生物活性物質提高玉米種子萌發(fā)及抗鹽能力

王晨霞 任如佳 常瑞雪 慕康國 陳 清

(中國農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京 100193)

隨著國內外對于生物活性物質研究的不斷深入，生產(chǎn)上普遍應用這些物質來調控作物生長，抵御不同非生物因素的脅迫，提高作物抗逆性[1]，調節(jié)和促進植物體對水分和養(yǎng)分的吸收和利用。

植物調節(jié)類物質如胺鮮脂和蕓苔素內酯是應用較早，目前研究比較成熟的生物活性物質。胺鮮酯具有較高生物活性，對多種農(nóng)作物具有顯著的增產(chǎn)、抗逆、抗病和早熟等功效[2]。使用胺鮮脂對水稻進行浸種處理，10 μg/L效果最佳，可顯著提高水稻幼苗膜保護酶SOD和CAT的活性以及可溶性糖、可溶性蛋白質和脯氨酸含量，降低MDA，從而提高植株幼苗的抗寒性[3-4]。蕓苔素內酯質量濃度為 0.01 mg/L 使用時便能促進蔬菜、果樹、花卉、食用菌及各種農(nóng)作物的生長發(fā)育，還可以提高植物的抗逆性，主要通過調節(jié)某種基因的表達，松弛細胞壁，減小壁壓，降低水勢，使水分和養(yǎng)分進入細胞，引起細胞體積增大，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和種子活力都明顯提高[5-6]，葉面積增加可以達到極顯著水平[7]；還可使植物組織保持旺盛的分生能力，來抵御鹽分的損害[8]。

在生產(chǎn)中也存在很多天然活性成分，如海藻酸和腐植酸, 它們也具有提高作物光合作用，增強作物抗逆能力，改善土壤環(huán)境的功能。海藻酸是一種存在于褐藻細胞壁中的天然多糖[9]。腐植酸是動植物殘體在微生物的分解和轉化作用，以及一系列的地球化學過程下合成的一類具有多種官能團的大分子有機弱酸混合物[10]。腐植酸鉀是通過風化煤的氨化作用活化腐植酸，并與氫氧化鉀復配制得的復合物[11]。腐殖酸和腐殖酸鉀也被稱為生物刺激素類物質。腐植酸鉀是三大類生物活性物質中應用最廣泛的，通過基施改土、葉面噴施抗干旱和灌溉施肥促根，對促進作物生長有很好的效果，能夠降低土壤電導率，減少植物中脯氨酸的滲出，進而提高作物的抗鹽脅迫能力，有利于解決土壤鹽堿化問題[12]。將這些生物活性物質以一定的比例濃度與水溶肥復配制備功能性水溶肥能促進植物激素分泌，進而促進植物的生長，增加植物脯氨酸含量，增強作物抵抗干旱和鹽分脅迫的能力[9]，但是必須明確其適宜的作用濃度及潛在的作用機理。目前，關于生物活性物質及其復配物在植物抵抗鹽脅迫方面的應用研究較少且較為表面。因此，本研究采用統(tǒng)一的試驗方法和供試種子，旨在研究：海藻酸、胺鮮酯、蕓苔素內酯和腐植酸鉀這4種生物活性物質及：蕓苔素內酯與胺鮮酯和蕓苔素內酯與腐植酸鉀這2種復配液，在正常條件和鹽脅迫下對玉米種子萌發(fā)和生長的影響，探究不同條件下生物活性物質發(fā)揮作用的最佳濃度及其對玉米種子抗鹽害的影響，明確生物活性物質對緩解鹽害和促進種子萌發(fā)等方面的作用，以期為其在不同肥料中的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

所用生物活性物質有海藻酸、胺鮮酯、蕓苔素內酯和腐植酸鉀，其中海藻酸(SW)、胺鮮酯(DA-6)和蕓苔素內酯(BR)由河南信聯(lián)生化有限公司提供；腐植酸鉀(HA)由中向旭曜有限公司提供，是腐植酸鉀固體與0.5%氫氧化鉀溶液反應而成的腐植酸鉀溶液，混合 1(HH1:BR+DA-6)為蕓苔素內酯與胺鮮酯1∶20混合而成，混合 2(HH2:BR+HA)為蕓苔素內酯與腐植酸鉀1∶5混合而成。供試玉米品種為‘中糯2號’，雜交糯玉米品種，在北京地區(qū)春季播種至采收平均 91 d。

試驗用生物活性物質的理化性狀如表1所示。

表1 供試生物活性物質的外觀、有效成分含量及pHTable 1 Appearance, active ingredient content rate andpH of selected bioactive substances

1.2 試驗設計

于2016年3—6月在中國農(nóng)業(yè)大學西校區(qū)新教學樓實驗室進行。所用各生物活性物質浸種濃度設計如表2所示，將種子置于不同濃度的生物活性物質溶液中浸泡6 h，晾干。所用種子的包膜劑是按照種子∶顏色助劑∶生物活性物質溶液體積比=200∶1∶1(20 g 種子+0.1 g助劑+0.1 mL生物活性物質溶液)配置，包膜濃度見表3，與20 g種子放到培養(yǎng)皿中震蕩至包膜均勻，晾干。

1.2.1浸種試驗

挑選籽粒飽滿、色澤正常的玉米種子，用5%(V/V)的次氯酸浸泡5 min，蒸餾水清洗3次，然后用70%(V/V)的乙醇浸泡3 min，蒸餾水清洗3次，晾干。然后將玉米種子分別放入不同濃度的海藻酸溶液、胺鮮酯溶液、蕓苔素內酯溶液、腐植酸鉀溶液、蕓苔素內酯與胺鮮酯復配液和蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配液中(表2)，進行浸種處理，蒸餾水作為對照，浸種時間為6 h。浸種結束后將玉米種子用蒸餾水沖洗3次，晾干。然后將處理的種子置于鋪有2層濾紙、直徑為18 cm的滅菌培養(yǎng)皿中，并加入 50 mL 左右的蒸餾水使濾紙濕潤。每皿50粒種子，3次重復。

表2 供試生物活性物質的浸種質量濃度Table 2 Concentration of selected bioactive substances mg/L

表3 供試生物活性物質的包膜濃度Table 3 Concentration of bioactive substances onpolymer-coated seedings g/L

1.2.2鹽脅迫試驗

以10 g/L NaCl溶液作為鹽脅迫處理。種子的各生物活性物質的包膜劑中種子、顏色助劑與生物活性物質的體積比為200∶1∶1。挑選籽粒飽滿、色澤正常的玉米種子，用體積分數(shù)5%的次氯酸浸泡5 min，蒸餾水清洗3次，然后用體積分數(shù)70%的乙醇浸泡3 min，蒸餾水清洗3次，晾干。根據(jù)預試驗及查閱相關資料分別選取2.0 g/L海藻酸、10.0 g/L胺鮮酯、2.0 g/L蕓苔素內酯、2.0 g/L腐植酸鉀、4.0 g/L蕓苔素內酯與胺鮮酯復配和0.2 g/L蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配包膜劑對玉米種子進行包膜處理，晾干。然后將處理的玉米種子置于鋪有2層濾紙的直徑為18 cm的滅菌培養(yǎng)皿中，濾紙用50 mL 10 g/L NaCl溶液濕潤，未包膜的玉米種子做對照，其他處理相同。每皿50粒種子，3次重復。

上述裝有種子的培養(yǎng)皿均置于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，先于25 ℃下黑暗催芽24 h，并記錄各培養(yǎng)皿中種子的萌發(fā)數(shù)，然后繼續(xù)在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中每天8 h光照，16 h黑暗處理，并在固定時間記錄種子萌發(fā)數(shù)，同時加適量蒸餾水保持皿內濾紙的濕潤。

1.2.3指標測定

以胚根長度超過種子長度的一半記為發(fā)芽，每天記錄種子的萌發(fā)數(shù)。處理后第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢，%；第7天統(tǒng)計發(fā)芽率，%。并測量下胚軸與胚根的長度及玉米幼苗的鮮重和干重。

發(fā)芽勢=第3天種子萌發(fā)數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽率=第7天種子萌發(fā)數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，其中Gt為在第t天的種子萌發(fā)數(shù)，Dt為相應的種子萌發(fā)天數(shù)；

活力指數(shù)=GI×S，S為平均根長；

胚根長、胚軸長、根長、苗高用直尺直接測量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)及制圖，用SPSS 17.0軟件Duncan法對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 對玉米種子萌發(fā)的影響

由表4可知，與對照相比，所用的生物活性物質及其復配溶液在不同濃度條件下均會對玉米種子的萌發(fā)產(chǎn)生顯著影響，具體表現(xiàn)為隨著所用生物活性物質濃度的增加，對種子萌發(fā)表現(xiàn)出先促進后抑制的作用效果。濃度為10 mg/L的胺鮮酯、0.50 mg/L的蕓苔素內酯、400 mg/L的海藻酸、10 mg/L的腐植酸鉀、復配濃度為0.5 mg/L的蕓苔素內酯與胺鮮酯和復配濃度為1.00 mg/L的蕓苔素內酯與腐植酸鉀對玉米種子的促進作用最明顯，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著大于對照組。

表4 不同生物活性物質對玉米種子萌發(fā)的影響Table 4 Effects of different concentrations of bioactive substances on maize seed germination

其中，腐植酸鉀濃度為1和10 mg/L時對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)具有顯著促進作用，其中10 mg/L效果最佳，分別比 0.50 mg/L 的蕓苔素內酯增加5.0%、1.1%、3.6%和1.2%；海藻酸濃度為400 mg/L時對玉米種子的作用最顯著，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別比0.50 mg/L的蕓苔素內酯增加2.7%、3.3%、2.9%和7.8%，與10 mg/L的胺鮮脂相比，活力指數(shù)增加4.8%；蕓苔素內酯與胺鮮酯復配濃度為0.5 mg/L時對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)具有顯著影響，與0.50 mg/L的蕓苔素內酯相比，各指標分別增加2.7%、0.0%、1.7%和16.6%，與10 mg/L的胺鮮脂相比，玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均降低，但活力指數(shù)增加13.2%；蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配濃度為 1.00 mg/L 時，對玉米種子的作用最顯著，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別比蕓苔素內酯增加2.9%、5.2%、3.4%和13.1%，與10 mg/L的腐植酸鉀相比，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)降低2.0%和0.2%，發(fā)芽率和活力指數(shù)增加4.1%和11.8%。

2.2 對玉米胚根和下胚軸生長的影響

與對照相比，不同濃度的蕓苔素內酯、胺鮮酯、海藻酸、腐植酸鉀、蕓苔素內酯與胺鮮酯復配及蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配均對玉米胚根和下胚軸的生長產(chǎn)生不同程度的影響，且隨著各物質濃度的增加，其生長趨勢均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(表4)。濃度為8 mg/L的胺鮮酯、1.00 mg/L的蕓苔素內酯、200 mg/L 的海藻酸、15 mg/L的腐殖酸鉀、復配濃度為1.0 mg/L的蕓苔素內酯與胺鮮脂和復配濃度為0.10 mg/L的蕓苔素內酯與腐植酸鉀對玉米種子的作用效果最明顯，其胚根長和胚軸長分別比對照增加15.8%和20.2%、6.6%和14.0%、71.9%和18.7%、7.7%和7.0%、52.6%和13.2%、40.3% 和34.2%。其中海藻酸濃度為200和 400 mg/L 時，對玉米的胚根長和胚軸長有顯著的促進作用，200 mg/L 時促進效果最好，分別比 8 mg/L 的胺鮮脂增加8.6%和5.4%，對玉米的胚軸長比1.00 mg/L的蕓苔素內酯增加1.5%。1～50 mg/L的腐植酸鉀對玉米胚根及下胚軸的生長具有一定的促進作用，但無顯著影響。蕓苔素內酯與胺鮮酯復配濃度為0.5和1.0 mg/L時對玉米胚根長與下胚軸長均有顯著促進作用，1.00 mg/L效果最佳，對玉米的胚根長比胺鮮酯增加43.1%，比蕓苔素內酯增加26.2%。蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配濃度為0.1 mg/L 時促根效果最佳，胚根長和胚軸長分別比腐植酸鉀增加30.3%和25.4%，比蕓苔素內酯增加16.0%和13.3%。

2.3 對玉米種子抗鹽性的影響

由表5可以看出，適宜濃度的胺鮮酯、蕓苔素內酯、海藻酸、腐植酸鉀、蕓苔素內酯與胺鮮酯復配和蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配包膜均能有效緩解鹽脅迫對玉米種子萌發(fā)產(chǎn)生的影響。緩解效果最好的是蕓苔素內酯，其次為海藻酸和胺鮮脂。與其余5種處理相比，蕓苔素內酯對玉米種子萌發(fā)的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和苗高促進效果最佳，分別比空白對照增加了1 235.0%、597.0%、756.3%和96.7%；海藻酸對玉米種子萌發(fā)的活力指數(shù)和根長促進作用最佳，分別比對照增加了2 416.7%和230.0%。此外，與胺鮮脂相比，2.0 g/L的腐植酸鉀降低了玉米種子的各項發(fā)芽指標和生長指標，與蕓苔素內酯相比，除根長增加9.2%之外，其余指標均降低；海藻酸對玉米種子萌發(fā)的活力指數(shù)和根長分別比蕓苔素內酯增加12.7%和34.7%，除發(fā)芽率和苗高外，玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根長分別比胺鮮脂增加46.6%、2.7%、24.8%和21.1%；蕓苔素內酯與胺鮮酯復配對玉米種子萌發(fā)和根生長均具有顯著促進作用，其中根長比胺鮮脂增加5.5%，比蕓苔素內酯增加17.3%；0.2 g/L蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配液對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和苗高分別比蕓苔素內酯降低64.0%、58.0%、58.4%、61.9%和42.5%，與2.0 g/L的腐植酸鉀相比，苗高顯著降低13.8%，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根長降低27.8%、2.0%、21.9%、34.6%和16.8%。

從圖1中可以看出，鹽脅迫下玉米種子的萌發(fā)均受到不同程度的影響，使用生物活性物質包膜的種子長勢均優(yōu)于對照，包膜處理促進了玉米種子根的生長，不僅主根長度增加，而且側根數(shù)量顯著增多，對側根的影響效果最佳的是海藻酸，其次是胺鮮酯和腐植酸鉀。

3 討 論

隨著對生物活性物質作用機理研究的深入, 越來越多的生物活性物質被應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 需要注意的是：生物活性物質用量不同, 其作用存在差異。天然活性物質海藻酸可以促進作物生長[13]，增加葉綠素含量[14]、促進開花[15-16]、提高產(chǎn)量和促進種子萌發(fā)[17-18]。溫延晨等[19]使用0.01 g海藻符，當海藻酸濃度<800 mg/L時有利于玉米種子的萌發(fā)和生長，400 mg/L時最適宜玉米種子的萌發(fā)，濃度為200 mg/L時最適宜玉米的根和幼苗生長。腐植酸鉀對于玉米的主要作用是促進根的生長發(fā)育，增強種子活力。王紅等[20]將玉米種子用20 mg/L的生根劑(含腐植酸鉀10%)浸種，總根長及側根數(shù)顯著高于對照，隨著生根劑濃度的增加，根系長度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這一濃度與本研究的1～10 mg/L重合，但低于本研究的最適濃度，這可能與生根劑中加入了α-萘乙酸鈉有關。蕓苔素內酯對于玉米的根長及苗高有協(xié)同促進的作用，能提高種子活力，主要是促根作用。紀秀娥[21]將不同濃度的蕓苔素內酯對玉米種子浸種，低濃度蕓苔素內酯對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率具有促進作用，0.015 mg/L浸種效果最佳，該結果明顯低于本試驗中對玉米種子萌發(fā)和生長最適宜的浸種濃度0.50 mg/L，這可能與所選用的玉米品種有關。在本研究中，蕓苔素內酯與腐植酸鉀的混合液(HH2)比單獨使用酸/盆的用量可以促進作物生長，超過用量會抑制作物正常生長。這一結果與本研究中海藻酸低濃度促進，高濃度抑制相效果更好，對玉米種子的根長、苗高及發(fā)芽率均具有顯著促進作用。此外，隨著胺鮮酯濃度的增加，玉米種子的萌發(fā)和生長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中濃度為10 mg/L時最適宜玉米種子萌發(fā)，濃度為8 mg/L時對玉米根長與苗高的生長最適宜。蕓苔素內酯與胺鮮酯的混合液(HH1)與單一物質相比，可顯著提高玉米的根長、苗高以及種子活力。張偉[22]將胺鮮酯與蕓苔素內酯混合進行大白菜發(fā)芽試驗，結果表明2 400∶1的比例可提高苗高136%，提高根長84%，本試驗中，HH1浸種對玉米種子萌發(fā)和根生長具有一定的促進作用，當濃度為1 mg/L時，效果最好，但本試驗的促根促苗效果未達到136%和84%，可能與胺鮮酯和蕓苔素內酯的比例不同及作物種類不同有關。

表5 不同生物活性物質包膜對玉米種子抗鹽能力的影響Table 5 Effects of different coating bioactive substances on the salt tolerance of maize seeds

在鹽脅迫環(huán)境下，玉米種子分別經(jīng)10 g/L胺鮮酯、2.0 g/L蕓苔素內酯、2.0 g/L海藻酸、2.0 g/L 腐植酸鉀、4.0 g/L HH1和0.2 g/L HH2包膜處理后，與對照相比均表現(xiàn)出較好的種子耐鹽性。其中，蕓苔素內酯和胺鮮酯是一種高效植物生長物質，具有很高的生物活性，能通過提高葉綠素含量、提高POD、CAT和SOD等植物保護酶活性、改變細胞膜物理透性、使植物組織保持旺盛的分生能力，來抵御鹽分的損害[8]。本試驗中，4.0 g/L的蕓苔素內酯和胺鮮脂復配液，與蕓苔素內酯和胺鮮脂單獨處理相比，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)并無顯著差異，只有發(fā)芽率和苗高顯著低于單一物質，這說明HH1會抑制玉米種子萌發(fā)和幼苗生長，削弱單一物質的抗鹽能力。腐植酸鉀基施改土、葉面噴施抗旱耐鹽及灌溉施肥促根等已得到廣泛應用，通過提高作物抗鹽性能有效解決土壤鹽堿化問題，緩解鹽害逆境脅迫，降低土壤電導率，減少植物滲出脯氨酸，進而提高作物的抗鹽脅迫能力[12]。本試驗中，蕓苔素內酯和腐植酸鉀復配后的抗鹽能力均小于單一物質，其中玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和苗高均與蕓苔素內酯差異顯著，但除苗高外，各指標與腐植酸鉀無顯著差異，說明復配后腐植酸鉀在發(fā)揮主要抗鹽作用。

4 結 論

本研究確定了在正常條件下，海藻酸質量濃度為400 mg/L、腐植酸鉀為10 mg/L、胺鮮酯為10 mg/L、蕓苔素內酯為0.50 mg/L、蕓苔素內酯與胺鮮脂復配濃度為0.5 mg/L和蕓苔素內酯與腐植酸鉀復配濃度為1.00 mg/L時，最適宜玉米種子萌發(fā)。其中，促種子萌發(fā)效果最好的是胺鮮脂，其次是腐殖酸鉀。當海藻酸質量濃度為200 mg/L、腐植酸鉀為15 mg/L、胺鮮酯為8 mg/L、蕓苔素內酯為 1.00 mg/L、蕓苔素內酯與胺鮮酯復配濃度為1.0 mg/L、蕓苔素內酯與腐殖酸鉀復配濃度為 0.10 mg/L 時，對玉米的根長和苗高的促進效果最好。復配后的蕓苔素內酯與胺鮮脂對胚根的促進效果最佳，復配后的蕓苔素內酯與腐殖酸鉀對胚軸的促進效果最佳，說明蕓苔素內酯的2種復配物均具有優(yōu)于單一物質的促根效果。

經(jīng)適宜濃度的4種生物活性物質及2種復配液包膜后均能對鹽脅迫下玉米種子的萌發(fā)產(chǎn)生顯著影響。其中蕓苔素內酯對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和苗高的作用效果最佳，海藻酸對玉米種子的根長作用效果最佳，不僅促進了種子的根生長，主根長度增加，而且側根數(shù)量顯著增多。

不同生物活性物質表現(xiàn)出來的促萌發(fā)促根效果和提高作物耐鹽抗性，對于提高肥料、農(nóng)藥利用率，解決土壤鹽漬化問題提供了新的思路。而且，對于設施農(nóng)業(yè)土壤鹽漬化狀況的改善及鹽堿地植物的生長有著重要的意義，有利于植物在鹽脅迫環(huán)境下生存，有利于改善次生鹽漬化途中的作物生存狀況。