趙方媛,田新會(huì),杜文華
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)
隨著畜牧業(yè)不斷發(fā)展,飼料的用量越來(lái)越大。小黑麥作為一個(gè)雜交新物種,在結(jié)合小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的同時(shí),又具有黑麥抗逆性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。小黑麥作為優(yōu)質(zhì)禾本科飼草具有較高的生產(chǎn)性能,但是,干旱缺水已成為小黑麥高產(chǎn)的主要限制因子[2],對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響極大[3]。聚乙二醇(PEG-6000)溶于水后,產(chǎn)生的強(qiáng)大滲透壓會(huì)使植物組織和細(xì)胞處于類似于自然干旱的水分脅迫狀態(tài)[4]。用PEG-6000模擬自然干旱已普遍用于作物抗旱性研究[5]。在干旱脅迫下,作物形態(tài)特征和生理特性等會(huì)發(fā)生一系列變化[6]。葉片水分是植物進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基礎(chǔ),受到干旱脅迫時(shí)葉片中的水分含量直接反映植株受旱后可利用的水分情況,其含量高低在一定程度上可以反映植株葉片保水能力強(qiáng)弱。相對(duì)含水量是植物組織的含水量占飽和含水量的百分比,比含水量絕對(duì)值更能反映植物的水分虧缺情況以及抗脫水能力和受干旱脅迫程度[7-8]。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ),在光合作用中起著吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的作用,其含量高低在一定程度上決定著光合速率大小[9]。植物在不良環(huán)境下,細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能最先受到傷害,同時(shí)植物體內(nèi)活性氧自由基累積,并引發(fā)膜脂過(guò)氧化作用。丙二醛是膜脂過(guò)氧化最主要的產(chǎn)物,其含量與細(xì)胞膜膜脂過(guò)氧化程度有關(guān),能夠反映植物所遭受脅迫傷害的程度[10-11]。同時(shí),在逆境中,植物也會(huì)通過(guò)積累一些可溶性糖、脯氨酸等可溶性物質(zhì)來(lái)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),以此適應(yīng)干旱脅迫。一般而言,這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)累積越多,植物的抗旱性越強(qiáng)[12-13]。在逆境脅迫下植物細(xì)胞內(nèi)還會(huì)因?yàn)樽杂苫x過(guò)程不平衡而使自由基過(guò)剩,引發(fā)或加劇膜脂過(guò)氧化進(jìn)程,損傷細(xì)胞膜系統(tǒng)。超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)可有效清除這些自由基,稱為酶促防御過(guò)程[14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥(TriticumaestivumL.)、水稻(OryzasativaL.)、苜蓿(MedicagosativaL.)、高燕麥草(ArrhenatherumelatiusL.)等植物的苗期抗旱生理過(guò)程進(jìn)行了大量研究[15-19],其抗旱性鑒定多根據(jù)與抗旱性緊密相關(guān)的生理指標(biāo),如葉片含水量、葉綠素、丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、POD、CAT活性等。前人對(duì)小黑麥抗旱性研究多集中在萌發(fā)期[20-21]和成株期[22-23],但對(duì)苗期抗旱生理研究很少。植物苗期的形態(tài)指標(biāo)和主要生理指標(biāo)受干旱影響較大,品種間差異明顯,可從不同側(cè)面反映出品種的抗旱能力[24]。本試驗(yàn)擬在項(xiàng)目組前期研究基礎(chǔ)上[25],利用30% PEG-6000模擬干旱環(huán)境,研究干旱脅迫對(duì)15個(gè)飼料型小黑麥品系苗期葉片相對(duì)含水量(RWC)、葉綠素(CHL)含量、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量和可溶性糖(SS)含量的影響,并對(duì)參試小黑麥進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià),以期篩選抗旱性較強(qiáng),適合在干旱和半干旱地區(qū)種植的小黑麥品系,并為小黑麥抗旱育種提供參考依據(jù)。
利用有性雜交和系譜法選育的15個(gè)飼料型小黑麥品系,編號(hào)分別為Z1,Z3,Z5,Z6,Z9,Z12,Z19,Z21,Z23,Z36,Z41,Z48,Z49,Z50,Z55,對(duì)照為甘農(nóng)1號(hào)小黑麥(CK1)和新小黑麥5號(hào)(CK2)。
試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行,采用盆栽模擬干旱條件。將大田土和草炭土按1∶1體積比混合均勻,裝入花盆,播前澆足水,并施肥。選擇成熟一致、籽粒飽滿、健康無(wú)病蟲(chóng)害的小黑麥種子為試驗(yàn)材料,播種在花盆內(nèi),每個(gè)花盆種植45粒種子,定期澆水,以保證幼苗正常生長(zhǎng)。待幼苗生長(zhǎng)到2~3片真葉時(shí),用200 ml濃度為30%的PEG-6000進(jìn)行澆灌[25],并保證溶液在盆中均勻分布。干旱處理后每2 d進(jìn)行稱重補(bǔ)水以維持溶液濃度。設(shè)置正常灌水(A1)和干旱脅迫(A2)2個(gè)處理,參試17個(gè)小黑麥材料共34個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),并于處理后28 d采集頂部第1、2片展開(kāi)葉葉片測(cè)定相關(guān)生理指標(biāo)[25]。
葉片相對(duì)含水量(RWC)采用浸泡法測(cè)定[26],葉綠素(CHL)含量采用丙酮反復(fù)提取法測(cè)定[26],丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[27],脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮染色法測(cè)定[27],可溶性糖含量(SS)采用蒽酮比色法測(cè)定[27]。
抗旱系數(shù)是該性狀在干旱脅迫處理下和正常灌水條件下的比值,計(jì)算公式為:


式中,n表示指標(biāo)數(shù)量,i表示第i個(gè)指標(biāo)。
由于植物的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀,隸屬函數(shù)提供了一種在多指標(biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上對(duì)植物抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的途徑,它可以克服利用少數(shù)指標(biāo)對(duì)植物抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)的不足[28]。因此,本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法對(duì)不同小黑麥材料苗期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),每個(gè)小黑麥品系各指標(biāo)的具體隸屬函數(shù)值按下列公式計(jì)算:
式中,u(Xj)為各材料j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,Xj表示各材料第j個(gè)指標(biāo);Xjmin表示各材料j指標(biāo)的最小值;Xjmax表示各材料j指標(biāo)的最大值。


采用軟件Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的方差分析法分析小黑麥材料間、干旱處理間、小黑麥材料×干旱處理間小黑麥RWC、CHL、Pro、SS、MDA含量的差異顯著性,如果差異顯著,分別用Duncan法進(jìn)行多重比較。
由表1可以看出,除干旱處理間小黑麥的CHL含量有顯著差異外(P<0.05),材料間、干旱處理間、材料×干旱處理交互作用間小黑麥的RWC、CHL、Pro、SS、MDA含量均存在極顯著差異(P<0.01),需對(duì)上述各指標(biāo)進(jìn)行多重比較。

表1 小黑麥苗期生理指標(biāo)方差分析表(F值)
注: *表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05);**表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。
Notes: * indicates significant difference atP<0.05 level;** indicates significant difference atP<0.01 level.
2.1.1 RWC 由表2可知,參試小黑麥材料中Z9的平均RWC最高(77.26%),與Z3、Z6、Z12、Z23和CK2間無(wú)顯著差異,與其余材料間均存在顯著差異;Z5的平均RWC含量(55.04%)顯著低于其他材料(P<0.05)。
2.1.2 CHL含量 由表2可以看出,在不同小黑麥材料中,Z49的平均CHL含量(0.55 mg·g-1)顯著高于除Z5、Z36和Z48外的其余材料;Z23的平均CHL含量最低(0.23 mg·g-1),顯著低于除Z3、Z6、Z9、Z12和Z41外的其余材料。
2.1.3 Pro含量 參試小黑麥材料中,Z1的平均Pro含量最高(0.36 mg·g-1),與Z3、Z5、Z6、Z21、Z36、Z41、Z48、Z49和Z50間無(wú)顯著差異,與其余材料間存在顯著差異;CK2的平均Pro含量(0.15 mg·g-1)顯著低于除Z9外的其余各材料(表2)。
2.1.4 SS含量 17個(gè)小黑麥材料中CK2的平均SS含量(113.33 mg·g-1)顯著高于除Z3和Z5外的其余材料;Z12的平均SS含量最低(28.58 mg·g-1),除與Z9、Z19和Z23無(wú)顯著差異外,與其余各材料間均存在顯著差異(表2)。
2.1.5 MDA含量 參試小黑麥材料中Z50的平均MDA含量最高(4.05 μmol·g-1),除Z5、Z23、Z41和Z55外,顯著高于其余材料;CK2的平均MDA含量(2.67 μmol·g-1)顯著低于除Z9和Z12外的其余材料(表2)。
由表3可知,干旱脅迫導(dǎo)致小黑麥幼苗的生理指標(biāo)發(fā)生不同程度變化。與正常灌水相比,干旱脅迫使小黑麥葉片的平均RWC顯著降低,平均CHL、Pro、SS和MDA含量顯著升高。

表2 小黑麥材料間生理特性的差異
注: 同列不同小寫字母表示不同材料間差異顯著(P<0.05),各小黑麥材料的生理指標(biāo)值為正常灌水與干旱脅迫下的平均值;各列數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,下同。
Notes: Different lowercase letters within the same column mean significant differences among different materials (P<0.05), and values showed above were the average of normal irrigation and drought stress;The data of each column were expressed by the mean values ± standard error, the same below.

表3 干旱處理間小黑麥生理特性的差異
注: 不同處理下生理指標(biāo)值為所有參試小黑麥材料的平均值。
Notes: The values showed above were the average of all the tested triticale materials.
由表4可以看出,小黑麥材料×干旱處理交互作用間各生理指標(biāo)均存在顯著差異。與正常灌水相比,在30% PEG脅迫下,所有參試小黑麥材料的RWC均有不同程度下降,其中Z12的RWC降幅最小,其次為CK2,CK1降幅最大;CHL含量并沒(méi)有表現(xiàn)出整體性增加或減少,其中Z1、Z5、Z19、Z21、Z36、Z41、Z48、Z50及CK1的CHL含量增加,其余小黑麥材料的CHL含量下降;Pro含量均表現(xiàn)出上升的趨勢(shì), Z12的增幅最小,CK1的增幅最大;SS含量均上升,Z19的增幅最小,Z3增幅最大;MDA含量的變化趨勢(shì)同于Pro和SS含量,Z9的增幅最小,Z50的增幅最大。
本研究采用模糊隸屬函數(shù)法對(duì)參試小黑麥材料的各個(gè)抗旱指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算,并得到小黑麥材料的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值(D值),再根據(jù)D值大小對(duì)其進(jìn)行抗旱性排序(表5)。一般而言,D值越大,表明材料的抗旱能力越強(qiáng)[29]。MDA表現(xiàn)為活性氧毒害作用,不納入綜合評(píng)價(jià)[28]。
由表5可以看出,各小黑麥材料的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值差異較大,根據(jù)D值將供試材料進(jìn)行抗旱性分級(jí),參試小黑麥材料中,Z1、Z5和CK1屬于高抗旱型,Z3、Z6、Z36、Z41、Z48、Z49以及Z50屬于中抗旱型,Z21屬于中間型,Z19、Z23、Z55和CK2屬于干旱較敏感型,Z9和Z12屬于干旱敏感型。
表4小黑麥材料×干旱處理交互作用間生理特性的差異
Table4Differencesofthephysiologicalpropertyfortheinteractionoftriticalematerialanddroughttreatment

材料×處理Material×treatment生理指標(biāo) Physiological indexRWC/%CHL/(mg·g-1)Pro/(mg·g-1)SS/(mg·g-1)MDA/(μmol·g-1)Z1×A186.59±1.55bc0.39±0.01fg0.17±0.01ghi15.02±0.24k2.14±0.17jkZ1×A243.97±1.59k0.55±0.02cd0.54±0.02cd177.18±9.40b4.13±0.16dZ3×A196.27±1.56a0.36±0.01gh0.12±0.00jkl16.39±1.18k2.65±0.07ghijZ3×A253.25±2.08j0.15±0.01no0.53±0.01d203.95±4.17a4.71±0.11cZ5×A166.41±1.13hi0.41±0.01fg0.13±0.01ijkl50.09±5.58h3.39±0.01efZ5×A243.67±1.25k0.58±0.01bcd0.54±0.02cd176.43±3.47b4.51±0.15cdZ6×A193.11±3.25a0.35±0.02ghi0.15±0.00hij17.45±1.22k2.63±0.21ghijZ6×A255.64±0.91j0.25±0.00jklm0.56±0.01abcd155.11±18.80c3.57±0.25eZ9×A182.05±2.26bcde0.27±0.01hijkl0.12±0.01jkl17.59±0.59k2.72±0.19ghiZ9×A272.46±0.68fg0.20±0.02klmno0.21±0.02g53.32±4.46h3.00±0.08fghZ12×A176.60±1.12ef0.28±0.02hijk0.19±0.02gh20.16±1.17jk2.33±0.02ijkZ12×A275.36±4.16fg0.19±0.01lmno0.21±0.01g37.01±5.92hij3.31±0.11efZ19×A181.29±1.24cde0.14±0.00o0.15±0.02hij29.05±1.58ijk2.15±0.11jkZ19×A262.00±1.17i0.49±0.01de0.29±0.02f45.54±1.07hi4.65±0.09cZ21×A166.78±1.17hi0.18±0.01mno0.13±0.01ijkl30.79±0.57ijk2.65±0.08ghijZ21×A251.57±2.18j0.46±0.02ef0.52±0.02d84.37±5.54g4.12±0.33dZ23×A185.93±2.28bc0.24±0.00jklm0.14±0.00ijk13.27±0.36k3.03±0.20fgZ23×A266.30±2.43hi0.22±0.02jklmn0.44±0.01e49.73±0.13h4.68±0.25cZ36×A182.25±1.10bcde0.35±0.04ghi0.13±0.01ijkl44.35±0.65hi2.52±0.06hijkZ36×A252.98±1.82j0.65±0.08ab0.55±0.01cd109.10±6.64f4.53±0.11cdZ41×A186.72±1.78bc0.20±0.01klmno0.12±0.01ijkl21.20±1.16jk2.43±0.10ijkZ41×A252.99±0.86j0.31±0.04hij0.58±0.01abc132.86±5.19d5.47±0.22abZ48×A193.45±0.18a0.35±0.02gh0.13±0.02ijkl21.24±1.54jk1.99±0.04kZ48×A250.45±1.21j0.67±0.02a0.53±0.01d114.85±4.20ef4.80±0.23cZ49×A182.92±1.53bcd0.58±0.04bc0.11±0.02jkl18.23±2.11k2.41±0.22ijkZ49×A255.59±1.21j0.51±0.05cde0.60±0.02a108.10±7.74f4.40±0.06cdZ50×A187.41±1.50b0.23±0.02jklmn0.11±0.01jkl21.91±3.09jk2.33±0.13ijkZ50×A245.02±3.24k0.56±0.05cd0.55±0.02bcd127.71±4.35de5.76±0.15aZ55×A185.35±1.39bc0.50±0.00cde0.10±0.01jkl44.68±3.65hi2.45±0.19ijkZ55×A264.50±1.85hi0.22±0.03klmno0.46±0.03e90.08±7.41g4.63±0.15cCK1×A175.33±2.37fg0.24±0.01jklm0.09±0.01l48.49±4.59h2.33±0.19ijkCK1×A237.86±0.83l0.56±0.02cd0.59±0.02ab133.20±3.81d5.27±0.18bCK2×A178.00±0.88def0.58±0.01bc0.10±0.01kl50.01±7.50h2.26±0.12ijkCK2×A270.17±1.44gh0.27±0.02ijklm0.21±0.00g176.66±6.95b3.07±0.03fg
注: A1和A2分別表示正常灌水處理和干旱脅迫處理。
Notes: A1 and A2 represent normal irrigation and drought stress treatment, respectively.

表5 干旱脅迫下各小黑麥材料的u(X)值、D值及排序
水資源短缺是限制牧草生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,研究牧草的抗旱性并培育和篩選抗旱性強(qiáng)的品種可適當(dāng)緩解干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)飼料短缺問(wèn)題。植物受到干旱脅迫后其體內(nèi)細(xì)胞及生理生化代謝發(fā)生一系列適應(yīng)性變化,從而表現(xiàn)出抗旱性[30],植物抗旱性是復(fù)雜的數(shù)量性狀,與植物類型、基因型等緊密相關(guān),并且容易受環(huán)境因素影響。吳文榮[31]測(cè)定了玉米苗期與抗旱性相關(guān)的生理指標(biāo),并研究了這些指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值與干旱脅迫處理下產(chǎn)量抗旱指數(shù)的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)抗旱性強(qiáng)品種的種子產(chǎn)量較對(duì)照下降較少,而抗旱性弱品種的種子產(chǎn)量則較對(duì)照下降較多,從而說(shuō)明研究植物苗期的抗旱性強(qiáng)弱可以用來(lái)快速預(yù)測(cè)品種抗旱性。
本試驗(yàn)通過(guò)研究不同小黑麥材料在正常灌水和干旱脅迫處理下幼苗生理指標(biāo)的變化發(fā)現(xiàn),環(huán)境因素對(duì)小黑麥生理特性的影響因基因型不同而異。參試小黑麥材料中,Z9的平均相對(duì)含水量最高(77.26%),Z49的平均葉綠素含量最高(0.55 mg·g-1),Z1的平均Pro含量最高(0.3568 mg·g-1),CK2的平均可溶性糖含量最高(113.33 mg·g-1)、平均丙二醛含量最低(2.67 μmol·g-1)。干旱脅迫使小黑麥幼苗的平均相對(duì)含水量顯著降低,平均葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和丙二醛含量顯著升高,這與Jackson等[32]和霍紅等[28]的研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)楦珊得{迫使小黑麥做出一定響應(yīng),產(chǎn)生一系列復(fù)雜的生理變化,以適應(yīng)干旱脅迫,減少或避免對(duì)自身造成損傷[33-34]。就小黑麥材料與干旱處理交互作用而言,參試小黑麥材料在30% PEG脅迫下葉片的相對(duì)含水量均有不同程度下降,降幅為1.62% ~ 49.74%,說(shuō)明干旱脅迫導(dǎo)致小黑麥葉片水分虧缺,這與王曙光等[35]的研究結(jié)果一致,本試驗(yàn)中CK1和Z1葉片水分虧缺較嚴(yán)重。在干旱等逆境中植株葉片的葉綠素會(huì)受到一定損害,使葉綠素含量下降,導(dǎo)致光合能力降低,蒸騰作用受阻,進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)發(fā)育[36]。干旱逆境下植物體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧,破壞葉綠體結(jié)構(gòu),使葉綠素合成減少,導(dǎo)致葉綠素含量降低[37]。本研究結(jié)果表明,干旱脅迫使8個(gè)小黑麥材料的葉綠素含量降低(與上述結(jié)果一致),但其余9個(gè)小黑麥材料的葉綠素含量卻增加,這可能與植物對(duì)環(huán)境因子的補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān)[38-39]。干旱脅迫會(huì)使植物的細(xì)胞膜造成不同程度損傷[40],因此在30% PEG脅迫下,17個(gè)小黑麥材料的丙二醛含量均增加,其中Z50的損傷程度最嚴(yán)重,Z9受傷害程度最低。干旱脅迫下參試小黑麥材料的脯氨酸含量均呈上升趨勢(shì),其中Z9和Z12增幅較少,Z49的增幅最大,說(shuō)明其更能抵抗干旱脅迫或適應(yīng)干旱環(huán)境[41]。與脯氨酸含量變化趨勢(shì)一樣,30% PEG干旱脅迫下所有參試小黑麥材料通過(guò)增加可溶性糖含量來(lái)抵抗或適應(yīng)逆境[42]。
綜上,用單一指標(biāo)判斷參試小黑麥材料的抗旱性得到的結(jié)果不一致,不同小黑麥材料對(duì)同一生理指標(biāo)的反應(yīng)不同,同一小黑麥材料對(duì)不同生理指標(biāo)也會(huì)有不同響應(yīng),利用單一指標(biāo)對(duì)小黑麥的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)是片面的[43],為綜合考慮干旱脅迫環(huán)境下參試小黑麥幼苗的保水能力、光合性能、質(zhì)膜過(guò)氧化程度和細(xì)胞中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累等的變化,更科學(xué)地評(píng)價(jià)其抗旱性,本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法對(duì)參試小黑麥材料的抗旱性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),得到了不同小黑麥材料的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值(D值),并根據(jù)D值對(duì)供試小黑麥材料的抗旱性進(jìn)行了分級(jí):Z1、Z5和CK1屬于高抗旱型,抗旱性較強(qiáng);Z9和Z12屬于干旱敏感型,抗旱性較弱,這與觀察的結(jié)果基本一致,說(shuō)明采用隸屬函數(shù)綜合評(píng)定法在小黑麥抗旱性比較研究中是可行的。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,甘農(nóng)1號(hào)小黑麥和小黑麥品系Z1、Z5的抗旱性較強(qiáng),適合在干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)種植。
小黑麥材料間、干旱處理間和小黑麥材料×干旱處理交互作用間各項(xiàng)生理指標(biāo)差異顯著。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,15個(gè)小黑麥材料中Z1和Z5的抗旱性較強(qiáng),屬于高抗旱型,Z3、Z6、Z36、Z41、Z48、Z49和Z50屬于中抗旱型,Z21屬于中間型,Z19、Z23和Z55屬于干旱較敏感型,Z9和Z12的抗旱性弱,屬于干旱敏感型。