3个豌豆变种种子萌发及幼苗生长生理对干旱胁迫的响应

雷 斌，张凤银

（1.江汉大学 生命科学学院，湖北 武汉 430056；2.东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150006）

干旱是影响植物生长和发育的主要非生物胁迫因子之一，其对植物造成胁迫是多维的，可以引起植物表型［1-3］、生理生化特性［4-6］及分子水平［7-8］等的一系列变化，严重的干旱最终导致植物死亡。豌豆（Pisum sativumL.）在世界食用豆类作物中排行第四，也是我国极为重要的一种食用豆类作物。因其营养丰富、用途广、适应性强而备受人们青睐。豌豆作为豆科作物也是一种良好的绿肥作物，其根系能进行生物固氮、培肥土壤，常作为一种主要的轮作倒茬作物，尤其是在旱区。豌豆在我国的种植面积逐年呈现增加趋势，但我国一半以上的豌豆是种植在干旱、半干旱的地区。而豌豆生长发育的苗期却是少雨季节，因而干旱会影响豌豆苗的生长，进而影响其产量和品质。干旱对品质的影响主要表现在籽粒蛋白质含量降低；对产量的影响主要是降低产量的3个构成因子，即降低每株结荚数、每荚结实率及百粒重，而且降低的程度取决于干旱遭受的时期及干旱的程度。前人的研究结果表明，从苗期到成熟期，豌豆的花荚期对水分尤其敏感，若遇缺水胁迫，对产量的影响最大，因此此期应保证有充足的水分供应［9-12］。为了探究豌豆的3个不同变种即菜用豌豆（Pisum sativumL.var.hortensePoir.）、软荚豌豆（Pisum sativumL.var.macrocarponSer.）和粮用豌豆（Pisum sativumL.var.arvensePoir.）在种子萌发期间的耐旱性能，使用浓度15%的聚乙二醇溶液模拟干旱胁迫，并采用隶属函数法对其萌芽期的耐旱性进行综合评价，以期为豌豆的抗旱栽培提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的3个豌豆变种的种子均由武汉市金阳种苗有限公司提供。聚乙二醇（PEG-6000）：分析纯，由国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 试验方法

供试豌豆种子用温汤浸种法进行表面消毒之后常温浸种6 h，让种子充分吸饱水分。铺有2层定性滤纸的培养皿作为发芽床，每个培养皿中摆放30粒种子，并加入15 mL浓度为15%的PEG-6000渗透胁迫处理液，以添加15 mL蒸馏水的处理作为对照（CK），每处理重复3次。种子在相对湿度为85%、温度为20℃、全天候光照的HPX-300BSH-III恒温培养箱中培养。每天更换滤纸并加入15 mL原处理液，以保持浓度相对稳定。种子培养8 d，结束萌发试验。

1.3 测定指标

1.3.1 豌豆种子萌发指标的计算方法依据我国1995年颁布的农作物种子检验规程（GB/T 3543.4—1995）［13］，统计豌豆种子萌发指标，其中豌豆的发芽势/%=前4 d正常发芽的豌豆种子数/供试豌豆种子数×100；发芽率/%=前8 d内正常发芽的豌豆种子数/供试豌豆种子数×100；发芽指数=∑（Gt/Dt），其中Gt为第t天发芽的豌豆种子数，Dt为相应的发芽天数；活力指数=发芽指数×S，其中S为豌豆幼苗根和芽的总长度（cm）。

1.3.2 豌豆幼苗生长指标及生理指标测定在豌豆种子萌发的第8天，从每个培养皿中随机取10株豌豆幼苗，测量主根和芽的长度，统计侧根数量，测量幼苗的丙二醛（MDA）含量、脯氨酸（Pro）含量。其中幼苗的丙二醛（MDA）含量及脯氨酸（Pro）含量均参考文献［14］的方法进行测定。

1.4 试验数据处理方法

利用Excel 2019对获得的试验数据进行整理，各处理每项指标的统计值用（均值±标准误差）来表示，应用DPS 2000软件的t-test分析对每个性状的对照和处理之间的差异显著性进行比较。

伤害率/%=（渗透胁迫后性状指标统计值—对照性状指标统计值）/对照性状指标统计值×100；

相对性状指标=渗透胁迫处理下性状测定值/对照性状测定值×100［15］；

采用模糊隶属函数法综合评价3个豌豆变种的耐旱能力。隶属函数值的计算方法参考文献［16］。

本试验中，豌豆的种子萌发指标以及幼苗的生长指标和脯氨酸含量与抗旱性呈正相关，其隶属函数值计算公式：Uij=（Xij—Xmin）/（Xmax—Xmin），式中：Uij为第i个豌豆变种的第j个指标的抗旱隶属函数值；Xij为第i个豌豆变种的第j个指标值；Xmin，Xmax分别为所有参试材料的第j个指标的最小值和最大值。

本试验中，幼苗的丙二醛含量与抗旱性呈负相关，则可以通过反隶属函数计算其抗旱性隶属函数值：Uij=1—（Xij—Xmin）/（Xmax—Xmin）。此外，式中的各个指标值均用相对性状指标值，其目的是为了减少供试材料间固有的差异。

本试验共有9个相对性状指标，即相对发芽势（RGE）、相对发芽率（RGR）、相对发芽指数（RGI）、相对活力指数（RVI）、相对主根长（RRL）、相对芽长（RSL）、相对侧根数（RNLR）、相对MDA含量（RMDA）、相对脯氨酸含量（RPRO）。

再将通过模糊隶属函数公式求出的不同豌豆变种的各个相对指标的隶属函数值相加求其平均值。根据求得的平均值大小来确定抗旱性的强弱并进行排序，平均隶属函数值越大，抗旱性越强［16］。

2 结果与分析

2.1 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种种子萌发特性的影响

2.1.1 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种发芽势的影响不同的豌豆变种在受到相同程度的干旱胁迫以后，其发芽势的响应不同（表1）。与对照相比，浓度15% PEG-6000溶液处理对菜用豌豆和粮用豌豆的发芽势无影响，而显著提高了软荚豌豆的发芽势，较对照提高了25.00%。

表1 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种发芽势的影响Tab.1 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the germination potential of different pea variants

2.1.2 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种发芽率的影响从表2可以看出，15%PEG-6000溶液处理对3个豌豆变种发芽率的影响与发芽势一致，即与对照相比，15%PEG-6000对粮用豌豆与菜用豌豆的发芽率分别比各自的对照下降了1.43%和1.39%，它们的发芽率与对照差异不显著；而显著提高了软荚豌豆的发芽率，较对照提高了38.71%。

表2 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种发芽率的影响Tab.2 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the germination rate of different pea variants

2.1.3 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种发芽指数的影响由表3可知，3个豌豆变种的发芽指数对浓度15%PEG-6000溶液渗透胁迫的响应不同，显著提高了软荚豌豆的发芽指数，而明显降低了粮用豌豆和菜用豌豆的发芽指数。经过15%PEG-6000溶液渗透胁迫后，软荚豌豆的发芽指数比对照提高了23.18%；而粮用豌豆和采用豌豆的发芽指数较对照分别降低了21.15%和12.57%。

表3 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种发芽指数的影响Tab.3 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the germination index of different pea variants

2.1.4 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种活力指数的影响由表4可知，15%PEG-6000溶液渗透胁迫对3个不同豌豆变种的活力指数影响与对其发芽指数的影响相同，即显著提高了软荚豌豆的活力指数，明显降低了粮用豌豆和菜用豌豆的活力指数。经15% PEG-6000渗透胁迫后，粮用豌豆和菜用豌豆的活力指数均大幅下降，分别较对照下降了57.11%和44.03%，而软荚豌豆的活力指数较对照增加了25.96%。

表4 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种活力指数的影响Tab.4 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the vitality index of different pea variants

2.2 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种幼苗生长指标的影响

2.2.1 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种主根生长的影响15% PEG-6000溶液渗透胁迫促进了软荚豌豆主根生长，而抑制了粮用豌豆和菜用豌豆主根生长（表5）。软荚豌豆在渗透胁迫下的主根长与对照的增量为38.78%，而粮用豌豆和菜用豌豆较对照减少了26.42%和22.53%。

表5 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种主根长的影响Tab.5 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the main root length of different pea variants

2.2.2 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种芽长的影响表6的结果显示，3个不同豌豆变种的种子在萌发期间受到15% PEG-6000渗透胁迫后，均显著抑制了幼苗芽的生长。其中，粮用豌豆的芽生长受抑制程度最大，其幼苗的芽长仅为对照的32.76%，其次是菜用豌豆，其芽长为对照的45.24%，而受抑制程度相对低的是软荚豌豆，幼苗的芽长为对照的72.98%。

表6 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种芽长的影响Tab.6 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the bud length of different pea varieties

2.2.3 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种侧根数的影响15% PEG-6000溶液的渗透胁迫对3个不同豌豆变种幼苗侧根形成的影响不同（表7），促进软荚豌豆侧根的形成，抑制粮用豌豆和菜用豌豆幼苗侧根的形成。其中受15% PEG-6000溶液渗透胁迫后，软荚豌豆幼苗的侧根数较对照提高了81.51%，而粮用豌豆和菜用豌豆幼苗的侧根数分别较对照减少了33.59%和39.35%。

表7 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种侧根数的影响Tab.7 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the number of lateral roots in different pea varieties

2.3 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种幼苗生理指标的影响

2.3.1 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种丙二醛含量的影响由表8可知，3个豌豆变种经15% PEG-6000溶液渗透胁迫后幼苗体内的丙二醛含量均有不同程度的增加。增加幅度最高的是菜用豌豆，较对照增加了31.00%；其次是粮用豌豆，为25.54%；增加幅度最小的是软荚豌豆，为9.17%。

表8 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种丙二醛含量的影响Tab.8 Effect of PEG-6000 osmotic stress on malondialdehyde content in different pea variants

2.3.2 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种脯氨酸含量的影响由表9可知，在经过15%PEG-6000溶液处理后，3个不同豌豆变种幼苗体内的脯氨酸含量也均有不同程度的升高。与对照相比，软荚豌豆幼苗体内脯氨酸含量的增加幅度最小，为97.98%；其次是粮用豌豆，为114.00%；增加幅度最大的是菜用豌豆，是对照的4倍。

表9 PEG-6000渗透胁迫对不同豌豆变种脯氨酸含量的影响Tab.9 Effect of PEG-6000 osmotic stress on the proline content of different pea variants

2.4 不同豌豆变种耐旱性能综合评价

在干旱胁迫下，3个豌豆变种的隶属函数值及平均隶属值见表10。从表10中可知，软荚豌豆、粮用豌豆和菜用豌豆的平均隶属值分别是0.889、0.042、0.200。综合分析表明，耐旱能力最强的是软荚豌豆，其次是菜用豌豆，耐旱能力最弱的是粮用豌豆。

表10 不同豌豆变种耐旱性综合评价Tab.10 The comprehensive evaluation of drought resistance of different pea variants

3 讨论与结论

植物遭受干旱胁迫后，脱水严重使细胞膜结构破坏、膜的透性增加。而MDA含量水平是反映细胞膜破坏程度的一个重要指标。有研究发现，植物在干旱胁迫下，其MDA含量呈增加的趋势［17］，而且抗旱性能强的植株MDA含量的增幅较抗旱性弱的增幅小［18］。本研究发现，豌豆的3个变种受到干旱胁迫后，萌发期幼苗体内的MDA含量都有不同程度的增加，说明干旱胁迫后细胞膜遭受破坏，该结果和顾建勤等［18］及张红萍等［19］的研究结果一致。

干旱胁迫一方面使植物出现代谢紊乱，另一方面植物也会产生应急机制，提高对胁迫环境的适应能力。前人研究发现，干旱胁迫下脯氨酸含量的增加是植物在逆境下的一种自我保护措施［20］。张红萍等［19］和本研究均发现豌豆为了应对干旱胁迫，也提高植物体内的脯氨酸含量。

不同豌豆变种的相同生理指标对同一程度干旱胁迫的响应不同。浓度15%的聚乙二醇（PEG-6000）溶液抑制了3个不同豌豆变种幼苗芽的生长，提高了丙二醛和脯氨酸的含量；提高了软荚豌豆的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数，促进主根和侧根的生长，对粮用豌豆和菜用豌豆的发芽势和发芽率无影响，而不同程度降低其发芽指数和活力指数，抑制主根和侧根的生长。因此，若选用单一的指标来评价与比较3个豌豆变种的抗旱性极易出现偏差。隶属函数法是一种依据多个指标对逆境的响应来综合评价植物抗逆性能大小的方法，该方法已得到广泛应用［21-24］。本研究根据3个豌豆变种萌发期的9个指标对干旱胁迫的响应，采用隶属函数法进行综合评价，得出3个不同豌豆变种的耐旱性能从强到弱依次为软荚豌豆、菜用豌豆、粮用豌豆。

对于粮食、蔬菜等作物抗逆性鉴定，按照生育期可分为萌发期、苗期和成株期鉴定。由于萌发期鉴定具有操作方便、周期短、效率高等特点而被广泛应用［25］。本研究对3个豌豆变种抗旱性能的鉴定在萌发期进行，但萌发期的鉴定结果是否与苗期以及成株期鉴定结果一致，还有待进行深入的研究。对于作物抗旱性鉴定的研究，不同研究所筛选的鉴定指标不同。刘学文等［26］发现大豆品种胚根的长短与耐旱性能成正相关；赵愉风等［9］筛选出发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数以及根长可作为豌豆萌发期抗旱性优先评价的指标，这和本试验的研究结果一致，以上4个指标大，其抗旱性能强。本试验发现豌豆幼苗的侧根数、MDA含量以及脯氨酸含量并非与豌豆的抗旱性大小一致。此外，豌豆幼苗的鲜重，POD、SOD以及CAT等细胞膜保护酶的活性大小是否可作为豌豆抗旱性强弱的优先鉴定指标，还有待进一步研究。