维大力浸种对低温胁迫下玉米种子萌发及幼苗生理生化指标的影响

卢海博, 谢世兴, 张佳琪, 赵冰欣, 王明杰,张付强, 刘松涛, 赵海超, 黄智鸿

(1.河北北方学院,河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室, 河北 张家口 075000;2.北京中捷四方生物科技有限公司, 北京 101100)

植物激活蛋白不仅能够增强植物抗虫、抗病和抗逆能力,还能促进植物生长[1],可通过激活植物不同代谢途径的信号传导而激活植物的免疫系统,提高植物免疫力,也可通过调节代谢系统,促进植物地上部、地下部生长和叶绿素含量提高,从而提高作物产量和品质[2-3]。

维大力(VDAL)是中国农业大学生物学院用大丽花轮枝孢激活蛋白创制成的新型生物工程蛋白干粉制剂,它是一种激活蛋白,能够诱导植物的防卫反应,促进植物生长发育,改善作物品质,提高产量,是一种新型的广谱、高效、多功能产品[4-5]。

前期针对植物激活蛋白在黄瓜、苹果、棉花、小麦等作物上的应用进行了研究。以大丽花轮枝孢激活蛋白干粉制剂(VDAL)研究黄瓜贮藏前与贮藏4 d后幼苗质量相关指标以及定植后3～6 d恢复生长情况,结果表明,1.25 g/L大丽花轮枝孢激活蛋白处理可以显著增强黄瓜幼苗的耐贮运性,与其他处理相比,该处理浓度贮藏过程中叶绿素含量稳定,定植后恢复生长快,表明育苗期叶面喷施适宜浓度的大丽花轮枝孢激活蛋白,有利于提高黄瓜商品苗的贮藏质量[6]。肖庆会等[7]研究表明,苹果果实膨大期喷施蛋白制剂VDAL,可显著提高苹果果实Vc含量、果实含糖量、果实总酸含量、果实品质以及单果重。刘开智[8]研究表明,不同浓度新型激活蛋白可显著提高棉花种子萌发率、增加根重、促进根系生长,提高棉花株高、果枝数和棉铃重,显著提高棉花的经济指标。贾秋珍等[9]研究表明,灌浆期喷施和播种期拌种新型植物免疫激活蛋白维大力(VDAL)可提高小麦千粒重、穗粒重,折合产量后,比对照增加6.89%,表明维大力喷施或种子处理均具有节本增效的作用,可在生产上应用。

杜茜等[10]以鲜食玉米垦黏1 号为试验材料,研究植物激活蛋白对玉米种子萌发和幼苗生长、抗逆能力等的影响,结果表明,激活蛋白浸种可显著提高种子的发芽势和种子萌发活力指数,增强幼苗的光合特性,提高玉米品质。本试验以春玉米区常用品种郑单958为试验材料,研究了维大力浸种对低温胁迫下玉米种子萌发和幼苗各项生理生化指标的影响,为维大力在玉米上的科学合理使用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验品种为郑单958。维大力粉剂(北京中捷四方有限公司)。用双光束紫外可见分光光度计(普析TU-1900),GXZ光照培养箱,冷冻离心机。

1.2 试验方法

种子浸泡处理:准确称取维大力制剂,根据制剂推荐剂量稀释成制剂用量为0.4 g/L,0.5 g/L,0.7 g/L,1.0 g/L,2.0 g/L的浸泡液,清水处理为对照,分别用上述不同浓度的维大力溶液浸泡玉米种子12 h。

1.2.1种子发芽试验

将浸泡后的种子置于带滤纸的培养皿内,3次重复,每次重复50粒,置于光照培养箱中,在6 ℃条件下培养4 d,再转入25 ℃恒温培养箱内培养。从种子发芽之日起,每天记录发芽粒数,计算发芽率、发芽指数、活力指数等指标;继续培养7 d,测定茎长、根长、苗干重等指标。

1.2.2幼苗生长试验

将浸泡后的种子置于育苗杯中,每杯放入2粒浸种后的玉米种子,每个浓度种植10盆,重复3次,放于光照培养箱中25 ℃恒温培养,待玉米幼苗长至2叶1心时,置于5 ℃恒温培养箱培养4 d,玉米生长过程中注意及时补充水分。分别于低温处理前、低温处理后第 1,7,14 天测量叶片叶绿素含量、叶片生理生化指标和根系活力。

1.2.3叶片生理生化指标测定

采用SPAD仪测定叶片叶绿素含量;采用硫代巴比妥酸显色法测定丙二醛含量;采用酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量。

1.2.4玉米根系活力测定

采用TTC法[11],称取玉米幼苗根0.15 g,放入25 mL试管中,加入0.4%的TTC溶液5 mL,加入0.1 mol/L磷酸缓冲液(pH值7.0)5 mL,混合后于37 ℃避光保温1 h。然后向试管中加入2 mL浓度为1 mol/L H2SO4终止反应。取出根尖,用吸水纸吸干根系表面水分,放入试管中,加入甲醇,混匀后放入恒温摇床中,35 ℃浸泡6 h,以甲醇为对照,测定波长在485 nm下的吸光值。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 和SPSS 20.0统计分析软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 维大力浸种对低温胁迫下玉米种子发芽的影响

由表1可以看出,低温胁迫下,维大力浸种处理能显著提高玉米种子的发芽率、发芽指数和活力指数。在0.4,0.5,0.7,1.0,2.0 g/L的处理浓度下,发芽率分别比对照高6.98%,8.14%,11.63%,13.02%和13.95%;发芽指数分别比对照高1.32%,8.14%,19.92%,47.72%和86.63%;活力指数在2.0 g/L浓度下最高,比对照高182.78%,显著高于对照。表明低温对玉米种子萌发有一定的破坏作用,而维大力浸种后能提高种子的发芽率、发芽指数和活力指数,保证玉米种子在低温下的正常出苗。

表1 维大力浸种对低温胁迫下玉米种子发芽率、发芽指数及活力指数的影响Table 1 Effects of VDAL seed-soaking on seed germination percentage, germination index and vigor index of maize under low temperature stress

2.2 维大力浸种处理对低温胁迫下玉米幼苗生长量的影响

由表2可以看出,低温逆境下维大力浸种处理的玉米幼苗茎长、根长、茎粗和鲜重均显著高于对照,表明维大力浸种能促进低温胁迫下幼苗的伸长生长。在维大力1.0 g/L处理下,茎长最高,比对照高36.31%;茎粗最高,比对照高19.73%;根长和须根数最多,分别比对照高26.10%和45.65%;鲜重最高,比对照高43.97%。1.0 g/L处理下的茎长、根长、茎粗和鲜重显著高于其他处理,与2.0 g/L处理差异不显著。

表2 维大力浸种对低温胁迫下玉米幼苗生长量的影响Table 2 Effects of VDAL seed-soaking on seeding growth of maize under low temperature stress

2.3 维大力浸种对低温胁迫下玉米幼苗叶片生理指标的影响

2.3.1维大力浸种对低温胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响

如图1所示,低温胁迫前,维大力浸种处理的玉米叶绿素含量显著高于对照,表明维大力处理有利于玉米幼苗生长。低温胁迫后,玉米叶片叶绿素含量显著降低,但维大力浸种处理的玉米叶片叶绿素含量仍显著高于对照。在维大力2.0 g/L处理下,胁迫1 d、7 d后,叶片叶绿素含量分别比对照高43.75%和70.42%。胁迫后14 d,维大力各处理叶片叶绿素含量逐渐恢复,2.0 g/L处理可恢复至胁迫前水平,对照恢复较慢,2.0 g/L处理叶片叶绿素含量比对照高90.24%。说明维大力浸种可减缓低温对玉米幼苗的伤害,提高幼苗叶片叶绿素含量和光合作用能力,提高玉米抗寒能力。

2.3.2维大力浸种对低温胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响

植物在逆境胁迫下,体内游离脯氨酸含量大量积累,这通常被认为是植物对逆境的一种反应[12]。由图2可知,胁迫后1 d、7 d,玉米叶片脯氨酸含量迅速上升,维大力浸种处理的玉米叶片脯氨酸含量明显高于对照,2.0 g/L维大力处理显著高于其他处理,胁迫1 d、7 d后,叶片脯氨酸含量分别比对照高15.15%和188%。胁迫后14 d,维大力各处理下玉米叶片脯氨酸含量下降,玉米受低温胁迫的影响逐渐恢复,但是对照的脯氨酸含量仍较高。

图2 维大力浸种对低温胁迫下玉米叶片脯氨酸含量的影响Fig.2 Effects of VDAL seed-soaking on proline content of maize under low temperature stress

2.3.3维大力浸种对低温胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响

丙二醛是细胞毒性物质,在常温下植物体内含量较少,但遇逆境伤害时其含量会升高,并且随逆境程度的加剧不断增加[13]。图3表明,低温胁迫后1 d、7 d,玉米叶片丙二醛含量上升,但是维大力浸种处理的玉米叶片丙二醛含量显著高于对照,2.0 g/L维大力处理下显著高于其他处理,胁迫1 d、7 d后,叶片丙二醛含量分别比对照高113.63%和110.82%。胁迫后14 d,维大力各处理下玉米叶片丙二醛含量下降,玉米受低温胁迫的影响逐渐恢复,但是对照的丙二醛含量仍较高。在低温胁迫下,维大力浸种可促使玉米幼苗积累更多的丙二醛,从而减缓低温对玉米幼苗的伤害,提高幼苗的抗寒能力。

图3 低温胁迫下维大力浸种对玉米叶片丙二醛含量的影响Fig.3 Effects of VDAL seed-soaking on malondial dehyde content of maize under low temperature stress

2.4 维大力浸种对玉米根系活力的影响

图4表明,低温胁迫前,维大力浸种处理的玉米根系活力显著高于对照,表明维大力处理有利于提高玉米根系活力。低温胁迫后,玉米根系活力显著降低,但维大力浸种处理的玉米根系活力仍显著高于对照。在维大力2.0 g/L处理下,胁迫1 d、7 d后,根系活力分别比对照高140.63%和142.86%。胁迫后14 d,维大力各处理根系活力逐渐恢复,2.0 g/L处理可恢复至胁迫前水平,对照恢复较慢,2.0 g/L处理根系活力比对照高162.5%。

图4 维大力浸种对低温胁迫下玉米根系活力的影响Fig.4 Effects of VDAL seed-soaking on root activity of maize under low temperature stress

3 讨论与结论

玉米幼苗的茎长、根长、茎粗、须根数和鲜重等是评价玉米长势的重要指标[14]。杜茜等[10]研究3%植物激活蛋白可湿性粉剂(WP)对玉米种子萌发的影响,结果表明,以3%植物激活蛋白1 000倍稀释液浸种,玉米种子的发芽率、发芽指数分别比对照提高1%和3.63%,但均与清水对照无显著差异;种子的发芽势和萌发活力指数分别提高了11%和7.05%,与清水对照有极显著差异。这与本试验结果类似,本研究表明,在0.4～2.0 g/L浓度范围内,采用维大力浸种,能够促进低温胁迫下玉米种子萌发和提高植株的生长指标,在2.0 g/L的浓度下,效果最明显,发芽率比对照高13.95%,发芽指数比对照高86.63%,对植株的生长也有促进作用,提高了茎长、根长和须根数。维大力对低温胁迫后玉米脯氨酸和丙二醛含量也有促进作用。脯氨酸和丙二醛含量的高低可衡量作物受逆境的程度,本试验表明,低温处理后,对照和维大力处理的玉米叶片脯氨酸和丙二醛含量均升高,但是维大力处理的玉米应对逆境的能力更强,胁迫后1 d、7 d,叶片脯氨酸含量分别比对照高出15.15%和188%,叶片丙二醛含量分别比对照高113.63%和110.82%。胁迫后14 d,维大力各处理下玉米叶片脯氨酸和丙二醛含量下降,恢复至对照水平。说明在低温胁迫下,维大力浸种可促使玉米幼苗积累更多的脯氨酸和丙二醛,从而减缓低温对玉米幼苗的伤害,提高幼苗的抗寒能力。

植物的根系是植物体内重要的吸收和合成器官,根的生长情况和活力水平直接影响植株地上部的营养状况和吸收水平,根系活力的高低能直接反映植物根系的生理机能(包括吸收能力、合成代谢能力等)的活动能力[15-16]。本试验结果表明,维大力浸种可显著提高玉米的根系活力,进而减少低温胁迫对玉米根系的伤害。维大力是一种新型的广谱、高效的植物生长调节剂,能够激活植物体内的抗逆蛋白,提高植物抗逆能力,目前较多应用于叶面喷雾,本试验尝试将其应用于玉米种子处理,以扩大维大力的使用范围。后续将继续关注其对其他种类或品系玉米的安全性及作为种子处理剂的进一步应用。