干旱脅迫下新疆7份野生披堿草屬種質材料萌發特性與抗旱性評價

李 瑤，隋曉青，郝裕輝，張樹振，陳愛萍，張 博

(新疆農業大學草業與環境科學學院/西部干旱荒漠區草地資源與生態實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】披堿草屬(ElymusL.)是禾本科(Poaceae)小麥族(Triticeae)的一個重要經濟屬，廣泛分布于新疆、內蒙古和青藏高原等地區的草原及高山草原地帶，該屬牧草具有抗寒、抗旱、適應性廣等特性，并在退化及沙化草地改良中發揮著重要作用[1]；此外，披堿草屬牧草營養品質高，家畜喜食，是優良飼草來源之一，在草地畜牧業中也發揮了巨大作用[2-3]。【前人研究進展】萌發期是植物生活史中的關鍵時期，水分是種子萌發的必要條件，它參與種子內部一系列復雜的生理生化反應過程[4]，種子萌發情況的好壞，影響植物后期的生長發育，在種群更新過程中也決定著種群的延續、動態和分布。當前，披堿草的利用以天然草地補播為主[5]，新疆草原總體表現為降雨量少，蒸發量大的特點[6]，披堿草萌發多受降雨的影響，補播的披堿草常因干旱少雨而建植失敗，進而影響草原的生產效益。選擇抗旱披堿草材料進行草原補播十分必要，從野生種質資源中篩選抗旱性強的種質進行抗旱基因篩選和選育,是獲得抗旱品種的有效措施之一[7-10]。聚乙二醇(PEG-6000)作為一種滲透調節劑，可模擬干旱脅迫環境，在種子萌發期抗旱性篩選方面得到廣泛應用[11-12]。【本研究切入點】新疆作為披堿草的主要分布區之一，獨特的地理和氣候因素孕育著許多具有潛在抗旱性能的野生種質資源，目前對新疆野生披堿草屬資源的研究主要集中在形態多樣性、營養品質、內生真菌[13-15]等方面,有關干旱脅迫下新疆野生披堿草屬種質材料萌發特性與抗旱性評價的研究鮮有報道。研究干旱脅迫對野生披堿草種質萌發的影響。【擬解決的關鍵問題】研究利用PEG-6000模擬干旱環境，對采自新疆不同地區的7份野生披堿草屬種質材料進行抗旱研究，分析其抗旱能力，培育抗旱性強的優良牧草種質，為披堿草抗性育種和草地畜牧業的發展提供一定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

7份野生披堿草屬種質材料于2017年7月采自新疆6個不同地區，室溫保存在草地資源與生態實驗室。表1

表1 7份野生披堿草屬材料來源地Table 1 The origin of seven wild Elymus L.materials

1.2 方 法

1.2.1 發芽情況

利用PEG-6000作為干旱處理試劑，配制0、10%、15%、20%、25%和30%共6個濃度[16]。

隨機選取50粒大小一致、飽滿的種子，均勻放置于鋪有雙層濾紙(Whatman 1號)、直徑為9 cm的培養皿中，將不同濃度的PEG-6000溶液分別加入各培養皿中，每皿8 mL，每2 d更換1次PEG溶液[17]，確保濃度保持不變，每個處理4次重復。置于變溫光照培養箱中，晝夜溫度為25℃/16℃，光照周期16 h/8 h(光照/黑暗)，光強為1 000 lx。每天定時觀察記錄發芽數(以胚根突破種皮作為萌發標準)[18]，于第7 d計算發芽勢，第12 d計算發芽率。同時，12 d后從每皿中任選10株幼苗放置于吸水紙上，用數顯游標卡尺(精度0.01 mm)測定幼苗胚根及胚芽長并計算平均值。計算公式如下：

相對發芽率=脅迫處理的發芽率/對照的發芽率;

發芽勢(%)=前7 d內的發芽數/供試種子數×100%;

相對發芽勢=發芽勢/對照發芽勢;

發芽指數(GI)=∑(DG/DT)；DG為每天的發芽數，DT為相應DG的發芽天數;

相對胚根(芽)長度=滲透處理胚根(芽)長度/對照胚根(芽)長×100%[14]。

1.2.2 萌發抗旱指數及脅迫指數

萌發指數采用龔磊[19]的方法計算：

萌發抗旱指數(GDRI)=干旱脅迫下種子的萌發指數/對照種子萌發指數；

萌發脅迫指數(GSI)=處理種子發芽指數/對照種子發芽指數。

1.2.3 抗旱性綜合評價

采用隸屬函數法[20]，以相對發芽率、相對發芽勢、相對胚根長、相對胚芽長、萌發抗旱指數、萌發脅迫指數共6個指標為依據。其計算公式如下：

(1)求出各種質各指標的隸屬值X(μ)

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中，X為某種質材料某一指標的測定值；Xmax和Xmin分別為所有待鑒定種質材料某一指標測定值的最大值及最小值。

(2)求出每個披堿草屬材料各抗旱指標在不同PEG濃度下的隸屬值，然后把各指標在不同PEG濃度下的隸屬值累加求平均值，最后再將每一種質材料各項抗旱指標的隸屬值累加求平均值。最終的平均值越大，則抗旱性越強。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0軟件對所測數據統計分析，用平均值和標準誤表示測定結果，對同種質在不同濃度處理下的各指標分別進行單因素方差分析，并用Duncan法對各測定數據進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫對披堿草屬種質材料種子發芽指標的影響

研究表明,7份披堿草屬種質材料的種子萌發對PEG脅迫的響應不同。當PEG濃度為10%和15%時，P03、P04、P06和P07 4份材料的相對發芽率均有所提高，低濃度的干旱脅迫可以提高部分材料的發芽率；當濃度上升到20%～25%時，7份材料的相對發芽率均低于100%，7份材料的發芽率在該濃度下均受到抑制：在PEG濃度30%時，對所有材料的種子萌發抑制作用最強，但P07的相對發芽率為27.06%，干旱脅迫對其影響相對較小。表2

表2 PEG脅迫下7份披堿草屬種質材料相對發芽率變化Table 2 Effects of PEG stress on the relative germination rate of 7 Elymus germplasms

注：不同小寫字母表示同一種質材料在不同濃度處理下差異顯著(P<0.05)。下同
Note：Different lowercase letters indicated that the same germplasm material had significant difference under different concentration treatments(P< 0.05).The same as below

2.2 PEG脅迫對披堿草屬種質材料幼苗生長的影響

研究表明,7份材料的胚根長隨著PEG濃度的增加不斷降低。P01、P06和P07的胚根長在各濃度下均高于其他材料，這3份材料在PEG處理下受影響最小；當濃度達到25%時，7份材料的胚根基本不再生長。表3

表3 PEG脅迫處理下7份材料的胚根長Table 3 Effect of PEG stress on radicle length of 7 germplasms

研究表明,7份披堿草屬種質材料的胚芽長隨PEG濃度的增加不斷減少，且各材料減少的程度有所差異：P07、P06和P01的胚芽長迅速下降，而其他4份材料下降較緩慢；同一材料的胚芽長在不同脅迫強度下減少的幅度也表現出差異性，P04的胚芽長在PEG濃度由0上升到10%時降幅最大，而P02、P03和P05在PEG濃度由10%上升到15%時降幅度最大，P01、P06和P07則在PEG濃度由20%上升到25%時降幅度最大。當PEG脅迫濃度達到25%時，7份材料的胚芽已不再生長。表4

表4 PEG脅迫處理下7份材料胚芽長變化Table 4 Effects of PEG stress on plumule length of 7 germplasms

2.3 PEG脅迫對披堿草屬種質材料種子萌發抗旱指數及萌發脅迫指數的影響

研究表明,7份材料在不同濃度下的萌發抗旱指數均有顯著差異(P<0.05)。其中P02、P03、P05和P07的萌發抗旱指數隨著PEG脅迫濃度的增加不斷降低。而種質P01、P04和P06則隨著PEG濃度的升高呈現先升高后降低的趨勢，表明低濃度的干旱脅迫能夠提高它們的萌發抗旱指數。相比其余4個濃度處理，P04和P06在PEG濃度為15%處理下達到最大值，分別為1.78和2.51；P01則在20%處理下達到最大值，為0.43。7份材料在濃度為30%處理下其萌發抗旱指數均達到最低值。表5

表5 脅迫處理下萌發抗旱指數Table 5 Drought resistance index of germination under various stress treatments

萌發脅迫指數表示種質在脅迫強度上的差異。研究表明,除P04的萌發脅迫指數隨著PEG濃度的升高呈現先升高后降低的趨勢，其余各材料的萌發脅迫指數均隨著脅迫濃度的升高而不斷降低，且差異顯著(P<0.05)。材料P05在15%處理下其萌發脅迫指數已下降為0.09，干旱脅迫對其種子萌發影響較大。表6

表6 各脅迫處理下萌發脅迫指數Table 6 Germination stress index of each stress treatment

2.4 綜合評價

研究表明,各種質隸屬值的平均值對7份披堿草種質材料萌發期的抗旱性由強至弱進行如下排序：P07> P04> P06> P01> P02> P03> P05。表7

表7 PEG脅迫下披堿草屬材料各指標隸屬函數值及綜合評價值Table 7 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of Elymus under PEG conditions

3 討 論

在反映種子萌發期的抗旱性時用指標的相對值會更客觀，即用處理與對照的比值來進行抗旱性分析，這樣可消除如基因型差異等因素的干擾而對試驗結果產生的影響[21]。許多研究表明，萌發率、莖長、根長是判斷植物抗旱性最有效的性狀[22]。因此，研究選擇相對發芽率、相對發芽勢、相對胚根長等指標對7份披堿草屬種質材料進行綜合評價。許多研究結果表明,干旱脅迫降低了種子的發芽率及胚根和胚芽的長度[20-23]，這與研究的結果相一致。

相對發芽率、相對胚根長、相對胚芽長、萌發脅迫指數、萌發抗旱指數越大表明其抗旱性越強，研究中的7份種質材料表現出不同程度的抗旱性，其中4份種質材料隨著脅迫濃度的增加呈現先升高后降低的趨勢，說明低濃度的干旱脅迫可以提高發芽率，這可能是對種子產生了引發作用，李培英等[24]在對偃麥草進行PEG模擬抗旱發芽試驗中也發現干旱脅迫可以促進某些種質的萌發，孫艷茹等[25]在8種綠肥作物中也得出了相同的結論。種子在遭受輕度逆境脅迫時，能夠在很大程度上提高其萌發能力和抗逆能力[26]，試驗中P02材料在10%濃度下對其發芽率、胚根、胚軸的生長表現為抑制作用，在15%脅迫濃度下時顯示出較強的引發作用，其相對發芽率、胚根、胚軸長均顯著高于10%濃度，這與前人研究成果有所不同[25，27]，這可能是由于每份材料發生種子引發[26]的最適滲透勢不同而表現出的差異。

當PEG濃度上升到25%時，7份材料的胚根很短，胚芽長度均幾乎為0，說明PEG濃度超過20%時無法滿足披堿草屬種質的生長發育最低條件，使其生長受到阻礙，這與段慧榮等[28]對沙冬青種子抗旱性的研究結果一致。

不同的種質材料對干旱的響應程度不同，同一種質材料對不同指標的變化也不相同，因此，單一指標并不能全面的反映植物的抗旱性能。隸屬函數法是將同一種質材料下的所有指標進行量化比重加權后相加求平均，最終所有種質材料的隸屬函數值在0～1區間，使得這些種質材料之間具有可比性，以此來獲得對抗旱性強弱的客觀評價。同時，植物在生長發育的不同階段對干旱的響應表現也不同，李培英等[24]對相同偃麥草種質分別在發芽期及苗期進行抗旱試驗，結果顯示同一種質在不同時期的抗旱性強弱有所差異；王贊等[29-30]在對20份鴨茅材料的評價中也得出相同結論。在進行植物抗旱性鑒定時不僅要對種子萌發期、苗期乃至全生育期進行抗旱性評價，而且也需要從其形態、生理、生化等多個方面進行綜合分析，使鑒定結果更加客觀、準確，這也為今后研究新疆野生披堿草種質資源抗旱性提供了借鑒依據。

4 結 論

4.1 在10%及15%干旱脅迫下，對P03、P04、P06、P07 4份種質材料的種子萌發有促進作用。

4.2 當PEG濃度達到20%以上時，7份材料種質材料的種子萌發均受到抑制，胚根、胚芽的生長受到阻礙。

4.3 運用隸屬函數對抗旱性進行初步綜合評價，得出各供試材料的抗旱性強弱表現為P07>P04>P06>P01>P02>P03>P05。