外源抗坏血酸对棉花种子萌发耐冷性的影响

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003)

低温是影响植物生长和分布的全球性自然灾害的因素之一[1]，也是限制冷敏感作物产量和品质及地域分布的最主要的逆境因子。棉花是世界性的经济作物，我国是世界最大的棉花生产国，其生产对我国的工农业发展具有重要的作用[2]。棉花属于锦葵科棉属植物，原产于热带和亚热带，喜温好光，对低温胁迫具有敏感性。而且低温冷害在棉花生长发育的各个阶段均有发生，轻则引起生育期延迟，产量下降，品质变差[3]，重则导致棉花绝收[4]。因此，提高棉花的耐冷性是保证棉花产业持续健康发展的重要手段。

种子萌发以及幼苗的生长是植物生活史的始点，也是植物适应外部环境的起点，更是植物生长发育最敏感的时期[5]，在此时期遭遇低温不仅会减缓棉花种子的萌发速度，还常导致棉花种子烂种、烂芽、甚至死苗[6]，对植株生长发育及产量品质形成造成严重影响。新疆是我国最大的棉花生产基地，但北疆棉区播种期常遭受低温冷害天气，如何提高种子萌发的耐冷能力是该区棉花生产中急需解决的问题。抗坏血酸(维生素C)，是一种在植物体内普遍存在的抗氧化物质，可以有效的去除植物体内活性氧自由基，提高植物抗逆性，在调节植物生长和生理功能方面起着重要作用。已有研究表明，外施抗坏血酸可提高植物对不良环境的适应能力[7]，外源抗坏血酸具有增强植物耐盐性、缓解衰老、缓解重金属及不适温度条件胁迫等作用[8]。在耐冷性上，抗坏血酸已被应用于番茄、小麦、西瓜等多种作物[7,9-10]，但棉花上未见相关研究报道。基于此，本研究以新疆北疆棉区主栽陆地棉品种新陆早61号为材料,通过研究外源抗坏血酸对低温胁迫下棉花种子萌发特性的影响，探索适宜的引发浓度、时间及处理组合，以期对探索克服低温冷害胁迫下影响棉花种子萌发的技术和棉花抗逆机理研究提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

本试验以新疆北疆棉区主栽早熟陆地棉品种新陆早61号为材料，棉花种子由新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室棉花育种室保存和提供。

1.2 方 法

1.2.1实验方法

引发处理：挑选饱满、未破损经硫酸脱绒的种子，用3%的次氯酸钠(NaClO)浸泡10 min消毒灭菌后，自来水冲洗3～5次洗去残留消毒液，后放置于经高温蒸汽灭菌后的锥形瓶中，以浓度为0，25，50，100，200 mg/L的抗坏血酸溶液，于15 ℃下分别引发3，6，12，24 h，各引发处理组合按照0 mg/L引发3 h、0 mg/L引发6 h、0 mg/L引发12 h、0 mg/L引发24 h、25 mg/L引发3 h……200 mg/L引发24 h编号为C 1、C 2、C 3、C 4、C 5……C 20。引发处理后的种子用蒸馏水冲洗干净，并用滤纸吸干表面水分后，于室温(25 ℃)下回干48 h至原含水量。以经3%次氯酸钠消毒10 min而未引发的种子为对照(ck)，每个处理设定3个重复，每个重复30个种子。

萌发试验：将回干后的种子转移到垫有2层滤纸的培养皿中(滤纸和培养皿均采用高温蒸汽灭菌法灭菌处理)，每个培养皿中加入3 mL蒸馏水浸湿滤纸。在15 ℃ RXZ型智能人工气候箱中进行种子萌发培养，昼夜交替15 h/9 h，光照度1 600～2 000 lx。连续发芽处理8 d，每天记录发芽种子的数量(萌发标准为胚根突破种皮长度达到种子长度的1/2)并依实际情况补加适量蒸馏水。

1.2.2指标测定

测定常用的种子萌发指标(发芽势、发芽率、种子萌发指数、发芽指数及平均发芽时间)来分析种子萌发特性。发芽指数=∑Gt/Dt(式中：Gt为不同时间(t,d)的发芽量，Dt为相应的发芽试验天数)，其它各指标的具体测定方法及定义参照李志博等[11]的方法。

1.3 数据统计分析

用SPSS 19软件对数据进行方差分析、标准误计算和Duncan多重比较；用SigmaPlot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同引发浓度对棉种萌发指标的影响

种子萌发是植物生长整个生命活动的起点，是植物生活史中最关键的阶段之一。低温胁迫在很大程度上影响着植物种子的萌发，由图1 A可知，低温胁迫下各萌发指标都下降到了一个极低的程度，但随着引发浓度的增大，发芽势、发芽率、种子萌发指数及发芽指数皆呈先升后降的趋势，而平均发芽时间则随浓度的增加大大缩短。相比于对照(ck)，在各项种子萌发指标上不同引发浓度与其均有显著性差异(p<0.05)。其中发芽势、发芽指数、种子萌发指数均为50 mg/L抗坏血酸溶液引发时结果最优，分别较ck提高了8.89%、5.13、0.23；而发芽率、平均发芽时间为200 mg/L抗坏血酸溶液引发时结果最优，分别较ck提高了15.00%、-0.97 d，但在50 mg/L抗坏血酸溶液引发时发芽率及平均发芽时间也分别较ck提高了14.72%、-0.91 d。徐建伟等研究表明，在低温逆境下，随着低温加重，各发芽指标受到影响最大依次为发芽势、发芽指数、种子萌发指数、发芽率和平均发芽速度[12]。也就是说，发芽势、发芽指数及种子萌发指数对低温胁迫的敏感性高于发芽率和平均发芽速度(平均发芽时间)，更适合作为棉花种子萌发耐冷性的快速鉴定和评价指标。由试验结果分析可知，最适的外源抗坏血酸引发浓度为50 mg/L。

2.2 不同引发时间对棉种萌发指标的影响

发芽率、发芽势、发芽指数、种子萌发指数及平均发芽时间是评价种子萌发的常用指标。它可以反映种子的活力、发芽的整齐度、幼苗的健壮及种子萌发速度的潜势。各种子萌发指标在不同引发时间下的变化趋势如图1 B所示。可以看出，随着引发时间的延长，发芽势、发芽率、种子萌发指数和发芽指数均呈上升趋势，而平均发芽时间则随引发时间的延长显著缩短。且当引发时间≥12 h时，各项种子萌发指标相比于ck均有显著性差异(p<0.05)。引发24 h结果最优，发芽势、发芽率、种子萌发指数及发芽指数较ck分别提高了15.56%、22.89%、0.37和8.22，平均发芽时间较ck缩短了1.16 d，各项指标较对照在0.05显著水平上均差异显著。

2.3 不同引发处理组合对棉种萌发指标的影响

种子引发是提高种子活力的有效途径[13]，且溶液引发作为目前常用的引发方法之一，确定不同引发剂的最佳引发浓度和引发时间是至关重要的。本试验不同引发浓度及时间的处理组合对种子萌发指标的影响如图2所示。可知，相比于ck，仅有C 12、C 16两个处理提高了低温下棉种的发芽势，分别提高了24.44%、15.56%，较ck差异达极显著水平(p<0.01)；处理C 8、C 12极显著提高了低温下棉种的发芽率和种子萌发指数，分别提高了26.66%、30.00%和0.41、0.53，较ck在0.01显著水平上差异极显著；C 8、C 12、C 16及C 20这4个处理均极显著(p<0.01)提高了棉种的发芽指数，其中处理C 12效果最好，较ck提高了11.89；处理C 3、C 4、C 7、C 8、C 10、C 11、C 12、C 15、C 16、C 17、C 19、C 20均缩短了低温下棉花种子平均发芽时间，相比于ck差异均达到极显著水平(p<0.01)，但处理C 12结果最优，较ck显著缩短平均发芽时间1.39 d。其余处理组合相比于ck皆无极显著差异。分析可知，C 8(25 mg/L引发24 h)、C 12(50 mg/L引发24 h)、C 16(100 mg/L引发24 h)这3个处理组合均能大幅度提高棉花种子萌发耐冷性，但以处理组合C 12提升幅度最大、效果最优。

注：不同字母表示不同处理间的差异显著(p<0.05，Duncan测验)。下同。图1 不同引发浓度及时间下各种子萌发指标变化

图2 不同引发处理组合下各种子萌发指标变化

3 讨 论

低温冷害是影响棉花生长发育的主要因素之一，在棉花生长发育的各个时期均有发生[3,14]。在低温胁迫条件下，棉花细胞内原有的自由基代谢平衡会遭到破坏，从而使自由基不断增加，光合作用受到抑制、渗透调节物质迅速积累及抗氧化酶活性下降，进而引起生理生化代谢功能紊乱，导致伤害发生[15]。抗坏血酸作为植物体内重要的抗氧化剂，在植物抗氧化胁迫中发挥着重要作用，近年来，关于抗坏血酸在提高植物逆境适应性方面的研究越来越多[8]。本研究初步探讨了抗坏血酸对棉花种子萌发耐冷性的影响，研究结果对探索克服低温冷害胁迫下影响棉花种子萌发的技术和进行棉花抗逆机理研究都具有重要的实践和理论意义，尤其对稳定新疆棉花的战略地位具有极为重要的作用。

种子引发可以促进种子萌发，提高种子发芽速率和整齐度，但种子引发效果与引发剂的类型、引发时间的长短、引发的方法和作物品种有很大关系[16]。因此，确定不同引发剂的最佳引发浓度和引发时间是至关重要的。本研究表明，浓度为50 mg/L的抗坏血酸溶液对提高棉花种子萌发耐冷性的效果最佳，且随着引发时间的延长，发芽势、发芽率、种子萌发指数及发芽指数均呈上升趋势，而平均发芽时间则随时间的延长显著缩短，最适宜引发时间为24 h。由不同浓度、时间引发处理组合对棉种萌发耐冷性影响的试验结果可知，以浓度为50 mg/L的抗坏血酸溶液对棉花种子引发24 h对提高棉花种子萌发耐冷性的效果最优，这与刘晓辉[7]在外源抗坏血酸提高西瓜幼苗耐冷性方面的研究结果一致。

但从实验结果中可以看出，在“有限”的24 h处理时间内，随着引发时间的延长试验数据未出现“上限拐点”，因此基于24 h以后的引发结果如何还需要从理论上设置更长的时间来进行研究，但是，在实验中发现，当棉花种子低温(15 ℃)下经抗坏血酸引发24 h后，已有少量种子的胚根突破种皮，因此考虑大田生产播种实际情况，24 h引发时间似乎为最佳的抗坏血酸引发时间。同时还发现，虽然100 mg/L和200 mg/L的耐冷性引发效果都低于最佳引发浓度50 mg/L的结果，但出现了200 mg/L的数据略微高于100 mg/L的“数据不稳”的现象，原因及机理需后续更深入的研究分析。此外，本试验仅研究了棉花的萌芽期，关于外源抗坏血酸是否能提高其它生长阶段的耐冷性以及最佳的浓度都需要进一步研究，且对提高其它棉花品种耐冷性的影响还有待进一步探究。