川西北高寒草地3種禾草種子萌發(fā)期抗旱性

余方玲,楊滿業(yè),干友民,楊樹晶,肖冰雪,鄭群英,張洪軒

(1.四川省草原科學(xué)研究院,四川 成都611731；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)系,四川 雅安625014)

川西北高寒草地位于青藏高原東南緣，四川省的西北部，草地面積1 300萬hm2，海拔3 400 m以上，是全國五大牧區(qū)之一，是長江、黃河上游的重要草地生態(tài)屏障，直接關(guān)系到三峽工程、南水北調(diào)工程效益和長江、黃河中下游地區(qū)生態(tài)安全。近年來，受多種因素的影響，川西北草地生態(tài)環(huán)境不斷惡化，尤其是草地沙化面積不斷擴(kuò)大，并以每年10.8%的速度蔓延，沙化治理迫在眉睫[1]。沙化治理關(guān)鍵材料是牧草，而沙質(zhì)土壤或沙地缺水，因此，對于川西北高寒草原沙化草地治理的牧草，抗旱性是其最重要的農(nóng)藝性狀之一，是決定其能否被應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

‘阿壩’硬稈仲彬草(Kengyiliarigidula‘Aba’)、川草2號老芒麥(Elymussibiricuscv.‘chuancao No.2’)、垂穗披堿草(E.nutans)是川西北高寒草地原生草，后經(jīng)四川省草原科學(xué)研究院選育，國家牧草品種審定委員會(huì)審定的牧草或生態(tài)型牧草品種。3種牧草都是小麥族多年生疏叢型禾草，具有耐干旱、抗風(fēng)蝕、抗寒冷，產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn)[2]。目前對3種牧草抗旱性已有一些報(bào)道，主要是從生理學(xué)方面研究其抗旱性[3]，但關(guān)于用聚乙二醇(PEG-6000)處理種子來研究3種牧草的抗旱能力方面的報(bào)道較少。PEG-6000模擬干旱法，是目前用于研究牧草種子萌芽期抗旱性最常用的方法，這種方法簡單、準(zhǔn)確性高，對種子無傷害作用。本研究用PEG-6000 溶液模擬干旱脅迫,鑒定牧草種子的抗旱性強(qiáng)弱，旨在為選育能治理川西北沙化草地的優(yōu)質(zhì)牧草新品種提供參考資料。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 供試材料是四川草原科學(xué)研究院培育的‘阿壩’硬稈仲彬草、川草2號老芒麥、垂穗披堿草。種子采收自四川省草原科學(xué)研究院紅原縣二農(nóng)場牧草綜合試驗(yàn)基地繁殖圃,在溫度低于15 ℃、相對濕度低于50%的倉庫中保存一年。選擇成熟、飽滿的種子作為萌發(fā)試驗(yàn)材料。

1.2試驗(yàn)方法 用0.1%的HgCl2溶液浸種，消毒15 min，再用蒸餾水清洗3次，置培養(yǎng)皿(烘箱105 ℃消毒2 h)中培養(yǎng)。按Michel和Kaufmann[4]的方法配制不同質(zhì)量濃度的PEG-6000。設(shè)4種脅迫,質(zhì)量濃度分別為50、100、150、200 g/L,對照組(CK)用蒸餾水代替PEG-6000。2010年10月14日開始試驗(yàn)，將消毒過的種子置于墊有2層浸透了PEG-6000 溶液的濾紙的培養(yǎng)皿中發(fā)芽，每個(gè)處理50粒種子，重復(fù)3次，然后置于光照強(qiáng)度為5 500 lx,濕度為50%，17 ℃(8 h) /27 ℃(16 h)[5]變溫處理的人工智能氣候培養(yǎng)箱中。每天向?yàn)V紙加數(shù)滴PEG-6000溶液，以浸透濾紙并稍有剩余為宜，為了減少水勢變化，每4 d換1次濾紙。

1.3測定項(xiàng)目 測定方法參照《牧草種子檢驗(yàn)規(guī)程》[6]，從種子置床之日起觀察,以胚芽的長度為種子長度的1/2時(shí)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，將3個(gè)重復(fù)中有1 粒種子發(fā)芽之日作為該處理發(fā)芽的開始期,以后每天定時(shí)記錄發(fā)芽種子數(shù),當(dāng)連續(xù)4 d不再有種子發(fā)芽時(shí)作為發(fā)芽結(jié)束期。在發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束時(shí),各重復(fù)中隨機(jī)挑選10粒正常發(fā)芽的種子,測量新生胚芽的長度,并計(jì)算發(fā)芽率(式1)、發(fā)芽勢(式2)、發(fā)芽指數(shù)(式3)、活力指數(shù)(式4)和抗旱指數(shù)(式6)。為消除各種質(zhì)材料間的差異,各性狀指標(biāo)均采用其相對值[7],即水分脅迫下的指標(biāo)值/對照的指標(biāo)值。

(1)

(2)

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)

(3)

活力指數(shù)(VI)=GI×Sx

(4)

種子萌發(fā)指數(shù)=(1.00)Rd2+(0.75)Rd4+(0.5)Rd6+(0.25)Rd8

(5)

(6)

式中，Gt為時(shí)間t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)，Sx為種苗芽平均長度，Rd2、Rd4、Rd6、Rd8分別為第2、4、6、8天的種子萌發(fā)率[7]。

1.4抗旱性綜合評價(jià)方法 材料各指標(biāo)隸屬函數(shù)值計(jì)算公式[8-10]為:

μ(Xj) =(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(7)

式中,Xj表示第j個(gè)指標(biāo)值,j=1,2,…，n，Xmin表示第j個(gè)指標(biāo)的最小值,Xmax表示第j個(gè)指標(biāo)的最大值。采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法(S),用公式(8)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj,公式(9)歸一化后得到各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Wj,按照公式(10)計(jì)算隸屬函數(shù)值(D)。D值越大,表示抗旱性越強(qiáng)。

(8)

(9)

(10)

先求出各材料各抗旱指標(biāo)的D值，將每一材料各抗旱指標(biāo)的D值累加，求其平均值。通過比較3份材料的D值平均的值大小,確定3份材料抗旱性的強(qiáng)弱。

1.5數(shù)據(jù)分析 采用Excel和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對3種種質(zhì)材料的各發(fā)芽特性進(jìn)行品種間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1PEG-6000對種子發(fā)芽特性的影響 供試種子相對發(fā)芽率隨PEG-6000 濃度的增加均呈不同程度的降低(表1)。但當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽率比對照的高，但與對照組沒有顯著差異(P>0.05)，各材料間的相對發(fā)芽率差異不顯著。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽率雖有下降的趨勢，但與對照組差異不顯著，且各材料間沒有顯著差異。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為150 g/L時(shí)，垂穗披堿草和硬稈仲彬草的相對發(fā)芽率顯著高于川草2號(P<0.05)。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為200 g/L時(shí)，相對發(fā)芽率顯著下降，表現(xiàn)為垂穗披堿草最高(0.56)，其次是硬稈仲彬草(0.38)，川草2號(0.12)最低，川草2號顯著低于其他兩種草。

供試種子相對發(fā)芽勢隨PEG-6000 質(zhì)量濃度的增加均呈不同程度的降低(表2)。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽勢比對照的高，但與對照組沒有顯著差異(P>0.05)，各材料間也沒有顯著差異。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽勢雖有下降的趨勢，但與對照組沒有顯著差異，且各材料間沒有顯著差異。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為150 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽勢與對照組存在著顯著差異(P<0.05)，垂穗披堿草(0.85)最高，其次是硬稈仲彬草(0.68)，川草2號(0.42)最低，且川草2號顯著低于其他兩種草。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為200 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽勢顯著低于對照組，但各材料間沒有顯著差異(表2)。

表1 PEG-6000脅迫對發(fā)芽率的影響

表2 PEG-6000 脅迫對發(fā)芽勢的影響

種子相對發(fā)芽指數(shù)是評定種子萌發(fā)期抗旱性的重要指標(biāo)。但當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽指數(shù)比對照高，硬稈仲彬草與對照組差異顯著(P<0.05)，各材料間差異不顯著(P>0.05)(表3)。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽指數(shù)均有下降的趨勢，除川草2號外，其他兩種草與對照組差異顯著，各材料間無顯著差異。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為150 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照組，且硬稈仲彬草(0.65)顯著高于川草2號(0.46)。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為200 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽指數(shù)顯著低于對照組，材料間差異表現(xiàn)為硬稈仲彬草最高，顯著高于川草2號，但與垂穗披堿草差異不顯著。

除了50 g/L處理外，供試種子相對活力指數(shù)隨PEG-6000 質(zhì)量濃度的增加均呈不同程度的降低(表4)。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)，各材料的相對活力指數(shù)比對照的高，硬稈仲彬草與對照組差異顯著(P<0.05)，各材料間表現(xiàn)為硬稈仲彬草(1.29)最高，垂穗披堿草(1.05)最低，二者差異顯著。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)，各材料的相對活力指數(shù)有下降的趨勢，垂穗披堿草、川草2號與對照組差異顯著，材料間表現(xiàn)為硬稈仲彬草(0.81)最高，其次是川草2號(0.79)，垂穗披堿草(0.42)最低。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為150 g/L時(shí)，各材料的相對活力指數(shù)顯著低于對照組，材料間差異表現(xiàn)為硬稈仲彬草(0.47)最高，川草2號(0.29)最低，且二者差異顯著。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為200 g/L時(shí)，各材料的相對活力指數(shù)較對照組存在顯著差異各材料間差異不顯著。

表3 PEG-6000 脅迫對發(fā)芽指數(shù)的影響

表4 PEG-6000 脅迫對活力指數(shù)的影響

2.2PEG-6000脅迫下抗旱指數(shù)的變化 各材料的抗旱指數(shù)對PEG-6000質(zhì)量濃度產(chǎn)生了不同的響應(yīng)(表5)。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí),各材料的抗旱指數(shù)比對照的高，硬稈仲彬草(1.57)的抗旱指數(shù)與對照存在顯著差異(P<0.05)，而且與其他兩種材料之間差異顯著，川草2號(1.17)雖高于垂穗披堿草(1.03)，但二者差異不顯著(P>0.05)。隨著PEG-6000濃度的增加，各材料的抗旱指數(shù)也在不同程度降低，當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)，硬稈仲彬草(0.99)的抗旱指數(shù)顯著高于川草2號(0.79)和垂穗披堿草(0.70)。當(dāng)PEG-6000濃度為150 g/L時(shí)，各材料之間差異顯著，硬稈仲彬草(0.78)的抗旱指數(shù)最高。當(dāng)PEG-6000質(zhì)量濃度為200 g/L時(shí), 硬稈仲彬草和垂穗披堿草的抗旱指數(shù)仍在0.1以上，川草2號小于0.05。從抗旱指數(shù)來評定牧草抗旱性的強(qiáng)弱，其順序依次為硬稈仲彬草(0.89)>垂穗披堿草(0.70)>川草2號(0.69)。

2.3抗旱性綜合評價(jià) 用模糊函數(shù)隸屬法對3份材料的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、抗旱指數(shù)進(jìn)行了綜合評價(jià),得到3份材料萌發(fā)期種質(zhì)的綜合抗旱能力D值?？购敌詮?qiáng)弱表現(xiàn)為硬稈仲彬草>垂穗披堿草>川草2號老芒麥(表6)。3份材料的D值均在0.5以上，說明3份材料具有較強(qiáng)的抗旱性。

表5 PEG-6000 脅迫對抗旱指數(shù)的影響

表6 不同材料各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及綜合評價(jià)值

3 討論

本研究采用5項(xiàng)抗旱指標(biāo)綜合評價(jià)3種川西北高寒草地的原生草種子萌發(fā)期的抗旱能力,與用其中單一指標(biāo)評價(jià)的結(jié)果不完全一致，與大多研究[6,8-9,11-12]結(jié)果一樣。這表明用單一指標(biāo)評價(jià)種子萌發(fā)期的抗旱性存在著不準(zhǔn)確性,采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià),更能提高牧草種子抗旱性鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究通過對各材料相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)及抗旱指數(shù)5項(xiàng)指標(biāo)的測定,發(fā)現(xiàn)用相對發(fā)芽指數(shù)、抗旱指數(shù)單獨(dú)評價(jià)與多個(gè)指標(biāo)綜合評價(jià)得出的結(jié)果一致。因此,相對發(fā)芽指數(shù)、抗旱指數(shù)為鑒定川西北高寒草地3種牧草種子萌發(fā)期抗旱性的較好指標(biāo)。

本研究中各種質(zhì)量濃度PEG-6000處理脅迫對供試材料種子的萌發(fā)有一定的延緩作用。但當(dāng)PEG-6000濃度為5 g/L時(shí)，各材料的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)比對照有增高的趨勢。這說明低濃度PEG-6000 對各材料種子的萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用。原因可能是牧草種子在輕度水分缺失時(shí),具補(bǔ)償與超補(bǔ)償生長效應(yīng)[13]。

利用隸屬函數(shù)對3種牧草種子資源萌發(fā)期抗旱性的綜合評價(jià)表明，3種牧草的抗旱性雖有所差異，但差異不顯著。有研究者將根據(jù)材料綜合抗旱能力D值分為3級進(jìn)行評價(jià):1級的綜合評價(jià)值在0.8以上,為抗旱型;2級的綜合評價(jià)值在0.5～0.8,為中間型;3級的綜合評價(jià)值在0.5以下,為不抗旱型[8]。從以上分析結(jié)果可以看出，本研究的3種牧草的抗旱能力D值均在0.5以上，說明這3種牧草抗旱性一般。初步分析可能是3種牧草都來自川西北高寒草地，長期生長的自然環(huán)境、氣候條件相同,從而生態(tài)適應(yīng)性也一樣，所以3種牧草并沒有表現(xiàn)出太大的差異。

4 結(jié)論

分析不同質(zhì)量濃度的PEG對3種種質(zhì)材料的影響，50 g/L的PEG-6000有利于種子的萌發(fā)，而高質(zhì)量濃度的PEG-6000嚴(yán)重抑制種子的萌發(fā)；通過種子萌發(fā)期的各項(xiàng)指標(biāo)分析，相對發(fā)芽指數(shù)、抗旱指數(shù)為鑒定川西北高寒草地3種牧草種子萌發(fā)期抗旱性的較好指標(biāo)；綜合種子萌發(fā)期的各項(xiàng)指標(biāo)的分析，3份川西北高寒草地常用牧草種質(zhì)材料的抗旱性強(qiáng)弱依次為‘阿壩’硬稈仲彬草、垂穗披堿草、川草2號老芒麥。

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