PEG引發對谷子萌發期種子活力影響及綜合評價

王 帝， 王雨婷， 潘婷婷， 高銘唯， 苗興芬

(黑龍江八一農墾大學， 黑龍江 大慶 163316)

種子引發是一項種子預處理技術[1-2]，最早由科學家Heydecke于1973年提出[3]。該技術能夠調控農作物種子對水分的吸收速率，能夠達到以下3個方面的效果：修復和完善種子的膜系統[4]，保證種子處于生理代謝過程中的準備狀態[5]；活化種子內部酶體系，提高細胞膜和細胞器的自我修復能力[6]；對DNA也具有一定的修補能力。辛艷[7]和董志朋等[8]研究表明，農作物種子經過引發后，其活力和抗逆性都獲得了不同程度的增強，田間成苗率、出苗率及苗整齊度也有增加。目前，種子引發處理技術已相當成熟。PEG(Polythylene Glycol)是理想的實驗室引發劑[9]，PEG引發屬于種子引發中的滲調引發。谷子(SetariaItalica(L.)P.Beauv)抗旱耐瘠，水稻利用效率高、適應性廣，被認為是應對未來水資源短缺的戰略貯備作物[10]。

本試驗采用15%[11]PEG溶液對20份谷子品種進行種子引發，對谷子種子活力進行綜合評價，旨在篩選引發效果好的品種。

1 材料與方法

1.1 材 料

20個供試谷子品種詳見表1，種子引發劑PEG-6000。

表1 20個供試谷子品種Table 1 List of 20 tested foxtail millet varieties

1.2 方 法

試驗于室內進行。選擇形狀一致、成熟無病害的種子，用75%乙醇溶液消毒10 min，再用蒸餾水沖洗4次。配制質量濃度為15%的PEG-6000溶液對谷子種子浸種24 h，對照為蒸餾水浸種。室內發芽試驗條件和程序參照王慧茹[12]的方法。白天25 ℃晚上10 ℃條件下進行7 d標準發芽試驗，第8天隨機取樣10株測芽長與根長。對所取10株幼苗測鮮重，隨后80 ℃烘干至恒重，測干重。種子活力相關指標的測定參考辛秋宇[13]。綜合指標值(Zi)、隸屬函數分析(U)、綜合指標權重(Wi)、試驗材料的綜合值(D)的計算參照張鞏亮等[14]的方法。對試驗數據進行統計分析，數據整合、描述性統計、綜合評價以及主成分分析、聚類分析。

確定種子活力相關指標：每天調查種子發芽數，根長、芽長超過種子直徑的一半，調查持續到第8天。第8天直接測量谷子根長、芽長和鮮重，在測量鮮樣之后，將樣品放在信封中30 min，然后在105 ℃溫度下殺青，在80 ℃溫度下干燥至恒重并宣布干重。

1) 種子萌發相關指標測定。日發芽數目：調查7 d內每天種子發芽數目。發芽勢、發芽率、并計算發芽指數，其中發芽勢為發芽3 d的發芽數占供試種子的百分比，發芽率為發芽7 d發芽種子占供試種子的百分比，發芽指數是累計發芽數與日數之比的和。根長、芽長、10株根及芽鮮干重：第8天測量10株谷子幼苗每株根長、芽長和10株鮮重，稱重后將樣品放在硫酸紙袋中，然后在105 ℃溫度下殺青30 min，在80 ℃溫度下干燥至恒重并稱取10株干重。

2) 綜合指標值和隸屬函數。

μ(Zi)=(Zi-Zimin)/(Zimax-Zimin),i=1,2,3,...,n；

式中:αi是某一指標特征值所對應的特征向量；xi是指標相對值。μ為第i個主成分的隸屬函數值；Zi是第i個的綜合指標值；Zimin和Zimax分別為的第i個綜合指標的最小值和最大值。

3) 綜合各項指標的權重(Wi)和試驗材料的綜合值(D)

式中:Wi是第i個綜合指標的權重；Pi是第i個綜合指標的貢獻率;D值為主成分分析獲得的性能綜合評分值。

2 結果與分析

2.1 PEG引發對萌發期谷子的影響

在PEG引發下，20個品種的發芽勢和鮮重與ck比較存在顯著差異(表2)。發芽勢的平均值為86.77%；最大值為97.33%，分別是九谷15和九谷20；最小值為63.33%，為龍谷26；7個品種的發芽勢達到90%以上，3個品種在80%以下。鮮重的平均值為0.109 g，最大刀把齊(0.134 g)；最小大葉青粘谷(0.076 g)；7個品種的鮮重超過0.120 g，3個品種的鮮重低于0.090 g。發芽率、發芽指數、根長、芽長和干重與ck較差異不顯著。

變異系數最大為鮮重(18.35%)，芽長(13.45%)次之；最小為發芽率(4.26%)，發芽勢(9.09%)次之。

表2 PEG引發對谷子萌發期性狀的影響Table 2 Effects of PEG priming on the germination characters of foxtail millet

表3 PEG引發對萌發期谷子各指標的相關分析Table 3 Correlation analysis of PEG priming on various indexes in germinating foxtail millet

2.2 PEG引發對萌發期谷子各指標的相關分析

PEG引發后種子的發芽勢與發芽率和發芽指數呈極顯著正相關，相關系數分別為0.776和0.878；發芽率與發芽指數同樣呈極顯著正相關，相關系數為0.826；根長與芽長呈顯著正相關，相關系數為0.494；干重與鮮重極顯著正相關，相關系數為0.931(表3)。

2.3 PEG引發對萌發期谷子主成分分析

由于各性狀的相關分析可能導致信息重疊而影響分析結果，因此通過主成分分析進行各性的綜合評價，以累計貢獻率達到80%的原則確定主成分。由表4可知，前4個主成分貢獻率分別為38.296%，25.446%，15.835%和12.486%。累計貢獻率達92.064%，表明前4項主成分代表了7項指92.064%的變異信息。其中，第一主成分(PC 1)的以發芽指數的絕對值載荷較高(0.598)；第二主成分(PC 2)以芽長的絕對值載荷最高(0.669)；第三主成分(PC 3)以干重的絕對值載荷最高(-0.802)；第四主成分(PC 4)以鮮重的絕對值載荷最高(0.721)。

表4 PEG-6000引發對萌發期谷子主成分分析Table 4 Effect of PEG-6000 priming on principal components and factors of foxtail millet during germination

2.4 種子活力綜合評價

通過計算各試驗材料的綜合指標值和各主成分隸屬函數值。隨后計算出前4個性狀的主成分權重分別為0.416、0.276、0.172、0.136。通過加權法計算出種子活力綜合評價值D。由表5可知，所有試驗材料的平均D值為0.465，分布區間在0.235～0.710之間。金穗黃金谷、綠谷王和燕谷1號D值排在前3位，分別為0.710，0.683和0.606，說明該3個品種受PEG引發效果好。引發效果最差的是公矮2(11號)，D值為0.235，其次是晉谷29(3號)，D值為0.326(見表5)。

表5 參試材料D值及排序Table 5 D values and sequences of test materials

2.5 種子活力聚類分析

以D值為依據，對20份谷子材料進行聚類分析，在歐式距離0.28處可分為四類：分別為高活力、中高活力、常規活力和低活力型(圖1)。第Ⅰ類由2、9號組成的高活力型類群，占總材料數的10%；第Ⅱ類由1、8、15、16、4、6、10號等7個材料組成的中高活力型類群，占總材料數的35%；第Ⅲ類由5、14、7、13、18、20、12、19號等8個材料組成的常規活力型類群，占總材料數的40%；第Ⅳ類由3、17、11號組成的低活力型類群，占總材料數的15%。

圖1 20個參試品種種子活力情況系統聚類分析 Fig.1 Systematic cluster analysis on seed vigor of 20 varieties

3 討 論

種子引發方法及技術有多種，楊小環等[15]認為，不同的種子引發技術擁有共同的試驗程序。滲調引發是引發方法的基礎，該方法能夠根據不同的情況和試驗對象，靈活改變試驗過程中的處理條件，如濃度、時間、溫度和光照強度等，應用范圍較廣泛。大分子的聚乙二醇(相對分子質量≥6 000)不能透過細胞壁，在整個引發過程中發揮著調節滲透的作用，控制滲透壓，調節種子吸水速率，是滲調引發選擇較多的試驗藥劑。此外還有一些其他化學試劑或混合藥劑也可以應用，如脯氨酸、甘露醇及KNO3+K3PO4、PEG+鏈霉素等。以上試劑作為引發劑時，都是讓種子通過滲透液吸收水分，保持種子內部水勢的均一性，讓種子保持在吸脹滯緩期，也就是膠體吸水達到飽和，處于吸水停滯狀態下發生代謝活動，同時弱化種子內部胚根附近的組織，防止其伸出。該過程還可辨別是否存在“假萌動”現象(圖2)。張衛華等[15]研究表明，受引發種子的吸脹過程始終保持均勻狀態，細胞內部環境良好，細胞膜的結構與功能以及各細胞器發育正常。萌發種子的ATP含量也有不同程度的提高[17-18]，同時，在吸脹過程中種子的呼吸作用增強，呼吸釋放出的能量能夠滿足谷子幼胚生長對能量的要求。谷子吸水膨脹后，會有一個內部物質轉化的生理過程，這個過程由多種酶控制。當吸水膨脹達到飽和，各類酶促反應開始活動，胚乳內所含蛋白質、脂肪、淀粉等比較復雜的有機物質開始轉化為簡單的碳水化合物和可溶性的含氮化合物，這些物質能夠被胚直接吸收和利用。白占兵等[19]研究認為，由于引發之后種子內部活化水解酶活性的提高，提高了種子活力。

在種子自身潛能是活力的主要限制因子前提下，PEG引發作為外部因素來影響谷子種子的活力，體現不同條件下種子的適應程度。該理論適用于Woodstock在1973年所推出的種子活力雙向量二維分析圖(圖3)。圖中橫坐標為溫度、光照、pH值等(包括PEG等)組成的環境因子的幅度，縱坐標表示種子活力的強度。曲線(a)表示活力最強，曲線(b)表示活力較弱，適應范圍較小，曲線(c)表示活力較弱，效應強度降低。

生產實踐中，種子批發芽率的高低并不能完全反映作物田間生長情況，并且可能存在較大差異。在不同的環境條件下，種子引發可被廣泛應用，提高作物萌發率和出苗率。提高種子的活力水平，對苗期的壯苗十分有利，增加最終產量[20]。

圖2 種子吸脹模式Fig.2 Pattern diagram of seed imbibition

圖3 種子活力雙向量二維分析Fig.3 Two-dimensional analysis chart of two-way quantity of seed vigor

4 結 論

本試驗結果表明，PEG引發可有效提高谷子種子活力，但是不同谷子品種引發效果存在差異。20份谷子品種的發芽勢、鮮重存在顯著差異，且萌發期各性狀的變異系數由小到大為發芽率、發芽勢、發芽指數、根長、干重、芽長、鮮重；種子發芽勢、發芽率和發芽指數均呈極顯著正相關，根長與芽長呈顯著正相關；干重與鮮重呈極顯著正相關。篩選出受PEG引發提高種子活力效果顯著的2個品種，分別是綠谷王和金穗黃金谷。