藜麥種子對萌發(fā)溫度的響應及低溫脅迫萌發(fā)能力鑒定

姚 慶,阿里別里根·哈孜太,楊明花,李 強,苗昊翠,崔宏亮

(1.新疆伊犁州農業(yè)科學(xué)研究所,新疆伊寧 835000;2.新疆農業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所,烏魯木齊 830091)

【研究意義】種子萌發(fā)期是作物生育周期的首要階段[1-2],影響種子萌發(fā)因素很多,在水分和氧氣保證的情況下,溫度就是保證種子能夠正常發(fā)芽的重要外界因素[3]。作物萌發(fā)階段如遭遇低溫冷害,輕則延遲種子萌發(fā),重則導致種子胚芽死亡、霉爛,導致出苗不齊、影響產(chǎn)量[4]。新疆屬溫帶大陸性氣候,春季低溫冷害和倒春寒天氣會(huì )影響農業(yè)生產(chǎn),藜麥營(yíng)養價(jià)值全面和遺傳多樣性豐富且生態(tài)適應性廣泛和抗逆性較強,不同藜麥品種,受遺傳和產(chǎn)地因素影響種子的發(fā)芽能力及抗逆能力[5],保證藜麥產(chǎn)量提高前提條件是種子能夠快速萌發(fā),保證苗全、苗齊、苗壯[6-7]。早熟藜麥品種可能是物質(zhì)積累量不足,產(chǎn)量不及中晚熟品種,但是藜麥種子沒(méi)有休眠期,中晚熟品種成熟期如遇上秋季多雨容易影響穗發(fā)芽、產(chǎn)量和品質(zhì)。選擇萌發(fā)期和苗期耐低溫品種,適時(shí)早播,縮短藜麥生育期是保證藜麥產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Jacobsen等[8]研究了不同的藜麥基因型在霜凍溫度下的表現,發(fā)現來(lái)自高海拔地區的藜麥品種較低海拔地區的品種抗寒性基因變現突出。Geerts S等[9]對于藜麥的抗性機理的研究顯示,藜麥對低溫的應激反應主要是積累碳水化合物以及酶的改變。Jacobsen等[10]利用秘魯高原品種和安第斯谷地品種做對比,發(fā)現秘魯高原品種能在-8℃存活4 h,抗凍性明顯優(yōu)于安第斯谷地品種。溫日宇等[11]以紅藜、白藜、黑藜3種不同藜麥為材料,對藜麥幼苗進(jìn)行人工模擬低溫(4℃)脅迫,研究表明有利脯氨酸含量越高的品種抗逆性越好,POD、SOD活性越強,越能增強藜麥的抗寒性。沈菊等[12]為了分析霜凍、低溫凍害等因素對藜麥在播種期至幼苗期的影響,通過(guò)人工模擬環(huán)境試驗和自然環(huán)境試驗相結合,分析了青藜1號在-10℃,且低于0℃以下14 h藜麥進(jìn)入休眠期,在-14℃,且低于0℃以下15 h藜麥幼苗枯萎。孟軍萍等[13]利用4個(gè)玉米自交系品種,在玉米發(fā)芽期間,分別用-4、0、4和8℃處理0、4、8和12 h,研究其對玉米的影響,結果表明低溫對玉米幼苗干鮮重影響顯著(zhù)。沈忱[14]利用不同苜蓿品種對其種子進(jìn)行低溫脅迫,通過(guò)比較其種子萌發(fā)期耐寒性,并篩選出耐寒性強的苜蓿品種?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前國內研究主要圍繞藜麥的生態(tài)適應性及營(yíng)養物質(zhì)利用等,對于種子抗逆性萌發(fā)多集中在抗旱、耐鹽上,耐寒性的研究也主要集中在藜麥苗期,而不同藜麥品種種子萌發(fā)期對低溫脅迫的響應未見(jiàn)報道。需研究藜麥萌發(fā)期對低溫脅迫的響應?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選擇6個(gè)藜麥品種,以1、5、10、15和20℃處理進(jìn)行發(fā)芽試驗,分析不同萌發(fā)溫度條件下的多個(gè)萌發(fā)指標,篩選出低溫脅迫下藜麥萌發(fā)期主要耐寒性鑒定指標和抗寒性較好的品種。

1.1 材 料

選用6個(gè)品種全部來(lái)源于伊犁州農科所近幾年從中國農科院作物科學(xué)研究所引進(jìn)、篩選出的適合當地種植的藜麥品種(系),品種編號為YN1、YN2、YN3、YN4、YN5和YN6。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

每個(gè)品種選擇籽粒飽滿(mǎn)、大小均勻的藜麥種子沖洗干凈,經(jīng)75%酒精浸泡消毒1 min后用無(wú)菌水沖洗3遍備用,每品種選擇150粒種子放置于直徑12 cm、底部放置2層濾紙培養皿中,每皿50粒,各處理重復3次,浸透蒸餾水,蓋上皿蓋,置于1、5、10、15和20℃的LRH-50L/CA型號的低溫培養箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗,每天記錄各處理種子萌發(fā)數,定時(shí)定量滴加蒸餾水,第3 d計算發(fā)芽勢,第7 d計算發(fā)芽率并從各處理樣品中隨機選取10株,用直尺測量其芽長(cháng),再用萬(wàn)分之一天平測定芽鮮重,計算發(fā)芽指數和活力指數。

1.2.2 指標測定

發(fā)芽勢(GE)=(第3 d發(fā)芽種子數/供試種子數)×100%;

相對發(fā)芽勢(RGE)=(脅迫處理的發(fā)芽勢/對照的發(fā)芽勢)×100%;

發(fā)芽率(GR)=(正常發(fā)芽種子數/供試種子數)×100%;

相對發(fā)芽率(RGR)=(脅迫處理的發(fā)芽率/對照的發(fā)芽率)×100%;

發(fā)芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)(Gt為時(shí)間t日的發(fā)芽數,Dt為相應的發(fā)芽天數);

相對發(fā)芽指數(RGI)=(脅迫處理的發(fā)芽指數/對照的發(fā)芽指數)×100%;

活力指數(VI)=芽鮮重×GI;

相對活力指數(RVI)=(脅迫處理的活力指數/對照的活力指數)×100%;

相對芽長(cháng)(RBL)=(脅迫處理的芽長(cháng)/對照的芽長(cháng))×100%;

相對芽鮮重(RBFW)=(脅迫處理的芽鮮重/對照的芽鮮重)×100%。

1.3 數據處理

運用多因素方差分析比較6個(gè)藜麥品種在不同低溫脅迫條件下時(shí)各發(fā)芽指標的差異性;選擇相對萌發(fā)指標運用相關(guān)分析法及主成分分析法分析6個(gè)藜麥品種萌發(fā)之間的相關(guān)性及萌發(fā)代表性的主成分指標,運用隸屬函數法對6個(gè)藜麥品種種子萌發(fā)抗寒性進(jìn)行綜合評價(jià),公式為X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),X(u)為某品種某一指標的測定值,Xmin和Xmax為該指標中的最小值和最大值,并求出綜合評價(jià)指標D值對6個(gè)藜麥品種的耐冷性進(jìn)行綜合排序。所得數據利用Exce2007軟件和DPS15.10軟件進(jìn)行分析。

2.1 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標對不同低溫的響應

2.1.1 不同溫度對6個(gè)藜麥品種發(fā)芽率的影響

研究表明,藜麥的發(fā)芽率受溫度影響相比于其他指標影響較小,變異系數為27.622%,在10和20℃時(shí)YN2為最高(0.993%),1℃時(shí)YN3為最低(0.007%)。6個(gè)藜麥品種在1～20℃的平均發(fā)芽率呈上升趨勢,隨著(zhù)溫度的升高,種子的發(fā)芽能力也隨之升高,10～20℃時(shí),發(fā)芽率趨于穩定,在這個(gè)溫度區間內都不會(huì )影響6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽率;YN1和YN3在1、5、10和15℃與其他4個(gè)品種的發(fā)芽率都存在極顯著(zhù)差異,YN2、YN4和YN5品種在1～20℃區間內差異不顯著(zhù),一直保持較高的發(fā)芽率,低溫對其發(fā)芽率影響較小,YN6在1℃時(shí)與其他溫度差異極顯著(zhù),低于5℃其發(fā)芽率明顯受到影響。表1

表1 不同溫度下藜麥品種萌發(fā)指標的差異性比較

2.1.2 不同溫度對6個(gè)藜麥品種發(fā)芽勢的影響

研究表明,6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽勢總變異系數為58.460%,在20℃時(shí)YN2為最高(0.980),1℃時(shí)YN1、YN2為最低(0.00)。6個(gè)藜麥品種1～20℃的平均發(fā)芽勢呈持續上升趨勢,從1～5℃時(shí)上升速度較快,5～15℃時(shí)上升較平緩,20℃達到最高值,引發(fā)種子發(fā)芽的溫度越高,種子發(fā)芽速度越快;1、5、10和15℃時(shí)YN1和YN2與其他4個(gè)品種均達到極顯著(zhù)水平,且1℃時(shí)這2個(gè)品種發(fā)芽勢均為0,低溫會(huì )降低其發(fā)芽速率;YN2、YN4品種從5℃開(kāi)始就表現出較高的發(fā)芽勢,其耐低溫能力強,第3 d開(kāi)始達到發(fā)芽峰值。

2.1.3 不同溫度對6個(gè)藜麥品種發(fā)芽指數影響

研究表明,6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽勢總變異系數為48.223%,20℃時(shí)YN4為最高(38.389%),1℃時(shí)YN1為最低(0.00%)。1～15℃時(shí)YN1、YN2與其他品種均達及顯著(zhù)水平,發(fā)芽指數隨著(zhù)溫度升高呈上升趨勢,YN2和YN4從5℃開(kāi)始發(fā)芽指數就保持較高的水平,但是YN2從10℃開(kāi)始發(fā)芽指數水平就趨于平穩,10℃為該品種適宜發(fā)芽溫度,YN4發(fā)芽指數從1～20℃成持續上升趨勢,20℃到達峰值,溫度越高該品種發(fā)芽指數越高;YN5、YN6從10℃開(kāi)始發(fā)芽指數趨于穩定,10～20℃是2個(gè)品種適宜發(fā)芽溫度。

2.1.4 不同溫度對6個(gè)藜麥品種活力指數影響

研究表明,溫度對6個(gè)藜麥品種活力指數影響相比于其他萌發(fā)指數影響較大,變異系數達到68.201%,20℃時(shí)YN4為最高(9.463%),1℃時(shí)YN1、YN3為最低(0.00%)?；盍χ笖蹬c芽鮮重相關(guān),1℃時(shí)YN1、YN3未有種子發(fā)芽,1℃時(shí)活力指數為0;隨著(zhù)溫度升高,6個(gè)藜麥品種的活力指數也持續升高,品種間在不同溫度下達極顯著(zhù)差異,YN21～20℃活力指數均高于其他品種,YN5、YN6品種在1～15℃時(shí)活力指數差異都不顯著(zhù),10～15℃時(shí)數值趨于平穩,20℃時(shí)卻達到極顯著(zhù)水平,YN6活力指數明顯低于YN5,溫度達到10℃之后對YN6的活力指數影響不明顯;相較于其他品種,YN31～15℃活力指數值一直較低,20℃時(shí)明顯升高,該品種對溫度及其敏感。

2.1.5 不同溫度對6個(gè)藜麥品種芽長(cháng)和芽鮮重的影響

研究表明,6個(gè)藜麥品種的芽長(cháng)與芽鮮重成正比,且溫度對于這兩個(gè)因素影響較大,變異系數分別為91.688%和42.186%,芽長(cháng)和芽鮮重分別以20℃時(shí)YN6(76.954 mm)YN5(0.255 mg)最高,以1℃時(shí)YN1(0 mm)、YN3(0 mg)最低;各品種1和20℃時(shí)都與5～15℃時(shí)差異達到顯著(zhù),溫度直接影響6個(gè)藜麥品種的芽長(cháng)和芽鮮重。5～15℃時(shí)平均芽長(cháng)上升幅度較慢,20℃時(shí)所有品種芽長(cháng)成倍增長(cháng),20℃能使藜麥快速生長(cháng),但是20℃時(shí)芽鮮重數值沒(méi)有明顯增加,在此溫度下有可能致使幼芽徒長(cháng),物質(zhì)積累不協(xié)調易造成幼苗纖弱。圖1

圖1 不同溫度下萌發(fā)指標變化

2.2 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標相對值之間相關(guān)性

研究表明,種子萌發(fā)各相對指標之間既獨立又存在相關(guān)性,相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數、相對活力指數、相對芽鮮重、相對芽長(cháng)對不同溫度的響應及響應程度都存在不同的差異性且都達到了極顯著(zhù)水平,其中相對發(fā)芽率與相對發(fā)芽指數(0.816**)、相對發(fā)芽勢與相對發(fā)芽指數(0.952**)、相對發(fā)芽指數與相對活力指數(0.896**)、相對活力指數與相對芽長(cháng)(0.930**),均存在顯著(zhù)差異性或極顯著(zhù)差異性。表2

表2 不同溫度下各相對萌發(fā)指標的相關(guān)系數

2.3 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標相對值之間主成分

研究表明,在不同溫度培養下6個(gè)藜麥品種種子萌發(fā)各指標間差異極顯著(zhù),因子1的特征值為4.855,占總信息量的80.924%,其他主成分因子特征值均小于1,且權重因子為0.809,因子1(相對發(fā)芽率)可以用作6個(gè)藜麥品種低溫萌發(fā)指標。表3

表3 不同溫度下各相對萌發(fā)指標的主成分

2.4 6個(gè)藜麥品種萌發(fā)指標相對值之間的綜合評價(jià)

研究表明,提取主成分系統矩陣,公式為D=X1×0.809+X2×0.11+X3×0.062+X4×0.012+X5×0.005+X6×0.001,D值越大該品種在此溫度下萌發(fā)響應越好。1℃時(shí)YN4表現最好,得分0.774,而YN3表現最差,得分為0。5℃時(shí)YN2表現最好,得分0.940,得分最低的依然是YN3,與YN2相差0.453分,排名2～4的YN6、YN4、YN5兩兩分數差距較小。10℃時(shí),YN2依然排名第1,得分0.959,YN5、YN6排在第2、3位。15℃時(shí),YN5、YN6排在第1、2位,6個(gè)藜麥品種D值差距不大。20℃時(shí),6個(gè)藜麥品種D值沒(méi)有差異。YN4品種1℃低溫脅迫條件下,表現突出,耐寒性最強,屬極耐低溫品種;YN2、YN5、YN6品種1～15℃低溫條件下D值相差不顯著(zhù)且表現穩定,屬耐低溫品種;YN1、YN3品種1～15℃低溫條件下一直排在最后2位,2個(gè)品種耐低溫性較差,屬低溫敏感品種。表4

表4 不同溫度下各相對萌發(fā)指標的綜合評價(jià)

采用主成分分析法將不同溫度下萌發(fā)指標的相對值降維[15],累計貢獻率大于80%的原則[16],種子的萌發(fā)既受外部環(huán)境的影響又取決于自身遺傳基因的控制[17],而外部影響因子中溫度又是促進(jìn)種子快速萌發(fā)的關(guān)鍵因素[18],不同溫度條件下,作物的萌發(fā)指標也存在差異[19]。藜麥對于干旱、鹽堿、高寒等逆境環(huán)境均有較好的耐受性[20-21],在低溫脅迫條件下,不同藜麥品種在種子萌發(fā)期的表現存在顯著(zhù)差異,1℃條件下,YN1、YN3品種發(fā)芽勢均為0,與其他4個(gè)品種均達極顯著(zhù)差異,品種遺傳基因的差異決定其種子萌發(fā)期耐冷性[22]。朱宗文等[23]通過(guò)在不同低溫條件下茄子自交系材料的細胞過(guò)程、代謝過(guò)程、生物調節過(guò)程與單有機體存在較多的差異表達基因。

種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率能夠在一定程度上反映種子的發(fā)芽速度和整齊度[24],發(fā)芽指數是衡量植物發(fā)芽能力及活力的一項重要指標,而發(fā)芽指數和活力指數更能綜合反映種子的長(cháng)勢和健壯程度[23]。6個(gè)藜麥品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、活力指數、芽長(cháng)、芽鮮重都是隨著(zhù)溫度的升高而上升,低溫抑制種子萌發(fā),與楊艷婷等[26]、李進(jìn)等[18]的研究結果一致,不同溫度處理下,YN1、YN3品種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率1～15℃時(shí)均明顯低于其他品種,2個(gè)品種20℃以下的發(fā)芽速度低、整齊度差,對低溫響應的敏感度高;綜合6個(gè)品種發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、活力指數、芽長(cháng)、芽鮮重指標20℃時(shí)均達最高,20℃是藜麥最適萌發(fā)溫度。

選擇多個(gè)萌發(fā)指標綜合評價(jià)品種間的耐低溫能力更具優(yōu)勢[27]。趙陽(yáng)佳等[28]采用模糊隸屬函數法對7個(gè)綠肥作物的耐低溫萌發(fā)能力做出綜合評價(jià);徐小萌等[29]對不同顏色紫云英種子低溫萌發(fā)指標進(jìn)行相關(guān)性分析,并利用模糊隸屬函數法綜合評價(jià)不同顏色紫云英種子的活力。研究選擇1、5、10、15和20℃,5個(gè)溫度區間,將發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、活力指數、芽長(cháng)、芽鮮重的相對值進(jìn)行相關(guān)性分析,6個(gè)相對萌發(fā)指標差異性都達到了極顯著(zhù)水平;選取6個(gè)萌發(fā)指標相對值對6個(gè)藜麥品種在5個(gè)溫度區間下進(jìn)行主成分分析,通過(guò)對多項指標的降維處理,得到相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數、相對活力指數可作為藜麥萌發(fā)期耐低溫特性的主要鑒定指標?；谥鞒煞址治?利用模糊隸屬函數法對6個(gè)藜麥品種在5個(gè)溫度區間內進(jìn)行綜合評價(jià),篩選出極耐低溫品種1個(gè)、耐低溫品種3個(gè)及低溫敏感品種2個(gè)。如要將篩選出的耐低溫品種應用于實(shí)際生產(chǎn),尚需進(jìn)一步進(jìn)行田間試驗來(lái)驗證。

YN1、YN3品種在萌發(fā)期對低溫最敏感,不適合早播;YN2、YN5、YN6品種在不同溫度下,各方面指標表現穩定,在低溫條件下雖然發(fā)芽速度較慢,但是發(fā)芽率較高,耐低溫性較強,屬于耐低溫品種;YN4品種在低溫條件下表現最突出,屬于極耐低溫品種。