PEG引發(fā)對(duì)谷子萌發(fā)期種子活力影響及綜合評(píng)價(jià)

王 帝， 王雨婷， 潘婷婷， 高銘唯， 苗興芬

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)， 黑龍江 大慶 163316)

種子引發(fā)是一項(xiàng)種子預(yù)處理技術(shù)[1-2]，最早由科學(xué)家Heydecke于1973年提出[3]。該技術(shù)能夠調(diào)控農(nóng)作物種子對(duì)水分的吸收速率，能夠達(dá)到以下3個(gè)方面的效果：修復(fù)和完善種子的膜系統(tǒng)[4]，保證種子處于生理代謝過(guò)程中的準(zhǔn)備狀態(tài)[5]；活化種子內(nèi)部酶體系，提高細(xì)胞膜和細(xì)胞器的自我修復(fù)能力[6]；對(duì)DNA也具有一定的修補(bǔ)能力。辛艷[7]和董志朋等[8]研究表明，農(nóng)作物種子經(jīng)過(guò)引發(fā)后，其活力和抗逆性都獲得了不同程度的增強(qiáng)，田間成苗率、出苗率及苗整齊度也有增加。目前，種子引發(fā)處理技術(shù)已相當(dāng)成熟。PEG(Polythylene Glycol)是理想的實(shí)驗(yàn)室引發(fā)劑[9]，PEG引發(fā)屬于種子引發(fā)中的滲調(diào)引發(fā)。谷子(SetariaItalica(L.)P.Beauv)抗旱耐瘠，水稻利用效率高、適應(yīng)性廣，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)未來(lái)水資源短缺的戰(zhàn)略貯備作物[10]。

本試驗(yàn)采用15%[11]PEG溶液對(duì)20份谷子品種進(jìn)行種子引發(fā)，對(duì)谷子種子活力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在篩選引發(fā)效果好的品種。

1 材料與方法

1.1 材 料

20個(gè)供試谷子品種詳見表1，種子引發(fā)劑PEG-6000。

表1 20個(gè)供試谷子品種Table 1 List of 20 tested foxtail millet varieties

1.2 方 法

試驗(yàn)于室內(nèi)進(jìn)行。選擇形狀一致、成熟無(wú)病害的種子，用75%乙醇溶液消毒10 min，再用蒸餾水沖洗4次。配制質(zhì)量濃度為15%的PEG-6000溶液對(duì)谷子種子浸種24 h，對(duì)照為蒸餾水浸種。室內(nèi)發(fā)芽試驗(yàn)條件和程序參照王慧茹[12]的方法。白天25 ℃晚上10 ℃條件下進(jìn)行7 d標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)，第8天隨機(jī)取樣10株測(cè)芽長(zhǎng)與根長(zhǎng)。對(duì)所取10株幼苗測(cè)鮮重，隨后80 ℃烘干至恒重，測(cè)干重。種子活力相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定參考辛秋宇[13]。綜合指標(biāo)值(Zi)、隸屬函數(shù)分析(U)、綜合指標(biāo)權(quán)重(Wi)、試驗(yàn)材料的綜合值(D)的計(jì)算參照張鞏亮等[14]的方法。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)整合、描述性統(tǒng)計(jì)、綜合評(píng)價(jià)以及主成分分析、聚類分析。

確定種子活力相關(guān)指標(biāo)：每天調(diào)查種子發(fā)芽數(shù)，根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)超過(guò)種子直徑的一半，調(diào)查持續(xù)到第8天。第8天直接測(cè)量谷子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和鮮重，在測(cè)量鮮樣之后，將樣品放在信封中30 min，然后在105 ℃溫度下殺青，在80 ℃溫度下干燥至恒重并宣布干重。

1) 種子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。日發(fā)芽數(shù)目：調(diào)查7 d內(nèi)每天種子發(fā)芽數(shù)目。發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)，其中發(fā)芽勢(shì)為發(fā)芽3 d的發(fā)芽數(shù)占供試種子的百分比，發(fā)芽率為發(fā)芽7 d發(fā)芽種子占供試種子的百分比，發(fā)芽指數(shù)是累計(jì)發(fā)芽數(shù)與日數(shù)之比的和。根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、10株根及芽鮮干重：第8天測(cè)量10株谷子幼苗每株根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和10株鮮重，稱重后將樣品放在硫酸紙袋中，然后在105 ℃溫度下殺青30 min，在80 ℃溫度下干燥至恒重并稱取10株干重。

2) 綜合指標(biāo)值和隸屬函數(shù)。

μ(Zi)=(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin),i=1,2,3,...,n；

式中:αi是某一指標(biāo)特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量；xi是指標(biāo)相對(duì)值。μ為第i個(gè)主成分的隸屬函數(shù)值；Zi是第i個(gè)的綜合指標(biāo)值；Zimin和Zimax分別為的第i個(gè)綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

3) 綜合各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重(Wi)和試驗(yàn)材料的綜合值(D)

式中:Wi是第i個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重；Pi是第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率;D值為主成分分析獲得的性能綜合評(píng)分值。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG引發(fā)對(duì)萌發(fā)期谷子的影響

在PEG引發(fā)下，20個(gè)品種的發(fā)芽勢(shì)和鮮重與ck比較存在顯著差異(表2)。發(fā)芽勢(shì)的平均值為86.77%；最大值為97.33%，分別是九谷15和九谷20；最小值為63.33%，為龍谷26；7個(gè)品種的發(fā)芽勢(shì)達(dá)到90%以上，3個(gè)品種在80%以下。鮮重的平均值為0.109 g，最大刀把齊(0.134 g)；最小大葉青粘谷(0.076 g)；7個(gè)品種的鮮重超過(guò)0.120 g，3個(gè)品種的鮮重低于0.090 g。發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和干重與ck較差異不顯著。

變異系數(shù)最大為鮮重(18.35%)，芽長(zhǎng)(13.45%)次之；最小為發(fā)芽率(4.26%)，發(fā)芽勢(shì)(9.09%)次之。

表2 PEG引發(fā)對(duì)谷子萌發(fā)期性狀的影響Table 2 Effects of PEG priming on the germination characters of foxtail millet

表3 PEG引發(fā)對(duì)萌發(fā)期谷子各指標(biāo)的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of PEG priming on various indexes in germinating foxtail millet

2.2 PEG引發(fā)對(duì)萌發(fā)期谷子各指標(biāo)的相關(guān)分析

PEG引發(fā)后種子的發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.776和0.878；發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)同樣呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.826；根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.494；干重與鮮重極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.931(表3)。

2.3 PEG引發(fā)對(duì)萌發(fā)期谷子主成分分析

由于各性狀的相關(guān)分析可能導(dǎo)致信息重疊而影響分析結(jié)果，因此通過(guò)主成分分析進(jìn)行各性的綜合評(píng)價(jià)，以累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%的原則確定主成分。由表4可知，前4個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為38.296%，25.446%，15.835%和12.486%。累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.064%，表明前4項(xiàng)主成分代表了7項(xiàng)指92.064%的變異信息。其中，第一主成分(PC 1)的以發(fā)芽指數(shù)的絕對(duì)值載荷較高(0.598)；第二主成分(PC 2)以芽長(zhǎng)的絕對(duì)值載荷最高(0.669)；第三主成分(PC 3)以干重的絕對(duì)值載荷最高(-0.802)；第四主成分(PC 4)以鮮重的絕對(duì)值載荷最高(0.721)。

表4 PEG-6000引發(fā)對(duì)萌發(fā)期谷子主成分分析Table 4 Effect of PEG-6000 priming on principal components and factors of foxtail millet during germination

2.4 種子活力綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算各試驗(yàn)材料的綜合指標(biāo)值和各主成分隸屬函數(shù)值。隨后計(jì)算出前4個(gè)性狀的主成分權(quán)重分別為0.416、0.276、0.172、0.136。通過(guò)加權(quán)法計(jì)算出種子活力綜合評(píng)價(jià)值D。由表5可知，所有試驗(yàn)材料的平均D值為0.465，分布區(qū)間在0.235～0.710之間。金穗黃金谷、綠谷王和燕谷1號(hào)D值排在前3位，分別為0.710，0.683和0.606，說(shuō)明該3個(gè)品種受PEG引發(fā)效果好。引發(fā)效果最差的是公矮2(11號(hào))，D值為0.235，其次是晉谷29(3號(hào))，D值為0.326(見表5)。

表5 參試材料D值及排序Table 5 D values and sequences of test materials

2.5 種子活力聚類分析

以D值為依據(jù)，對(duì)20份谷子材料進(jìn)行聚類分析，在歐式距離0.28處可分為四類：分別為高活力、中高活力、常規(guī)活力和低活力型(圖1)。第Ⅰ類由2、9號(hào)組成的高活力型類群，占總材料數(shù)的10%；第Ⅱ類由1、8、15、16、4、6、10號(hào)等7個(gè)材料組成的中高活力型類群，占總材料數(shù)的35%；第Ⅲ類由5、14、7、13、18、20、12、19號(hào)等8個(gè)材料組成的常規(guī)活力型類群，占總材料數(shù)的40%；第Ⅳ類由3、17、11號(hào)組成的低活力型類群，占總材料數(shù)的15%。

圖1 20個(gè)參試品種種子活力情況系統(tǒng)聚類分析 Fig.1 Systematic cluster analysis on seed vigor of 20 varieties

3 討 論

種子引發(fā)方法及技術(shù)有多種，楊小環(huán)等[15]認(rèn)為，不同的種子引發(fā)技術(shù)擁有共同的試驗(yàn)程序。滲調(diào)引發(fā)是引發(fā)方法的基礎(chǔ)，該方法能夠根據(jù)不同的情況和試驗(yàn)對(duì)象，靈活改變?cè)囼?yàn)過(guò)程中的處理?xiàng)l件，如濃度、時(shí)間、溫度和光照強(qiáng)度等，應(yīng)用范圍較廣泛。大分子的聚乙二醇(相對(duì)分子質(zhì)量≥6 000)不能透過(guò)細(xì)胞壁，在整個(gè)引發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著調(diào)節(jié)滲透的作用，控制滲透壓，調(diào)節(jié)種子吸水速率，是滲調(diào)引發(fā)選擇較多的試驗(yàn)藥劑。此外還有一些其他化學(xué)試劑或混合藥劑也可以應(yīng)用，如脯氨酸、甘露醇及KNO3+K3PO4、PEG+鏈霉素等。以上試劑作為引發(fā)劑時(shí)，都是讓種子通過(guò)滲透液吸收水分，保持種子內(nèi)部水勢(shì)的均一性，讓種子保持在吸脹滯緩期，也就是膠體吸水達(dá)到飽和，處于吸水停滯狀態(tài)下發(fā)生代謝活動(dòng)，同時(shí)弱化種子內(nèi)部胚根附近的組織，防止其伸出。該過(guò)程還可辨別是否存在“假萌動(dòng)”現(xiàn)象(圖2)。張衛(wèi)華等[15]研究表明，受引發(fā)種子的吸脹過(guò)程始終保持均勻狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境良好，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能以及各細(xì)胞器發(fā)育正常。萌發(fā)種子的ATP含量也有不同程度的提高[17-18]，同時(shí)，在吸脹過(guò)程中種子的呼吸作用增強(qiáng)，呼吸釋放出的能量能夠滿足谷子幼胚生長(zhǎng)對(duì)能量的要求。谷子吸水膨脹后，會(huì)有一個(gè)內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生理過(guò)程，這個(gè)過(guò)程由多種酶控制。當(dāng)吸水膨脹達(dá)到飽和，各類酶促反應(yīng)開始活動(dòng)，胚乳內(nèi)所含蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等比較復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)開始轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的碳水化合物和可溶性的含氮化合物，這些物質(zhì)能夠被胚直接吸收和利用。白占兵等[19]研究認(rèn)為，由于引發(fā)之后種子內(nèi)部活化水解酶活性的提高，提高了種子活力。

在種子自身潛能是活力的主要限制因子前提下，PEG引發(fā)作為外部因素來(lái)影響谷子種子的活力，體現(xiàn)不同條件下種子的適應(yīng)程度。該理論適用于Woodstock在1973年所推出的種子活力雙向量二維分析圖(圖3)。圖中橫坐標(biāo)為溫度、光照、pH值等(包括PEG等)組成的環(huán)境因子的幅度，縱坐標(biāo)表示種子活力的強(qiáng)度。曲線(a)表示活力最強(qiáng)，曲線(b)表示活力較弱，適應(yīng)范圍較小，曲線(c)表示活力較弱，效應(yīng)強(qiáng)度降低。

生產(chǎn)實(shí)踐中，種子批發(fā)芽率的高低并不能完全反映作物田間生長(zhǎng)情況，并且可能存在較大差異。在不同的環(huán)境條件下，種子引發(fā)可被廣泛應(yīng)用，提高作物萌發(fā)率和出苗率。提高種子的活力水平，對(duì)苗期的壯苗十分有利，增加最終產(chǎn)量[20]。

圖2 種子吸脹模式Fig.2 Pattern diagram of seed imbibition

圖3 種子活力雙向量二維分析Fig.3 Two-dimensional analysis chart of two-way quantity of seed vigor

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，PEG引發(fā)可有效提高谷子種子活力，但是不同谷子品種引發(fā)效果存在差異。20份谷子品種的發(fā)芽勢(shì)、鮮重存在顯著差異，且萌發(fā)期各性狀的變異系數(shù)由小到大為發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、根長(zhǎng)、干重、芽長(zhǎng)、鮮重；種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)；干重與鮮重呈極顯著正相關(guān)。篩選出受PEG引發(fā)提高種子活力效果顯著的2個(gè)品種，分別是綠谷王和金穗黃金谷。