腐植酸對(duì)干旱脅迫下谷子萌發(fā)的影響

申潔，衛(wèi)林穎，郭美俊，王玉國，原向陽，郭平毅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

隨著全球氣候的不斷變化，水資源緊缺問題日益突顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因干旱導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)占減產(chǎn)總量的50%以上，干旱成為影響糧食作物產(chǎn)量的最主要非生物脅迫，因此，在現(xiàn)代植物科學(xué)研究工作中，提高作物的抗旱性已成為急需解決的關(guān)鍵問題之一[1,2]。在種子植物生活史中，種子萌發(fā)期是衡量植物抗旱性強(qiáng)弱的關(guān)鍵時(shí)期，直接影響作物的出苗、齊苗以及壯苗[3]。種子萌發(fā)期對(duì)水分最為敏感[4]，這一時(shí)期的干旱常使作物缺苗率達(dá)20%，嚴(yán)重時(shí)高達(dá)40%～50%，造成大面積減產(chǎn)，因此，作物萌發(fā)期的抗旱性研究越來越受到人們的重視。

谷子[Setariaitalica(L.)Beauv]具有抗旱耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，生長發(fā)育過程中對(duì)水分的依賴程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于小麥、玉米等作物，谷子種子萌發(fā)需水量為種子重量的26%，小麥玉米等作物需水量則達(dá)到43%以上，但谷子在萌發(fā)期對(duì)水分較為依賴，水分虧缺可致萌發(fā)受阻，從而使出苗率及幼苗成活率降低，嚴(yán)重影響谷子的產(chǎn)量[5]。因此，提高谷子萌發(fā)期的抗旱能力，是谷子大田生產(chǎn)中急需解決的關(guān)鍵問題。

浸種是提高種子抗旱能力的常用方法之一，應(yīng)用植物激素、化學(xué)藥劑等外源物質(zhì)對(duì)種子做浸種處理，可提高種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)等萌發(fā)指標(biāo)，從而提高種子的抗旱能力[6,7]。存在于土壤、泥炭、煤、水域等中的腐植酸(humic acid，HA)是一類天然有機(jī)物質(zhì)[8]，在緩解多種逆境對(duì)作物的脅迫中發(fā)揮了重要作用[9～11]。Hassan等[12]研究腐植酸對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明，腐植酸可顯著提高發(fā)芽率，促進(jìn)根的生長?；卣颀埖萚13]研究表明，干旱脅迫下，黃腐酸浸種顯著提高了紫花苜蓿萌發(fā)期的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗株高、生物量，有效緩解了干旱對(duì)紫花苜蓿萌發(fā)的影響。目前，腐植酸在谷子上的研究較少，現(xiàn)有相關(guān)報(bào)道集中在腐植酸對(duì)谷子光合特性、產(chǎn)量等方面的研究[14]，而針對(duì)谷子抗旱性方面的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究以山西省大面積推廣的晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)為材料，研究腐植酸對(duì)干旱脅迫下谷子萌發(fā)期的萌發(fā)指標(biāo)及生長指標(biāo)的影響，旨在篩選出促進(jìn)谷子萌發(fā)的最佳腐植酸濃度，為進(jìn)一步研究腐植酸對(duì)干旱脅迫下谷子幼苗的作用機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

常規(guī)谷晉谷21 號(hào)和雜交谷張雜10號(hào)，分別由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所、河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

腐植酸(Humic acid，HA)分子式為C9H9NO6，分子量：227.17 kDa，由山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)。PEG-6000，分子式為HO(CH2CH2O)nH，由北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于 2016-2017 年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)除草與化學(xué)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)CK(蒸餾水浸種)和NT1-NT5處理(HA浸種濃度分別為50、100、200、300、400 mg·L-1)進(jìn)行腐植酸作用于谷子的萌發(fā)試驗(yàn)；試驗(yàn)設(shè)有CK(蒸餾水浸種及培養(yǎng))，T0(蒸餾水浸種，18%的PEG溶液培養(yǎng))和T1-T5處理(不同濃度腐植酸浸種，18%的PEG溶液培養(yǎng))進(jìn)行腐植酸作用于干旱脅迫下谷子的萌發(fā)試驗(yàn)。

用0.5% 的次氯酸鈉(NaClO)對(duì)成熟飽滿、大小均一、谷殼完整的谷子種子消毒5 min，去離子水清洗3次，濾紙吸干其表面的水分后，將種子進(jìn)行不同濃度腐植酸浸種處理12 h，以蒸餾水作為對(duì)照，浸種結(jié)束后，將種子置于濾紙上自然風(fēng)干。

試驗(yàn)采用PEG-6000分析純?yōu)闈B透劑，模擬干旱脅迫，配制脅迫濃度為18%，使用直徑為9 cm的培養(yǎng)皿并鋪有2層濾紙為發(fā)芽床，將浸種后的晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)種子50粒置于培養(yǎng)皿中，用移液槍加入5 mL蒸餾水或PEG-6000溶液，加蓋后置于25 ℃恒溫箱中黑暗培養(yǎng)，試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。定時(shí)調(diào)查種子的發(fā)芽數(shù)，以胚根和胚芽的長度均超過種子直徑的一半為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，分別于第2天和第7天調(diào)查發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，第8天在培養(yǎng)皿中選取長勢(shì)一致的10株幼苗，測(cè)其根長、芽長及干鮮重。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

于處理后第8天測(cè)芽長、根長，分別取下根、芽及剩余種子稱其鮮重，后置于105 ℃烘箱內(nèi)殺青15 min，80 ℃烘干至恒重分別稱取干重。參考張智猛等[15]及張健等[16]的方法計(jì)算以下各項(xiàng)指標(biāo)。

發(fā)芽勢(shì)(Ge)=n /N×100%(n：第2天種子發(fā)芽數(shù)；N：種子總數(shù))

發(fā)芽率(Gr)=n /N×100%(n：第7天種子發(fā)芽數(shù)；N：種子總數(shù))

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)=處理組發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照組發(fā)芽勢(shì)×100%

相對(duì)發(fā)芽率=處理組發(fā)芽率/對(duì)照組發(fā)芽率×100%

我以為，所謂教學(xué)，就是涇渭分明的教師教和學(xué)生學(xué)。于是我賣力地教，想方設(shè)法地教，結(jié)果是，我累出了咽炎和聲帶小結(jié)，常年吃藥；學(xué)生也并沒有學(xué)到太多，學(xué)到的也多是死知識(shí)，缺乏創(chuàng)新性。

萌發(fā)指數(shù)(PI)=(1.00)nd1 +(0.75)nd2 +(0.50)nd3 +(0.25)nd4(nd1、nd2、nd3、nd4 分別為第 1、2、3、4 天的種子發(fā)芽率)

活力指數(shù)(VI)=PI×Sx(Sx為第8天芽長平均長度)

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)(PIS)/對(duì)照種子的萌發(fā)指數(shù)(PIC)

種子活力抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子活力指數(shù)(VIS)/對(duì)照種子活力指數(shù)(VIC)

1.4 耐旱性綜合評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法[17]，對(duì)各濃度腐植酸(HA)處理下晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)2個(gè)品種谷子進(jìn)行抗旱性綜合分析。

隸屬函數(shù)公式為：

U(Xi)=(Xi- Xmin)/(Xmax- Xmin)(指標(biāo)性狀與抗旱性呈正相關(guān))

其中，U(Xi)為隸屬函數(shù)值；Xi為各處理水平下某指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax和Xmin分別為所有處理水平下某指標(biāo)的最大值和最小值。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，圖表中數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸浸種對(duì)谷子種子萌發(fā)的影響

表1所示，晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)隨HA濃度的增加均基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，晉谷21號(hào)的發(fā)芽率和活力指數(shù)顯著高于CK(蒸餾水浸種)，在HA處理為NT2、NT3時(shí)效果最明顯，發(fā)芽率比CK提高了6.43%，活力指數(shù)比CK分別提高了7.96%、13.03%，且差異顯著；張雜10號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)均顯著高于CK，在HA處理為NT2時(shí)效果最好，分別比CK顯著提高了15.58%、17.05%、25.06%、33.80%。說明適宜濃度的腐植酸浸種可明顯提高谷子的萌發(fā)能力，且品種間差異顯著，張雜10號(hào)更為敏感、效果更好。

表1 腐植酸浸種對(duì)谷子種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of HA on seed germination of foxtail millet

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note：Small letters mean significant differences at 0.05 level(P<0.05). The same below.

2.2 腐植酸浸種對(duì)谷子幼苗生長的影響

表2所示，腐植酸浸種處理后，晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)的芽長、根長、鮮重和干重隨HA濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，且2個(gè)品種的各生長指標(biāo)基本均高于CK。HA處理為NT3時(shí)，2個(gè)品種的芽長和根長均顯著高于CK，晉谷21號(hào)分別提高了15.77%、11.46%，張雜10號(hào)分別提高了16.67%、36.97%。HA處理為NT2時(shí)，2個(gè)品種的鮮重較CK分別提高了8.67%、26.45%；晉谷21號(hào)的干重較CK顯著增加了13.64%，張雜10號(hào)的干重在處理NT3時(shí)效果最好、增加了9.22%，但差異不顯著。說明適宜濃度的腐植酸促進(jìn)了谷子莖和根的生長，并有效提高了谷子的鮮重和干重，促進(jìn)了幼苗的生長和干物質(zhì)的積累。

表2 腐植酸浸種對(duì)谷子幼苗生長的影響Table 2 Effects of HA on seedlings growth of foxtail millet

2.3 腐植酸浸種對(duì)干旱脅迫下谷子種子萌發(fā)的影響

由表3可知，干旱脅迫下(T0)，晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)顯著低于正常供水處理(CK)，分別降低了16.50%、9.74%、8.11%、27.86%和45.07%、7.76%、24.09%、31.14%，說明干旱脅迫對(duì)2個(gè)品種谷子的萌發(fā)能力具有抑制作用。

2個(gè)品種的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)隨HA濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中，T2處理晉谷21號(hào)的發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)分別較T0顯著提高18.60%、22.57%，T1-T5發(fā)芽率均高于T0，且在T3時(shí)顯著增加了9.8%；T1-T3處理張雜10號(hào)的發(fā)芽勢(shì)均顯著高于T0，且在T2時(shí)效果最好,增加了43.6%，而T1-T5處理萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)均顯著高于T0，且在T4和T2時(shí)效果最好,分別增加了13.85%、41.00%。晉谷21號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和張雜10號(hào)的發(fā)芽率、活力指數(shù)在最佳處理時(shí)(T2或T3)，與正常供水CK處理相比差異不顯著，表明適宜濃度的腐植酸顯著緩解了干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用。

2.4 腐植酸浸種對(duì)干旱脅迫下谷子幼苗生長的影響

由表4可知，干旱脅迫顯著抑制了晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)芽和根的生長，晉谷21號(hào)芽長和根長較CK分別降低了21.42%、19.98%，張雜10號(hào)分別降低了22.25%、18.62%，且差異顯著；干旱處理后2個(gè)品種的鮮重和干重顯著降低，較CK分別降低了19.33%、20.87%和24.73%、10.45%。

干旱脅迫下，隨著腐植酸濃度的增加，晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)的芽長、根長、鮮重、干重呈先升高后降低的趨勢(shì)。在HA處理為T1-T4時(shí)，晉谷21號(hào)的芽長、根長、干重均顯著高于T0處理，且芽長、根長分別在T2、T4效果最佳，分別提高了17.38%、19.28%，干重在T3顯著提高了23.88%；張雜10號(hào)的芽長、根長、鮮重在T3處理效果最佳，分別較T0提高了25.01%、13.65%、10.13%，且差異顯著。干旱脅迫后，腐植酸處理對(duì)2個(gè)品種根的生長效果最為明顯，與正常供水CK相比差異不顯著，說明腐植酸浸種可提高水分利用效率，促進(jìn)谷子根的生長，緩解干旱脅迫對(duì)谷子生長造成的傷害。

2.5 腐植酸浸種對(duì)干旱脅迫下谷子抗旱指數(shù)的影響

如圖1A、圖1B所示，干旱脅迫下，晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)隨著腐植酸濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。晉谷21號(hào)萌發(fā)抗旱指數(shù)T2-T3處理高于T0處理，但差異不顯著，其它處理均低于T0處理；張雜10號(hào)萌發(fā)抗旱指數(shù)T1-T4處理均顯著高于T0處理， T4處理效果最佳比T0顯著增加了13.76%。晉谷21號(hào)活力抗旱指數(shù)T2處理較T0顯著增加了22.49%，張雜10號(hào)活力抗旱指數(shù) T1-T5處理均顯著高于T0處理，T2處理效果最佳，較T0顯著增加了40.85%。說明適宜濃度的腐植酸可顯著提高谷子的萌發(fā)抗旱指數(shù)和活力抗旱指數(shù)，有效緩解了干旱脅迫對(duì)谷子萌發(fā)的抑制作用。

表3 腐植酸浸種對(duì)干旱脅迫下谷子種子萌發(fā)的影響Table 3 Effects of HA on seed germination of foxtail millet under drought stress

表4 腐植酸浸種對(duì)干旱脅迫下谷子幼苗生長的影響Table 4 Effects of HA on seedlings growth of foxtail millet under drought stress

圖1 腐植酸對(duì)干旱脅迫下谷子抗旱指數(shù)的影響Fig.1 Effects of HA on drought resistance index of foxtail millet

2.6 抗旱性指標(biāo)隸屬函數(shù)值法評(píng)價(jià)

干旱脅迫下，以不同濃度HA處理谷子萌發(fā)期各萌發(fā)指標(biāo)及幼苗生長指標(biāo)為依據(jù)，采用隸屬函數(shù)值法對(duì)晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)分別進(jìn)行綜合分析。由表5可知，2個(gè)品種隸屬函數(shù)平均值隨HA濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，晉谷21號(hào)T2處理隸屬函數(shù)平均值達(dá)到0.98，張雜10號(hào)T2、T3處理的平均值分別達(dá)0.90、0.91，明顯高于其它處理。綜合分析，干旱脅迫下腐植酸對(duì)谷子的最佳處理濃度為T2(100 mg·L-1)。

3 討論與結(jié)論

種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)是衡量種子品質(zhì)的指標(biāo)，發(fā)芽勢(shì)高的種子代表萌發(fā)后發(fā)芽整齊均勻[18]；萌發(fā)指數(shù)綜合了種子的萌發(fā)數(shù)量、速度及整齊度等3個(gè)因素[19]；活力指數(shù)代表了種子萌發(fā)的潛勢(shì)、生長和生產(chǎn)潛力[20]。種子萌發(fā)后的芽長、根長、鮮重和干重是其幼苗生長的重要指標(biāo)。腐植酸可提高燕麥的發(fā)芽率[21]，可顯著提高小麥種子活力[22]，

表5 谷子抗旱指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)Table 5 Membership function value of value droughe resistances and comprehensive evaluation of foxtail millet

并促進(jìn)小麥和玉米等的根系生長[23]。本研究表明，不同濃度腐植酸浸種處理提高了晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、活力指數(shù)，其中T2-T3處理效果顯著，說明適宜濃度的腐植酸浸種可明顯提高谷子的萌發(fā)能力，但品種間存在差異，張雜10號(hào)更為敏感、效果更好，可能的原因在于張雜10號(hào)本身的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率等萌發(fā)指標(biāo)低于晉谷21號(hào)。結(jié)果也表明，適宜濃度的腐植酸促進(jìn)了谷子莖和根的生長，并有效提高了谷子的鮮重和干重，促進(jìn)了幼苗的生長和干物質(zhì)的積累，對(duì)谷子種子萌發(fā)和幼苗生長具有明顯的促進(jìn)作用。

種子萌發(fā)對(duì)水分虧缺較為敏感，干旱脅迫會(huì)顯著抑制種子的萌發(fā)及幼苗的生長。研究表明，滲透脅迫條件下萌發(fā)率可作為快速鑒定谷子抗旱性的篩選指標(biāo)[24]。高汝勇等[25]利用PEG模擬干旱脅迫對(duì)12個(gè)谷子品種進(jìn)行抗旱性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對(duì)谷子各品種的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、苗高、鮮質(zhì)量、活力指數(shù)等均有明顯的抑制作用，且這6個(gè)指標(biāo)可作為谷子萌發(fā)期抗旱性的鑒定指標(biāo)。研究也表明，黃腐酸浸種可顯著提高干旱脅迫下紫花苜蓿種子的抗旱性[13]，且在大田生產(chǎn)中，黃腐酸浸種可有效促進(jìn)燕麥和谷子的出苗，提高大田出苗率，可補(bǔ)償干旱造成的水分缺失[26]。本研究表明，與正常水分條件相比，干旱脅迫對(duì)晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)的種子萌發(fā)有明顯的抑制作用，腐植酸浸種處理后2個(gè)品種的種子發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、芽長、根長均有所提高，其中HA 100 mg·L-1和200 mg·L-1處理濃度效果最佳，表明適宜濃度的腐植酸對(duì)晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)種子萌發(fā)及幼苗生長具有明顯的促進(jìn)作用，腐植酸能促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長，在于腐植酸具有親水性的官能團(tuán)，對(duì)水分有較強(qiáng)的吸附能力[27]，為種子萌發(fā)提供了更多的水分保證。

抗旱指數(shù)是衡量作物抗旱性的重要指標(biāo)，包括萌發(fā)抗旱指數(shù)和活力抗旱指數(shù)，張宇君等[28]利用萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)等7個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了燕麥萌發(fā)期抗旱性評(píng)價(jià)體系。本研究表明，干旱脅迫后，腐植酸浸種可顯著提高晉谷21號(hào)和張雜10號(hào)2個(gè)品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)和活力抗旱指數(shù)，腐植酸濃度為100 mg·L-1時(shí)對(duì)晉谷21號(hào)效果最佳，而腐植酸濃度為50～300 mg·L-1對(duì)張雜10號(hào)作用均差異顯著。但要準(zhǔn)確定義谷子的抗旱性單靠抗旱指標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，本研究采用隸屬函數(shù)值法，進(jìn)行多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，可消除單一指標(biāo)的片面性，更具可行性和可靠性[29]，結(jié)果表明100 mg·L-1的腐植酸對(duì)晉谷21號(hào)效果最佳，100～200 mg·L-1的腐植酸對(duì)張雜10號(hào)的效果最佳，更為準(zhǔn)確地確定了腐植酸提高谷子抗旱性的最佳作用濃度。隸屬函數(shù)值法在篩選抗性品種[30]、評(píng)價(jià)作物抗性[31]等方面都有廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，腐植酸可明顯提高谷子的萌發(fā)能力和幼苗生長。干旱脅迫下，腐植酸浸種明顯提高了谷子種子發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、芽長、根長。結(jié)果表明，100 mg·L-1腐植酸對(duì)干旱脅迫下谷子萌發(fā)及幼苗生長有明顯的促進(jìn)作用，提高水分利用效率，有效緩解了干旱脅迫對(duì)谷子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用，提高了谷子的抗旱性，為腐植酸在大田生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。