在孟加拉国条件下，种子预处理技术显著提升了冬夏季节狐尾粟（Setaria italica L.）的发芽率、幼苗活力及产量

《PLOS One》：Seed priming-induced enhancement in seed germination, Seedling vigor, and productivity of foxtail millet (Setaria italica L.) in winter and summer seasons under Bangladesh conditions

　　**摘要**
狐尾粟是一种营养丰富且具有气候适应性的谷物作物；然而，其发芽率低和幼苗生长弱常常限制了其生产力。本研究通过实验室和田间实验，评估了种子预处理对狐尾粟发芽率、幼苗活力、产量性状和籽粒产量的影响。在实验室研究中，四种狐尾粟品种分别接受了六种预处理剂在不同浓度下的处理，同时还包括水浸预处理和未预处理的对照组。种子预处理显著影响了所有与发芽和幼苗活力相关的指标。在10000 ppm NaCl预处理下，记录到了最高的发芽率（86.44%）和发芽指数（116.49）。500 ppm NaOCl处理下获得了最高的幼苗活力指数（6.08）、出苗速度（86.51）和发芽能量（61.63），而20000 ppm CaCl2处理下的发芽表现最差。未预处理情况下，达到50%发芽所需的时间（T50）最短（1.55天），平均发芽时间（MGT）也为最短（4.54天）；而在30000 ppm KNO3处理下，T50和MGT均最长（分别为2.0天和4.78天）。15000 ppm KNO3处理下的茎秆最长（3.76厘米），干重最大（28.96毫克）；1000 ppm NaOCl处理下的根系最长（3.92厘米），幼苗长度也最长（7.51厘米）。未预处理情况下，茎秆长度（2.18厘米）、根系长度（2.08厘米）、幼苗长度（4.26厘米）以及茎秆和根系的干重（分别为12.03毫克和10.66毫克）均最低。基于实验室结果，选定的处理方案在田间条件下进行了进一步验证。冬季时，BARI Kaon-2 × NaCl（10000 ppm）处理组的籽粒产量（2.72吨/公顷）和秸秆产量（5.03吨/公顷）最高，这归因于该处理组在穗长（17.83厘米）、穗重（14.30克）、每穗籽粒数（2918.33粒）和千粒重（2.56克）等方面的优异表现；而BARI Kaon-1 × 未预处理组的籽粒产量最低（1.17吨/公顷）。夏季时，BARI Kaon-1 × NaCl（10000 ppm）处理组的籽粒产量最高（3.93吨/公顷），这同样得益于其在多数产量性状上的优势。总体而言，BARI Kaon-2 × NaCl（10000 ppm）在冬季表现最佳，而BARI Kaon-1 × NaCl（10000 ppm）在夏季表现更为出色。研究表明，使用10000 ppm NaCl进行种子预处理是提高孟加拉国狐尾粟发芽率、作物建立和产量的有效策略。

**1. 引言**
狐尾粟（Setaria italica L.）是一种重要的小粒谷物，以其能在多种生态环境中生长、所需投入少以及对干旱和高温等胁迫的耐受性而闻名[1,2]。这种谷物营养价值高，不含麸质，富含蛋白质、膳食纤维以及铁、钙和钾等必需矿物质。此外，它还具有显著的抗氧化特性，成为帮助解决孟加拉国及其他类似地区营养不良问题的关键食物来源[3]。狐尾粟主要种植在孟加拉国的北部、西北部、中部和山区，2020-2021财年种植面积为9300公顷，总产量为9600公吨[4]。然而，过去十年间，狐尾粟的种植面积和产量分别下降了73%和19%[4]。尽管狐尾粟在促进气候适应性农业、多样化谷物种植系统和边缘土地可持续耕作方面具有潜力，但在孟加拉国仍未得到充分利用[4]。狐尾粟种植的主要挑战在于种子质量差，这导致发芽率低、植株生长弱和作物密度低[5,6]。这些问题在孟加拉国的冬季和夏季尤为明显，因为温度、湿度和土壤条件的变化会对作物早期生长产生负面影响[7]。由于强健的幼苗生长对最终产量至关重要，因此改善发芽率和早期生长对于提高狐尾粟的生产力至关重要[8]。种子预处理是一种播种前的处理方法，通过控制浇水来启动发芽所需的生理和生化过程，同时抑制根系萌发[9]。研究表明，这种方法可以提高发芽率、缩短发芽时间并增强幼苗活力。不同的预处理方法（如水浸预处理、渗透预处理和化学预处理）对酶活性、膜修复和代谢效率有积极作用，从而促进早期生长和增强抗逆性[10]。然而，种子预处理的效果受作物基因型、所用预处理剂类型和环境条件的显著影响，因此需要针对不同地区开展专门的研究。在孟加拉国，关于狐尾粟种子预处理的研究有限，尤其是在实验室条件下比较不同预处理剂及其在田间条件下的验证方面[4]。此外，冬季和夏季之间的季节性差异可能影响预处理效果，因为温度、湿度和土壤湿度的变化会影响预处理的效果。因此，找到一种能在不同季节可靠提升种子性能的预处理剂对于实际应用至关重要。本研究旨在通过系统的方法填补这些知识空白。首先，通过实验室实验探讨了各种预处理剂对狐尾粟发芽特性和幼苗活力的影响；随后在田间条件下评估了选定预处理剂对生长、产量组分和籽粒产量的影响，以期为狐尾粟的种子预处理方法提供实用见解，并支持开发低成本、适合农民的技术，以促进作物建立、生长和产量提升。

**2. 材料与方法**
**2.1. 实验地点与时间**
实验室实验在Agro-Innovation Laboratory（坐标：24°43’24.0852”，90°26’11.8572”）进行；两项田间实验分别在孟加拉农业大学（BAU）的农学试验场（Mymensingh，坐标：24°43’11.103”，90°25’36.6168”）的冬季（2024年10月–2025年5月）和夏季（2024年10月–2025年5月）进行。试验田位于孟加拉国的Old Brahmaputra Floodplain（AEZ-9）地区，该地区拥有适合种植狐尾粟的肥沃冲积土。两项田间实验在相邻地块进行，土壤类型为非石灰质深灰色冲积土，土地为中等高度，土壤类型为粉壤土，肥力适中。两个试验田的土壤分析参数见表1，显示无明显差异。该地区气候属于热带气候，夏季（3月中旬–10月中旬）特点是高温、高湿度和强风，冬季（10月中旬–3月中旬）则降雨量少，平均气温、相对湿度和降水量较低[2,3]（见表2）。

**2.2. 实验设计与布局**
**2.2.1. 对照组实验室实验（实验#1）**
该实验为因子实验，包括四种狐尾粟品种（BARI kaon-1、BARI kaon-2、BARI kaon-3、BARI kaon-4）和六种预处理剂（每种浓度两种），以及对照组（未预处理）和水浸预处理：无预处理（P0）、15000 ppm KNO3（P1）、30000 ppm KNO3（P2）、40000 ppm Mannitol（P4）、60000 ppm Mannitol（P5）、10000 ppm NaCl（P6）、20000 ppm NaCl（P7）、100 ppm PEG（P8）、150 ppm PEG（P9）、500 ppm NaOCl（P10）、1000 ppm NaOCl（P11）、10000 ppm CaCl2（P12）、20000 ppm CaCl2（P13）。实验采用完全随机设计，重复四次。

**2.2.2. 田间实验（实验#2和#3）**
两项田间实验均采用随机完全区组设计，重复三次。两种实验的处理方案相同，唯一区别在于生长季节。预处理剂的选取基于实验室实验中表现最好的处理方案。两种因子实验均包括四种狐尾粟品种（BARI kaon-1、BARI kaon-2、BARI kaon-3、BARI kaon-4）和四种预处理方式：无预处理（T0）、水浸预处理（T1）、30000 ppm KNO3（T2）、10000 ppm NaCl（T3）。

**2.3. 实验材料**
实验材料为孟加拉农业研究所（BARI）Gazipur发布的四种狐尾粟品种（BARI kaon-1、BARI kaon-2、BARI kaon-3、BARI kaon-4）。种子来自BARI Jamalpur区域农业研究站。经视觉检查，仅选择健康、均匀且无病害的种子以确保良好的发芽率和均匀的作物分布。

**2.4. 预处理溶液的制备**
所有预处理溶液均使用分析级化学物质和蒸馏水配制。种子与溶液的比例为1:5（g/L），确保浸泡过程中500颗种子完全浸没。根据目标ppm值计算每种预处理溶液中溶质的重量或浓度。

**2.5. 预处理程序**
所有处理组的种子在室温（25±2°C）下浸泡16小时；未经预处理的种子仅用蒸馏水浸泡。浸泡后用蒸馏水彻底冲洗三次，然后将种子放在干净的无菌纸巾上，在室温下风干至恢复原始重量和水分含量。干燥后的种子放入带标签的密封塑料袋中（标签上注明品种名称、处理组和重复次数），随后置于4±2°C的冰箱中保存15天，以稳定预处理效果，确保种子恢复代谢平衡但不丧失预处理效果[11,12]。保存结束后，种子用于发芽和幼苗生长测试。对照组种子未接受任何预处理，但在相同条件下处理。预处理和保存后的种子分别用于实验#1的发芽和幼苗生长评估，以及实验#2和#3的播种。

**2.6. 孢子培养皿与培养基**
使用灭菌沙子作为发芽培养基，种子放置在90 mm×15 mm的塑料培养皿中。播种前和实验期间用蒸馏水湿润沙子，并定期浇水以保持最佳湿度条件。

**2.7. 播种与重复次数**
每种处理组合的500颗种子中抽取400颗进行重复实验，每个重复包含100颗种子，均匀分布在培养皿中的沙子上。实验按照ISTA [13]指南进行，并根据需要进行适当调整。

**2.8. 发芽监测**
种子在室温25±1°C、正常光照条件下培养7天以促进发芽。从播种后第二天开始记录发芽情况，直至第7天。当胚根从种皮中伸出且长度达到2毫米或以上时，视为发芽[13]。每天记录每个培养皿中的发芽种子数量，据此计算发芽率和平均发芽时间。

**2.9. 数据记录（实验#1）**
所有发芽率均按照Islam和Kato-Noguchi [14]提供的公式计算。
**2.9.1. 发芽率（GP）**
发芽率（GP）是指7天内发芽的种子数量占处理组总种子数量的比例。平均发芽时间。平均发芽时间（MGT）根据以下公式计算：其中n = 第d天发芽的种子数量，d = 从试验开始的天数。2.9.3. 发芽指数。发芽指数（GI）使用以下公式计算：2.9.4. 幼苗活力指数。在种子放置发芽后的第七天，从每个重复组中随机选择五株幼苗。测量根和茎的长度。活力指数（VI）通过以下公式从总发芽数和幼苗长度计算得出：2.9.5. 发芽速率系数。发芽速率系数（CRG）提供了发芽速度的比较度量：其中，N = 第D天发芽的种子数量，D = 相应的天数。2.9.6. 50%发芽所需时间。50%发芽所需时间根据以下公式计算：其中，N是最终发芽的种子数量，累积发芽数是在时间t和t+1时计数得到的。2.9.7. 出苗速度。根据以下公式计算：其中，n = 第t天出苗的幼苗数量，t = 从种子开始发芽的天数。2.9.8. 茎和根的长度。在7天苗期，每个培养皿中采样五株幼苗。分离茎和根，并使用毫米刻度测量长度。2.9.9. 幼苗干重。将每个培养皿中的20株幼苗在70°C的烤箱中干燥72小时后测量其干重。最后，计算每株幼苗的干重并以毫克表示。2.10. 作物管理（实验#2和#3）实验田通过反复耕作并分层来获得细碎的土壤，并清除所有杂草和作物残余物。按照推荐的比例施用肥料，分别为170、125、90、55和4公斤/公顷的尿素、三重过磷酸钙（TSP）、硫酸钾（MoP）和硫酸锌。除尿素外，所有肥料都在最后一次土地准备时作为基肥施用。尿素在播种后7天和35天分两次施用，在实验#2中由于低温导致植物生长减缓，因此在播种后55天额外施用了40公斤/公顷的尿素。这种冬季额外的尿素施用以补偿低温条件下的植物生长减缓，确保正常生长。由于在每个季节内处理条件相同，潜在的混淆效应被最小化。在实验#2中，种子于2024年12月17日以25厘米×5厘米的行距播种。通过在35天、55天和75天进行三次人工除草来控制杂草。在45天和90天进行两次轻度灌溉。在实验#3中，种子于2025年3月9日以与实验#2相似的行距播种。在30天和45天进行除草。在实验#3中未额外施用尿素或灌溉。由于没有观察到昆虫或病害侵害，因此不需要采取任何植物保护措施。作物分别在2025年4月7日（实验#2）和2025年5月23日收获。从每个地块中随机选择五垄作物记录不同的产量贡献特征数据。收获后的作物被单独包装并适当标记后送往脱粒场。为了确定每个地块的谷物产量，在适当脱粒、清洁和干燥后记录14%水分含量下的谷物产量。每个地块的产量转换为吨/公顷（t ha?1）进行统计分析。分离谷物后还记录了秸秆产量。秸秆在每个地块中晒干并称重，然后转换为吨/公顷（t ha?1）。2.12. 统计分析收集的数据被编译并制成表格。所有数据通过使用“R studio”软件（版本2025.09.2+418）中的“doebioresearch”包进行双因素方差分析（ANOVA），以评估品种和预处理的主要效应及其交互效应。因素包括四个狐尾粟品种和十四种种子预处理方法，共56种处理组合。在ANOVA之前，使用Shapiro-Wilk检验测试正态性和方差齐性假设。当检测到显著差异（p≤0.05）时，使用最小显著差异（LSD）检验在5%的显著性水平上进行均值分离。我们使用“ggplot2”和“metan”包可视化热图。PCA通过“FactoMineR”和“factoextra”包进行分析，聚类分析通过“FactoMineR”、“factoextra”和“cluster”包在R studio（版本2025.09.2+418）中进行。3. 结果 3.1. 品种对种子发芽和幼苗活力的影响不同品种之间的狐尾粟发芽百分比存在显著差异（表5）。最大发芽率为BARI Kaon-1（73.02%），其次是BARI Kaon-2（71.09%）。发芽指数和发芽能量也表现出类似的模式，最大发芽指数为BARI Kaon-1（100.18），其次是BARI Kaon-2（97.61）。而BARI Kaon-1和BARI Kaon-2的发芽能量分别为53.41和51.70。50%发芽所需时间和平均发芽时间也存在显著差异。BARI Kaon-3所需50%发芽和平均发芽时间最长（表5）。其他品种显示出统计上相同的结果。BARI Kaon-1、BARI Kaon-2和BARI Kaon-4表现出最大且相同的发芽速率系数。最高的幼苗活力为BARI Kaon-3（4.88），其次是BARI Kaon-2（4.63）。最高的幼苗出苗速度为BARI Kaon-4（77.59）。下载：PNG较大图像TIFF原始图像表5. 品种对狐尾粟不同发芽指数和幼苗活力的影响。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.t005最高的茎、根和幼苗长度分别为BARI Kaon-3（3.56厘米、3.44厘米和7.01厘米），其次是BARI Kaon-2的茎和幼苗长度，以及BARI Kaon-4的根长度。BARI Kaon-3（42.95毫克）和BARI Kaon-4（39.37毫克）显示出最高的幼苗干重（表6）。最高的茎干重为BARI Kaon-3（21.81毫克）。根干重没有显著差异。BARI Kaon-1显示出最高的茎根比，这与BARI Kaon-2和BARI Kaon-4统计上相同，而BARI Kaon-3的茎根比最低（表6）。下载：PNG较大图像TIFF原始图像表6. 品种对狐尾粟幼苗生长的影响。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.t006 3.2. 预处理剂对狐尾粟种子发芽和幼苗活力的影响种子预处理剂对所有研究参数的影响均存在显著差异（表7、8）。狐尾粟的最高发芽率为10000 ppm NaCl（86.44%），与60000 ppm Mannitol（83.19%）、20000 ppm NaCl（83.06%）和100 ppm PEG（82.06%）统计上相同（表7）。最低发芽率为20000 ppm CaCl2（36.63%）。最高发芽指数为10000 ppm NaCl（116.49），与20000 ppm NaCl（109.79）和100 ppm PEG（109.90）相当，而最低发芽指数为20000 ppm CaCl2（47.59）。此外，50%发芽所需时间最长的是30000 ppm KNO3（2.00天），其次是2000 ppm NaCl（1.93天），而50%发芽所需时间最短的是未预处理（1.55天），这个值与15000 ppm KNO3（1.59天）、水预处理（1.60天）、40000 ppm Mannitol（1.67天）、10000 ppm NaCl（1.65天）和20000 ppm CaCl2（1.66天）统计上相同（表7）。发芽所需时间最长的是30000 ppm KNO3（4.78天），其次是1000 ppm NaOCl（4.76天）和20000 ppm CaCl2（4.75天），而发芽所需时间最短的是未预处理（4.54天）和水预处理（4.56天）。最高的发芽速率系数为未预处理（22.01）和水预处理（21.91），而最低的是30000 ppm KNO3（20.93），与1000 ppm NaOCl（20.99）和20000 ppm CaCl2（21.06）相当（表7）。最高的幼苗活力指数为500 ppm NaOCl（6.08），与100 ppm PEG（5.91）、1000 ppm NaOCl（5.66）、10000 ppm CaCl2（5.82）统计上相似，而最低的幼苗活力指数为未预处理（2.28），其次是60000 ppm Mannitol（2.40）。最高的出苗速度为未预处理（91.24），其次是水预处理（85.71）和500 ppm NaOCl（86.51）。发芽能量最高的是500 ppm NaOCl（61.63），与150 ppm PEG（61.06）、10000 ppm NaCl（60.44）、15000 KNO3（57.50）和40000 ppm Mannitol（56.94）统计上相似，而20000 ppm CaCl2的发芽能量最低（表7）。下载：PNG较大图像TIFF原始图像表7. 预处理剂对不同发芽指数和幼苗活力的影响。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.t007下载：PNG较大图像TIFF原始图像表8. 预处理剂对狐尾粟幼苗生长的影响。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.t008最高的茎长度为15000 ppm KNO3（3.76厘米），与40000 ppm Mannitol（3.61厘米）、60000 ppm Mannitol（3.56厘米）、10000 ppm NaCl（3.52厘米）、20000 ppm NaCl（3.59厘米）、10000 ppm PEG（3.53厘米）和10000 ppm CaCl2（3.50厘米）统计上相同（表7）。此外，最低的茎长度为未预处理（2.18厘米），其次是15000 ppm KNO3（2.44厘米）。最长的根为1000 ppm NaOCl（3.92厘米），与40000 ppm Mannitol（3.74厘米）和100 ppm PEG（3.60厘米）统计上相同，而最短的根长度为水预处理（1.91厘米），与未预处理（2.08厘米）相当（表7）。最高的幼苗长度为1000 ppm NaOCl（7.51厘米），与40000 ppm Mannitol（7.35厘米）、10000 ppm NaCl（7.03厘米）和10000 ppm PEG（7.13厘米）统计上相同（表7），而最短的幼苗长度为未预处理（4.26厘米），其次是15000 ppm KNO3（4.35厘米）。最高的茎干重为15000 ppm KNO3（28.96毫克），与30000 ppm KNO3（26.27毫克）和40000 ppm Mannitol（25.42毫克）统计上相同，而最低的茎干重为未预处理（12.03毫克），与水预处理（15.66毫克）、100 ppm PEG（12.94毫克）和20000 ppm CaCl2（13.75毫克）相当（表7）。最高的幼苗干重为40000 ppm Mannitol（67.02毫克），而最低的为未预处理（22.69毫克），与100 ppm PEG（25.24毫克）和水预处理（29.56毫克）统计上相同。最高的茎根比为20000 ppm CaCl2（1.71），而最低的值在水预处理（0.9）下观察到，与20000 ppm NaCl（0.74）和500 ppm NaOCl（0.54）相当（表7）。3.3. 预处理剂和品种对不同发芽指数和幼苗活力的交互效应品种和预处理剂的交互效应在所有研究性状中均存在显著差异（图1和2）。最大发芽率为V1P10、V1P3、V1P6、V1P7、V2P5、V2P6、V2P7、V2P8、V3P2、V3P3、V3P4、V3P5、V4P5、V4P6、V4P7、V4P8和V4P9。最低发芽率为V1P13、V2P13、V3P13、V3P11和V4P13的交互效应。最高的发芽指数为V1P10、V2P2、V2P10、V2P7、V2P6和V4P4，最低的为V1P13、V3P13、V3P11和V4P13的交互效应。50%发芽所需的最长时间为V1P13、V2P1、V3P13和V4P11。平均发芽时间最长的是V1P7、V1P13、V2P9、V2P5和V4P11，而最短的时间为V1P0、V1P1、V1P8、V2P0、V3P1、V4P0、V4P1、V4P1和V4P13。发芽速率系数最高的是V2P0、V4P10、V4P12和V4P13，而最低的为V1P13、V1P7、V2P9、V2P5和V4P11。最高的幼苗活力指数为V2P7和V3P4，而最低的为V1P0、V1P13、V2P0、V3P13、V4P1和V4P13。下载：PNG较大图像TIFF原始图像图1. 狐尾粟品种与预处理剂的交互效应。这里，BARI Kaon-1（V1）；BARI Kaon-2（V2）；BARI Kaon-3（V3）；BARI Kaon-4（V4）；未预处理（P0）；水预处理（P1）；15000 ppm KNO3（P2）；30000 ppm KNO3（P3）；40000 ppm Mannitol（P4）；60000 ppm Mannitol（P5）；10000 ppm NaCl（P6）；20000 ppm NaCl（P7）；100 ppm PEG（P8）；150 ppm PEG（P9）；500 ppm NaOCl（P10）；1000 ppm NaOCl（P11）；10000 ppm CaCl2（P12）；20000 ppm CaCl2（P13）；** = 在0.01概率水平上显著。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.g001下载：PNG较大图像TIFF原始图像图2.狐尾粟品种与催芽剂之间的交互作用效应。实验中使用了以下处理：BARI Kaon-1（V1）；BARI Kaon-2（V2）；BARI Kaon-3（V3）；BARI Kaon-4（V4）；不进行催芽（P0）；水催芽（P1）；15000 ppm KNO3（P2）；30000 ppm KNO3（P3）；40000 ppm 甘露醇（P4）；60000 ppm 甘露醇（P5）；10000 ppm NaCl（P6）；20000 ppm NaCl（P7）；100 ppm PEG（P8）；150 ppm PEG（P9）；500 ppm NaOCl（P10）；1000 ppm NaOCl（P11）；10000 ppm CaCl2（P12）；20000 ppm CaCl2（P13）；**表示在0.01概率水平上显著。更多信息请参见：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.g002

种子萌发速度最快的情况出现在V1P8、V2P0、V4P10、V4P13的交互作用中，而萌发速度最慢的情况则出现在V1P13、V2P5和V4P11的交互作用中。发芽能量在V1P10、V2P2、V2P6和V2P10的交互作用中最高，而在V1P13、V2P1、V3P11、V3P13、V4P11和V4P13的交互作用中最低。植株株高最高的组合是V2P10、V2P2、V2P13、V3P4和V2P6，最低的则是V1P0、V2P0和V4P1。根长最长的组合是V1P0、V1P13、V2P0、V3P13、V4P1和V4P13，而根长最短的组合是V1P0、V1P1、V1P7、V2P0、V3P2和V4P1。幼苗长度最高的组合是V1P11、V2P10、V2P11、V3P10、V3P11和V3P4，最低的则是V1P0、V2P0和V4P1。茎干干重最高的组合是V1P4、V2P10、V3P3和V4P4，最低的则是V1P0、V1P11、V1P13、V1P8、V1P9、V2P0、V2P11、V4P11和V4P13。根干干重最高的组合是V1P4、V1P2、V2P4、V2P3、V3P3、V4P4和V4P2，最低的则是V1P11、V1P12、V1P13、V2P0、V3P7、V4P1、V4P11。幼苗干重最高的组合是V1P4、V1P2、V2P4、V2P3、V3P3和V4P4，最低的则是V1P0、V1P11、V1P12、V1P13、V2P0、V4P11和V4P8。根与茎干比例最高的组合是V1P0、V2P11、V2P12和V4P13。

3.4 主成分分析（PCA）用于分析主成分数量和变异程度。第一个主成分（PC1）解释了43.6%的变异，随后逐渐减少。第二个主成分（PC2）解释了29.8%的变异，第三个主成分（PC3）解释了14.3%的变异（见图3）。因此，前两个主成分共同解释了73.6%的变异（见图3）。从图形展示中可以看出，PC1的变化最大，因此从PC1中选择处理和性状更为有用。

3.5 冬季狐尾粟的产量属性和产量 3.5.1 品种效应。品种对所有影响产量的性状和总产量都有显著影响。BARI Kaon-2产生的穗最长（15.54厘米），而BARI Kaon-4产生的穗最短（13.23厘米）（见表9）。每个穗中籽粒数最多的品种是BARI Kaon-2（2753.75粒），这与BARI Kaon-3（2657.92粒）相近。1000粒籽粒的重量最高的是BARI Kaon-2（2.51克），最低的是BARI Kaon-3（2.17克）。BARI Kaon-3的产量最高（2.35吨/公顷），与BARI Kaon-4（2.27吨/公顷）相当，而BARI Kaon-1的产量最低（1.81吨/公顷）。BARI Kaon-2的秸秆产量最高（4.54吨/公顷），最低的是BARI Kaon-1（3.39吨/公顷）。BARI Kaon-3的收获指数最高（36.64%），而BARI Kaon-2的收获指数最低（32.66%）（见表9）。

3.5.2 催芽剂效应。催芽剂对所有影响产量的性状和总产量都有显著影响。使用10000 ppm NaCl处理的组合产生的穗最长（15.90厘米），而不进行催芽处理的组合产生的穗最短（12.83厘米），这与水催芽处理的组合结果相同（13.39厘米）（见表10）。10000 ppm NaCl处理的组合中1000粒籽粒的重量最高（13.84克），与30000 ppm KNO3处理的组合结果相似（12.87克）（见表4）。不进行催芽处理的组合中1000粒籽粒的重量最低（12.83克），这与水催芽处理的组合结果相同。每个穗中籽粒数最多的组合是10000 ppm NaCl处理的组合（2864.83粒），最少的是不进行催芽处理的组合（2357.33粒）。1000粒籽粒的重量最高的是10000 ppm NaCl处理的组合（2.39克），最低的是不进行催芽处理的组合（2.28克），这与水催芽处理的组合结果相同（2.29克）。10000 ppm NaCl处理的组合产量最高（2.48吨/公顷），而最低的是不进行催芽处理的组合（1.81吨/公顷）。BARI Kaon-10000 ppm NaCl处理的组合产量最高（2.48吨/公顷），而最低的是不进行催芽处理的组合（1.81吨/公顷）。BARI Kaon-10000 ppm NaCl处理的组合秸秆产量最高（4.25吨/公顷），这与30000 ppm KNO3处理的组合以及水催芽处理的组合结果相同（4.12吨/公顷）（见表4）。BARI Kaon-10000 ppm NaCl处理的组合收获指数最高（37.09%），最低的是不进行催芽处理的组合（32.83%）（见表10）。

3.5.3 品种与催芽剂的交互作用。品种与催芽剂对狐尾粟的产量属性和总产量也有显著影响。使用10000 ppm NaCl处理的BARI Kaon-2品种产生的穗最长（17.83厘米），而不进行催芽处理的BARI Kaon-4品种产生的穗最短（11.77厘米）。使用10000 ppm NaCl处理的BARI Kaon-2品种的穗重量最高（14.30克），这与BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl（13.77克）、BARI Kaon-1×10000 ppm NaCl（13.75克）、BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（13.74克）、BARI Kaon-3×10000 ppm NaCl（13.53克）、BARI Kaon-1×30000 ppm KNO3（13.21克）和BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（13.21克）的处理结果相同。每个穗中籽粒数最多的组合是BARI Kaon-3×10000 ppm NaCl（2947.33粒），这与BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl（2918.33粒）、BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（2838.67粒）、BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl（2810.00粒）和BARI Kaon-1×10000 ppm NaCl（2783.67粒）的处理结果相近。每个穗中籽粒数最少的组合是BARI Kaon-1×不进行催芽处理（2138.67粒），其次是BARI Kaon-1×水催芽处理（2227.00粒）（见表5）。1000粒籽粒的重量最高的是BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合（2.56克），这与BARI Kaon-2×30000 ppm KNO3处理的组合结果相似（2.53克）。BARI Kaon-3×不进行催芽处理的组合产量最低（2.09克），其次是BARI Kaon-3×水催芽处理（2.11克）（见表5）。BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合产量最高（2.72吨/公顷），这与BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl处理的组合结果相似。BARI Kaon-1×不进行催芽处理的组合产量最低（1.17吨/公顷）。BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合产生的秸秆产量最高，其次是BARI Kaon-2×水催芽处理（4.63吨/公顷）（见表11）。BARI Kaon-3×10000 ppm NaCl处理的组合收获指数最高（39.04%），这与BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl（38.14%）和BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（37.60%）的处理结果相近（见表11）。

3.6 夏季狐尾粟的产量属性和产量 3.6.1 品种效应。BARI Kaon-1（17.33厘米）、BARI Kaon-2（17.31厘米）和BARI Kaon-3（15.81厘米）产生的穗最长，且这些品种之间的穗长差异不显著（见表12）。每个穗中籽粒数最多的品种是BARI Kaon-2（2757.33粒），这与BARI Kaon-4（2719.25粒）相近，而BARI Kaon-3（2563.67粒）的籽粒数最少。1000粒籽粒的重量最高的是BARI Kaon-4（2.51克）、BARI Kaon-2（2.44克）和BARI Kaon-3（2.42克），这些品种的结果相似，而BARI Kaon-1（2.22克）的籽粒数最少。BARI Kaon-1的产量最高（3.43吨/公顷），与其他品种有显著差异。秸秆产量最高的品种是BARI Kaon-1（6.50吨/公顷）和BARI Kaon-2（6.19吨/公顷）（见表12）。BARI Kaon-1的收获指数最高（34.47%）。

3.6.2 催芽剂效应。使用NaCl处理的组合（17.53厘米）和水催芽处理的组合产生的穗最长，而不进行催芽处理的组合产生的穗最短（14.33厘米），这与KNO3处理的组合结果相同（14.67厘米）（见表13）。NaCl处理的组合中穗的高度最高（7.92克），与其他催芽处理的组合结果不同（见表13）。每个穗中籽粒数最多的组合是NaCl处理的组合（2837.92粒），这与KNO3处理的组合结果相同（2718.00粒）。1000粒籽粒的重量最高的是NaCl处理的组合（2.86克），与其他处理结果不同。BARI Kaon-1处理的组合产量最高（3.37吨/公顷），这与KNO3处理的组合结果相似（6.04吨/公顷），而不进行催芽处理的组合产量最低（2.39吨/公顷）。秸秆产量最高的组合是NaCl处理的组合（6.70吨/公顷），这与KNO3处理的组合结果相同（6.04吨/公顷），而不进行催芽处理的组合产量最低（4.95吨/公顷）（见表13）。处理之间的收获指数差异不显著（见表13）。

3.6.3 品种与催芽剂的交互作用。BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合产生的穗最长（18.89厘米），这与BARI Kaon-2×水催芽处理（18.67厘米）、BARI Kaon-1×10000 ppm NaCl（18.44厘米）、BARI Kaon-1×30000 ppm KNO3（17.89厘米）、BARI Kaon-1×水催芽处理（17.78厘米）、BARI Kaon-3×10000 ppm NaCl（17.67厘米）和BARI Kaon-3×水催芽处理（16.22厘米）的结果相似。BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合中穗重量最高（14.30克），这与BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl（13.77克）、BARI Kaon-1×10000 ppm NaCl（13.75克）、BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（13.74克）和BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（13.53克）的处理结果相同。每个穗中籽粒数最多的组合是BARI Kaon-3×10000 ppm NaCl（2947.33粒），这与BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl（2918.33粒）、BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（2838.67粒）、BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl（2810.00粒）和BARI Kaon-1×10000 ppm NaCl（2783.67粒）的处理结果相近。每个穗中籽粒数最少的组合是BARI Kaon-1×不进行催芽处理（2138.67粒），其次是BARI Kaon-1×水催芽处理（2227.00粒）（见表5）。1000粒籽粒的重量最高的是BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合（2.56克），这与BARI Kaon-2×30000 ppm KNO3处理的组合结果相似（2.53克）。BARI Kaon-3×不进行催芽处理的组合产量最低（2.09克），其次是BARI Kaon-3×水催芽处理（2.11克）（见表5）。BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合产量最高（2.72吨/公顷），这与BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl处理的组合结果相似。BARI Kaon-1×不进行催芽处理的组合产量最低（1.17吨/公顷）。BARI Kaon-2×10000 ppm NaCl处理的组合产生的秸秆产量最高，其次是BARI Kaon-2×水催芽处理（4.63吨/公顷）（见表11）。BARI Kaon-3×不进行催芽处理的组合收获指数最高（39.04%），这与BARI Kaon-4×10000 ppm NaCl（38.14%）和BARI Kaon-3×30000 ppm KNO3（37.60%）的处理结果相近（见表11）。

3.6.3 夏季狐尾粟的产量属性和产量 品种效应。BARI Kaon-1（17.33厘米）、BARI Kaon-2（17.31厘米）和BARI Kaon-3（15.81厘米）产生的穗最长，且这些品种之间的穗长差异不显著（见表12）。每个穗中籽粒数最多的品种是BARI Kaon-2（2757.33粒），这与BARI Kaon-4（2719.25粒）相近在BARI Kaon-3 × 10000 ppm NaCl（2.99克）的处理下，千粒重达到了最大值，这一数值在统计上与BARI Kaon-2 × 10000 ppm NaCl（2.88克）、BARI Kaon-4 × 10000 ppm NaCl（2.85克）、BARI Kaon-1 × 10000 ppm NaCl（2.71克）、BARI Kaon-4 × 30000 ppm KNO3（2.49克）、BARI Kaon-3 × 30000 ppm KNO3（2.48克）以及BARI Kaon-4 × 水分处理（2.43克）的处理结果相同（表14）。而最轻的种子是由BARI Kaon-1 × 30000 ppm KNO3（1.80克）产生的。最高的籽粒产量是由BARI Kaon-1 × 10000 ppm NaCl（3.93吨/公顷）处理获得的，其产量与BARI Kaon-4 × 30000 ppm KNO3（3.45吨/公顷）、BARI Kaon-1 × 水分处理（3.38吨/公顷）、BARI Kaon-1 × 30000 ppm KNO3（3.31吨/公顷）、BARI Kaon-2 × 10000 ppm NaCl（3.25吨/公顷）、BARI Kaon-3 × 10000 ppm NaCl（3.18吨/公顷）以及BARI Kaon-4 × 10000 ppm NaCl（3.10吨/公顷）、BARI Kaon-1 未处理（3.07吨/公顷）的处理结果相当。最低的籽粒产量来自BARI Kaon-4 未处理（1.63吨/公顷）。BARI Kaon-2与10000 ppm NaCl的交互作用处理产生了最高的秸秆产量（7.35吨/公顷），这一数值在统计上与BARI Kaon-1 × 10000 ppm NaCl（7.17吨/公顷）、BARI Kaon-1 × KNO3（6.70吨/公顷）、BARI Kaon-1 × 水分处理（6.35吨/公顷）、BARI Kaon-3 × NaCl（6.20吨/公顷）、BARI Kaon-4 × 10000 ppm NaCl（6.08吨/公顷）、BARI Kaon-4 × 30000 ppm KNO3（6.03吨/公顷）、BARI Kaon-1 未处理（5.78吨/公顷）的处理结果相同；而最低的秸秆产量出现在BARI Kaon-4 未处理（4.00吨/公顷）中。BARI Kaon-4 × 30000 ppm KNO3处理获得了最高的收获指数（36.62%），最低的收获指数则来自BARI Kaon-4 未处理（29.16%）（表14）。下载：PNG（大图）/ TIFF（原始图像）。表14. 夏季季节中品种和催芽剂对狐尾粟产量属性及产量的交互作用影响。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0348288.t014

4. 讨论
4.1. 品种对发芽动态和幼苗活力的调控
本研究中观察到的发芽率、发芽指数、发芽能量、幼苗活力、幼苗长度和幼苗干重的显著品种差异清楚地表明，狐尾粟的早期种子生理质量受到强烈基因控制。BARI Kaon-1和BARI Kaon-2的优异发芽表现、生长特性和活力反映了更高的代谢准备度、高效的酶激活以及储存蛋白质的快速动员，这些都是成功建立植株群落的基础，并且也被广泛认为是影响小米和谷物早期竞争力的决定因素[15,16]。相比之下，尽管BARI Kaon-3的发芽速度较慢，但其茎、根和幼苗的长度以及干生物量积累量始终较高。这可能是由于碳分配更多地流向了发芽后的生长阶段，而不是快速根系伸长，这种策略在非理想田间条件下有助于提高幼苗的抗逆性。在小米、高粱和玉米中也有类似的发芽速度与幼苗生长之间的权衡现象，其中较慢的出苗速度通过更强的根系和早期活力的提升得到了补偿[15,16]。BARI Kaon-3的最高幼苗活力指数和生物量为其最高籽粒产量和收获指数提供了生理学解释（表5）。尽管BARI Kaon-4的出苗速度较快，但其幼苗生物量相对较低，这表明仅靠快速出苗并不能确保最高的产量潜力，这一观点得到了Mahender等人的支持[17]。

4.2. 催芽剂对狐尾粟发芽和早期生长的生理基础
不同的催芽处理显著影响了狐尾粟种子的发芽和幼苗特性，证实了催芽是一种有效的生理干预措施。像NaCl、PEG和甘露醇这样的渗透压催芽剂显著提高了发芽率、发芽指数和发芽能量。用KNO3和NaCl等盐类处理的种子表现出更快的发芽速度，50%发芽和总发芽所需时间更短，幼苗活力指数、发芽指数和发芽能量也更高，这是因为盐类处理增加了种子中的蛋白质浓度，促进了α-淀粉酶的活性，参与了淀粉的动员，并利用过氧化氢酶（ROS清除剂）保护质膜免受氧化损伤[18,19]。渗透压催芽过程中的控制性水分调节有助于启动发芽前的代谢过程，如DNA复制、β-微管蛋白合成；激活抗氧化酶（如可溶性糖机制）和活性氧物种，并抑制根系伸长[20,21]。储备物质的增强动员、酶活性和抗氧化防御机制的增强以及养分吸收共同解释了观察到的幼苗活力和生物量生产的增加[22]。此外，催芽剂NaCl（10,000–20,000 ppm）表现出强烈的正向响应，诱导了渗透压调节和应激信号通路，即使在非盐条件下也能提高种子代谢效率。催芽促进了子叶细胞的液泡化，积累了储存蛋白质，改变了水通道基因的表达模式，从而增强了种子的整体表现，包括与应激相关的蛋白质表达[19]。此外，渗透压催芽还提高了幼苗的干重、叶绿素含量、直链淀粉活性、叶片钙浓度和总可溶性糖含量，这些都有助于幼苗的生长和生物量的产生[23]。低水平的盐类催芽已被证明可以诱导一种“应激印记”，改善了发芽过程中的膜稳定性和酶活性[23]。同样，PEG介导的渗透压催芽通过促进细胞伸长和根系发育增强了幼苗的长度和活力，这些特性对于早期营养和水分吸收至关重要。相比之下，CaCl2这种盐类处理严重降低了发芽速度和活力，表明其具有渗透压和离子毒性作用，由于过量的钙离子破坏了膜的完整性和酶功能，导致发芽延迟或受阻[20,23]。NaOCl（500–1000 ppm）催芽剂显著提高了幼苗活力指数和发芽能量，可能是由于种子表面消毒、减少了病原体并增强了氧气扩散[24]。因此，适当的催芽浓度对于提高种子发芽和相关特性具有重要作用。

4.3. 品种和催芽剂在发芽动态和生长中的交互作用
狐尾粟品种与催芽剂之间的显著交互作用表明，催芽效率取决于基因型。特别是BARI Kaon-2 × NaCl、BARI Kaon-3 × PEG和BARI Kaon-3 × NaOCl处理始终产生了更优的发芽效果、幼苗活力和生物量。这种基因型特异性反应在谷物中已被广泛报道，其中种皮通透性、储备物质组成和激素敏感性的差异决定了催芽剂的效果[15,20]。此外，CaCl2处理在所有狐尾粟品种中的表现均较差，进一步证实并非所有催芽剂都适用于所有品种。

4.4. 种子发芽和幼苗特性的多变量解释
主成分分析（PCA）为催芽效果提供了强有力的多变量验证。前两个主成分（PC1和PC2）共同解释了73.6%的总变异。类似的研究结果也由[25,26]报道。PC1与幼苗生长和生物量特性（茎干干重、根干重和幼苗干重）密切相关，而PC2主要受早期生长参数（茎长、根长、幼苗长、50%发芽所需时间）的影响。这些发现清楚地表明，发芽、幼苗活力和幼苗生长特性代表了不同的生理过程，每个参数对作物建立有不同的贡献[25,27]。KNO3、NaCl、PEG和NaOCl处理的聚类证实了它们在加速出苗中的作用，而甘露醇和CaCl2则与生物量相关特性有关。

4.5. 早期活力在冬季和夏季田间表现中的转化
对四种狐尾粟品种在冬季的田间评估显示，品种间的早期活力差异转化为植物生长和产量组分的显著变化。BARI Kaon-2在两个季节都表现出更优的穗长、饱满的籽粒、千粒重和秸秆重量，反映了强烈的营养生长和同化产物的产生。此外，BARI Kaon-3在冬季获得了最高的籽粒产量，这是由于每穗籽粒饱满度和收获指数的最高值，表明其同化物分配向生殖器官更为有效。较高的穗长和饱满的籽粒是品种高产量的原因[26,28]。此外，营养生物量和籽粒产量生产的解耦突显了 sink 效率的重要性，而不仅仅是绝对生物量的产生[29]。不同品种在季节间的表现也有所不同，BARI Kaon-1在夏季表现更优，可能是由于其更好地适应了较高的水分和温度条件。因此，环境和品种本身对产量表现起着关键作用，因此应根据生长季节推荐相应的品种。

4.6. 冬季和夏季季节中催芽响应的产量稳健性
早期活力的增强可能表现为冠层发育的改善、更高的光合作用效率和更大的养分吸收，最终提高了产量[21,23]。NaCl催芽在冬季显著提高了穗长、饱满籽粒数量、千粒重和籽粒产量，在夏季则提高了穗重和千粒重。这表明了适应性生理反应的诱导，如渗透压调节和酶活性的增强[20,21]。像NaCl这样的盐类催芽在小麦、水稻、玉米和小米中的效果已被证实[15,30,17,23]。相比之下，未处理和水分处理产生的产量较低，这表明化学催芽（盐类）比简单的水分处理更有效，能最大化作物生产力。

5. 结论
本研究表明，在孟加拉国的农业气候条件下，种子催芽是一种有效的方法，可以增强狐尾粟的发芽、幼苗活力和产量表现。在评估的处理方法中，10000 ppm的NaCl催芽始终改善了发芽动态、早期幼苗生长和产量属性，从而在冬季和夏季都获得了更高的籽粒产量。不同品种的反应在不同季节有所不同，BARI Kaon-2在冬季表现最佳，而BARI Kaon-1在夏季表现出更好的适应性和产量，强调了基因型×环境×管理交互作用的重要性。早期幼苗活力与最终产量之间的强关联突显了改善作物建立对实现产量稳定性的作用。未处理和水分处理的种子表现始终较差，这突显了化学催芽相对于简单水分处理的优势。10000 ppm的NaCl催芽被认为是一种对农民友好且耐季节变化的技术，可以提升狐尾粟的种子质量、作物建立和产量。采用这种技术，结合季节特定的品种选择，可以提高孟加拉国及类似农业生态区域的小米种植系统的生产力和可持续性。然而，本研究受限于单一地点和生长季节的限制，可能限制了其在异质农业生态环境中的推广。此外，对有限范围的催芽剂和浓度的评估强调了需要进行多环境、多季节的研究，以更全面地验证和推广研究结果。未来的研究应重点阐明NaCl诱导的催芽反应的分子和生理机制，特别是应激记忆和渗透压调节途径。将种子催芽与养分管理、生物催芽剂和气候智能农艺实践相结合，可能进一步提高低投入和边缘环境中的狐尾粟的生产力和抗逆性。

致谢
作者感谢孟加拉农业研究所（BARI）Jamalpur区域农业研究站提供的狐尾粟种子。