PEG-6000模擬干旱脅迫對8個玉米種質種子萌發及活力的影響

趙 璞，溫之雨，董文琦，田 玉，劉京寶，馬春紅

(1.河北省農林科學院遺傳生理研究所/河北省植物轉基因中心，石家莊 050051； 2.河北省農林科學院，石家莊 050031； 3.河南省農業科學院糧食作物研究所，鄭州 450002)

玉米是我國重要的糧食、飼料和經濟作物[1]，集糧食、飼料、加工原料等多種功能于一身。干旱是制約我國玉米生產的重要環境因素[2,3]。水分對玉米各器官生長發育起著至關重要的作用，我國水資源緊缺而且南北分布不均，近年來，干旱、高溫等極端天氣的頻繁出現，嚴重威脅玉米生產。干旱脅迫能夠導致玉米減產10%～25%，影響的程度與脅迫時期、強度、持續時間及玉米品種相關[4]。

干旱對玉米全生育期均會造成不良的影響。種子萌發階段是玉米整個生育期的初始階段，決定了玉米未來的長勢。不同玉米品種的種子萌發對于干旱抗逆的響應不同，因此分析玉米品種在種子萌發階段的抗旱性對篩選抗旱品種具有現實指導意義。本研究利用PEG模擬干旱脅迫，旨在探明干旱脅迫程度與不同玉米品系、品種種子萌發以及其他形態生理指標之間的關系，比較不同品種在萌發水平上的抗旱性，為玉米抗旱品種的篩選和玉米抗旱育種提供種質基礎和理論依據。

表2 PEG-6000模擬干旱下8個玉米品種發芽勢

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品系為自育自交系P 89，P 287，P 16-R，P 0882，P 283。雜交玉米品種為鄭單958(ZD 958)、鄭單309(ZD 309)和中地175(ZD 175)。供試材料的籽粒性狀見表1。

表1 參試品種

1.2 試驗方法

1.2.1PEG模擬干旱脅迫

共設4個濃度的PEG處理水平，包括：5%、10%、15%、20%的PEG-6000溶液，其中蒸餾水為對照。將發芽紙浸潤相應濃度的PEG-6000溶液作為培養紙床。

1.2.2玉米幼苗生長測定

各參試品種選擇籽粒飽滿、大小均勻的玉米種子600粒作為試驗材料，試驗設3次重復，每重復40粒。所有參試種子采用垂直培養法，置床放入培養袋后置于25 ℃，8 h光照條件的人工氣候箱中發芽培養。第4天初次統計出苗率，第7天末次統計，共記錄4 d。第7天從每個品種中隨機抽取10株幼苗進行苗長、主根長、不定根數、芽苗鮮重、根重測定，并計算根冠比。

根冠比=根鮮重/芽(苗)鮮重[5]；

發芽率(%)=(發芽終止期發芽種子粒數/供試種子總粒數)×100%；

發芽勢(%)=(4 d內供試種子發芽數/供試種子總粒數)×100%；

發芽指數=∑Gt/Dt；式中：Gt為在時間t日的發芽數，Dt為萌芽日數[6]。

1.2.3數據分析

數據統計使用Microsoft Office Excel 2007軟件，采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進行數據分析、多重比較和相關性分析。

本實驗于2019年1—4月在河北省農林科學院遺傳所植物生理與調控研究室進行。

2 結果與分析

2.1 PEG-6000模擬干旱對玉米發芽勢的影響

由表2可見，隨PEG干旱脅迫程度的增加，8個玉米品種發芽勢均呈現降低的趨勢。不同品種對干旱脅迫響應程度不同。其中P 89和P 0882在15%PEG處理時發芽勢相比10%PEG處理有小幅回升，鄭單958，鄭單309和中地175在10%PEG處理時發芽勢高于5%PEG處理。與對照發芽勢相比，P 283各處理間差異較大，對干旱脅迫較敏感；P 16-R各處理間差異最小，對干旱較不敏感。20%PEG濃度下，8個玉米品種差異均顯著(p<0.05)。

由回歸方程可知，8個玉米品種發芽勢均與PEG質量分數呈顯著負相關(表3)。干旱脅迫下發芽勢達到80%時，鄭單958抗旱性最強，可承受2.07%PEG溶液產生的滲透勢，而中地175最低，僅可承受0.14%PEG溶液產生的滲透勢。從發芽勢指標來看，8個品種萌發抗旱性強弱為：鄭單958>P 287>P 0882>P 16-R>鄭單309>P 283>P 89>中地175。

2.2 PEG-6000模擬干旱對發芽率的影響

由表4可見，不同品種對干旱脅迫響應程度不同，隨PEG干旱脅迫程度的增加，8個玉米品種發芽率呈降低趨勢。與對照發芽率相比，5%PEG和10%PEG處理下，8個品種發芽率差異均不顯著；15%PEG處理，除P 287和P 283差異顯著外，其余品種差異均不顯著；20%PEG處理下，除了P 16-R、ZD 309、ZD 175外，其余品種均表現為差異顯著(p<0.05)。8個玉米品種發芽率與PEG 質量分數呈顯著負相關(表5)。由回歸方程可知，干旱脅迫下發芽率達到80%時，P 16-R抗旱性最強，可承受29.57%PEG溶液產生的滲透勢，而P 283最低，僅可承受2.01% PEG溶液產生的滲透勢。從發芽率指標來看，8個品種萌發抗旱性強弱為：P 16-R>P 287>鄭單958>P 89>中地175>鄭單309>P 0882>P 283。

表3 PEG-6000模擬干旱下8個玉米品種發芽勢回歸方程

表4 PEG-6000模擬干旱下8個玉米品種發芽率

2.3 干旱脅迫對幼苗生長的影響

實驗表明，PEG干旱脅迫抑制玉米的芽(苗)長、主根長、不定根數、芽(苗) 鮮重、根鮮重等活力指標，且抑制程度隨PEG質量分數的增加而增大(表6)。不同品種對干旱脅迫的響應程度不同。P 287在芽(苗)長方面表現較好；P 283和鄭單958在主根長指標方面表現較好；不定根數指標較好的有中地175和P 89、P 283、鄭單958；芽(苗) 鮮重和根鮮重指標較好的有P 89、P 0882和鄭單309。根冠比方面，隨PEG質量分數的增加，各品種根冠比呈上升趨勢。當PEG質量分數達15%時，8個品種的根冠指標均超過1。與前人的研究結果相似，根冠比上升，芽苗比降低可能與玉米種子萌發時受到干旱脅迫而重新分配生物量有關[5]。

表5 PEG-6000模擬干旱下8個玉米品種發芽率回歸方程

表6 PEG-6000模擬干旱下8個玉米品種發芽指數

2.4 干旱脅迫下8個玉米品種的種子活力指標相關性分析

對各種子活力指標進行相關性分析發現，8個活力指標均顯著相關。其中，根冠比與不定根數呈顯著負相關，而與其他各項指標呈極顯著負相關；其余7個種子活力指標間呈極顯著正相關。由此可見，發芽勢、發芽率、芽(苗)長、主根長、不定根數、芽/苗鮮重、根鮮重和根冠比這8項種子活力指標可以作為玉米種子萌發抗旱評價指標(表7)。

3 結論與討論

水被認為是調節物種萌發的最重要的環境信號，是種子吸脹過程和發芽的起始因子，能直接或間接地參與發芽代謝過程[7]。在干旱和半干旱氣候條件下，這一過程更為復雜。本研究證實，8個玉米品種在發芽勢、發芽率整體上隨干旱脅迫程度的增加而降低，在20%PEG濃度下降低最為明顯，絕大多數品種的發芽勢低于0.15，說明在20%PEG下玉米種子的萌發顯著

表7 PEG-6000模擬干旱下8個玉米品種幼苗生長指標

表8 不同干旱脅迫下8個玉米品種各活力指標相關性分析

受到抑制。該結果也在水稻、小麥、大豆等作物以及多數草本植物中得到證實，暗示20%PEG濃度的干旱程度是包括玉米在內的多數植物種子萌發的閾值[5,8-11]。本研究還發現，低干旱程度下，有些品種發芽勢出現上升趨勢。有研究表明，在催芽前采用PEG對玉米種子進行浸種處理，能夠提高種子發芽率和出芽率，但是該處理同時提高了脯氨酸、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性，暗示PEG浸種處理可能會對植株造成輕微的傷害，進而提高植株獲得一定抗逆能力[12]。該現象的相關機制仍需進一步研究。

與相關研究結果相似，本實驗PEG抑制所有玉米品種的芽(苗)長、主根長、芽(苗) 鮮重、根鮮重和不定根數，這是由PEG的滲透脅迫效應所造成的。根系長度是植物對干旱脅迫耐受的重要指標。玉米根系抗旱策略是通過促進根的軸向伸長，并減少側根分枝密度降低土壤勘探的代謝成本，從干燥土壤中獲得更多的水分。Zhan等[13]利用不同根系特征的玉米自交系進行調查，發現在水分脅迫下，耐旱品系的根長上的側根呼吸明顯減少，生根深度加深，因此主根長度和側根性狀可作為選擇抗旱性玉米的指標。根冠比指標隨PEG質量分數的增加而增大，在20%PEG處理下，根冠比提升幅度最大。玉米受到脅迫后根冠比上升，認為這是玉米對響應干旱脅迫的自我調節作用，通過減少地上部的蒸騰同時增加地下部的比例來增強植株的水分獲取能力[14]。

本研究初步探討了干旱脅迫對8個玉米品種種子萌發及幼苗主要性狀的影響。相關性分析表明，發芽勢、發芽率、芽(苗)長、主根長、不定根數、芽/苗鮮重、根鮮重和根冠比等活力指標均可用于評估玉米種子抗旱性強弱。在控制水勢條件下對種子及幼苗進行表型鑒定是一種有效的篩選耐旱基因型的方法，并且可以部分減少田間費力耗時的篩選工作，未來可以利用種子個體小、易培養的優點建立玉米種質資源高通量初篩的方法[15]。有報道表明，干旱脅迫嚴重降低了作物種子萌發和幼苗早期生長，在逆境條件下具有保持較高生長的遺傳潛力的品種很大可能具有耐旱能力[16,17]。綜合考慮各項種子活力指標，除鄭單958外，P 16-R和P 287也具有較強的干旱萌發能力；P 283在萌發后具有較好的根系形態，可以應用于后續的抗旱玉米育種實踐，從而提高抗旱玉米育種效率。