腐植酸对干旱胁迫下谷子萌发的影响

申洁，卫林颖，郭美俊，王玉国，原向阳，郭平毅

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

随着全球气候的不断变化，水资源紧缺问题日益突显。据统计，全球每年因干旱导致的粮食减产占减产总量的50%以上，干旱成为影响粮食作物产量的最主要非生物胁迫，因此，在现代植物科学研究工作中，提高作物的抗旱性已成为急需解决的关键问题之一[1,2]。在种子植物生活史中，种子萌发期是衡量植物抗旱性强弱的关键时期，直接影响作物的出苗、齐苗以及壮苗[3]。种子萌发期对水分最为敏感[4]，这一时期的干旱常使作物缺苗率达20%，严重时高达40%～50%，造成大面积减产，因此，作物萌发期的抗旱性研究越来越受到人们的重视。

谷子[Setariaitalica(L.)Beauv]具有抗旱耐贫瘠、适应性强等特性，生长发育过程中对水分的依赖程度远远低于小麦、玉米等作物，谷子种子萌发需水量为种子重量的26%，小麦玉米等作物需水量则达到43%以上，但谷子在萌发期对水分较为依赖，水分亏缺可致萌发受阻，从而使出苗率及幼苗成活率降低，严重影响谷子的产量[5]。因此，提高谷子萌发期的抗旱能力，是谷子大田生产中急需解决的关键问题。

浸种是提高种子抗旱能力的常用方法之一，应用植物激素、化学药剂等外源物质对种子做浸种处理，可提高种子的发芽率、发芽势等萌发指标，从而提高种子的抗旱能力[6,7]。存在于土壤、泥炭、煤、水域等中的腐植酸(humic acid，HA)是一类天然有机物质[8]，在缓解多种逆境对作物的胁迫中发挥了重要作用[9～11]。Hassan等[12]研究腐植酸对小麦种子萌发的影响，结果表明，腐植酸可显著提高发芽率，促进根的生长。回振龙等[13]研究表明，干旱胁迫下，黄腐酸浸种显著提高了紫花苜蓿萌发期的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数以及幼苗株高、生物量，有效缓解了干旱对紫花苜蓿萌发的影响。目前，腐植酸在谷子上的研究较少，现有相关报道集中在腐植酸对谷子光合特性、产量等方面的研究[14]，而针对谷子抗旱性方面的研究鲜有报道。鉴于此，本研究以山西省大面积推广的晋谷21号和张杂10号为材料，研究腐植酸对干旱胁迫下谷子萌发期的萌发指标及生长指标的影响，旨在筛选出促进谷子萌发的最佳腐植酸浓度，为进一步研究腐植酸对干旱胁迫下谷子幼苗的作用机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

常规谷晋谷21 号和杂交谷张杂10号，分别由山西省农业科学院经济作物研究所、河北省张家口市农业科学院提供。

腐植酸(Humic acid，HA)分子式为C9H9NO6，分子量：227.17 kDa，由山东西亚化学工业有限公司生产。PEG-6000，分子式为HO(CH2CH2O)nH，由北京索莱宝科技有限公司生产。

1.2 试验设计

试验于 2016-2017 年在山西农业大学化学除草与化学调控实验室进行，试验设CK(蒸馏水浸种)和NT1-NT5处理(HA浸种浓度分别为50、100、200、300、400 mg·L-1)进行腐植酸作用于谷子的萌发试验；试验设有CK(蒸馏水浸种及培养)，T0(蒸馏水浸种，18%的PEG溶液培养)和T1-T5处理(不同浓度腐植酸浸种，18%的PEG溶液培养)进行腐植酸作用于干旱胁迫下谷子的萌发试验。

用0.5% 的次氯酸钠(NaClO)对成熟饱满、大小均一、谷壳完整的谷子种子消毒5 min，去离子水清洗3次，滤纸吸干其表面的水分后，将种子进行不同浓度腐植酸浸种处理12 h，以蒸馏水作为对照，浸种结束后，将种子置于滤纸上自然风干。

试验采用PEG-6000分析纯为渗透剂，模拟干旱胁迫，配制胁迫浓度为18%，使用直径为9 cm的培养皿并铺有2层滤纸为发芽床，将浸种后的晋谷21号和张杂10号种子50粒置于培养皿中，用移液枪加入5 mL蒸馏水或PEG-6000溶液，加盖后置于25 ℃恒温箱中黑暗培养，试验设3次重复。定时调查种子的发芽数，以胚根和胚芽的长度均超过种子直径的一半为发芽标准，分别于第2天和第7天调查发芽势和发芽率，第8天在培养皿中选取长势一致的10株幼苗，测其根长、芽长及干鲜重。

1.3 测定指标及方法

于处理后第8天测芽长、根长，分别取下根、芽及剩余种子称其鲜重，后置于105 ℃烘箱内杀青15 min，80 ℃烘干至恒重分别称取干重。参考张智猛等[15]及张健等[16]的方法计算以下各项指标。

发芽势(Ge)=n /N×100%(n：第2天种子发芽数；N：种子总数)

发芽率(Gr)=n /N×100%(n：第7天种子发芽数；N：种子总数)

相对发芽势=处理组发芽势/对照组发芽势×100%

相对发芽率=处理组发芽率/对照组发芽率×100%

我以为，所谓教学，就是泾渭分明的教师教和学生学。于是我卖力地教，想方设法地教，结果是，我累出了咽炎和声带小结，常年吃药；学生也并没有学到太多，学到的也多是死知识，缺乏创新性。

萌发指数(PI)=(1.00)nd1 +(0.75)nd2 +(0.50)nd3 +(0.25)nd4(nd1、nd2、nd3、nd4 分别为第 1、2、3、4 天的种子发芽率)

活力指数(VI)=PI×Sx(Sx为第8天芽长平均长度)

种子萌发抗旱指数=干旱胁迫下种子萌发指数(PIS)/对照种子的萌发指数(PIC)

种子活力抗旱指数=干旱胁迫下种子活力指数(VIS)/对照种子活力指数(VIC)

1.4 耐旱性综合评价

采用模糊数学中隶属函数法[17]，对各浓度腐植酸(HA)处理下晋谷21号和张杂10号2个品种谷子进行抗旱性综合分析。

隶属函数公式为：

U(Xi)=(Xi- Xmin)/(Xmax- Xmin)(指标性状与抗旱性呈正相关)

其中，U(Xi)为隶属函数值；Xi为各处理水平下某指标的测定值；Xmax和Xmin分别为所有处理水平下某指标的最大值和最小值。

1.5 统计分析

利用Excel 2010进行数据处理和作图，用SPSS 16.0软件进行统计分析，采用Duncan法进行差异显著性检验(P<0.05)，图表中数据用均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 腐植酸浸种对谷子种子萌发的影响

表1所示，晋谷21号和张杂10号的发芽势、发芽率、萌发指数和活力指数随HA浓度的增加均基本呈现先升高后降低的趋势，晋谷21号的发芽率和活力指数显著高于CK(蒸馏水浸种)，在HA处理为NT2、NT3时效果最明显，发芽率比CK提高了6.43%，活力指数比CK分别提高了7.96%、13.03%，且差异显著；张杂10号的发芽势、发芽率、萌发指数和活力指数均显著高于CK，在HA处理为NT2时效果最好，分别比CK显著提高了15.58%、17.05%、25.06%、33.80%。说明适宜浓度的腐植酸浸种可明显提高谷子的萌发能力，且品种间差异显著，张杂10号更为敏感、效果更好。

表1 腐植酸浸种对谷子种子萌发的影响Table 1 Effects of HA on seed germination of foxtail millet

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note：Small letters mean significant differences at 0.05 level(P<0.05). The same below.

2.2 腐植酸浸种对谷子幼苗生长的影响

表2所示，腐植酸浸种处理后，晋谷21号和张杂10号的芽长、根长、鲜重和干重随HA浓度的增加呈先升高后降低的趋势，且2个品种的各生长指标基本均高于CK。HA处理为NT3时，2个品种的芽长和根长均显著高于CK，晋谷21号分别提高了15.77%、11.46%，张杂10号分别提高了16.67%、36.97%。HA处理为NT2时，2个品种的鲜重较CK分别提高了8.67%、26.45%；晋谷21号的干重较CK显著增加了13.64%，张杂10号的干重在处理NT3时效果最好、增加了9.22%，但差异不显著。说明适宜浓度的腐植酸促进了谷子茎和根的生长，并有效提高了谷子的鲜重和干重，促进了幼苗的生长和干物质的积累。

表2 腐植酸浸种对谷子幼苗生长的影响Table 2 Effects of HA on seedlings growth of foxtail millet

2.3 腐植酸浸种对干旱胁迫下谷子种子萌发的影响

由表3可知，干旱胁迫下(T0)，晋谷21号和张杂10号的发芽势、发芽率、萌发指数和活力指数显著低于正常供水处理(CK)，分别降低了16.50%、9.74%、8.11%、27.86%和45.07%、7.76%、24.09%、31.14%，说明干旱胁迫对2个品种谷子的萌发能力具有抑制作用。

2个品种的发芽势、发芽率、萌发指数和活力指数随HA浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，其中，T2处理晋谷21号的发芽势和活力指数分别较T0显著提高18.60%、22.57%，T1-T5发芽率均高于T0，且在T3时显著增加了9.8%；T1-T3处理张杂10号的发芽势均显著高于T0，且在T2时效果最好,增加了43.6%，而T1-T5处理萌发指数和活力指数均显著高于T0，且在T4和T2时效果最好,分别增加了13.85%、41.00%。晋谷21号的发芽势、发芽率、萌发指数和张杂10号的发芽率、活力指数在最佳处理时(T2或T3)，与正常供水CK处理相比差异不显著，表明适宜浓度的腐植酸显著缓解了干旱胁迫对种子萌发的抑制作用。

2.4 腐植酸浸种对干旱胁迫下谷子幼苗生长的影响

由表4可知，干旱胁迫显著抑制了晋谷21号和张杂10号芽和根的生长，晋谷21号芽长和根长较CK分别降低了21.42%、19.98%，张杂10号分别降低了22.25%、18.62%，且差异显著；干旱处理后2个品种的鲜重和干重显著降低，较CK分别降低了19.33%、20.87%和24.73%、10.45%。

干旱胁迫下，随着腐植酸浓度的增加，晋谷21号和张杂10号的芽长、根长、鲜重、干重呈先升高后降低的趋势。在HA处理为T1-T4时，晋谷21号的芽长、根长、干重均显著高于T0处理，且芽长、根长分别在T2、T4效果最佳，分别提高了17.38%、19.28%，干重在T3显著提高了23.88%；张杂10号的芽长、根长、鲜重在T3处理效果最佳，分别较T0提高了25.01%、13.65%、10.13%，且差异显著。干旱胁迫后，腐植酸处理对2个品种根的生长效果最为明显，与正常供水CK相比差异不显著，说明腐植酸浸种可提高水分利用效率，促进谷子根的生长，缓解干旱胁迫对谷子生长造成的伤害。

2.5 腐植酸浸种对干旱胁迫下谷子抗旱指数的影响

如图1A、图1B所示，干旱胁迫下，晋谷21号和张杂10号萌发抗旱指数、活力抗旱指数随着腐植酸浓度的增加呈现先升高后降低的趋势。晋谷21号萌发抗旱指数T2-T3处理高于T0处理，但差异不显著，其它处理均低于T0处理；张杂10号萌发抗旱指数T1-T4处理均显著高于T0处理， T4处理效果最佳比T0显著增加了13.76%。晋谷21号活力抗旱指数T2处理较T0显著增加了22.49%，张杂10号活力抗旱指数 T1-T5处理均显著高于T0处理，T2处理效果最佳，较T0显著增加了40.85%。说明适宜浓度的腐植酸可显著提高谷子的萌发抗旱指数和活力抗旱指数，有效缓解了干旱胁迫对谷子萌发的抑制作用。

表3 腐植酸浸种对干旱胁迫下谷子种子萌发的影响Table 3 Effects of HA on seed germination of foxtail millet under drought stress

表4 腐植酸浸种对干旱胁迫下谷子幼苗生长的影响Table 4 Effects of HA on seedlings growth of foxtail millet under drought stress

图1 腐植酸对干旱胁迫下谷子抗旱指数的影响Fig.1 Effects of HA on drought resistance index of foxtail millet

2.6 抗旱性指标隶属函数值法评价

干旱胁迫下，以不同浓度HA处理谷子萌发期各萌发指标及幼苗生长指标为依据，采用隶属函数值法对晋谷21号和张杂10号分别进行综合分析。由表5可知，2个品种隶属函数平均值随HA浓度的增加呈先升高后降低的趋势，晋谷21号T2处理隶属函数平均值达到0.98，张杂10号T2、T3处理的平均值分别达0.90、0.91，明显高于其它处理。综合分析，干旱胁迫下腐植酸对谷子的最佳处理浓度为T2(100 mg·L-1)。

3 讨论与结论

种子的发芽率和发芽势是衡量种子品质的指标，发芽势高的种子代表萌发后发芽整齐均匀[18]；萌发指数综合了种子的萌发数量、速度及整齐度等3个因素[19]；活力指数代表了种子萌发的潜势、生长和生产潜力[20]。种子萌发后的芽长、根长、鲜重和干重是其幼苗生长的重要指标。腐植酸可提高燕麦的发芽率[21]，可显著提高小麦种子活力[22]，

表5 谷子抗旱指标隶属函数值及综合评价Table 5 Membership function value of value droughe resistances and comprehensive evaluation of foxtail millet

并促进小麦和玉米等的根系生长[23]。本研究表明，不同浓度腐植酸浸种处理提高了晋谷21号和张杂10号的发芽势、发芽率、萌发指数、活力指数，其中T2-T3处理效果显著，说明适宜浓度的腐植酸浸种可明显提高谷子的萌发能力，但品种间存在差异，张杂10号更为敏感、效果更好，可能的原因在于张杂10号本身的发芽势、发芽率等萌发指标低于晋谷21号。结果也表明，适宜浓度的腐植酸促进了谷子茎和根的生长，并有效提高了谷子的鲜重和干重，促进了幼苗的生长和干物质的积累，对谷子种子萌发和幼苗生长具有明显的促进作用。

种子萌发对水分亏缺较为敏感，干旱胁迫会显著抑制种子的萌发及幼苗的生长。研究表明，渗透胁迫条件下萌发率可作为快速鉴定谷子抗旱性的筛选指标[24]。高汝勇等[25]利用PEG模拟干旱胁迫对12个谷子品种进行抗旱性研究，结果发现干旱胁迫对谷子各品种的发芽率、发芽指数、根长、苗高、鲜质量、活力指数等均有明显的抑制作用，且这6个指标可作为谷子萌发期抗旱性的鉴定指标。研究也表明，黄腐酸浸种可显著提高干旱胁迫下紫花苜蓿种子的抗旱性[13]，且在大田生产中，黄腐酸浸种可有效促进燕麦和谷子的出苗，提高大田出苗率，可补偿干旱造成的水分缺失[26]。本研究表明，与正常水分条件相比，干旱胁迫对晋谷21号和张杂10号的种子萌发有明显的抑制作用，腐植酸浸种处理后2个品种的种子发芽势、活力指数、芽长、根长均有所提高，其中HA 100 mg·L-1和200 mg·L-1处理浓度效果最佳，表明适宜浓度的腐植酸对晋谷21号和张杂10号种子萌发及幼苗生长具有明显的促进作用，腐植酸能促进种子萌发和幼苗生长，在于腐植酸具有亲水性的官能团，对水分有较强的吸附能力[27]，为种子萌发提供了更多的水分保证。

抗旱指数是衡量作物抗旱性的重要指标，包括萌发抗旱指数和活力抗旱指数，张宇君等[28]利用萌发抗旱指数、活力抗旱指数等7个指标构建了燕麦萌发期抗旱性评价体系。本研究表明，干旱胁迫后，腐植酸浸种可显著提高晋谷21号和张杂10号2个品种的萌发抗旱指数和活力抗旱指数，腐植酸浓度为100 mg·L-1时对晋谷21号效果最佳，而腐植酸浓度为50～300 mg·L-1对张杂10号作用均差异显著。但要准确定义谷子的抗旱性单靠抗旱指标还远远不够，本研究采用隶属函数值法，进行多指标的综合评价，可消除单一指标的片面性，更具可行性和可靠性[29]，结果表明100 mg·L-1的腐植酸对晋谷21号效果最佳，100～200 mg·L-1的腐植酸对张杂10号的效果最佳，更为准确地确定了腐植酸提高谷子抗旱性的最佳作用浓度。隶属函数值法在筛选抗性品种[30]、评价作物抗性[31]等方面都有广泛的应用。

综上所述，腐植酸可明显提高谷子的萌发能力和幼苗生长。干旱胁迫下，腐植酸浸种明显提高了谷子种子发芽势、活力指数、芽长、根长。结果表明，100 mg·L-1腐植酸对干旱胁迫下谷子萌发及幼苗生长有明显的促进作用，提高水分利用效率，有效缓解了干旱胁迫对谷子萌发和幼苗生长的抑制作用，提高了谷子的抗旱性，为腐植酸在大田生产中的应用提供一定的理论基础。