維大力浸種對低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)及幼苗生理生化指標的影響

盧海博, 謝世興, 張佳琪, 趙冰欣, 王明杰,張付強, 劉松濤, 趙海超, 黃智鴻

(1.河北北方學院,河北省農產品食品質量安全分析檢測重點實驗室, 河北 張家口 075000;2.北京中捷四方生物科技有限公司, 北京 101100)

植物激活蛋白不僅能夠增強植物抗蟲、抗病和抗逆能力,還能促進植物生長[1],可通過激活植物不同代謝途徑的信號傳導而激活植物的免疫系統(tǒng),提高植物免疫力,也可通過調節(jié)代謝系統(tǒng),促進植物地上部、地下部生長和葉綠素含量提高,從而提高作物產量和品質[2-3]。

維大力(VDAL)是中國農業(yè)大學生物學院用大麗花輪枝孢激活蛋白創(chuàng)制成的新型生物工程蛋白干粉制劑,它是一種激活蛋白,能夠誘導植物的防衛(wèi)反應,促進植物生長發(fā)育,改善作物品質,提高產量,是一種新型的廣譜、高效、多功能產品[4-5]。

前期針對植物激活蛋白在黃瓜、蘋果、棉花、小麥等作物上的應用進行了研究。以大麗花輪枝孢激活蛋白干粉制劑(VDAL)研究黃瓜貯藏前與貯藏4 d后幼苗質量相關指標以及定植后3～6 d恢復生長情況,結果表明,1.25 g/L大麗花輪枝孢激活蛋白處理可以顯著增強黃瓜幼苗的耐貯運性,與其他處理相比,該處理濃度貯藏過程中葉綠素含量穩(wěn)定,定植后恢復生長快,表明育苗期葉面噴施適宜濃度的大麗花輪枝孢激活蛋白,有利于提高黃瓜商品苗的貯藏質量[6]。肖慶會等[7]研究表明,蘋果果實膨大期噴施蛋白制劑VDAL,可顯著提高蘋果果實Vc含量、果實含糖量、果實總酸含量、果實品質以及單果重。劉開智[8]研究表明,不同濃度新型激活蛋白可顯著提高棉花種子萌發(fā)率、增加根重、促進根系生長,提高棉花株高、果枝數(shù)和棉鈴重,顯著提高棉花的經濟指標。賈秋珍等[9]研究表明,灌漿期噴施和播種期拌種新型植物免疫激活蛋白維大力(VDAL)可提高小麥千粒重、穗粒重,折合產量后,比對照增加6.89%,表明維大力噴施或種子處理均具有節(jié)本增效的作用,可在生產上應用。

杜茜等[10]以鮮食玉米墾黏1 號為試驗材料,研究植物激活蛋白對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長、抗逆能力等的影響,結果表明,激活蛋白浸種可顯著提高種子的發(fā)芽勢和種子萌發(fā)活力指數(shù),增強幼苗的光合特性,提高玉米品質。本試驗以春玉米區(qū)常用品種鄭單958為試驗材料,研究了維大力浸種對低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)和幼苗各項生理生化指標的影響,為維大力在玉米上的科學合理使用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗品種為鄭單958。維大力粉劑(北京中捷四方有限公司)。用雙光束紫外可見分光光度計(普析TU-1900),GXZ光照培養(yǎng)箱,冷凍離心機。

1.2 試驗方法

種子浸泡處理:準確稱取維大力制劑,根據制劑推薦劑量稀釋成制劑用量為0.4 g/L,0.5 g/L,0.7 g/L,1.0 g/L,2.0 g/L的浸泡液,清水處理為對照,分別用上述不同濃度的維大力溶液浸泡玉米種子12 h。

1.2.1種子發(fā)芽試驗

將浸泡后的種子置于帶濾紙的培養(yǎng)皿內,3次重復,每次重復50粒,置于光照培養(yǎng)箱中,在6 ℃條件下培養(yǎng)4 d,再轉入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內培養(yǎng)。從種子發(fā)芽之日起,每天記錄發(fā)芽粒數(shù),計算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標;繼續(xù)培養(yǎng)7 d,測定莖長、根長、苗干重等指標。

1.2.2幼苗生長試驗

將浸泡后的種子置于育苗杯中,每杯放入2粒浸種后的玉米種子,每個濃度種植10盆,重復3次,放于光照培養(yǎng)箱中25 ℃恒溫培養(yǎng),待玉米幼苗長至2葉1心時,置于5 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)4 d,玉米生長過程中注意及時補充水分。分別于低溫處理前、低溫處理后第 1,7,14 天測量葉片葉綠素含量、葉片生理生化指標和根系活力。

1.2.3葉片生理生化指標測定

采用SPAD儀測定葉片葉綠素含量;采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛含量;采用酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量。

1.2.4玉米根系活力測定

采用TTC法[11],稱取玉米幼苗根0.15 g,放入25 mL試管中,加入0.4%的TTC溶液5 mL,加入0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH值7.0)5 mL,混合后于37 ℃避光保溫1 h。然后向試管中加入2 mL濃度為1 mol/L H2SO4終止反應。取出根尖,用吸水紙吸干根系表面水分,放入試管中,加入甲醇,混勻后放入恒溫搖床中,35 ℃浸泡6 h,以甲醇為對照,測定波長在485 nm下的吸光值。

1.3 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel 和SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 維大力浸種對低溫脅迫下玉米種子發(fā)芽的影響

由表1可以看出,低溫脅迫下,維大力浸種處理能顯著提高玉米種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。在0.4,0.5,0.7,1.0,2.0 g/L的處理濃度下,發(fā)芽率分別比對照高6.98%,8.14%,11.63%,13.02%和13.95%;發(fā)芽指數(shù)分別比對照高1.32%,8.14%,19.92%,47.72%和86.63%;活力指數(shù)在2.0 g/L濃度下最高,比對照高182.78%,顯著高于對照。表明低溫對玉米種子萌發(fā)有一定的破壞作用,而維大力浸種后能提高種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù),保證玉米種子在低溫下的正常出苗。

表1 維大力浸種對低溫脅迫下玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響Table 1 Effects of VDAL seed-soaking on seed germination percentage, germination index and vigor index of maize under low temperature stress

2.2 維大力浸種處理對低溫脅迫下玉米幼苗生長量的影響

由表2可以看出,低溫逆境下維大力浸種處理的玉米幼苗莖長、根長、莖粗和鮮重均顯著高于對照,表明維大力浸種能促進低溫脅迫下幼苗的伸長生長。在維大力1.0 g/L處理下,莖長最高,比對照高36.31%;莖粗最高,比對照高19.73%;根長和須根數(shù)最多,分別比對照高26.10%和45.65%;鮮重最高,比對照高43.97%。1.0 g/L處理下的莖長、根長、莖粗和鮮重顯著高于其他處理,與2.0 g/L處理差異不顯著。

表2 維大力浸種對低溫脅迫下玉米幼苗生長量的影響Table 2 Effects of VDAL seed-soaking on seeding growth of maize under low temperature stress

2.3 維大力浸種對低溫脅迫下玉米幼苗葉片生理指標的影響

2.3.1維大力浸種對低溫脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

如圖1所示,低溫脅迫前,維大力浸種處理的玉米葉綠素含量顯著高于對照,表明維大力處理有利于玉米幼苗生長。低溫脅迫后,玉米葉片葉綠素含量顯著降低,但維大力浸種處理的玉米葉片葉綠素含量仍顯著高于對照。在維大力2.0 g/L處理下,脅迫1 d、7 d后,葉片葉綠素含量分別比對照高43.75%和70.42%。脅迫后14 d,維大力各處理葉片葉綠素含量逐漸恢復,2.0 g/L處理可恢復至脅迫前水平,對照恢復較慢,2.0 g/L處理葉片葉綠素含量比對照高90.24%。說明維大力浸種可減緩低溫對玉米幼苗的傷害,提高幼苗葉片葉綠素含量和光合作用能力,提高玉米抗寒能力。

2.3.2維大力浸種對低溫脅迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影響

植物在逆境脅迫下,體內游離脯氨酸含量大量積累,這通常被認為是植物對逆境的一種反應[12]。由圖2可知,脅迫后1 d、7 d,玉米葉片脯氨酸含量迅速上升,維大力浸種處理的玉米葉片脯氨酸含量明顯高于對照,2.0 g/L維大力處理顯著高于其他處理,脅迫1 d、7 d后,葉片脯氨酸含量分別比對照高15.15%和188%。脅迫后14 d,維大力各處理下玉米葉片脯氨酸含量下降,玉米受低溫脅迫的影響逐漸恢復,但是對照的脯氨酸含量仍較高。

圖2 維大力浸種對低溫脅迫下玉米葉片脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of VDAL seed-soaking on proline content of maize under low temperature stress

2.3.3維大力浸種對低溫脅迫下玉米幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛是細胞毒性物質,在常溫下植物體內含量較少,但遇逆境傷害時其含量會升高,并且隨逆境程度的加劇不斷增加[13]。圖3表明,低溫脅迫后1 d、7 d,玉米葉片丙二醛含量上升,但是維大力浸種處理的玉米葉片丙二醛含量顯著高于對照,2.0 g/L維大力處理下顯著高于其他處理,脅迫1 d、7 d后,葉片丙二醛含量分別比對照高113.63%和110.82%。脅迫后14 d,維大力各處理下玉米葉片丙二醛含量下降,玉米受低溫脅迫的影響逐漸恢復,但是對照的丙二醛含量仍較高。在低溫脅迫下,維大力浸種可促使玉米幼苗積累更多的丙二醛,從而減緩低溫對玉米幼苗的傷害,提高幼苗的抗寒能力。

圖3 低溫脅迫下維大力浸種對玉米葉片丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of VDAL seed-soaking on malondial dehyde content of maize under low temperature stress

2.4 維大力浸種對玉米根系活力的影響

圖4表明,低溫脅迫前,維大力浸種處理的玉米根系活力顯著高于對照,表明維大力處理有利于提高玉米根系活力。低溫脅迫后,玉米根系活力顯著降低,但維大力浸種處理的玉米根系活力仍顯著高于對照。在維大力2.0 g/L處理下,脅迫1 d、7 d后,根系活力分別比對照高140.63%和142.86%。脅迫后14 d,維大力各處理根系活力逐漸恢復,2.0 g/L處理可恢復至脅迫前水平,對照恢復較慢,2.0 g/L處理根系活力比對照高162.5%。

圖4 維大力浸種對低溫脅迫下玉米根系活力的影響Fig.4 Effects of VDAL seed-soaking on root activity of maize under low temperature stress

3 討論與結論

玉米幼苗的莖長、根長、莖粗、須根數(shù)和鮮重等是評價玉米長勢的重要指標[14]。杜茜等[10]研究3%植物激活蛋白可濕性粉劑(WP)對玉米種子萌發(fā)的影響,結果表明,以3%植物激活蛋白1 000倍稀釋液浸種,玉米種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)分別比對照提高1%和3.63%,但均與清水對照無顯著差異;種子的發(fā)芽勢和萌發(fā)活力指數(shù)分別提高了11%和7.05%,與清水對照有極顯著差異。這與本試驗結果類似,本研究表明,在0.4～2.0 g/L濃度范圍內,采用維大力浸種,能夠促進低溫脅迫下玉米種子萌發(fā)和提高植株的生長指標,在2.0 g/L的濃度下,效果最明顯,發(fā)芽率比對照高13.95%,發(fā)芽指數(shù)比對照高86.63%,對植株的生長也有促進作用,提高了莖長、根長和須根數(shù)。維大力對低溫脅迫后玉米脯氨酸和丙二醛含量也有促進作用。脯氨酸和丙二醛含量的高低可衡量作物受逆境的程度,本試驗表明,低溫處理后,對照和維大力處理的玉米葉片脯氨酸和丙二醛含量均升高,但是維大力處理的玉米應對逆境的能力更強,脅迫后1 d、7 d,葉片脯氨酸含量分別比對照高出15.15%和188%,葉片丙二醛含量分別比對照高113.63%和110.82%。脅迫后14 d,維大力各處理下玉米葉片脯氨酸和丙二醛含量下降,恢復至對照水平。說明在低溫脅迫下,維大力浸種可促使玉米幼苗積累更多的脯氨酸和丙二醛,從而減緩低溫對玉米幼苗的傷害,提高幼苗的抗寒能力。

植物的根系是植物體內重要的吸收和合成器官,根的生長情況和活力水平直接影響植株地上部的營養(yǎng)狀況和吸收水平,根系活力的高低能直接反映植物根系的生理機能(包括吸收能力、合成代謝能力等)的活動能力[15-16]。本試驗結果表明,維大力浸種可顯著提高玉米的根系活力,進而減少低溫脅迫對玉米根系的傷害。維大力是一種新型的廣譜、高效的植物生長調節(jié)劑,能夠激活植物體內的抗逆蛋白,提高植物抗逆能力,目前較多應用于葉面噴霧,本試驗嘗試將其應用于玉米種子處理,以擴大維大力的使用范圍。后續(xù)將繼續(xù)關注其對其他種類或品系玉米的安全性及作為種子處理劑的進一步應用。