藜麦种子对萌发温度的响应及低温胁迫萌发能力鉴定

姚 庆,阿里别里根·哈孜太,杨明花,李 强,苗昊翠,崔宏亮

(1.新疆伊犁州农业科学研究所,新疆伊宁 835000;2.新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091)

【研究意义】种子萌发期是作物生育周期的首要阶段[1-2],影响种子萌发因素很多,在水分和氧气保证的情况下,温度就是保证种子能够正常发芽的重要外界因素[3]。作物萌发阶段如遭遇低温冷害,轻则延迟种子萌发,重则导致种子胚芽死亡、霉烂,导致出苗不齐、影响产量[4]。新疆属温带大陆性气候,春季低温冷害和倒春寒天气会影响农业生产,藜麦营养价值全面和遗传多样性丰富且生态适应性广泛和抗逆性较强,不同藜麦品种,受遗传和产地因素影响种子的发芽能力及抗逆能力[5],保证藜麦产量提高前提条件是种子能够快速萌发,保证苗全、苗齐、苗壮[6-7]。早熟藜麦品种可能是物质积累量不足,产量不及中晚熟品种,但是藜麦种子没有休眠期,中晚熟品种成熟期如遇上秋季多雨容易影响穗发芽、产量和品质。选择萌发期和苗期耐低温品种,适时早播,缩短藜麦生育期是保证藜麦产量和品质的关键。【前人研究进展】Jacobsen等[8]研究了不同的藜麦基因型在霜冻温度下的表现,发现来自高海拔地区的藜麦品种较低海拔地区的品种抗寒性基因变现突出。Geerts S等[9]对于藜麦的抗性机理的研究显示,藜麦对低温的应激反应主要是积累碳水化合物以及酶的改变。Jacobsen等[10]利用秘鲁高原品种和安第斯谷地品种做对比,发现秘鲁高原品种能在-8℃存活4 h,抗冻性明显优于安第斯谷地品种。温日宇等[11]以红藜、白藜、黑藜3种不同藜麦为材料,对藜麦幼苗进行人工模拟低温(4℃)胁迫,研究表明有利脯氨酸含量越高的品种抗逆性越好,POD、SOD活性越强,越能增强藜麦的抗寒性。沈菊等[12]为了分析霜冻、低温冻害等因素对藜麦在播种期至幼苗期的影响,通过人工模拟环境试验和自然环境试验相结合,分析了青藜1号在-10℃,且低于0℃以下14 h藜麦进入休眠期,在-14℃,且低于0℃以下15 h藜麦幼苗枯萎。孟军萍等[13]利用4个玉米自交系品种,在玉米发芽期间,分别用-4、0、4和8℃处理0、4、8和12 h,研究其对玉米的影响,结果表明低温对玉米幼苗干鲜重影响显著。沈忱[14]利用不同苜蓿品种对其种子进行低温胁迫,通过比较其种子萌发期耐寒性,并筛选出耐寒性强的苜蓿品种。【本研究切入点】目前国内研究主要围绕藜麦的生态适应性及营养物质利用等,对于种子抗逆性萌发多集中在抗旱、耐盐上,耐寒性的研究也主要集中在藜麦苗期,而不同藜麦品种种子萌发期对低温胁迫的响应未见报道。需研究藜麦萌发期对低温胁迫的响应。【拟解决的关键问题】选择6个藜麦品种,以1、5、10、15和20℃处理进行发芽试验,分析不同萌发温度条件下的多个萌发指标,筛选出低温胁迫下藜麦萌发期主要耐寒性鉴定指标和抗寒性较好的品种。

1.1 材 料

选用6个品种全部来源于伊犁州农科所近几年从中国农科院作物科学研究所引进、筛选出的适合当地种植的藜麦品种(系),品种编号为YN1、YN2、YN3、YN4、YN5和YN6。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

每个品种选择籽粒饱满、大小均匀的藜麦种子冲洗干净,经75%酒精浸泡消毒1 min后用无菌水冲洗3遍备用,每品种选择150粒种子放置于直径12 cm、底部放置2层滤纸培养皿中,每皿50粒,各处理重复3次,浸透蒸馏水,盖上皿盖,置于1、5、10、15和20℃的LRH-50L/CA型号的低温培养箱中进行发芽试验,每天记录各处理种子萌发数,定时定量滴加蒸馏水,第3 d计算发芽势,第7 d计算发芽率并从各处理样品中随机选取10株,用直尺测量其芽长,再用万分之一天平测定芽鲜重,计算发芽指数和活力指数。

1.2.2 指标测定

发芽势(GE)=(第3 d发芽种子数/供试种子数)×100%;

相对发芽势(RGE)=(胁迫处理的发芽势/对照的发芽势)×100%;

发芽率(GR)=(正常发芽种子数/供试种子数)×100%;

相对发芽率(RGR)=(胁迫处理的发芽率/对照的发芽率)×100%;

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)(Gt为时间t日的发芽数,Dt为相应的发芽天数);

相对发芽指数(RGI)=(胁迫处理的发芽指数/对照的发芽指数)×100%;

活力指数(VI)=芽鲜重×GI;

相对活力指数(RVI)=(胁迫处理的活力指数/对照的活力指数)×100%;

相对芽长(RBL)=(胁迫处理的芽长/对照的芽长)×100%;

相对芽鲜重(RBFW)=(胁迫处理的芽鲜重/对照的芽鲜重)×100%。

1.3 数据处理

运用多因素方差分析比较6个藜麦品种在不同低温胁迫条件下时各发芽指标的差异性;选择相对萌发指标运用相关分析法及主成分分析法分析6个藜麦品种萌发之间的相关性及萌发代表性的主成分指标,运用隶属函数法对6个藜麦品种种子萌发抗寒性进行综合评价,公式为X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),X(u)为某品种某一指标的测定值,Xmin和Xmax为该指标中的最小值和最大值,并求出综合评价指标D值对6个藜麦品种的耐冷性进行综合排序。所得数据利用Exce2007软件和DPS15.10软件进行分析。

2.1 6个藜麦品种萌发指标对不同低温的响应

2.1.1 不同温度对6个藜麦品种发芽率的影响

研究表明,藜麦的发芽率受温度影响相比于其他指标影响较小,变异系数为27.622%,在10和20℃时YN2为最高(0.993%),1℃时YN3为最低(0.007%)。6个藜麦品种在1～20℃的平均发芽率呈上升趋势,随着温度的升高,种子的发芽能力也随之升高,10～20℃时,发芽率趋于稳定,在这个温度区间内都不会影响6个藜麦品种的发芽率;YN1和YN3在1、5、10和15℃与其他4个品种的发芽率都存在极显著差异,YN2、YN4和YN5品种在1～20℃区间内差异不显著,一直保持较高的发芽率,低温对其发芽率影响较小,YN6在1℃时与其他温度差异极显著,低于5℃其发芽率明显受到影响。表1

表1 不同温度下藜麦品种萌发指标的差异性比较

2.1.2 不同温度对6个藜麦品种发芽势的影响

研究表明,6个藜麦品种的发芽势总变异系数为58.460%,在20℃时YN2为最高(0.980),1℃时YN1、YN2为最低(0.00)。6个藜麦品种1～20℃的平均发芽势呈持续上升趋势,从1～5℃时上升速度较快,5～15℃时上升较平缓,20℃达到最高值,引发种子发芽的温度越高,种子发芽速度越快;1、5、10和15℃时YN1和YN2与其他4个品种均达到极显著水平,且1℃时这2个品种发芽势均为0,低温会降低其发芽速率;YN2、YN4品种从5℃开始就表现出较高的发芽势,其耐低温能力强,第3 d开始达到发芽峰值。

2.1.3 不同温度对6个藜麦品种发芽指数影响

研究表明,6个藜麦品种的发芽势总变异系数为48.223%,20℃时YN4为最高(38.389%),1℃时YN1为最低(0.00%)。1～15℃时YN1、YN2与其他品种均达及显著水平,发芽指数随着温度升高呈上升趋势,YN2和YN4从5℃开始发芽指数就保持较高的水平,但是YN2从10℃开始发芽指数水平就趋于平稳,10℃为该品种适宜发芽温度,YN4发芽指数从1～20℃成持续上升趋势,20℃到达峰值,温度越高该品种发芽指数越高;YN5、YN6从10℃开始发芽指数趋于稳定,10～20℃是2个品种适宜发芽温度。

2.1.4 不同温度对6个藜麦品种活力指数影响

研究表明,温度对6个藜麦品种活力指数影响相比于其他萌发指数影响较大,变异系数达到68.201%,20℃时YN4为最高(9.463%),1℃时YN1、YN3为最低(0.00%)。活力指数与芽鲜重相关,1℃时YN1、YN3未有种子发芽,1℃时活力指数为0;随着温度升高,6个藜麦品种的活力指数也持续升高,品种间在不同温度下达极显著差异,YN21～20℃活力指数均高于其他品种,YN5、YN6品种在1～15℃时活力指数差异都不显著,10～15℃时数值趋于平稳,20℃时却达到极显著水平,YN6活力指数明显低于YN5,温度达到10℃之后对YN6的活力指数影响不明显;相较于其他品种,YN31～15℃活力指数值一直较低,20℃时明显升高,该品种对温度及其敏感。

2.1.5 不同温度对6个藜麦品种芽长和芽鲜重的影响

研究表明,6个藜麦品种的芽长与芽鲜重成正比,且温度对于这两个因素影响较大,变异系数分别为91.688%和42.186%,芽长和芽鲜重分别以20℃时YN6(76.954 mm)YN5(0.255 mg)最高,以1℃时YN1(0 mm)、YN3(0 mg)最低;各品种1和20℃时都与5～15℃时差异达到显著,温度直接影响6个藜麦品种的芽长和芽鲜重。5～15℃时平均芽长上升幅度较慢,20℃时所有品种芽长成倍增长,20℃能使藜麦快速生长,但是20℃时芽鲜重数值没有明显增加,在此温度下有可能致使幼芽徒长,物质积累不协调易造成幼苗纤弱。图1

图1 不同温度下萌发指标变化

2.2 6个藜麦品种萌发指标相对值之间相关性

研究表明,种子萌发各相对指标之间既独立又存在相关性,相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对芽鲜重、相对芽长对不同温度的响应及响应程度都存在不同的差异性且都达到了极显著水平,其中相对发芽率与相对发芽指数(0.816**)、相对发芽势与相对发芽指数(0.952**)、相对发芽指数与相对活力指数(0.896**)、相对活力指数与相对芽长(0.930**),均存在显著差异性或极显著差异性。表2

表2 不同温度下各相对萌发指标的相关系数

2.3 6个藜麦品种萌发指标相对值之间主成分

研究表明,在不同温度培养下6个藜麦品种种子萌发各指标间差异极显著,因子1的特征值为4.855,占总信息量的80.924%,其他主成分因子特征值均小于1,且权重因子为0.809,因子1(相对发芽率)可以用作6个藜麦品种低温萌发指标。表3

表3 不同温度下各相对萌发指标的主成分

2.4 6个藜麦品种萌发指标相对值之间的综合评价

研究表明,提取主成分系统矩阵,公式为D=X1×0.809+X2×0.11+X3×0.062+X4×0.012+X5×0.005+X6×0.001,D值越大该品种在此温度下萌发响应越好。1℃时YN4表现最好,得分0.774,而YN3表现最差,得分为0。5℃时YN2表现最好,得分0.940,得分最低的依然是YN3,与YN2相差0.453分,排名2～4的YN6、YN4、YN5两两分数差距较小。10℃时,YN2依然排名第1,得分0.959,YN5、YN6排在第2、3位。15℃时,YN5、YN6排在第1、2位,6个藜麦品种D值差距不大。20℃时,6个藜麦品种D值没有差异。YN4品种1℃低温胁迫条件下,表现突出,耐寒性最强,属极耐低温品种;YN2、YN5、YN6品种1～15℃低温条件下D值相差不显著且表现稳定,属耐低温品种;YN1、YN3品种1～15℃低温条件下一直排在最后2位,2个品种耐低温性较差,属低温敏感品种。表4

表4 不同温度下各相对萌发指标的综合评价

采用主成分分析法将不同温度下萌发指标的相对值降维[15],累计贡献率大于80%的原则[16],种子的萌发既受外部环境的影响又取决于自身遗传基因的控制[17],而外部影响因子中温度又是促进种子快速萌发的关键因素[18],不同温度条件下,作物的萌发指标也存在差异[19]。藜麦对于干旱、盐碱、高寒等逆境环境均有较好的耐受性[20-21],在低温胁迫条件下,不同藜麦品种在种子萌发期的表现存在显著差异,1℃条件下,YN1、YN3品种发芽势均为0,与其他4个品种均达极显著差异,品种遗传基因的差异决定其种子萌发期耐冷性[22]。朱宗文等[23]通过在不同低温条件下茄子自交系材料的细胞过程、代谢过程、生物调节过程与单有机体存在较多的差异表达基因。

种子的发芽势和发芽率能够在一定程度上反映种子的发芽速度和整齐度[24],发芽指数是衡量植物发芽能力及活力的一项重要指标,而发芽指数和活力指数更能综合反映种子的长势和健壮程度[23]。6个藜麦品种的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长、芽鲜重都是随着温度的升高而上升,低温抑制种子萌发,与杨艳婷等[26]、李进等[18]的研究结果一致,不同温度处理下,YN1、YN3品种的发芽势和发芽率1～15℃时均明显低于其他品种,2个品种20℃以下的发芽速度低、整齐度差,对低温响应的敏感度高;综合6个品种发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长、芽鲜重指标20℃时均达最高,20℃是藜麦最适萌发温度。

选择多个萌发指标综合评价品种间的耐低温能力更具优势[27]。赵阳佳等[28]采用模糊隶属函数法对7个绿肥作物的耐低温萌发能力做出综合评价;徐小萌等[29]对不同颜色紫云英种子低温萌发指标进行相关性分析,并利用模糊隶属函数法综合评价不同颜色紫云英种子的活力。研究选择1、5、10、15和20℃,5个温度区间,将发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长、芽鲜重的相对值进行相关性分析,6个相对萌发指标差异性都达到了极显著水平;选取6个萌发指标相对值对6个藜麦品种在5个温度区间下进行主成分分析,通过对多项指标的降维处理,得到相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数可作为藜麦萌发期耐低温特性的主要鉴定指标。基于主成分分析,利用模糊隶属函数法对6个藜麦品种在5个温度区间内进行综合评价,筛选出极耐低温品种1个、耐低温品种3个及低温敏感品种2个。如要将筛选出的耐低温品种应用于实际生产,尚需进一步进行田间试验来验证。

YN1、YN3品种在萌发期对低温最敏感,不适合早播;YN2、YN5、YN6品种在不同温度下,各方面指标表现稳定,在低温条件下虽然发芽速度较慢,但是发芽率较高,耐低温性较强,属于耐低温品种;YN4品种在低温条件下表现最突出,属于极耐低温品种。