氯化钙浸种对干旱胁迫下花生种子萌发及幼苗生理特性的影响
范小玉 陈雷 刘卫星 张枫叶 贺群岭 李可 吴继华
摘要：为探明钙肥在干旱胁迫下对花生种子萌发及幼苗生长发育的调控效应，以商花30号为试验材料，在10%聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫条件下，研究不同浓度的氯化钙（CaCl2）浸种处理对花生种子萌发、幼苗生物量、膜脂过氧化作用及抗氧化酶活性的影响。结果表明，干旱胁迫条件下，CaCl2浸种处理显著提高了花生种子的发芽率、发芽势、发芽指数，促进了种子的萌发;CaCl2浸种处理显著增加了花生幼芽胚根长、胚轴长、根数量及幼苗株高、鲜质量、干质量，促进了根系的生长、构建了健壮的植株形态;CaCl2浸种处理顯著降低了幼苗叶片丙二醛（MDA）含量，增强了幼苗叶片SOD和POD活性。由此表明，本试验条件下，CaCl2浸种处理对干旱胁迫具有一定的缓解作用，其中40 mmol/L CaCl2对干旱胁迫的缓解效果最佳，可以有效地促进干旱胁迫下花生种子萌发和幼苗生长。
关键词：氯化钙;干旱胁迫;种子萌发;幼苗;生理特性
中图分类号：S565.201 文献标志码：
A
文章编号：1002-1302（2022）08-0101-04
花生（Arachis hypogaea L.）是我国重要的油料作物和经济作物，随着全球气候变暖，干旱化的威胁越来越严重，我国作为花生的主产国之一，种植面积的2/3常年受到不同程度的干旱影响[1-2]。高国庆等统计表明，干旱常年造成的花生减产占全国总产量的20%以上[3]。姚君平等认为，干旱除引起减产外，还降低了花生品质，加重了黄曲霉毒素污染和病虫害发生频率[4]。花生是喜钙作物，对钙极度敏感，对钙肥的需求量次于氮，高于磷，与钾相当[5]。相关研究表明，适宜的外源钙具有提高干旱胁迫下作物幼苗根系活力、植物体内超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、脯氨酸含量，降低丙二醛（MDA）含量，调节激素和一些重要的生化物质代谢等作用，从而减缓干旱胁迫对花生造成的伤害，提高花生的抗旱性[6-7]。
农用氯化钙是一种由氯元素和钙元素构成的盐，化学式为CaCl2，可以为作物提供微肥，具有稳定和保护细胞质膜结构与功能、参与干旱信号的传递、调节保护酶活性等作用，从而缓解干旱胁迫对作物造成的伤害。目前，关于氯化钙浸种提高作物抗旱性等研究可见于玉米[8]、银杏[9]、小麦[10]、苜蓿[11]、大豆[12]、亚麻[13]等作物上。但鲜有报道氯化钙浸种对干旱胁迫条件下花生种子萌发及幼苗生理指标的影响，本研究通过在10%聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫条件下，研究不同浓度的CaCl2浸种对花生种子萌发及幼苗生理指标的影响，探讨CaCl2浸种缓解干旱胁迫对花生种子萌发及幼苗生长发育造成伤害的机理及筛选最佳浸种浓度，以期为提高花生抗旱性提供重要理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2020年5月在河南省商丘市农林科学院生理实验室内进行。供试花生品种为商花30号，是商丘市农林科学院新育高油酸花生品种。氯化钙（CaCl2含量≥96%），白色粉末状，天津市致远化学试剂有限公司生产。用10 %聚乙二醇（PEG-6000，分析纯）模拟干旱处理。
1.2 试验设计
试验设4个CaCl2浓度处理，分别为 20 mmol/L（CA20）、40 mmol/L（CA40）、60 mmol/L（CA60）、80 mmol/L（CA80），蒸馏水浸种作为对照（CK）。选取籽粒饱满、大小一致的花生种子，用1%次氯酸钠溶液消毒5 min，无菌水冲洗3遍，用不同浓度的CaCl2溶液浸种12 h，CK采用蒸馏水浸种12 h。将浸好的种子分别置于培养皿内，每皿放20粒种子，加入10%PEG溶液，每处理重复3次，然后置于 28 ℃ 光照培养箱进行发芽培养。每24 h更换1次滤纸和胁迫液。每天观察记录种子发芽情况，用于种子萌发指标的测定。于处理第15天时测定幼苗的相关生长指标及生理指标。
1.3 测定指标及方法
1.3.1 种子萌发指标的测定项目和方法 以胚根长度等于种子长度作为发芽标准，每天观察记录发芽情况并统计发芽数。参照《种子生物学研究指南》[14]计算种子的露白率、发芽势、发芽率、发芽指数。处理第7天采用游标卡尺测量幼芽的幼根长、胚轴长，统计根数量。
1.3.2 幼苗生长指标的测定 每处理选取长势均匀一致的植株10株，冲洗干净，吸干表面水分，分别称其鲜质量;将选取的材料立即置入恒温干燥箱内，先杀青（105 ℃、30 min），后烘干（80 ℃）至恒质量，称其干质量。试验均重复3次，取其平均值。
1.3.3 幼苗生理指标的测定项目和方法 每处理取同等部位的叶片部分，用于以下生理指标的测定。丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸法;过氧化物酶活性采用愈伤木酚法测定;超氧化物歧化酶活性采用氮蓝四唑光还原法测定，具体测定方法参照文献[15]，每次测定均重复3次。
1.4 数据处理及分析
采用Microsoft Excel 2007软件对数据进行编辑处理。采用DPS软件对数据进行方差显著性分析。
2 结果与分析
2.1 CaCl2浸种对干旱胁迫下花生种子萌发的影响
种子萌发状况的好坏直接关系到后期幼苗的建立、植株密度以及最终产量的形成[16]。由表1可知，经CaCl2浸种处理的花生种子的露白率、发芽势、发芽率、发芽指数均高于对照，随着CaCl2浸种浓度的升高，各项萌发指标值均呈先上升后下降趋势。4个CaCl2浸种处理中，CA20处理花生种子露白率、发芽率、发芽指数、幼根长测定值最低，但均高于CK;CA40处理的种子发芽率最高，达78.60%，为CK的1.21倍，CA60处理的种子的露白率、发芽势、发芽指数均最高，分别为CK的1.03、1.10、1.43倍，2个处理间无显著差异;当浸种浓度达到 80 mmol/L 时，各萌发指标值均下降明显，对花生种子的萌发促进作用逐渐减弱。说明适宜浓度的CaCl2浸种可以有效地缓解干旱胁迫对种子萌发的抑制作用，从而保证苗全苗齐，提高幼苗的整齐度。
花生萌发后幼根长、胚轴长和根数量可以很好地反映出幼苗生长初期的形态构建状况。由表1可知，CaCl2浸种对提高种子的幼根长度、胚轴长度及根的数量有明显的促进作用。花生种子幼根长、胚轴长和根数量均随着CaCl2浸种浓度的增加呈先上升后下降趋势，且各处理值均大于CK;其中CA40处理的幼根长、胚轴长及根数均最大，分别是CK的1.40、2.02、2.29倍;CA20、CA80处理花生种子的幼根长、胚轴长和根数均低于其他2个处理，但均显著高于CK。说明适宜浓度的CaCl2浸种处理能够显著增加幼根、胚轴长和根数，促进根系生长，为构建健壮的花生植株打下良好的基础。
2.2 CaCl2浸种对干旱胁迫下花生幼苗株高及生物量的影响
由图1可以看出，CaCl2浸种处理后，在干旱胁迫条件下，各处理幼苗株高、鲜质量和干质量值均高于CK，花生幼苗的株高、鲜质量和干质量在CaCl2浸种浓度为0～40mmol/L范围内随浸种浓度的升高而增高，并在40 mmol/L时达最大值，当CaCl2浸种浓度高于40 mmol/L时，则呈降低趋势。其中CA40处理幼苗株高、鲜质量、干质量比对照增加40.04%、67.50%、102.22%，对花生幼苗的生长具有明显的促进作用;随着CaCl2浸种浓度的增加，当到达80 mmol/L时，与CA40处理相比，其幼苗株高、鲜质量、干质量分别降低10.15%、21.64%、18.68%。说明适宜浓度的CaCl2浸种处理能够较好地促进幼苗生长，而较高浓度的CaCl2浸种对幼苗生长有明显的抑制作用。
2.3 CaCl2浸种对干旱胁迫下花生幼苗叶片MDA含量的影响
当植物受到逆境胁迫时，往往会发生膜脂过氧化作用，MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，其含量可以直接反映出逆境胁迫对植物细胞膜的伤害程度[17]。由图2可知，在干旱胁迫下，CaCl2浸种处理可以有效降低叶片MDA含量，且随浸种浓度的增加呈先下降后上升的趋势。与CK相比，CA40处理叶片MDA含量大幅下降，说明40 mmol/L CaCl2浸种浓度可以明显抑制花生幼苗叶片MDA的合成与积累，减轻干旱胁迫对幼苗叶片造成的伤害;CA20、CA60、CA80处理也能有效降低叶片内MDA含量，与CK相比，其值分别下降20.09%、27.72%、9.81%。说明CaCl2浸种能有效降低幼苗叶片MDA积累量，从而减轻膜脂过氧化作用对细胞造成的伤害，其中40 mmol/L CaCl2浸种效果最好。
2.4 CaCl2浸种对干旱胁迫下幼苗叶片抗氧化酶活性的影响
SOD、POD是种子萌发过程中重要的代谢酶，也是保护氧自由基对细胞膜系统伤害的保护酶[18]。由图3可知，CaCl2浸种处理后，在干旱胁迫下，花生幼苗叶片的SOD、POD活性变化趋势基本一致，均随CaCl2浓度的增加先大幅升高后小幅降低。各浓度处理幼苗叶片SOD、POD活性均高于CK，其中CA40处理幼苗叶片SOD、POD活性最高，与CK相比，分别增加32.53%、44.01%;CA20、CA60、CA80处理后幼苗叶片SOD活性分别为CK的1.15、1.45、1.37倍，POD活性分别为CK的1.34、1.76、1.57倍。说明CaCl2浸种可以有效促进SOD、POD活性的提高，从而有助于消除氧自由基对细胞膜系统的伤害，缓解干旱胁迫对幼苗叶片的伤害，且 40 mmol/L CaCl2为提高花生幼苗抗氧化能力的最佳浓度。
3 结论与讨论
种子萌发是植株正常生长发育和形态建成的基础，是植物体生命周期的起点。本研究结果表明，在干旱胁迫条件下，花生种子萌发受到显著抑制，而采用CaCl2浸种预处理则能明显促进干旱胁迫下花生种子萌发和幼芽的生长，主要表现在花生种子发芽率、发芽势和发芽指数与对照相比均显著提高，且幼根长、胚轴长和根的数量均较对照显著增加，这与代海芳等的研究结果[12，19]一致。从本试验可以看出，CA60处理对于种子的露白率、发芽势、发芽指数有明显的提高作用，与CA40处理无显著差异，但对于提高种子发芽率及后期促进幼芽生长效果则低于CA40处理，说明 40 mmol/L CaCl2处理对于种子萌发和幼芽的生长为最佳浸种浓度。在干旱胁迫条件下，CaCl2浸种之所以能够提高花生种子的发芽能力，可能是由于外源Ca2+存在时，种子细胞内能迅速产生O2+和H2O2等活性氧分子，进而启动机体内其他信号，引起一系列保护性的生理反应，从而缓解干旱胁迫下对花生种子萌发造成的伤害。
钙是植物生长的营养元素与第二信使，能调控植物生长发育[20-22]。本研究结果表明，CaCl2浸种预处理可以显著提高干旱胁迫下幼苗株高、干质量和鲜质量，且均高于对照，各项幼苗生长指标随浸种浓度增加呈先上升后下降趋势，这与罗永华等的研究结果[13]一致。CaCl2浸种预处理能够显著提高干旱胁迫下幼苗株高、干质量和鲜质量，可能是由于通过CaCl2浸种预处理能促使花生种子萌发和幼芽生长上升，增强一些种子在物质代谢水平上的相关酶活性，一旦种子体内的代谢水平加强、酶活性增加，外在的幼苗株高、干质量和鲜质量会相应提高，从而可以构建健壮花生植株，提高幼苗抗旱能力，这是一个由内而外的过程。其中 40 mmol/L CaCl2浸种处理幼苗株高、鲜质量、干质量比对照增加40.04%、67.50%、102.22%，为最佳浸种浓度。
当植物受到逆境胁迫时，其体内活性氧防御系统就会对其形成相应适应逆境的生理生化代谢反应，而SOD、POD是植物活性氧防御系统中的关键酶[20]。CaCl2浸种能够有效提高干旱胁迫条件下幼苗叶片SOD、POD活性，且活性均显著高于对照，说明干旱胁迫破坏了活性氧防御系统及自由基产生和消除的平衡，通过CaCl2浸种，提高了保护酶活性，增强了活性氧防御系统能力，维持了细胞结构和功能的稳定性，提高了花生幼苗的干旱性，从而缓解了花生幼苗叶片在逆境下造成的伤害，这与周录英等的研究结果[21]一致。同時CaCl2浸种可在一定浓度范围内提高幼苗叶片MDA含量，说明适宜浓度的CaCl2对稳定双脂层的膜结构、防止膜损伤和膜渗透、维持膜的完整性起着积极的作用，这与李永胜等的研究结果[22-25]一致。从本试验可以看出，干旱胁迫下，40 mmol/L CaCl2浸种浓度在降低幼苗叶片MDA含量，提高SOD和POD活性效果最好，为最佳浸种浓度。
综上所述，干旱胁迫条件下，采用40 mmol/L CaCl2浸种预处理，能有效促进干旱胁迫下种子萌发和幼苗生长，抑制膜脂过氧化产物MDA含量，诱导SOD、POD活性提高，从而减轻干旱胁迫对花生幼苗带来的伤害，获得较好的植株构建，为培育健壮幼苗打下基础。然而，关于CaCl2浸种预处理提高花生抗旱性的具体作用机制还要进一步研究。
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