扁蓿豆萌发对干旱胁迫的响应及抗旱性评价

2012-03-13蔡丽艳李志勇孙启忠李鸿雁杨玉平

草业科学 2012年10期

蔡丽艳，李志勇，孙启忠，李鸿雁，杨玉平，刘蕾

(1.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010010； 2.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010019)

我国干旱、半干旱面积占国土面积的52.5%[1]，是世界上最干旱的国家之一，特别是北方水资源相对匮乏，干旱已成为发展农业和畜牧业的主要限制因素[2-3]。提高植物的抗旱能力已经成为现代植物研究中急需解决的关键问题之一，种子萌发是植物生活史中的关键阶段，也是进行植物抗旱性研究的一个重要时期。由于植物抗旱性是一个受多种因素影响的数量性状，应采用多个指标进行综合评价才更具有可行性和可靠性。

扁蓿豆(Medicagoruthenica)是我国北方地区不可或缺的优质蛋白质饲料之一，其生态适应性广，生态幅较宽，生态类型多样，在草地改良、生态治理及草产业开发等多种领域极具潜力。有研究表明，扁蓿豆叶片具有一定的旱生解剖结构[4]，其种子萌发期的抗旱性高于黄花苜蓿(M.falcata)[5-6]，但采用多个指标对其萌发期的抗旱性进行综合评价的研究较少。利用PEG高渗溶液模拟干旱胁迫已经成为植物抗旱性研究的重要手段[7-9]，在玉米(Zeamays)[10]、水稻(Oryzasativa)[11]、花生(Arachishypogaea)[12]、燕麦(Avenanuda)[3]、油菜(Brassicanapus)[13]、苜蓿(M.sativa)[14]、针茅(Stipaspp.)[15]、烟草(Nicotianaspp.)[16]等植物萌发期的抗旱性研究中已使用。本试验采用不同浓度的PEG-6000溶液模拟胁迫，对扁蓿豆种质资源进行萌发期抗旱性综合评价，以明确各供试材料对干旱胁迫的响应能力，为扁蓿豆种质资源萌发期耐旱性鉴定提供理论依据和生产实践指导。

1 材料与方法

1.1试验材料供试扁蓿豆材料均由中国农业科学院草原研究所国家牧草种质中期库提供(表1)，种子均在2006年采收，4 ℃低温保存。

1.2试验方法

1.2.1水分胁迫种子发芽试验采用纸上培养法，于2012年3月15日开始在E/PGC系列进入式植物培养箱(型号PGC6L)中进行，挑选饱满、一致的扁蓿豆种子置于铺有两层滤纸的、直径为9 cm的培养皿中进行培养。每个培养皿50粒种子，每个处理3个重复。以蒸馏水为对照，在培养皿中分别加入5 mL由蒸馏水配置的10%、15%、20%和25%的PEG-6000溶液。根据Michel和Kaufmann[17]的公式得出对应的渗透势分别为-0.177、-0.393、-0.735和-1.25 MPa。

表1 试验材料及来源Table 1 Germplasm materials and their collection places

不同质量分数的PEG-6000对应的渗透势公式为：

ΨS=-(1.18×10-2)C-(1.18×10-4)C2+(2.67×10-4)CT+(8.39×10-7)C2T。

式中，ΨS为溶液的水势(bar)，C为PEG-6000的质量分数，T为温度(℃)。

1.2.2种子萌发试验在25 ℃和相对湿度60%的恒定条件下，连续黑暗培养11 d。以胚根与种子等长、胚芽长度为种子长度1/2时为发芽标准，每天定时记录种子发芽数并用电子天平称量补充水分。每4 d更换一次滤纸，以尽量减少水势变动。发芽结束后分别测量芽长、根长和幼苗干质量。

发芽指数=Gt/Dt。

式中，Gt为在第t天的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

活力指数=发芽指数×幼苗干质量[18]。

1.2.3抗旱性综合评价方法用隶属函数法对扁蓿豆材料萌发期抗旱性进行综合评价。先利用公式Xu=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算每份材料相对发芽率、相对发芽势、相对幼苗干质量、相对发芽指数、相对活力指数的具体隶属函数值。式中，Xu为参试植物某一抗旱指标的测定值，Xmax和Xmin分别为所有材料中该指标的最大值和最小值，最后把每份材料各项指标隶属函数值累加，取其平均值，根据各材料平均隶属函数值大小确定其抗旱性强弱。平均值越大，抗旱性越强；反之，抗旱性越弱[19]。

1.3数据统计与分析采用Excel 2003整理，SAS 9.0统计分析试验数据。采用单因素方差分析法和最小显著差异法比较不同数据组间的差异；利用NTSYSpc 2.1软件，采用最短距离法进行聚类分析；采用隶属函数法对扁蓿豆种质资源进行萌发期抗旱性综合评价。

2 结果与分析

2.1干旱胁迫对扁蓿豆种子发芽特性的影响对照条件下，6份扁蓿豆材料种子的发芽率为91.33%～98.67%，且材料间没有显著差异(P>0.05)。随着干旱胁迫的加剧，发芽率有所不同(图1)，在15%PEG胁迫下02972的发芽率为64.67%，其余材料均小于50%，可以看出在轻度PEG胁迫下(浓度0～15%)，02972具有较强的萌发抗旱特性。PEG浓度为20%时，02972和03056的发芽率小于10%，未萌发的种子均失去了发芽能力，说明此浓度为这两份材料的极限致死浓度，其他4份材料发芽率均大于10%且差异不显著(P>0.05)。PEG浓度达到25%时，09288的发芽率为17.33%，显著高于其他5份材料(P<0.05)，说明09288与其他5份材料相比，对干旱胁迫的敏感性较弱，体现出较强的萌发抗旱特性。

PEG干旱胁迫对扁蓿豆种子发芽势的影响显著，种子发芽势的变化趋势较发芽率的变化明显(图2)。PEG浓度为10%时，所有供试材料的发芽势均低于51%，03056和02972显著高于其他4种材料(P<0.05)；当PEG浓度达到20%时，发芽势均接近0，即发芽前5 d所有材料的种子几乎均未发芽，说明随着PEG胁迫加剧种子的发芽整齐度明显降低。

图1 扁蓿豆种质材料在不同PEG-6000浓度下的发芽率Fig.1 Seed germination rates of Medicago ruthenica under different PEG-6000 stress

图2 扁蓿豆种质材料在不同PEG-6000浓度下的发芽势Fig.2 Seed germination potential of Medicago ruthenica under different PEG-6000 stress

随着PEG浓度加大，6份扁蓿豆材料种子的发芽指数急剧下降，当浓度为10%时，发芽率为60.61%～86.00%，但发芽指数均不足对照的1/2(图3)，表明该浓度下虽然种子具有较高的发芽能力，但其已经发生劣变，种子活力已经显著下降。

PEG浓度为0～15%时，03056的种子活力指数与其他材料相比，处于较高水平，显著高于02988和02956(P<0.05)(图4)；随着PEG浓度的进一步加大，来源于荒漠草原的02982和02988表现出较好的抗旱性。

图3 扁蓿豆种质材料在不同PEG-6000浓度下的发芽指数Fig.3 Seed germination index of Medicago ruthenica under different PEG-6000 stress

图4 扁蓿豆种质材料在不同PEG-6000浓度下的活力指数Fig.4 Seed vigor index of Medicago ruthenica under different PEG-6000 stress

2.2干旱胁迫对扁蓿豆幼苗生长的影响幼苗的芽长和根系生长对干旱胁迫的响应相似，6份扁蓿豆种质材料种子的芽长和根长均随干旱胁迫的加剧而下降，但变化幅度有所不同。方差分析表明(表2)，芽长在所有处理中均表现出显著(P<0.05)或极显著差异(P<0.01)。随着PEG浓度加大，扁蓿豆的芽长急剧下降，各材料间的差异也逐渐加大。在PEG浓度为15%时，根长与其他处理间呈极显著差异(P<0.01)，此时根系的生长被显著抑制，且材料间的差异也加大(变异系数为0.394 9)，说明该浓度可作为扁蓿豆种子萌发期抗旱性鉴定的最佳浓度。

随着PEG浓度增加，幼苗的芽长和根长都在减小，但根长/芽长的值逐渐增加，PEG浓度为20%和25%时，近一半幼苗的胚芽不再生长，因此没有测出根长/芽长的值。这表明与根长相比，芽长受到干旱胁迫时的响应更为明显。PEG浓度为15%时，根长/芽长的均值为2.568 2，不同材料间呈极显著差异(P<0.01)，此时的变异系数为0.450 8，较对照和10% PEG下都高。因此，就芽长/根长这一性状来说，15% PEG浓度可作为扁蓿豆萌发期抗旱性鉴定的最佳浓度。6份扁蓿豆材料幼苗的干质量均随着PEG浓度加大而降低，但不同处理下各材料间差异未达到显著水平(P>0.05)，在PEG浓度为0、10%和15%时，03056的干质量均较大；就幼苗干质量的整体下降速度而言，03056下降较快，而02988在6份材料中最为缓慢，所以02988萌发期的抗旱性强于其他材料。

表2 扁蓿豆种质材料在不同PEG-6000浓度下芽长、根长和幼苗干质量的差异Table 2 The bud and root length, and dry weight of Medicago ruthenica seedlings under different PEG-6000 stress

2.3扁蓿豆种质材料的抗旱性综合评价用模糊函数隶属法对6份扁蓿豆种质材料相对发芽率、相对发芽势、相对幼苗干质量、相对发芽指数和相对活力指数进行综合评价，得到6份扁蓿豆材料的隶属函数总平均值，并根据均值的大小进行排序(表3)。得出6份扁蓿豆材料抗旱性隶属函数总平均值范围为0.444 4～0.521 7，其中02972、03056和02988种子萌发期的抗旱性较强，而02982的抗旱性最弱。

结合以上各测定指标，采用最短距离法，将供试的6份扁蓿豆材料进行聚类分析(图5)，当阈值为0.024时，可以把6份材料分为4类。其中来源于典型草原的02920、02956和来源于荒漠草原02982聚为一类，通过抗旱性综合分析发现，这3份种质的萌发抗旱性均较弱；来源于荒漠草原的02988、03056和来源于典型草原的02972各自为一类，其中02972与其他5份材料的遗传距离较大。

表3 耐旱指标隶属值及耐旱性综合评价Table 3 Subordinate function values of drought resistances and comprehensive evaluation of six germplasm materials of Medicago ruthenica

3 讨论与结论

牧草种子萌发和幼苗阶段的抗逆性强弱是影响草地建植成败的关键[20]。在种子萌发和幼苗生长阶段，对土壤水分和温度的变化较敏感，随着牧草生长，其抗旱能力逐渐增强。因此,研究扁蓿豆材料在这两个时期的抗旱性对生产实践具有重要的指导意义。利用PEG-6000模拟干旱水分胁迫，以评价和鉴定不同材料种子发芽阶段的耐旱性是一种比较可靠的方法[21-23]。种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数作为植物种子在水分胁迫下的耐旱指标，能反映植物种子发芽速度、发芽整齐度和幼苗健壮的趋势，因此，常用于了解不同材料在水分胁迫下的抗旱性程度。本研究利用PEG-6000模拟干旱胁迫对6份扁蓿豆种质材料种子萌发的差异性来反映它们的抗旱能力的大小。6份扁蓿豆材料的种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长、根长及幼苗干质量基本上都随胁迫程度的加剧呈下降趋势。根长与芽长的比值则随着PEG干旱胁迫的加剧而增大，当PEG浓度达到20%时，只有胚根生长，而胚芽不再生长，这可能是由于水分胁迫下，植物吸收的营养物质优先供给地下器官(胚根)，促进幼苗成活和生长，以适应外界不良环境[24]。

以不同指标为依据，测定各材料的抗旱性顺序并不完全一致，不同材料对某个指标的耐旱性不尽相同，单一指标难以综合反映供试材料的抗旱性强弱[25-26]。因此，本研究利用聚类分析法和模糊数学中的隶属函数法对发芽率、发芽势、幼苗干质量、发芽指数及活力指数等多指标进行综合评价以避免单因素评定的差异，力争全面反映扁蓿豆种质资源的抗旱性。结果显示，6份扁蓿豆种质资源中，来源于通辽市大青沟自然保护区的02972号材料在种子萌发期的抗旱性最强，来源于包头市土默特右旗的03056和02988号材料的抗旱性较强，这3份种质在幼苗及成株阶段的抗旱性如何，我们将继续观测，为选育优异的扁蓿豆抗旱材料奠定基础；来自锡林郭勒盟的02920和02956及呼和浩特市武川县的02982抗旱性较弱。

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