三种植物提取物对棉花种子发芽及幼苗生长影响

周小云,张军高,3,周佳玉,李 进,3,秦冰霜,梁 晶,龚静云,雷 斌,3

(1.新疆农业科学院核技术生物技术研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091;2. 新疆作物化学调控工程技术研究中心/农业农村部盐碱土改良与利用(干旱半干旱区盐碱地)重点实验室,乌鲁木齐 830091;3.新疆绿洲兴源农业科技有限责任公司,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】植物源生长调节剂是利用植物资源作为提取原料,经过特殊的提取方法提取物参与调控作物生长发育的活性成分,与化学合成的生长调节剂相比,植物源生长调节剂具有具有高效、低毒、纯天然、易降解等优点[1]。当前研究发现多种植物源活性成分对农作物生长发育具有一定调控作用。因此,分析从植物源中提取的天然植物生长调节剂,应用于农业生产实践对发展绿色农业具有重要意义。【前人研究进展】苦参提取物苦参碱(Matrine)对玉米[2]、绿豆[3]、小麦[4]种子萌发和幼苗生长具有促进作用;孜然提取物枯茗荃(Cuminaldehyde)对双子叶植物和单子叶植物的广谱生长抑制活性[5],抑制生长素诱导的燕麦胚芽鞘伸长抑制芽和根生长,并降低叶绿素含量和总酚类化合物[6, 7];曼陀罗提取物曼陀罗碱(Datumetine)对绿豆[8]和玉米[9]种子萌发、促进种苗的伸长等方面都有显著优势。可见,具有植物生长调节剂功能的植物提取物对作物生长发育具有一定调控作用。【本研究切入点】苦豆子(Sophraalopecuroides),孜然(Cuminumcyminum),曼陀罗(Euphorbiapekinensis)的甲醇提取物分别含有苦参碱[4]、曼陀罗碱[8,9]、枯茗醛[10]对作物生根发芽等具有调控的作用,但对棉花种子萌发与幼苗生长等相关研究却鲜有报道。需研究不同植物甲醇提取物对棉花种子萌发和幼苗生长的影响。【拟解决的关键问题】采用主成分分析法评价植物提取物对棉花生长活性最优的植物提取物,研究植物提取物对棉花种子萌发与幼苗的影响,为研制植物源农药新产品提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试棉花品种为新陆早57号,由新疆农业科学院经济作物研究所提供。

供试植物:孜然、曼陀罗和苦豆子三种植物(采自新疆农业科学院玛纳斯试验站药用植物基地),阴干、粉碎,过40目筛后装入密封袋内保存备用。

1.2 方 法

1.2.1 植物提取物的制备

采用超声波提取法提取植物样品。分别称取植物干粉50.0 g,加入甲醇(料液质量比为1∶10)进行提取,每次30 min重复提取3次;过滤3次,滤液在37.0℃减压浓缩成浸膏,参照郭小强等[11]方法分别将浸膏配置成1.00 g/mL母液,放入4.0℃冰箱中保存备用。

1.2.2 种子萌发

采用沙培法进行种子萌发试验。种子采用75%乙醇预处理10 min,再用10% NaClO处理40 min的方法进行表面消毒,用无菌水冲洗3次,晾干备用。以蒸馏水处理作为对照,将孜然、苦豆子和曼陀罗植物提取物母液按照活性成分浓度稀释分别制备成100、10、1、0.1、0.01 mg/mL的溶液,分别记作:CK、C1、C2、C3、C4、C5、S1、S2、S3、S4、S5、E1、E2、E3、E4、E5。将棉种浸泡到所设浓度的孜然、苦豆子、曼陀罗植物提取物中,室温条件下浸种10 h,然后使用吸水纸吸干棉种表面的水分,即得到植物提取物处理棉种,备用。经水洗净的细砂烘干热灭菌后回温到室温下,在发芽盒内加入1 000 g细砂和160 mL蒸馏水拌匀摊平,在发芽盒沙床上等距离摆放不同提取物处理的30粒棉种,覆沙300 g后加入48 mL蒸馏水;3次重复;将发芽盒置于25℃的光照培养箱(12 h光照、12 h黑暗)中培养。

1.2.3 测定指标

参照高荣岐等[12]方法计算发芽势、发芽率、发芽指数以及活力指数等种子萌发指标:参照施成晓等[13]方法,测定棉花株高、侧根数、茎粗、叶片数、干鲜物质重量等幼苗生长指标以及干物质转化效率和呼吸消耗量等干物质转移指标。使用尺子测量主根长度和侧根发生区(根、茎交界处到最幼嫩侧根之间的距离)长度,记录主根上肉眼可见的长于1 mm 的一级侧根数目。使用万分之一电子天平测定棉花植株鲜重,于105℃烘干杀青30 min,70℃烘至恒重,记录棉株干重。

参照吕丽荣等[14]方法。采用Li-6400 XT型便携式光合仪(美国LI-COR公司),于棉花子叶期在人工气候室测定棉花子叶的光合特性,每个处理随机选取10株,取平均值。光合参数测定:使用LED 2×3型红蓝光源叶室,闭合式气路,叶室温度设为25℃,CO2浓度约为380.0 μmol/L,光合有效辐射(Photosynthetically effective radiation,PAR)设定为1 200.0 μmol/(m2·S)。光合气体交换参数主要包括胞间净光合速率(Net photosynthesis rate,Pn)、气孔导度(Stomatal conductance,Gs)、胞间二氧化碳浓度(Intercellular CO2concentration,Ci)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)和气孔限制值(Stomatal limiation)。

参照Williamson和Richardson[15]方法,计算各指标化感作用测定效应指数即反应指数(Response Index,RI)。

式中,G为正常发芽种子数,N为种子总数,Gt为第td统计的发芽数,Dt为Gt相对应种子出苗经历时间(d);W1为发芽前随机选的 10粒各处理种子干重(g),W2为发芽 12 d 后随机选取的10 株幼苗的种子残留物干重(g),W3为 12 d 后随机选取的 10 株幼苗的干物质质量(g);C为CK值,T为处理值,RI>0为促进作用,RI<0为抑制作用,绝对值的大小与强度一致;Ci为胞间CO2浓度,Ca为空气CO2浓度,闭合气路下Ca=400.0 μmol/L;G0为 25℃第4 d统计的发芽种子数。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2010进行数据计算,SPSS Statistics 25.0软件进行方差分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同植物提取物对棉花种子萌发的影响

研究表明,不同植物提取物对棉花种子发芽指标具有不同的影响。其中,与CK比较,1 mg/mL苦豆子提取物处理的棉种发芽率、发芽指数分别增加8.89%、7.10%,0.1 mg/mL孜然甲醇提取物处理的棉花种子发芽势、发芽率、活力指数分别增加29.98%、8.00%、2.99%,达到显著差异水平。另外100 mg/mL苦豆子、孜然及曼陀罗提取物处理的棉种发芽率分别降低62.23%、66.67%以及86.67%,发芽指数分别降低89.13%、94.66%以及94.61%,达到显著差异水平。0.1 mg/mL孜然与1 mg/mL苦豆子甲醇提取物可以明显提高棉花种子的萌发活力,3种植物的高浓度提取物则会明显降低棉花的发芽指标,对棉花幼苗产生化感抑制的作用。表1

表1 不同植物提取物处理下棉花种子发芽指标比较

2.2 不同植物提取物对棉花幼苗农艺性状影响

研究表明,不同植物提取物浸种对棉花幼苗生长具有不同程度的影响,并且提取物浓度的不同也会影响棉花幼苗的生长效果。其中,与CK比较,1 mg/mL苦豆子甲醇提取物处理的棉花幼苗的茎粗、主根长、须根数、鲜重、干重以及干物质转运率分别提高24.61%、8.87%、20.00%、66.09%、50.00%以及4.90%,0.1 mg/mL孜然甲醇提取物处理的棉花幼苗的茎粗、主根长、须根数、鲜重以及干物质转运率分别提高7.33%、6.59%、10.00%、51.72%以及2.79%,1 mg/mL苦豆子与0.1 mg/mL孜然甲醇提取物的株高分别降低11.73%与3.22%。1 mg/mL苦豆子与0.1 mg/mL孜然甲醇提取物对棉花的幼苗生长具有一定的促进作用。表2

2.3 不同植物提取物对棉花种子干物质转移的影响

研究表明,不同植物提取物浸种对棉花种子干物质转移具有不同程度的影响。其中,与CK比较,1 mg/mL苦豆子甲醇提取物处理的棉花幼苗的鲜重、干重以及干物质转运率分别提高66.09%、50.00%和4.90%,0.1 mg/mL孜然甲醇提取物处理的棉花幼苗的鲜重以及干物质转运率分别提高51.72%和2.79%。1 mg/mL苦豆子与0.1 mg/mL孜然甲醇提取物对棉花的种子干物质转移具有一定的促进作用,提高种子内物质的代谢能力,使得芽苗健壮。表3

表2 不同植物提取物处理下棉花幼苗形态指标比较

2.4 不同植物提取物液对棉花幼苗光合特性的影响

研究表明,不同提取物处理对棉花幼苗光合特性具有一定影响,而且部分低浓度的提取物处理能够提高棉花幼苗的光合特性。其中,与CK比较,1 mg/mL苦豆子甲醇提取物处理对棉花幼苗的气孔导度以及胞间二氧化碳浓度分别显著提高5.21%、7.10%。0.1 mg/mL孜然甲醇提取物处理对棉花幼苗的净光合速率、气孔导度以及胞间二氧化碳浓度分别提高12.90%、4.27%、5.33%,达到显著差异水平,0.01 g/mL孜然甲醇提取物处理对棉花幼苗的净光合速率、气孔导度以及胞间二氧化碳浓度分别提高9.68%、5.21%、4.98%,而蒸腾速率与气孔限制值差异不显著。1 mg/mL苦豆子、0.1 mg/mL孜然、0.01 g/mL孜然甲醇提取物处理可以提高棉花幼苗的光合能力,增加物质积累,促进棉苗生长。表4

表3 不同植物提取物处理下棉花幼苗干物质转移相关指标比较

表4 不同植物提取物处理下棉花幼苗子叶光合特性比较

2.5 不同提取物化控效果的主成分排序

研究表明,总共提取4个主成分,主成分的特征值分别为7.00、1.92、1.20和1.04,贡献率分别为53.88%、14.76%、9.20%和8.00%,累积贡献率为85.83%,提取前4个主成分作综合评价。1 mg/mL苦豆子提取物处理对棉花生长影响的综合评价为2.29,在综合评价分别排在第1位,0.1 mg/mL孜然提取物处理的综合评价值次之。表5

表5 主成分比较

3 讨 论

3.1植物提取物的活性成分对作物生长发育具有调控作用[16]。核桃叶的水浸提液对棉花种子萌发与幼苗生长均有抑制效应,且抑制作用随着浓度的增高而增强[17];银杏外种皮提取物能够促进桑树的生长以及改良桑叶的品质[18];香附[19]提取物可促进小麦等种子发育和生长加快。研究表明,低浓度的苦豆子甲醇提取物促进棉花幼苗生长,与苦豆子提取物促进黄瓜[20]和小麦[11]根系的形成和生长的研究结果一致。

3.2植物提取物对作物净光合速率产生影响,增加或减少营养物质积累,进而影响产量。毛竹[21]提取液对浙江楠净光合速率及幼苗生长呈现低促高抑的规律;银杏[22]外种皮提取物提高了桑树叶片的净光合速率,从而增加了桑叶的产量。研究表明,苦豆子提取物处理提高棉花幼苗叶片的光合能力,促进棉花幼苗生长,可能是苦豆子提取物中含有某种物质涉及到更为复杂的生理生化过程,更利于植株叶片光合作用,从而提高光合能力,其机理需进行深入研究。

3.3由于棉花生长、净光合速率等光合参数指标存在相互联系,在对其进行评价时,不能只考虑某一个性状或随机某几个性状的优劣而应该对其进行全面系统科学综合评价,而主成分分析法可以利用降维的方式用少数综合指标代替原本较多的单个指标来综合评价其作用效果,是一种有效的综合评价方法。利用主成分分析可以鉴定与评价作物种子萌发期耐冷性、抗旱性和耐盐碱能力[23, 24]。研究表明,各处理的棉花发芽率等发芽指标、株高等形态指标、净光合速率等光合参数指标共13个指标中共提取4个主成分进行综合评价,在综合评价第1位的1 mg/mL苦豆子提取物处理明显促进棉花种子萌发以及幼苗生长,对棉花种子化感效应最佳,苦豆子提取物在棉花生产上具有很好的应用前景,但对植物提取物高效提取方式、产品剂型、田间应用等,尚需进一步深入研究。

4 结 论

苦豆子、孜然和曼陀罗3种低浓度甲醇提取物对棉花种子萌发及幼苗生长具有不同程度调控作用,能提高棉种发芽率和活力指数,可增强棉花幼苗的茎粗,还能降低棉花幼苗株高的作用,可提高棉花幼苗光合作用,提高光能利用率,表现化感营养效应;苦豆子、孜然和曼陀罗3种高浓度甲醇提取物会显著降低棉花种子的发芽指标,抑制棉花幼苗生长,表现化感毒害效应。1 mg/mL苦豆子提取物处理最优,0.1 mg/mL孜然提取物处理次之。