四種有機活性物質對黃瓜種子萌發的影響

李應心 柳夏艷 孔令宇 曹浩軒 呂貽忠

中國農業大學資源與環境學院 北京 100193

黃瓜在我國已經栽培了幾千年，占我國蔬菜總栽培面積10%左右[1]。蔬菜種子萌發是比較復雜的物質代謝過程，活性有機物質可調節種子萌發。我國的畜禽養殖行業規?？焖僭龃?，產生較多的畜禽糞便，如果這些畜禽糞便得不到很好的處理，將嚴重污染環境，威脅人類健康[2]。但畜禽糞便也是一種肥料來源，含有豐富的N、P、K等植物所需的營養元素[3]，將畜禽糞便堆肥發酵制成有機肥，已經成為一種資源化綠色處理方式。水溶性有機物質（DOM）被普遍認為是堆肥中最活躍的有機組分[4，5]。有研究表明，黃瓜種子的發芽率在不同水浸提比的堆肥DOM處理下均大于80%，隨著水浸提比的增加，黃瓜種子在豬糞DOM中的相對根長呈上升趨勢[6]。DOM對種子發芽實驗的探究不僅能檢測堆肥腐熟程度，也能探討種子生長最有益的濃度。吲哚乙酸（IAA）是調節植物生長的一種重要激素。IAA與作物根系生長有著密切聯系[7]。有研究指出，IAA浸泡黃瓜種子，黃瓜幼苗根系各指標數據均高于CK[8]。堆肥中含有較高濃度的黃腐酸。有研究表明，在苗期沖施0.8 kg/667 m2礦物源黃腐酸鉀對黃瓜幼苗株高生長作用最為顯著[9]；施用黃腐酸液體配方肥可顯著提高大棚黃瓜產量[10]。從秸稈、畜禽糞便中提取的黃腐酸可使廢物得到安全利用，在堆肥中提取黃腐酸將成為一種綠色可持續發展途徑。殼聚糖是自然界僅次于纖維素的第二大有機資源，也是僅次于蛋白質的第二大氮源[11]。有研究指出，在高溫脅迫下，外源殼聚糖能促進黃瓜幼苗的生長，提高植株壯苗指數，提高幼苗抗逆性，減輕高溫對植株的傷害[12]。殼聚糖在食品、醫藥、工業等領域得到廣泛應用[13]。近年來，人們發現其在農業領域也具有很廣闊的應用前景。大量研究證明，殼聚糖作為植物生長調節劑可調節植物生長發育、增強作物抗性、提高作物產量和改善農產品品質；對農產品貯存保鮮也具有明顯的效果[14～16]。本試驗探討了DOM、IAA、黃腐酸、殼聚糖浸種對黃瓜種子發芽初期的影響，為黃瓜高產、優質栽培特別是壯苗的培育提供相應理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試試劑

吲哚乙酸購于上海麥克林生化科技有限公司，純度為98%；水溶性殼聚糖購于青島博智匯力生物科技有限公司，純度＞90%。

1.1.2 供試DOM

DOM是從堆肥中提取出來的水溶性有機物質。堆肥的制備是牛糞∶雞糞∶蘑菇渣=6∶5∶5進行一次發酵，采用好氧槽式堆肥模式。收集一次發酵30天左右的堆肥樣品進行二次發酵，二次發酵過程采用100 L小型發酵裝置模擬實際生產中靜置通氣陳化模式，設置周期為15天，獲得二次堆肥樣品。按水肥比10∶1，于200 rpm的振蕩機上振蕩2 h，4000 rpm的高速離心機上低溫離心20 min，上清液過0.45 μm濾膜，得到供試DOM。

1.1.3 供試黃腐酸

采用焦磷酸鈉法從堆肥中提取黃腐酸。

1.1.4 供試黃瓜

京研益農種業科技有限公司研發的黃瓜品種“京研夏美2號”。

1.2 試驗方法

將黃瓜種子用自來水漂洗，75%酒精消毒5 s，無菌水洗滌5次。隨機挑選飽滿、大小相似的種子。每個培養皿上放置8粒種子，設置3次重復。采用紙上發芽床法，將2層濾紙置于洗凈、烘干的培養皿上，使用下述有機活性物質溶液將濾紙濕潤至飽和，將種子置于實驗室氣候箱中培養，溫度25 ℃，光照12 h，白熾燈為光源，光強8000 lx，相對濕度60%。

DOM與蒸餾水按一定比例配比，設置濃度梯度為1%、5%、10%、20%、50%，以下稱為DOM1、DOM2、DOM3、DOM4、DOM5。

IAA與蒸餾水按一定比例配比，在超聲波中攪拌溶解，設置濃度梯度為0.1、1.0、10、100、1000 mg/L，以下稱為IAA1、IAA2、IAA3、IAA4、IAA5。

黃腐酸與蒸餾水按一定比例配比，設置濃度梯度為0.1、1.0、10、100、1000 mg/L，以下稱為黃腐酸1、黃腐酸2、黃腐酸3、黃腐酸4、黃腐酸5。

水溶性殼聚糖與蒸餾水按一定比例配比，用NaHCO3調pH至5.5～7.0，設置濃度梯度為1000、2000、3000、4000、5000 mg/L，以下稱為殼聚糖1、殼聚糖2、殼聚糖3、殼聚糖4、殼聚糖5。

用蒸餾水做空白對照（CK）。

浸種12 h，置于培養皿上，每2天用10 mL相應處理的溶液濕潤。

1.3 測定項目與方法

2天計算其發芽勢，7天計算其發芽率；每2天計算其根長與根毛數，共8天，分析數據。

發芽勢（%）=（第2天處理的發芽種子數）/（第2天處理的總種子數）×100。

發芽率（GR，%）=（第7天處理的發芽種子數）/（第7天處理的總種子數）×100。

發芽指數（GI）=∑Gt/Dt，其中Gt指浸種后t日的發芽數，Dt指相應的發芽日數。

活力指數（VI）=S×GI，其中S為發芽t時間時胚根及胚軸的總長度，GI表示發芽指數。

用卷尺測量黃瓜種子發芽期間的根長。根系掃描儀掃描黃瓜根系，肉眼數根毛數。

實驗數據處理采用SPSS軟件進行統計分析，使用Microsoft Office Excel 2010及Origin 8.0軟件進行數據處理和圖表制作。

2 結果與討論

2.1 有機活性物質對黃瓜種子發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數的影響

由表1可以看出，DOM5時的發芽勢與CK及其他濃度處理有顯著性差異，發芽率與CK無明顯差異，說明在此濃度下的DOM溶液抑制了初期黃瓜種子發芽；IAA5濃度下的種子發芽勢為0，但第7天的發芽率為87.5%（比其他濃度IAA均低，且差異顯著），說明高濃度的IAA抑制種子的發芽，低濃度的IAA促進種子發芽；有文獻證明黃腐酸能有效地促進種子內酶的活性，加速發芽過程中的生化反應[17]，在黃腐酸2、3、4濃度下的發芽勢高于CK，雖然差異不顯著，但有增加趨勢，這驗證了一定濃度的黃腐酸能促進種子的萌發；在殼聚糖1、2、3濃度下發芽勢高于CK（差異不顯著），有文獻證明殼聚糖能有效地促進種子內酶的活性，加速發芽過程中的生化反應，可作為一種新的引發劑激發種子活力[18～22]。發芽指數和活力指數都是對種子活力的反映，活力指數是種子發芽速率和生長量的綜合指標，是種子活力的更好指標?；盍χ笖翟礁?，種子活性越大，本文以活力指數為判斷種子活力的有利依據：DOM4種子活性最高，遠超過CK，DOM3和DOM4與CK及其他處理間有顯著性差異；IAA和殼聚糖的種子活性均低于CK，且隨濃度的升高而降低；黃腐酸處理下黃腐酸2活力指數達到最高，黃腐酸2和3處理下的種子活力指數高于CK。

表1 黃瓜種子發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數Tab.1 Germination rate, germination potential, germination index and vigor index of cucumber seeds

2.2 有機活性物質對黃瓜種子根長的影響

由圖1～圖4可以看出，所有處理中根長隨發芽實驗時間的推移逐漸升高。DOM處理時在發芽初期與CK無顯著性差異，第8天DOM4濃度下根長與CK有明顯差異，增長35.9%，證明適量DOM能促進根的伸長；IAA抑制黃瓜根長的生長，濃度越高對黃瓜種子根長的抑制效果越明顯，甚至導致黃瓜種子死亡，IAA1水平下與CK無顯著性差異，其他高濃度的IAA在第8天的根長要低于CK；第2天時CK根長要略高于黃腐酸處理的根長，在黃腐酸3下，第2天根長比CK低35.2%，第8天根長比CK長6.1%，說明在根生長過程中適宜濃度黃腐酸可促進根的生長；殼聚糖處理下的根長普遍低于CK，隨著殼聚糖濃度的增長，根長在第8天的增長率依次為65.7%、46.1%、24.4%、11.9%和0.02%，隨著濃度的升高增長率逐漸降低，說明高濃度殼聚糖抑制了根的生長。

圖1 DOM對黃瓜種子根長的影響Fig.1 Effects of DOM on root length of cucumber seeds

圖4 殼聚糖對黃瓜種子根長的影響Fig.4 Effects of chitosan on root length of cucumber seeds

2.3 有機活性物質對黃瓜種子根毛數的影響

由圖5～圖8可以看出，各處理下根毛數隨著發芽實驗時間的推移逐漸升高。第8天時，DOM處理根毛數只有在濃度為10%時才高于CK，且增長率最快。高濃度的IAA抑制黃瓜根毛的生長，低濃度的IAA在根突破種皮時（第2天）促進黃瓜根毛的生長，在第2天時，IAA1和IAA2的根毛數與CK有顯著性差異；第8天時可以看到IAA1～IAA3根毛數與CK無明顯差異。在種子發芽第8天時，黃腐酸3根毛數最多，整個生長期間的根毛數增長率為768.2%，在發芽實驗的生長周期內其他濃度的根毛數增長率依次為111.3%、188.4%、293.4%、204.3%，呈現先升高再降低的趨勢。殼聚糖處理下的根毛數低于CK，隨著濃度的增大根毛數逐漸減少。

圖2 IAA對黃瓜種子根長的影響Fig.2 Effects of IAA on root length of cucumber seeds

圖3 黃腐酸對黃瓜種子根長的影響Fig.3 Effects of fulvic acid on root length of cucumber seeds

圖5 DOM對黃瓜種子根毛數的影響Fig.5 Effects of DOM on root hair number of cucumber seeds

圖8 殼聚糖對黃瓜種子根毛數的影響Fig.8 Effects of chitosan on root hair number of cucumber seeds

圖6 IAA對黃瓜種子根毛數的影響Fig.6 Effects of IAA on root hair number of cucumber seeds

圖7 黃腐酸對黃瓜種子根毛數的影響Fig.7 Effects of fulvic acid on root hair number of cucumber seeds

3 結論與討論

發芽實驗是從生物學的角度來判斷試劑是否對種子有毒害的標準之一，而種子發芽率是衡量毒性最直觀簡便的方式。通過4種有機活性物質對黃瓜種子的發芽實驗來證明活性物質對黃瓜的促生作用，以便得出對黃瓜種子的萌發和幼苗的生長起積極作用的有機活性物質濃度。

在本試驗中，用不同濃度的DOM、IAA、黃腐酸、殼聚糖溶液浸種處理黃瓜種子，DOM對黃瓜種子發芽勢的影響隨著DOM濃度的升高呈先增后降的趨勢，其中DOM3（濃度為10%）對黃瓜的促生長作用最好，DOM4（濃度為20%）時活力指數最高，但DOM5（濃度為50%）時發芽勢達到最低，活力指數下降明顯，原因是DOM是直接從堆肥中提取出來，含有大量重金屬元素等，對種子有一定的抑制作用。IAA高濃度時抑制種子萌發，低濃度時促進種子萌發，在種子突破種皮前高濃度的IAA對種子便有抑制作用，種子活力指數均低于CK。黃腐酸2、3、4時發芽勢高于CK，說明黃腐酸2、3、4有利于種子的萌發，其中黃腐酸2濃度下活力指數最高。殼聚糖1、2、3時發芽勢高于CK，說明殼聚糖1、2、3促進種子初期萌發；隨濃度增大，發芽勢隨著殼聚糖濃度呈現下降的趨勢。

綜上，適宜濃度的DOM、IAA、黃腐酸、殼聚糖等均可促進黃瓜種子的萌發。DOM處理下，發芽前期根長與CK沒有差異，第8天時DOM4濃度下根長與CK有顯著性差異，較CK增長35.9%，證明DOM4是根系伸長的最適濃度。IAA抑制黃瓜種子根長生長；根生長過程中黃腐酸促進根長生長，尤其是黃腐酸3（濃度為10 mg/L）時最為明顯，發芽結束時比CK高6.1%；殼聚糖處理下的根長均低于不施加殼聚糖的溶液，殼聚糖不能促進黃瓜根長增長，在5種濃度的殼聚糖處理下，隨濃度的增加根長降低，原因需要進一步研究探討。DOM處理中根毛數只有在濃度為10%時才高于CK；發芽初期低濃度的IAA促進黃瓜根毛數增多，而高濃度IAA時的根毛數極少；黃腐酸3（濃度為10 mg/L）在第8天時根毛數最多，增長最快，整個生長期間的根毛數增長率為768.2%，10 mg/L的黃腐酸能促進黃瓜根毛生長；殼聚糖處理下的根毛數普遍低于CK，殼聚糖不能促進黃瓜根毛數增加，在5種濃度的殼聚糖處理下，低濃度的殼聚糖比高濃度的根毛數要多。因此，本試驗條件下，適宜濃度的DOM、IAA、黃腐酸能促進黃瓜根系生長，殼聚糖對黃瓜根系生長沒有促進作用。