不同引發(fā)劑對干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

張康康,余 慶,朱坤淼,吉曉晨,胡立勇,畢俊國,羅利軍

(1華中農業(yè)大學,武漢 430070;2上海市農業(yè)生物基因中心,上海 201106)

水稻是世界三大糧食作物之一,也是灌溉水需求量最大的糧食作物,傳統(tǒng)水稻生產極易受到干旱的影響而導致產量下降。為解決水稻生產對水分過度依賴的問題,我國科學家培育出“節(jié)水抗旱稻”,通過十余年的努力,已育成包括秈型、粳型、雜交和常規(guī)4個系列的節(jié)水抗旱稻新品種,并在生產上大面積推廣應用[1]。與水稻相比,節(jié)水抗旱稻具有節(jié)水、抗旱和易栽培等特點,可采用旱直播旱管的種植方式。旱直播不僅可有效地降低灌溉量,還可大幅減少水稻生產成本,實現(xiàn)節(jié)本增效。目前,由于旱直播下土壤水分含量相對較低,加上種子本身質量有所差異,導致諸如播種量大、出苗率低、出苗不整齊、苗期生長緩慢等問題,對節(jié)水抗旱稻后期群體建成造成負面影響,亟需在播種技術上進行進一步改進。

種子引發(fā)是一種通過控制種子緩慢吸水膨脹,然后逐步回干的播前種子處理技術[2]。前人研究表明,采用不同類型的引發(fā)方法,如激素引發(fā)、無機物質引發(fā)等[3],能夠有效促進不同作物種子的萌發(fā)[4],顯著提高出苗率,從而減少用種量,降低用種成本[5]。同時,種子經過引發(fā)后,其幼苗生長更快、封行更早,可有效減少田間空窗期[6],有利于抑制雜草生長。在前人研究的基礎上,本試驗選擇木醋液、褪黑素、硫酸亞鐵等3種物質作為引發(fā)劑,進行種子引發(fā),比較旱直播下3種引發(fā)物質在促進種子萌發(fā)和幼苗生長方面的效果,為節(jié)水抗旱稻旱直播栽培技術體系的完善提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料:秈型雜交節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)73’,該品種的種子由上海天谷生物科技股份有限公司提供。

供試引發(fā)劑:木醋液由湖北楚天生物質能源科技開發(fā)有限公司提供;褪黑素由上海源葉生物科技有限公司生產;硫酸亞鐵(FeSO4)由國藥集團化學試劑有限公司生產。

1.2 試驗設計

1.2.1 PEG濃度梯度及種子萌發(fā)方法

利用PEG6000(國藥集團化學試劑有限公司生產)模擬干旱脅迫,篩選模擬種子萌發(fā)過程中,干旱脅迫處理效果較好的PEG濃度。水培盒(24 cm×17 cm×8.5 cm)內設置PEG濃度梯度為0%、5%、10%、15%、20%和25%。將干種子播在具有獨立播種區(qū)域(播種區(qū)域相互獨立,互不影響)的帶孔浮板上,浮板兩邊采用泡沫板夾住,使浮板漂浮在溶液表面。每個區(qū)域播種40粒。水培盒完全隨機排列在光照培養(yǎng)箱內,培養(yǎng)箱設置為白天(12 h)30℃,黑暗(12 h)25℃,光照強度30 000 lx,生長箱的相對濕度保持在60%左右。

1.2.2 種子引發(fā)處理

挑選飽滿、大小基本一致的‘旱優(yōu)73’種子,使用1%次氯酸鈉溶液浸泡15 min進行消毒處理,然后用蒸餾水沖洗3遍,用吸水紙吸去種子表面的水分。將消毒后的種子裝入尼龍網袋后,分別浸入蒸餾水(水引發(fā))、木醋液(1%、2%、4%)、褪黑素(25μmol∕L、50μmol∕L、100μmol∕L)、硫酸亞鐵(2 mmol∕L、4 mmol∕L、6 mmol∕L)溶液中,種子質量與溶液體積的比率為1∶5[7]。在25℃黑暗中引發(fā)24 h。將浸泡完成的種子用蒸餾水沖洗2 min,用吸水紙吸干種子表面水分,轉移到25℃烘箱中進行干燥,待種子質量降低到與處理前質量一致后取出,完成引發(fā)處理。

1.3 測定指標

1.3.1 發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數和平均發(fā)芽時間

以正常水分條件下未引發(fā)的干種子為對照1(CK1),以干旱脅迫處理下未引發(fā)的干種子為對照2(CK2),調查不同處理的發(fā)芽勢和發(fā)芽率等指標。水稻種子萌發(fā)根據AOSA(1990)[8]的標準判斷。發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數和平均發(fā)芽時間的計算公式如下:

發(fā)芽勢=播種后第3天發(fā)芽數∕供試種子數×100%。

發(fā)芽率=播種后第7天發(fā)芽數∕供試種子數×100%。

發(fā)芽指數=∑(Gt∕Dt),Gt為第t天的發(fā)芽種子粒數,Dt為相應的發(fā)芽天數;

平均發(fā)芽時間(d)=Σ(Ti×Ni)∕ΣNi,其中Ni是在時間Ti內新發(fā)芽的種子數[9]。

1.3.2 幼苗生長相關指標和幼苗活力指數

播種后第11天,每個重復取有代表性的幼苗10株,測定芽長、根長后,將根和芽分開,放入105℃烘箱內殺青30 min,然后75℃烘至恒重,分別稱量芽干重、根干重,計算根芽比。幼苗活力指數和根芽比的計算公式如下:

幼苗活力指數Ⅰ=發(fā)芽率×(芽長+根長)[10];

幼苗活力指數Ⅱ=發(fā)芽率×(芽干重+根干重)[10];

根芽比=根干重∕芽干重。

1.4 數據分析

采用Excel 2021和Statistix 9.1軟件進行數據整理和方差分析,采用R語言ggplot2作圖。各處理間差異顯著性分析基于0.05水平的最小顯著性差異(LSD)。

2 結果與分析

2.1 PEG濃度的篩選

PEG處理不同程度抑制了‘旱優(yōu)73’種子的萌發(fā)和幼苗生長。由圖1可知,5%和10%PEG處理對‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽率的影響較小,最終發(fā)芽率為95%—97%。當PEG濃度為15%時,發(fā)芽率顯著降低;當PEG濃度為25%時,播后第8天的發(fā)芽率為40.3%。

圖1 不同濃度PEG溶液對‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of PEG solution on seed germination of‘Hanyou 73’

與0%PEG處理相比,15%PEG處理的‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽勢降低了80.6%,發(fā)芽率降低了13.5%,發(fā)芽指數降低了49.9%,芽干重降低了51.8%,根干重降低了42.9%,幼苗活力指數Ⅰ降低了54.1%,且均達到顯著水平(表1)?？梢?當PEG濃度達到15%時,‘旱優(yōu)73’種子受到一定程度的脅迫,種子的萌發(fā)和幼苗生長均受到了抑制。但與20%、25%PEG處理相比,15%PEG處理的‘旱優(yōu)73’具有較高的芽長、根長及干物質積累。因此,為了更好地觀察引發(fā)處理對于干旱脅迫的作用機制,選擇15%PEG模擬干旱脅迫。

表1 不同濃度PEG溶液對‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)和幼苗生長的影響Table 1 Effects of different concentrations of PEG solution on seed germination and seedling growth of‘Hanyou 73’

2.2 不同引發(fā)劑對干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)的影響

由表2可知,與正常水分相比,干旱處理降低了‘旱優(yōu)73’種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數;而種子引發(fā)處理則有效降低了干旱脅迫的抑制作用,促進了種子萌發(fā)。在不同濃度木醋液處理中,以2%木醋液引發(fā)效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗活力指數Ⅰ分別提高了24.8%和17.7%,幼苗活力指數Ⅱ分別提高了37.7%和25.9%,且與其他2個濃度木醋液處理差異顯著。在不同濃度褪黑素處理中,以50μmol∕L褪黑素處理最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽勢分別提高了156.3%和93.8%,發(fā)芽指數分別提高了23.8%和23.8%,幼苗活力指數Ⅰ分別提高了26.7%和19.4%,且與25μmol∕L褪黑素處理差異顯著。在不同濃度硫酸亞鐵處理中,以4 mmol∕L硫酸亞鐵處理效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’種子發(fā)芽勢分別提高了194.7%和122.9%,發(fā)芽率分別提高了8.3%和5.4%,平均發(fā)芽時間分別縮短16.7%和14.6%?？梢?3種引發(fā)劑在適宜濃度下均可顯著促進干旱脅迫下節(jié)水抗旱稻種子的萌發(fā)并提高幼苗活力。

表2 不同引發(fā)劑對干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’種子萌發(fā)指標的影響Table 2 Effects of different priming agents on seed germination indexes of‘Hanyou 73’under drought stress

2.3 不同引發(fā)劑對干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’幼苗生長的影響

由表3可知,與正常水分相比,干旱脅迫顯著抑制了未引發(fā)處理‘旱優(yōu)73’幼苗的生長,芽長降低了32.6%,根長降低了54.6%,總干重降低了40.1%。種子引發(fā)處理可以有效減輕干旱脅迫的抑制作用。在不同濃度木醋液處理中,2%木醋液處理效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗根長分別增加了31.7%、20.6%,芽干重分別增加了41.4%、33.5%,根干重分別增加了22.2%、13.6%,總干重分別增加了32.7%、24.5%,且與其他2個濃度木醋液處理差異顯著。在不同濃度褪黑素處理中,以50μmol∕L褪黑素處理最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗芽長均增加了13.0%,根長分別增加了27.5%、16.8%。在不同濃度硫酸亞鐵處理中,4 mmol∕L硫酸亞鐵處理效果最佳。與CK2和水引發(fā)相比,該處理的‘旱優(yōu)73’幼苗芽長均增加了22.7%,芽干重分別增加了50.6%、42.3%,總干重分別增加了37.1%、28.6%?？梢?3種引發(fā)劑適宜濃度處理均能有效促進干旱脅迫下節(jié)水抗旱稻幼苗生長。其中,以硫酸亞鐵處理對提高芽長與芽干重影響更大一些,以2%木醋液對提高根長與根干重作用更大一些。從根芽比來看,不同濃度木醋液的作用均較顯著。

表3 不同引發(fā)劑對干旱脅迫下‘旱優(yōu)73’幼苗生長的影響Table 3 Effects of different priming agents on seedling growth of‘Hanyou 73’under drought stress

3 討論與結論

本研究表明,3種不同物質引發(fā)處理均能不同程度地提高節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)73’種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數和活力指數,縮短平均萌發(fā)時間,有效促進干旱脅迫下幼苗生長。木醋液是由秸稈、稻草和樹木等生物質材料制備生物炭過程中產生的副產物,是一種具有多種生物學功能的植物生長調節(jié)類物質[11-12],含有154種以上的有機物[13],主要為有機酸、酚類、酯類、醛酮類,這些物質在適宜濃度下可協(xié)同作用,促進植物生長發(fā)育并提高其抗逆性。本研究發(fā)現(xiàn),木醋液引發(fā)顯著促進了節(jié)水抗旱稻種子萌發(fā)生長,并增強幼苗活力。木醋液促進萌發(fā)的具體物質及作用機制尚不夠清楚明了,但已有研究表明,木醋液中含有的丁烯酸內酯是其促進干旱下種子萌發(fā)出苗與幼苗生長的有效物質之一[14-15]。此外,2%木醋液引發(fā)明顯增加根長,這與Wang等[16]的研究結果一致,即木醋液可以有效促進干旱脅迫下小麥幼苗生長,特別對根系生長具有較強的促進作用。這可能是因為木醋液促進了茉莉酸和水楊酸的生物合成,并通過信號轉導與ABA調控下游相關抗旱基因的表達。由于木醋液具有顯著促進根系干物質積累的作用,因此筆者推測在幼苗后續(xù)生長中對提高水稻抗旱性有更大的作用。同時,由于木醋液含有上百種以上有效物質,其促進生長與抗逆的綜合作用還有更大的潛在可能。褪黑素是一種吲哚胺類的新型植物激素,參與多種生理過程,包括調控種子萌發(fā)、調節(jié)植物生長發(fā)育、參與植物非生物和生物脅迫應答等[17],是有效的活性氧清除劑和抗氧化劑。許多研究表明,外源施用褪黑素能夠增強植物的抗逆能力[18-20]。Khan等[21]研究指出,干旱脅迫下,褪黑素引發(fā)處理可以提高油菜種子萌發(fā)及幼苗建成,增強抗氧化酶活性,提高非酶促抗氧化物質與滲透調節(jié)類物質含量,從而緩解干旱脅迫對油菜幼苗的抑制。此外,研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下褪黑素下調ABA合成基因NCED3,降低植物體內ABA含量,同時上調細胞色素P450單氧化酶基因CYP707A1、CY-P707A2的表達,從而增強植株對干旱脅迫的抗性[20]。

鐵元素是植物生長發(fā)育所必需的微量元素,其對植物葉綠素合成、電子傳遞鏈構建都是不可或缺。鐵是參與線粒體電子傳遞鏈上所有酶的重要輔因子,在促進能量貨幣ATP生成和種子發(fā)芽等方面起著重要作用。Dey等[22]研究指出,硫酸亞鐵處理增加了α-淀粉酶和蛋白酶的活性,并且上調了水通道蛋白表達,從而促進水稻種子的萌發(fā)生長。劉艾等[23]研究發(fā)現(xiàn),適當濃度的硫酸亞鐵處理可以促進木豆種子萌發(fā)。這與本研究結果基本一致,硫酸亞鐵引發(fā)處理可以有效提高種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢,這可能歸因于引發(fā)處理提高了幼苗內的淀粉酶活性,促進淀粉降解,加速稻種內部糖代謝進程,進而提高可溶性糖含量,促進節(jié)水抗旱稻種子萌發(fā)和幼苗生長。

綜上所述,木醋液、褪黑素和硫酸亞鐵引發(fā)均能提高節(jié)水抗旱稻干旱脅迫下的種子活力、出苗率與幼苗素質,以2%木醋液、50μmol∕L褪黑素、4 mmol∕L硫酸亞鐵引發(fā)處理效果較好。其中,2%木醋液處理可有效增加‘旱優(yōu)73’種子的根長,促進根系生長;4 mmol∕L硫酸亞鐵可提高‘旱優(yōu)73’種子的萌發(fā)率與幼苗生物量。