徐婉寧，孫群策，張樹振*，楊金鈺，彭鳳君，熊 潔，張 博

（1.新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091）

萌發(fā)期是牧草生產(chǎn)的關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)期牧草抵抗力弱，對(duì)干旱脅迫十分敏感。已有研究表明，老芒麥生長(zhǎng)率下降速度與干旱脅迫成正比[1，2]。近些年來，因氣候的異常和草地的不合理利用，我國(guó)草地沙化面積在不斷擴(kuò)大，新疆多地區(qū)出現(xiàn)植被退化、水土流失、草地沙漠化等一系列環(huán)境問題[3]。干旱的環(huán)境不僅會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)作用，使各類作物的產(chǎn)量降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)生態(tài)危機(jī)，甚至有阻礙人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)[4]。在應(yīng)對(duì)干旱劣勢(shì)環(huán)境方面，選育出優(yōu)良的牧草品種有益于修復(fù)退化草地，而篩選出具有抗旱能力的牧草品種更能為干旱地區(qū)的修復(fù)退化草地工作提供有效支撐。為了從根本上減輕或避免干旱造成的危害，篩選出抗旱性強(qiáng)的牧草品種是行之有效的一個(gè)方式[5]。

當(dāng)前，利用高分子滲透劑聚乙二醇（PEG-6000）溶液模擬干旱環(huán)境是近年研究種子發(fā)芽期抗旱性的重要方法[6]。在萌發(fā)過程中，植物種子的萌發(fā)率反映了其生存能力，而相對(duì)萌發(fā)率則避免了不同物種萌發(fā)率的差異，這樣能更真實(shí)地反映不同干旱類型下牧草的發(fā)芽情況，并對(duì)不同材料的發(fā)芽狀況進(jìn)行更簡(jiǎn)單、更客觀的評(píng)估[7，8]。本試驗(yàn)利用PEG-6000 溶液模擬干旱環(huán)境，研究牧草的干旱適應(yīng)機(jī)制，對(duì)培育出具有抗旱性的牧草新品種具有很重要的實(shí)用科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

老芒麥（Elymus sibiricus L.）是禾本科，披堿草屬，多年叢生草本植物[9]。大多數(shù)分布在俄羅斯、哈薩克斯坦、西伯利亞和蒙古等北半球寒溫帶地區(qū)。中國(guó)也有較為豐富的老芒麥種質(zhì)資源，分布在東北、西北、華北以及青藏高原等地區(qū)。老芒麥?zhǔn)莾?yōu)質(zhì)的生態(tài)修復(fù)和飼草生產(chǎn)的草種，草莖柔軟、營(yíng)養(yǎng)豐富，耐寒能力強(qiáng)，在輕度鹽堿地上可以種植[10-12]，作為一種優(yōu)質(zhì)牧草，它是現(xiàn)代麥類作物育種的重要基因來源，且對(duì)我國(guó)西北地區(qū)貧瘠荒地土壤改良具有重要作用[9，10]。隨著我國(guó)近年來對(duì)草地生態(tài)修復(fù)的重視，老芒麥等優(yōu)質(zhì)牧草種子需求量呈持續(xù)增加趨勢(shì)。目前，對(duì)老芒麥的研究主要集中在人工草地豆禾混播[13]、野生資源采集與評(píng)價(jià)[14]、抗性評(píng)價(jià)[15，16]等方面，其萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)弱是其能否建植成功的關(guān)鍵，有待深入研究。

本試驗(yàn)以老芒麥新品系DJ-01 和同德老芒麥種子為實(shí)驗(yàn)材料，利用PEG-6000 溶液模擬干旱脅迫，研究老芒麥種子發(fā)芽期間的抗旱性，為篩選抗旱性強(qiáng)的牧草新品種提供科技支撐[17]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為同德老芒麥和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院選育的老芒麥品系DJ-01的種子。

1.2 試驗(yàn)方法

兩份實(shí)驗(yàn)材料分別選擇籽粒飽滿、大小和形狀相近的種子，用75%無水乙醇浸泡消毒30 s，再用無菌蒸餾水沖洗3 次，在每個(gè)鋪好雙層濾紙的培養(yǎng)皿中均勻放置50 粒種子。制作-0.10 MPa、-0.30 MPa、-0.50 MPa、-0.70 MPa、-1.00 MPa 水勢(shì)的高分子滲透劑聚乙二醇（PEG-6000）溶液，模擬干旱脅迫環(huán)境。以蒸餾水作為對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)3 次[18]。每個(gè)培養(yǎng)皿中加入7 mLPEG 滲透液，將培養(yǎng)皿置于光照培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)箱內(nèi)晝溫為25 ℃，夜溫為15 ℃，光照時(shí)間14 h，光強(qiáng)為1 000 lx。每天觀察種子情況并記錄，以胚芽突破種皮且達(dá)到1/2 種子長(zhǎng)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，以芽長(zhǎng)2 cm 視為出苗。于第7 d 計(jì)算發(fā)芽勢(shì)，第12 d 計(jì)算發(fā)芽率[19]。12 d 以后，從每個(gè)培養(yǎng)皿中隨意選出10 株幼苗，放到吸水紙上，用游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）測(cè)定幼苗根長(zhǎng)及芽長(zhǎng)并計(jì)算平均值。試驗(yàn)期間每隔2 d 加入7 mL蒸餾水，以避免種子吸收水分和水分蒸發(fā)而造成環(huán)境水勢(shì)改變。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

發(fā)芽率=已發(fā)芽種子總數(shù)/待測(cè)種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢(shì)=前4 d的發(fā)芽種子數(shù)/待測(cè)種子數(shù)×100%

相對(duì)發(fā)芽率=脅迫處理的發(fā)芽率/對(duì)照處理的種子發(fā)芽率

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)=脅迫處理的發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照處理的種子發(fā)芽勢(shì)

胚根長(zhǎng)：測(cè)量種子胚根的長(zhǎng)度

胚芽長(zhǎng)：測(cè)量種子胚芽的長(zhǎng)度

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)

萌發(fā)抗旱指數(shù)（GDRI）=脅迫處理的種子發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照處理的種子發(fā)芽指數(shù)[20]

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS20.0 軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同濃度處理下的各指標(biāo)分別進(jìn)行單因素方差分析，采用鄧肯法進(jìn)行多重比較分析，結(jié)果以平均值±平均值標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，當(dāng)P＜0.05 時(shí)表示差異顯著，運(yùn)用Origin2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)老芒麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響

研究表明，被干旱脅迫處理過的種子萌發(fā)率會(huì)顯著降低。2 份老芒麥種子表現(xiàn)出相同的響應(yīng)。在-0.5 MPa 和-0.7 MPa 干旱處理下，2 份老芒麥種子發(fā)芽率均在20%以下，顯著低于-0.1 MPa和-0.3 MPa的干旱處理，在PEG 水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa時(shí)，2份老芒麥種子均不萌發(fā)，見圖1（a）。隨著干旱水勢(shì)增加，老芒麥種子發(fā)芽勢(shì)逐漸降低，當(dāng)PEG 水勢(shì)達(dá)到-0.1 MPa 時(shí)，發(fā)芽勢(shì)顯著下降，見圖1（b），兩份老芒麥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)差異不顯著。

圖1 PEG脅迫對(duì)兩份老芒麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響

2.2 干旱脅迫對(duì)老芒麥種子相對(duì)發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽勢(shì)的影響

隨著干旱脅迫變強(qiáng)，老芒麥種子的相對(duì)發(fā)芽率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)PEG 水勢(shì)達(dá)到-0.3 MPa 時(shí)，2 份老芒麥種子的相對(duì)發(fā)芽率呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；2 份老芒麥種子在PEG 水勢(shì)達(dá)到-0.3～-0.5 MPa時(shí)，其相對(duì)發(fā)芽率具有顯著性差異，見圖2（a）；隨著干旱脅迫變強(qiáng)，2份老芒麥種子的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。在PEG 水勢(shì)達(dá)到-0.1～0.3 MPa 時(shí)，其相對(duì)發(fā)芽勢(shì)具有顯著性差異，見圖2（b）。

圖2 PEG脅迫對(duì)2份老芒麥種子相對(duì)發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽勢(shì)的影響

2.3 干旱對(duì)2份老芒麥種子芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響

研究表明，當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)2 份老芒麥種子的胚芽長(zhǎng)均受到抑制，見圖3（a）。2 份老芒麥種子的胚芽長(zhǎng)隨著干旱脅迫的增加不斷降低。當(dāng)脅迫水勢(shì)為-0.1～0.3 MPa 時(shí)，DJ-01 的胚芽長(zhǎng)明顯變短，出現(xiàn)顯著性差異；當(dāng)PEG水勢(shì)為-0.3～-0.5 MPa時(shí)，同德老芒麥種子的胚芽長(zhǎng)減少，出現(xiàn)顯著性差異；當(dāng)PEG 水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa時(shí)，2份老芒麥種子的胚芽基本不再生長(zhǎng)。2份老芒麥種子的胚芽長(zhǎng)在不同PEG脅迫下無顯著性差異。

圖3 PEG脅迫對(duì)2份老芒麥種子芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響

當(dāng)PEG 水勢(shì)為-0.1 MPa 和-0.3 MPa 時(shí)，2 份種子的胚根長(zhǎng)均超過了對(duì)照組胚根長(zhǎng)，其中當(dāng)PEG水勢(shì)為-0.1～0.3 MPa 時(shí)，最利于同德老芒麥種子的胚根生長(zhǎng)；當(dāng)PEG 水勢(shì)增加至-0.5 MPa 以上，2 種種種子的胚根長(zhǎng)隨著PEG 水勢(shì)的增加不斷降低；當(dāng)PEG 水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa 時(shí)，2 份老芒麥種子的胚根基本不再生長(zhǎng)；當(dāng)PEG 水勢(shì)達(dá)到-0.3～-0.5 MPa 時(shí)，同德老芒麥種子的胚根長(zhǎng)減少，出現(xiàn)顯著性差異，DJ-01老芒麥種子在不同脅迫濃度下胚根長(zhǎng)未出現(xiàn)顯著性差異，見圖3（b）。

2.4 2份老芒麥種子的發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)抗旱指數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，2 份老芒麥種子的發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)抗旱指數(shù)均隨著脅迫濃度的升高而不斷降低，無顯著差異。當(dāng)PEG 水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa 時(shí)，兩份種子均不生長(zhǎng)。故干旱脅迫對(duì)其種子萌發(fā)影響較大。2份種子的發(fā)芽及萌發(fā)抗旱指數(shù)在不同PEG水勢(shì)脅迫下無顯著性差異，見圖4。

圖4 模擬干旱脅迫處理的發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)抗旱指數(shù)

3 討 論

李明雨等[21]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。發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)可以反映出種子發(fā)芽速度、發(fā)芽是否整齊和幼苗是否健壯的變化趨勢(shì)，因此常被用作評(píng)價(jià)種子發(fā)芽的指標(biāo)[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的增加，2 份老芒麥種子的各項(xiàng)指標(biāo)均受到干旱脅迫的影響。因此，本研究選擇測(cè)定發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)等指標(biāo)來對(duì)2 份老芒麥種子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是有意義的。

在試驗(yàn)中，使用水勢(shì)為-0.1 MPa、-0.3 MPa、-0.5 MPa、-0.7 MPa、-1.0 MPa的PEG-6000溶液模擬不同的干旱條件，觀察老芒麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、根芽長(zhǎng)等指標(biāo)來研究其萌發(fā)特性。結(jié)果表明，隨著干旱程度的增加，2 份老芒麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)等指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，表明嚴(yán)重的干旱脅迫不會(huì)使老芒麥種子萌發(fā)。王傳旗等[17]研究表明，PEG-6000 溶液滲透勢(shì)會(huì)限制種子萌發(fā)，干旱脅迫通過限制種子的吸水率，從而降低種子的發(fā)芽率及胚根和胚芽的長(zhǎng)度。孫清洋等[23]用7種不同梯度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對(duì)9份老芒麥種子進(jìn)行了萌發(fā)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示在干旱脅迫下，種子的萌發(fā)明顯被抑制。李培英等[24]利用高分子滲透劑PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對(duì)29 份偃麥草種質(zhì)資源進(jìn)行耐旱性試驗(yàn)，結(jié)果顯示干旱脅迫會(huì)降低種子的發(fā)芽率及相對(duì)發(fā)芽率等發(fā)芽指標(biāo)。植物種子的萌發(fā)期和幼苗生長(zhǎng)期為生命周期最敏感時(shí)期[25]。不同程度干旱處理下2份老芒麥種子的萌發(fā)期發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)存在顯著差異，說明老芒麥種子萌發(fā)期對(duì)干旱脅迫較為敏感，且干旱脅迫會(huì)一定程度上影響種子的萌發(fā)。以上學(xué)者研究結(jié)果均與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，隨著干旱脅迫的加劇，種子萌發(fā)逐漸受到抑制。但在輕度的干旱脅迫下，老芒麥種子根系生長(zhǎng)良好，指標(biāo)均出現(xiàn)大于對(duì)照組的情況，這說明適宜的干旱脅迫能促進(jìn)根系生長(zhǎng)，這與許翩翩等[26]的研究結(jié)果一致。這可能是由于低水平的干旱脅迫刺激了細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)中的許多酶，提高了種子的萌發(fā)率。

4 結(jié) 論

當(dāng)PEG 脅迫水勢(shì)達(dá)到-0.1 MPa 時(shí)，2 份老芒麥種子的萌發(fā)均受到抑制；脅迫水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa 時(shí)，2 份老芒麥種子完全不萌發(fā)。當(dāng)PEG 脅迫為-0.1～-0.3 MPa 時(shí)，在一定程度上會(huì)促進(jìn)老芒麥種子根系的生長(zhǎng)。