PEG-6000模拟干旱对春小麦种子萌发的影响

(北方民族大学生物科学与工程学院国家民委生态系统模型及应用重点实验室， 宁夏 银川 750021)

干旱是限制农业发展的重要环境因子，严重威胁着农作物产量和农村经济发展，据不完全统计，全球每年因旱灾造成的作物减产超过其他非生物胁迫因子的总和，尤其是近年来，旱灾发生的频率越来越高，直接威胁到人类的粮食安全[1]。我国西北地区深处内陆腹地，属于干旱和半干旱地区，旱灾对该地区农业和区域生态环境影响巨大，春小麦作为该区最重要的粮食作物，同时也是该区粮食作物中种植面积最大的作物之一，干旱是影响其产量进一步提高的主要因素之一[2]。种子萌发阶段作为植物生长周期中对外界环境最敏感的时期，极易受到环境因子的影响[3]。在种子萌发时，干旱胁迫引起的渗透效应，从而造成种子吸胀吸水困难，影响种子内贮藏物质的转化和利用，从而引起一系列生理生化活动，最终影响种子正常发芽[4]。

关于干旱胁迫对冬小麦的萌发或幼苗的影响已有较多研究[5-8]，但对于春小麦种子的研究鲜见报道，为了解干旱胁迫对春小麦种子萌发的影响，本研究采用不同浓度的PEG-6000处理模拟干旱胁迫条件，测定形态指标和生理指标，采用隶属函数法比较2个春小麦品种的抗旱性，从而为我国西北地区春小麦种植提供理论依据和技术指导。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试春小麦种子为宁春50号和宁春4号，由宁夏农科院提供。

1.2 试验方法

取饱满、色泽和大小基本一致的春小麦种子适量，将种子用10%的次氯酸钠溶液浸泡20 min后用无菌水冲洗7～8次，用滤纸吸干种子表面水分。将PEG-6000用蒸馏水配置成0(ck)，50，100，150，200 g·L-1的溶液，将30粒种子整齐置于直径120 mm的垫有2层滤纸的培养皿中，每个处理加入10 mL不同浓度的PEG-6000溶液，均设置3个重复。在室内智能人工气候箱(BIC-800)中进行萌发实验，光照12 h/黑暗12 h，温度25 ℃。

1.3 萌发测定指标及生长测定指标

试验过程中，每隔24 h观察记录种子萌发情况，以胚根伸出种皮2 mm为萌发标准，记录种子萌发个数，统计萌发率。7 d后结束萌发，从各个重复中随机选出10株幼苗，用直尺测量胚芽、胚根长度，用电子分析天平测量胚芽、胚根干重、种子残留干重，测干重前先105 ℃烘2 h杀青，后80 ℃烘24 h至恒重。按以下公式进行各指标的计算[8]：

发芽率(%)=(萌发种子数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(第3天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑Gt/t，式中：Gt为发芽的种子数，t为相应的萌发天数；

根冠比=根干重/芽干重；

干物质转移量=发芽前种子干重-发芽后种子残留干重；

干物质转移率(%)=(干物质转移量/发芽前种子干重)×100%；

比根重=根长/根干重。

可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250法[9]；脯氨酸(Pro)含量测定采用南京建成生物工程研究所的脯氨酸测试盒；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑光还原法[10]；过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚显色法[11]；过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收比色法[12]；抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性测定参考孙云等[13]方法。

1.4 抗旱性综合评价

以供试材料的不同指标抗旱系数为依据，应用隶属函数法对宁春50号和宁春4号抗旱性进行综合评价。在抗旱性评价中，作物各品种的实际抗旱能力以抗旱隶属值来表示，若某一指标与抗旱性为正相关，采用(1)计算，若为负相关，则采用(2)计算抗旱隶属值[14]。

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，X为作物各品种的某一指标测定值，Xmin所试品种中某一指标测定值的最小值，Xmax为该指标中最大值。最后将各个指标抗旱隶属值累加求平均值，平均值越大则抗旱性越强，根据各品种平均隶属值来比较其抗旱性强弱。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件和GraphPad Prism 5.0软件进行数据处理、统计分析与作图，用SPSS 20.0软件进行相关性分析，图中参数的数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG-6000对春小麦种子发芽率、发芽势和发芽指数的影响

由图1可知，与ck处理相比，50～150 g·L-1浓度PEG-6000处理的宁春50号和宁春4号的发芽率和发芽势无显著差异，200 g·L-1的PEG-6000处理宁春50号和宁春4号的发芽率和发芽势均显著低于ck处理(p<0.05)。与ck处理相比，不同浓度的PEG-6000处理的宁春50号和宁春4号的发芽指数均显著下降(p<0.05)，并且随着浓度的增加变化更为明显。整体来看，宁春4号的3个指标比宁春50号略低，说明宁春4号较宁春50号对PEG-6000胁迫更敏感。

表1 不同浓度PEG-6000对春小麦生长指标的影响

品种PEG-6000/(g·L-1)芽长/cm根长/cm总鲜重/mg总干重/mg芽干重/mg根干重/mg根冠比比根重012.62±0.40a12.96±1.27a191.60±20.86a41.23±5.08c13.76±2.39a9.62±1.66c0.72±0.20d1.38±0.23a5011.98±0.23b12.91±1.18a154.87±9.00b47.64±4.19b13.48±1.99a11.77±1.51a0.89±0.15d1.11±0.16b宁春50号1007.62±0.53c10.53±1.28b129.93±11.93c50.21±4.33b9.22±0.97b11.31±1.59ab1.23±0.19c0.94±0.14c1503.92±0.32d6.84±0.85c105.97±13.38d56.49±7.49a6.59±0.62c10.24±2.91bc1.57±0.49b0.71±0.17d2002.09±0.25e5.30±0.76d89.04±13.22e59.49±5.76a4.06±0.64d9.47±2.34c2.36±0.58a0.58±o.58e011.90±0.58a10.45±1.37a190.30±18.78a42.50±6.56c10.52±1.77a7.92±1.28a0.74±0.12c1.34±0.20a5010.02±0.60b10.75±1.32a160.86±11.01b48.10±4.27b9.64±1.42b8.19±1.66a0.86±0.17c1.30±0.19a宁春4号1004.24±0.36c7.14±0.99b118.40±12.74c51.92±4.53a6.12±0.62c7.37±1.28a1.21±0.20b0.99±0.20b1503.00±0.68d5.32±0.81c102.74±9.53d53.26±5.35a4.93±1.02d6.11±0.90bc1.27±0.21b0.89±0.18bc2001.20±0.37e3.56±0.60d95.78±3.33d55.62±3.64a1.74±0.22e4.91±0.90c2.85±0.56a0.73±0.10c

注：图中不同字母表示处理间差异达显著水平(p<0.05)。下同。图1 不同浓度PEG-6000对春小麦种子发芽率、发芽势和发芽指数的影响

2.2 不同浓度PEG-6000对春小麦种子干物质转移的影响

在本研究中，随着PEG-6000浓度的增加，春小麦种子残留干重逐渐增大，干物质转移量和干物质转移率逐渐减小，并且随着浓度的增加，抑制程度逐渐增加(图2)。同浓度处理条件下宁春4号的种子残留干重高于宁春50号，而干物质转移量及干物质转移率则相反，说明宁春4号较宁春50号对PEG-6000胁迫更敏感。

2.3 不同浓度PEG-6000对春小麦生长指标的影响

由表1可知，与ck相比，对于宁春50号的根长和芽干重来说，50 g·L-1的PEG-6000处理均与ck处理差异不显著；对于根干重来说，50 g·L-1和100 g·L-1浓度PEG-6000处理显著增加根干重(p<0.05)，150 g·L-1浓度PEG-6000处理增加不显著，200 g·L-1浓度PEG-6000处理减少根干重，但是差异不显著。对宁春4号的根长和根干重来说，50 g·L-1浓度PEG-6000处理增加根长和根干重，但是差异不显著，当PEG-6000浓度超过100 g·L-1时开始抑制根长和根干重的增加。

2.4 不同浓度PEG-6000对春小麦渗透调节物质和抗氧化物酶活性的影响

由图3可知，不同浓度的PEG-6000处理均能提高春小麦可溶性蛋白和脯氨酸含量，宁春50号可溶性蛋白和脯氨酸含量逐渐升高，宁春4号可溶性蛋白和脯氨酸含量先升高后下降，且同浓度处理下宁春50号脯氨酸含量均高于宁春4号。

由图4可知，随着PEG-6000浓度的增加宁春50号的SOD、CAT、APX活性不断升高，200 g·L-1浓度PEG-6000处理的POD活性低于150 g·L-1处理，显著高于ck处理；不同浓度PEG-6000处理均能提高宁春4号的SOD、POD、CAT、APX活性，随着PEG-6000浓度的增加，宁春4号SOD、POD、CAT、APX活性先升高后下降，且均高于ck处理。同浓度处理下宁春50号抗氧化物酶活性基本高于宁春4号，说明同等干旱胁迫条件下宁春4号更敏感。

图2 不同浓度PEG-6000对春小麦种子干物质转移的影响

图3 不同浓度PEG-6000对春小麦可溶性蛋白、脯氨酸含量的影响

图4 不同浓度PEG-6000对春小麦抗氧化物酶活性的影响

2.5 春小麦种子萌发期抗旱性综合评价

为进一步比较宁春50号和宁春4号抗旱性强弱，将各个指标进行相关性分析，结果表明：萌发指标之间呈显著正相关，在干物质转移指标中，除根干重外其余指标均呈显著正相关，在生理指标中，除CAT活性外，其余生理指标均呈显著正相关。采用隶属函数法对17个指标进行隶属函数值计算，得出宁春50号和宁春4号的隶属函数总平均值，对二者萌发期抗旱性进行综合评价。由表3可知，宁春50号春小麦种子萌发期的综合抗旱性强于宁春4号。

表2 各指标的相关性分析

指标123456789101112131415161711.00020.969**1.00030.754*0.686*1.00040.648*0.5720.940**1.00050.6320.5390.920**0.988**1.00060.687*0.6110.883**0.965**0.965**1.00070.5700.4560.937**0.954**0.960**0.874**1.00080.707*0.637*0.893**0.972**0.964**0.987**0.880**1.00090.5160.5750.4610.5350.4970.660*0.2870.650*1.00010-0.642*-0.581-0.921**-0.993**-0.971**-0.971**-0.917**-0.980**-0.6201.00011-0.564-0.425-0.884**-0.921**-0.921**-0.839**-0.973**-0.848**-0.1950.876**1.00012-0.416-0.240-0.767**-0.810**-0.846**-0.752*-0.906**-0.740*-0.0390.746*0.941**1.00013-0.448-0.352-0.844**-0.902**-0.938**-0.836**-0.950**-0.843**-0.2440.861**0.895**0.881**1.00014-0.221-0.064-0.672*-0.673*-0.715*-0.531-0.856**-0.5360.2180.5940.860**0.894**0.850**1.00015-0.215-0.093-0.561-0.715*-0.777**-0.645*-0.793**-0.649*-0.0030.664*0.795**0.797**0.874**0.839**1.000160.2740.397-0.260-0.412-0.430-0.257-0.528-0.2960.1910.3830.5530.5640.5510.720*0.698*1.00017-0.175-0.018-0.477-0.619-0.682*-0.525-0.720*-0.5540.0670.5680.751*0.747*0.758*0.825**0.929**0.810**1.000

注：1～17分别为发芽率、发芽势、发芽指数、干物质转移量、芽长、根长、总鲜重、芽干重、根干重、种子残留干重、总干重、可溶性蛋白含量、Pro含量、SOD活性、POD活性、CAT活性、APX活性。下同。

表3 春小麦种子萌发期抗旱性各指标隶属函数值及综合评价值

品种隶属函数值1234567891011121314151617平均隶属值排序宁春50号0.870.950.600.560.560.650.440.640.810.600.460.480.590.690.520.560.550.621宁春4号0.780.800.510.390.430.410.430.400.290.360.500.320.560.440.370.490.420.462

3 讨论与结论

发芽率、发芽势、发芽指数是种子活力的常用评价指标，可以反映出种子的萌发能力。本研究中，中低浓度的PEG-6000处理不影响春小麦种子发芽率、发芽势，但对发芽指数具有显著影响，说明轻中度干旱胁迫没有影响春小麦种子的发芽率，只是延缓了种子萌发。

植物从种子转化到幼苗的过程中所需的物质及能量是由种子中贮藏的有机物提供，因此在种子萌发过程中干物质转移量和干物质转移率能体现出植物种苗转化状况[15]。本研究中不同浓度的PEG-6000处理的春小麦的干物质转移量、转移率均随着浓度的增加而明显的下降，其中宁春4号受到的影响高于宁春50号，这与施成晓等[8]的研究结果一致，说明干旱胁迫会破坏种子萌发时的吸胀吸水，从而影响春小麦萌发期种子干物质的转移。不同浓度PEG-6000处理下，2个品种春小麦的根干重呈先上升后下降趋势，中低浓度的PEG-6000处理可以提高宁春50号根干重，而宁春4号只有低浓度处理可以提高根干重，这可能是由于干旱条件下，春小麦早期幼苗为了增强从环境吸水的能力，根长变化不大，但是侧根的数量会增加，这与马富举[15]和唐玉婧[16]的研究结果一致。

本研究中，随着PEG-6000浓度的增加，宁春50号的可溶性蛋白和脯氨酸含量逐渐升高，宁春4号的可溶性蛋白和脯氨酸含量先升高后下降，说明适宜浓度的PEG-6000处理可以增加可溶性蛋白与脯氨酸含量，从而减轻干旱胁迫对植物的伤害作用，当PEG-6000浓度较高时，植物受到干旱胁迫的伤害较大，可溶性蛋白与脯氨酸含量下降，这与韩忠明等[17]的研究结果一致。SOD、POD、CAT和APX是细胞内清除活性氧的主要保护酶，整个保护酶系统防御能力的变化取决于这几种酶的彼此协调的综合结果[18]。本研究中不同浓度PEG-6000处理均可提高春小麦SOD、POD、CAT和APX活性，其中宁春4号的这几种酶活变化较宁春50号更为明显，说明宁春4号对干旱胁迫较为敏感。

综上所述，参考宁春50号与宁春4号在不同浓度PEG-6000胁迫下的形态指标和生理指标变化，以及结合隶属函数法对两者进行抗旱性比较，可知在种子萌发期宁春50号的抗旱性高于宁春4号。