15份饲用型燕麦种质材料苗期抗旱性比较与评价

赵小娜,高志昊,王 斌,张译尹,胡海英,2*,兰 剑,2

(1.宁夏大学林业与草业学院,宁夏 银川 750021; 2.宁夏草牧业工程研究中心,宁夏 银川 750021)

燕麦(Avenasativa)是一年生禾本科粮饲兼用作物,具有产量高、抗逆性强、品质优、适口性好等生物学特性,是发展畜牧业最理想、最经济的饲草之一[1]。然而,宁夏现有种植燕麦品种单一,种质资源匮乏,已不能满足宁夏草畜产业可持续发展的要求[2]。宁夏地处西北内陆干旱地区,水资源短缺,在一定程度上限制了牧草产业的发展[3]。因此,筛选和选育抗旱节水优良燕麦品种,对于缓解该区饲草短缺,保证畜牧业健康可持续发展具有重要意义。

干旱胁迫严重影响作物的生长发育,降低产量和经济收益,主要表现在生长形态、生理及农艺性状等方面。汪灿等[4]研究发现,干旱胁迫对高粱分蘖数具有极显著影响,胁迫程度越大,其抑制效果越明显。王晓雪等[5]研究表明,中度干旱胁迫对燕麦早期根系总长、根系总表面积和根体积有促进作用,但随着胁迫时间的延长,胁迫会抑制根系生长。在干旱胁迫下,植物地上部干物质积累减少,有机物向地下部转移,根冠比增大,利于根系吸收水分,提高植物的抗旱性[6]。植株叶片的相对含水量与干旱胁迫压力呈现出负相关的关系,抗旱性强的品种相对含水量下降缓慢[7],且遭受干旱胁迫的C3植物组织具有更高的δ13C值[8]。也有研究发现,牧草叶片中的可溶性糖和脯氨酸含量在干旱胁迫下显著增加[9-10]。此外,干旱胁迫还会导致牧草气孔导度、胞间CO2浓度、净光合速率和蒸腾速率均呈下降趋势[11]。可见,干旱胁迫对植物的影响是一个综合复杂的过程,不同指标对干旱的响应程度和贡献权重不一。因此,对抗旱种质材料选育需要多项指标综合分析研究,多角度评价和筛选。

目前,适宜干旱半干旱地区种植的饲用型燕麦品种尤其匮乏,燕麦抗旱种质材料选育研究相对滞后[12]。鉴于此,本研究用15份饲用型燕麦材料,模拟严重干旱胁迫,从生长形态、生物量分配、光合能力、渗透调节及水分利用等角度,比较研究不同燕麦材料的抗旱性及其差异,综合评价筛选出抗旱节水型燕麦种质材料,为干旱半干旱区饲用燕麦育种和栽培提供理论与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试15份燕麦材料采购于宁夏西贝农林牧生态科技公司,具体名称及编号如表1所示。

表1 15个供试燕麦材料Table 1 15 tested oat materials

1.2 幼苗培植

选用塑料花盆(高度18 cm,直径20 cm)为栽培容器,盆栽基质由砂壤土和风沙土(2∶1)配制。在种子播种的同时,测定土壤田间持水量为21.56%,土壤容重为1.52 g·cm-3。供试种子消毒后每盆播种10粒,发芽后进行间苗,每盆保留5株,随机摆放于日光温室内。

1.3 控水试验

设置2个水平的干旱胁迫处理:对照(CK)为充分供水,保持土壤水分在70%～80%田间持水量;处理(T)为重度干旱胁迫,土壤含水量达到田间持水量的20%～30%。待幼苗生长处于分蘖期时开始水分控制,在土壤表面覆盖一层聚乙烯塑料颗粒以防止水分蒸发。处理前一周停止浇水,一周后每天用便携式土壤水分测定仪TDR-300(Spectrum Technologies,Plainfield,USA)测量土壤体积含水量,当土壤含水量达到设定的含水量后,开始计算胁迫日期,并计算需要补充水量,使土壤含水量达到水分胁迫处理范围。持续胁迫处理35 d后开始采样和测试各项指标。

1.4 指标测定

(1)株高和分蘖数:每个处理随机选取5株植株,卷尺测量株高,并统计分蘖数。

(2)单叶面积、比叶面积:每个处理各取5株植株相同部位叶片,利用便携式叶面积仪(英国ADC AM350)测定单叶面积,烘干后称取叶片干重,计算比叶面积。比叶面积(cm2·g-1)=单叶面积/叶片干重。

(3)根长、根面积、根体积:每个处理取5株完整植株,将根系和地上部分开。使用台式扫描仪(EPSON Experssion)对根系进行扫描并将图像存入电脑,运用WinRHIZO根系分析系统(Regent Instruments Inc. Quebec,Canada)对根系图像进行分析,获得根系总长、根系总表面积、根体积等数据。

(4)生物量:每个处理取5株完整植株,将植株的地上部和根系分开,分别称取鲜重后烘干,再称取地上部和根系干重,计算根冠比。根冠比=根系生物量干重/地上生物量干重。

(5)叶片光合参数:采用美国LI-COR公司LI-6800便携式光合测定系统于9∶00-12∶00测定叶片的光合指标,测定时选用燕麦植株旗叶进行测定,每次测3株。获得参数有蒸腾速率、气孔导度、净光合速率和胞间CO2浓度。

(6)生理指标:采用同位素比率质谱仪测定碳稳定同位素组成(δ13C值)[13],采用葸酮比色法测定可溶性糖和叶片总淀粉含量[14],采用酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量[15],丙二醛含量运用硫代巴比妥酸法测定[15],采用烘干法测定叶片相对含水量[16]。每个处理重复3次。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2019进行数据整理,利用SPSS Statistics 25.0进行方差分析,用Origin 2022做图,通过SPSS Statistics 25.0对15份燕麦种质的原始数据进行主成分分析(Principal component analysis,PCA),得出特征值大于1的主成分,将原始数据标准化后导入SPSS代入模型,可得出公因子Y1,Y2,Y3,Y4和综合得分Y。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同燕麦材料形态特征的影响

由表2可知,干旱胁迫对不同燕麦材料株高、分蘖数、单叶面积和比叶面积均有显著影响(P<0.05)。燕麦的株高、分蘖数和单叶面积均在干旱胁迫下较对照组呈下降趋势,而WH,2TY,YMYC,FH和YUN的比叶面积显著大于对照。其中在干旱胁迫下,70TY和FH的株高最高,显著高于WH,LM,TMQH,WFD和YUE(P<0.05),与对照相比,除70TY外,其他材料的株高均显著降低,其中,XS降低了23.80%;就分蘖数而言,XS的分蘖数最多,平均达到3.67个,且显著高于除7BY,FH,YUN和YMYC外的其他材料(P<0.05);YUN和XS单叶面积显著高于WH,TMQH,70TY,WFD,YUE,MYT,KNM和ZZT(P<0.05),与对照相比,各材料的单叶面积均显著降低,其中WH降低的最多,降低了47.17%;70TY和ZZT的比叶面积显著高于XS,WFD,YUE,MYT,KNM和FH。

表2 不同燕麦材料在干旱胁迫下的形态特征变化Table 2 Morphological characteristics of different oat materials under drought stress

2.2 干旱胁迫对不同燕麦材料根系分布特征和生物量的影响

由图1可知,干旱胁迫对不同燕麦材料根长、根表面积和根体积均有显著影响(P<0.05)。在干旱胁迫下,7BY的根长显著高于YMQH,70TY,WFD,YUE,MYT,KNM和FH(P<0.05),且7BY,XS,YMYC,MYT和YUN的根长显著高于对照,其中7BY的根长最大,较对照增加了23.32%;YUN的根表面积最大,为38.16 cm2,显著高于除XS和WH外的其他材料(P<0.05),与对照相比,除MYT和YUN外,其他材料的根表面积均显著降低,其中,2TY降低的最多,降低了52.24%;FH的根体积显著高于除ZZT外的其他材料(P<0.05),在干旱胁迫下,XS,YUE和FH的根体积显著高于对照。

图1 干旱胁迫对不同燕麦材料根系分布特征和生物量的影响Fig.1 Effects of drought stress on root system characteristics and biomass of different oat materials

由图1可知,干旱胁迫对不同燕麦材料地上生物量、根系生物量和根冠比均有显著影响(P<0.05)。其中在干旱胁迫下,YUN,FH,XS,70TY,2TY和LM的地上生物量最大,且显著高于YMQH,YUE,MYT,WFD和KNM(P<0.05),与对照相比,除2TY和70TY外,其他材料的地上生物量均显著降低,其中,FH降低的最多,降低了55.31%;YUN的根系生物量显著高于除XS,FH,7BY,WH和2TY外的其他材料(P<0.05);对于根冠比而言,7BY,WH,YMQH,XS,WFD,YUE,MYT,KNM,FH和YUN在干旱胁迫下的根冠比显著大于对照,其中增加最多的材料为KNM,增加了55.56%。

2.3 干旱胁迫对不同燕麦材料光合生理特征的影响

如图2所示,干旱胁迫对不同燕麦材料蒸腾速率、气孔导度、净光合速率和胞间CO2浓度均有显著影响(P<0.05)。除WH的胞间CO2浓度外,其他燕麦叶片的光合生理特征较对照组显著下降(P<0.05)。在干旱胁迫下,FH的蒸腾速率最高,为4.29 mmol·m-2·s-1,显著高于其他材料(P<0.05);气孔导度较高的三个材料为XS,FH和YUN,分别为0.28 mmol·m-2·s-1,0.24 mmol·m-2·s-1和0.24 mmol·m-2·s-1,且显著高于其他材料(P<0.05);FH和XS的净光合速率显著高于除YMYC外的其他材料(P<0.05);XS的胞间CO2浓度最高,显著高于除MYT,FH和YUN外的其他材料(P<0.05)。

2.4 干旱胁迫对不同燕麦材料渗透调节物质和丙二醛含量的影响

如图3所示,干旱胁迫对不同燕麦材料叶片淀粉含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量和丙二醛均有显著影响(P<0.05)。干旱胁迫下,除LM,XS和FH的丙二醛外,其他材料间叶片淀粉含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量和丙二醛含量均显著高于对照(P<0.05)。其中在干旱胁迫下,淀粉含量最多的材料为2TY,为21.43 mg·g-1,显著高于其他材料(P<0.05);2TY的可溶性糖含量显著高于除7BY,70TY和YMYC外的其他材料(P<0.05);脯氨酸含量最高的材料是KNM,达到598.07 μg·g-1,且显著高于YMYC,FH和YUN;70TY的丙二醛含量最高,显著高于XS,WFD,MYT和KNM(P<0.05)。

图3 干旱胁迫下不同燕麦材料渗透调节物质和丙二醛的变化Fig.3 Changes in osmoregulations and malondialdehyde in different oat materials under drought stress

2.5 干旱胁迫对不同燕麦材料δ13C值和叶片相对含水量的影响

由表3可知,干旱胁迫对不同燕麦材料δ13C值和叶片相对含水量均有显著影响(P<0.05)。在干旱胁迫下,YUN的δ13C值显著高于其他材料(P<0.05),与对照相比,除MYT和KNM外,其他材料均显著升高,其中,YUN升高最多,升高了20%;在干旱胁迫下,YMYC的相对含水量最高,达到92.09%,且显著高于MYT,YUE和WFD(P<0.05),与对照相比,除TMQH,YMYC和ZZT外,其他材料均显著降低,其中,YUE降低的最多,降低了15.34%。

表3 干旱胁迫下不同燕麦材料δ13C值和叶片相对含水量的变化Table 3 Changes in the δ13C values and the leaf relative water content of different oat materials under drought stress

2.6 干旱胁迫处理下各指标之间的相关性分析

由图4可知,分蘖数与单叶面积、根系生物量、气孔导度、净光合速率、δ13C呈极显著正相关关系;单叶面积与地上生物量、根系生物量、根表面积、气孔导度、净光合速率、δ13C值呈极显著正相关关系;比叶面积与地上生物量、可溶性糖含量、丙二醛含量、叶片相对含水量呈极显著正相关关系;地上生物量与根系生物量、根表面积、δ13C值、叶片相对含水量呈极显著正相关关系;根系生物量与根表面积、气孔导度、δ13C值呈极显著正相关关系;蒸腾速率与气孔导度、净光合速率呈极显著正相关关系;气孔导度与净光合速率呈极显著正相关关系;淀粉含量和可溶性糖含量呈极显著正相关关系;脯氨酸含量与分蘖数、单叶面积、根表面积、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率间均呈极显著负相关关系。

图4 各指标间的相关系数Fig.4 Correlation coefficients between the individual indexes注:A.株高;B.分蘖数;C.单叶面积;D.比叶面积;E.地上生物量;F.根系生物量;G.根冠比;H.根长;I.根表面积;J.根体积;K.蒸腾速率;L.气孔导度;M.净光合速率;N.胞间CO2浓度;O.淀粉含量;P.可溶性糖含量;Q.脯氨酸含量;R.丙二醛含量;S.δ13C值;T.叶片相对含水量。下同Note:A.Plant height;B.Number of tillers;C.Single leaf area;D.Specific leaf area;E.Shoot biomass;F.Root biomass;G.Root to shoot ratio;H.Root length;I.Root surface area;J.Root volume;K.Transpiration rate;L.Stomatal conductance;M.Net photosynthetic rate;N.Intercellular CO2 concentration;O.Starch content;P.Soluble sugar content;Q.Proline content;R.Malondialdehyde content;S.δ13C values;T.Leaf relative water content. The same as below

2.7 不同燕麦材料抗旱性综合评价

对干旱胁迫处理下的20个指标进行主成分分析(表4)。结果显示,提取的4个主成分方差贡献率依次为39.614%,27.491%,8.13%和7.234%,累积贡献率为82.47%,可解释所有信息的82.47%。第一主成分特征值为7.923,根系生物量、分蘖数、单叶面积和气孔导度在此成分中载荷绝对值较高;第二主成分特征值为5.498,此成分中比叶面积和可溶性糖含量载荷值较高;第三成分特征值为1.626,载荷绝对值最高的是根长;第四主成分特征值为1.447,根体积和根冠比在此成分中载荷绝对值较高。

表4 各因子特征值和累计贡献率Table 4 Characteristic value and cumulative contribution rate of individual factors

根据主成分综合评价方法[17],得出15个燕麦材料的综合得分,最高得分2.248。排名由高到低依次为YUN>XS>FH>7BY>2TY>YMYC>70TY>ZZT>WH>LM>TYQH>YUE>MYT>WFD>KNM(表5)。

表5 不同燕麦材料公因子值及综合排名Table 5 Common factor values and comprehensive ranking of 15 materials

对15份燕麦种质材料进行聚类分析,分析结果将其抗旱性划分为3个等级(图5),其中,抗旱性强的材料有XS,YUN和FH;抗旱性中等的材料有7BY,70TY,WH,ZZT,YUE,YMYC,LM,TYQH和2TY;抗旱性弱的材料有WFD,MYT和KNM。

图5 干旱胁迫下不同燕麦材料的聚类分析Fig.5 Cluster analysis of different oat materials under drought stress

3 讨论

3.1 干旱胁迫处理对不同燕麦材料生长特征的影响

干旱胁迫会导致植株矮化,生长发育受阻,产量下降。根系作为与土壤直接接触的资源器官,对水分与养分的变化十分敏感。李文娆等[18]研究发现,土壤含水量降低时,植物为了寻找更多水源,总根长、根系表面积增加。随着干旱胁迫天数增加,黑麦的根系和地上干重呈下降趋势[19],且干旱胁迫下藏沙蒿的根冠比增加[20]。本研究结果显示,干旱胁迫下燕麦的株高和单叶面积较对照呈降低趋势,但70TY,FH,YUN和XS仍具有较高的株高和单叶面积,说明其具有较强的抗旱性,这与阿日文[21]的研究结果一致。7BY,XS和YUN的根长增幅较大,其中7BY的根冠比显著高于其他材料,说明7BY的根系特征对干旱的响应更积极,以提高根冠比耐受干旱胁迫的主动性;而KNM的根长最短且降幅较大,2TY和LM的根体积较小且降幅较大,表现出较弱的抗旱性。因此,耐旱性强的燕麦将较多生长所需养分分配到地下部,从而使得干旱对根系生长的抑制作用小于地上部。

3.2 干旱胁迫处理对不同燕麦材料光合生理特征的影响

光合作用是植物生长和生产力形成的决定因素,对干旱胁迫的响应极为敏感[22]。在逆境胁迫下,植物光合系统吸收能量失衡必将引起正常生长和生产性能的下降[23]。季杨等[24]研究指出,植物受到干旱胁迫时可通过降低叶片蒸腾速率来维持体内水分收支平衡。也有研究表明,干旱胁迫能够抑制作物叶片光合作用,导致光合速率下降,而耐旱性强的品种能够保持较高的光合速率和气孔导度[25]。在本研究中,与对照相比,干旱胁迫下各材料的蒸腾速率、净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度均有所降低。其中XS,FH和YUN的胞间CO2浓度降幅较低,说明其叶片能够更好同化CO2,促进光合作用,抗旱性较强;而ZZT,YUE和TMQH的蒸腾速率、净光合速率和气孔导度降幅大,相应的地上生物量减少量多,表现出弱的抗旱性。说明抗旱性强的燕麦材料具有维持高光合的能力,继而能够保持一定的产量。

3.3 干旱胁迫对不同燕麦材料渗透调节物质和丙二醛的影响

当植物受水分短缺等逆境条件影响时,可通过调控自身可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物含量以维持生理特性及生长速率等来适应干旱环境[26]。赵丽丽等[27]研究表明,随着干旱胁迫的增加,金荞麦可溶性糖含量升高。陈亚鹏等[28]也研究发现,植物体内的脯氨酸含量与抗旱性之间存在密切关系,其含量随干旱胁迫的加重而积累。本研究发现,在干旱胁迫下,不同种质燕麦的可溶性糖、淀粉和脯氨酸含量明显高于对照组,其中,2TY和7BY的可溶性糖含量最高,且与对照相比增幅最大,而WFD和KNM的增幅较小;70TY和2TY的淀粉含量增幅最大,MYT,WFD和YUE的增幅较小。7BY,2TY,XS和FH的脯氨酸含量增幅最大。可见,不同燕麦种质材料应对干旱胁迫在渗透调节能力上差异显著,抗旱性强的材料能够积极积累脯氨酸,调控可溶性的水解与转化,以此缓解因渗透势下降而引起的细胞膨压增大和膜损伤,而且7BY,2TY,XS和FH的丙二醛含量变化幅度较小,从这一点也可以说明其细胞膜受损伤程度较其他材料轻。

3.4 干旱胁迫对不同燕麦材料水分利用效率的影响

植物组织稳定碳同位素比率δ13C与植物水分利用效率具有显著的相关性,可以表征C3植物的水分利用效率和对干旱的适应策略。干旱通常会通过降低气孔导度而使δ13C值增大,水分利用效率提高[29]。叶片相对含水量是指干旱胁迫时叶片含水量与该叶片在水分达到充分饱和时所持最大含水量的比值,是反映植物渗透调节功能及抗旱性强弱的指标之一[30]。相对含水量越高,其保水力及抗旱性越强[31]。本研究发现,干旱胁迫下,YUN,FH和XS的δ13C值显著上升,说明这3份燕麦材料主动响应土壤水分条件变化,提高水分利用效率,灵活用水,维持一定的生物产量。YUE和MYT的叶片相对含水量下降幅度大,表明其抗旱性弱,相反YMYC和ZZT的抗旱性则强,这与常雪刚等人[32]的研究结果一致。

相关性分析可知,δ13C值与分蘖数、单叶面积、地上生物量、根系生物量、根表面积有极显著相关关系,说明水分利用效率高的材料同时具有较高的生物量,可见,植物的耐旱性是由渗透调节、抗氧化等生理指标相互影响和调节的结果。从不同种质材料对抗旱性的响应特征来看,抗旱性强的品种表现为:通过大量积累渗透调节物质,减缓缺水胁迫,调节光合产物分配到根系,促进水分的吸收利用。因此,YUN,FH和XS这3个品种具备这样的特点,不仅具有较强的抗旱性,还具有节水特征。

3.5 燕麦种质材料抗旱性的综合评价

主成分分析的优点是可有效的简化选择程序、把握综合性状[33],该方法应用于各种植物的性状统计分析和筛选[34]。本研究,4个主成分因子的特征值表明,供试种质和性状指标对于主成分分析结果具有一定影响,4个主成分方差累积贡献率达82.47%,通过主成分分析可将分蘖数、单叶面积、比叶面积、根系生物量、根冠比、根长、根体积、气孔导度、可溶性糖含量等指标作为影响燕麦苗期抗旱性鉴定的参考指标。

采用聚类分析可以划分燕麦种质资源的不同类型,方便选取差异较大的种质材料,为杂交亲本的选配提供参考依据[35]。本试验通过主成分分析法和聚类分析综合评价不同燕麦种质材料的抗旱性大小,可将不同燕麦材料分为3个抗旱级别。其中,抗旱性强的材料有XS,YUN和FH;抗旱性中等的材料有7BY,70TY,WH,ZZT,YUE,YMYC,LM,TYQH和2TY;抗旱性弱的材料有WFD,MYT和KNM。

4 结论

干旱胁迫对燕麦苗的生长性能、光合参数、渗透调节物质含量、丙二醛含量及水分利用效率等指标均有显著影响。通过主成分分析得出15份燕麦材料的抗旱性排序为:‘喜韵’>‘三星’>‘荟峰’>‘白燕7号’>‘甜燕2号’>‘盐池燕麦’>‘甜燕70’>‘挑战者’>‘禾王’>‘梦龙’>‘甜燕麦青海’>‘喜越’>‘甜燕麦’>‘大富翁’>‘莫尼卡’。因此,‘喜韵’ ‘三星’和‘荟峰’可在干旱半干旱地区推广种植。