PEG模拟干旱胁迫下辽棉系列品种种子萌发期抗旱性评价

单 莹,李 越,徐 敏,刘艳珍,李 冉,陈捷胤,王子胜 ,朱 鹤

(1.辽宁省农业科学院经济作物研究所,辽宁辽阳 111000;2. 中国农业科学院植物保护研究所/植物病虫害生物学国家重点实验室,北京 100193)

0 引 言

【研究意义】干旱是制约农作物产量的主要因素之一[1],干旱所造成的作物减产位居多种非生物胁迫之首[2]。棉花(Gossypiumspp.)作为我国重要的经济作物,其种植多分布于盐碱干旱地区[3],棉花播种期和苗期经常遇到干旱危害,会造成缺苗、少苗、生长缓慢等现象,导致减产。研究评价棉花品种萌发期抗旱性强弱性,对于鉴定筛选培育抗旱棉花品种具有重要意义。【前人研究进展】PEG-6000模拟干旱胁迫是研究种子萌发期抗旱性的重要方法[4-14],王延琴等[4]采用不同浓度的PEG模拟土壤自然水势对棉花种子萌发进行胁迫试验,证实随着水势的下降,发芽率、发芽速率、苗高、根长等多项指标都出现不同程度的降低。李志博等[5]以新疆北疆棉区7个主栽棉花品种为材料,利用PEG-6000模拟干旱胁迫对各种子萌芽期的抗旱性进行了评价。姚庆等[6]研究PEG-6000模拟干旱胁迫下藜麦品种的萌芽期抗旱性,利用隶属函数分析,将10个品种的萌发期抗旱性强弱进行排序并划分为3个抗旱级别。李瑶等[7]研究不同浓度PEG-6000模拟干旱胁迫对野生披碱草种质萌发的影响,通过测定各材料的发芽指标、胚根长、胚芽长等变化,评价7份野生披碱草属种质材料的抗旱性进行。【本研究切入点】种子萌发是棉花生育的关键阶段,也是衡量棉花抗旱性强弱的重要时期。不同棉花品种的种子萌发对干旱胁迫的响应不同。因此需评价棉花品种在萌发阶段的抗旱性。【拟解决的关键问题】利用不同浓度的PEG-6000模拟干旱胁迫,研究6个辽棉品种的抗旱性,分析不同处理下棉花种子的萌发特性及其幼苗、根系生长指标、不同棉花品种的的抗旱性,为棉花抗旱品种的筛选和棉花抗旱育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为辽宁省农业科学院经济作物研究所自育的棉花品种,分别为辽棉10号、辽棉23号、辽棉34号、辽棉45号、辽棉49号和辽棉53号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

PEG模拟干旱胁迫设4个处理,分别为2.5%、5.0%、7.5%、10.0%的PEG-6000溶液,以蒸馏水处理为对照(CK),每个处理3次重复。

选取经硫酸脱绒后籽粒饱满、整齐一致的棉花种子,70%酒精表面消毒30 s,超纯水冲洗5次,置于无菌滤纸上吸干水分备用。在直径15 cm的培养皿中铺2层滤纸作为发芽床,分别加入各处理溶液至滤纸饱和,每皿均匀排放处理好的棉花种子50粒,每个品种每1处理3次重复。置于密闭型人工气候室中进行培养,温度25℃,光照12 h-黑暗12 h,湿度40%。试验期间每天用蒸馏水清洗种子并更换滤纸及处理溶液,防止种子发霉,保证干旱处理条件持续不变。

1.2.2 测定指标

发芽势越大,种子的抗旱性就越好[10]。每天记录发芽种子数(以胚根长2 mm为标准)[8],第3 d计算发芽势(Germination energy,GE)、相对发芽势(Relative germination energy,RGE),第8 d计算发芽率(Germination rate,GR)、相对发芽率(Relative germination rate,RGR)、萌发指数(Germination index,GI)[2,9]及萌发抗旱指数(Germination drought resistance index,GDRI)。第8 d从每皿中抽取10株最长的分别测苗鲜重(Seedling fresh weight,SFW)、根鲜重(Root fresh weight,RFW)、下胚轴长(Hypocotyl length,HL)、根长(Root length,RL)。

发芽势(GE,%)=(3 d发芽种子总数/供试种子总数)×100;

相对发芽势(RGE,%)=(处理发芽势/对照发芽势)×100;

发芽率(GR,%)=(8 d发芽种子总数/供试种子总数)×100;

相对发芽率(RGR,%)=(处理发芽率/对照发芽率)×100;

萌发指数(GI)=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8;

萌发抗旱指数(GDRI)=处理萌发指数/对照萌发指数。

式中,nd2、nd4、nd6和nd8分别为第2、4、6和8 d的种子萌发率。

1.3 数据处理

用Excel2003对数据进行整理,用SPSS22.0进行数据分析。抗旱性综合评价采用隶属函数法[6,8],为消除不同棉花品种遗传背景的差异,试验评价品种耐旱性指标采用性状的相对值[6]。隶属值计算公式为:

U(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin).

Xi=∑U(Xij)/n.

式中,U(Xij)为i材料j性状的抗旱隶属值;Xij为i材料的j性状值;Ximin为j性状的最小值;Ximax为j性状的最大值;Xi为平均抗旱隶属值。

2 结果与分析

2.1 PEG干旱胁迫对辽棉品种种子发芽势影响

研究表明,6个辽棉品种发芽势随着胁迫程度的增加均呈现降低的趋势。不同品种对干旱胁迫的响应程度不同,与对照发芽势相比,在2.5% PEG处理时,辽棉10号、辽棉34号、辽棉49号和辽棉53号差异显著,分别比对照低6.7%、6%、14.7%和20.7%,辽棉23号和辽棉45号差异不显著;5.0% PEG处理时,所有品种的发芽势与对照相比都差异显著;且不同品种的发芽势在5.0%、7.5%和10% PEG处理时呈现出明显的分化。表1

表1 不同浓度PEG下棉花种子发芽势变化

6个辽棉品种的发芽势均与PEG质量分数呈负相关。在干旱胁迫发芽势达80%时,辽棉23号抗旱性最强,可承受质量分数为5.12% PEG溶液模拟的干旱胁迫,而辽棉34号抗旱性最低,可承受质量分数为1.49% PEG溶液模拟的干旱胁迫。6个辽棉品种萌发抗旱性强弱为辽棉23号>辽棉45号>辽棉10号>辽棉49号>辽棉53号>辽棉34号。表2

表2 发芽势(Y)与PEG浓度(X)的回归分析

2.2 PEG干旱胁迫对辽棉品种种子发芽率影响

研究表明,6个辽棉品种发芽率随PEG干旱胁迫程度的增加而降低。不同品种对干旱胁迫的响应程度不同,在2.5% PEG处理时,辽棉34号、辽棉49号和辽棉53号发芽率与对照相比差异显著,分别比对照低8.7%、6.7%和17.3%,其余品种差异不显著;在5.0% PEG处理时,辽棉34号、辽棉45号、辽棉49号和辽棉53号处理与对照发芽率差异显著,分别比对照低12.7%、9.3%、11.4%和17.3%;在7.5%和10.0% PEG处理时,所有品种发芽率与对照都差异显著。表3

在干旱胁迫发芽率达80%时,辽棉23号抗旱性最强,可承受质量分数为12.29% PEG溶液模拟的干旱胁迫;而辽棉53号抗旱性最低,可承受质量分数为3.54% PEG溶液模拟的干旱胁迫。6个辽棉品种萌发抗旱性强弱为辽棉23号>辽棉10号>辽棉45号>辽棉49号>辽棉34号>辽棉53号。表4

表4 发芽率(Y)与PEG质量分数(X)的回归分析

2.3 PEG干旱胁迫对辽棉品种幼苗生长影响

研究表明,不同浓度PEG胁迫对6个棉花幼苗下胚轴长都有抑制作用,下胚轴长在5.0% PEG胁迫时比2.5% PEG胁迫时有升高趋势,之后随PEG浓度的增加而降低,下胚轴长在10.0% PEG胁迫时受抑制最显著。除了5.0% PEG胁迫对辽棉49号和辽棉53号芽苗鲜重有一定促进作用,其它胁迫条件下各品种的芽苗鲜重都显著低于对照,在5.0% PEG胁迫时比2.5% PEG胁迫时有升高趋势,之后随PEG浓度的增加而降低。图1,图2

图1 不同浓度PEG下棉花苗下胚轴长变化

图2 不同浓度PEG下棉花苗鲜重变化

2.4 PEG干旱胁迫对辽棉品种根系生长影响

研究表明,2.5% PEG胁迫对6个棉花品种的根长都有显著的抑制作用;而5.0% PEG胁迫促进了所有棉花品种的根长生长,其中对辽棉23号、辽棉49号和辽棉53号促进作用显著;辽棉23号根长除了在2.5% PEG胁迫下受到抑制,其余处理都对根长有促进作用。PEG胁迫条件下各品种的根鲜重都受到一定的抑制,只有在5.0% PEG胁迫时辽棉10号、辽棉49号和辽棉53号根鲜重略有增加;其中5个材料的根鲜重最小值出现在2.5% PEG胁迫下;辽棉45号根长和根鲜重受PEG胁迫影响最小。图3,图4

图3 不同浓度PEG下棉花主根长变化

图4 不同浓度PEG下棉花根鲜重变化

2.5 PEG干旱胁迫对辽棉品种种子萌发抗旱指数的影响

研究表明,6个棉花品种的萌发抗旱指数均随胁迫程度的加重而降低。在不同浓度PEG处理时辽棉23号和辽棉45号的萌发抗旱指数均排在前两位,种子萌发力强。不同浓度PEG干旱胁迫下6个棉花品种的萌发能力存在一定差别,处理间萌发抗旱指数均存在显著差异的品种有辽棉49号;在2.5%和5.0% PEG处理下辽棉10号、辽棉23号、辽棉34号、辽棉49号和辽棉53号的萌发抗旱指数差异显著;在5.0%和7.5% PEG处理下辽棉34号和辽棉49号的萌发抗旱指数差异显著;在7.5%和10% PEG处理下除了辽棉34号,其余品种的萌发抗旱指数差异显著。表5

表5 PEG胁迫下种子萌发抗旱指数变化

2.6 抗旱性综合评价

研究表明,对6个辽棉品种的相对发芽势、相对发芽率、相对下胚轴长、相对根长、相对苗鲜重、相对根鲜重、萌发抗旱指数等7个指标计算隶属函数值,抗旱强弱综合评价为辽棉10号>辽棉23号>辽棉45号>辽棉53号>辽棉49号>辽棉34号。表6

表6 PEG胁迫下6个辽棉品种耐旱性指标隶属函数值及综合评价

3 讨 论

3.1种子发芽作为植物生长周期的起点,其萌发期对干旱胁迫表现出的抗旱能力、田间出苗率及幼苗生存发育具有重要意义[11,12]。室内萌发期抗旱性方面的研究,大多采用PEG-6000高渗溶液模拟胁迫,已在玉米[11]、水稻[15]、棉花[16]、燕麦[14]、藜麦[6]、大豆[17]等作物种子萌发期的抗旱性评价中广泛应用,是研究作物种子萌发期抗旱性的重要方法。研究采用不同浓度PEG-6000模拟干旱胁迫,证实6个棉花品种的发芽势、发芽率整体上随PEG干旱胁迫程度的增加而降低,与其它相关文献报道相一致[4-5,13]。6个棉花品种发芽势、发芽率、萌发抗旱指数在5.0% PEG胁迫时出现明显的分化,与李志博等[5]研究认为萌芽期棉花种子抗旱性鉴定的适宜PEG-6000浓度为5%的结果一致。幼苗生长指标和根系生长指标在2.5% PEG胁迫时受抑制显著,在5.0% PEG胁迫时抑制程度较2.5% PEG胁迫低,并且5.0% PEG胁迫促进了所有棉花品种的根长生长,之后抑制程度随PEG胁迫增加逐渐增强,结合胡根海等[18]对苗期棉花PEG模拟干旱胁迫下叶片内叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、POD、SOD、CAT含量随胁迫增强表现为先增高后下降的测定结果,分析棉花种子萌发期在2.5% PEG处理时,虽然种子的吸水萌发能力比5% PEG处理时强,但在5% PEG处理时可能通过诱发幼苗对环境胁迫的生理生化响应来调节幼苗及根系生长,但萌发期生理指标变化需要进一步试验研究证实。

3.2研究的6个材料萌发抗旱指数均随胁迫程度的加重而降低,但在不同程度胁迫下种子萌发能力差别并不一致,并且同一材料的不同指标在胁迫下的变化也不完全相同,因此,靠单一指标不能客观评价品种的抗旱性。较多研究[6,7,14,17,18]表明,发芽势、发芽率、下胚轴长、根长、苗鲜重、根鲜重等指标是判断植物抗旱性的有效指标,通过隶属函数法将这些指标的隶属值进行综合,可以更加全面准确的评价不同品种的抗旱性。

4 结 论

6个棉花品种的发芽势、发芽率整体上与PEG干旱胁迫程度呈负相关,但不同材料对干旱胁迫的响应程度不同;幼苗生长指标、根系生长指标在5.0%以上浓度PEG胁迫时随胁迫强度增强而降低。6个棉花品种的抗旱性强弱为辽棉10号>辽棉23号>辽棉45号>辽棉53号>辽棉49号>辽棉34号。