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褪黑素处理对干旱胁迫下玉米种子萌发的影响

添加时间:2019-02-22 11:28 来源:山西农业科学 作者:严加坤 周奇 刘莉
  摘要:褪黑素是植物响应逆境胁迫过程中重要的新型植物生长调节剂。以广泛种植的郑单958玉米种子为研究对象, 采用霍格兰营养液培养的方法, 使用聚乙二醇6000 (PEG-6000) 模拟干旱胁迫环境, 研究不同浓度褪黑素 (0, 5, 50, 100, 300μmol/L) 浸种预处理对15%的PEG-6000模拟干旱胁迫环境下玉米种子萌发的影响。结果表明, 褪黑素对于干旱胁迫下玉米种子萌发的影响与其他生长调节剂效果类似, 随着褪黑素浸种浓度的增加, 发芽率、发芽势、主根长、芽长、胚根鲜质量以及幼苗的脯氨酸含量和氧自由基含量均呈现先上升后下降的变化趋势;试验组丙二醛含量低于对照组, 试验组丙二醛含量随着褪黑素浸种浓度的升高呈先下降后持续升高的变化趋势;褪黑素提高玉米萌发率具有一定的浓度响应, 其最适合的浸种浓度为50μmol/L.说明外源施加褪黑素能有效改善水分胁迫带来的膜伤害、减少MDA的积累, 从而提高玉米种子萌发率。
  
  关键词:褪黑素; 干旱胁迫; 玉米;
  
  植物的生长和发育除了需要一定的营养物质、水、无机盐和糖类、脂类、蛋白质等有机物, 还需要一种微量但作用重大的物质, 即植物激素[1].植物激素伴随着植物从种子萌发到幼苗到成熟一直到死亡的全过程。植物激素可以分为酸碱性植物激素、油菜素甾醇、植物多肽3类。植物的叶、根、芽等生长都要受到植物激素的作用[2,3].
  
  玉米作为粮食、动物饲料、发酵酒精的能源物质被人们大量种植, 但是由于受各种因素限制, 玉米发芽率不高, 影响农民收入[4].玉米萌发受到多种因素影响, 种子胚是否完整以及播种土壤的矿物质含量、温度、水分等对萌发都有影响。研究同时发现, 不同激素对于玉米萌发的影响存在明显差异。
  
  研究表明, 植物激素在干旱条件下可以促进种子萌发、提高玉米等植物苗期的抗旱性[5].1958年, 褪黑素 (melatonin, MT) 从牛的松果体中被提取出来, 1963年才被正式确认为是一种激素。20世纪90年代后, 人们在许多植物中发现了褪黑素的踪影, 药用植物含量较高[6].褪黑素是一种类似于IAA的生长调节子, 可以促进植物侧根和不定根的产生, 可以明显提高侧根的数目[7].研究表明, 褪黑素可作为抵御超氧化的第一防线。可能是由于褪黑素提高了植物抗氧化酶活性, 从而保持活性氧的平衡, 提高植物的抗逆性。褪黑素能够有效提高植物耐干旱能力, 其主要作用机理是通过提高活性氧清除酶系以及抗氧化物质的含量来清除干旱胁迫引起的氧化胁迫, 从而达到增强植物干旱的抵御能力[8].目前关于褪黑素对于玉米种子萌发影响的研究还较少。
  
  本试验以广泛种植的郑单958玉米种子为对象, 研究不同浓度褪黑素浸种处理对15%PEG-6000模拟干旱胁迫环境下玉米种子萌发的影响, 以期筛选出褪黑素最适合的浸种浓度, 提高玉米种子萌发率, 为旱地玉米种植提供理论依据。
  
  1 材料和方法
  
  1.1 试验材料
  
  供试玉米种子郑单958购自河南秋乐科技股份有限公司。
  
  1.2 试验方法
  
  1.2.1 MT溶液配制
  
  MT溶液浸种液浓度分别为0 (CK) , 5, 50, 100, 300μmol/L, 每个浓度8次重复。
  
  1.2.2玉米种子处理
  
  挑选种胚发育完整成熟的玉米种子, 先用自来水冲洗4~5次, 洗去玉米种子包衣。用0.1%的Na Cl O浸泡10 min消毒。用蒸馏水冲洗已消毒的种子3~5次。先用吸水纸吸去明显的水分, 然后将种子放阴凉处自然晾干。将已风干的种子浸入相应浓度梯度的MT溶液中24 h.取15粒浸种完成的玉米种子放入铺有双层滤纸的贴好标签的培养皿 (直径8.0 cm) 中, 在每个培养皿中分别加入5 m L 15%的PEG-6000溶液, 8次重复, 然后置于智能光照培养箱 (无光) 中进行培养, 25℃观察萌发情况。
  
  培养期间每天观察并记录数据, 且补充适量聚乙二醇溶液保持湿润并持续胁迫。
  
  1.3 测定项目及方法
  
  1.3.1 种子形态指标测定
  
  玉米种子发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数参照刘志洋等[9]的方法完成。萌发后7 d测定幼苗的芽长、主根长, 统计侧根数。
  
  1.3.2 幼苗生理指标测定
  
  脯氨酸含量测定采用磺基水杨酸法[10], 氧自由基含量测定参考李钟光等[11]的方法, MDA的测定采用硫代巴比妥酸法[12].
  
  1.4 数据处理
  
  所有的数据均使用3次重复试验结果的平均值;采用Excel和SPSS 23.0软件进行数据分析与处理, 并绘制图表和折线图。
  
  2 结果与分析
  
  2.1 MT浸种对干旱胁迫下玉米种子萌发的影响2.1.1
  
  MT浸种对干旱胁迫下玉米种子萌发期发芽率和发芽势的影响由表1可知, 干旱胁迫下, 玉米种子发芽率随MT浸种浓度的增加呈先上升后下降的变化趋势;5~50μmol/L MT浸种处理的发芽率和发芽势均高于CK, 其中, 50μmol/LMT浸种处理的玉米发芽率和发芽势最好;300μmol/L MT浸种处理的发芽率和发芽势显着低于CK, 发芽受到抑制。
  
  表1 MT浸种对干旱胁迫下玉米发芽率和发芽势的影响

  
  注:同一列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显着。其余表同。
  
  2.1.2 MT浸种对玉米种子萌发期发芽指数和活力指数的影响
  
  从表2可以看出, 15%的PEG-6000模拟干旱胁迫下, 随MT浸种浓度的增加玉米种子发芽指数和活力指数出现先上升后下降的变化趋势, 其中, 50μmol/L MT浸种处理的玉米种子发芽指数和活力指数最高;300μmol/L MT浸种处理的玉米种子发芽指数和活力指数最低。
  
  表2 MT浸种对玉米种子发芽指数和发芽活力的影响

  
  2.1.3 MT浸种对玉米种子萌发期单株胚根鲜质量的影响
  
  从表3可以看出, 15%的PEG-6000模拟干旱胁迫下, MT浓度在0~50μmol/L时, 随MT浓度的增加, 单株胚根鲜质量呈上升趋势, MT浸种处理的玉米种子萌发期单株胚根鲜质量在MT浓度为50μmol/L时达最大值;在50~300μmol/L范围内呈下降趋势。
  
  2.2 MT浸种对玉米幼苗生长的影响
  
  从表4可以看出, MT浸种对于干旱胁迫下的玉米种子萌发包括芽长、主根长、侧根数都有一定的影响。MT浓度为50μmol/L时主根最长, 侧根数最多, 根系表面积由于侧根数最多也达到最大值。
  
  表3 MT浸种单株胚根鲜质量变化

  
  表4 MT浸种对玉米种子萌发后7 d形态特征的影响

  
  2.2.1 MT浸种对玉米幼苗中氧自由基含量的影响
  
  从图1可以看出, 当MT浓度为50μmol/L时, 玉米幼苗中的氧自由基含量达到最大值, 比CK高17%;5μmol/L MT浸种时氧自由基含量较CK降低最明显。说明MT浸种时, 5μmol/L浓度对氧自由基的形成具有抑制作用, 高浓度的MT会导致氧自由基的累积。
  
  2.2.2 MT浸种对玉米幼苗MDA含量的影响
  
  由图2可以看出, 干旱胁迫下, 随着MT浓度的增加玉米幼苗中MDA的含量呈先下降后上升的变化趋势, 其中, CK玉米幼苗中的MDA含量最高;当浸种浓度大于50μmol/L时, MDA含量又会随浸种浓度增加而增加。
  
  2.2.3 MT浸种对玉米幼苗中脯氨酸含量的影响
  
  由图3可知, 干旱胁迫下玉米幼苗中的脯氨酸含量会随MT浓度的增大而出现先增大后减小的变化趋势, 当MT浸种浓度为50μmol/L时, 幼苗中脯氨酸含量达到峰值;之后继续增加MT浓度脯氨酸含量反而会减小。
  
  3 结论与讨论
  
  褪黑素可提高植物的抗逆性在多种植物上都有发现[13,14,15].褪黑素能缓解干旱胁迫对于紫苏幼苗根系生长的抑制[16], 外施MT可提高黄瓜、小麦等对干旱的抵御能力[17,18,19].本试验研究MT对于干旱胁迫下玉米萌发的影响, 结果说明, MT浸种对于玉米萌发的萌发率、发芽势、发芽指数、活力指数变化趋势相同, 均呈现先上升后下降的变化趋势。总之, MT能在低浓度促进玉米种子的萌发, 当达到一个峰值后促进效果会明显减弱, 50μmol/L MT浸种后的玉米种子萌发效果最好。
  
  本研究中, 氧自由基在MT浓度超过50μmol/L后, 开始出现下降趋势。前人研究发现, 氧自由基在达到一定阈值前对植物具有一定的刺激作用[20].因此推测, 本研究中虽然MT处理提高了氧自由基含量, 但是并没有达到阈值, 因此, 并没有毒害作用;而MT处理显着降低了MDA含量, 并且有效提高了脯氨酸含量, 因而, 能够提高玉米的抗逆性。而褪黑素通过提高抗氧化系统活性来降低水分胁迫的膜损伤, 从而降低MDA累积也已经得到证实[15].综上认为, 外源施加褪黑素能够有效改善水分胁迫带来的膜伤害, 减少MDA的积累, 从而提高玉米萌发率。
  
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