外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對低溫下棉種萌發(fā)的影響

夏 軍，吳 強(qiáng)，夏 欽，王宏軍

（1陜西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，陜西 西安 710000；2石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆 石河子 832003；3陜西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 西安 710000）

新疆維吾爾自治區(qū)（后文簡稱新疆）是我國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，其種植面積、總產(chǎn)、單產(chǎn)和調(diào)出量已連續(xù)25年居全國首位[1]，據(jù)國家統(tǒng)計局2020年數(shù)據(jù)[2]，新疆棉花種植面積和產(chǎn)量分別占全國的78.93%和87.64%。低溫是影響水稻、棉花、玉米、大豆等冷敏性作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的最重要的非生物脅迫之一，也是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害之一[3]，因低溫災(zāi)害，每年全球農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千億元[4]。尤其在新疆特殊的氣候條件下，棉花這種喜溫作物的播種及幼苗生長期間經(jīng)常遭遇雨雪等極端低溫氣象災(zāi)害，致使地表溫度嚴(yán)重低于棉種萌發(fā)所需的最低生長溫度，易導(dǎo)致棉花出苗至幼苗期爛種、爛芽、弱苗，甚至死苗等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響棉花的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的形成，最終造成棉花減產(chǎn)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。據(jù)新疆氣象局氣候中心檢測，2014年5月底6月初，在北疆地區(qū)發(fā)生低溫天氣，棉花受災(zāi)面積達(dá)1430hm2，其中絕收面積占60%左右，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一億元左右[6]。因此，尋求切實可行的途徑和措施來增強(qiáng)棉花萌發(fā)期抗寒耐低溫能力，具有重要的實踐意義。

品種選育[7]、地膜覆蓋[8，9]、外源物質(zhì)調(diào)控[10，11]等手段均可提高作物的抗冷性，但品種選育過于復(fù)雜，耗時長；地膜覆蓋容易造成殘膜污染，因此，外源物質(zhì)調(diào)控可作為提高作物抗逆性的主要手段。研究發(fā)現(xiàn)，0.001μmol·L–1的2，4-表油菜素內(nèi)酯（EBR）明顯提高低溫脅迫下水稻種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢；300μmol·L–1赤霉素（GA3）顯著提高低溫處理后花生種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)（GI）和種子活力；0.7mmol·L–1水楊酸（BHA）明顯提高低溫脅迫下玉米種子的發(fā)芽率、GI、發(fā)芽勢和活力指數(shù)。[12-16]但這些外源物質(zhì)作用于棉種萌發(fā)的生理機(jī)制尚未有系統(tǒng)的研究。因此，本試驗選用8種在棉花及其他作物上對提高耐冷性效果較明顯的外源物質(zhì)進(jìn)行比較，通過監(jiān)測低溫脅迫下棉種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢等發(fā)芽特性，篩選出提高棉種萌發(fā)期抗冷性效果較好的外源物質(zhì)，為新疆“倒春寒”天氣棉種萌發(fā)及出苗提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為兩種不同基因型的棉花品種：“新陸早65號”（Gossypium hirsutumL.，GL65）“海島棉35號”（Gossypium barbadenseL.，GH35），由新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花所提供。試驗在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院人工氣候箱內(nèi)完成。人工氣候箱模擬大田條件下棉花種子萌發(fā)的環(huán)境，相對濕度50%、14h光照/10h黑暗，光照強(qiáng)度283μmol·m-2·s-1。

1.2 試驗方法

試驗1：初步設(shè)定8種供試藥劑濃度分別為100mg·L-1GA3[17]，10μmol·L-1氟啶酮（FL）[18]，2.5μmol·L-1茉莉酸甲酯（MeJA）[15]，0.25mg·L-1EBR[19]，0.5mmol·L-1亞 精 胺（Spd）[20]，0.5mmol·L-1硫 化 氫（H2S）[21]，100μmol·L-1一氧化氮（NO）[16]，5mmol·L-1BHA[5]，采用發(fā)芽盒蛭石法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗。

試驗2：由試驗1得知GA3和FL的萌發(fā)效果較好，選取GA3和FL的抑制劑脫落酸（ABA）和多效唑（PA）進(jìn)行萌發(fā)，各試劑濃度設(shè)定如表1所列可知，并篩選最優(yōu)試劑及濃度。設(shè)2個溫度處理，分別為：15℃（光照）/12℃（黑暗）（T12）和28℃（光照）/25℃（黑暗）（T25）。選取籽粒飽滿，種胚完整，無霉變、機(jī)械損傷的棉花種子，先用75%無水乙醇浸洗1min進(jìn)行表層消毒，再用200mL 1%的高錳酸鉀消毒3～5min，用蒸餾水沖洗3～5遍；然后整齊擺放于鋪有蛭石的發(fā)芽盒內(nèi)，每盒擺放100粒種子，分別加入不同外源物質(zhì)溶液80mL，對照（CK）加入無菌蒸餾水80mL，于不同溫度處理下在人工氣候室中進(jìn)行萌發(fā)試驗，每處理5次重復(fù)，每隔24h補(bǔ)充20～25mL不同外源物質(zhì)溶液和蒸餾水。

表1 GA3和FL及合成抑制劑的不同濃度Table 1 Screening of different concentrations of GA3 and FL and inhibitors

1.3 種子發(fā)芽能力

胚芽長度大于棉種長度的1/2視為發(fā)芽，第1天開始每天統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)。

發(fā)芽率（%）＝（發(fā)芽種子數(shù)/供試棉種數(shù)）×100%；

發(fā)芽勢（%）＝（發(fā)芽達(dá)到高峰期時發(fā)芽種子數(shù)/供試棉種數(shù)）×100%；

發(fā)芽指數(shù)（GI）＝∑Gt/Dt，其中，Gt指t天的種子發(fā)芽率，Dt為相對應(yīng)的種子發(fā)芽天數(shù)。

平均發(fā)芽時間（MTG）＝∑（GtDt）/∑Gt，其中，Gt指t時的發(fā)芽率，Dt指發(fā)芽天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理。使用SPSS 18.0分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，差異顯著性檢驗采用鄧肯氏新復(fù)極差檢驗法（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源物質(zhì)對棉種萌發(fā)特性的影響

如表2所列可知，不同棉花品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI均隨溫度的降低而降低，且差異顯著（P＜0.05）。外源物質(zhì)不同程度提高棉種在低溫脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI，縮短MTG，8種外源物質(zhì)中GA3和FL效果最好。T12條件下GA3的平均發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI分別增加18%、11.78%和54.80%，MTG降低15.87%；T25條件下其平均發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI分別增加2.67%、3.33%和27.27%，MTG降低18.86%。

表2 低溫脅迫下不同外源物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)特性的影響Table 2 Effect of different exogenous substances on the germination characteristics of cotton seeds under low temperature stress

2.2 不同濃度的GA3及其抑制劑PA對棉種萌發(fā)特性的影響

如表3所列可知，50mg·L-1和100mg·L-1GA3均對棉種發(fā)芽有明顯的促進(jìn)作用，而200mg·L-1GA3在低溫脅迫下抑制棉種萌發(fā)，其中100mg·L-1GA3效果最好。GH35和GL65的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI在T12條件下分別增加11%、3.5%、4.19和42%、12%、3.81，MTG分別降低1.27d和1.33d；T25條件下分別增加5.5%、14%、6.2和5%、12%、6.08，MTG分別降低0.51d和0.63d。GA3抑制劑PA降低棉種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI。

表3 低溫脅迫下GA3及其抑制劑PA對棉種萌發(fā)特性的影響Table 3 Effects of GA3 and its inhibitors PA on the germination characteristics of cotton under low temperature stress

2.3 不同濃度的FL及其抑制劑ABA對棉種萌發(fā)特性的影響

如表4所列可知，3.29mg·L-1FL促進(jìn)棉種在低溫脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI，縮短MTG，其中GH35和GL65的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI在T12條件下分別增加5%、3.5%、0.06和34.5%、9.5%、1.88，MTG分別增加0.36d和0.7d；T25條件下分別增加2%、10%、2.65和2%、8.5%、3.08，MTG分別降低0.18d和0.31d，但1.65mg·L-1和6.58mg·L-1FL均抑制棉種的萌發(fā)。ABA處理后，棉種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、GI明顯下降，其中20mg·L-1ABA對棉種的抑制作用最強(qiáng)，GH35發(fā)芽率下降幅度最大，與CK相比平均降低65.55%，GL65發(fā)芽率平均下降49.5%。

表4 低溫脅迫下FL及其抑制劑ABA對棉種萌發(fā)特性的影響Table 4 Effects of FL its inhibitors ABA on the germination characteristics of cotton under low temperature stress

3 討論與結(jié)論

低溫脅迫限制種子發(fā)芽和幼苗生長的速度。有研究表明一些外源物質(zhì)在低溫脅迫下可提高種子的萌發(fā)速度和整齊度，促進(jìn)種子萌發(fā)，提高其耐冷性[22]。低溫脅迫下，適宜濃度的EBR可提高黃瓜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、GI等[23]。許高平等研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫使玉米發(fā)芽率、發(fā)芽勢顯著下降[24]。姜秀梅研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下辣椒種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、GI和活力指數(shù)可以通過適宜濃度的外源Spd、殼聚糖、BHA、CaCl2、甜菜堿、海藻糖等浸種處理得到不同程度的提高，促進(jìn)種子萌發(fā)，其中Spd和殼聚糖的誘導(dǎo)效果較好[25]。

GA3和ABA作為植物體內(nèi)廣泛存在的一類生長調(diào)節(jié)劑，參與并調(diào)控植物種子萌發(fā)；其抑制劑PA和FL可以有效調(diào)節(jié)作物的生育過程。葛娜等研究外源激素GA3和ABA對三七種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)500mg·L-1GA3顯著提高種子的萌發(fā)率；10mg·L-1ABA則明顯抑制種子的萌發(fā)[26]。前人研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)L和GA3均可顯著影響種子萌發(fā)效果，提高萌發(fā)率，其中以FL效應(yīng)最強(qiáng)[27，28]。研究GA3和ABA對小豆種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)不同濃度GA3對萌發(fā)的促進(jìn)作用也不同，而ABA和高濃度的GA3明顯抑制種子萌發(fā)[29]。

本試驗表明，8種外源物質(zhì)均不同程度地提高低溫脅迫下棉種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、GI，縮短MTG，促進(jìn)種子萌發(fā)，其中GA3和FL處理下棉種萌發(fā)效果較好。GA3和FL及其抑制劑PA、ABA對棉種萌發(fā)影響的試驗顯示，50mg·L-1和100mg·L-1GA3、3.29mg·L-1FL均增加棉種發(fā)芽率、發(fā)芽勢和GI，縮短MTG，而200mg·L-1GA3、1.65mg·L-1和6.58mg·L-1FL則抑制棉種的發(fā)芽，其中100mg·L-1GA3對棉種的萌發(fā)效果表現(xiàn)最好。ABA和PA顯著抑制棉種萌發(fā)，20mg·L-1ABA和5.88mg·L-1PA對棉種萌發(fā)的抑制作用最大。