干旱胁迫对向日葵种子萌发的影响及其抗旱性鉴定

温 蕊，侯建华，张艳芳，吕 品，马 宇

(1.内蒙古农业大学农学院， 内蒙古 呼和浩特 010018； 2.内蒙古农牧业科学院， 内蒙古 呼和浩特 010031)

向日葵(HelianthusannuusL.)属菊科(Composite)向日葵属(Helianthus)的一年生草本植物，起源于北美洲西南部，按籽粒的用途分为食用型、油用型和中间型3种类型。油用向日葵是世界上重要油料作物[1]，也是我国五大油料作物之一[2]，主要种植在我国华北、西北、东北的干旱和半干旱地区，是这些地区的主要油料作物，也是这些地区改良轻度盐碱地的首选作物[3]。

随着全球环境变化的加剧和生态平衡的破坏，水资源短缺已是全世界各国共同面临的一个严峻问题[4]。农作物生产正面临着越来越严重的干旱威胁，而对向日葵的消费需求却与日俱增。解决这一问题的途径，除了改善农田环境，提高水分利用效率，使之适应其生长发育外，还需培育和推广抗旱性强、具有优良农艺性状的向日葵新品种，使之适应干旱环境条件[5]。

种子萌发期是作物第一生长发育阶段，萌发期受干旱直接影响种子发芽出苗，进而影响后期生长发育，最终造成作物产量、质量的下降。关于向日葵抗旱性的研究已有报道[6-8]，但有关向日葵种子萌发期抗旱性的研究还鲜有报道。本试验采用18%PEG-6000溶液模拟向日葵种子在萌发期可能遇到的干旱环境，测定SOD、CAT、POD、丙二醛(MDA)含量等生理特性和发芽势、发芽率等萌发特性，并采用模糊隶属函数对参试材料萌发期的抗旱性进行综合性评价，以期为向日葵种质资源抗旱性鉴定及抗旱基因的发掘提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为油用向日葵共计18份，包括耐旱型自选系K58、K59和干旱敏感型自选系K55及以K55为母本、K58为父本杂交得到的杂种F1通过单粒传方法获得的192个F5重组自交系株系，在模拟干旱条件下(18%PEG-6000)发芽率高的10个株系(株系35>118>28>192>29>184>50>81>88>101)和发芽率低的5个株系(株系23>20>53>60>64)，分别取以上15个株系的F6种子。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发特性的测定 按照李龙等[9]方法，选取18个供试材料各50粒饱满种子，经消毒处理(75%酒精消毒60 s，0.1% HgCl2消毒8 min，蒸馏水漂洗数次)，置于铺有2层滤纸的培养皿(9 cm)中，分别加3 ml 18% PEG-6000溶液(模拟干旱)和蒸馏水(对照)，置于25℃恒温光照培养箱中(光照周期为光/黑暗：8/16 h)培养10 d，期间每天更换滤纸以保持恒定PEG浓度，每个处理重复3次。

种子置床后第2 d开始，每天统计种子发芽数，第4 d计算发芽势(%)(GE)，发芽结束后计算发芽率(%)(GR)、发芽指数(GI)，从每个培养皿中随机选取15株测量胚芽长度(cm)(EL)、胚根长度(cm)(RL)，称量胚芽鲜重(g)(EFW)、胚根鲜重(g)(RFW)，将称过鲜重的胚芽、胚根105℃烘干30 min，85℃烘干8 h后称量胚芽干重(g)(EDW)、胚根干重(g)(RDW)。计算公式如下：

(1) 种子发芽率、相对发芽率：

发芽率(GR)=(第7 d发芽种子数/供试种子数)×100%；

相对发芽率(RGR)=(处理种子发芽率/对照种子发芽率)×100%。

(2) 发芽指数、相对发芽指数：

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)(Dt为发芽日数；Gt为相对应的每日发芽数)；

相对发芽指数(RGI)=(处理发芽指数/对照发芽指数)×100%。

(3) 种子发芽势、相对发芽势：

发芽势(GV)=(第3 d发芽种子数/供试种子数)×100%；

相对发芽势(RGV)=(处理发芽势/对照发芽势)×100%[10]。

(4) 相对性状指标(%)=渗透胁迫处理下各性状测定值/对照各性状测定值×100%。

1.2.2 生理生化指标的测定 丙二醛(MDA)含量测定参照李合生[10]硫代巴比妥酸(TAB)比色法。超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用李合生[10]抑制氮蓝四唑(NBT)光化还原比色法测定，以每单位时间内光还原50%氮蓝四唑为1个酶活性单位，单位为U·g-1FW。过氧化物酶(POD)活性测定参照张宪政[11]愈创木酚法。过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定。ATP含量测定按照苏州科铭生物技术有限责任公司的ATP含量试剂盒分别测定萌发种子的ATP含量。对照组与处理组均在种子萌发试验72 h取样，迅速研磨样品得到新鲜酶液，4℃保存备用。

1.3 抗旱性综合评价方法

采用隶属函数法进行抗旱性综合评价。隶属函数值的计算公式(1)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Xij为i品种第j项指标测定值；Xjmin为全部品种第j项指标的最小值；Xjmax为全部品种第j项指标的最大值。μ(Xij)为i品种第j项指标的隶属函数值。Xj表示全部品种第j项指标的平均值，Vj表示第j项指标标准差系数，Wj表示第j项指标权重，D表示各品种的抗旱性综合评价，D值越大，抗旱性越强[12]。

1.4 数据统计分析

利用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行数据处理和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对向日葵种子萌发特性的影响

从表1可以看出，18%PEG模拟干旱胁迫下，相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对胚根、胚芽长度以及相对胚根、胚芽干重均低于1，表明干旱胁迫显著抑制了种子的萌发。

不同供试材料间的比较发现，株系29、株系88、K59这3个材料的相对发芽率、相对发芽势和相对发芽指数均显著高于其它材料，表明其对干旱胁迫的耐受性较强。相对发芽势较低的株系23、101、184这3个材料在所有供试材料中的相对发芽率也最小。从相对胚芽长度、相对胚根长度、相对胚芽干重和相对胚根干重看(表1)，对干旱胁迫敏感的有株系81、184和192，对胁迫较不敏感的有株系29、88和K55。

表1 干旱胁迫下向日葵种子萌发特性相对值

注：同列中标记不同字母的数据在0.05水平上差异显著。相对发芽率：Relative germination rate(RGR)；相对发芽势：Relative germination energy(RGE)；相对发芽指数：Relative germination index(RGI)；相对胚根长：Relative radicle length(RRL)；相对胚芽长：Relative germ length(RGL)；相对胚根干重：Relative radicle dry weight(RRDW)；相对胚芽干重：Relative embryo bud dry weight(REDW)。

Note： Data with mark different letters in a column significant difference at 0.05 level.

2.2 干旱胁迫对向日葵种子萌发期生理特性的影响

由表2可知，干旱胁迫下，供试不同材料间抗氧化保护酶系和丙二醛含量及ATP含量的差异较大，相对SOD酶活性变化介于1.22～0.06，相对CAT酶活性变化介于6.49～0.09，相对POD酶活性变化介于9.82～0.01，说明干旱胁迫下，不同供试材料间抗氧化酶活性变化差异较大，有些明显增加，如株系88、株系35、株系64、K55等；有些明显降低，如K55、K58、株系28等。丙二醛含量与ATP含量也表现相同规律，相对MDA含量变化范围为1.86～0.35，最高值为株系35，最低值为株系60；相对ATP含量变化范围为14.17～0.08，最高值为株系35、株系88、株系81等，最低值为株系50、株系29、株系184等。

2.3 相关性分析

12个测定指标相对值的相关分析(表3)表明，相对发芽率、相对发芽势与相对发芽指数之间，相对发芽指数与ATP含量相对值、相对胚芽长度与相对胚芽干重之间均呈极显著正相关；SOD酶活性相对值与POD酶活性相对值呈极显著负相关。相对胚芽长度分别与相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数之间，相对发芽指数与相对胚芽干重，CAT酶活性相对值与ATP含量相对值之间均呈现显著正相关。

从18个供试材料12个抗旱性相关指标相关系数矩阵(表3)可以看出，所有测定指标间都存在着相关性，从而使得它们所提供的信息发生重叠，同时各指标在抗旱性中所起的作用也不尽相同，直接利用这些单个指标进行抗旱性评价可能具有不可靠性。

表2 干旱胁迫下向日葵种子生理特性的相对值

注：同列中标记不同字母的数据在0.05水平上差异显著。

Note： Data with mark different letters in a column significant difference at 0.05 level.

2.4 向日葵萌发期抗旱性综合性评价

用隶属函数法对18个向日葵材料的相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数等7个萌发特性和5个生理指标的相对值进行了综合性评价，得到18个向日葵材料萌发期的综合抗旱能力D值(表4)。D值越大表明抗旱性越强。供试18个材料D值变化范围为0.36～1.49，其中株系88抗旱性最强，D值为1.49，184的抗旱性最弱，D值为0.36，K55和株系60抗旱性居中，D值分别为0.70和0.71。重组自交系株系88、35、29、64的D值显著大于亲本K55和K58，较大于非亲本材料K59，说明重组自交系群体出现了超亲分离现象。

2.5 12个指标与隶属函数综合评价值的相关分析

相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数、相对胚根长度、相对胚芽长度、相对胚芽干重、相对CAT活性、相对MDA活性和相对ATP含量均与隶属函数综合评价值显著相关，表明这些指标均可作为向日葵萌发期抗旱性筛选鉴定的主要参考指标(表5)。

3 讨 论

多数研究结果表明，干旱胁迫对植物体的生理生化过程有着不同程度的影响，而且受供试植物体间基因型的不同，植物体对干旱胁迫的响应也不尽相同。本研究PEG模拟干旱胁迫下，18个供试材料SOD、CAT、POD保护酶活性及MDA和ATP含量与对照相比有增有减，不同供试材料对同一生理指标和同一材料对不同生理指标对干旱胁迫的响应均存在显著差异。ATP作为生命活动中能量的重要携带者，为植物维持正常的生命活动提供了保障。在干旱胁迫下，ATP含量的增加，为各种代谢活动的正常进行保持了较高的能荷，抗旱性能被直接和间接的增强了，表现出对于干旱胁迫的适应性[13]。

表3 12个指标的相关性系数矩阵

注(Note)：*：P<0.5；**：P<0.1。

表4 18个向日葵材料的隶属函数值及抗旱性综合评价

作物抗旱性是一个受多因素影响、复杂的数量性状[14]。白玉[15]、王贺正[16]等人的研究结果表明单一的使用某一指标的绝对值来比较不同品种的抗旱性，不能消除品种间固有差异的影响。本文采用干旱胁迫与其对照的相对值进行分析，可以消除品种间固有差异，使得供试材料间抗旱性的比较鉴定更为准确，如本实验中干旱胁迫下低发芽率的株系60，其相对发芽率显著高于高发芽率株系101、株系81和株系192。而且通过单一的一、二个指标进行抗旱或耐旱性筛选，与品种实际的抗旱能力虽有一定的相关性，但不完全相关，甚至有很大的出入，本实验的研究结果亦说明了这一点，如干旱胁迫下低发芽率株系64，其相对发芽率也较低，但综合抗旱性评价较高。利用隶属函数法进行作物抗旱性的综合评价已有大量报道[17-19]，且利用隶属函数法对向日葵种子萌发期抗旱性综合性评价结果与实际结果较为接近。

表5 向日葵种子萌发期12个指标与隶属函数综合评价值的相关分析

注(Note)：*：P<0.5；**：P<0.1.

围绕向日葵种子萌发期抗旱性的研究，人们已经从多个生理或形态指标上进行了研究，提出了不同的抗旱性鉴定指标[7，20-22]。杨旭东[23]等对向日葵种子萌发期的活力指数、幼苗鲜重、电导率及抗旱指数等进行测定，并采用灰色关联度的方法进行综合性评价。本实验分析了7个种子萌发特性指标和5个种子萌发生理特性指标与综合指标D值的相关性，其中相对胚芽干重、发芽率、发芽势、发芽指数及相对ATP含量与D值呈极显著正相关，相对胚根长度、胚芽长度及相对MDA含量与D值呈显著正相关(表5)，这些指标均可作为萌发期抗旱性鉴定指标。而相对胚根干重、相对SOD、CAT及POD酶活性与向日葵萌发期抗旱性相关不显著(表5)，是否适合作为向日葵萌发期抗旱性鉴定指标，仍需进一步研究。本文首次在向日葵种子萌发期抗旱性鉴定中采用了ATP含量作为抗旱性鉴定的指标，进一步扩充了向日葵萌发期抗旱性鉴定指标体系，为今后的向日葵抗旱育种提供了一定的理论依据。

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