吸濕回干對冬小麥種子萌發(fā)和幼苗期根系形態(tài)及生理的影響

周宣材，劉義國，張玉梅，師長海，朱玉鵬，林 琪

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室,山東 青島 266109)

受氣候變化影響，干旱發(fā)生頻率不斷增加，對糧食生產(chǎn)的危害越來越大[1,2]。冬小麥生育期較長，播種后遭遇干旱會造成缺苗斷壟，從而造成產(chǎn)量損失[3]，因此尋找一種簡單有效且能顯著提高冬小麥苗期抗旱性的方法迫在眉睫。目前有磁場處理、γ射線處理、種子包衣及不同化學(xué)溶液的種子引發(fā)等多種麥種處理方法，這些方法雖然對提高種子抗性、發(fā)芽率，促進幼苗生長發(fā)育有一定效果，但存在著成本較高，步驟繁瑣，需投入較大人力物力等問題[4-7]。1946年，前蘇聯(lián)人金杰里提出的種子吸濕回干方法是一種簡單有效的提高種子抗性的方法，我國古代農(nóng)業(yè)也早有類似記載。近期研究認為吸濕回干處理有利于修復(fù)膜系統(tǒng)，積累蛋白質(zhì)、激素、糖類等物質(zhì)，提高超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性等[8-11]。吸濕回干處理在小麥、水稻、玉米、辣椒、大豆等種子萌發(fā)、種子活力、抗鹽性等方面的研究較多，但涉及不同干旱敏感型冬小麥根系形態(tài)特征和苗期生理特性的報道較少。

根系是小麥重要的水分吸收器官，能夠通過自身適應(yīng)性生長對水分脅迫做出響應(yīng)[12-15]。但是，因為大田條件下根系較難獲取等原因，相關(guān)形態(tài)與生理變化研究較少。本研究通過對不同干旱敏感性冬小麥吸濕回干處理，觀察其萌發(fā)及苗期的形態(tài)和生理的變化，分析不同干旱敏感型冬小麥根系形態(tài)及生理生化特性的適應(yīng)性變化，為冬小麥抗旱生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

冬小麥品種為水澆地品種濟麥22和旱地品種青麥6號。

1.2 種子吸濕回干處理

吸濕處理：用0.4倍小麥種子質(zhì)量的無離子水浸濕種子，攪拌待其緩慢吸濕24 h；回干處理：室溫(溫度20±1℃，相對濕度56±5%)下小麥種子自然回干到原重量，如此重復(fù)三次。

1.3 干旱脅迫試驗

發(fā)芽試驗：將大小一致，吸濕回干處理后的小麥種子和未經(jīng)吸濕回干處理的種子分別以蒸餾水和25% PEG-6000(-1.29 MPa)水溶液處理。置于人工氣候培養(yǎng)箱中(避光，25℃，相對濕度60±5%)，每處理100粒。

苗期脅迫試驗：將吸濕回干處理后的小麥種子和正常種子置于發(fā)芽盒中，發(fā)芽后選取大小一致的幼苗，并用Hoagland營養(yǎng)液進行培養(yǎng)，當三葉一心時進行水分脅迫處理(表1)。光照培養(yǎng)箱溫度為20℃/8℃( 晝/夜)，光強300 μmol·m-2·s-1，光照周期12 h/12 h( 晝/夜)。脅迫處理24 h、48 h、72 h時葉片，用于生理指標的測定[16]。

表1 不同吸濕回干、干旱脅迫處理

1.4 測定項目及方法

萌發(fā)試驗：每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽勢(GP)、發(fā)芽率(GR)、發(fā)芽指數(shù)(GI)，第7天測量芽長、根長。利用EPSON SCAN進行根系掃描， WinRHIZO Pro 2012b進行根系形態(tài)指標分析。

苗期脅迫試驗：1.5 g樣品剪碎并加入15 ml 150 mM pH值為7.0的磷酸緩沖液，在冰浴上研磨，15 000×g冰凍離心5 min，上清液部分為酶粗提取液，用于超氧化物酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性的測定。超氧化物歧化酶活性參照王愛國的方法[18]；過氧化物酶活性的測定采用愈創(chuàng)木酚比色法[19]；過氧化氫酶活性測定按Trevor等[20]的方法；丙二醛MDA含量測定采用李合生[17]的硫代巴比妥酸(TBA)法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理并繪制表格，利用DPS V 7.05統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子吸濕回干處理對小麥萌發(fā)的影響

兩品種冬小麥種子經(jīng)過吸濕回干處理后的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照；兩小麥種子經(jīng)過吸濕回干+干旱處理后的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與干旱處理間無差異。經(jīng)吸濕回干+干旱處理后，濟麥22、青麥6號的發(fā)芽率顯著低于吸濕回干的處理；吸濕回干+干旱處理的濟麥22的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與正常種子+干旱處理無差異。濟麥22、青麥6號的種子吸濕回干處理后的發(fā)芽勢顯著高于其它處理(表2)。

2.2 吸濕回干處理對小麥苗期株高的影響

吸濕回干處理顯著降低兩小麥品種的株高；吸濕回干處理下兩小麥株高顯著高于干旱處理；“吸濕回干+干旱”處理的小麥株高顯著低于吸濕回干處理，與干旱處理無顯著差異(圖1)。

2.3 吸濕回干處理對小麥單株總根長的影響

由圖2可見，與正常種子和干旱處理相比，吸濕回干、“吸濕回干+干旱”處理顯著降低青麥6號的單株總根長。各處理對濟麥22單株根長均無顯著影響。

2.4 吸濕回干處理對小麥根形態(tài)指標的影響

吸濕回干，吸濕回干+干旱處理下濟麥22的根系總根長、總體積、總表面積均顯著低于對照處理，各處理下青麥6號的根系總根長、總表面積均顯著低于對照處理；吸濕回干處理下濟麥22的根系總根長、青麥6號的根系總表面積均顯著低于其干旱處理，但吸濕回干處理下青麥6號的根系平均直徑顯著高于對照、干旱處理；“吸濕回干+干旱”處理下兩小麥根系總根長、總表面積、總體積顯著低于對照，與吸濕回干處理差異均不顯著(表3)。

表2 吸濕回干處理對小麥萌發(fā)的影響

注：不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05), the same as below.

CK:對照;D:干旱;T:吸濕回干;TD:吸濕回干+干旱，下同。CK：Contrast; D: Drought; T: Moisture-absorbing and dehydration; TD: Moisture-absorbing and dehydration+drought, the same below.圖1 吸濕回干處理對小麥株高的影響Fig.1 Effect of moisture-absorbing and dehydration treatments on plant height of wheat

圖2 吸濕回干處理對小麥單株總根長的影響Fig.2 Effect of moisture absorption and drying treatment on total root length of wheat

2.5 吸濕回干處理對小麥SOD活性的影響

由圖3可見，隨脅迫時間延長，各處理下濟麥22的SOD活性變幅較小。24h時，吸濕回干處理下青麥6號的SOD活性顯著高于對照、干旱處理以及濟麥22各處理；脅迫處理72h時，干旱處理下的青麥6號SOD活性顯著高于其它各處理。

2.6 吸濕回干處理對小麥POD活性的影響

濟麥22體內(nèi)的POD活性呈先增高后降低的趨勢, 48h時達到最大值而后降低。在24、48h時，吸濕回干處理下濟麥22體內(nèi)POD活性是對照處理的2.79、2.53倍，差異顯著。脅迫48小時后“吸濕回干+干旱”處理下濟麥22的POD活性顯著高于干旱處理，72小時兩者差異不顯著。各處理對青麥6號的POD活性無差異性影響(圖4)。

表3 吸濕回干處理對小麥根形態(tài)指標的影響

圖3 吸濕回干處理對小麥SOD活性的影響Fig.3 Effect of moisture absorption and dehydration treatment on SOD enzyme activity in wheat

圖4 吸濕回干處理對小麥POD活性的影響Fig.4 Effect of moisture absorption and dehydration treatment on POD enzyme activity in wheat

2.7 吸濕回干處理對小麥CAT活性的影響

處理48 h時，吸濕回干處理下濟麥22與對照、干旱處理雖差異不顯著，但“吸濕回干+干旱”處理下其CAT活性顯著高于其它各處理(圖5)。

2.8 吸濕回干處理對小麥MDA含量的影響

24 h時，干旱、吸濕回干處理后的濟麥22體內(nèi)MDA含量顯著高于對照和“干旱+吸濕回干” 處理，48h時“干旱+吸濕回干” 處理顯著降低濟麥22體內(nèi)MDA含量。各處理對青麥6號體內(nèi)MDA含量無顯著性影響(圖6)。

3 討 論

小麥的發(fā)芽率、發(fā)芽勢等相關(guān)指標直接反映小麥成苗率，吸濕回干處理對不同植物種子發(fā)芽的影響還存在爭議[8,21,22]。本試驗結(jié)果表明吸濕回干處理對小麥種子發(fā)芽率并未有顯著提高，這與牛海山[23]相關(guān)研究一致。但與對照相比，吸濕回干處理顯著提高兩小麥種子發(fā)芽勢，即吸濕回干處理縮短小麥種子成苗時間。發(fā)芽指數(shù)是指種子在失去發(fā)芽力之前已發(fā)生劣變的數(shù)量，本試驗中發(fā)芽指數(shù)變化與發(fā)芽率趨勢雖然相同，但發(fā)芽勢與兩者趨勢不同，說明吸濕回干處理確能夠提高種子活力，減少劣變。小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的不同變化與吸濕回干處理有關(guān)，吸濕回干處理對小麥內(nèi)部微結(jié)構(gòu)造成一定損傷[23]，從而使得發(fā)芽率降低。

圖6 濕回干處理對小麥MDA含量的影響Fig.6 Effect of moisture absorption and dehydration treatment on MDA content in wheat

株高、單株總根長是小麥最直觀、容易獲得的形態(tài)指標。本試驗中，吸濕回干處理后的小麥株高、單株總根長等指標介于對照與干旱處理之間，前期輕微干旱脅迫刺激作物本身抗旱性的提高，再次遭遇干旱脅迫有助于提高作物抗旱性[24]，吸濕回干處理對小麥種子的影響效應(yīng)類似于種子時期較輕微的干旱脅迫。小麥根系結(jié)構(gòu)具有較高的遺傳力[25],根系作為地下吸收水分養(yǎng)分的重要部分，對作物至關(guān)重要。作物遭受干旱時，根系首先感受到刺激，經(jīng)刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)成信號，地上部接受刺激，其作物形態(tài)、生理生化進行應(yīng)激性反應(yīng)，干旱敏感型不同小麥的根系表現(xiàn)不同[26], 可以作為反映小麥遭受脅迫程度的鑒定指標。本試驗中，未經(jīng)干旱、吸濕回干處理的2小麥根系單株根長、總根系長度、總根體積、總根表面積、平均根直徑差異不顯著，但是各處理下兩小麥的根系單株長、總長度、總體積、總根面積、平均直徑存在顯著差異。小麥根系構(gòu)型不僅是遺傳因素影響，主要還是受環(huán)境的控制。小麥干旱或者吸濕回干處理后根系構(gòu)型變化較大，“干旱+吸濕回干”處理與干旱處理在根系總根系長度、總根體積、總根表面積、平均根直徑方面差異不顯著，與此同時，吸濕回干影響株高，這可能是因為吸濕回干處理是一種輕微干旱鍛煉。青麥6號在吸濕回干處理下其根系平均直徑顯著高于對照、干旱處理，與“吸濕回干+干旱”處理差異不顯著。由此推斷青麥6號的根體積、直徑變化是旱地小麥較強抗旱性的重要手段。此外，本試驗中小麥根系形態(tài)指標變化主要是小麥萌發(fā)期初生根生長，小麥分蘗、次生根發(fā)生后的構(gòu)型變化還需進一步研究。

通過兩小麥品種苗期形態(tài)表現(xiàn)得知，吸濕回干處理是一種輕微干旱鍛煉，能提高水肥型小麥再次遭受干旱時的抗旱性。深入研究吸濕回干處理后小麥體內(nèi)酶活性變化，POD協(xié)同SOD、CAT消除活性氧對作物的危害、脅迫[27]，不同敏感型小麥體內(nèi)POD活性具有不同變化[28]。吸濕回干處理、“吸濕回干+干旱”處理顯著提高濟麥22的POD活性，且活性效應(yīng)存在一個限定范圍。青麥6號體內(nèi)過氧化物酶在吸濕回干處理下活性變幅較小。過氧化氫酶主要是催化過氧化氫的分解防止過氧化[29]，吸濕回干處理能顯著提高濟麥22的CAT活性，從而抵御干旱脅迫，這與郭秀林等[30]、劉巖等[31]的研究結(jié)果一致。SOD在小麥抵御干旱脅迫時發(fā)揮重要作用，也是小麥抗性重要鑒定指標[32]，濟麥22種子時期的吸濕回干處理顯著活躍了其體內(nèi)SOD活性，活性氧的清除能力得到加強，從而增強了苗期抗旱性，但是隨干旱脅迫時間延長，各處理下SOD活性差異不顯著。丙二醛作為植物體內(nèi)脂膜氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，反映膜結(jié)構(gòu)的損毀程度、作物抗氧化能力的大小[33，34]。隨脅迫時間延長，吸濕回干后的濟麥22體內(nèi)具有較少的MDA含量，青麥6號在各處理下體內(nèi)MDA含量均較少。與干旱相比，“吸濕回干+干旱”處理后水肥型小麥的3種酶在不同時間內(nèi)分別增強活性氧清除能力，吸濕回干處理顯著提高水肥型小麥濟麥22酶活性，但是抗旱型小麥青麥6號體內(nèi)酶受吸濕回干處理影響較小。苗期遭受干旱脅迫時，吸濕回干處理后的濟麥22體內(nèi)MDA含量較少，48 h時吸濕回干處理后的濟麥22體內(nèi)POD、CAT活性顯著增加，時間段內(nèi)各處理下濟麥22的SOD活性變幅較小，SOD、POD、CAT活性并不是在同一時間點同時發(fā)揮作用而是在一定時間段內(nèi)協(xié)同發(fā)揮作用。吸濕回干處理能提高小麥的苗期SOD、POD、CAT酶活性，消除干旱時活性氧對小麥的危害，提高水肥型小麥苗期的抗旱性。

本試驗中吸濕回干處理降低小麥發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)，但能夠縮短不同類型種子發(fā)芽時間，水肥型、抗旱型小麥成苗時間縮短，從而有助于小麥抵御萌發(fā)期干旱脅迫。吸濕回干處理對水澆地小麥品種濟麥22影響較大，吸濕回干處理類似于提前的輕微干旱鍛煉，能夠通過激活酶活性，提升小麥再次干旱脅迫的抗干旱能力，從而提高水肥型小麥的苗期抗旱能力，吸濕回干處理對抗旱型小麥青麥6號確無類似影響。吸濕回干處理作為一種簡單有效提高作物抗旱性的方法，接下來可以深入小麥的蛋白質(zhì)、激素以及大田產(chǎn)量等方面的研究。