貴州扁穗雀麥種質萌發期和苗期的抗旱性鑒定與評價

趙相勇， 周 雪， 馬培杰， 韓永芬， 羅天瓊， 付 薇， 李亞嬌*

(1．貴州省農業科學院 草業研究所，貴州 貴陽 550006； 2．貴州省農業科學院 茶葉研究所，貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】扁穗雀麥(Bromuscatharticus)別名野麥子，屬禾本科雀麥屬一年生或多年生草本植物。我國北方地區氣候較干燥，其多為一年生；南方地區氣候溫熱潮濕，可多年生。由于其生育期短，每年可刈割3～4次，其營養價值高、適口性好，常作為優良牧草利用[1-2]。貴州省海拔147.8～2 900.6 m，導致草地類型復雜，牧草種類繁多，其中扁穗雀麥在不同地勢、不同氣候、不同土壤條件下生長為具有不同抗逆性的種質資源。貴州冬春季節性干旱反復出現，適宜冬春兩季生長的優質牧草資源短缺，開展扁穗雀麥種質資源的抗旱性鑒定與評價，篩選出冬春兩季生長優良的種質資源，是解決冬春兩季青飼料短缺的有效途徑。【前人研究進展】萌發期是作物生育期的起始階段，對水分的虧缺相當敏感，將直接影響作物的生長發育，在干旱環境下，萌發期種子容易出現死亡情況，因此，萌發期是衡量作物抗旱性強弱的關鍵時期[3-4]。陳葉等[5-6]研究表明，干旱脅迫會推遲種子的萌發或降低發芽力。對萌發期和苗期的作物進行干旱脅迫研究，測定發芽率、發芽指數、苗高等指標，可以準確而快速地鑒定作物的抗旱性[7]。姜宗慶等[8]研究表明，作物根系活力和呼吸作用隨著干旱時間的延長明顯降低。作物在干旱脅迫下，葉片細胞體積變小，膜系統受到破壞，光合器官受到影響，角質層變厚，光合速率和蒸騰速率出現不同程度的下降[9-10]。目前，國內外關于植物抗旱性特征的研究，從最初的水分控制法[9-10]發展到PEG-6000模擬鎖水法[3]，再到種子引發+PEG-6000模擬鎖水法[11]、褪黑素+PEG-6000模擬鎖水法[12]、C2H2型鋅指蛋白+PEG-6000模擬鎖水法[13]等，方法越來越多元化、精細化，且有不少研究已經通過抗逆基因的調控與表達評價作物的抗旱性、抗寒性、耐熱性等抗逆性[14-15]。【研究切入點】近年來，雖然關于各類作物在形態、生理生化、蛋白質組學、分子基因等方面的抗旱性研究較多[3，5，15-16]，但貴州地區不同扁穗雀麥種質的抗旱性研究未見報道。【擬解決的關鍵問題】采用不同濃度PEG-6000溶液對41份扁穗雀麥種質進行干旱脅迫，對其種子的發芽率、發芽指數和幼苗的成活率、株高、水分率、干物質量等指標進行測定比較分析，綜合評價扁穗雀麥種質萌發期和苗期抗的旱性，以期為貴州尤其是喀斯特石漠化地區抗旱種質的篩選和品種選育奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 扁穗雀麥種質 41份扁穗雀麥種質資源均采集于貴州省境內，其具體信息及來源詳見表1，其中，第41份材料為貴州省草業研究所提供的國審品種——黔南扁穗雀麥。

表1 41份供試扁穗雀麥的來源

1.1.2 試劑 PEG-6000溶液、次氯酸鈉、HoagLand營養液，市購。

1.2 方法

1.2.1 材料預處理 1) 種子處理。挑選一定數量的種子用次氯酸鈉消毒10 min，用蒸餾水沖洗6次后置于紗布上攤開備用。2) 蛭石。高溫高壓消毒并冷卻后備用。3)育苗。將部分處理種子種植在1個裝有蛭石粒的塑料盆(8 cm×10 cm)中，每盆播種15粒，用HoagLand營養液培育至長出2葉一心時定苗，每盆保留大小一致的苗10株備用。

1.2.2 試驗設計 試驗于2019年在貴州省農業科學院內進行。

1) 干旱脅迫對種子萌發的影響。試驗設4個處理，分別采用濃度為0、5% PEG-6000、10% PEG-6000和20% PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，即在直徑10 cm的一次性培養皿中鋪2層高溫滅菌消毒后的濾紙，分別加入上述濃度溶液10 mL；以蒸餾水作對照(溶液量以上層濾紙濕潤，傾斜時培養皿底無溶液合聚為宜)。每個培養皿放入處理的種子20粒，每個處理3次重復，將培養皿置于常溫的室內進行發芽。保持濾紙水分飽和狀態，每天用蒸餾水補充水分損失。

2) 干旱脅迫對幼苗生長的影響。試驗設2個處理，分別采用濃度為10% PEG-6000和20% PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，每天分別加入10 mL 10% PEG-6000溶液和20% PEG-6000溶液，以加等量蒸餾水作對照，每個處理9盆，10 d后測定幼苗的成活數、株高、鮮重及干重。

1.2.3 測定項目

1) 種子萌發。處理3 d后每天調查1次種子發芽數，至沒有新種子發芽為止。計算種子的發芽率、發芽指數[9]。

發芽率=發芽種子粒數/供試種子粒數×100%

發芽指數=∑Gt/Dt

式中，Gt為當天的種子發芽數，Dt為發芽日數。

2) 幼苗生長。處理10 d后測定幼苗的成活數、株高、鮮重及干重。株高，每盆選取大小均勻一致的5株苗，沖洗干凈、去除雜質和水分后，將地上部分最高點拉直為準測株高。鮮重，將5株苗去除雜質和水分后稱重。干重，將鮮重所取地上部分放入烘箱中105℃殺青30 min，65℃烘干8 h，烘至恒重稱重。計算成活率、水分率、抗旱系數[3，17]、抗旱指數[18]、敏感指數[18]和隸屬函數值[3]。敏感指數為正，說明為正效應，反之為負效應，且絕對值越大說明干旱脅迫的影響越大。若指標與抗旱性呈正相關關系，則用隸屬函數值=μ(x)表示；若指標與抗旱性呈負相關關系，則用隸屬函數值=1-μ(x)表示。

成活率=成活的苗數/總供試種子數量×100%

水分率=(鮮重-干重)/鮮重×100%

抗旱系數=干旱脅迫下的測定值/對照的測定值

抗旱指數=抗旱系數×干旱脅迫下的測定值/所有材料干旱脅迫下的平均測定值

敏感指數=(1-干旱脅迫下的測定值/對照的測定值)/(1-所有材料干旱脅迫下的平均測定值/所有材料對照的平均測定值)

隸屬函數值[μ(x)]=(指標測定值-所有參試材料某一指標的最小值)(所有參試材料某一指標的最大值-所有參試材料某一指標的最小值)

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2010進行數據整理匯總及計算；采用SPSS 19.0進行單因素方差分析和聚類分析，方差分析采用Duncan法對各測定數據進行多重比較，聚類分析采用系統聚類、平均聯接(組間)的譜系圖表示。

2 結果與分析

2.1 不同干旱脅迫處理扁穗雀麥種子的發芽率

從表2看出，經0、5% PEG-6000、10% PEG-6000和20% PEG-6000溶液處理7～13 d，41份扁穗雀麥材料種子發芽率的變幅分別為53.33%～98.33%、11.67%～98.33%、3%～95%和0～81.67%。4個處理濃度從低到高，7 d時種子發芽率達80%以上的材料分別有27份、17份、3份和0份，13 d時種子發芽率達80%以上的分別有36份、25份、17份和1份；同一處理濃度下，隨著發芽天數增加分別有1份、7份、20份和12份材料發芽率顯著增加。其中，有8份材料20% PEG-6000溶液處理下13 d時發芽率為0，而No.10、No.12、No.16和No.23在20% PEG-6000溶液處理下13 d時發芽率達43.33%～81.67%。20% PEG-6000溶液處理下，No.16扁穗雀麥7 d時發芽率最高，達56.00%，顯著高于其余品種；No.23、No.12和No.10次之，分別為46.67%、38.33%和33.33%；其他37份材料7 d時發芽率均低于11.67%，且差異不顯著。其他濃度不同天數的發芽率在各材料之間差異顯著。

2.2 干旱脅迫處理扁穗雀麥幼苗的植株性狀

從表3看出，經不同濃度PEG-6000溶液處理后，41份扁穗雀麥幼苗的成活率、株高和水分率均存在一定的差異。

表3 干旱脅迫處理41種扁穗雀麥幼苗的植株性狀

2.2.1 成活率 41份扁穗雀麥幼苗的成活率為80%～100%。隨著處理濃度增加，大部分材料的成活率與CK相比無變化，均為100%；No.2、No.19、No.25、No.34和No.39的成活率較對照有所下降但無顯著差異。其中，No.19和No.34在20% PEG-6000溶液脅迫下的成活率高于10% PEG-6000溶液脅迫，且No.19的差異顯著。在10% PEG-6000溶液脅迫下，No.19、No.34的成活率顯著低于其他材料。在20% PEG-6000溶液脅迫下，No.2、No.25、No.34和No.39的成活率顯著低于其他材料。

2.2.2 株高 41份扁穗雀麥幼苗的株高為14.97～32.59 cm。對照處理下大部分材料的株高無顯著差異，No.3、No.5、No.25、No.32、No.38等9份材料株高顯著高于其他材料，而No.19的株高顯著低于其他材料。在高濃度下，41份材料的株高差異顯著。隨著

處理濃度的增加，有17份材料的株高呈下降趨勢，其中No.7、No.19、No.26、No.27、No.28等5份材料的株高顯著降低，有24份材料的株高呈先上升再下降趨勢，其株高在10% PEG-6000溶液脅迫下達最高，但與對照相比較其差異不顯著，No.33和No.39的株高以對照最小，但與其他濃度相比差異不顯著。全部處理中No.39在10%溶液脅迫下的株高最高，但與其他濃度相比差異不顯著；No.19材料在20% PEG-6000溶液脅迫下株高最矮，與其他濃度相比差異顯著。

2.2.3 水分率 41份扁穗雀麥幼苗的水分率為51.35%～86.33%。在10% PEG-6000溶液脅迫下，大部分材料的水分率差異不顯著，No.28、No.27和No.19的水分率顯著高于其他材料，No.15和No.20的水分率顯著低于其他材料。在其他處理下，41份材料的水分率差異顯著。隨著處理濃度的增加，33份材料的水分率呈下降趨勢，其中28份顯著降低。8份材料的水分率在10% PEG-6000溶液脅迫下達最大。所有材料中No.4對照的水分率最高，且與其他處理差異顯著。

2.3 20% PEG-6000溶液干旱脅迫下扁穗雀麥的抗旱相關性狀

從表4看出，經20% PEG-6000溶液處理后，9項抗旱指標在41份扁穗雀麥材料之間差異顯著。

表4 20% PEG- 6000溶液干旱脅迫下的扁穗雀麥的抗旱相關性狀

2.3.1 13 d發芽率 41份扁穗雀麥材料13 d發芽率的抗旱系數、抗旱指數和敏感指數依次為0.00～0.87、0.00～3.51和0.17～1.31，三者的變異系數依次為88.88%、152.53%和27.19%，各材料間3項抗旱指標均存在不同程度的差異。3項抗旱指標中除敏感指數指標外，其余2項指標排序1～6的材料分別是No.23、No.16、No.12、No.32、No.10和No.30，排序36～41的材料分別是No.38、No.37、No.36、No.34、No.27和No.22；敏感指數的大小正好相反。

2.3.2 株高 41份扁穗雀麥材料苗期株高的抗旱系數、抗旱指數和敏感指數依次為0.69～1.05、0.45～1.17和0.26～2.42，三者的變異系數依次為8.85%、15.68%和60.85%，各材料間3項抗旱指標均存在不同程度的差異。其中，除敏感指數指標外，其他2項指標排序1～6的材料分別是No.33、No.39、No.9、No.13、No.2和No.35，排序36～41的材料分別是No.37、No.27、No.28、No.41、No.23和No.19，而敏感指數的大小正好相反。

2.3.3 地上干物質量 41份扁穗雀麥材料苗期地上干物質量的抗旱系數、抗旱指數和敏感指數依次為0.81～2.12、0.45～3.01和0.02～2.31，三者的變異系數依次為22.19%、39.92%和64.92%，各材料間3項抗旱指標表現均趨于一致，3項指標排序1～6的材料分別是No.29、No.24、No.18、No.26、No.14和No.10，排序36～41的材料分別是No.5、No.37、No.16、No.36、No.7和No.13。

2.4 20% PEG-6000 溶液干旱脅迫下各指標隸屬函數值及其聚類

從表5看出，20% PEG-6000溶液干旱脅迫下，41份扁穗雀麥材料的隸屬函數值為0.169～0.620，其中，隸屬函數值排序1～6的材料分別是No.10、No.16、No.12、No.33、No.24和No.2；排序36～41的材料分別是No.22、No.38、No.27、No.36、No.7和No.37。從圖1看出，41個品種聚成4類，其中，第Ⅰ類為高度抗旱型材料，共16份，占總數的39.02%；第Ⅱ類為抗旱型材料，共10份，占總數的24.39%；第Ⅲ類為敏感型材料共6份，占總數的14.63%；第Ⅳ類為高度敏感型材料，共9份，占總數的21.95%。

表5 20% PEG-6000 溶液干旱脅迫扁穗雀麥各指標的隸屬函數值

圖1 20% PEG- 6000溶液干旱脅迫扁穗雀麥隸屬函數值的聚類

3 討論

3.1 干旱脅迫對扁穗雀麥種子發芽率及植株性狀的影響

魯守平等[19]研究表明，隨著PEG-6000濃度的增加，甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)種子的發芽勢、發芽率和發芽指數呈先增后減趨勢，各處理間的差異達顯著或極顯著水平。杜光輝等[20]用PEG-6000模擬干旱脅迫研究表明，10個大麻(Cannabissativa)品種的發芽率在5% PEG-6000、10% PEG-6000和15% PEG-6000時無顯著差異，而20% PEG-6000時有顯著差異，其中，5個大麻品種的發芽率隨脅迫程度增加呈先增后減趨勢。研究結果表明，隨著PEG-6000處理濃度的增加，41份扁穗雀麥種子發芽率呈降低趨勢，與前人研究結果有差異，可能是不同作物發芽率對干旱的反應不同，扁穗雀麥相較于甘草、大麻種子是需水性更強的作物。在不同濃度下，扁穗雀麥隨著發芽時間的增加發芽率呈增加趨勢，部分材料增加顯著。在20% PEG-6000處理下，No.16材料7 d時的發芽率最高，為56.00%。

王彩等[21]研究表明，花生(Arachishypogaea)在15% PEG-6000脅迫下的抗旱相關性狀，除根冠比增加外，株高、地上生物量、根系生物量性狀均降低，不同材料在同一處理下表現顯著性差異。酒用糯高粱(Sorghumbicolor)對干旱脅迫反應的敏感程度依次為產量、穗粒數、分蘗數、單株粒重、千粒重、莖粗、穗長和株高[22]。控水干旱脅迫下，夏玉米(Zeamays)株高降低[23]。研究結果表明，隨著處理濃度增加，大部分材料的成活率與對照相比無變化，均為100%，5份材料成活率呈降低趨勢，4份材料差異顯著，可見大多數扁穗雀麥成活的干旱脅迫濃度還能進一步提升。隨著處理濃度的增加，株高和水分率有部分材料呈下降趨勢，但部分材料呈先升高后降低趨勢，且其中部分材料差異顯著。由此可見，不同品種(系)的扁穗雀麥株高和水分率對干旱脅迫下的表達也存在差異。

3.2 干旱脅迫下扁穗雀麥抗旱相關性狀、隸屬函數值及其聚類分析

抗旱系數雖反映不同作物對干旱的敏感程度，抗旱系數越高則抗旱性越強，作物穩產性好，但其不能反映產量水平[24]，對干旱敏感最初的定義理解敏感指數越小抗旱性越好[25]，抗旱系數與敏感指數二者相關系數r=-1，且2種指標的判別能力有時稍顯不足，抗旱指數則能更好地使抗旱系數與農藝指標作物旱地產量得到較好的結合[18]。初旭升等[26]研究表明，株高、千粒重對干旱脅迫的反應遲鈍，單株粒數、單株粒重反應敏感，其余性狀屬中間類型，不同性狀對干旱脅迫的敏感程度各異，同一種質不同指標的抗旱系數并不完全一致，甚至有較大差距。該研究為使扁穗雀麥抗旱性分析更全面，對各性狀指標的抗旱系數、抗旱指數、敏感指數分別進行分析，結果表明，20% PEG-6000溶液處理后，13 d發芽率、株高的抗旱系數、抗旱指數各材料的大小排序趨勢相同，而敏感指數則相反，說明抗旱系數、抗旱指數越大，抗旱性越強而敏感指數越小；而地上干物質量的3項抗旱指標的大小排序趨勢均相同，說明地上干物質量越大，作物的抗旱性越弱。且株高、地上干物質量的敏感指數均有負效應的材料出現，說明部分材料隨干旱脅迫濃度增強，株高增大、地上干物質量減小。今后還需要對該類材料做進一步的抗旱研究。扁穗雀麥的13 d發芽率、株高、地上干物質量的抗旱系數、抗旱指數、敏感指數在20% PEG-6000溶液處理下變異均較大。

對作物的抗旱性進行綜合評價，可以消除采用單個指標進行評價得出不夠一致的結果，而隸屬函數值和系統聚類是現在普遍被采用的對各個指標進行抗旱綜合分析可以得出比較準確結果的方法[19，22]。該研究中，20% PEG-6000溶液干旱脅迫下，41份材料被聚類譜系圖分成4個等級，其中，第Ⅰ類為高度抗旱型材料，共16份；第Ⅱ類為抗旱型材料，共10份；第Ⅲ類為敏感型材料，共6份；第Ⅳ類為高度敏感型材料，共9份。

4 結論

供試的41份扁穗雀麥種質資源經萌發期、苗期模擬不同濃度干旱脅迫后，各項表型性狀均存在明顯差異。根據各指標隸屬函數值將41份材料分為4類不同的抗旱型，其抗旱性強弱順序為Ⅰ類>Ⅱ類>Ⅲ類>Ⅳ類。No.10的萌發期和苗期綜合抗旱性最強，No.37的綜合抗旱性最弱。該研究可為今后貴州地區扁穗雀麥抗旱性品種選育及抗旱性分子機理研究提供重要供試材料及理論參考。