不同温度水杨酸引发对干旱胁迫下玉米种子发芽及幼苗生理特性的影响

侯林欣，吕 强，黄 明，焦念元，尹 飞，刘 领，吕 梦，付国占

（河南科技大学农学院/河南旱地农业工程技术研究中心，河南洛阳 471003）

0 引言

玉米是中国种植面积最大、总产量最高的作物，玉米生产对中国国民经济稳定、国家粮食安全有着重要意义。近年来，随着全球气候变暖，中国玉米主产区干旱频发，加上灌溉条件有限，干旱成为了玉米减产的主要环境因素[1-2]。尤其是播种期的干旱影响种子发芽出苗和适期播种，成为影响玉米生产的关键时期。种子完成萌发到出苗过程需水较少，但对外界水分十分敏感[3]。田锦芬[4]研究指出，田间最大持水量的65%是玉米完成萌发的阈值，土壤耕作层相对含水量＜65%时，不利于玉米种子萌发、幼苗生长以及根系伸长。

种子引发[5]是一项可以提高种子活力的播前处理措施，其将种子置于引发剂中，通过缓慢吸水过程完成发芽所需物质的准备后及时回干，再吸胀时种子可以迅速整齐发芽[6]，广泛应用于逆境条件下促进水稻[7-9]、小麦[10-12]、玉米[13-15]等作物种子萌发。种子引发受多种因素调控，其中引发剂种类[16]、引发时间[17]和引发温度[17-18]等是影响引发效果的关键因素。杜锦等[16]采用不同引发剂对玉米种子引发处理后，发现适宜浓度的PEG、SA、KCl、Na2SO4溶液引发显著提高了干旱胁迫下玉米种子的发芽率、苗高、根长、植株干重和叶绿素含量，降低了电解质渗出率，最终提高玉米芽苗期的耐旱性。李秀梅等[19]的研究结果表明，不同引发温度均缩短了烟草种子的发芽时间，提高了种子发芽率和发芽势，并进一步分析得出2个品种烟草种子的最佳引发温度为15℃。同时王彦荣认为[20]，种子引发操作对不同种和品种间的引发效果存在较大差异。

水杨酸(SA)作为一种内源生理调节剂，广泛存在于各类植物体内。近些年研究表明，水杨酸可以参与调节植物（种子萌发、气孔调节和植物开花等）多种生理生化活动[21]，通过调控植物抗氧化代谢和控制细胞内ROS含量，增强植物对干旱[22]、冷害[23]和高温[24]等非生物胁迫的适应能力，在提高植物抗逆能力方面有着重要的作用。杨若鹏等[25]研究发现，适宜浓度的水杨酸引发处理可以提高干旱胁迫下黄瓜幼苗过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性，并降低幼苗丙二醛(MDA)含量，缓解干旱胁迫对黄瓜的过氧化损伤。高巧红等[26]的研究表明，水杨酸引发增加了玉米种子低温吸涨过程中胚、胚乳和种皮的可溶性蛋白含量，以及胚乳和种皮的过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性，降低种子浸出液中核苷酸含量，从而增强了种子在低温胁迫下的萌发能力。

玉米种子引发已有较多报道[27-30]，而关于不同温度水杨酸对不同基因型玉米种子的引发还鲜见报道。本试验通过对不同温度水杨酸引发玉米种子的发芽以及幼苗形态与生理指标的测定与分析，探讨引发温度改变对水杨酸引发玉米幼苗形成的影响，同时进一步了解主因素温度在不同品种间是否存在差异，以期为种子引发技术在旱作玉米生产上的应用提供理论依据及技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验以普通玉米‘郑单958’(ZD958)、糯玉米‘京科糯2000’(JK2000)和甜玉米‘金甜808’(JT808)为试验材料，种子的初始含水量为13.7%。供试引发剂水杨酸(SA)由天津市风船化学试剂科技有限公司生产。模拟干旱胁迫制剂聚乙二醇(PEG-6000)由天津市科密欧化学试剂有限公司生产。试验在河南科技大学旱地农业工程技术研究中心，于2019年9月—2020年1月进行。

1.2 试验方法

1.2.1 引发处理 用1 mmol/L浓度水杨酸引发（前期试验筛选的最适浓度），设置5、10、15、20℃ 4个引发温度处理。选择健康饱满的种子，用5%次氯酸钠溶液消毒3 min后用蒸馏水快速冲洗干净，而后用吸水纸吸干种子表面水分。在垫有3层滤纸的培养皿中均匀摆放玉米种子，并加入适量引发溶液（溶液体积与种子质量为1:3，即 1 g种子质量:3 mL引发溶液）[31]，加盖用Parafilm封口膜密封，分别置于5、10、15、20℃生化培养箱内，黑暗条件下引发24 h。引发结束后，用蒸馏水快速冲洗玉米种子并用吸水纸吸干表面水分，然后置于鼓风干燥箱内25℃条件下回干至初始含水量。以消毒后未进行引发的种子为对照。

1.2.2 发芽试验 取各处理种子30粒，放置于含有3层发芽纸的发芽盒内（发芽盒规格为13 cm×19 cm，透光率为98%）并加入25 mL 10% PEG溶液，置于恒温光照培养箱中培养，光周期黑暗12 h/光照12 h，温度均为25℃，光照强度为400 μmol/(m2·s)。发芽试验期间每天更换培养液。试验周期为7天，共设5次重复。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 发芽及形态指标测定 以种子胚芽鞘长度1 cm为发芽标准，从第3天开始每天记录发芽数；第7天各重复取5株幼苗，测量其根长、苗高、地上部和地下部鲜重。在发芽3天和7天分别计算发芽势和发芽率，并计算发芽指数和活力指数。各参数的计算见式(1)～(4)。

式中，Gt为第t天的发芽数，Dt为发芽的天数，S为根苗鲜重。

1.3.2 生理指标测定 第7天取各处理玉米幼苗地上部分进行生理指标测定。可溶性糖含量的测定采用蒽酮显色法[32]；可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法[32]；丙二醛含量的测定采用硫代巴比妥酸法[33]；超氧化物歧化酶活性的测定采用氮蓝四唑法[33]；过氧化物酶活性的测定采用愈创木酚法[33]；过氧化氢酶活的测定采用紫外比色法[33]；谷胱甘肽含量的测定采用Griffith[34]的方法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013处理原始数据并绘制图表。在SPSS 22.0统计软件中进行方差分析(ANOVA)和多重比较（差异显著性水平0.05）；同时运用SPSS 22.0软件对3个玉米品种测定的4个种子发芽指标（发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数）和5个幼苗生长指标（株高、地上重、根长、地下重和整株重）进行欧式距离计算以及主成分分析，以特征值大于1提取主成分。

2 结果与分析

2.1 不同温度水杨酸引发对种子发芽的影响

从表1看出，10% PEG溶液培养条件下，不同品种玉米种子经不同温度水杨酸引发后发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均高于CK，且大部分处理与CK间差异显著；随着引发温度升高，不同品种玉米发芽指标呈现先升高后降低的趋势。‘郑单958’，引发处理与CK相比发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数平均提升了11.46%、14.70%、11.96%和19.69%，其中15℃处理最高，较CK各性状指标分别提升了16.67%、21.26%、17.69%和25.39%。‘金甜808’，引发处理与CK相比发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数平均提升了7.34%、9.38%、7.77%和19.23%，其中15℃处理最高，较CK各性状指标分别提升了10.88%、8.76%、10.02%和26.83%。‘京科糯2000’，引发处理与CK相比发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数平均提升了10.30%、7.73%、9.30%和17.47%，其中10℃处理最高，较CK各性状指标分别提升了16.48%、10.73%、14.27%和32.00%。

表1 干旱胁迫下不同处理玉米种子发芽指标

2.2 不同温度水杨酸引发对幼苗生长的影响

10% PEG溶液培养条件下水杨酸引发玉米幼苗的各性状表现均优于CK（表2），不同品种玉米各指标均表现为随着温度的升高而先升高后降低。‘郑单958’，引发处理与CK相比株高、地上重、根长、地下重和整株重平均提升了4.18%、9.21%、17.70%、10.71%和11.08%，其中15℃处理最高，较CK各性状指标分别提升了8.19%、15.79%、26.25%、21.43%和20.25%。‘金甜808’，引发处理与CK相比株高、地上重、根长、地下重和整株重平均提升了13.29%、28.95%、42.45%、27.15%和10.87%，其中也以15℃处理最高，较CK各性状指标分别提升了15.43%、42.86%、72.96%、32.26%和16.74%。‘京科糯2000’，引发处理与CK相比株高、地上重、根长、地下重和整株重平均提升了17.80%、17.73%、13.32%、13.10%和6.81%，其中10℃处理最高，较CK各性状指标分别提升了 39.10%、36.36%、25.05%、21.90%和15.16%。从5个幼苗性状指标分析，引发处理明显增加了‘郑单958’和‘金甜808’的根长（17.70%和42.45%），而对‘京科糯2000’的株高和地上重（17.80%和17.73%）提升较大；且从均值分析来看‘金甜808’较其他品种引发效果明显。

表2 干旱胁迫下不同处理玉米幼苗生长指标

2.3 不同温度水杨酸引发对幼苗生理指标的影响

2.3.1 不同温度水杨酸引发对幼苗抗氧化酶活性的影响 由图1所示，10% PEG培养条件下水杨酸引发增强了玉米幼苗抗氧化酶活性；不同品种玉米抗氧化酶活性均表现为随着引发温度的升高而先升高后降低。‘郑单958’各温度处理SOD和CAT活性表现为15℃＞10℃＞20℃＞5℃＞CK，POD活性表现为15℃＞10℃＞5℃＞20℃＞CK，SOD、POD和CAT活性以15℃处理最高；‘金甜808’各温度处理SOD活性表现为15℃＞20℃＞10℃＞5℃＞CK，POD和CAT活性表现为15℃＞10℃＞20℃＞5℃＞CK，SOD、POD和CAT活性同样表现为15℃处理最高；‘京科糯2000’各温度处理SOD、POD和CAT活性均表现为10℃＞15℃＞20℃＞5℃＞CK，以10℃处理最高。且不同品种玉米所有温度处理均与对照存在显著差异。

图1 干旱胁迫下不同处理玉米幼苗抗氧化酶活性

2.3.2 不同温度水杨酸引发对幼苗代谢物质含量的影响 10% PEG培养条件下，水杨酸引发后显著提高了不同品种玉米幼苗的谷胱甘肽(GSH)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)的含量，不同温度引发处理间玉米幼苗的谷胱甘肽、可溶性糖和可溶性蛋白含量变化呈现出与抗氧化酶活性相同的规律变化，其中‘郑单958’、‘金甜808’以15℃处理最高，‘京科糯2000’以10℃最高。而丙二醛(MDA)含量则表现为随着温度升高先减少后增多（图2），‘郑单958’、‘金甜808’以15℃处理最低，‘京科糯2000’以10℃最低。

图2 干旱胁迫下不同处理玉米幼苗代谢物质含量

2.4 聚类及主成分分析

由表3可以看出，‘郑单958’各处理间的欧式距离范围介于0.425～3.023，平均值为1.709。其中‘郑单958’15℃处理与CK之间距离最大，10℃处理与15℃处理之间距离最小。说明对照与15℃引发效果差异最大，而10℃与15℃引发效果差异最小。进一步分析可知‘郑单958’最佳引发温度为15℃，最佳引发温度范围为10～15℃。同理，‘金甜808’的最佳引发温度为15℃，最佳引发温度范围为10～15℃（表4）；‘京科糯2000’的最佳引发温度为10℃，最佳引发的温度范围为10～15℃（表5）。‘京科糯2000’最佳引发温度与其他2个品种不同的情况，说明不同品种对应的最佳引发温度存在差异。但由于各处理的最佳引发温度范围均为10～15℃，猜测水杨酸引发玉米的温度范围选择应为10～15℃。

表3 基于种子发芽和幼苗生长指标的欧氏距离分析（郑单958）

表4 基于种子发芽和幼苗生长指标的欧氏距离分析（金甜808）

表5 基于种子发芽和幼苗生长指标的欧氏距离分析（京科糯2000）

主成分分析特征值大于1的为主成分1和主成分2，其累积贡献率高达70.423%和82.860%，说明主成分1和主成分2能代表9个指标几乎所有的信息（表6）。其中对主成分1影响较大的指标是发芽指数、活力指数、地下重和整株鲜重；对主成分2影响较大的指标为发芽率、地上重和根长。由此可见，发芽率、发芽指数、活力指数、地上重、根长、地下重和整株鲜重是反映不同温度对玉米种子引发效果的最佳形态指标。

表6 不同引发处理后种子发芽和幼苗生长相关指标的主成分分析

3 讨论与结论

水是种子萌发的必要条件。当土壤含水量低于一定阈值时，种子无法利用水势梯度完成吸涨过程，导致种子萌发停滞，影响种子发芽出苗[35]。本研究结果表明，水杨酸引发促进了水分胁迫下玉米种子发芽和幼苗生长，这与张彩芳[36]研究结果相符。可能是由于水杨酸作为植物生长调节剂，参与了引发过程中种子信号传递过程，缩短了种子发芽周期，使玉米种子更快表现出对干旱胁迫的响应机制。

温度是种子完成发芽的关键因素[37]，也是影响种子引发效果的重要环境条件。本试验结果表明，不同温度水杨酸引发均能促进玉米种子发芽成苗，但对不同品种玉米种子萌发和幼苗形成表现具有不同程度影响，适当程度的低温引发效果更佳。这与刘慧霞[38]、李秀梅等[19]、Chiu等[39]的研究结果一致。可能是因为种子引发保留了低温萌动过程对种子发芽耐逆性锻炼的抗性记忆[40]。

植物可溶性糖参与逆境环境中植物的渗透调节。本研究中，水杨酸引发增加了玉米幼苗地上部可溶性糖与可溶性蛋白含量，有利于根系伸长以及维持根系渗透压，保证幼苗吸水。这与马超等[41]研究发现种子引发增加了小麦幼苗地上部可溶性糖含量结果一致。但与许高平[42]和李洁[15]的研究结果存在差异，他们认为，外界胁迫条件下幼苗地上部可溶性糖主动转移到根部用于维持幼苗生长，导致幼苗地上部可溶性糖含量降低。所以关于此点还需进一步研究证明。

逆境胁迫条件下，植物自身会产生大量活性氧负离子和氧化自由基，造成细胞膜系统损伤[43]。SOD、POD、CAT组成的抗氧化酶系统在逆境胁迫环境中积极参与清除植物体内过度的自由基并减少丙二醛积累，从而保护细胞膜结构维持植物正常代谢[44]。本试验研究发现，水杨酸引发提高了水分胁迫下玉米幼苗抗氧化酶活性，降低了丙二醛含量，减轻了种子萌发过程中膜脂过氧化程度，减少了细胞内容物外渗，保证了种子萌发和幼苗建成的物质代谢基础。与马超等[41]、Khampheng等[45]研究结果一致。同时各项生理指标均表现出明显的温度效应，也进一步说明了温度是影响种子引发效果的重要因素。

不同温度(5、10、15、20℃)水杨酸引发均能改善水分胁迫下不同类型玉米种子萌发和幼苗生长状况（发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、株高、地上重、根长、地下中、整株质量）、幼苗生理特性（可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛、谷胱甘肽）以及抗氧化酶系统活性(SOD、POD、CAT)。引发温度改变影响引发效果，适宜的引发温度可以提高引发效果；不同基因型玉米最佳引发温度存在差异，其中‘郑单958’和‘金甜808’以15℃引发效果最佳，‘京科糯2000’以10℃引发效果最佳，并进一步通过欧氏距离分析得出最佳引发温度范围为10～15℃。