不同谷子品种萌发期抗旱鉴定及生理变化

柏 玲,冯国郡,胡相伟,赵 云,石书兵

(1.新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院粮食作物研究所,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】水资源短缺制约农业生产发展[1]。每年因干旱导致的粮食减产占气象灾害损失的50%左右[2]。谷子(Setariaitalica．Beauv)已经适应了干旱和半干旱地区的气候条件和生态环境,具有耐旱、适应性广、抗逆性强的特点,是一种优良的耐旱作物资源[3],目前在我国北方干旱地区广泛种植。尽管谷子是耐旱作物,但干旱仍然是制约谷子生长发育和产量品质的主要因素之一。谷子虽然具有很强的耐旱品性,但品种间的不同耐旱性存在很大差异。因此,在使用耐旱品种种质资源之前,确保干旱条件下谷物产量的一个重要方法是鉴定抗旱品种[4]。由于不同生育时期作物抗旱性的内在机理不同,作物抗旱性鉴定可分为不同生育期的抗旱性鉴定,包括萌发期、苗期、开花期、灌浆期和全生育期的抗旱性鉴定。种子萌发期是作物抗旱的关键时期,种子发芽是整个作物生命周期的开始,是植物生命周期中最关键的阶段,对水特别敏感。作物萌动阶段直接影响着谷子出苗以及最后的产量形成[5],因而萌发期抗旱性鉴定更能代表其抗旱特性,尤为重要。【前人研究进展】聚乙二醇-6000(PEG-6000)常作为植物耐旱性选择剂或水分胁迫剂来模拟干旱胁迫[6],高汝勇等[7]分析了十几种谷物在萌发期干旱胁迫下的发芽率、根长、鲜重和活力指数等变化,并通过使用隶属函数法来综合评价其抗旱性。植物在干旱逆境下生长,其体内的保护酶活性就会增加,以此来维持植物正常的生长,因此可以通过测定植物体内的酶活性来鉴定其抗旱性[7]。朱永波等[8]发现,耐旱作物的耐旱性与其POD活性密切相关,耐旱性强的作物有较高的POD活性。【本研究切入点】目前,关于谷子的形态和生理特征与抗旱性之间的关系以及抗旱性的测定,已经开展了研究[9-11],但对于谷子萌发期抗旱性鉴定指标的选择及生理特征变化情况还没有达成共识。【拟解决的关键问题】研究采用20%PEG溶液对15个谷子品种模拟萌发期干旱胁迫,利用其表型特征进行抗旱性鉴定,测量各品种在干旱胁迫条件下SOD、POD、CAT和GR活性的变化情况,筛选出在萌发期抗旱性强的谷子品种,分析内在抗氧化酶活性对干旱胁迫的响应,为抗旱品种的田间验证和育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试谷子品种15个,由新疆农业科学院粮食作物研究所提供。供试药剂:聚乙二醇(PEG-6000),由中国医药集团有限公司生产。

表1 供试品种名称及来源

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验以聚乙二醇溶液(PEG-6000,平均分子量6000)为渗透介质,模拟干旱中的水分胁迫,于2022年4～10月在新疆农业科学院粮食作物研究所实验室进行。设1个对照(蒸馏水)和1个处理(20%PEG),3次重复,每次重复用种50粒。每份供试材料选取大小均匀,颗粒饱满,无病虫的种子进行消毒处理[12],放置在光暗培养箱中进行为期8 d的培养[2]。

1.2.2 指标测定

记录发芽第2、4、6、8 d的种子萌发情况及发芽数,分别以第2 d和第8 d的发芽数量计算发芽势、发芽率,并在萌发第8 d测量各处理的胚芽长、胚根长、鲜质量及干质量[2]。并以第2和8 d计算发芽势、发芽率、活力指数[13]、抗旱指数[14]等指标。

各品种谷子第8 d在后结束培养,取出完整的有胚根和胚芽的种子材料,蒸馏水轻轻冲洗后用滤纸吸干,从各处理均取样0.1 g,冰浴研磨并提取酶原液,测定各品种的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性[15]。

1.3 数据处理

利用Microsoft excel 2010对原始数据进行运算与处理,采用SPSS 21.0对各性状数据进行方差分析,使用隶属函数值法进行综合抗旱鉴定,应用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫后谷子发芽势和发芽率的变化

研究表明,干旱胁迫后15个品种谷子种子发芽势均出现下降现象。干旱胁迫后,龙谷28、冀谷19和济谷12发芽势较对照下降幅度较大,降幅依次为75.00%、54.55%、和43.66%,达到极显著差异;龙32、豫谷23、公谷67号、张杂谷19号和坝谷214的发芽势降幅较小,分别为8.33%、5.06%、5.44%、1.21%和9.32%,未达到显著差异。

15个品种谷子种子发芽率在干旱胁迫后较对照也均有不同程度下降。干旱胁迫后,九谷33、龙谷28和坝谷214的发芽率较对照下降幅度较大,降幅依次为21.05%、23.68%和19.72%,达到极显著差异;济谷12发芽率降幅最小,为0.65%。表2

表2 干旱胁迫下的谷子种子发芽势和发芽率

2.2 干旱胁迫后谷子主胚根长和芽长的变化

研究表明,干旱胁迫后谷子种子主胚根长除九谷33、蒙丰谷7号、济谷12以外均低于对照。干旱胁迫下,公谷67号、张杂谷19号、制1-16H、冀谷19和九谷11主胚根长降幅较大,分别为56.12%、54.30%、54.93%、55.43%和59.94%,达到极显著差异;而九谷33、蒙丰谷7号、济谷12主胚根长较对照有所升高,升幅分别为1.56%、 226.81%、 27.02%。

干旱胁迫后谷子种子芽长除蒙丰谷7号以外较对照均有所下降。干旱胁迫下,冀谷19芽长与对照相比降幅最大为60.92%,达到极显著差异;济谷12芽长降幅最小为4.79%,差异不显著;而蒙丰谷7号胚芽长较对照有所升高,升幅分别为33.88%。表3

表3 干旱胁迫下的谷子种子主胚根长和芽长变化

2.3 干旱胁迫后谷子芽鲜质量和芽干质量变化

研究表明,供试谷子品种芽鲜质量在干旱胁迫后除九谷33、蒙丰谷7号、济谷12以外均下降。干旱胁迫下,13H616芽鲜质量降幅最大,为79.41%,极显著低于对照;九谷33和济谷12芽鲜质量降幅最小,为0.00%;而蒙丰谷7号芽鲜质量较对照有所升高,升幅分别为164.70%。其余品种芽鲜质量降幅介于24.53%～57.89%。

干旱胁迫后谷子芽干质量除九谷33、蒙丰谷7号、济谷12以外均出现下降。干旱胁迫下,13H616芽干质量降幅最大,为71.43%;龙谷28芽干质量降幅最小,为0.00%;而九谷33、蒙丰谷7号、济谷12芽鲜质量较对照有所升高,升幅分别为14.29%、150.00%、0.01%。其余品种芽干质量降幅介于9.09%～42.86%。表4

表4 干旱胁迫下的谷子种子芽鲜质量和芽干质量变化

2.4 抗旱等级分类

研究表明,按照D值进行从大到小排序,变幅范围为0.04～0.69,其中蒙丰谷7号的综合D值最大达到0.685,而其萌发抗旱指数、相对发芽势和相对胚根长的隶属函数值表现并不突出,分别为0.472、0.456和0.389;龙32的综合D值排第二达到0.679,而其相对胚芽长、相对芽干重的隶属函数值分别只有0.282、0.243;济谷12的综合D值排第三达到0.677,而相对芽干重和活力抗旱指数的隶属函数值分别只有0.320、0.188;15个谷子品种的耐旱综合D值排名为蒙丰谷7号>龙32>济谷12>九谷33>龙谷28>豫谷23>公谷67号>陇谷17>张杂谷19号>制1-16H>坝谷214>冀谷19>九谷11>夏谷2号>13H616,其中13H616的综合D值最小为0.04,品种抗旱性最差。强抗旱型品种5个(抗旱分级:0.6～1.0);中度抗旱型品种4个(抗旱分级:0.4～0.6);干旱敏感型品种5个(抗旱分级:0.2～0.4)、干旱极敏感型1个(抗旱分级:0.0～0.1)。表5

2.5 干旱胁迫下抗氧化酶活性的变化

2.5.1 干旱胁迫下SOD活性的变化

研究表明,在正常用水情况下各品种谷子的SOD值也存在一定差异,而在干旱胁迫下各品种谷子的SOD值较对照均有显著升高,但升高幅度因品种不同而存在差异。其中干旱处理后SOD活性表现最高的是龙32号品种为230.75 U/g,与对照(CK)相比提高了93.23 U/g,达到显著差异,且是众多品种中增幅最大的;次之是蒙丰谷7号和九谷33品种,SOD值分别为185.17 和173.32 U/g,较对照相比分别提高了29.56、13.03 U/g,也达到显著差异;而13H616品种的SOD值表型最低为139.27 U/g,较对照相比提高了16.48 U/g。超氧化物歧化酶SOD值的积累有助于提高植物的免疫力,龙32号、蒙丰谷7号和九谷33的抗旱能力相对更强。图1

图1 干旱胁迫下谷子超氧化物歧化酶活性变化

2.5.2 干旱胁迫下POD活性的变化

研究表明,不同品种谷子的POD活性对干旱胁迫的响应结果与SOD活性基本相一致,均有所升高,但升高幅度因品种不同而存在差异,且各处理下各品种间差异均达显著水平。其中干旱处理后POD 活性表现最高的是九谷33品种值为123.20 U/g,与对照(CK)相比提高了23.69%,达到显著差异;次之是龙32和蒙丰谷7号品种,POD值分别为80.20和79.00 U/g,较对照相比分别提高了7.80%、34.81%;也达到显著差异;而13H616品种的POD值表型最低为37.60 U/g,较对照相比提高了9.30%。POD值的积累有助于提高植物的抗逆性,九谷33、龙32号和蒙丰谷7号的抗旱能力相对更强,13H616品种的抗旱能力最弱。图2

图2 干旱胁迫下谷子过氧化物酶活性变化

2.5.3 干旱胁迫下CAT活性的变化

研究表明,与对照相比,不同谷子品种CAT活性在水分胁迫条件下都明显提高,但不同抗旱性品种酶活性上升的幅度不同,谷子在受到干旱胁迫后体内的CAT活性会提高,但不同品种的提高幅度会有所差异。抗旱性较强的品种如九谷33、龙32、蒙丰谷7号、济谷12在干旱胁迫下的CAT活性值分别达到82.74、85.45、74.60和71.89 U/g,与对照相比分别提高了8.16、8.58、2.02和4.75 U/g。抗旱性较弱的品种如张杂谷19号、制1-16H、冀谷19、夏谷2号在干旱胁迫下的CAT活性值分别为30.39、29.84、27.81和28.80 U/g,与对照相比分别提高了9.36、10.85、10.85和6.10 U/g。图3

图3 干旱胁迫下谷子过氧化氢酶活性变化

2.5.4 干旱胁迫下GR活性的变化

研究表明,与对照相比,不同谷子品种 GR 活性在干旱胁迫条件下都有所提高,但不同抗旱性品种酶活性上升的幅度有所差异。其中干旱胁迫后谷子的GR活性由高到低的品种排序为:陇谷17>龙32>张杂谷19号>制1-16H>冀谷19>公谷67号>龙谷28>13H616>龙谷33>蒙丰谷7号>夏谷2号>济谷12>九谷11>豫谷23>坝谷214。图4

图4 干旱胁迫下谷子谷胱甘肽酶活性变化

3 讨 论

PEG-6000(聚乙二醇)具有良好的亲水性,加入水中可以降低溶液水势,进而很好的模拟干旱胁迫,应用广泛[16-18]。王星宇等[19]研究发现,干旱胁迫、品种和二者交互作用均可显著影响燕麦种子的发芽率、发芽势、发芽指数和抗旱指数等发芽及抗旱性相关指标。吴秀宁等[20]对黑小麦种子萌发研究发现,干旱胁迫后,黑小麦发芽势、发芽率、主胚根长、芽长、根干质量和芽干质量较对照均有不同程度下降。试验研究也发现,干旱处理后不同品种谷子发芽势、发芽率、胚芽长、胚根长、芽鲜重、芽干重几乎均有所降低,与前人研究基本一致。但蒙丰谷7号胚芽长、胚根长、芽鲜重、芽干重在干旱胁迫下却分别显著提高了33.88%、226.81%、164.70%、155.00%,该品种可能在低于正常水分下性状表现更加良好,但是否适用于整个生育时期还不能下决定,仍需要进一步研究论证。

鉴定不同品种的抗旱性,需要结合多个指标进行综合评价[21]。不同谷子品种测定的指标反映谷子对干旱胁迫的耐受能力不同,而用单一指标不能准确反映不同品种对逆境的耐受能力,且不同指标最终表示的结果也存在一定差异[22]。隶属函数法可综合多个指标,得到的D值是介于[0-1]区间上的无量纲的纯数,使品种间抗逆性具有可比性,能较全面的反映不同品种在逆境中的耐受能力,更能直观准确的反映其综合抗旱能力[23-24]。裴帅帅等[22]利用隶属函数法综合筛选出耐干旱谷子品种。研究中,基于综合D值,将供试谷子品种进行耐旱排序,其中蒙丰谷7号、龙谷32、济谷12排名前三,D值分别为0.685、0.679、0.677,较为耐旱。作物的整个生育期中萌发期只是一个比较重要的时期,萌发期抗旱鉴定不能完全代表整个生育期,故而供试品种在其他生育阶段的抗旱性以及其遭受干旱胁迫后和产量品质的关系,还需进一步研究。

植物在生长过程中形成了对活性氧的完善防御系统,并在干旱条件下保持相对正常的生长,它们通过提高生物体内的SOD、POD和CAT活性来保护生物膜系统,减少膜脂质过氧化,实现对活性氧的清除,减轻作物的缺水损害,显示了植物在恶劣干旱条件下的适应能力[25]。植物的抗逆特性实质上是一个相互交叉、错综复杂的生理变化过程。在进行品种耐旱性鉴定时,只通过表型来鉴定有时候结果可能存在偏差,此时可以注重其内在生理变化来进一步明确其抗旱机理[26]。不良环境中,植物体内生理生化特性会呈现一定的变化,SOD、POD、CAT活性的增加能增强活性氧的代谢,提高植物在不良环境中的耐受性[27]。麦苗苗等[28]研究表明95%～345%PEG预处理连香树种子,能提高保护酶SOD、POD和CAT的活性。试验在研究了不同品种谷子表型耐旱鉴定之后,进一步对比了其内在抗氧化酶SOD、POD、CAT、GR的变化,明确其对谷子干旱胁迫的响应机理。结果表明,在干旱胁迫下,所有品种谷子的抗氧化酶活性均有所提高,另外,耐旱性品种本身抗氧化酶活性就比较高且能够维持较高的SOD、POD、CAT活性,但GR活性并不完全一致,有待进一步研究。

4 结 论

15个谷子品种的抗旱性划分4个等级,其中强抗旱型品种5个、中度抗旱型品种4个、干旱敏感型品种5个、干旱极敏感型1个。并且,进一步对其内在的抗氧化酶活性进行测定,发现不同谷子品种的抗氧化酶SOD、POD、CAT、GR活性在干旱胁迫条件下都有所提高,但提高幅度存在一定差异。谷子萌发期内在SOD、POD、CAT活性与表型指标综合D值基本吻合一致,但GR活性存在一定差异。在干旱胁迫条件下,不同谷子品种萌发期抵御干旱内在抗氧化酶主要是SOD、POD、CAT,而GR关联较小。