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PEG模拟干旱胁迫对4种籽用西瓜种子萌发的影响

李颖慧 李亚东



摘    要:为筛选出适合在吉林省西部地区种植的籽用西瓜品种,以‘林籽一号(H17)、‘红秀3号(R06)、‘科奥红大片(R12)和‘黑丰一号(H28)4种籽用西瓜品种为试验材料,采用PEG-6000溶液(0,-0.10,-0.20,-0.40,-0.80 MPa)模拟干旱胁迫的方法,比较4个品种的种子萌发和幼苗生长情况,并利用隶属函数法对耐旱性进行综合评价。结果表明,随着PEG浓度的不断加重,各品种种子的发芽数均出现下降。当渗透势达到-0.80 MPa最大胁迫浓度时,所有品种均不具备单日发芽数5粒以上的水平。根据隶属函数法,4种籽用西瓜种子萌发强弱顺序为‘林籽一号>‘黑丰一号>‘科奥红大片>‘红秀3号。

关键词:籽用西瓜;PEG-6000;种子萌发;抗旱性

Abstract: In order to screen out the seeded watermelon varieties suitable for planting in Western Jilin, the seed-using watermelon varieties, ‘Linzi No. 1 (H17), ‘Hongxiu No. 3 (R06), ‘Keaohongdapian(R12) and ‘Heifeng No. 1 (H28)were used as experimental materials in this study. PEG-6000 solution (0, -0.10, -0.20, -0.40, -0.80 MPa) were used to simulate drought stress to compare the seed germination and growth of the four varieties. The drought tolerance was evaluated comprehensively by membership function method. The results showed that with the increasing concentration of PEG, the number of seed germination decreased. When osmotic potential reached the maximum stress concentration of -0.80 MPa, all the numbers of the germinated seeds of the cultivars were not over 5. According to the membership function method, the order of seed germination strength of the four kinds of watermelon seeds for seed use was ‘Linzi No. 1 >‘Heifeng No. 1 >‘Keaohongdapian>‘Hongxiu No. 3.

Key words: Seed-using watermelon; PEG-6000;Seed germination; Drought resistance

干旱已成为影响植物正常生长发育和产量的主要非生物胁迫因子之一[1]。因干旱所造成的减产已成为我国部分西部干旱和半干旱地区经济作物生产和粮食作物生产的主要障碍之一[2]。统计资料显示,世界上干旱、半干旱地区占到土地面积的36%,其他生态区也难以预测的受到未知干旱的影响,全球性干旱导致的减产已超越其他因素造成减产的总和[3]。吉林省西部干旱、半干旱地区,属温带大陆性季风气候带,自然条件非常适合籽用西瓜的栽培和生长,具有得天独厚的地域优势。其中通榆县籽用西瓜种植历史达到百年以上,年平均种植面积在4.6万hm2以上,年产量数百万t,是通榆县农民的主要经济收入之一,但在栽培过程中经常受到品种老化、旱害和病害的危害,影響了产量,降低了农民收入。聚乙二醇(Poly-ethylene glycol,简称PEG)溶液培养,是生产中进行植物渗透胁迫研究较理想的模拟干旱胁迫系统[4],常被用于研究种子的萌发及幼苗的生长情况[5-8]。籽用西瓜(Citrullus lanatus var. megalaspermus. Lin et Caho)别名“打瓜”,是葫芦科西瓜属西瓜种普通西瓜亚种的一个变种,其为一年生草本植物[9],通常以种子作为主要产品器官,籽用西瓜营养价值丰富,有极高的药用价值和保健功能[10]。笔者采用PEG-6000进行渗透胁迫,模拟干旱环境,对4种籽用西瓜种子的萌发及幼苗生长情况进行比较,并通过隶属函数法比较不同品种的种子抗旱性,旨在为今后选育出适宜吉林省西部干旱地区栽培利用的籽用西瓜品种提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试品种包括‘科奥红大片(R12)、‘林籽一号(H17)、‘红秀3号(R06),来源于甘肃华园西甜瓜开发有限公司,‘黑丰一号(H28)来源于内蒙古农业大学。

试验于2016年4月19日在吉林省白城市农业科学院生物实验室进行。选择成熟度好、籽粒饱满且大小适中、无病虫害、均匀一致的4种籽用西瓜种子为材料。将供试种子浸泡在沸水中10 s左右,立即兑自来水一边搅拌一边降温至35~40 ℃,放置6~10 h后将种子搓洗干净,并用赤霉素浸泡处理25 min,再用蒸馏水将残留在种子表面的赤霉素清洗干净,用滤纸吸干备用。设置5个浓度梯度,分别为0、5%(w,后同)、10%、15%、20%,采用不同渗透势的PEG-6000(聚乙二醇6000)溶液处理供试品种的种子进行干旱胁迫条件下的种子胁迫萌发试验,其对应的溶液水势依次为0.00 MPa、-0.10 MPa、

-0.20 MPa、-0.40 MPa和-0.80 MPa。采用培养皿纸上发芽法,并参照《国际种子检验规程》[11]确定30 ℃为籽用西瓜种子最适宜的萌发温度。各处理均3次重复,每个处理、每份材料50粒种子。

将供试种子放置于浸透了的PEG溶液的滤纸上,分别加入等量5个不同渗透势的PEG溶液,每天给滤纸加蒸馏水数滴,2次左右,以保证浸透滤纸并略有剩余为宜,并每2 d更换1次浸有同一浓度的PEG滤纸,减少水势变动。将种子均匀摆放在滤纸上,每个培养皿50粒,然后置于人工智能培养箱中恒温发芽(昼夜温度在28~30 ℃,黑暗发芽)。

1.2 测定指标及方法

每天观察记录种子萌发情况,从种子置床之日起开始计算发芽日数,当有1枚种子的胚根露出2 mm时确定为发芽开始日,然后每间隔12 h观察统计1次发芽种子数。发芽势是最早有1粒种子发芽开始之日起的连续3 d发芽种子的百分数。连续3 d不再有种子发芽作为发芽试验的结束。统计好每日的发芽数及总发芽数并计算好相应指标。发芽率(%)的计算用10 d内处理种子发芽数/供试种子数×100。发芽势(%)的计算用4 d内处理种子发芽数/供试种子×100。抗旱指数等于干旱胁迫下种子发芽指数/对照种子发芽指数[12]。

1.3 抗旱性综合评价

采用隶属函数法对4个籽用西瓜品种的抗旱性进行综合评价[13],如果与抗旱性正相关的指标可直接采用公式Zij = (Xij-Xijmin)/(Xjmax-Xjmin),负相关的则用1-Zij表示。式中:某个品种用i来表示;某项指标用j表示;第i个品种第 j 项指标的隶属函数值用Zij表示。第 i 个品种第j项指标的测定值用Xij表示; Xjmin为所有品种第 j 项指标的最小值; Xjmax为所有品种第 j 项指标的最大值。根据函数值大小确定抗旱性强弱并排序。

1.4 数据分析

试验数据用平均值±标准差形式表示,用Excel 2007作图,用SPSS 17.0统计软件对所得数据进行统计分析。用One-wayANOVA进行单因素方差分析,同类数据显著性差异运用Duncans检验法进行多重对比。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫下种子的发芽率

胁迫发芽率可直观反应种子的发芽能力,已成为衡量种子在PEG-6000模拟干旱胁迫下发芽能力的重要指标。通过表1可以看出,在PEG模拟干旱胁迫下对4个籽用西瓜种子发芽率均存在一定的抑制作用,但不同品种对PEG胁迫的响应程度存在差异性。在PEG浓度为5%~20%之间,渗透势从-0.10 MPa变化到-0.80 MPa的过程中,与各自对照相比,不同籽用西瓜品种种子的发芽率呈现降低趋势,‘林籽一号发芽率下降了43%,‘黑丰一号发芽率下降了61%,‘科奥红大片发芽率下降了66%,‘红秀3号发芽率下降了84%,其中‘红秀3号在不同的渗透势胁迫下受影响最大,表明‘红秀3号的耐旱性能最差。当PEG浓度在5%、渗透势在0.10 MPa时,‘红秀3号与其他3个品种的发芽势基本一致;当PEG浓度在15%、渗透势下降到-0.40 MPa时,‘红秀3号的发芽率急剧下降,发芽率仅为18%;当PEG浓度为20%、渗透势下降到-0.80 MPa时,发芽率勉强达到10%。4个籽用西瓜种子发芽率表现最好的是‘林籽一号,即便当PEG浓度为20%、渗透势下降到-0.80 MPa时,发芽率依然维持在43%,显著高于其他3个籽用西瓜品种。由此可见,4个籽用西瓜品种在PEG胁迫下抗旱性在种子发芽率上由高到低的顺序为‘林籽一号>‘科奥红大片>‘黑丰一号>‘红秀3号。

2.2 PEG胁迫下种子的发芽势

发芽势反映的是种子的发芽速度,可以衡量种子的发芽能力。从表2可以看出,在PEG-6000模拟干旱胁迫下,4个籽用西瓜品种的发芽势随着PEG渗透势的降低逐渐下降。在PEG浓度为5%、渗透势为-0.10 MPa时,与各自的对照相比,‘林籽一号、‘黑丰一号、‘科奥红大片和‘红秀3号的发芽势依次下降了31%、42%、43%和49%。随着干旱程度的不断加剧,与不同品种在-0.10 MPa时相比较,4个籽用西瓜品种的发芽势依次下降了9%、19%、18%和24%。隨着干旱胁迫程度的不断加强,‘林籽一号发芽势的下降速度始终较其他3个品种缓慢,而且即使当渗透压到-0.40 MPa,下降趋势依然缓慢,说明在各个渗透势的影响下,‘林籽一号均能表现出良好的发芽能力,说明其耐旱性是最好的。

2.3 PEG胁迫下种子的发芽指数

从表3可以看出,在未受到PEG胁迫时,4个籽用西瓜种子幼苗的发芽指数差异不显著,依次是‘林籽一号(92.83)、‘红秀3号(84.61)、‘科奥红大片(97.38)和‘黑丰一号(102.32)。随着PEG胁迫浓度的不断增加,各品种种子的发芽数均出现不同程度的下降。品种间发芽指数的下降趋势与前面种子发芽势的下降趋势基本一致。当PEG浓度达到15%、渗透势在-0.40 MPa时,‘红秀3号与对照时相比,种子发芽数下降了67.4,高于其他3个品种。当种子受到高浓度的PEG胁迫之后,品种间发芽指数的排序是‘林籽一号>‘黑丰一号>‘科奥红大片>‘红秀3号。

2.4 PEG胁迫下种子的单日发芽数

由图1可以看出,在PEG干旱胁迫下,不同籽用西瓜品种种子的发芽高峰期随PEG干旱胁迫程度的加重出现不同程度的向后推移,另外在发芽高峰期的发芽数也随着PEG干旱胁迫强度的加强而逐渐减少。未受任何干旱胁迫的生长条件下,只有‘科奥红大片(R12)的发芽高峰期是在第1天,其他3个品种都在第2天,‘林籽一号(H17)和‘黑丰一号(H28)在第1天的种子发芽数平均在20粒左右,‘科奥红大片(R12)的种子发芽数达到将近30粒。当渗透势下降到-0.10 MPa时,‘林籽一号(H17)、‘黑丰一号(H28)和‘科奥红大片(R12)的种子发芽数依然保持在20粒左右。当渗透势下降到-0.40 MPa时,各品种的发芽数平均在10粒左右。当渗透势下降到-0.80 MPa最大胁迫浓度时,所有品种的种子均不具备单日发芽数5粒以上的水平。

2.5 PEG胁迫下4个籽用西瓜种子的抗旱指数

一般来说,抗旱指数与物种的抗旱性成正比,即抗旱指数越大,抗旱性越好。由图-2可以看出,4个籽用西瓜品种的抗旱指数随着渗透势的不断加强,均呈现下降趋势。当渗透势在-0.10 MPa时,4个籽用西瓜品种的抗旱指数范围在0.8~1.0之间,渗透势在-0.20 MPa时,‘林籽一号(H17)的抗旱指数最高,其他3个品种平均也在0.6以上;当渗透势在-0.40 MPa时,‘林籽一号抗旱指数的下降速度最快;当渗透势在-0.80 MPa时,只有‘林籽一号(H17)的抗旱指数维持在0.2以上,其他3个籽用西瓜种子的抗旱指数几乎为0。

2.6 不同籽用西瓜种子抗旱性综合评价

利用隶属函数法对4种籽用西瓜种子的发芽势、发芽率、发芽指数和抗旱指数进行综合评价,详见表4。最后根据隶属函数平均值进行排序,4种籽用西瓜种子萌发期抗旱性由强到弱的顺序依次是‘林籽一号(H17)>‘黑丰一号(H28)>‘科奥红大片(R12)>‘红秀3号(R06)。

3 讨论与结论

种子萌发是植物生活史的重要环节,而干旱胁迫是影响种子萌发的主要因素。植物叶片在干旱、低温等逆境胁迫下的表现可以直接反映出植物的抗逆水平[14]。利用PEG-6000模拟干旱胁迫来鉴定植物的抗旱性已成为一种普遍且可靠的方法[15]。本研究结果显示,在不同浓度PEG-6000胁迫处理下,4个籽用西瓜种子在萌发过程中的发芽率、发芽势、发芽指数等均随着PEG浓度的的不断加强呈下降趋势,说明干旱抑制了籽用西瓜种子的萌发。发芽阶段的耐旱状况在某种程度上可以反映出该植物的耐旱性强弱[16]。不同胁迫浓度和不同渗透势对种子萌发有一定的抑制作用,在渗透势为-0.20 MPa时,对种子的抑制作用不明显,几个品种平均的发芽率和发芽势受影响不大。浓度越大,受抑制程度越大,这与相关文献结果一致[17-18]。薛盼盼[19]研究4种酸枣种子萌发及活力的影响,结果表明,其发芽率、发芽指数和活力指数等均呈下降趋势。吴发明等[20]对3种党参种子萌发进行研究,结果表明,高浓度的PEG-6000胁迫使发芽时间延长。4个籽用西瓜種子发芽率表现最好的是‘林籽一号,即便当PEG浓度为20%、渗透势下降到-0.80 MPa时,发芽率依然维持在43%,显著高于其他3个籽用西瓜品种,表现出了较好的耐旱能力。

隶属函数法是在多个指标测定基础上对植物抗旱性进行综合评价的有效方法[21],本研究综合发芽率、发芽势、发芽指数、抗旱指数这4个指标,运用隶属函数法综合评定,得出不同品种在PEG胁迫下种子萌发的抗旱性顺序为‘林籽一号>‘黑丰一号>‘科奥红大片>‘红秀3号。本研究结果为进一步研究籽用西瓜萌发期抗旱性提供了一定的理论基础,也为将来后续的籽用西瓜深入研究和品种育种工作打下了基础。

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