PEG引发对谷子萌发期种子活力影响及综合评价

王 帝， 王雨婷， 潘婷婷， 高铭唯， 苗兴芬

(黑龙江八一农垦大学， 黑龙江 大庆 163316)

种子引发是一项种子预处理技术[1-2]，最早由科学家Heydecke于1973年提出[3]。该技术能够调控农作物种子对水分的吸收速率，能够达到以下3个方面的效果：修复和完善种子的膜系统[4]，保证种子处于生理代谢过程中的准备状态[5]；活化种子内部酶体系，提高细胞膜和细胞器的自我修复能力[6]；对DNA也具有一定的修补能力。辛艳[7]和董志朋等[8]研究表明，农作物种子经过引发后，其活力和抗逆性都获得了不同程度的增强，田间成苗率、出苗率及苗整齐度也有增加。目前，种子引发处理技术已相当成熟。PEG(Polythylene Glycol)是理想的实验室引发剂[9]，PEG引发属于种子引发中的渗调引发。谷子(SetariaItalica(L.)P.Beauv)抗旱耐瘠，水稻利用效率高、适应性广，被认为是应对未来水资源短缺的战略贮备作物[10]。

本试验采用15%[11]PEG溶液对20份谷子品种进行种子引发，对谷子种子活力进行综合评价，旨在筛选引发效果好的品种。

1 材料与方法

1.1 材 料

20个供试谷子品种详见表1，种子引发剂PEG-6000。

表1 20个供试谷子品种Table 1 List of 20 tested foxtail millet varieties

1.2 方 法

试验于室内进行。选择形状一致、成熟无病害的种子，用75%乙醇溶液消毒10 min，再用蒸馏水冲洗4次。配制质量浓度为15%的PEG-6000溶液对谷子种子浸种24 h，对照为蒸馏水浸种。室内发芽试验条件和程序参照王慧茹[12]的方法。白天25 ℃晚上10 ℃条件下进行7 d标准发芽试验，第8天随机取样10株测芽长与根长。对所取10株幼苗测鲜重，随后80 ℃烘干至恒重，测干重。种子活力相关指标的测定参考辛秋宇[13]。综合指标值(Zi)、隶属函数分析(U)、综合指标权重(Wi)、试验材料的综合值(D)的计算参照张巩亮等[14]的方法。对试验数据进行统计分析，数据整合、描述性统计、综合评价以及主成分分析、聚类分析。

确定种子活力相关指标：每天调查种子发芽数，根长、芽长超过种子直径的一半，调查持续到第8天。第8天直接测量谷子根长、芽长和鲜重，在测量鲜样之后，将样品放在信封中30 min，然后在105 ℃温度下杀青，在80 ℃温度下干燥至恒重并宣布干重。

1) 种子萌发相关指标测定。日发芽数目：调查7 d内每天种子发芽数目。发芽势、发芽率、并计算发芽指数，其中发芽势为发芽3 d的发芽数占供试种子的百分比，发芽率为发芽7 d发芽种子占供试种子的百分比，发芽指数是累计发芽数与日数之比的和。根长、芽长、10株根及芽鲜干重：第8天测量10株谷子幼苗每株根长、芽长和10株鲜重，称重后将样品放在硫酸纸袋中，然后在105 ℃温度下杀青30 min，在80 ℃温度下干燥至恒重并称取10株干重。

2) 综合指标值和隶属函数。

μ(Zi)=(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin),i=1,2,3,...,n；

式中:αi是某一指标特征值所对应的特征向量；xi是指标相对值。μ为第i个主成分的隶属函数值；Zi是第i个的综合指标值；Zimin和Zimax分别为的第i个综合指标的最小值和最大值。

3) 综合各项指标的权重(Wi)和试验材料的综合值(D)

式中:Wi是第i个综合指标的权重；Pi是第i个综合指标的贡献率;D值为主成分分析获得的性能综合评分值。

2 结果与分析

2.1 PEG引发对萌发期谷子的影响

在PEG引发下，20个品种的发芽势和鲜重与ck比较存在显著差异(表2)。发芽势的平均值为86.77%；最大值为97.33%，分别是九谷15和九谷20；最小值为63.33%，为龙谷26；7个品种的发芽势达到90%以上，3个品种在80%以下。鲜重的平均值为0.109 g，最大刀把齐(0.134 g)；最小大叶青粘谷(0.076 g)；7个品种的鲜重超过0.120 g，3个品种的鲜重低于0.090 g。发芽率、发芽指数、根长、芽长和干重与ck较差异不显著。

变异系数最大为鲜重(18.35%)，芽长(13.45%)次之；最小为发芽率(4.26%)，发芽势(9.09%)次之。

表2 PEG引发对谷子萌发期性状的影响Table 2 Effects of PEG priming on the germination characters of foxtail millet

表3 PEG引发对萌发期谷子各指标的相关分析Table 3 Correlation analysis of PEG priming on various indexes in germinating foxtail millet

2.2 PEG引发对萌发期谷子各指标的相关分析

PEG引发后种子的发芽势与发芽率和发芽指数呈极显著正相关，相关系数分别为0.776和0.878；发芽率与发芽指数同样呈极显著正相关，相关系数为0.826；根长与芽长呈显著正相关，相关系数为0.494；干重与鲜重极显著正相关，相关系数为0.931(表3)。

2.3 PEG引发对萌发期谷子主成分分析

由于各性状的相关分析可能导致信息重叠而影响分析结果，因此通过主成分分析进行各性的综合评价，以累计贡献率达到80%的原则确定主成分。由表4可知，前4个主成分贡献率分别为38.296%，25.446%，15.835%和12.486%。累计贡献率达92.064%，表明前4项主成分代表了7项指92.064%的变异信息。其中，第一主成分(PC 1)的以发芽指数的绝对值载荷较高(0.598)；第二主成分(PC 2)以芽长的绝对值载荷最高(0.669)；第三主成分(PC 3)以干重的绝对值载荷最高(-0.802)；第四主成分(PC 4)以鲜重的绝对值载荷最高(0.721)。

表4 PEG-6000引发对萌发期谷子主成分分析Table 4 Effect of PEG-6000 priming on principal components and factors of foxtail millet during germination

2.4 种子活力综合评价

通过计算各试验材料的综合指标值和各主成分隶属函数值。随后计算出前4个性状的主成分权重分别为0.416、0.276、0.172、0.136。通过加权法计算出种子活力综合评价值D。由表5可知，所有试验材料的平均D值为0.465，分布区间在0.235～0.710之间。金穗黄金谷、绿谷王和燕谷1号D值排在前3位，分别为0.710，0.683和0.606，说明该3个品种受PEG引发效果好。引发效果最差的是公矮2(11号)，D值为0.235，其次是晋谷29(3号)，D值为0.326(见表5)。

表5 参试材料D值及排序Table 5 D values and sequences of test materials

2.5 种子活力聚类分析

以D值为依据，对20份谷子材料进行聚类分析，在欧式距离0.28处可分为四类：分别为高活力、中高活力、常规活力和低活力型(图1)。第Ⅰ类由2、9号组成的高活力型类群，占总材料数的10%；第Ⅱ类由1、8、15、16、4、6、10号等7个材料组成的中高活力型类群，占总材料数的35%；第Ⅲ类由5、14、7、13、18、20、12、19号等8个材料组成的常规活力型类群，占总材料数的40%；第Ⅳ类由3、17、11号组成的低活力型类群，占总材料数的15%。

图1 20个参试品种种子活力情况系统聚类分析 Fig.1 Systematic cluster analysis on seed vigor of 20 varieties

3 讨 论

种子引发方法及技术有多种，杨小环等[15]认为，不同的种子引发技术拥有共同的试验程序。渗调引发是引发方法的基础，该方法能够根据不同的情况和试验对象，灵活改变试验过程中的处理条件，如浓度、时间、温度和光照强度等，应用范围较广泛。大分子的聚乙二醇(相对分子质量≥6 000)不能透过细胞壁，在整个引发过程中发挥着调节渗透的作用，控制渗透压，调节种子吸水速率，是渗调引发选择较多的试验药剂。此外还有一些其他化学试剂或混合药剂也可以应用，如脯氨酸、甘露醇及KNO3+K3PO4、PEG+链霉素等。以上试剂作为引发剂时，都是让种子通过渗透液吸收水分，保持种子内部水势的均一性，让种子保持在吸胀滞缓期，也就是胶体吸水达到饱和，处于吸水停滞状态下发生代谢活动，同时弱化种子内部胚根附近的组织，防止其伸出。该过程还可辨别是否存在“假萌动”现象(图2)。张卫华等[15]研究表明，受引发种子的吸胀过程始终保持均匀状态，细胞内部环境良好，细胞膜的结构与功能以及各细胞器发育正常。萌发种子的ATP含量也有不同程度的提高[17-18]，同时，在吸胀过程中种子的呼吸作用增强，呼吸释放出的能量能够满足谷子幼胚生长对能量的要求。谷子吸水膨胀后，会有一个内部物质转化的生理过程，这个过程由多种酶控制。当吸水膨胀达到饱和，各类酶促反应开始活动，胚乳内所含蛋白质、脂肪、淀粉等比较复杂的有机物质开始转化为简单的碳水化合物和可溶性的含氮化合物，这些物质能够被胚直接吸收和利用。白占兵等[19]研究认为，由于引发之后种子内部活化水解酶活性的提高，提高了种子活力。

在种子自身潜能是活力的主要限制因子前提下，PEG引发作为外部因素来影响谷子种子的活力，体现不同条件下种子的适应程度。该理论适用于Woodstock在1973年所推出的种子活力双向量二维分析图(图3)。图中横坐标为温度、光照、pH值等(包括PEG等)组成的环境因子的幅度，纵坐标表示种子活力的强度。曲线(a)表示活力最强，曲线(b)表示活力较弱，适应范围较小，曲线(c)表示活力较弱，效应强度降低。

生产实践中，种子批发芽率的高低并不能完全反映作物田间生长情况，并且可能存在较大差异。在不同的环境条件下，种子引发可被广泛应用，提高作物萌发率和出苗率。提高种子的活力水平，对苗期的壮苗十分有利，增加最终产量[20]。

图2 种子吸胀模式Fig.2 Pattern diagram of seed imbibition

图3 种子活力双向量二维分析Fig.3 Two-dimensional analysis chart of two-way quantity of seed vigor

4 结 论

本试验结果表明，PEG引发可有效提高谷子种子活力，但是不同谷子品种引发效果存在差异。20份谷子品种的发芽势、鲜重存在显著差异，且萌发期各性状的变异系数由小到大为发芽率、发芽势、发芽指数、根长、干重、芽长、鲜重；种子发芽势、发芽率和发芽指数均呈极显著正相关，根长与芽长呈显著正相关；干重与鲜重呈极显著正相关。筛选出受PEG引发提高种子活力效果显著的2个品种，分别是绿谷王和金穗黄金谷。