PEG脅迫下不同紫云英品種萌發(fā)期抗旱性評(píng)價(jià)

劉彩玲，何春梅，王 飛，王利民，李清華，黃毅斌

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，福建 福州 350013)

紫云英屬于豆科黃芪屬，因其根部根瘤菌具有固氮作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤的改良和培肥的目的；是我國(guó)南方稻區(qū)主栽的綠肥作物，作為有機(jī)肥源，其應(yīng)用種植模式多樣化，不再僅僅是單一的作為水田綠肥與水稻進(jìn)行套種，目前在山地果茶園、園藝種植中也得到了廣泛的利用[1-4]。紫云英性喜濕潤(rùn)而排水良好的土壤，不耐干旱，又怕漬水。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在其整個(gè)生育期中各時(shí)期對(duì)水分的要求不相同，一般認(rèn)為需水規(guī)律：苗期潮濕而不漬；越冬期潤(rùn)到濕潤(rùn)；春發(fā)期潮濕；結(jié)莢到成熟期濕潤(rùn)到潤(rùn)，過(guò)干過(guò)濕都會(huì)影響紫云英的正常生長(zhǎng)[5-10]。呼玉峰等對(duì)紫云英不同生育期所需水分進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)紫云英種子在播種后出苗前期需水量最大，越冬時(shí)期和開(kāi)花結(jié)莢期需水量較少[5]。廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料系根據(jù)土壤質(zhì)地、天氣情況等因素確定紫云英各個(gè)生育時(shí)期的需水量[9]。說(shuō)明水分在紫云英整個(gè)生育期的過(guò)程中占有非常大的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，干旱或者洪澇環(huán)境都不利于紫云英種子的萌發(fā)，特別是現(xiàn)在極端天氣頻發(fā)，往往會(huì)導(dǎo)致紫云英出苗困難或者出現(xiàn)大面積死苗，嚴(yán)重影響了紫云英的生長(zhǎng)發(fā)育和鮮草產(chǎn)量。劉佳等通過(guò)PEG脅迫對(duì)紫云英萌發(fā)期進(jìn)行抗旱性鑒定，在受到較弱的PEG脅迫下，有利于幼苗的成活。在濃度達(dá)到20%后，其生長(zhǎng)受到抑制，所有紫云英種質(zhì)的種子均不能萌發(fā)[11]。周連成[12]對(duì)寧波大橋和紫冷艷一號(hào)進(jìn)行萌發(fā)期和苗期抗旱性鑒定，發(fā)現(xiàn)紫冷艷一號(hào)的抗旱性更強(qiáng)。但是目前整體關(guān)于紫云英抗旱性評(píng)價(jià)的研究較少，如能從眾多種質(zhì)資源中篩選出抗逆性強(qiáng)的紫云英專(zhuān)用品種，一方面可為冬季干旱稻田或山地果茶園旱地提供新的綠肥品種選擇，同時(shí)也解決易漬、易澇區(qū)稻田紫云英生產(chǎn)中的問(wèn)題[13-14]。本研究旨在對(duì)紫云英萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行篩選，以期為今后選擇抗旱型紫云英品種提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的紫云英品種(系)為福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所自主選育的閩紫品系，以及外省有代表性的地方品種。PEG-6000為分析純，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

選取成熟、籽粒大小均勻、飽滿(mǎn)并且無(wú)蟲(chóng)害種子，經(jīng)8%的過(guò)氧化氫(H2O2)溶液消毒5 min，用蒸餾水洗凈后置于培養(yǎng)皿中，以雙層濕潤(rùn)濾紙作為發(fā)芽床。按Michel等的方法配置聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)[1]，設(shè)置6個(gè)處理，分別為5%、10%、15%、20%、25%，以蒸餾水為對(duì)照，3次重復(fù)。萌發(fā)期試驗(yàn)在20～24 ℃人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，每天定時(shí)觀察記錄發(fā)芽種子數(shù)，發(fā)芽結(jié)束以連續(xù)4 d不再有種子發(fā)芽為準(zhǔn)。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，在每個(gè)培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取5株具有代表性的幼苗，測(cè)量其胚根、胚芽的長(zhǎng)度及幼苗鮮重。

1.3 計(jì)算公式

相對(duì)發(fā)芽率(RGR,%)=脅迫處理的發(fā)芽率/對(duì)照的發(fā)芽率

胚根/胚芽(R/S)=胚根長(zhǎng)度/胚芽長(zhǎng)度

萌發(fā)脅迫指數(shù)(GSI)[13]=脅迫下種子發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照種子發(fā)芽指數(shù)

萌發(fā)抗旱指數(shù)(GDRI)[15]=脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照種子萌發(fā)指數(shù)

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

式中，Rd2、Rd4、Rd6、Rd8分別為第2、4、6、8的種子發(fā)芽率。

活力指數(shù)[16]=GI×S

式中，GI=∑(Gt/Dt),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)，S為幼苗鮮重。

1.4 抗旱性綜合評(píng)價(jià)方法

植物抗旱性研究中通常采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)[17-19]，本試驗(yàn)也采用此統(tǒng)計(jì)方法對(duì)不同紫云英種質(zhì)材料萌發(fā)期的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

(1)通過(guò)下式求出每個(gè)種質(zhì)各指標(biāo)的具體隸屬值。

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X為某種質(zhì)某一指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax為所有待鑒定種質(zhì)某一指標(biāo)測(cè)定值的最大值；Xmin為該指標(biāo)中的最小值。

(2)求出每個(gè)紫云英種質(zhì)各抗旱指標(biāo)在不同PEG濃度下的隸屬值，然后把每一指標(biāo)在不同PEG濃度下的隸屬值累加求平均值，最后再將每一種質(zhì)各抗旱指標(biāo)的隸屬值累加求平均值。最終的平均值越大，則抗旱性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫對(duì)紫云英種子相對(duì)發(fā)芽率的影響

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%的PEG-6000溶液處理，供試的紫云英種質(zhì)材料在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)均未見(jiàn)萌發(fā)，故對(duì)20%、25%處理濃度不做討論。

種子相對(duì)發(fā)芽率能夠相對(duì)客觀地反映種子萌發(fā)期的抗旱性，值越大說(shuō)明抗旱性越強(qiáng)[13]。由表1可知，隨著PEG脅迫濃度的增加，各品種種子的相對(duì)發(fā)芽率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，抑制程度隨著PEG濃度的增加而增加。不同紫云英種質(zhì)材料對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)程度不同。當(dāng)PEG濃度由5%上升到10%時(shí)，弋江籽和信陽(yáng)種相對(duì)發(fā)芽率顯著降低，分別降低26.40%和17.17%，表明這2份種質(zhì)材料對(duì)干旱脅迫較為敏感；而848711、升鐘、寧波大橋相對(duì)發(fā)芽率均大于100%，相較于對(duì)照有所上升，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性；繼續(xù)升高脅迫濃度，所有種質(zhì)的相對(duì)發(fā)芽率均顯著下降，當(dāng)處理濃度為15%時(shí)，寧波大橋相對(duì)發(fā)芽率最高，為41.65%，顯著高于其余品種。

2.2 PEG脅迫對(duì)紫云英種子萌發(fā)抗旱指數(shù)及萌發(fā)脅迫指數(shù)的影響

萌發(fā)抗旱指數(shù)與萌發(fā)脅迫指數(shù)能夠反映出品種間抗旱性在脅迫時(shí)間和強(qiáng)度上的差異[13]。由表2和表3可知，隨著處理濃度的增加，所有紫云英品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)都呈下降趨勢(shì)。當(dāng)處理濃度為5%時(shí)，848711和升鐘紫云英的萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)都大于1，高于其他品種，以信陽(yáng)種萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)為最低；當(dāng)處理濃度為10%時(shí)，弋江籽與848711的萌發(fā)抗旱指數(shù)顯著降低，所有品種萌發(fā)脅迫指數(shù)均顯著降低。以升鐘和寧波大橋的萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)相對(duì)較高，弋江籽萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)最低。當(dāng)處理濃度為15%時(shí)，所有品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)均顯著降低，升鐘和寧波大橋的萌發(fā)抗旱指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)仍最高，較其他品種表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。

表1 PEG脅迫對(duì)紫云英相對(duì)發(fā)芽率的影響 %

表2 PEG脅迫對(duì)紫云英萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響 %

表3 PEG脅迫對(duì)紫云英萌發(fā)脅迫指數(shù)的影響 %

2.3 PEG脅迫對(duì)紫云英種子活力指數(shù)的影響

種子活力與種子發(fā)芽率、整齊度、抗逆性和幼苗生長(zhǎng)等有著密切的關(guān)系[11]。從表4可以看出，除了升鐘紫云英在5%脅迫濃度下，活力指數(shù)比對(duì)照有所提高，提高了14.29%，其他品種的活力指數(shù)都隨著PEG濃度的升高而降低。在對(duì)照條件下，寧波大橋和信陽(yáng)紫云英的活力指數(shù)顯著高于其他品種；848711活力指數(shù)最低，為0.038。在5%濃度脅迫下，與對(duì)照相比，所有紫云英種質(zhì)資源活力指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，降幅在7.93%～23.42%，并且弋江籽和信陽(yáng)種降幅達(dá)到顯著水平；此時(shí)寧波大橋紫云英的活力指數(shù)最高，為0.116，以848711的活力指數(shù)最低，為0.038。在10%濃度脅迫下，各品種活力指數(shù)均顯著下降，降幅38.10%～84.15%，以升鐘和寧波大橋最高，均為0.052，848711的最低，為0.011。在15%濃度脅迫下，各品種活力指數(shù)降幅均大于90%，以寧波大橋活力指數(shù)最高，為0.02，并顯著高于其他品種。

表4 PEG脅迫對(duì)紫云英活力指數(shù)的影響 %

2.4 PEG脅迫對(duì)紫云英胚根/胚芽的影響

若植物抗旱能力較強(qiáng)，其根系較為發(fā)達(dá)，根系能夠表征植物的抗旱能力。從表5可知，低濃度脅迫下，所有品種胚根與胚芽的比值都較對(duì)照有所增加。但不同品種間，促進(jìn)其胚根伸長(zhǎng)且達(dá)到最大值的脅迫濃度不一致。弋江籽和信陽(yáng)紫云英在5%脅迫濃度下，胚根長(zhǎng)增至最長(zhǎng)，分別比對(duì)照提高了55.2%和16.9%，之后隨著脅迫濃度的增加呈下降趨勢(shì)。848711和寧波大橋紫云英在脅迫濃度為10%時(shí)的比值達(dá)到最大，而后則下降。升鐘隨著脅迫濃度的升高，胚根/胚芽值呈逐漸上升趨勢(shì)。從方差分析可以看出，當(dāng)脅迫濃度為5%和10%時(shí)，弋江籽、848711和信陽(yáng)的胚根/胚芽比值與對(duì)照相比無(wú)差異，說(shuō)明這3個(gè)品種(系)的胚根與胚芽受低濃度脅迫的影響較小；在脅迫濃度為10%和15%時(shí)，升鐘和寧波大橋紫云英種質(zhì)的胚根/胚芽比值與對(duì)照相比均顯著增加，差異顯著。說(shuō)明這2個(gè)品種也具有較強(qiáng)的抵抗干旱脅迫的能力。

表5 PEG脅迫對(duì)紫云英胚根和胚芽的影響 %

2.5 紫云英種質(zhì)資源萌發(fā)期抗旱性綜合評(píng)價(jià)

種子的抗旱能力是多種因素綜合作用的結(jié)果，單一的指標(biāo)不能代表其抗旱能力，需要對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以真實(shí)反映其抗旱能力。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，對(duì)供試紫云英種質(zhì)的相對(duì)發(fā)芽率、抗旱指數(shù)、活力指數(shù)、胚根/胚芽比值進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算，得出不同紫云英種質(zhì)抗旱隸屬函數(shù)總平均值。一般認(rèn)為，評(píng)價(jià)值越大，其抗旱能力越強(qiáng)。結(jié)果表明抗旱性的強(qiáng)弱順序?yàn)樯?848711>寧波大橋>信陽(yáng)>弋江籽。由此可知，紫云英品種之間的抗旱能力是有差異的。

表6 抗旱指標(biāo)隸屬值及抗旱性綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

聚乙二醇常用作干旱脅迫劑，用來(lái)模擬干旱環(huán)境對(duì)植物萌發(fā)期抗旱脅迫的影響，在禾本科小麥、水稻等[20-21]、豆科苜蓿、苦豆子等[22-23]、果樹(shù)[24]等多種植物上已廣泛應(yīng)用。本研究通過(guò)設(shè)置不同濃度梯度的脅迫溶液，對(duì)不同的紫云英種質(zhì)材料的萌發(fā)特性和抗旱能力進(jìn)行對(duì)比。從結(jié)果可以看出，低濃度的PEG脅迫對(duì)紫云英種質(zhì)的種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用，在5%和10%的低干旱脅迫下，848711、升鐘、寧波大橋的相對(duì)發(fā)芽率均比對(duì)照呈不同程度的升高，過(guò)去的研究將這種表象稱(chēng)為“引發(fā)作用”[25]，在其他作物種子萌發(fā)的抗旱性研究中也有報(bào)道。劉貴河等[25]在高丹草和魯梅克斯中發(fā)現(xiàn)低濃度的PEG溶液對(duì)植物種子萌發(fā)具有較好的引發(fā)作用。梁國(guó)玲等[26]在同樣發(fā)現(xiàn)低濃度下，4種羊茅屬植物的相對(duì)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均大于對(duì)照。之后隨著PEG脅迫濃度的增加，其對(duì)紫云英種子的萌發(fā)作用由促進(jìn)變?yōu)橐种疲鞣N質(zhì)之間受抑制的程度不同，并且不同種質(zhì)資源對(duì)脅迫濃度的臨界濃度并不相同。在本試驗(yàn)中，弋江籽和信陽(yáng)在脅迫濃度為10%時(shí)，PEG對(duì)其作用由促進(jìn)作用轉(zhuǎn)為抑制，可能是脅迫濃度已經(jīng)超過(guò)了臨界濃度。試驗(yàn)中脅迫濃度梯度跨度較大，不能準(zhǔn)確確定各種質(zhì)資源種子萌發(fā)的臨界脅迫濃度，因此還需進(jìn)一步探討各品種種質(zhì)對(duì)干旱脅迫的耐受閾限。從本研究結(jié)果中還可知，低濃度脅迫能夠促進(jìn)胚根的生長(zhǎng)，這是因?yàn)橹参镌谑艿侥婢趁{迫下，將其吸收到的有限的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)優(yōu)先提供給胚根生長(zhǎng)，以增加幼苗成活率[27]。胚根伸長(zhǎng)是植物適應(yīng)干旱的一種表現(xiàn)，有利于吸收更多的水分。繼續(xù)增大脅迫濃度，胚根生長(zhǎng)受到抑制。此外，在整個(gè)處理過(guò)程中，胚芽的生長(zhǎng)始終受到抑制，其受抑制的強(qiáng)度大于胚根。

運(yùn)用隸屬函數(shù)法，對(duì)種子萌發(fā)的相對(duì)發(fā)芽率、抗旱指數(shù)、活力指數(shù)、胚根/胚芽比值等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)以鑒定種子抗旱性。本試驗(yàn)中紫云英種質(zhì)資源抗旱性的強(qiáng)弱順序?yàn)樯?848711>寧波大橋>信陽(yáng)>弋江籽。干旱脅迫下萌發(fā)期的抗旱性是否能夠代表植物苗期或是全生育期的抗旱性，在不同的植物中表現(xiàn)不同。周連城[12]對(duì)寧波大橋與紫冷艷一號(hào)紫云英開(kāi)展種子萌發(fā)期與苗期抗旱性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果表現(xiàn)一致。但是關(guān)于紫云英其他品種萌發(fā)期與苗期甚至全生育期抗旱性的相關(guān)程度的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，干旱對(duì)以上幾個(gè)品種不同生育時(shí)期、不同生理過(guò)程的影響還需進(jìn)一步探討。