种子引发对干旱胁迫下高粱种子发芽及生理特性的影响

张瑞栋 梁晓红 刘 静 南怀林 王颂宇 曹 雄

（山西农业大学经济作物研究所，030031，山西太原）

干旱胁迫被认为是全世界最具破坏性的非生物胁迫之一，是限制农作物生产力提高的巨大障碍[1]。作物生长的任何阶段都可能受到干旱胁迫的影响，种子萌发期是作物对干旱最敏感的时期。高粱起源于非洲，具有高光效和耐贫瘠等特点[2]，是世界上5亿贫困人口的主食[3-4]，同时也是我国优质白酒的酿造原料。经过长期的自然进化和人工选择，高粱具有较强的抗逆性，广泛种植于干旱和半干旱地区[5]。然而，高粱在不同生育阶段对干旱的敏感性不同，萌发期是最敏感的时期[6]。春季土壤墒情不足时，高粱常出现发芽率低、出苗时间长和出苗不整齐等现象，萌发期干旱也是影响高产群体构建和高粱产量提升的重要因素[7]。因此，提高萌发期抗旱能力是保证高粱高产和稳产的重要环节。

种子引发（seed priming）是由Heydecker[8]提出的一项控制种子缓慢吸水和后期回干的技术。该技术主要经过种子前处理，通过调节萌发早期阶段的代谢活动，进而促进种子萌发，并且提高萌发稳定率和整齐率的一种技术，具有经济、方便和高效等特点[9]。不同类型的引发剂处理，如水引发、生长调节剂引发、渗透势引发和化学物质引发等，被广泛用于提高多种作物的耐旱性[10]。Patane等[11]研究发现，聚乙二醇6000（PEG-6000）胁迫会降低种子内部水势，进而影响甜高粱的发芽率和发芽势，但引发处理可改善渗透胁迫对种子发芽的影响。Bismillah等[12]研究发现，干旱胁迫下CaCl2引发的玉米种子具有较长的根和较高的产量。Jisha等[13]研究发现，水杨酸（salicylic acid，SA）引发可增加种子内部渗透势，提高萌发期的抗旱能力。郝西等[14]研究发现，种子引发可促进种子内部淀粉和蛋白活化，进而提高作物的抗逆能力。尽管这些技术都可提高萌发期作物的抗逆萌发能力，但是不同引发剂在不同作物上的引发效果具有较大的差异[15]。

本研究以晋杂22和晋早5564为材料，明确高粱种子在不同引发剂处理后对干旱胁迫的响应，通过对形态指标和生理指标的研究，筛选提高高粱抗旱萌发的最佳引发剂，从渗透调节和抗旱氧化代谢角度，初步分析引发处理提高高粱耐旱性的可能机理，为种子引发技术在高粱上的应用提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以高粱品种晋杂22和晋早5564为研究材料，2个品种均由山西农业大学高粱研究所提供。

1.2 试验设计

试验于2021年在山西农业大学经济作物研究所实验室进行。基于课题组前期试验，设置5个处理，分别为PEG（150mmol/L PEG）、KCl（50mmol/L）、CaCl2（50mmol/L）、SA（0.1mmol/L）引发和未引发（NP），研究了在正常情况和干旱胁迫（PEG浓度为15%）下不同处理对种子发芽的影响。选择颗粒饱满、大小均匀的种子，用0.5%的NaClO消毒5min，然后用蒸馏水冲洗5遍。将消毒过的种子分别进行引发。种子与引发剂进行混合，比例为1:5（W/V），在25℃的黑暗环境中引发10h，期间进行3～4次轻轻搅拌，使种子与引发剂充分混匀。引发后，将种子风干至其原始含水量（13%，W/W），以未引发的种子用作对照（CK）。将不同处理的种子置于带有双层无菌滤纸的培养皿（直径15cm）中，加入10mL处理液（150mmol/L PEG）。将培养皿进行黑暗培养，温度设定为25℃±1℃，相对湿度设定为70%，连续培养10d。为了保持恒定的处理溶液浓度，每天更新培养皿中的PEG溶液。每个处理重复3次，每盘放50粒种子，试验采用完全随机设计。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 发芽率 以芽长为种子长度的50%视为发芽，在处理后的0、6、12、24和48h调查发芽率。

1.3.2 形态指标 在处理后的第5天，测定不同处理的芽长、根长、芽鲜重和根鲜重。

1.3.3 过氧化氢（H2O2）、丙二醛（MDA）、可溶性糖、脯氨酸（Pro）含量及抗氧化酶活性 在处理后的第5天，用液氮取样，置于-80℃的冰箱保存，用于测定生理指标。分别称取不同处理的高粱芽0.5g，加入5mL的50mmol/L pH 7.2磷酸缓冲液，在冰浴环境中研磨成匀浆，转移到10mL的离心管中，在15 000转/min下离心15min，取上清液用于测定H2O2、MDA含量及酶活性。按照Gong等[16]的方法测定H2O2含量；参照李合生[17]的方法，用蒽酮法测定可溶性糖含量，用硫代巴比妥酸法测定MDA含量；参照张宪政[18]的方法测定Pro含量；参照Zhang等[19]的方法测定SOD、POD和CAT活性。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel和SPSS 10.0处理系统分析数据，采用LSD法进行数据间的多重比较，采用Origin 8.0进行图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 种子引发对萌发率的影响

由图1可以看出，干旱胁迫48h后，晋杂22和晋早5564的发芽率分别下降了12.00%和10.80%，而在正常和干旱胁迫下引发处理均能提高高粱种子的发芽率。干旱胁迫下PEG、KCl、CaCl2和SA引发后晋杂22的发芽率较NP处理分别提高了18.18%、12.72%、35.45%和31.82%。晋早5564的表现与晋杂22相似，PEG、KCl、CaCl2和SA引发处理的发芽率分别比NP处理提高了20.18%、10.76%、26.91%和30.04%。

图1 不同引发剂处理在正常和干旱胁迫下对高粱发芽率的影响Fig.1 Effects of different priming treatments on the germination rate of sorghum under normal and drought stress conditions

2.2 种子引发对形态指标的影响

从表1可以看出，干旱胁迫严重抑制高粱种子生长，干旱胁迫下晋杂22的芽长、根长、芽鲜重和根鲜重分别比正常降低69.69%、46.27%、65.89%和19.33%，晋早5564分别比正常降低58.40%、62.41%、67.15%和24.97%。种子引发可显著提高种子萌发指标，在干旱胁迫下引发效果更加明显。干旱胁迫下，CaCl2和SA引发在晋杂22上效果较好，芽长分别比NP处理增加267.07%和271.95%，根长分别比NP处理增加了231.94%和355.56%。在晋早5564上，CaCl2引发的效果最好，根长和芽长分别比NP处理增加了195.96%和206.60%。

表1 不同引发处理对高粱苗形态指标的影响Table 1 The effects of different priming treatments on the germination morphological indicators of sorghum seedlings

2.3 种子引发对H2O2和MDA含量的影响

从图2可以看出，干旱胁迫后种子芽的H2O2和MDA含量显著升高，晋杂22芽的H2O2和MDA含量分别较正常增加了237.55%和99.91%，晋早5564分别较正常增加了191.23%和117.68%。干旱胁迫下种子引发可显著降低种子芽的H2O2和MDA含量，PEG、KCl、CaCl2和SA引发后，晋杂22的种子芽的H2O2含量分别下降了39.74%、31.82%、51.88%、49.33%，MDA含量分别下降了35.26%、28.57%、40.92%、43.40%；晋早5564也有类似的结果，芽的H2O2含量分别下降了46.41%、36.33%、53.29%、46.29，MDA含量分别下降了36.81%、33.38%、46.08%、44.65%，差异均达到显著水平。

图2 不同引发处理对高粱芽H2O2和MDA含量的影响Fig.2 The effects of different priming treatments on H2O2and MDA contents in sorghum shoots

2.4 种子引发对抗氧化酶活性的影响

种子引发可显著提高种子芽的抗氧化酶活性，干旱胁迫下更加明显。干旱胁迫下，PEG、KCl、CaCl2和SA引发处理，晋杂22的SOD活性分别比NP处理提高了21.75%、25.50%、40.95%和37.68%（图3a），POD活性分别比NP处理提高了20.33%、9.02%、16.53%和34.43%（图3c），CAT活性分别比NP处理提高了29.65%、42.42%、56.40%和61.46%（图3e）。种子引发后晋早5564的抗氧化酶活性表现出与晋杂22类似的变化趋势（图 3b、d、f）。

图3 不同引发处理对高粱抗氧化酶活性的影响Fig.3 The effects of different priming treatments on antioxidant enzyme activities in sorghum

2.5 种子引发对可溶性糖和Pro含量的影响

干旱胁迫后，高粱种子芽的可溶性糖含量显著增加，干旱胁迫下晋杂22和晋早5564的可溶性糖含量分别比正常情况增加了48.97%和40.49%。种子引发可显著降低胁迫环境下种子芽的可溶性糖含量，干旱胁迫下PEG、KCl、CaCl2和SA引发处理，晋杂22的可溶性糖含量与NP处理相比分别降低了17.69%、15.44%、22.79%、22.69%，晋早5564与NP处理相比分别降低12.04%、16.50%、12.80%、16.58%（图4a、b）。种子引发显著提高了种子芽的Pro含量，干旱胁迫下，PEG、KCl、CaCl2和SA引发处理，晋杂22的Pro含量分别比NP处理提高了15.01%、13.22%、28.77%、28.85%，晋早5564的Pro含量分别比NP处理提高了17.84%、16.20%、29.24%、28.46%（图 4c、d）。

图4 不同引发处理对高粱可溶性糖和Pro含量的影响Fig.4 The effects of different priming treatments on the soluble sugar and proline contents of sorghum

3 讨论

干旱胁迫是限制作物生产力提高的主要障碍，预计在未来1个世纪内干旱的严重程度和发生频率仍将增加，提高作物的抗旱能力仍是农业发展的重要课题[20]。春季干旱造成高粱出苗困难的现象是制约高粱产业发展的一个重要瓶颈。本研究通过PEG模拟干旱进行胁迫处理，为了使研究结果更有普遍性，选取了山西主栽高粱品种晋杂22和最新审定品种晋早5564作为试验材料。研究结果显示，萌发期干旱显著降低了2个高粱品种的萌发率，而且萌发期干旱显著抑制了高粱芽和根的伸长。前人[10,13,21]研究表明，种子引发技术在植物应对逆境胁迫中发挥着重要作用，种子引发可显著提高作物的抗旱、耐盐及耐低温等能力。本研究也发现，PEG、KCl、CaCl2和SA引发均可提高2个高粱品种在干旱胁迫下的萌发能力，从晋杂22的发芽率上看，引发效果为CaCl2＞SA＞PEG＞KCl，在晋早5564上，引发效果为SA＞CaCl2＞PEG＞KCl。从萌发的形态指标上看，CaCl2和SA引发与其他处理相比，均能显著提高干旱胁迫下2个高粱品种的芽长和根长，但是这2个处理之间许多指标差异不显著。因此，本研究认为，CaCl2和SA引发为较好的处理。

活性氧（ROS）是细胞响应逆境重要的调节分子，而且ROS与种子萌发密切相关[22]。有研究[23]指出，ROS可以松弛细胞壁，活化淀粉层，为胚根突破种皮提供了必要调节。然而，在组织中ROS积累也可加剧脂质过氧化和膜退化，并影响植物中生物分子的功能。干旱胁迫会诱导ROS的产生，例如超氧自由基（·O2–）、羟基自由基（·OH）和 H2O2。在本研究中，干旱胁迫造成种子芽的H2O2和MDA含量显著升高，Bai等[24]研究发现，棉花种子在干旱条件下萌发，种子体内的H2O2和MDA也会大量积累，说明干旱胁迫已对高粱种子造成一定的膜脂过氧化损伤，这也可能是干旱胁迫抑制种子生长的一个重要因素。在本研究中，种子引发可显著降低干旱胁迫下种子胚芽内H2O2和MDA含量，而且CaCl2和SA引发效果较好，说明CaCl2和SA引发的高粱种子在干旱胁迫下膜脂过氧化程度最低，这也可能是CaCl2和SA引发在干旱胁迫下具有较高发芽率和较好形态指标的重要原因。正常情况下，植物体内ROS的产生与清除处于一个动态平衡的状态，干旱等逆境胁迫是打破这个平衡的重要因子[25-26]。为了减轻ROS过度积累对膜脂的伤害，植物体内形成了一套ROS的酶清除系统，其中SOD、POD和CAT是重要的活性氧清除酶。本研究发现，引发的种子在干旱胁迫下表现出较强的抗氧化酶活性。Kanto等[27]和Farhoudi等[28]发现了类似的现象。这可能是因为种子引发通过前期吸水，提前完成了种子内部细胞结构的修复和代谢相关酶的活化。同时，也可能是引发剂的化学调控成分能够激发种子内部的调控网络，增强抗氧化酶活性。

种子发芽受多种贮藏产物的调节，可溶性糖为种子发芽提供能量的同时也作为一种渗透调节物质在植物体内起重要作用[29]。本研究发现，引发后的种子在干旱胁迫后具有较高的可溶性糖含量，可溶性糖含量增加有助于降低高粱胚芽组织内的渗透势，提高其在高渗透环境下的耐受力。Khan等[30]研究表明，种子引发可提高种子胚乳内α淀粉酶活性，促使淀粉水解，增加糖的供应。本研究发现，种子引发后可溶性糖含量下降，这可能是种子引发促进了糖的代谢，为种子的抗旱萌发提供了能量。但是，种子引发如何调节糖代谢以及能量代谢还有待进一步研究。Pro也是植物应对渗透胁迫的一种重要的调节物质。本研究发现，种子引发可显著提高干旱胁迫下高粱芽内Pro含量。积累的Pro除了作为植物细胞质内渗透调节物质外，还在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原等方面起着重要作用[31]。种子引发引起Pro增加也是高粱种子对干旱胁迫的一种重要适应机制。

4 结论

萌发期干旱胁迫显著降低高粱种子发芽率，抑制种子胚芽和胚根的伸长。种子引发可显著提高高粱种子在干旱胁迫下的萌发率，促进种子萌发，其中CaCl2和SA引发效果较好。其主要原因可能是由于种子引发提高了胚芽内抗氧化酶活性，减轻了膜脂过氧化对胚芽的损伤；同时种子引发促进了胚芽内糖的代谢，提高了Pro含量，缓解了干旱胁迫对种子萌发的抑制效应。