PEG引发种子对干旱逆境下甜玉米萌发及幼苗生长的生理调节

于惠琳，吴玉群，胡宝忱，尤丹，王延波

(辽宁省农业科学院 玉米研究所，辽宁 沈阳 110161)

水分逆境是制约我国作物生长的关键非生物胁迫因子，干旱胁迫是限制全球作物生产的关键因素[1，2]。关于干旱胁迫下作物的生理代谢已有过大量报道，曾有研究表明干旱胁迫对作物芽苗期的影响最为严重，干旱胁迫下种子吸水萌发困难、幼苗形态建成受阻是造成干旱危害的关键因素[3]；也有报道干旱胁迫可导致作物抗氧化系统调节紊乱、渗透代谢失调、光合能力下降[4]。

甜玉米是我国重要的粮饲作物，也可加工为果蔬产品，在我国粮饲生产和农业产业结构方面发挥着重要作用，在我国大部分地区都可种植[5]。然而由于甜玉米种子糖分和水分较高，干物质较少，籽粒干瘪，致使其种子萌发吸水能力差，出苗困难，苗期生长纤弱。在这一背景下，如遇土壤干旱，甜玉米种子萌发和出苗困难是制约其在干旱地区生产的关键环节。曾有研究指出对于多数作物而言芽苗期都是对干旱胁迫反应敏感的关键时期，干旱会造成作物种子出苗困难，幼苗的根系、叶片等形态学特征发生变化，出现叶面积下降、株高变矮现象[6]。也有报道干旱胁迫下作物叶片气孔导度下降、蒸腾速率和光合速率降低[7]。另外，对干旱胁迫下作物幼苗的抗氧化酶和渗透调节指标也有过研究[8]。针对这一问题学者们除在抗旱品种选育方面不断努力外，在提高干旱逆境下种子萌发和幼苗形态建成促进技术方面开展了大量研究。曾有学者提出种子播种前进行抗逆引发是增强其苗期抗性的关键时期，也有研究表明采用种子保水丸剂手段可增强种子对干旱逆境的抵御能力，在普通玉米、高粱等作物上已有过报道[9,10]。然而，针对甜玉米具有籽粒干瘪、芽苗长势弱特征的种子芽苗期抗旱能力差的问题始终缺乏有效应对手段。

因此，本试验采用播种前PEG引发种子技术对甜玉米幼苗在不同程度干旱胁迫下的萌发情况和幼苗生理指标进行了研究，旨在探明干旱胁迫下PEG引发种对甜玉米出苗和幼苗形态建成的作用效果，为甜玉米抗旱生产提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验材料为甜玉米品种金冠218，于2017年在辽宁省农科院(沈阳)人工气候室进行，昼/夜温度为25 ℃/18 ℃，湿度为 48%，光照时间为12 h/d，光照强度为 1 085 μmol·m-2·s-1。试验采取盆栽方式，塑料盆大小为：直径20 cm，盆深18 cm，每盆装0.8 kg过筛干土，随机区组设计，3次重复。土壤田间持水量为28%，设4个水分处理，分别为：(1)土壤正常供水，及田间100%供水(CK)；(2)田间持水量的80%供水；(3)田间持水量的60%供水；(4)田间持水量的40%供水。采取电子秤称重法进行水分控制，每天补水1次，补充消耗和蒸散的水分。每盆播种30粒, 出苗结束后定苗, 每盆均匀留苗 10 株。

1.2 PEG引发种子处理

PEG引发种子处理：将种子在20%的PEG 8000中浸种6 h(18 ℃)，之后用蒸馏水漂洗干净，并将种子放置于20 ℃恒温箱中，干燥至恒重。不引发处理：以未接触过任何抗性处理的种子用作对照，同时采用蒸馏水浸泡6 h(18 ℃)。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 萌发参数

在不同干旱处理下，每盆播种引发和未引发的种子各20粒，3次重复，完全随机排列。从播种后6 d开始，每天调查1次，记录数值并进行统计分析，直至播种后12 d测定结束。之后收集所有发芽种子，统计胚根长度大于它的种子长度的种子数量，计算发芽指数和活力指数。

计算公式为：

发芽指数=∑(Gt/Tt)，其中Gt是t天时种子萌发的数量，Tt代表播种后天数。

活力指数=发芽指数×胚根鲜重。

1.3.2 生理参数

与种子萌发试验分开，单独进行PEG引发种子下幼苗生理特性测定分析。叶绿素、抗氧化系统采用作物生理研究法[11]的方法进行测定。其中叶绿素在播种后6、12、18、24 d进行测定，POD(过氧化物酶)、CAT(过氧化氢酶)、O2-(超氧阴离子自由基)在播种后12 d和24 d测定。光合作用采用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合作用测定系统(小叶室)进行测定，采用红蓝光源，设定PAR为1 000 μmol·m-2·s-1作为测定光强，测定净光合速率，记录3次值求其平均数。

1.4 数据统计分析

试验数据采用DPS 7.05对进行统计分析，方差分析采用LSD方法。

2 结果与分析

2.1 PEG引发种子对甜玉米萌发的调控

PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米萌发存在较大影响(表1)。PEG引发种子处理较未引发处理发芽率差异显著，处理后6 d的调查结果显示PEG引发种子可提高所有水分条件下的发芽率，且随着干旱程度的增加效果愈加明显；播种后12 d 的调查结果与之类似，在80%、60%和40%土壤水分条件下分别比对照出苗率可提高13.3%、30.3%和49.8%。发芽指数差异极显著(F值=227.41**)，活力指数差异极显著(F值=188.12**)，PEG引发种子处理在80%、60%和40%土壤水分条件下发芽指数可分别比对照提高40.9%、34.7%和25.7%，活力指数分别提高29.1%、41.5%和66.7%。说明PEG引发种子对甜玉米在干旱胁迫下的出苗具有很好的调节和促进作用。

表1 PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米萌发的调控Table 1 Regulation of PEG seed priming on germination of sweet corn under drought stress

注：*代表差异在0.05水平差异显著，**代表在0.01水平差异显著。

Note: Values followed by*or**indicate a significant difference atP<0.05 or 0.01 level, respectively, between PEG-priming and non-priming treatments.

2.2 PEG引发种子对甜玉米幼苗叶绿素含量的影响

在播种后不同调查时间的研究结果显示，PEG引发种子可减弱干旱条件下叶片叶绿素含量的下降幅度(图1)。随着干旱程度的加大，PEG引发种子较未引发处理叶绿素的差异幅度明显增大。在播种后6、12、18、24 d，80%土壤供水处理下，PEG引发种子处理叶绿素含量较对照均有所提高，且随着干旱胁迫程度的增加作用效果愈加明显。说明PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米幼苗的叶绿素含量具有很好的调节作用，可通过减少幼苗叶绿素来增强幼苗对干旱逆境的抵御能力。

2.3 PEG引发种子对甜玉米幼苗叶片净光合速率的影响

干旱胁迫下，甜玉米叶净光合速率下降明显，但PEG引发种子处理可减缓不同土壤水分处理下叶片净光合速率的下降幅度，且随着干旱胁迫强度的增加作用效果愈加明显(图2)。播种后12 d，在80%、60%和40%土壤水分条件下，PEG引发种子处理净光合速率分别较对照提高18.0%、38.3%和46.3%；播种后24 d，在80%、60%和40%土壤水分条件下，PEG引发种子处理净光合速率分别较对照提高23.7%、31.3%和15.6%，差异均达显著水平。说明PEG引发种子可促进干旱胁迫下甜玉米幼苗的光合物质积累，促进干旱条件下甜玉米幼苗的形态建成。

*和**为同一测定时间和同一水分条件下种子引发和未引发间的差异显著性比较，*代表差异在0.05水平差异显著，**代表在0.01水平差异显著。Bars with * or ** indicate the significant differences between seed priming and non-priming treatments at P<0.05 or 0.01 level, respectively,at the same post-treatment time under the same drought stress level.图1 PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of PEG seed priming on the chlorophyll content in sweet corn seedlings at different post-treatment time under different drought stress levels

2.4 PEG引发种子对甜玉米幼苗叶片渗透调节指标的影响

PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米渗透调节参数存在较大影响(表2)。不同种子处理(PEG引发种子、CK)下脯氨酸(F值=752.8**)、游离氨基酸(F值=588.2**)和电导率(F值=385.9**)差异极显著，变化活跃；可溶性蛋白、还原性糖和可溶性糖虽然差异也达到了显著水平，但F值明显小于脯氨酸、游离氨基酸和电导率3个参数。说明，PEG引发种子对脯氨酸、游离氨基酸和电导率的调节是苗期抗旱性增强的重要原因。此外，土壤水分处理间游离氨基酸和可溶性蛋白变化活跃，种子×水分、种子×天数、种子×水分×天数间普遍存在互作效应，尤其是脯氨酸(F值=145.3**)和游离氨基酸(F值=102.4*)在种子×水分下互作效应较大。

*和**为同一测定时间和同一水分条件下种子引发和未引发间的差异显著性比较，*代表差异在0.05水平差异显著，**代表在0.01水平差异显著。Barswith * or ** indicate the significant differences between seed priming and non-priming treatments at P<0.05 or 0.01 level, respectively,at the same post-treatment time under the same drought stress levels.图2 PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米净光合速率的影响Fig.2 Effects of PEG seed priming on the net photosynthetic rates of sweet corn seedlings at different time under different drought stress levels

表2 PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米渗透调节参数的F检验Table 2 F-test forPEG seed priming parameters of sweet corn under drought stress

注：*代表差异在0.05水平差异显著，**代表在0.05水平差异差异显著。

Note: Values followed by*or**indicate a significant difference atP<0.05 or 0.01 level, respectively,between PEG-treated and non-treated groups.

2.5 PEG引发种子对甜玉米幼苗叶片SOD、CAT的调控

PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米SOD、CAT存在较大影响，随着干旱胁迫的增加SOD、CAT均呈增加的趋势(表3)。在不同测定时间下，PEG引发种子处理较对照SOD的F值表现为：6 d<12 d<18 d，6 d差异显著，12 d和18 d差异极显著；CAT PEG引发种子处理较对照SOD的F值变化趋于稳定(F6 d=102.3**，F12 d=97.2**，F18 d=104.5**)，差异均达显著水平。说明 PEG引发种子对SOD、CAT具有显著的调控作用，可增强其干旱逆境时的抵御能力。

表3 PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米SOD、CAT的调控Table 3 Regulation of PEG seed priming on SOD and CAT of sweet corn under drought stress

注：*代表差异在0.05水平差异显著，**代表在0.05水平差异显著。

Note: Values followed by*or**indicate a significant difference atP<0.05 or 0.01 level, respectively, between PEG-treated and non-treated groups.

2.6 PEG引发种子对甜玉米幼苗O2-的调控

在不同水分处理下，PEG引发种子均可极显著减低甜玉米的下降幅度，且随着干旱胁迫的增加作用效果更加明显(图3)。播种后12 d，不同土壤水分条件下，PEG引发种子处理可减缓O2-的增加幅度，减少其对幼苗细胞质膜的损伤；播种后24 d，PEG引发种子处理较未引发的O2-均有所增加，但变化趋势与播种后12 d基本一致。说明O2-在干旱胁迫下对幼苗抗氧化调节起着重要的调节作用。

3 讨论与结论

本研究发现采用PEG引发种子技术可增强甜玉米种子对干旱胁迫的抵御能力，显著增强干旱下种子的的萌发能力，提高发芽率。此研究结果前人在普通通玉米、油菜等粮油作物上已有报道[12，13]，本研究与这些研究结果相似，说明PEG引发种子技术可作为水分逆境下促进甜玉米种子发芽和幼苗生长的重要手段。但甜玉米籽粒干瘪、内部干物质含量少，吸水速度较快，种子引发时间控制不当容易造成籽粒受损，萌发能力下降，因此采用PEG引发种子的处理时间应当作为该技术的重点，通过先前的种子引发处理时间试验发现，种子引发6 h的处理结果较好，在本研究中种子萌发率和发芽率进一步证实了这一结论。

**为同一测定时间和干旱胁迫下下种子引发和未引发间的差异在0.01水平显著。Bars with ** indicate the significant differences between seed priming and non-priming treatments at P<0.01 level at the same post treatment time under the same drought stress level.图3 PEG引发种子对干旱胁迫下甜玉米O2-的调控Fig.3 Regulation of PEG seed priming on O2- of sweet corn under drought stress

曾有研究表明叶绿素是作物吸收太阳光能进行光合作用的重要载体，土壤水分逆境影响叶绿素合成酶的活性，限制作物叶绿素的合成，进而造成光合物质生产受阻[13]。本研究发现PEG引发种子后，在干旱胁迫后幼苗的叶片下降幅度相对较小，与前人研究结果类似。本研究还发现干旱胁迫下幼苗叶片叶绿素和光合作用下降明显，但PEG引发种子处理可减缓干旱逆境下幼苗叶片叶绿素的下降、维持较高的光合作用。此研究结果与徐文强等[14]提出的土壤水分对玉米种子萌发及幼苗生长作用明显，水分亏缺会造成幼苗光合能力下降、生长发育受阻的结果相吻合，进一步阐明了PEG引发种子增强了其幼苗对干旱逆境的抵御能力。本研究还发现PEG引发种子处理后，SOD和CAT是水分逆境下抗氧化调节的关键因素，O2-在抗氧化调解中发挥着重要作用。这一结果与PEG引发高粱种子后抗氧化系统中POD和O2-是维持水分亏缺的抗氧化系统关键因子的结果基本一致[6]，但关键抗氧化酶变化的种类有所差异，可能是因为不同作物差异所致。此外研究还发现脯氨酸、游离氨基酸和电导率是其苗期抗旱性增强的关键调节因子。此研究结果与卢金[10]采用源H2O2处理小麦种子后幼苗渗透调节能力显著提高的结果基本一致。但也有研究表明外援引发剂的介入会造成幼苗生理代谢紊乱，出现幼苗生理失调[15]。此种现象在本研究中未见发生，可能是因为其引发剂与本试验不同所致。

综上所述，PEG引发种子技术可显著增强甜玉米种子对干旱胁迫的抵御能力，提高萌发能力，增强芽苗期对干旱胁迫的抵御能力，可作为甜玉米抗旱栽培的重要技术参考，同时在技术大面积应用前应综合考虑不同的土壤类型、养分条件和气候条件，做好应用前的准备试验。