁迫条件下的种子提高了16.67%和37.78%,差异达显著水平。说明稀释1 200倍的农用植物酵素能解除高粱种子处于干旱胁迫条件下的影响,促进种子萌发。

图1 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发芽率的影响Fig.1 Effects of agricultural plant Jiaosu on germination rate of sorghum seeds under drought stress

2.3.2农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发芽势的影响

由图2可知,整批种子发芽整齐度较差,发芽势较低。随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子发芽势呈先降后升再降的趋势,当添加了稀释1 200倍的农用植物酵素后,处于干旱胁迫的两个高粱种子发芽势均有不同程度的提升。其中,红珍珠在20%浓度PEG-6000溶液下种子萌发解除效果最明显,添加农用植物酵素后,发芽势分别比胁迫条件下的种子提高了6.67%,差异达显著水平。

图2 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发芽势的影响Fig.2 Effects of agricultural plant Jiaosu on germination potential of sorghum seeds under drought stress

2.3.3农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发芽指数的影响

由图3可知,随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子发芽势呈逐渐降低趋势,当PEG-6000溶液浓度为20%时,发芽指数最低。当添加了稀释1 200倍的农用植物酵素后,处于干旱胁迫的两个高粱种子发芽指数均有不同程度的提升。

图3 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发芽指数的影响Fig.3 Effects of agricultural plant Jiaosu on germination index of sorghum seeds under drought stress

2.3.4农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发霉率的影响

种子萌发过程中出现发霉对种子的萌发及幼苗的生长有重要影响,降低种子发霉率是提高种子萌发的一项重要措施。由图4可知,随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子发霉率呈逐渐增加趋势,当添加了稀释1 200倍的农用植物酵素后,处于干旱胁迫的两个高粱种子发霉率均有不同程度的降低。其中,在20%浓度PEG-6000溶液下,添加农用植物酵素后抑制种子发霉的效果最明显,红缨子和红珍珠发霉率分别比胁迫条件下的种子降低了9.03%和10.78%,差异达显著水平。说明稀释1 200倍的农用植物酵素能抑制高粱种子发霉,进而提高种子萌发。

图4 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子发霉率的影响Fig.4 Effects of agricultural plant Jiaosu on the mildew rate of sorghum seeds under drought stress

2.3.5农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子根长的影响

由图5可知,种子萌发结束后对其种子根长进行测定,随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱种子根长呈逐渐降低趋势,当PEG-6000溶液浓度为20%时,根长受抑制情况最严重,红珍珠种子未长根。当添加了稀释1 200倍的农用植物酵素后,处于干旱胁迫下的两个高粱种子根长均有不同程度的提高。其中,红珍珠在20%浓度PEG-6000溶液下,添加农用植物酵素后种子根生长效果最明显,根长达1.03 cm,差异达显著水平。

图5 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子根长的影响Fig.5 Effects of agricultural plant Jiaosu on root length of sorghum seed under drought stress

2.3.6农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子苗高的影响

由图6可知,种子萌发结束后对其苗高进行测定,随着PEG-6000溶液浓度的增加,两个高粱苗高降低程度较大。当PEG-6000溶液浓度为20%时,红珍珠种子几乎无生长。当添加了稀释1 200倍的农用植物酵素后,处于干旱胁迫下的两个高粱种子苗高均有不同程度的提高。其中,红珍珠在20%浓度PEG-6000溶液下,添加农用植物酵素后种子苗高变化效果最明显,苗高达0.9 cm,差异达显著水平。

图6 农用植物酵素对干旱胁迫下高粱种子苗高的影响Fig.6 Effects of agricultural plant Jiaosu on seedling height of sorghum seed under drought stress

3 结论与讨论

高粱是重要的粮食和饲料作物之一,市场上需求量逐年增加,其中干旱是影响高粱产量的重要限制性因素。因此,探究适宜的方法解除干旱胁迫对农作物的影响,确保高粱高产稳产具有重要的现实意义。

3.1 干旱胁迫对高粱种子萌发的影响

干旱是影响作物种子萌发的重要因子,PEG-6000 常被用来模拟干旱环境进行萌发期抗旱鉴定[8-9]。王平等[10]利用17.5%的PEG-6000水溶液对575份高粱材料进行萌发期干旱胁迫,发现高粱萌发期不同材料间萌发率差异较大;王志恒等[11]认为,PEG-6000干旱胁迫能显著抑制甜高粱种子的萌发指标。本研究发现,红珍珠和红缨子高粱种质对20%的PEG-6000水溶液最敏感,且随着干旱胁迫程度的增加,高粱种子发芽率、发芽势及发芽指数逐渐降低,后期的种子根长的生长也受到抑制。

3.2 农用植物酵素对种子萌发的影响

酵素可以迅速催化农作物秸秆、杂草、落叶等有机物质,并可以将其分解,形成腐殖质、沸石页岩等矿物质,活化营养元素,增加作物产量[12]。 同时,酵素能促进作物种子萌发,提高种子发芽率。本研究发现,不同稀释倍数的农用植物酵素对高粱种子的萌发促进作用不同,过高浓度或过低浓度的农用植物酵素会降低高粱种子萌发,但均会降低种子发霉率。当稀释为1 200倍时对两个高粱的萌发效果最好,红缨子和红珍珠的发芽率分别为82.33%和85.56%,种子发霉率分别为1.11%和1.48%,与对照相比差异显著。说明稀释为1 200倍的农用植物酵素对高粱种子的萌发促进效果最好,且能降低种子发霉率,可能是由于农用植物酵素自身在发酵的过程中产生某种物种,抑制霉菌的生长,从而促进种子的萌发,具体原因有待进一步研究。

3.3 农用植物酵素对逆境胁迫种子萌发的影响

酵素被广泛应用到种植业、养殖业和食用菌生产中,但其在作物逆境胁迫下的研究较少。本研究发现,当添加稀释1 200倍的农用植物酵素处理干旱胁迫条件下的高粱种子,其种子的萌发抑制得到解除,种子发霉率降低,根长和苗高均有提高,其中对PEG-6000溶液浓度为20%时的解除效果最为显著。农用植物酵素不仅作为生产绿色食品的理想肥料,还可以在田间生产中作为缓冲剂,开发前景广阔,但其缓释机制有待进一步研究。

本研究表明,稀释1 200倍的农用植物酵素浓度是红缨子和红珍珠高粱种子最适的萌发浓度,且该浓度的农用植物酵素能解除高粱种子在干旱胁迫条件下受到的影响,此结果仅为室内研究结果,还需进一步开展田间试验,以探究农用植物酵素对高粱生产的作用规律,为高粱生产提供更为具体和科学的指导。