四种有机活性物质对黄瓜种子萌发的影响

李应心 柳夏艳 孔令宇 曹浩轩 吕贻忠

中国农业大学资源与环境学院 北京 100193

黄瓜在我国已经栽培了几千年，占我国蔬菜总栽培面积10%左右[1]。蔬菜种子萌发是比较复杂的物质代谢过程，活性有机物质可调节种子萌发。我国的畜禽养殖行业规模快速增大，产生较多的畜禽粪便，如果这些畜禽粪便得不到很好的处理，将严重污染环境，威胁人类健康[2]。但畜禽粪便也是一种肥料来源，含有丰富的N、P、K等植物所需的营养元素[3]，将畜禽粪便堆肥发酵制成有机肥，已经成为一种资源化绿色处理方式。水溶性有机物质（DOM）被普遍认为是堆肥中最活跃的有机组分[4，5]。有研究表明，黄瓜种子的发芽率在不同水浸提比的堆肥DOM处理下均大于80%，随着水浸提比的增加，黄瓜种子在猪粪DOM中的相对根长呈上升趋势[6]。DOM对种子发芽实验的探究不仅能检测堆肥腐熟程度，也能探讨种子生长最有益的浓度。吲哚乙酸（IAA）是调节植物生长的一种重要激素。IAA与作物根系生长有着密切联系[7]。有研究指出，IAA浸泡黄瓜种子，黄瓜幼苗根系各指标数据均高于CK[8]。堆肥中含有较高浓度的黄腐酸。有研究表明，在苗期冲施0.8 kg/667 m2矿物源黄腐酸钾对黄瓜幼苗株高生长作用最为显著[9]；施用黄腐酸液体配方肥可显著提高大棚黄瓜产量[10]。从秸秆、畜禽粪便中提取的黄腐酸可使废物得到安全利用，在堆肥中提取黄腐酸将成为一种绿色可持续发展途径。壳聚糖是自然界仅次于纤维素的第二大有机资源，也是仅次于蛋白质的第二大氮源[11]。有研究指出，在高温胁迫下，外源壳聚糖能促进黄瓜幼苗的生长，提高植株壮苗指数，提高幼苗抗逆性，减轻高温对植株的伤害[12]。壳聚糖在食品、医药、工业等领域得到广泛应用[13]。近年来，人们发现其在农业领域也具有很广阔的应用前景。大量研究证明，壳聚糖作为植物生长调节剂可调节植物生长发育、增强作物抗性、提高作物产量和改善农产品品质；对农产品贮存保鲜也具有明显的效果[14～16]。本试验探讨了DOM、IAA、黄腐酸、壳聚糖浸种对黄瓜种子发芽初期的影响，为黄瓜高产、优质栽培特别是壮苗的培育提供相应理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试试剂

吲哚乙酸购于上海麦克林生化科技有限公司，纯度为98%；水溶性壳聚糖购于青岛博智汇力生物科技有限公司，纯度＞90%。

1.1.2 供试DOM

DOM是从堆肥中提取出来的水溶性有机物质。堆肥的制备是牛粪∶鸡粪∶蘑菇渣=6∶5∶5进行一次发酵，采用好氧槽式堆肥模式。收集一次发酵30天左右的堆肥样品进行二次发酵，二次发酵过程采用100 L小型发酵装置模拟实际生产中静置通气陈化模式，设置周期为15天，获得二次堆肥样品。按水肥比10∶1，于200 rpm的振荡机上振荡2 h，4000 rpm的高速离心机上低温离心20 min，上清液过0.45 μm滤膜，得到供试DOM。

1.1.3 供试黄腐酸

采用焦磷酸钠法从堆肥中提取黄腐酸。

1.1.4 供试黄瓜

京研益农种业科技有限公司研发的黄瓜品种“京研夏美2号”。

1.2 试验方法

将黄瓜种子用自来水漂洗，75%酒精消毒5 s，无菌水洗涤5次。随机挑选饱满、大小相似的种子。每个培养皿上放置8粒种子，设置3次重复。采用纸上发芽床法，将2层滤纸置于洗净、烘干的培养皿上，使用下述有机活性物质溶液将滤纸湿润至饱和，将种子置于实验室气候箱中培养，温度25 ℃，光照12 h，白炽灯为光源，光强8000 lx，相对湿度60%。

DOM与蒸馏水按一定比例配比，设置浓度梯度为1%、5%、10%、20%、50%，以下称为DOM1、DOM2、DOM3、DOM4、DOM5。

IAA与蒸馏水按一定比例配比，在超声波中搅拌溶解，设置浓度梯度为0.1、1.0、10、100、1000 mg/L，以下称为IAA1、IAA2、IAA3、IAA4、IAA5。

黄腐酸与蒸馏水按一定比例配比，设置浓度梯度为0.1、1.0、10、100、1000 mg/L，以下称为黄腐酸1、黄腐酸2、黄腐酸3、黄腐酸4、黄腐酸5。

水溶性壳聚糖与蒸馏水按一定比例配比，用NaHCO3调pH至5.5～7.0，设置浓度梯度为1000、2000、3000、4000、5000 mg/L，以下称为壳聚糖1、壳聚糖2、壳聚糖3、壳聚糖4、壳聚糖5。

用蒸馏水做空白对照（CK）。

浸种12 h，置于培养皿上，每2天用10 mL相应处理的溶液湿润。

1.3 测定项目与方法

2天计算其发芽势，7天计算其发芽率；每2天计算其根长与根毛数，共8天，分析数据。

发芽势（%）=（第2天处理的发芽种子数）/（第2天处理的总种子数）×100。

发芽率（GR，%）=（第7天处理的发芽种子数）/（第7天处理的总种子数）×100。

发芽指数（GI）=∑Gt/Dt，其中Gt指浸种后t日的发芽数，Dt指相应的发芽日数。

活力指数（VI）=S×GI，其中S为发芽t时间时胚根及胚轴的总长度，GI表示发芽指数。

用卷尺测量黄瓜种子发芽期间的根长。根系扫描仪扫描黄瓜根系，肉眼数根毛数。

实验数据处理采用SPSS软件进行统计分析，使用Microsoft Office Excel 2010及Origin 8.0软件进行数据处理和图表制作。

2 结果与讨论

2.1 有机活性物质对黄瓜种子发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数的影响

由表1可以看出，DOM5时的发芽势与CK及其他浓度处理有显著性差异，发芽率与CK无明显差异，说明在此浓度下的DOM溶液抑制了初期黄瓜种子发芽；IAA5浓度下的种子发芽势为0，但第7天的发芽率为87.5%（比其他浓度IAA均低，且差异显著），说明高浓度的IAA抑制种子的发芽，低浓度的IAA促进种子发芽；有文献证明黄腐酸能有效地促进种子内酶的活性，加速发芽过程中的生化反应[17]，在黄腐酸2、3、4浓度下的发芽势高于CK，虽然差异不显著，但有增加趋势，这验证了一定浓度的黄腐酸能促进种子的萌发；在壳聚糖1、2、3浓度下发芽势高于CK（差异不显著），有文献证明壳聚糖能有效地促进种子内酶的活性，加速发芽过程中的生化反应，可作为一种新的引发剂激发种子活力[18～22]。发芽指数和活力指数都是对种子活力的反映，活力指数是种子发芽速率和生长量的综合指标，是种子活力的更好指标。活力指数越高，种子活性越大，本文以活力指数为判断种子活力的有利依据：DOM4种子活性最高，远超过CK，DOM3和DOM4与CK及其他处理间有显著性差异；IAA和壳聚糖的种子活性均低于CK，且随浓度的升高而降低；黄腐酸处理下黄腐酸2活力指数达到最高，黄腐酸2和3处理下的种子活力指数高于CK。

表1 黄瓜种子发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数Tab.1 Germination rate, germination potential, germination index and vigor index of cucumber seeds

2.2 有机活性物质对黄瓜种子根长的影响

由图1～图4可以看出，所有处理中根长随发芽实验时间的推移逐渐升高。DOM处理时在发芽初期与CK无显著性差异，第8天DOM4浓度下根长与CK有明显差异，增长35.9%，证明适量DOM能促进根的伸长；IAA抑制黄瓜根长的生长，浓度越高对黄瓜种子根长的抑制效果越明显，甚至导致黄瓜种子死亡，IAA1水平下与CK无显著性差异，其他高浓度的IAA在第8天的根长要低于CK；第2天时CK根长要略高于黄腐酸处理的根长，在黄腐酸3下，第2天根长比CK低35.2%，第8天根长比CK长6.1%，说明在根生长过程中适宜浓度黄腐酸可促进根的生长；壳聚糖处理下的根长普遍低于CK，随着壳聚糖浓度的增长，根长在第8天的增长率依次为65.7%、46.1%、24.4%、11.9%和0.02%，随着浓度的升高增长率逐渐降低，说明高浓度壳聚糖抑制了根的生长。

图1 DOM对黄瓜种子根长的影响Fig.1 Effects of DOM on root length of cucumber seeds

图4 壳聚糖对黄瓜种子根长的影响Fig.4 Effects of chitosan on root length of cucumber seeds

2.3 有机活性物质对黄瓜种子根毛数的影响

由图5～图8可以看出，各处理下根毛数随着发芽实验时间的推移逐渐升高。第8天时，DOM处理根毛数只有在浓度为10%时才高于CK，且增长率最快。高浓度的IAA抑制黄瓜根毛的生长，低浓度的IAA在根突破种皮时（第2天）促进黄瓜根毛的生长，在第2天时，IAA1和IAA2的根毛数与CK有显著性差异；第8天时可以看到IAA1～IAA3根毛数与CK无明显差异。在种子发芽第8天时，黄腐酸3根毛数最多，整个生长期间的根毛数增长率为768.2%，在发芽实验的生长周期内其他浓度的根毛数增长率依次为111.3%、188.4%、293.4%、204.3%，呈现先升高再降低的趋势。壳聚糖处理下的根毛数低于CK，随着浓度的增大根毛数逐渐减少。

图2 IAA对黄瓜种子根长的影响Fig.2 Effects of IAA on root length of cucumber seeds

图3 黄腐酸对黄瓜种子根长的影响Fig.3 Effects of fulvic acid on root length of cucumber seeds

图5 DOM对黄瓜种子根毛数的影响Fig.5 Effects of DOM on root hair number of cucumber seeds

图8 壳聚糖对黄瓜种子根毛数的影响Fig.8 Effects of chitosan on root hair number of cucumber seeds

图6 IAA对黄瓜种子根毛数的影响Fig.6 Effects of IAA on root hair number of cucumber seeds

图7 黄腐酸对黄瓜种子根毛数的影响Fig.7 Effects of fulvic acid on root hair number of cucumber seeds

3 结论与讨论

发芽实验是从生物学的角度来判断试剂是否对种子有毒害的标准之一，而种子发芽率是衡量毒性最直观简便的方式。通过4种有机活性物质对黄瓜种子的发芽实验来证明活性物质对黄瓜的促生作用，以便得出对黄瓜种子的萌发和幼苗的生长起积极作用的有机活性物质浓度。

在本试验中，用不同浓度的DOM、IAA、黄腐酸、壳聚糖溶液浸种处理黄瓜种子，DOM对黄瓜种子发芽势的影响随着DOM浓度的升高呈先增后降的趋势，其中DOM3（浓度为10%）对黄瓜的促生长作用最好，DOM4（浓度为20%）时活力指数最高，但DOM5（浓度为50%）时发芽势达到最低，活力指数下降明显，原因是DOM是直接从堆肥中提取出来，含有大量重金属元素等，对种子有一定的抑制作用。IAA高浓度时抑制种子萌发，低浓度时促进种子萌发，在种子突破种皮前高浓度的IAA对种子便有抑制作用，种子活力指数均低于CK。黄腐酸2、3、4时发芽势高于CK，说明黄腐酸2、3、4有利于种子的萌发，其中黄腐酸2浓度下活力指数最高。壳聚糖1、2、3时发芽势高于CK，说明壳聚糖1、2、3促进种子初期萌发；随浓度增大，发芽势随着壳聚糖浓度呈现下降的趋势。

综上，适宜浓度的DOM、IAA、黄腐酸、壳聚糖等均可促进黄瓜种子的萌发。DOM处理下，发芽前期根长与CK没有差异，第8天时DOM4浓度下根长与CK有显著性差异，较CK增长35.9%，证明DOM4是根系伸长的最适浓度。IAA抑制黄瓜种子根长生长；根生长过程中黄腐酸促进根长生长，尤其是黄腐酸3（浓度为10 mg/L）时最为明显，发芽结束时比CK高6.1%；壳聚糖处理下的根长均低于不施加壳聚糖的溶液，壳聚糖不能促进黄瓜根长增长，在5种浓度的壳聚糖处理下，随浓度的增加根长降低，原因需要进一步研究探讨。DOM处理中根毛数只有在浓度为10%时才高于CK；发芽初期低浓度的IAA促进黄瓜根毛数增多，而高浓度IAA时的根毛数极少；黄腐酸3（浓度为10 mg/L）在第8天时根毛数最多，增长最快，整个生长期间的根毛数增长率为768.2%，10 mg/L的黄腐酸能促进黄瓜根毛生长；壳聚糖处理下的根毛数普遍低于CK，壳聚糖不能促进黄瓜根毛数增加，在5种浓度的壳聚糖处理下，低浓度的壳聚糖比高浓度的根毛数要多。因此，本试验条件下，适宜浓度的DOM、IAA、黄腐酸能促进黄瓜根系生长，壳聚糖对黄瓜根系生长没有促进作用。