干旱胁迫下新疆7份野生披碱草属种质材料萌发特性与抗旱性评价

李 瑶，隋晓青，郝裕辉，张树振，陈爱萍，张 博

(新疆农业大学草业与环境科学学院/西部干旱荒漠区草地资源与生态实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】披碱草属(ElymusL.)是禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)的一个重要经济属，广泛分布于新疆、内蒙古和青藏高原等地区的草原及高山草原地带，该属牧草具有抗寒、抗旱、适应性广等特性，并在退化及沙化草地改良中发挥着重要作用[1]；此外，披碱草属牧草营养品质高，家畜喜食，是优良饲草来源之一，在草地畜牧业中也发挥了巨大作用[2-3]。【前人研究进展】萌发期是植物生活史中的关键时期，水分是种子萌发的必要条件，它参与种子内部一系列复杂的生理生化反应过程[4]，种子萌发情况的好坏，影响植物后期的生长发育，在种群更新过程中也决定着种群的延续、动态和分布。当前，披碱草的利用以天然草地补播为主[5]，新疆草原总体表现为降雨量少，蒸发量大的特点[6]，披碱草萌发多受降雨的影响，补播的披碱草常因干旱少雨而建植失败，进而影响草原的生产效益。选择抗旱披碱草材料进行草原补播十分必要，从野生种质资源中筛选抗旱性强的种质进行抗旱基因筛选和选育,是获得抗旱品种的有效措施之一[7-10]。聚乙二醇(PEG-6000)作为一种渗透调节剂，可模拟干旱胁迫环境，在种子萌发期抗旱性筛选方面得到广泛应用[11-12]。【本研究切入点】新疆作为披碱草的主要分布区之一，独特的地理和气候因素孕育着许多具有潜在抗旱性能的野生种质资源，目前对新疆野生披碱草属资源的研究主要集中在形态多样性、营养品质、内生真菌[13-15]等方面,有关干旱胁迫下新疆野生披碱草属种质材料萌发特性与抗旱性评价的研究鲜有报道。研究干旱胁迫对野生披碱草种质萌发的影响。【拟解决的关键问题】研究利用PEG-6000模拟干旱环境，对采自新疆不同地区的7份野生披碱草属种质材料进行抗旱研究，分析其抗旱能力，培育抗旱性强的优良牧草种质，为披碱草抗性育种和草地畜牧业的发展提供一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

7份野生披碱草属种质材料于2017年7月采自新疆6个不同地区，室温保存在草地资源与生态实验室。表1

表1 7份野生披碱草属材料来源地Table 1 The origin of seven wild Elymus L.materials

1.2 方 法

1.2.1 发芽情况

利用PEG-6000作为干旱处理试剂，配制0、10%、15%、20%、25%和30%共6个浓度[16]。

随机选取50粒大小一致、饱满的种子，均匀放置于铺有双层滤纸(Whatman 1号)、直径为9 cm的培养皿中，将不同浓度的PEG-6000溶液分别加入各培养皿中，每皿8 mL，每2 d更换1次PEG溶液[17]，确保浓度保持不变，每个处理4次重复。置于变温光照培养箱中，昼夜温度为25℃/16℃，光照周期16 h/8 h(光照/黑暗)，光强为1 000 lx。每天定时观察记录发芽数(以胚根突破种皮作为萌发标准)[18]，于第7 d计算发芽势，第12 d计算发芽率。同时，12 d后从每皿中任选10株幼苗放置于吸水纸上，用数显游标卡尺(精度0.01 mm)测定幼苗胚根及胚芽长并计算平均值。计算公式如下：

相对发芽率=胁迫处理的发芽率/对照的发芽率;

发芽势(%)=前7 d内的发芽数/供试种子数×100%;

相对发芽势=发芽势/对照发芽势;

发芽指数(GI)=∑(DG/DT)；DG为每天的发芽数，DT为相应DG的发芽天数;

相对胚根(芽)长度=渗透处理胚根(芽)长度/对照胚根(芽)长×100%[14]。

1.2.2 萌发抗旱指数及胁迫指数

萌发指数采用龚磊[19]的方法计算：

萌发抗旱指数(GDRI)=干旱胁迫下种子的萌发指数/对照种子萌发指数；

萌发胁迫指数(GSI)=处理种子发芽指数/对照种子发芽指数。

1.2.3 抗旱性综合评价

采用隶属函数法[20]，以相对发芽率、相对发芽势、相对胚根长、相对胚芽长、萌发抗旱指数、萌发胁迫指数共6个指标为依据。其计算公式如下：

(1)求出各种质各指标的隶属值X(μ)

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中，X为某种质材料某一指标的测定值；Xmax和Xmin分别为所有待鉴定种质材料某一指标测定值的最大值及最小值。

(2)求出每个披碱草属材料各抗旱指标在不同PEG浓度下的隶属值，然后把各指标在不同PEG浓度下的隶属值累加求平均值，最后再将每一种质材料各项抗旱指标的隶属值累加求平均值。最终的平均值越大，则抗旱性越强。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件对所测数据统计分析，用平均值和标准误表示测定结果，对同种质在不同浓度处理下的各指标分别进行单因素方差分析，并用Duncan法对各测定数据进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫对披碱草属种质材料种子发芽指标的影响

研究表明,7份披碱草属种质材料的种子萌发对PEG胁迫的响应不同。当PEG浓度为10%和15%时，P03、P04、P06和P07 4份材料的相对发芽率均有所提高，低浓度的干旱胁迫可以提高部分材料的发芽率；当浓度上升到20%～25%时，7份材料的相对发芽率均低于100%，7份材料的发芽率在该浓度下均受到抑制：在PEG浓度30%时，对所有材料的种子萌发抑制作用最强，但P07的相对发芽率为27.06%，干旱胁迫对其影响相对较小。表2

表2 PEG胁迫下7份披碱草属种质材料相对发芽率变化Table 2 Effects of PEG stress on the relative germination rate of 7 Elymus germplasms

注：不同小写字母表示同一种质材料在不同浓度处理下差异显著(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胁迫对披碱草属种质材料幼苗生长的影响

研究表明,7份材料的胚根长随着PEG浓度的增加不断降低。P01、P06和P07的胚根长在各浓度下均高于其他材料，这3份材料在PEG处理下受影响最小；当浓度达到25%时，7份材料的胚根基本不再生长。表3

表3 PEG胁迫处理下7份材料的胚根长Table 3 Effect of PEG stress on radicle length of 7 germplasms

研究表明,7份披碱草属种质材料的胚芽长随PEG浓度的增加不断减少，且各材料减少的程度有所差异：P07、P06和P01的胚芽长迅速下降，而其他4份材料下降较缓慢；同一材料的胚芽长在不同胁迫强度下减少的幅度也表现出差异性，P04的胚芽长在PEG浓度由0上升到10%时降幅最大，而P02、P03和P05在PEG浓度由10%上升到15%时降幅度最大，P01、P06和P07则在PEG浓度由20%上升到25%时降幅度最大。当PEG胁迫浓度达到25%时，7份材料的胚芽已不再生长。表4

表4 PEG胁迫处理下7份材料胚芽长变化Table 4 Effects of PEG stress on plumule length of 7 germplasms

2.3 PEG胁迫对披碱草属种质材料种子萌发抗旱指数及萌发胁迫指数的影响

研究表明,7份材料在不同浓度下的萌发抗旱指数均有显著差异(P<0.05)。其中P02、P03、P05和P07的萌发抗旱指数随着PEG胁迫浓度的增加不断降低。而种质P01、P04和P06则随着PEG浓度的升高呈现先升高后降低的趋势，表明低浓度的干旱胁迫能够提高它们的萌发抗旱指数。相比其余4个浓度处理，P04和P06在PEG浓度为15%处理下达到最大值，分别为1.78和2.51；P01则在20%处理下达到最大值，为0.43。7份材料在浓度为30%处理下其萌发抗旱指数均达到最低值。表5

表5 胁迫处理下萌发抗旱指数Table 5 Drought resistance index of germination under various stress treatments

萌发胁迫指数表示种质在胁迫强度上的差异。研究表明,除P04的萌发胁迫指数随着PEG浓度的升高呈现先升高后降低的趋势，其余各材料的萌发胁迫指数均随着胁迫浓度的升高而不断降低，且差异显著(P<0.05)。材料P05在15%处理下其萌发胁迫指数已下降为0.09，干旱胁迫对其种子萌发影响较大。表6

表6 各胁迫处理下萌发胁迫指数Table 6 Germination stress index of each stress treatment

2.4 综合评价

研究表明,各种质隶属值的平均值对7份披碱草种质材料萌发期的抗旱性由强至弱进行如下排序：P07> P04> P06> P01> P02> P03> P05。表7

表7 PEG胁迫下披碱草属材料各指标隶属函数值及综合评价值Table 7 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of Elymus under PEG conditions

3 讨 论

在反映种子萌发期的抗旱性时用指标的相对值会更客观，即用处理与对照的比值来进行抗旱性分析，这样可消除如基因型差异等因素的干扰而对试验结果产生的影响[21]。许多研究表明，萌发率、茎长、根长是判断植物抗旱性最有效的性状[22]。因此，研究选择相对发芽率、相对发芽势、相对胚根长等指标对7份披碱草属种质材料进行综合评价。许多研究结果表明,干旱胁迫降低了种子的发芽率及胚根和胚芽的长度[20-23]，这与研究的结果相一致。

相对发芽率、相对胚根长、相对胚芽长、萌发胁迫指数、萌发抗旱指数越大表明其抗旱性越强，研究中的7份种质材料表现出不同程度的抗旱性，其中4份种质材料随着胁迫浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，说明低浓度的干旱胁迫可以提高发芽率，这可能是对种子产生了引发作用，李培英等[24]在对偃麦草进行PEG模拟抗旱发芽试验中也发现干旱胁迫可以促进某些种质的萌发，孙艳茹等[25]在8种绿肥作物中也得出了相同的结论。种子在遭受轻度逆境胁迫时，能够在很大程度上提高其萌发能力和抗逆能力[26]，试验中P02材料在10%浓度下对其发芽率、胚根、胚轴的生长表现为抑制作用，在15%胁迫浓度下时显示出较强的引发作用，其相对发芽率、胚根、胚轴长均显著高于10%浓度，这与前人研究成果有所不同[25，27]，这可能是由于每份材料发生种子引发[26]的最适渗透势不同而表现出的差异。

当PEG浓度上升到25%时，7份材料的胚根很短，胚芽长度均几乎为0，说明PEG浓度超过20%时无法满足披碱草属种质的生长发育最低条件，使其生长受到阻碍，这与段慧荣等[28]对沙冬青种子抗旱性的研究结果一致。

不同的种质材料对干旱的响应程度不同，同一种质材料对不同指标的变化也不相同，因此，单一指标并不能全面的反映植物的抗旱性能。隶属函数法是将同一种质材料下的所有指标进行量化比重加权后相加求平均，最终所有种质材料的隶属函数值在0～1区间，使得这些种质材料之间具有可比性，以此来获得对抗旱性强弱的客观评价。同时，植物在生长发育的不同阶段对干旱的响应表现也不同，李培英等[24]对相同偃麦草种质分别在发芽期及苗期进行抗旱试验，结果显示同一种质在不同时期的抗旱性强弱有所差异；王赞等[29-30]在对20份鸭茅材料的评价中也得出相同结论。在进行植物抗旱性鉴定时不仅要对种子萌发期、苗期乃至全生育期进行抗旱性评价，而且也需要从其形态、生理、生化等多个方面进行综合分析，使鉴定结果更加客观、准确，这也为今后研究新疆野生披碱草种质资源抗旱性提供了借鉴依据。

4 结 论

4.1 在10%及15%干旱胁迫下，对P03、P04、P06、P07 4份种质材料的种子萌发有促进作用。

4.2 当PEG浓度达到20%以上时，7份材料种质材料的种子萌发均受到抑制，胚根、胚芽的生长受到阻碍。

4.3 运用隶属函数对抗旱性进行初步综合评价，得出各供试材料的抗旱性强弱表现为P07>P04>P06>P01>P02>P03>P05。