晋谷42和晋谷45萌芽期抗旱性的比较毕业论文.doc

1前言1.1谷子概述 1.1.1谷子简介 谷子又名粟去皮即小米，单子叶禾本科粮食作物。黍族，狗尾草属，是我国北方种植的主要粮食作物之一。属耐旱稳产作物1。谷子秆粗壮、分蘖少，狭长披针形叶片，有明显的中脉和小脉，具有细毛；穗状圆锥花序；穗长2030厘米；小穗成簇聚生在三级支梗上，小穗基本有刺毛。每穗结实数百至上千粒，子实极小，径约0.1cm，谷穗一般成熟后金黄色，卵圆形籽实，粒小多为黄色。粟的稃壳有白、红、黄、黑、橙、紫各种颜色，俗称“粟有五彩”。谷子起源于我国，栽培历史悠久。在我国古代原始农业中，谷子的种植居于首位，据历史资料记载，殷商时期谷子已经是人们的主要粮食了，秦代就有主要农业的官吏称“治粟内吏”，西汉时期又叫做“搜粟都尉”；著名的古农书泛胜之书和齐民要术中把谷子列为五谷之首2。谷子适应性广，耐干旱，耐瘠薄，抗逆性强，在土壤贫瘠、缺乏水源的旱地可以种植。在水肥条件较好的地块栽培种植，也能获得高产，谷子的颖壳比较坚硬，防潮抵虫，极耐储藏，在储藏条件良好的条件下，谷子储藏十年甚至几十年都不会腐烂，虫蛀。故可以成为备战备荒的贮备粮3。1.1.2 谷子的价值谷子是我国北方人民主要的粮食之一, 又是牲畜、家禽的良好饲抖。全世界谷子播种面积约为9.8 亿亩,其中以我国的栽培面积最大、产量也较高。我国谷子种植面积约占全国粮田总播种面积的5.2 % 。据化学分析, 小米的蛋白质含量仅次于标准粉,比大米、高粱米、玉米面的蛋白质含量都高。脂肪含量比大米高一倍, 接近标准粉。一斤小米能产生1810 大卡热能,在几种主要食根中, 小米是产生热量较高的一种。据有关部门计算: 一个中等 体力劳动者如果每日膳食中需供给热量为3000大卡, 蛋白质80 克, 每天需用1.6斤面粉或小米, 大米则需2 斤, 高粱米需1.8斤 4。谷子的营养价值极高，富含蛋白质、氨基酸、维生素及硒、钙、铜、铁、锌、镁等微量元素，是老、弱、婴幼儿的良好滋补食品 。古代对谷子已有较深入的研究，据医书记载，小米性味甘、咸凉，能益脾和胃，陈小米性苦寒，入脾胃、肾能和中解毒，治胃热消渴，利小便。煮粥食用有益丹田、开肠胃的作用，外用还可治赤丹及烫火、灼伤等。小米每公斤含蛋白质97克、脂肪35克。碳水化合物728克，除脂肪含量低于玉米外，其余各项均比其它粮食含量高。易于消化，适口性好。还含有胡萝卜素、维生素B1、B2，并含有人体所必需的蛋氨酸、赖氨酸、色氨酸等，是一种营养价值较高的食粮 5。1.2抗旱研究的意义1.2.1干旱的概念及危害陆生植物最常遭受的环境协迫是缺水，当植物耗水大于吸水时，就使组织内水分亏缺。过度水分亏缺的现象，称为干旱（drought）。旱害（drought injury）则是指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。植物抵抗旱害的能力称为抗旱性(droughtresistance)。在我国西北、华北地区干旱缺水是影响农林生产的重要因子，南方各省虽然雨量充沛，但由于各月分布不均，因此也经常受到干旱危害。干旱对植株最直观的影响是引起叶片、幼茎的萎蔫。萎蔫可分为暂时萎蔫和永久萎蔫，两者根本差别在于前者只是叶肉细胞临时水分失调，而后者原生质发生了脱水。原生质脱水是旱害的核心，由此可带来一系列生理生化变化并危及植物的生命。1.2.2谷子抗旱性研究现状干旱是限制农作物生产的主要逆境之一，发展节水农业、旱地农业是解决干旱地区水资源不足的主要途径，谷子是旱地农业的重要作物，因此培育抗旱丰产的谷子品种已成为农业生产的迫切需要。谷子的抗旱机制尚未明确，有人认为谷子的抗旱性与根系是否发达密切相关6，因此在对谷子进行抗旱鉴定时，应从形态、生理、生化等众多指标中筛选出对抗旱性有显著影响的主要指标，进行综合分析判断。谷子是我国乃至世界的主要抗旱粮食作物之一，在节水农业和旱作农业发展中具有重要意义，因此培育抗旱高产的优良品种显得尤为重要。在抗旱育种过程中，客观准确地评估谷子的抗旱性也非常重要，因此选育抗旱的谷子品种将成为未来谷子研究的重要内容。抗旱性是指通过形态、生理的变化，以不同方式适应干旱环境，在干旱条件下存活而很少或不受伤害的特性。不同作物之间以及同种作物的不同品种对干旱条件的适应能力和抵御能力均有所不同。谷子在禾本科植物中表现出了较为突出的抗旱性7。本试验采用室内PEG溶液模拟土壤干旱处理方法，对不同谷子品种在水分胁迫下萌发过程中的生长发育进行了研究，目前多数研究者选用聚乙二醇（Polyethyleneglycol，PEG）作为植物抗旱性选择剂或水分胁迫剂8，这是因为聚乙二醇是一种亲水性极强的大分子有机物，溶于水后会产生强大的渗透压，可配制成不同梯度的水势溶液，以模拟土壤的自然水分胁迫状况。常用的PEG 胁迫试剂种类有PEG-2000、6000 和8000，其中以PEG-6000 的研究报道最多。研究表明，在高渗溶液法鉴定种子芽期抗旱性中，选用-0.50 MPa的PEG-6000的效果为好，且在相同水势下PEG-6000对植物水分生理产生的影响和土壤干旱相似9。但是由于作物的抗旱性与作物种类、品种基因型、形态性状以及生理生化反应有关，亦干旱发生时期、强度及持续时间的影响，是植物与环境相互作用的结果10。谷子是我国乃至世界的主要抗旱粮食作物之一，在节水农业和旱作农业发展中具有重要意义，因此培育抗旱高产的优良品种显得尤为重要。在抗旱育种过程中，客观准确地评估谷子的抗旱性非常重要。本试验通过采用PEG-6000 处理模拟水分胁迫，测定了谷子的发芽势、发芽率、胚芽长、胚根长等形态指标以及过氧化物酶、脯氨酸、超氧阴离子含量等生理指标。对谷子进行了耐旱性综合评价，为抗旱性品种选育和抗旱性机理研究提供一定的理论基础。为品种抗旱性鉴定和品种选育及栽培提供依据。1.2.3干旱胁迫对谷子POD、Pro、O2-的影响过氧化物酶（POD）的作用: POD 可在逆境或衰老初期表达，表现为保护效应; POD 也可在逆境或衰老后期表达，参与活性氧的生成，是植物体衰老到一定阶段的产物，甚至可作为衰老指标11。POD是植物体内防护氧自由基对细胞膜系统伤害的重要保护性酶 12。脂膜过氧化会引起叶绿体超微结构的变化。并能使光合羧化酶失活，引起光合速率下降13薛慧勤等吲研究认为，谷子受水分胁迫时酶和蛋白质的变化与抗旱性有密切的关系，这是因为干旱条件下细胞保护酶活性高，过氧化物水平较低的品种自身的防御能力强，膜伤害程度低，蛋白质代谢受干旱影响轻。脯氨酸（Pro）作为渗透调节性物质对作物抗旱所产生的重要作用早已引起人们的关注14。绝大多数谷子品种在缺水条件下，脯氨酸含量都升高，而且品种间有差异，高谷子体内脯氨酸水平有利于抗旱。另外，在缺水条件下，谷子能充分利用有限的水分进行生长发育一也是谷子耐旱的表现。干旱诱发的脯氨酸积累有如下三条途径：失去了脯氨酸合成的反馈抑制作用。如在正常的大麦和烟草叶中脯氨酸合成受到本身的抑制，但在萎蔫叶中脯氨酸合成对脯氨酸抑制的敏感性下降。脯氨酸氧化受到抑制。蛋白质合成受到抑制，这样抑制了脯氨酸向蛋白质的参入。在这三个途径中尤以途径为最主要。对干旱条件下溶质积累的生物学功能有两种解释。一是认为溶质本身作为种渗压剂进行渗透调节，从而增强植物保持水分的能力，稳定体内的渗压平衡；二是认为积累的溶质可能作为一种溶剂代替水参与生化反应。在这种意义上，它们又被称为低分子量的分子伴侣。如在干旱胁迫下诱导的棉花种子胚胎发生后期富集蛋白(LateEmbriugenesis Abundant Protein,Lea蛋白)与可溶性糖协同作用抑制胞质晶体化，并维持膜表面的液化状态。通过渗透调节作用完成的耐旱性也有一定的局限性。表现在：(1)渗透调节的暂时性。如果在干旱土壤中充分灌水，植物本来具有的渗透调节能力在随即而来的又一次干旱中会消失，因而这种灌水对下一次干旱并无好处；(2)渗透调节的有限性。如果干旱胁迫非常严重，例如叶片水势达20 MPar时，膨压就不能维持下去。(3)渗透调节并不能完全维持生理过程。即使在能进行渗透调节的水势变化范围内，干旱的影响仍是存在的，如生长速度下降，气孔扩散阻力增加等。进入生物体内的一些分子氧（O2），可以经单电子还原转变为超氧阴离子自由基，尤其是在逆境条件下这种单电子还原的概率更大。超氧阴离子自由基可直接作用于蛋白质和核酸等生物大分子，同时也可衍生为羟自由基、单线态氧、过氧化氢及脂质过氧物自由基等活性氧，引起对细胞结构和功能的破坏。因此测定逆境条件下植物组织中超氧阴离子自由基产生及清除速率，可间接了解组织细胞受损状况和抗性强弱。2材料与方法2.1 试验材料及设备2.1.1材料选用由山西省农业科学院作物遗传研究所选育的晋谷42号和晋谷45号品种。2.1.2主要仪器和设备电子天平、恒温培养箱、移液枪、UV-2101C型紫外可见分光光度计、冷冻离心机等。2.2 测定方法2.2.1材料处理方法挑选籽粒饱满、大小均匀一致、谷壳完整无损伤、健康无病虫害的晋谷42号种子和晋谷45号种子，分别称取5g，然后把称取的谷子分别放入小烧杯中，用0.1%的氯化汞消毒10min，期间要对种子进行充分的搅拌，以起到杀菌的效果。杀菌完毕后，用蒸馏水清洗种子5-6次，把种子摊开放在滤纸上晾干。然后选取100粒置于9cm的培养皿中，每个培养皿中铺两层滤纸，用作发芽床，加8ml18%的PEG溶液作水分胁迫处理，对照加蒸馏水8ml，置于培养皿中，25恒温培养箱中萌发，每个处理5个重复。2.2.2发芽势、发芽率以及胚根长胚芽长的测定方法萌发性状测定：为了测定种子萌发抗旱指数，每隔6h调查一次发芽数(以芽长达到种子直径一半标准)，并在第36h调查发芽势；第84h调查发芽率，同时在84h剪下根芽，分别测量胚芽长、胚根长(在每个培养皿中随机抽取5粒测量，求平均值) 种子萌发抗旱指数=水分胁迫下种子的萌发指数(PIS)对照种子的萌发指数(PIC)。其中PI=(1.00)nd1+(0.75)nd2+(050)nd3+(0.25)nd4(nd1、nd2、nd3、nd4分别为第12h、36h、60h、84h的种子萌发率)相对发芽率()=(处理发芽率对照发芽率)100%相对发芽势()=(处理发芽势对照发芽势)lOO%伤害率()=(CKT)CK100 %(其中CK为对照值，T为处理值)2.2.3过氧化物酶（POD）的测定方法测定方法：愈创木酚比色法 取0.1g新鲜植物材料，加入0.1mol/LTris-HCl（PH8.5）1ml，研磨成匀浆，转入2ml离心管中，以10000rpm离心15min，上清液待用。以0.1mol/L磷酸缓冲液（PH6.0）为参比，另一只比色杯中加入上清酶液5l，再加入反应混合液（0.1MPH6.0磷酸缓冲溶液50ml，30%过氧化氢0.028ml和愈创木酚0.019ml混合）3ml。准确计时，反应3min，470nm处测定光密度值。根据下式计算POD酶活性：POD酶活性（OD470/min/g FW）=AVt/（WVsT）其中A为3分钟前后吸光值的变化；Vt为酶液总体积（ml）；W为样品鲜重（gFW）；Vs为此定时取酶液的量（ml）；T为反应时间（min）。2.2.4脯氨酸（Pro）的测定方法本试验测定方法：愈创木酚比色法 取0.1g新鲜植物材料，加入3%磺基水杨酸溶液1ml，研磨成匀浆，转入2ml离心管中，以12000rpm离心15min。取上清液500l，加入2ml茚三酮（2.5g的茚三酮，60ml冰醋酸，5ml磷酸和35ml水混合），再加入2ml冰醋酸摇匀，沸水浴30min，在水浴时试管口要覆膜。水浴结束后，加入4ml的甲苯，摇匀，1h后测量脯氨酸含量。以甲苯为参比，在紫外分光光度计上测定520nm波长下的吸光值。根据下式计算Pro含量：Pro含量=cv/W.a其中c为提取液中脯氨酸浓度（g）由标准曲线得到；v未提取液总体积（ml）；W为样品鲜重（g）；a为测定时所吸取的体积（ml）。标准曲线的公式：y =0.1942x- 0.0003其中y为OD值，x为PRO的浓度（g/g.Fw）x=c。2.2.5超氧阴离子测定方法本试验采用紫外吸收法 即测定超氧阴离子自由基含量，具体步骤为：取谷子芽0.1g左右，称重后，置于研钵中，加入磷酸缓冲液（PH7.8）1ml，在冰上研磨，研磨液转入1.5ml的离心管，以12000rpm冷冻离心15min。取300l 的上清液加入试管中，加入0.5ml的磷酸缓冲液（PH7.8）和0.1ml的HCl羟胺，在25。C恒温水浴箱中，水浴20min。水浴结束后，再加入1ml的对氨基苯磺酸和1ml的-萘胺，在30。C恒温水浴箱中，水浴30min，水浴结束后，摇匀静置。取上清液，以-萘胺稀释一倍后作参比，在紫外分光光度计上测定520nm波长下的吸光值，根据下式计算超氧阴离子自由基的产生速率：超氧阴离子自由基的产生速率= XVt2/(FWVsT)式中Vt为酶液总体积（ml）；FW为样品鲜重（g.FW）；Vs为此定时取酶液的量（ml）；Vs为显色反应时取样品液的量（ml）；T为反应时间（min）。标准曲线为y=0.1409X-0.2935其中y为OD值，x为O2-的浓度（g/g.Fw）。3 结果与分析3.1谷子萌芽期发芽数的变化表1 晋谷42和晋谷45的发芽数的变化发芽数12h18h24h36h42h48h60h66h72h84h42001.414.226.43140.647.850.451.642ck1.217.229.676.885.687.890.891.292.494.645009.625.444.465.871.87576.277.645ck944.459.875.8848588.689.69094.6 由表1可得出以下结论：晋谷42号和晋谷45号不论是处理组还是对照组发芽率都随时间的增长而呈现出上升的趋势，最后趋于稳定。同一时间上两个品种的PEG中的萌发数明显低于对照组的萌发数，这说明PEG抑制了谷子种子的萌发。晋谷45的发芽率比晋谷42的高：第48h在PEG处理组中晋谷45的萌发数为65.8，而晋谷42的只有31，晋谷45的萌发数比晋谷42的高34.8。第24h在对照组中晋谷45的萌发数为59.8，而晋谷42的为29.6，即晋谷45号的萌发数比晋谷42号的高30.2。3.2谷子萌发抗旱指数、发芽势、发芽率的比较表2 晋谷42号和晋谷45号萌发抗旱指数、相对发芽势和相对发芽率的比较品种 晋谷42号 晋谷45号萌发抗旱指数 0.343 0.556 相对发芽势（%） 35.2 77.5相对发芽率（%） 54.5 85.3 大量研究结果也表明，用高渗溶液进行干旱模拟可代替土壤水分胁迫处理而获得比较可靠的结果16。所以，本试验以种子在18%PEG水溶液中的萌发作为谷子萌芽期抗旱性的一个基本评价指标。由表2可得出：晋谷42号和晋谷45号的萌发抗旱指数分别为0.343、0.556。晋谷45号的萌发抗旱指数比晋谷42的高0.213。从表2可以看出，水分胁迫对谷子品种的相对发芽势和相对发芽率均有不同程度的影响，但对发芽势的影响较为明显，说明水分胁迫抑制了谷子种子的发芽速率，降低了各谷子品种的最终发芽率。萌发抗旱指数较高的晋谷45号发芽势所受的影响较小，最终发芽率没有受到大的影响。而萌发抗旱指数较低的晋谷42号最终发芽率受到的较大影响，但说明水分胁迫主要是抑制了萌发速率，发芽势受到严重抑制。3.3水分胁迫对幼苗生长的影响表3表明，水分胁迫明显抑制了胚芽胚根的生长。从伤害率看，具有高萌发抗旱指数的晋谷45号所受的影响较小，而萌发抗旱指数较低的晋谷42号所受的影响相对来说较大。胚根总长可以表示出根系吸收面积的大小。表3的结果表明，萌发抗旱指数较高的晋谷45号胚根受水分胁迫的影响较小，在水分胁迫下仍然可以保持较高的吸收面积，从而使种子的萌发生长顺利进行；而萌发抗旱指数低的晋谷42号胚芽胚根的生长受到比较严重抑制。同时，水分胁迫对胚芽生长的影响大于对胚根的生长，说明在水分胁迫下，谷子首先保证根系的发育以适应干旱。表3 水分胁迫对晋谷42号和晋谷45号胚芽、胚根的影响品种胚芽长胚根长CKT伤害率（%）CKT伤害率（%）421.0160.22278.12.9380.91868.8451.2260.2877.13.631.16467.93.4晋谷42和晋谷45的过氧化物酶（POD）的测定结果与分析过氧化物酶是植物体内普遍存在的、活性较高的一种酶，它与植物代谢及抗逆性都有密切关系17。由图1可知，在PEG干旱胁迫下晋谷45号幼芽中的POD活性为2.68OD470/min/g FW，而晋谷42号的POD活性只有1.9OD470/min/g FW。晋谷45号的POD活性比晋谷42号的高0.78OD470/min/g FW，说明在干旱胁迫下晋谷45号能够更好的减少对膜结构的伤害， 增强植物自身保护的调节能力。因此可以看出晋谷45号的抗旱性强。00.511.522.53晋谷42晋谷45POD 活性（OD470/g.Fw.min)图1晋谷42号和晋谷45号POD活性比较3.5晋谷42和晋谷45的脯氨酸含量比较处在水分胁迫下的植物，内部产生一系列物质代谢变化。其中最明显的变化之一就是游离脯氨酸大量累积，脯氨酸是一种防脱水剂，与作物的抗旱性关系密切18。试验结果表明，水分胁迫下，脯氨酸含量显著增加。由图2可知，晋谷42号和晋谷45号在PEG干旱胁迫下幼苗中的脯氨酸含量增加，晋谷45号的PRO含量为17.35g/g.Fw，而晋谷42号中只有9.6g/g.Fw。晋谷45号的脯氨酸含量明显比晋谷42号的高出7.75g/g.Fw。因此试验结果说明：在逆境中晋谷45号中的高含量脯氨酸可以更好稳定原生质胶体及组织内的代谢过程，降低凝固点，防止细胞脱水，使植物更好地适应逆境。所以晋谷45号比晋谷42号抗逆性强。02468101214161820晋谷42晋谷45 脯氨酸含量(g/g.Fw)图2晋谷42号和晋谷45号的Pro含量的比较3.6晋谷42和晋谷45的超氧阴离子产生速率的比较在生物体内的超氧阴离子自由基不断地产生，也不断被清除。因此，在生理条件下，超氧阴离子自由基的浓度处于平衡状态，不仅不会损伤组织，而且还显示出其独特的生理作用：参与抗感染免疫(O2-和OH分别是中性粒细胞、单核细胞消灭感染因子的手段之一)，吞噬细胞杀灭有害的微生物；协助清除衰老、褪变的细胞，消灭突变的细胞；参与合成甲状素、前列腺素和凝血酶原，在甲状腺中活性氧将I氧化成I2，酪氨酸再加I2生成甲状腺素；参与药物与毒物的解毒。由图3可知，晋谷42号和晋谷45号在PEG干旱胁迫下幼苗中O2-的产生速率相差不明显，晋谷45号的O2-的产生速率为7.96g/gFwmin，晋谷42号为8.15g/gFwmin。晋谷45号比晋谷42号中的O2-产生速率慢0.225g/gFwmin。说明在逆境中晋谷45号中的低含量O2-可以减少对细胞结构和功能的破坏，使植物更好地适应逆境。因此晋谷45号的抗旱性比晋谷42号的强。7.87.857.97.9588.058.18.158.28.25晋谷42晋谷45超养阴离子产生速率（g/g.Fw.min）图3晋谷42号和晋谷45号超氧阴离子产生速率的比较4 结论 萌发出苗是谷子整个生育期的第一阶段，能否在土壤水分胁迫下保持较高的萌发率和出苗率，直接关系到以后的生长发育和产量形成。本试验通过PEG渗透胁迫人工模拟干旱条件对晋谷42和晋谷45两个品种进行了萌芽期抗旱性的研究以及过氧化物酶、脯氨酸、超氧阴离子等生理指标的测定。试验结果表明晋谷42号和晋谷45号两个品种对水分胁迫较敏感，水分胁迫对它们的萌发和幼苗生长产生了较大的影响。萌发抗旱指数高的谷子品种在发芽势和发芽率所受的伤害程度较低，因此水分胁迫下谷子的发芽势和发芽率可以作为萌芽期抗旱性鉴定的一个重要指标。晋谷45号比晋谷42号的抗旱性强。通过测量种子的发芽率、发芽势、根长、芽长等形态学指标和以及幼苗POD活性、Pro和O2-产生速率等生理指标的测定，得出如下结论：分别用蒸馏水和PEG溶液培养晋谷42号和晋谷45号，可以看到晋谷45号无论在蒸馏水中，还是PEG溶液中培养发芽率和发芽势都比晋谷42号高。将晋谷42号和晋谷45号放在PEG中培养后，晋谷45号的芽长和根长受到的伤害率比晋谷42号的低。在PEG干旱胁迫下，晋谷45号中的POD活性、Pro含量明显比晋谷42号高， O2-产生速率相差不明显。所以晋谷45号的抗旱性明显比晋谷42号强。由此我们可以知道：芽势弱、发芽慢，胚芽胚根的生长受到抑制是水分胁迫影响种子萌发出苗的直观表现；且过氧化物酶、脯氨酸等的含量高低与谷子抗旱性成正相关。本试验对基础材料进行抗旱性的鉴定和改良。选育出抗旱性优良的谷子新品种有重要的意义。此外，本试验只选用了两个品种进行研究，资料、数据比较少，说服力不强，这是本试验验的不足之处。参 考 文 献1吴映月. 谷草作物栽培技术 . 中国盲文出版社,2001 :1-5.2王璞.农作物概论.北京：中国农业大学出版社，20043马建平等.山西谷子生产的现状及展望.杂粮作物J.1998,10-25.4赵福，辛淑芳 .谷子的营养价值农业科学实验 1980年05期 5吴宝华，付金宁，孙翔飞 .小米的药用营养研究及应用 现代农业2007,(7)6刘巧英，江宏，段文德，等 不同品种谷子抗旱性的初步研究J 种子，1989( 4) : 11-157韩淑云，刘明贵，杨官厅 陕西谷子品种资源抗旱鉴定J 陕西农业科学，1986( 4) : 6-78 孟健男, 于晶, 苍晶, 等. 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