4个中科系列羊草品系萌发期的抗旱性研究

陈 瑛， 肖庆红

(宁夏农业综合开发办公室，宁夏银川 750001)



4个中科系列羊草品系萌发期的抗旱性研究

陈 瑛， 肖庆红

(宁夏农业综合开发办公室，宁夏银川 750001)

为筛选出适合干旱区生态环境的羊草抗旱品系，在PEG-6000高渗透溶液模拟水分胁迫下，对4个中科系列不同羊草品系SZ-3、SF4-2、XQ1、QF10种子萌发期特性进行了研究。结果表明，4个羊草品系萌发期的抗旱性从强到弱依次为QF10、XQ1、SF4-2、SZ-3。筛选出适应干旱区生态环境的羊草高抗旱品系QF10，并提出鉴定种子萌发期抗旱性公式：萌发期抗旱性=PEG溶液胁迫下种子相对发芽率的隶属函数值+萌发抗旱指数+活力抗旱指数(抗旱极限浓度、半致死浓度下)。该研究可为干旱地区大面积推广人工种植高产、优质、抗旱的中科系列的羊草以及进行天然退化草地植被恢复与重建提供重要资料。

中科系列羊草；PEG-6000高渗透溶液；萌发期；抗旱性

种子萌发是羊草生活史中的关键阶段，也是衡量羊草耐旱性强弱的重要时期，直接关系到羊草的出苗整齐度问题。干旱地区人工种植羊草的最大障碍是春季严重干旱，种子萌发困难，出苗率与保苗率较低，田间经常出现缺苗和断苗现象。因此，研究不同羊草品系的耐旱性，筛选出耐旱能力强的羊草品系，对干旱地区大面积推广人工种植优质、高产、稳产牧草具有重要的现实意义。

目前，利用高渗溶液模拟干旱胁迫已成为鉴定牧草抗旱性的重要手段，在生产中得到广泛应用。郁飞燕等[1]对不同小麦品系的种子萌发进行PEG -6000 处理，结果表明不同品系小麦种子存在明显的性状差异，利用这种差异初步筛选对干旱胁迫非敏感品系，为小麦杂交育种提供候选亲本材料。郭晋梅等[2]以野生型和栽培型白羊草为材料，采用PEG模拟干旱法对其种子萌发期吸水规律及耐旱特性进行研究，结果发现，干旱胁迫下白羊草种子的发芽率、发芽势、胚根长和胚芽长均随着PEG浓度的增加而先升高后降低，发芽指数和活力指数呈下降趋势。低浓度的PEG对种子萌发有促进作用，随着PEG浓度的继续升高表现为抑制作用。然而，关于中科系列羊草在干旱胁迫下种子萌发试验的报道很少。笔者在5%、10%、15%、20%、25%、30%和35%的PEG-6000高渗透溶液模拟水分胁迫下，测定羊草种子萌发(发芽率、相对发芽率、发芽势、相对发芽势、发芽指数、相对发芽指数、活力指数、相对活力指数)、种苗(胚根、胚芽长度及相对值、胚根/胚芽比值及相对值)等各项指标，对4个中科系列不同羊草品系SZ-3、SF4-2、XQ1、QF10种子萌发期特性进行研究，筛选出适应干旱区生态环境的羊草高抗旱品系，为干旱地区大面积推广人工种植高产、优质、抗旱的中科系列的羊草以及进行天然退化草地植被恢复与重建提供重要资料。

1　材料与方法

1.1试验材料参试羊草材料来自中国科学院植物研究所培育的羊草SZ-3、SF4-2、XQ1、QF10品系4个不同羊草品系的种子材料。

1.2试验设计标准发芽试验是评估种子活力的重要方法之一[3]。聚乙二醇(PEG-6000，简称PEG)是一种具有很强亲水性质的大分子有机物，当其溶于水后所产生的渗透压非常强大，它可以降低种子萌发最初的水势,造成渗透压力低于正常水压的环境,改变水分渗透平衡,从而起到改变种子某些萌发生理生化反应,影响一些生物活性物质的状态与功能。分别使用5%、10%、15%、20%、25%、30%和35%的PEG-6000溶液为干旱处理液,对应的渗透势[4]大约为-0.060、-0.180、-0.430、-0.590、-0.889、-1.240和-1.651 MPa，分别为处理T1～T8，同时设置蒸馏水对照(CK)。按照以下公式计算水势：Ψs=-(1.18×10-2)×C-(1.18×10-4)×C2+(2.67×10-4)×C×T+(8.39×10-7)×C2×T。发芽皿内用75%酒精进行消毒,并在其底部铺上6张直径10 cm的滤纸,一次性加入20 mL胁迫处理溶液,排气泡,选取籽粒饱满、大小均匀的50粒羊草种子,均匀摆放在滤纸上。参试羊草种子均先用自来水清洗数次后,用1‰ HgCl2消毒15～20 min,用蒸馏水冲洗4次。每个处理重复3次,将发芽盒置于25 ℃人工气候培养箱中，全光照下培养，每天观测发芽种子数和发霉种子数，连续4 d没有种子发芽则为发芽试验结束期。

1.3测定指标与方法测定羊草种子萌发(相对发芽率、发芽势、相对发芽势、发芽指数、相对发芽指数、活力指数、相对活力指数)、种苗(胚根、胚芽长度及相对值、胚根/胚芽比及相对值)等各项指标，按照以下公式计算:

发芽率= 渗透胁迫下种子发芽数/供试种子数

(1)

相对发芽率(GR)= 渗透胁迫下第8天种子发芽数/对照种子的第8天发芽数×100%

(2)

发芽势=渗透胁迫下第6天发芽种子数/供试种子总数×100%

(3)

相对发芽势(GP)= 渗透胁迫下种子发芽势/对照种子的发芽势×100%(萌发第8天调查的发芽数)

(4)

萌发指数(PI)=Gt/Dt

(5)

式中,Gt为第t天渗透胁迫下的发芽粒数,Dt为Gt对应的发芽天数。

萌发抗旱指数[5](GDRI)=渗透胁迫下萌发指数/对照萌发指数×100%

(6)

活力抗旱指数(VI)=水分胁迫下种子活力指数/对照种子活力指数×100%

(7)

活力指数[6]=萌发指数(PI)×SX

(8)

式中，SX为第8天发芽平均长度(cm)。

根茎比是以开始萌发第18天的全部种子胚根除以胚芽长度,并计算平均值。

胚根/胚芽=胚根鲜重(50粒种子)/胚芽鲜重(50粒种子)

(9)

相对胚芽(根)长=胁迫处理胚芽(根)长/对照胚芽(根)长×100%

(10)

以发芽率达到对照发芽率10%以下时对应的PEG浓度称为种子抗旱极限浓度。以发芽率达到对照发芽率50%时对应的PEG浓度称为种子抗旱半致死浓度。

2　结果与分析

2.1渗透胁迫对羊草种子萌发抗旱指数的影响从图1可以看出，随着干旱渗透胁迫的加剧，不同品系羊草种子萌发抗旱指数变化趋势不同。在5%～10%PEG胁迫下，羊草SZ-3品系种子的萌发抗旱指数呈急剧上升趋势，羊草SF4-2和QF10品系的萌发抗旱指数呈下降趋势；羊草XQ1品系的萌发抗旱指数呈平稳上升趋势；在10%～15% PEG渗透胁迫下，羊草SZ-3、SF4-2和QF10品系的萌发抗旱指数曲线均呈上升趋势，只有XQ1品系呈下降趋势；在15%～20%PEG胁迫下，各羊草品系的萌发抗旱指数均呈急剧下降趋势，此时羊草QF10品系的萌发抗旱指数最大(38.26%)，SZ-3品系的萌发抗旱指数最小(16.34%)；在20%～35%PEG-6000胁迫浓度下，羊草SZ-3、SF4-2和QF10品系萌发抗旱指数小幅度上升后又开始下降，羊草QF10品系峰值最大(65.78%)，其次是羊草SF4-2、SZ-3品系(31.44%、24.45%)，羊草XQ1品系降至最低(2.03%)。总之，随着干旱胁迫程度的加剧，参试羊草SZ-3、SF4-2、QF10品系的萌发抗旱指数呈现“双峰”曲线,羊草XQ1品系则呈现下降趋势。20%PEG胁迫浓度是羊草品系萌发抗旱指数的重要转折点。

图1　不同PEG浓度胁迫下4个羊草品系萌发抗旱指数的变化Fig.1　Change of germination drought resistance indices of 4 strains of L. chinensis under stress of different PEG concentration

图2　不同PEG浓度胁迫下4个羊草品系活力抗旱指数的变化Fig.2　Change of drought resistance vigor indices of 4 strains of L. chinensis under stress of different PEG concentration

2.2渗透胁迫对羊草种子活力抗旱指数的影响从图2可以看出，随着干旱渗透胁迫的加剧，不同品系羊草种子活力抗旱指数的变化趋势与萌发抗旱指数变化趋势相似。在5%～10%PEG胁迫下，羊草SZ-3品系种子活力抗旱指数呈急剧上升趋势，其余参试羊草品系的活力抗旱指数呈下降趋势；在10%～15% PEG胁迫下，除羊草XQ1品系呈下降趋势外、其他3个参试品系的活力抗旱指数呈上升趋势；在15%～20%PEG胁迫下，各羊草品系的活力抗旱指数急剧下降，其中QF10品系活力抗旱指数最高；在20%～25%PEG胁迫下，除羊草QF10品系活力抗旱指数呈大幅度上升趋势外，其他参试品系均呈下降趋势；在25%～35%PEG胁迫浓度下，除羊草QF10品系呈下降趋势外，其他参试羊草品系趋向0。

总之，随着干旱胁迫程度的加大，羊草SZ-3品系的活力抗旱指数呈“单峰”曲线，SF4-2、QF10品系的活力抗旱指数呈“双峰”曲线，羊草XQ1品系的活力抗旱指数一直呈下降趋势。在20%PEG胁迫下，各羊草品系的活力抗旱指数出现一个较低范围，该胁迫浓度可以认为是羊草承受干旱胁迫的一个重要转折点。

2.3渗透胁迫对羊草相对发芽率和相对发芽势的影响从图3和图4可以看出，随着干旱胁迫的加剧, 4个参试羊草品系种子的相对发芽率和相对发芽势均呈现波动变化趋势。在5%～15%PEG胁迫下，羊草SZ-3品系相对发芽率和相对发芽势均呈急剧上升趋势，其峰值均出现在15%PEG胁迫下。羊草XO1品系，相对发芽率呈先升后降的趋势，峰值出现在10%PEG胁迫下。羊草SF4-2、QF10品系的相对发芽率呈先降后升趋势，峰值出现在15%PEG胁迫下。在15%～20%PEG胁迫下，4个参试羊草品系相对发芽率均呈急剧下降趋势。在20%～35%PEG胁迫下，除羊草SF4-2品系又出现1个上升和下降过程(峰谷)外，SZ-3、SF4-2、QF10品系的相对发芽率均随着干旱胁迫浓度的增加而下降。总而言之，随着干旱胁迫浓度的增加，除羊草SF4-2品系的相对发芽率呈“双峰”曲线外，SZ-3、XQ1和QF10品系的相对发芽率呈“单峰”曲线。在20%PEG胁迫下，羊草4个品系的相对发芽率急剧下降到一个较低范围值，20% PEG-6000被认为是羊草受到干旱胁迫的一个转折点。

一般认为，相对发芽率下降到10%以下时相对应的PEG浓度称为种子抗旱极限浓度；相对发芽率为10%～50%时相对应的PEG浓度称为种子抗旱半致死浓度。该试验中30% PEG-6000干旱胁迫下,羊草种子几乎丧失生活力，相对发芽率的变化范围为6%～12%，说明羊草种子抗旱极限浓度为30%PEG浓度，相对应的土壤水势为-1.24 MPa；20% PEG-6000干旱胁迫下,羊草各品系的相对发芽率达到 20%～35%，说明羊草种子抗旱半致死浓度为20% PEG浓度，相对应的土壤水势为-0.59 MPa。

在抗旱极限浓度和抗旱半致死浓度胁迫下，各羊草品系的相对发芽率从大到小依次为QF10、SZ-3、SF4-2、XQ1。试验中羊草QF10品系种子在高胁迫浓度下，其种子萌发力相对较强，表现在抗旱极限浓度下相对发芽率最高(12%)，抗旱半致死浓度下相对发芽率也最高(35%)。

从图4可以看出，随着干旱胁迫的加剧, 4个参试的羊草品系种子的相对发芽势呈现先升后降的波动变化趋势。羊草SZ-3品系相对发芽势呈“单峰”曲线，SF4-2和QF10品系的相对发芽势呈“双峰”曲线，XQ1品系的相对发芽势随着干旱胁迫的加剧而呈下降趋势。在5%～20% PEG胁迫下，羊草相对发芽势变化趋势与相对发芽率变化趋势相似。但是，当PEG胁迫浓度超过20%后，QF10品系的相对发芽势又出现先升后降的波动过程，其他3个品系却随着胁迫程度增加而下降。

图3　不同PEG浓度胁迫下4个羊草品系相对发芽率的变化Fig.3　Change of relative germination rate of 4 strains of L.chinensis under stress of different PEG concentration

图4　不同PEG浓度胁迫下羊草4个品系相对发芽势的变化Fig.4　Change of relative germination vigor of 4 strains of L. chinensis under stress of different PEG concentration

2.4渗透胁迫对羊草相对胚芽长和相对胚根长的影响从图5～6可以看出，在5%～10%PEG胁迫下，除羊草XQ1品系的相对胚根长随着胁迫浓度的增加呈现上升趋势外，其他羊草品系的相对胚芽长和相对胚根长均呈下降趋势；在10%～15%PEG胁迫下，除羊草SF4-2品系的相对胚根长随着胁迫浓度的增加呈上升趋势外,其他羊草品系的相对胚芽长和相对胚根长均呈下降趋势；在15%～20%PEG胁迫下，羊草XQ1和SF4-2品系PEG相对胚芽长呈上升趋势，并出现最大峰值。羊草SF4-2品系的相对胚根长继续呈上升趋势，出现峰值，其余继续呈下降趋势；在20%～25%PEG胁迫时，除羊草QF10品系的相对胚芽长和相对胚根长均呈上升趋势，并出现峰值外，其他羊草品系均呈现下降趋势；在25%～35%PEG胁迫下，羊草XQ1品系的相对胚芽长和相对胚根长呈急剧上升趋势，羊草QF10品系则一直呈下降趋势。

2.5羊草萌发性状的方差分析、非线性回归关系及隶属函数分析笔者利用模糊数学中隶属函数的方法对不同PEG浓度胁迫下4个羊草品系的相对发芽率的隶属函数进行计算。由表1可知，羊草SZ-3、SF4-2、XQ1、QF10品系相对发芽率的隶属函数平均值分别为0.591、0.774、0.942和0.983，其中羊草QF10品系隶属函数平均值最高，其次是XQ1品系，而SZ-3品系最低。这表明羊草QF10品系具有较高的抗旱性，而羊草SZ-3品系的抗旱性较差。

图5　不同PEG胁迫浓度下4个羊草品系相对胚芽长的变化Fig.5　Change of relative embryo length of 4 strains of L. chinensis under stress of different PEG concentration

图6　不同PEG浓度胁迫下羊草4个品系相对胚根长的变化Fig.6　Change of relative radicle length of 4 strains of L. chinensis under stress of different PEG concentration

测试指标Determinationindex回归方程Regressionequation相关系数R2CorrelationcoefficientR2萌发抗旱指数Germinationdroughtresistanceindexy=126.038+6.835x0.888**活力抗旱指数Vigordroughtresistanceindexy=229.654+44.083x0.886**相对发芽率RelativeGerminationratey=4.634+2.074x0.916**相对发芽势Relativegerminationvigory=4.953+2.081x0.918**相对胚芽长Relativeembryolengthy=106.92+1.315x0.690*相对胚根长Relativeradiclelengthy=108.509+79.678x+2.749x2-12.013x30.982**

注：*表示相关性达到显著水平(P<0.05)；**表示相关性达到极显著水平(P<0.01)。

Note:* stands for correlation at significant level (P<0.05); ** stands for correlation at extremely significant level(P<0.01).

笔者对羊草的上述测定指标进行方差分析，发现干旱胁迫对中科系列羊草的相对发芽率和发芽势的影响较大。羊草种子相对发芽率与土壤水势的相关系数最大(0.982)，与相对胚芽长最小(0.690)。如果用其他多个指标的隶属函数总平均值，作为植物抗旱性鉴定指标，势必忽略与土壤水势关系不甚紧密的因素(如相对胚芽长等)的权重问题。笔者采用与土壤水势相关性最大的因素(相对发芽率、发芽势)的隶属函数值，作为鉴定羊草抗旱性的重要指标之一，又采用PEG渗透液的抗旱极限浓度、抗旱半致死浓度和活力抗旱指数的变化。通过以上研究，可得出以下公式：萌发期抗旱性=PEG溶液胁迫下种子相对发芽率的隶属函数值+萌发抗旱指数+活力抗旱指数(抗旱极限浓度、半致死浓度下)，这个公式可为综合评价植物萌发期抗旱性鉴定提供理论参考。

3　小结

(1)干旱渗透胁迫下，虽然相对胚根长与水势的相关系数最大(0.982)，但是计算胚根时的不确定性较大，容易产生误差。笔者采用相对发芽率作为抗旱鉴定指标之一，因为相对发芽率与水势的相关系数较大(0.916)，可操作性强，准确度较高，利用相对发芽率的隶属函数值作为鉴别不同羊草品系抗旱性的指标是合理的。

(2)不同浓度PEG-6000渗透胁迫下，虽然4个参试羊草品系的萌发抗旱指数不存在显著差异，但是羊草QF10品系的萌发抗旱指数均值最大；高浓度(25%～35%)PEG胁迫下，除羊草QF10品系的活力抗旱指数呈下降趋势外，其他参试羊草品系的活力抗旱指数几乎趋向0。

(3)羊草QF10品系与其他3个参试羊草品系相比，在PEG抗旱极限浓度下相对发芽率最高(12%)，在PEG抗旱半致死浓度下的相对发芽率也最大(35%)，表明羊草QF10品系的种子抗旱萌发力较强。

(4)依据相对发芽率的隶属函数大小,4个羊草品系的抗旱性从强到弱依次为：QF10、XQ1、SF4-2、SZ-3。羊草QF10品系隶属函数平均值(0.983)最大，说明QF10品系对干旱胁迫的敏感性较差，可从中提取羊草QF10品系的抗干旱基因；羊草SZ-3品系隶属函数平均值(0.591)最小，其抗旱性较差。该研究可为利用羊草QF10品系做抗旱育种的候选亲本材料提供科学依据。

(5)提出鉴定种子萌发期抗旱性的公式：萌发期抗旱性=PEG溶液胁迫下种子相对发芽率的隶属函数值+萌发抗旱指数+活力抗旱指数(抗旱极限浓度、半致死浓度下)。

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Study on Drought Resistances of 4 “Zhongke” Series Strains ofLeymuschinensisin Germination Stage

CHEN Ying, XIAO Qing-hong

(Ningxia Agricultural Comprehensive Development Office, Yinchuan, Ningxia 750001)

In order to screen outLeymuschinensisdrought resistance strains adapting to eco-environment of arid area, a study was made on the germination stage characteristics of 4 “Zhongke” series strains ofL.chinensis, SZ-3, SF4-2, XQ1 and QF10, under the PEG-6000 high osmotic solution simulated water stress. The results showed that the order of drought resistance of 4 strains ofL.chinensisfrom strong to weak is QF10, XQ1, SF4-2, SZ-3. QF10 was selected out as a high drought resistant strain adapting to the arid area ecological environment. The formula for identifying the drought resistance of the seed in germination period was put forward as follows: the drought resistance in germination stage=membership function of relative germination rate of seeds under PEG stress + germination drought resistance index and vigor indices of drought resistance (under drought limiting concentration and semi lethal concentration). The study can provide important data for large-area extension of artificial planting of the high-yield, high-quality and drought resistant “Zhongke” seriesL.chinensisas well as carrying out vegetation restoration and reconstruction of degraded natural grassland.

“Zhongke” seriesLeymuschinensis; PEG-6000 high osmotic solution; Germination stage; Drought resistance

宁夏农业育种专项基金项目。

陈瑛(1978- )，女，河南扶沟人，助理农业工程师，在读硕士，从事牧草育种方面的研究。

2016-07-03

S 812.29

A

0517-6611(2016)23-122-04