不同引发剂对干旱胁迫下‘旱优73’种子萌发和幼苗生长的影响

张康康,余 庆,朱坤淼,吉晓晨,胡立勇,毕俊国,罗利军

(1华中农业大学,武汉 430070;2上海市农业生物基因中心,上海 201106)

水稻是世界三大粮食作物之一,也是灌溉水需求量最大的粮食作物,传统水稻生产极易受到干旱的影响而导致产量下降。为解决水稻生产对水分过度依赖的问题,我国科学家培育出“节水抗旱稻”,通过十余年的努力,已育成包括籼型、粳型、杂交和常规4个系列的节水抗旱稻新品种,并在生产上大面积推广应用[1]。与水稻相比,节水抗旱稻具有节水、抗旱和易栽培等特点,可采用旱直播旱管的种植方式。旱直播不仅可有效地降低灌溉量,还可大幅减少水稻生产成本,实现节本增效。目前,由于旱直播下土壤水分含量相对较低,加上种子本身质量有所差异,导致诸如播种量大、出苗率低、出苗不整齐、苗期生长缓慢等问题,对节水抗旱稻后期群体建成造成负面影响,亟需在播种技术上进行进一步改进。

种子引发是一种通过控制种子缓慢吸水膨胀,然后逐步回干的播前种子处理技术[2]。前人研究表明,采用不同类型的引发方法,如激素引发、无机物质引发等[3],能够有效促进不同作物种子的萌发[4],显著提高出苗率,从而减少用种量,降低用种成本[5]。同时,种子经过引发后,其幼苗生长更快、封行更早,可有效减少田间空窗期[6],有利于抑制杂草生长。在前人研究的基础上,本试验选择木醋液、褪黑素、硫酸亚铁等3种物质作为引发剂,进行种子引发,比较旱直播下3种引发物质在促进种子萌发和幼苗生长方面的效果,为节水抗旱稻旱直播栽培技术体系的完善提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料:籼型杂交节水抗旱稻‘旱优73’,该品种的种子由上海天谷生物科技股份有限公司提供。

供试引发剂:木醋液由湖北楚天生物质能源科技开发有限公司提供;褪黑素由上海源叶生物科技有限公司生产;硫酸亚铁(FeSO4)由国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 试验设计

1.2.1 PEG浓度梯度及种子萌发方法

利用PEG6000(国药集团化学试剂有限公司生产)模拟干旱胁迫,筛选模拟种子萌发过程中,干旱胁迫处理效果较好的PEG浓度。水培盒(24 cm×17 cm×8.5 cm)内设置PEG浓度梯度为0%、5%、10%、15%、20%和25%。将干种子播在具有独立播种区域(播种区域相互独立,互不影响)的带孔浮板上,浮板两边采用泡沫板夹住,使浮板漂浮在溶液表面。每个区域播种40粒。水培盒完全随机排列在光照培养箱内,培养箱设置为白天(12 h)30℃,黑暗(12 h)25℃,光照强度30 000 lx,生长箱的相对湿度保持在60%左右。

1.2.2 种子引发处理

挑选饱满、大小基本一致的‘旱优73’种子,使用1%次氯酸钠溶液浸泡15 min进行消毒处理,然后用蒸馏水冲洗3遍,用吸水纸吸去种子表面的水分。将消毒后的种子装入尼龙网袋后,分别浸入蒸馏水(水引发)、木醋液(1%、2%、4%)、褪黑素(25μmol∕L、50μmol∕L、100μmol∕L)、硫酸亚铁(2 mmol∕L、4 mmol∕L、6 mmol∕L)溶液中,种子质量与溶液体积的比率为1∶5[7]。在25℃黑暗中引发24 h。将浸泡完成的种子用蒸馏水冲洗2 min,用吸水纸吸干种子表面水分,转移到25℃烘箱中进行干燥,待种子质量降低到与处理前质量一致后取出,完成引发处理。

1.3 测定指标

1.3.1 发芽势、发芽率、发芽指数和平均发芽时间

以正常水分条件下未引发的干种子为对照1(CK1),以干旱胁迫处理下未引发的干种子为对照2(CK2),调查不同处理的发芽势和发芽率等指标。水稻种子萌发根据AOSA(1990)[8]的标准判断。发芽势、发芽率、发芽指数和平均发芽时间的计算公式如下:

发芽势=播种后第3天发芽数∕供试种子数×100%。

发芽率=播种后第7天发芽数∕供试种子数×100%。

发芽指数=∑(Gt∕Dt),Gt为第t天的发芽种子粒数,Dt为相应的发芽天数;

平均发芽时间(d)=Σ(Ti×Ni)∕ΣNi,其中Ni是在时间Ti内新发芽的种子数[9]。

1.3.2 幼苗生长相关指标和幼苗活力指数

播种后第11天,每个重复取有代表性的幼苗10株,测定芽长、根长后,将根和芽分开,放入105℃烘箱内杀青30 min,然后75℃烘至恒重,分别称量芽干重、根干重,计算根芽比。幼苗活力指数和根芽比的计算公式如下:

幼苗活力指数Ⅰ=发芽率×(芽长+根长)[10];

幼苗活力指数Ⅱ=发芽率×(芽干重+根干重)[10];

根芽比=根干重∕芽干重。

1.4 数据分析

采用Excel 2021和Statistix 9.1软件进行数据整理和方差分析,采用R语言ggplot2作图。各处理间差异显著性分析基于0.05水平的最小显著性差异(LSD)。

2 结果与分析

2.1 PEG浓度的筛选

PEG处理不同程度抑制了‘旱优73’种子的萌发和幼苗生长。由图1可知,5%和10%PEG处理对‘旱优73’种子发芽率的影响较小,最终发芽率为95%—97%。当PEG浓度为15%时,发芽率显著降低;当PEG浓度为25%时,播后第8天的发芽率为40.3%。

图1 不同浓度PEG溶液对‘旱优73’种子萌发的影响Fig.1 Effects of different concentrations of PEG solution on seed germination of‘Hanyou 73’

与0%PEG处理相比,15%PEG处理的‘旱优73’种子发芽势降低了80.6%,发芽率降低了13.5%,发芽指数降低了49.9%,芽干重降低了51.8%,根干重降低了42.9%,幼苗活力指数Ⅰ降低了54.1%,且均达到显著水平(表1)。可见,当PEG浓度达到15%时,‘旱优73’种子受到一定程度的胁迫,种子的萌发和幼苗生长均受到了抑制。但与20%、25%PEG处理相比,15%PEG处理的‘旱优73’具有较高的芽长、根长及干物质积累。因此,为了更好地观察引发处理对于干旱胁迫的作用机制,选择15%PEG模拟干旱胁迫。

表1 不同浓度PEG溶液对‘旱优73’种子萌发和幼苗生长的影响Table 1 Effects of different concentrations of PEG solution on seed germination and seedling growth of‘Hanyou 73’

2.2 不同引发剂对干旱胁迫下‘旱优73’种子萌发的影响

由表2可知,与正常水分相比,干旱处理降低了‘旱优73’种子的发芽势、发芽率和发芽指数;而种子引发处理则有效降低了干旱胁迫的抑制作用,促进了种子萌发。在不同浓度木醋液处理中,以2%木醋液引发效果最佳。与CK2和水引发相比,该处理的‘旱优73’幼苗活力指数Ⅰ分别提高了24.8%和17.7%,幼苗活力指数Ⅱ分别提高了37.7%和25.9%,且与其他2个浓度木醋液处理差异显著。在不同浓度褪黑素处理中,以50μmol∕L褪黑素处理最佳。与CK2和水引发相比,该处理的‘旱优73’种子发芽势分别提高了156.3%和93.8%,发芽指数分别提高了23.8%和23.8%,幼苗活力指数Ⅰ分别提高了26.7%和19.4%,且与25μmol∕L褪黑素处理差异显著。在不同浓度硫酸亚铁处理中,以4 mmol∕L硫酸亚铁处理效果最佳。与CK2和水引发相比,该处理的‘旱优73’种子发芽势分别提高了194.7%和122.9%,发芽率分别提高了8.3%和5.4%,平均发芽时间分别缩短16.7%和14.6%。可见,3种引发剂在适宜浓度下均可显著促进干旱胁迫下节水抗旱稻种子的萌发并提高幼苗活力。

表2 不同引发剂对干旱胁迫下‘旱优73’种子萌发指标的影响Table 2 Effects of different priming agents on seed germination indexes of‘Hanyou 73’under drought stress

2.3 不同引发剂对干旱胁迫下‘旱优73’幼苗生长的影响

由表3可知,与正常水分相比,干旱胁迫显著抑制了未引发处理‘旱优73’幼苗的生长,芽长降低了32.6%,根长降低了54.6%,总干重降低了40.1%。种子引发处理可以有效减轻干旱胁迫的抑制作用。在不同浓度木醋液处理中,2%木醋液处理效果最佳。与CK2和水引发相比,该处理的‘旱优73’幼苗根长分别增加了31.7%、20.6%,芽干重分别增加了41.4%、33.5%,根干重分别增加了22.2%、13.6%,总干重分别增加了32.7%、24.5%,且与其他2个浓度木醋液处理差异显著。在不同浓度褪黑素处理中,以50μmol∕L褪黑素处理最佳。与CK2和水引发相比,该处理的‘旱优73’幼苗芽长均增加了13.0%,根长分别增加了27.5%、16.8%。在不同浓度硫酸亚铁处理中,4 mmol∕L硫酸亚铁处理效果最佳。与CK2和水引发相比,该处理的‘旱优73’幼苗芽长均增加了22.7%,芽干重分别增加了50.6%、42.3%,总干重分别增加了37.1%、28.6%。可见,3种引发剂适宜浓度处理均能有效促进干旱胁迫下节水抗旱稻幼苗生长。其中,以硫酸亚铁处理对提高芽长与芽干重影响更大一些,以2%木醋液对提高根长与根干重作用更大一些。从根芽比来看,不同浓度木醋液的作用均较显著。

表3 不同引发剂对干旱胁迫下‘旱优73’幼苗生长的影响Table 3 Effects of different priming agents on seedling growth of‘Hanyou 73’under drought stress

3 讨论与结论

本研究表明,3种不同物质引发处理均能不同程度地提高节水抗旱稻‘旱优73’种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数,缩短平均萌发时间,有效促进干旱胁迫下幼苗生长。木醋液是由秸秆、稻草和树木等生物质材料制备生物炭过程中产生的副产物,是一种具有多种生物学功能的植物生长调节类物质[11-12],含有154种以上的有机物[13],主要为有机酸、酚类、酯类、醛酮类,这些物质在适宜浓度下可协同作用,促进植物生长发育并提高其抗逆性。本研究发现,木醋液引发显著促进了节水抗旱稻种子萌发生长,并增强幼苗活力。木醋液促进萌发的具体物质及作用机制尚不够清楚明了,但已有研究表明,木醋液中含有的丁烯酸内酯是其促进干旱下种子萌发出苗与幼苗生长的有效物质之一[14-15]。此外,2%木醋液引发明显增加根长,这与Wang等[16]的研究结果一致,即木醋液可以有效促进干旱胁迫下小麦幼苗生长,特别对根系生长具有较强的促进作用。这可能是因为木醋液促进了茉莉酸和水杨酸的生物合成,并通过信号转导与ABA调控下游相关抗旱基因的表达。由于木醋液具有显著促进根系干物质积累的作用,因此笔者推测在幼苗后续生长中对提高水稻抗旱性有更大的作用。同时,由于木醋液含有上百种以上有效物质,其促进生长与抗逆的综合作用还有更大的潜在可能。褪黑素是一种吲哚胺类的新型植物激素,参与多种生理过程,包括调控种子萌发、调节植物生长发育、参与植物非生物和生物胁迫应答等[17],是有效的活性氧清除剂和抗氧化剂。许多研究表明,外源施用褪黑素能够增强植物的抗逆能力[18-20]。Khan等[21]研究指出,干旱胁迫下,褪黑素引发处理可以提高油菜种子萌发及幼苗建成,增强抗氧化酶活性,提高非酶促抗氧化物质与渗透调节类物质含量,从而缓解干旱胁迫对油菜幼苗的抑制。此外,研究发现,干旱胁迫下褪黑素下调ABA合成基因NCED3,降低植物体内ABA含量,同时上调细胞色素P450单氧化酶基因CYP707A1、CY-P707A2的表达,从而增强植株对干旱胁迫的抗性[20]。

铁元素是植物生长发育所必需的微量元素,其对植物叶绿素合成、电子传递链构建都是不可或缺。铁是参与线粒体电子传递链上所有酶的重要辅因子,在促进能量货币ATP生成和种子发芽等方面起着重要作用。Dey等[22]研究指出,硫酸亚铁处理增加了α-淀粉酶和蛋白酶的活性,并且上调了水通道蛋白表达,从而促进水稻种子的萌发生长。刘艾等[23]研究发现,适当浓度的硫酸亚铁处理可以促进木豆种子萌发。这与本研究结果基本一致,硫酸亚铁引发处理可以有效提高种子发芽率、发芽势,这可能归因于引发处理提高了幼苗内的淀粉酶活性,促进淀粉降解,加速稻种内部糖代谢进程,进而提高可溶性糖含量,促进节水抗旱稻种子萌发和幼苗生长。

综上所述,木醋液、褪黑素和硫酸亚铁引发均能提高节水抗旱稻干旱胁迫下的种子活力、出苗率与幼苗素质,以2%木醋液、50μmol∕L褪黑素、4 mmol∕L硫酸亚铁引发处理效果较好。其中,2%木醋液处理可有效增加‘旱优73’种子的根长,促进根系生长;4 mmol∕L硫酸亚铁可提高‘旱优73’种子的萌发率与幼苗生物量。