4個紫花苜蓿品種萌發期抗旱性比較

惠雅佞，羅永忠

(甘肅農業大學林學院，甘肅蘭州730070)

水分是影響植物生理生態特性及生長發育的重要環境因子[1-2]，隨著水資源危機和干旱化危害的不斷加劇，植物如何適應干旱已成為全球研究的熱點問題之一[3-6]。甘肅是西北地區牧草栽培大省，據統計，栽培的優良牧草種類有47種，占整個西北牧草種的88.7%，栽培面積也以甘肅最大，其中，紫花苜蓿種植面積占牧草總面積的66.6%[7]，但甘肅省地處干旱半干旱地區，氣候干燥，降水量小，導致干旱成為甘肅省最常見、影響范圍最廣、損失最大的自然災害[8]，所以牧草種植和生態環境建設中選擇抗旱性強的植物極為重要，而研究植物的抗旱能力可從植物的根、莖、葉和種子入手[9-10]。其中，植物種子萌發期是植株成苗、生長的關鍵時期[11]，種子在萌發期如何對干旱做出響應也是植物適應干旱的重要策略。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是干旱半干旱地區廣泛種植且發展前景優良的牧草品種，它具有產量高、適口性好、適應性強等特點，素有“牧草之王”的美稱[12]。甘農1號(Medicagosativacv.Gannong No.1)、新疆大葉苜蓿(Medicagosativacv.Xinjiangdaye)、中苜1號(Medicagosativacv.Zhongmu No.1)及中天1號(Medicagosativacv.Zhongtian No.1)是在甘肅乃至西北地區廣泛種植的4個優良紫花苜蓿品種，均具有較強的抗旱性。甘肅地處黃土高原，牧草播種多在春秋季，但黃土高原冬季氣溫遠低于0 ℃，在秋季播種苜蓿會導致其無法安全越冬，因此，紫花苜蓿常在4月播種[13-14]，但該地區春季降水量平均在80-100 mm之間，極大地限制了紫花苜蓿種子的萌發[15-16]，進而影響著苜蓿在甘肅的種植和畜牧業發展。聚乙二醇6000(Polyethylene glycol,PEG-6000)是一種高分子聚合物，具有很強的親水性，能夠奪取水分，對植物造成干旱脅迫，常作為水分脅迫劑應用于干旱模擬[17]。目前國內外利用PEG-6000模擬干旱脅迫的方法對各類植物種子萌發的影響研究較多[18-22]，對于甘肅廣泛種植的這4個紫花苜蓿品種在干旱脅迫下的萌發期抗旱性比較研究較少，因此本實驗通過采用PEG-6000模擬干旱的方法，測定不同濃度PEG-6000下4個紫花苜蓿品種的種子的發芽勢、發芽率、發芽指數等萌芽指標，對4種紫花苜蓿萌發期抗旱性做綜合評價，為甘肅乃至西北地區干旱半干旱區的牧草種植提供參考，并為植物節水農業技術措施的制定提供理論依據與支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試的4個紫花苜蓿品種為：甘農1號、新疆大葉苜蓿、中苜1號及中天1號，種子凈度為96%～98%，均來自甘肅農業大學草業學院。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子和培養皿處理 選擇成熟、飽滿、大小適宜、均勻一致且無病蟲害的4個紫花苜蓿品種的種子，參照《國際種子檢驗規程》[23-24]，先浸泡24 h，再用質量分數為0.5%的高錳酸鉀溶液浸泡30 min，進行消毒，之后用無菌水反復沖洗5～6次，用濾紙吸干備用。將玻璃培養皿(內徑90 mm)放入高溫滅菌鍋中121 ℃滅菌25 min[25]待用。

1.2.2 實驗設計 用不同濃度的PEG-6000溶液對4個紫花苜蓿品種的種子進行處理，即0%、5%、10%、15%、20%、25%(分別稱取0、5、10、15、20、25 g聚乙二醇，溶于蒸餾水中，并定容至100 mL)。苜蓿種子各設6個處理，每個處理各設3個重復，每個重復各種50粒種子，發芽期10 d。在事先滅菌消毒過的培養皿中鋪設雙層大小與培養皿內徑一致的濾紙，分別加入等量的不同濃度的PEG-6000溶液，直至濾紙飽和，稱其重量。之后將50粒種子均勻擺放在濾紙上，放入光照強度5 500 lx，相對濕度60%，溫度為25 ℃的人工智能氣候培養箱(光照/黑暗時間為12 h/12 h)中催芽[26](表1)。每天定時觀察并記錄種子萌發情況，用1/10000電子天平稱量培養皿的重量，并用蒸餾水補足損失的水分以保證PEG的濃度。

表1 實驗設計

1.3 測量指標與方法

將3次重復中有1粒種子萌發時作為該處理種子發芽的開始，連續3 d沒有種子萌發作為發芽的結束，統計每天的發芽數、發芽總數，并計算以下指標：

1)發芽勢=4 d內種子發芽總數/供試種子數×100%

2)發芽率=10 d內種子發芽總數/供試種子數×100%

3)發芽指數=∑(GT/DT)

式中：GT為第t天的發芽數，DT為相應的發芽時間(d)

4)抗旱指數=PEG脅迫下種子發芽指數/對照種子發芽指數

5)根芽比：種子發芽結束時，每個處理隨機選10株，測量其根長與芽長，計算根芽比[22]

1.4 抗旱性綜合評價方法

利用隸屬函數法[26]對4個紫花苜蓿品種進行綜合評價，隸屬函數值X(μ)如下式：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：X為某一紫花苜蓿某一指標測定值的均值，Xmax、Xmin為某一紫花苜蓿品種某一指標均值的最大值和最小值。如果某一指標與抗性指標呈負相關，則可以通過反隸屬函數計算其抗旱性隸屬函數值：

X(v)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

根據平均隸屬函數值大小確定抗旱性強弱并進行排序，平均值越大，抗旱性越強。

1.5 數據分析

用Excel 2010整理數據并作圖,用SPSS 22.0統計分析軟件進行方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下4個紫花苜蓿品種的種子發芽勢和發芽率的變化

PEG模擬干旱脅迫下，4個紫花苜蓿品種的種子的發芽勢和發芽率隨脅迫程度的加劇均呈下降趨勢，且新疆大葉苜蓿種子的發芽勢和發芽率在6種處理下均最大，并與其他3個紫花苜蓿品種的發芽勢和發芽率差異顯著(圖1)(P<0.05)。在PEG溶液濃度為5%時，中苜1號的發芽勢與新疆大葉苜蓿、甘農1號和中天1號的發芽勢差異顯著(P<0.05)，其發芽勢比新疆大葉苜蓿降低了10.67%，比其他兩種分別增加了4%(甘農1號)和5.33%(中天1號)；隨著干旱程度的加劇，在PEG溶液濃度達到25%時，新疆大葉苜蓿和中苜1號的發芽勢差異不顯著，但這兩個品種均與甘農1號和中天1號的發芽勢差異顯著(P<0.05)，新疆大葉苜蓿(13.33%)是甘農1號(7.33%)和中天1號(7.33%)的1.82倍，中苜1號(11.33%)是甘農1號(7.33%)和中天1號(7.33%)的1.55倍(圖1-A)，在PEG溶液濃度為5%和15%時，4種紫花苜蓿品種間發芽率差異顯著(P<0.05)，甘農1號、新疆大葉苜蓿、中苜1號和中天1號在PEG濃度為5%和15%時的發芽率之比分別為80.67∶90.67∶77.33∶72.67和31.33∶54.67∶47.33∶15.33(圖1-B)。

圖1 不同脅迫下紫花苜蓿種子的發芽勢和發芽率

甘農1號在PEG溶液濃度為15%、20%和25%下的發芽勢、發芽率均差異顯著(P<0.05)；新疆大葉苜蓿在高濃度(15%、20%和25%)間的發芽勢、發芽率差異顯著(P<0.05)；中苜1號在PEG溶液濃度為10%下的發芽勢和15%下的發芽勢、發芽率差異顯著(P<0.05)，且這兩個濃度下的發芽勢與其他4個處理下的發芽勢差異顯著(P<0.05)；中天1號在低濃度(0%、5%、10%)下的發芽勢、發芽率與在高濃度(15%、20%、25%)下的發芽勢和發芽率差異顯著(P<0.05)，且在低濃度之間也差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同干旱脅迫下4個紫花苜蓿種子發芽指數和抗旱指數的變化

4個紫花苜蓿種品種的子的發芽指數和抗旱指數在PEG濃度從0%上升到25%的過程中，均呈現下降的趨勢。新疆大葉苜蓿的發芽指數在5種濃度處理下(除PEG濃度為15%外)均比其他3種紫花苜蓿的發芽指數大，且除PEG濃度為25%的處理下與其他3種紫花苜蓿的種子發芽指數差異不顯著外，在其他PEG濃度下與其他3種紫花苜蓿的種子發芽指數差異均顯著(P<0.05)。在PEG濃度為0%的情況下，新疆大葉苜蓿(37.25)的種子發芽質量最好，其次是中苜1號(32.20)和中天1號(29.03)，種子發芽質量最差的為甘農1號(26.49)；當PEG濃度達到25%時，4個紫花苜蓿品種的種子發芽指數差異不顯著(圖2-A)。PEG濃度達到20%以上時，4個紫花苜蓿品種間抗旱指數差異均不顯著，PEG濃度在低濃度(5%和10%)時，甘農1號種子的抗旱指數與其他3個紫花苜蓿品種的抗旱指數差異顯著(P<0.05)。另外，PEG濃度為25%時，新疆大葉苜蓿的抗旱指數(0.109)最大，其余3個紫花苜蓿品種的種子的抗旱指數均不到0.1(圖2-B)。

圖2 4個紫花苜蓿品種的種子的發芽指數和抗旱指數

4個紫花苜蓿品種在PEG濃度為0%時的發芽指數、抗旱指數與5%和25%下的發芽指數和抗旱指數差異顯著(P<0.05)，在PEG濃度為25%時，甘農1號、新疆大葉苜蓿、中苜1號和中天1號的發芽指數較PEG濃度為0%時分別下降了91.39%、88.94%、90.15%和92.83%。PEG濃度從5%上升到25%的過程中，中天1號種子的抗旱指數下降最快，中苜1號的下降最慢，在PEG濃度達到15%時，中天1號的種子抗旱指數較PEG濃度為0%時降低了85.7%，中苜1號則降低了52.7%。

2.3 不同干旱脅迫下4種紫花苜蓿根芽比的變化

在各處理下甘農1號的根芽比均最大，新疆大葉苜蓿的根芽比均最小。在PEG濃度為5%、20%和25%下，不同紫花苜蓿品種間根芽比差異顯著(P<0.05)，在PEG濃度從0%上升到25%的過程中，4種紫花苜蓿的根芽比大小為甘農1號>中天1號>中苜1號>新疆大葉苜蓿(圖3)。

圖3 4個紫花苜蓿品種的根芽比

4個紫花苜蓿品種的根芽比在PEG濃度從0%上升到25%的過程中，呈現先升高后降低的變化趨勢：4個紫花苜蓿品種的根芽比在PEG濃度為5%時均大于其他PEG濃度。甘農1號、中天1號、中苜1號和新疆大葉苜蓿的根芽比PEG濃度為5%較0%分別增加了14.78%、3.6%、2.95%和3.37%。中苜1號和新疆大葉苜蓿的根芽比在各個PEG濃度之間的變化較甘農1號和中天1號緩慢：25%的PEG濃度較5%的PEG濃度，甘農1號和中天1號分別降低了47.18%和43.54%，中苜1號和新疆大葉苜蓿分別降低了40.31%和40.48%。

2.4 4個紫花苜蓿品種的種子抗旱性綜合評價

對不同PEG濃度下4個紫花苜蓿品種萌芽期的發芽勢、發芽率、發芽指數、抗旱指數和根芽比進行二因素方差分析(表2)，紫花苜蓿的發芽勢、發芽率、發芽指數、抗旱指數和根芽比在不同PEG濃度下有極顯著變化(P<0.01)，發芽勢、發芽率、發芽指數和抗旱指數4項萌芽指標在不同品種間也有極顯著變化(P<0.01)，不同品種間根芽比呈顯著差異(P<0.05)，但不同PEG濃度及紫花苜蓿品種二者交互作用對紫花苜蓿的發芽勢、發芽率、發芽指數、抗旱指數和根芽比無顯著影響。

表2 PEG濃度、苜蓿品種及二者的交互作用對紫花苜蓿種子發芽指標的雙因素方差分析(F值)

利用隸屬函數法對4個紫花苜蓿品種的發芽勢、發芽率、發芽指數、抗旱指數和根芽比進行綜合評價，得到4個紫花苜蓿品種的抗旱指標隸屬函數值(表3)。根據隸屬函數值的平均值進行排序，得出4個紫花苜蓿品種的種子萌發期抗旱性強弱依次為甘農1號>中苜1號>新疆大葉苜蓿>中天1號，中苜1號和新疆大葉苜蓿隸屬函數值的平均值差異不顯著，表明兩者的抗旱性差異不明顯。

表3 4個紫花苜蓿品種抗旱指標隸屬函數值及抗旱性綜合評價

3 討論

種子萌發期是植株成活的關鍵時期，也是對水分響應敏感的階段，種子萌發期的抗旱性強弱直接影響著植株后期的生長發育[27]，因此，研究種子萌發期的抗旱性有著直接的現實意義。發芽率能夠反映種子品質的優劣；發芽勢表征著種子的活力、出苗整齊度；發芽指數能反映種子發芽的質量；抗旱指數能很好地反映出材料間抗旱性的差異[28-30]。本研究中，4種紫花苜蓿種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和抗旱指數種間差異顯著，可能是因為種子的生理狀態(成熟度)不一，通常情況下，成熟度越好，種子就具有較高且保持時間較長的活力，能夠為其萌發提供的營養物質就越充足，發芽指標值也就越高；種子的成熟度不高或較差時，難以獲得較高的活力，種子發芽就會受到影響[31]。大量研究表明[32-35]，利用不同濃度的PEG溶液模擬干旱脅迫對不同牧草的發芽率、發芽勢、抗旱指數等的研究，可初步判定植物整體的抗旱性。有研究表明，隨干旱脅迫的加劇，種子的發芽率、發芽勢、抗旱指數呈下降趨勢，如董浩等[36]研究發現隨著脅迫濃度的升高，黑麥草、鼠茅草、二月蘭和毛葉苕子4種種子的發芽率和抗旱指數不斷下降；李靜靜等[37]認為，PEG-6000脅迫處理后不同基因型小麥品種的發芽率、發芽勢、發芽指數均受到抑制，但不同品種的降幅存在顯著差異。本研究同樣采用PEG模擬干旱的方法，發現4種紫花苜蓿種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和抗旱指數隨干旱脅迫的加劇呈下降趨勢，這與前人[38]的研究結果一致。也有研究表明，低濃度的PEG溶液對植株萌芽有促進作用，如曾怡[39]關于垂穗披堿草和老芒麥的研究發現，PEG溶液濃度為5%時，對兩者的主根長和根芽比均有促進作用；肖亮等[40]發現5%的PEG溶液對芒草幼苗的胚根生長有促進作用，對胚芽生長有抑制作用；孫清洋等[41]研究表明隨著PEG濃度的增加4種老芒麥幼苗胚根長先升后降。本研究表明，4種紫花苜蓿在PEG濃度為5%時，根芽比最大，未受PEG脅迫時次之，該結論與上述結果相一致，說明PEG濃度為5%時可促進根的形成，高濃度的PEG溶液對其有抑制作用。據報道，在低濃度(5%)的PEG溶液脅迫下植物吸收的營養物質先供給地下部分(胚根)，利于植株存活，根芽比較未受脅迫時增大，但當干旱脅迫加劇，根部不能吸收到更多的營養物質時，胚芽的生長加劇，以提高光合作用，為植株供給營養，根芽比較未受脅迫時減小[42-43]。當然，低濃度的PEG溶液對植物幼苗根的形成是否具有促進作用，也可能與植物的品種和植物對水分的敏感度有關[44]。

植物的抗旱性是一個受多種因素影響的復雜性狀，不能單純地用一兩個指標說明，應根據研究目的選用多個指標綜合評價，才能比較客觀地表現植物的抗旱性[45]，而對于苜蓿抗旱性評價的指標篩選，前人們已做了很多研究，從本研究結果不難看出僅根據各項單一指標對4種紫花苜蓿的抗旱性進行排序的結果非常不一致，而對這些指標進行隸屬函數值的計算，取其平均值，然后排序，既消除了個別指標產生的片面性，又由于平均值是[0，1]區間上的純數，使各紫花苜蓿品種抗旱性差異具有可比性，所以采用隸屬函數法進行綜合評價更具有可行性和可靠性和科學性[44-46]。本研究選取發芽勢、發芽率、發芽指數、抗旱指數和根芽比作為評價4種紫花苜蓿萌發期抗旱性的指標，分別分析了不同濃度的PEG溶液對4種紫花苜蓿種子發芽勢、發芽率、發芽指數、抗旱指數和幼苗根芽比的影響，采用隸屬函數法進行綜合評價排序，結果表明4種紫花苜蓿種子萌發期的抗旱性強弱順序依次為甘農1號>中苜1號>新疆大葉苜蓿>中天1號，曾澤堂等[47]綜合分析得出甘農1號紫花苜蓿種子的抗旱性強于新疆大葉苜蓿，楊姝等[22]對27份紫花苜蓿種質抗旱性的研究表明中苜1號種質的抗旱性高于新疆大葉苜蓿，這與本研究基本相同。本研究得出甘農1號和中苜1號較其他2種苜蓿更適合在甘肅乃至整的西北地區種植，但本研究只對4種紫花苜蓿萌發期各指標進行綜合評價，還需對4種紫花苜蓿在其他生育階段的抗旱性進行進一步比較。

4 結論

采用PEG-6000模擬干旱對4個紫花苜蓿品種萌發期的抗旱性進行研究，利用隸屬函數法對4個紫花苜蓿品種進行綜合評價，其萌發期抗旱性表現為甘農1號>中苜1號>新疆大葉苜蓿>中天1號，因此，甘農1號和中苜1號較其他2個紫花苜蓿品種更適合在甘肅乃至西北地區種植，但植物萌發期的抗旱性與其其他生育階段的抗旱性可能并不完全一致。因此，在萌發期抗旱性強的紫花苜蓿品種在其后期生長中是否依舊保持較強的抗旱性還需進一步試驗證明。