李 瑤，隋曉青，郝裕輝，張樹(shù)振，陳愛(ài)萍，張 博

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要經(jīng)濟(jì)屬，廣泛分布于新疆、內(nèi)蒙古和青藏高原等地區(qū)的草原及高山草原地帶，該屬牧草具有抗寒、抗旱、適應(yīng)性廣等特性，并在退化及沙化草地改良中發(fā)揮著重要作用[1]；此外，披堿草屬牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)高，家畜喜食，是優(yōu)良飼草來(lái)源之一，在草地畜牧業(yè)中也發(fā)揮了巨大作用[2-3]。【前人研究進(jìn)展】萌發(fā)期是植物生活史中的關(guān)鍵時(shí)期，水分是種子萌發(fā)的必要條件，它參與種子內(nèi)部一系列復(fù)雜的生理生化反應(yīng)過(guò)程[4]，種子萌發(fā)情況的好壞，影響植物后期的生長(zhǎng)發(fā)育，在種群更新過(guò)程中也決定著種群的延續(xù)、動(dòng)態(tài)和分布。當(dāng)前，披堿草的利用以天然草地補(bǔ)播為主[5]，新疆草原總體表現(xiàn)為降雨量少，蒸發(fā)量大的特點(diǎn)[6]，披堿草萌發(fā)多受降雨的影響，補(bǔ)播的披堿草常因干旱少雨而建植失敗，進(jìn)而影響草原的生產(chǎn)效益。選擇抗旱披堿草材料進(jìn)行草原補(bǔ)播十分必要，從野生種質(zhì)資源中篩選抗旱性強(qiáng)的種質(zhì)進(jìn)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(diào)節(jié)劑，可模擬干旱脅迫環(huán)境，在種子萌發(fā)期抗旱性篩選方面得到廣泛應(yīng)用[11-12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆作為披堿草的主要分布區(qū)之一，獨(dú)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(zhì)資源，目前對(duì)新疆野生披堿草屬資源的研究主要集中在形態(tài)多樣性、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、內(nèi)生真菌[13-15]等方面,有關(guān)干旱脅迫下新疆野生披堿草屬種質(zhì)材料萌發(fā)特性與抗旱性評(píng)價(jià)的研究鮮有報(bào)道。研究干旱脅迫對(duì)野生披堿草種質(zhì)萌發(fā)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究利用PEG-6000模擬干旱環(huán)境，對(duì)采自新疆不同地區(qū)的7份野生披堿草屬種質(zhì)材料進(jìn)行抗旱研究，分析其抗旱能力，培育抗旱性強(qiáng)的優(yōu)良牧草種質(zhì)，為披堿草抗性育種和草地畜牧業(yè)的發(fā)展提供一定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

7份野生披堿草屬種質(zhì)材料于2017年7月采自新疆6個(gè)不同地區(qū)，室溫保存在草地資源與生態(tài)實(shí)驗(yàn)室。表1

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

1.2 方 法

1.2.1 發(fā)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(gè)濃度[16]。

隨機(jī)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(hào))、直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，將不同濃度的PEG-6000溶液分別加入各培養(yǎng)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(gè)處理4次重復(fù)。置于變溫光照培養(yǎng)箱中，晝夜溫度為25℃/16℃，光照周期16 h/8 h(光照/黑暗)，光強(qiáng)為1 000 lx。每天定時(shí)觀察記錄發(fā)芽數(shù)(以胚根突破種皮作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn))[18]，于第7 d計(jì)算發(fā)芽勢(shì)，第12 d計(jì)算發(fā)芽率。同時(shí)，12 d后從每皿中任選10株幼苗放置于吸水紙上，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)定幼苗胚根及胚芽長(zhǎng)并計(jì)算平均值。計(jì)算公式如下：

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

發(fā)芽勢(shì)(%)=前7 d內(nèi)的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)=發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照發(fā)芽勢(shì);

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

相對(duì)胚根(芽)長(zhǎng)度=滲透處理胚根(芽)長(zhǎng)度/對(duì)照胚根(芽)長(zhǎng)×100%[14]。

1.2.2 萌發(fā)抗旱指數(shù)及脅迫指數(shù)

萌發(fā)指數(shù)采用龔磊[19]的方法計(jì)算：

萌發(fā)抗旱指數(shù)(GDRI)=干旱脅迫下種子的萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照種子萌發(fā)指數(shù)；

萌發(fā)脅迫指數(shù)(GSI)=處理種子發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照種子發(fā)芽指數(shù)。

1.2.3 抗旱性綜合評(píng)價(jià)

采用隸屬函數(shù)法[20]，以相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)胚芽長(zhǎng)、萌發(fā)抗旱指數(shù)、萌發(fā)脅迫指數(shù)共6個(gè)指標(biāo)為依據(jù)。其計(jì)算公式如下：

(1)求出各種質(zhì)各指標(biāo)的隸屬值X(μ)

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中，X為某種質(zhì)材料某一指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax和Xmin分別為所有待鑒定種質(zhì)材料某一指標(biāo)測(cè)定值的最大值及最小值。

(2)求出每個(gè)披堿草屬材料各抗旱指標(biāo)在不同PEG濃度下的隸屬值，然后把各指標(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)材料各項(xiàng)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)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果，對(duì)同種質(zhì)在不同濃度處理下的各指標(biāo)分別進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫對(duì)披堿草屬種質(zhì)材料種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

研究表明,7份披堿草屬種質(zhì)材料的種子萌發(fā)對(duì)PEG脅迫的響應(yīng)不同。當(dāng)PEG濃度為10%和15%時(shí)，P03、P04、P06和P07 4份材料的相對(duì)發(fā)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(fā)芽率；當(dāng)濃度上升到20%～25%時(shí)，7份材料的相對(duì)發(fā)芽率均低于100%，7份材料的發(fā)芽率在該濃度下均受到抑制：在PEG濃度30%時(shí)，對(duì)所有材料的種子萌發(fā)抑制作用最強(qiáng)，但P07的相對(duì)發(fā)芽率為27.06%，干旱脅迫對(duì)其影響相對(duì)較小。表2

表2 PEG脅迫下7份披堿草屬種質(zhì)材料相對(duì)發(fā)芽率變化Table 2 Effects of PEG stress on the relative germination rate of 7 Elymus germplasms

注：不同小寫(xiě)字母表示同一種質(zhì)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(duì)披堿草屬種質(zhì)材料幼苗生長(zhǎng)的影響

研究表明,7份材料的胚根長(zhǎng)隨著PEG濃度的增加不斷降低。P01、P06和P07的胚根長(zhǎng)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?。划?dāng)濃度達(dá)到25%時(shí)，7份材料的胚根基本不再生長(zhǎng)。表3

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

研究表明,7份披堿草屬種質(zhì)材料的胚芽長(zhǎng)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(zhǎng)迅速下降，而其他4份材料下降較緩慢；同一材料的胚芽長(zhǎng)在不同脅迫強(qiáng)度下減少的幅度也表現(xiàn)出差異性，P04的胚芽長(zhǎng)在PEG濃度由0上升到10%時(shí)降幅最大，而P02、P03和P05在PEG濃度由10%上升到15%時(shí)降幅度最大，P01、P06和P07則在PEG濃度由20%上升到25%時(shí)降幅度最大。當(dāng)PEG脅迫濃度達(dá)到25%時(shí)，7份材料的胚芽已不再生長(zhǎng)。表4

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

2.3 PEG脅迫對(duì)披堿草屬種質(zhì)材料種子萌發(fā)抗旱指數(shù)及萌發(fā)脅迫指數(shù)的影響

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

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

萌發(fā)脅迫指數(shù)表示種質(zhì)在脅迫強(qiáng)度上的差異。研究表明,除P04的萌發(fā)脅迫指數(shù)隨著PEG濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其余各材料的萌發(fā)脅迫指數(shù)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(fā)脅迫指數(shù)已下降為0.09，干旱脅迫對(duì)其種子萌發(fā)影響較大。表6

表6 各脅迫處理下萌發(fā)脅迫指數(shù)Table 6 Germination stress index of each stress treatment

2.4 綜合評(píng)價(jià)

研究表明,各種質(zhì)隸屬值的平均值對(duì)7份披堿草種質(zhì)材料萌發(fā)期的抗旱性由強(qiáng)至弱進(jìn)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(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)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(fā)期的抗旱性時(shí)用指標(biāo)的相對(duì)值會(huì)更客觀，即用處理與對(duì)照的比值來(lái)進(jìn)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響[21]。許多研究表明，萌發(fā)率、莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)是判斷植物抗旱性最有效的性狀[22]。因此，研究選擇相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)胚根長(zhǎng)等指標(biāo)對(duì)7份披堿草屬種質(zhì)材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。許多研究結(jié)果表明,干旱脅迫降低了種子的發(fā)芽率及胚根和胚芽的長(zhǎng)度[20-23]，這與研究的結(jié)果相一致。

相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)胚芽長(zhǎng)、萌發(fā)脅迫指數(shù)、萌發(fā)抗旱指數(shù)越大表明其抗旱性越強(qiáng)，研究中的7份種質(zhì)材料表現(xiàn)出不同程度的抗旱性，其中4份種質(zhì)材料隨著脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明低濃度的干旱脅迫可以提高發(fā)芽率，這可能是對(duì)種子產(chǎn)生了引發(fā)作用，李培英等[24]在對(duì)偃麥草進(jìn)行PEG模擬抗旱發(fā)芽試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)干旱脅迫可以促進(jìn)某些種質(zhì)的萌發(fā)，孫艷茹等[25]在8種綠肥作物中也得出了相同的結(jié)論。種子在遭受輕度逆境脅迫時(shí)，能夠在很大程度上提高其萌發(fā)能力和抗逆能力[26]，試驗(yàn)中P02材料在10%濃度下對(duì)其發(fā)芽率、胚根、胚軸的生長(zhǎng)表現(xiàn)為抑制作用，在15%脅迫濃度下時(shí)顯示出較強(qiáng)的引發(fā)作用，其相對(duì)發(fā)芽率、胚根、胚軸長(zhǎng)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(fā)生種子引發(fā)[26]的最適滲透勢(shì)不同而表現(xiàn)出的差異。

當(dāng)PEG濃度上升到25%時(shí)，7份材料的胚根很短，胚芽長(zhǎng)度均幾乎為0，說(shuō)明PEG濃度超過(guò)20%時(shí)無(wú)法滿足披堿草屬種質(zhì)的生長(zhǎng)發(fā)育最低條件，使其生長(zhǎng)受到阻礙，這與段慧榮等[28]對(duì)沙冬青種子抗旱性的研究結(jié)果一致。

不同的種質(zhì)材料對(duì)干旱的響應(yīng)程度不同，同一種質(zhì)材料對(duì)不同指標(biāo)的變化也不相同，因此，單一指標(biāo)并不能全面的反映植物的抗旱性能。隸屬函數(shù)法是將同一種質(zhì)材料下的所有指標(biāo)進(jìn)行量化比重加權(quán)后相加求平均，最終所有種質(zhì)材料的隸屬函數(shù)值在0～1區(qū)間，使得這些種質(zhì)材料之間具有可比性，以此來(lái)獲得對(duì)抗旱性強(qiáng)弱的客觀評(píng)價(jià)。同時(shí)，植物在生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段對(duì)干旱的響應(yīng)表現(xiàn)也不同，李培英等[24]對(duì)相同偃麥草種質(zhì)分別在發(fā)芽期及苗期進(jìn)行抗旱試驗(yàn)，結(jié)果顯示同一種質(zhì)在不同時(shí)期的抗旱性強(qiáng)弱有所差異；王贊等[29-30]在對(duì)20份鴨茅材料的評(píng)價(jià)中也得出相同結(jié)論。在進(jìn)行植物抗旱性鑒定時(shí)不僅要對(duì)種子萌發(fā)期、苗期乃至全生育期進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)，而且也需要從其形態(tài)、生理、生化等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，使鑒定結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確，這也為今后研究新疆野生披堿草種質(zhì)資源抗旱性提供了借鑒依據(jù)。

4 結(jié) 論

4.1 在10%及15%干旱脅迫下，對(duì)P03、P04、P06、P07 4份種質(zhì)材料的種子萌發(fā)有促進(jìn)作用。

4.2 當(dāng)PEG濃度達(dá)到20%以上時(shí)，7份材料種質(zhì)材料的種子萌發(fā)均受到抑制，胚根、胚芽的生長(zhǎng)受到阻礙。

4.3 運(yùn)用隸屬函數(shù)對(duì)抗旱性進(jìn)行初步綜合評(píng)價(jià)，得出各供試材料的抗旱性強(qiáng)弱表現(xiàn)為P07>P04>P06>P01>P02>P03>P05。