不同扁蓿豆种质孕蕾期抗旱性综合评价
2016-11-01段春华景媛媛陈陆军张建文杨海磊鱼小军
肖 红,王 芳,段春华,景媛媛,陈陆军,张建文,杨海磊,鱼小军
(1.甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室,中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃省草业工程实验室, 甘肃 兰州 730070; 2.甘肃农业大学农学院, 甘肃 兰州 730070;3.四川省宣汉县饲草饲料工作站, 四川 宣汉 636150)
不同扁蓿豆种质孕蕾期抗旱性综合评价
肖红1,王芳2,段春华3,景媛媛1,陈陆军1,张建文1,杨海磊1,鱼小军1
(1.甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室,中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃省草业工程实验室, 甘肃 兰州 730070; 2.甘肃农业大学农学院, 甘肃 兰州 730070;3.四川省宣汉县饲草饲料工作站, 四川 宣汉 636150)
采用盆栽反复干旱法,在适度、中度和重度水分胁迫(土壤含水量分别为75%~80%、50%~55%和30%~35%)条件下,研究了12份不同生境扁蓿豆(Medicagoruthenica)种质孕蕾期的抗旱性。结果表明:随着干旱胁迫程度的加剧,12份扁蓿豆的绝对株高、茎粗、地上生物量、地下生物量、叶片相对含水量和叶绿素含量均呈下降趋势,而丙二醛(MDA)含量呈上升趋势;与对照相比,中度水分胁迫下,12份扁蓿豆叶片相对含水量的降幅均在11%以下,重度水分胁迫严重抑制了扁蓿豆的生长;中度和重度胁迫下,陇县扁蓿豆绝对株高降幅较小,分别下降了1.8%和22.1%;而渭源扁蓿豆叶片MDA含量在中度和重度水分胁迫下均比其他材料的含量高,分别为26.172 μmol·g-1和31.149 μmol·g-1。以中度和重度水分胁迫处理下绝对株高、茎粗、地上生物量、地下生物量、叶片相对含水量、MDA含量和叶绿素含量的相对值为评价指标,应用隶属函数法对12份扁蓿豆孕蕾期抗旱性进行综合评价,抗旱性强弱依次为:陕西陇县>榆中>永昌>陇西>天水>渭源>土默特>自选8号>景泰>临夏>镇原>夏河。
扁蓿豆;孕蕾期;抗旱性;隶属函数
在中国西北地区,干旱已成为发展农业和畜牧业的主要限制因子。解决干旱这一问题的最有效方法就是挖掘作物本身的抗逆能力,筛选培育抗旱新品种,从而达到节约水资源以及农业和畜牧业可持续发展的目标。扁蓿豆(Medicagoruthenica)是豆科苜蓿属植物,又名花苜蓿、野苜蓿、扁豆草、网果葫芦巴等,广泛分布于我国北方的高山草原、典型草原和荒漠化草原[1-4]。扁蓿豆是我国北方地区不可或缺的优质蛋白质饲料之一[4],可以与羊草(Leymuschinensis)等禾本科牧草建立混播栽培草地,从而提高草地的产量和品质,在改良草地、建立人工草地、防治水土流失等方面具有重要意义,尤其在寒冷半干旱、土壤贫瘠区引种具有特殊意义。
近年来,国内主要对内蒙扁蓿豆的染色体、栽培技术以及生态生物学特性等方面进行了较多的研究[5-10],关于对西北分布的扁蓿豆材料的抗旱性未见报道。本研究以土默特扁蓿豆为对照,采用盆栽反复干旱法,分析不同扁蓿豆种质的绝对株高、茎粗、叶片相对含水量等抗旱指标,应用隶属函数进行综合分析,评价12份扁蓿豆种质材料孕蕾期的抗旱性,为扁蓿豆种质资源的评价和抗旱品种的选育提供理论依据。
1 材料与方法
1.1供试材料
供试12份扁蓿豆种子,9份于2012年9—10月采集于甘肃各地(表1),1份于2012年9—10月采集于陕西陇县,1份为野生栽培品种土默特扁蓿豆,1份为种子在兰州生产的自选8号扁蓿豆。
表1 供试的12份扁蓿豆种质材料
1.2试验方法
由于扁蓿豆种子存在硬实,所有种子均用砂纸打磨破除硬实,用80目的砂纸两层,将种子放在其中,打磨3~5 min,直到种皮发毛失去光泽为止,挑取饱满均匀一致的种子以供试验[11]。
试验于2014年4月中旬至7月下旬在兰州市安宁区甘肃农业大学校园内的遮雨棚进行,采用盆栽反复干旱法[12]。在干旱处理期间遮雨棚内最低、最高和平均温度分别为23℃、38℃和29℃。取试验田表层土壤(黄绵土),过筛,去掉石块、杂质,并拌入适量腐熟有机肥,混合均匀,用无孔塑料花盆(高13.5 cm,底径9.5 cm,口径16.5 cm)装土,每盆装土1.4 kg,同时取样测定土壤水分含量以确定实际装入干土重,再将种子均匀撒播于盆中,轻轻用土覆盖。在生长期间按常规进行统一管理,定期定量供水,浇水量为最大田间持水量的75%~80%(土壤最大田间持水量为100%时的净含水量为35.7%)。等苗齐后间苗,每盆留长势均匀的健苗15株。待植物进入孕蕾期后进行土壤水分胁迫处理,试验共设3个水分梯度,适宜水分处理(CK)为田间最大持水量的75%~80%,中度水分胁迫处理为田间最大持水量的50%~55%,重度水分胁迫处理,为田间最大持水量的30%~35%[13]。每水分处理设5次重复(1盆为1重复)。根据设计的土壤含水率计算出各水分处理下每桶土的质量,每天用电子秤称重法控制水分。连续水分胁迫处理10 d后复水,复水后的土壤含水量达到田间最大持水量的75%~80%,再胁迫10 d后进行各项指标的测定[12]。
1.3测定指标与方法
1.3.1形态指标绝对株高,用卷尺测定土壤表面至主茎叶间的拉直长度(cm),每盆测定5株。
茎粗,用游标卡尺测定植株主茎基部的粗茎(mm),每盆测定5株。
地上和地下生物量。将花盆内土壤一次倒出,用网袋兜住植株的地下部分,然后用流水冲洗植株根部的泥土,每盆取长势相当的5株植株,用剪刀将植株的地上和地下部分分开,分别放入纸袋,然后放入烘箱于105℃杀青,再在80℃恒温下烘至恒重后称重(g)。求平均值即为单株地上和地下生物量。
1.3.2生理指标叶片相对含水量采用饱和称重法[14]。称取各植株中间同等部位新鲜叶片0.5 g(Wf),在蒸馏水中浸泡24 h称取饱和鲜重(Wt),然后放入烘箱于105℃杀青,再于80℃恒温下烘至恒重(Wd),用RWC=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%计算,3次重复。
丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法测定[14]。称取0.2 g扁蓿豆中间同等部位新鲜叶片加5 mL磷酸缓冲液研磨,并转移至10 mL离心管中,4 000 r·min-1下离心10 min,取上清液,加1.5 mL 0.6% TBA溶液后在沸水浴中反应30 min,迅速冷却后再离心。取上清液测定450、532 nm和600 nm波长下的吸光度。
叶绿素含量测定采用比色法[14],称取中间同等部位新鲜叶片0.2 g,用蒸馏水冲洗干净,用酒精与丙酮(1∶1)浸提直到叶片无色为止,测定470、649 nm和665 nm波长下的吸光度,3次重复。
1.4抗旱性综合评价
采用隶属函数法对12份扁蓿豆材料孕蕾期抗旱性进行综合评价[15]。以不同处理下绝对株高、茎粗、地上生物量、地下生物量、叶片相对含水量、MDA含量和叶绿素含量的相对值(各指标的相对值=胁迫处理测定值/适宜水分处理测定值(CK))为评价指标,采用下述公式计算各指标具体隶属值,当指标与抗旱性呈正相关时用公式X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),式中,X为参试植物某一抗旱指标测定值的相对值,Xmax和Xmin分别为所有材料中该指标的最大值和最小值,当指标与抗旱性呈负相关时用公式X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),然后把每一指标在不同水分胁迫下的隶属值累加求平均值,最后把每份材料各抗旱项指标隶属函数值累加求平均值,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。
1.5数据统计
采用Microsoft Excel 2007对数据进行处理,采用SPSS 18.0统计软件和最小显著差异法(LSD)进行方差分析。
2 结果与分析
2.1干旱胁迫对12份扁蓿豆形态指标的影响
随着干旱胁迫的加剧,12份扁蓿豆材料的绝对株高均呈下降趋势(表2),但不同扁蓿豆材料降低的幅度不同,其中景泰、天水、渭源和榆中扁蓿豆呈显著下降趋势(P<0.05)。适宜水分处理(CK)下,天水和榆中扁蓿豆的绝对株高较高,而永昌扁蓿豆的绝对株高显著低于除渭源和陇县扁蓿豆以外的其他9份材料(P<0.05)。中度胁迫下,土默特扁蓿豆的绝对株高显著高于自选8号、临夏和景泰扁蓿豆(P<0.05)。与对照相比,中度胁迫下,陇县和永昌扁蓿豆的降幅较小,分别降低了1.8%和7.8%。重度胁迫下,景泰扁蓿豆绝对株高的降幅较大,降低了51.6%,陇县扁蓿豆的降幅较小,降低了22.1%。
由表2可知,适宜水分处理下,景泰扁蓿豆的茎粗显著高于永昌、陇西和陇县扁蓿豆(P<0.05)。中度胁迫下,天水扁蓿豆的茎粗显著高于自选8号、临夏、永昌和陇西扁蓿豆(P<0.05)。重度胁迫下,天水扁蓿豆的茎粗显著高于除榆中扁蓿豆以外的其他10份材料(P<0.05)。与对照相比,重度水分胁迫对扁蓿豆茎粗的影响不一致,其中榆中、陇县和永昌扁蓿豆的变化较小,分别降低了4.8%、6.5%和8.7%,景泰扁蓿豆的变化幅度较大,降低了30.5%。
适宜水分处理下,镇原扁蓿豆单株地上生物量显著高于其他11份材料(P<0.05)(表2)。随着干旱胁迫的加剧,12份扁蓿豆植株的生长均受到严重抑制,其中景泰和渭源扁蓿豆的地上生物量呈显著下降趋势(P<0.05)。中度胁迫下,天水和榆中扁蓿豆的地上生物量较高,且均显著高于镇原扁蓿豆的地上生物量。重度胁迫下,天水扁蓿豆的地上生物量显著高于除榆中扁蓿豆以外的其他10份材料(P<0.05)。与对照相比,中度胁迫对陇县和永昌扁蓿豆地上生物量的影响较小,分别降低了5.0%和8.0%,重度胁迫下12份扁蓿豆的地上生物量均下降了40%以上,其中景泰扁蓿豆的降幅最大,为89.1%。
表2 不同干旱胁迫下12份扁蓿豆的形态指标
注:同列不同小写字母表示同一处理下不同扁蓿豆种质间差异显著(P<0.05);同行不同大写字母表示同一材料在不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。
Note: Different lower-case letters within the same column show significant different at 0.05 level among germplasms ofMedicagoruthenica, while different capital letters within the same line show significant different at 0.05 level among treatments. Hereinafter.
景泰、渭源、夏河和土默特扁蓿豆的单株地下生物量随着干旱胁迫的加剧呈显著下降趋势(P<0.05)(表2)。适宜水分处理下,镇原扁蓿豆的地下生物量较高。中度水分胁迫下,陇县扁蓿豆单株地下生物量显著高于永昌、镇原和陇西扁蓿豆(P<0.05)。与对照相比,重度水分胁迫严重抑制了扁蓿豆地下根系的生长,其中榆中扁蓿豆的降幅较小,降低了29.8%,其他11份扁蓿豆的地下生物量均下降了40%以上,其中景泰扁蓿豆的降幅较大,降低了76.8%。
2.2干旱胁迫对12份扁蓿豆生理指标的影响
由表3可知,适宜水分处理下,永昌扁蓿豆叶片的相对含水量显著高于陇西、镇原和土默特扁蓿豆(P<0.05)。随着干旱胁迫的加剧,12份扁蓿豆叶片相对含水量均呈下降趋势。中度胁迫对扁蓿豆叶片相对含水量的影响较小,与对照相比,除夏河扁蓿豆外,其他11份扁蓿豆叶片相对含水量的降幅均在10%以下。夏河扁蓿豆的叶片相对含水量在中度和重度胁迫下的降幅较大,分别下降了10.0%和35.0%。自选8号扁蓿豆的叶片相对含水量在重度胁迫下的下降幅度较小,下降了17.9%。
适宜水分处理下,陇西扁蓿豆叶片MDA含量显著高于除渭源和临夏扁蓿豆以外的其他9份材料(P<0.05)(表3)。与对照相比,中度和重度胁迫下陇西扁蓿豆叶片MDA含量增加的幅度较小,分别增加了4.0%和24.1%。中度和重度胁迫下渭源扁蓿豆的叶片MDA含量均显著高于对照(P<0.05),且在此胁迫下,渭源扁蓿豆的叶片MDA含量均比其他材料的含量高,说明渭源扁蓿豆叶片对干旱胁迫比较敏感。
随着干旱胁迫的加剧,天水和渭源扁蓿豆叶绿素含量呈显著下降趋势(P<0.05)(表3)。在适宜水分处理下,天水扁蓿豆叶绿素含量显著高于除景泰和土默特扁蓿豆以外的其他9份材料(P<0.05)。与对照相比,中度胁迫对永昌和榆中扁蓿豆叶绿素含量的影响较小,分别降低了3.6%和5.9%,而重度胁迫下景泰扁蓿豆的降低幅度较小,为22.1%,夏河扁蓿豆的降幅较大,为49.0%。
2.312份扁蓿豆孕蕾期耐旱性评价
利用每份扁蓿豆材料绝对株高、茎粗、地上生物量、地下生物量、叶片相对含水量、MDA含量和叶绿素含量的相对值,采用隶属函数法对扁蓿豆种质孕蕾期抗旱性进行综合评价,抗旱性强弱依次为:陕西陇县>榆中>永昌>陇西>天水>渭源>土默特>自选8号>景泰>临夏>镇原>夏河(表4)。
表3 不同干旱胁迫下12份扁蓿豆的生理指标
3 讨 论
植物的生长极易受外界各种环境因子的影响而产生不同的响应,其中水分胁迫被认为是限制植物生产力的主要因素[16]。但是植物对水分胁迫的响应机制说法不一,有研究表明,植物的抗旱性往往随生育期而异,牧草种子萌发和幼苗生长阶段对土壤水分的变化较敏感,随着牧草生长,抗旱能力逐渐增强,而蔡焕杰等[17]研究表明,作物在不同时期对缺水的敏感度不同,对于大多数作物而言,早期生长阶段植株较小,需水量小,气温较低,蒸发量也较小,作物缺水的发展速度较慢;作物在生长中期,植物生长旺盛,需水量大,作物缺水的发展速度较快。前人[18-19]已对扁蓿豆种子萌发期的抗旱性和耐盐性做了初步探究,要综合评价扁蓿豆的抗旱性不但要从形态、生理、生化等多个指标进行综合评价,而且也需要结合不同的生育期进行综合评价[20]。本试验采用盆栽反复干旱法对12份扁蓿豆种质孕蕾期的生长特性和抗旱性进行了研究,试验结果显示,扁蓿豆孕蕾期的绝对株高、茎粗、地上生物量、地下生物量、叶片相对含水量和叶绿素含量都是随着胁迫程度的加剧,呈下降趋势,而MDA含量随着干旱胁迫的加剧呈上升趋势,与前人在多种牧草抗旱性研究中所得出的结果具有一致性[21-23]。
表4 12份扁蓿豆孕蕾期耐旱性各指标隶属函数值及综合评价值
随着干旱胁迫的加剧,扁蓿豆的生长和生理生化调节均受到不同程度的抑制。本研究结果显示,景泰扁蓿豆的绝对株高、茎粗、单株地上和地下生物量均呈显著下降趋势(P<0.05),说明干旱胁迫严重抑制了景泰扁蓿豆的生长。与对照相比,重度胁迫下扁蓿豆绝对株高的降幅相对地上和地下生物量的降幅较小,说明重度胁迫对扁蓿豆生物量的影响较对绝对株高的影响大,赵丽丽[24]通过盆栽反复干旱法研究了扁蓿豆不同品系苗期抗旱性,得出干旱处理后各材料的干物质胁迫指数较绝对株高胁迫指数变化大,从而说明干旱对生物量的影响较对绝对株高的影响大,与本试验得出的结果基本一致。在干旱胁迫下,植物首先表现出来的是体内含水量的下降。相对含水量是反映植物水分状况的参数,可部分地反映植物抗旱性的强弱[25]。本试验扁蓿豆叶片相对含水量在中度胁迫下降幅较小,从而反映出扁蓿豆能适应一定的干旱环境。乌日娅等[10]对扁蓿豆叶片的解剖结构进行了研究,指出扁蓿豆叶片具有一定的旱生解剖结构,侧脉维管束外有多层厚壁组织构成的维管束鞘。陇西扁蓿豆叶片MDA含量在中度和重度胁迫下增加的幅度较慢,分别增加了4.0%和24.1%,说明干旱胁迫对陇西扁蓿豆叶片质膜结构和功能的伤害较小。干旱胁迫不仅影响叶绿素的生物合成,而且加快叶绿素的分解[26]。永昌和榆中扁蓿豆叶绿素含量在中度胁迫下降幅较小,分别降低了3.6%和5.9%,表明永昌和榆中扁蓿豆能抵抗一定的逆境。
综合扁蓿豆在干旱胁迫下的生长指标和生理指标,不同生境的扁蓿豆抗旱性具有明显的差异。牧草对干旱胁迫的适应机理是多方面的,某一抗旱指标表现出较强的抗性,并不表示其他抗旱指标也能表现出较强的抗性[27]。从12份扁蓿豆不同的抗旱性指标来看,没有一种材料总是处于相同的序位上,即表明不同材料对干旱胁迫有着不同的适应方式,这种现象即使在超旱生牧草中也是存在[28]。抗旱性是一个受多种因素影响的复杂的数量性状,因此,用单一的指标难以全面而准确地反映抗旱性的强弱,必须运用多个指标进行综合评价[15]。本试验采用隶属函数法,利用中度和重度胁迫处理下绝对株高、茎粗、地上生物量、地下生物量、叶片相对含水量、MDA含量和叶绿素含量的相对值对12份扁蓿豆孕蕾期期抗旱性进行了综合评价,抗旱性强弱依次为,陕西陇县>榆中>永昌>陇西>天水>渭源>土默特>自选8号>景泰>临夏>镇原>夏河。而种子萌发期的抗旱性强弱顺序为:景泰>陇西>土默特>镇原>永昌>天水>榆中>宁县>夏河>临夏>陕西陇县>渭源[18]。结果表明,不同扁蓿豆种质在不同生育期的抗旱性强弱顺序存在一定的差异性。由于植物的抗旱性是一个复杂的现象,不同植物甚至是同一植物的不同品种,对干旱胁迫的反应及其适应机制也不尽相同[29]。并且本试验所用的材料有10份为采集于不同地区的扁蓿豆种子,扁蓿豆的抗旱性除了与本身的遗传特性有关外,还可能与种子的生境以及采集时间有关。同时本试验是在遮雨棚内进行,由于遮雨棚内空气流动性较差,棚内温度要比棚外略高。所以,扁蓿豆不仅有水分胁迫还有高温胁迫,有研究表明抗旱性和耐热性也相关[30]。要鉴定各扁蓿豆材料的抗旱性强弱,还需要今后在田间的生产实践和不断的试验中逐步探索。
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Comprehensive evaluation of drought resistance of differentMedicagoruthenicagermplasms at the budding stage
XIAO Hong1, WANG Fang2, DUAN Chun-hua3, JING Yuan-yuan1, CHEN Lu-jun1,ZHANG Jian-wen1, YANG Hai-lei1, YU Xiao-jun1
(1.Pratacultural College, Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem ofMinistryofEducation/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou,Gansu730070,China;2.AgronomyCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;3.FodderandForageStationofXuanhanCounty,Xuanhan,Sichuan636150,China)
With optimal, medium and severe water stresses (soil relative water contents were 75%~80%, 50%~55%, and 30%~35%, respectively), the drought resistances of 12Medicagoruthenicagermplasms from different habitats at the budding stage were studied by a pot culturing method by repeated drought stress. The results showed that plant height, stem diameter, aboveground and underground biomass, leaf relative water content and chlorophyll content were all decreased with the increase in severity of drought stress, while the MDA content was increased. Compared with the control (CK), the decreasing levels of leaf relative water content for 12M.ruthenicagermplasms were all below 11% under medium water stress. The growth ofM.ruthenicawas seriously inhibited under severe water stress. In addition, under medium and severe water stresses, the plant heights ofM.ruthenica(Longxian) were declined by 1.8% and 22.1% respectively, and the leaf MDA contents ofM.ruthenica(Weiyuan) were 26.172 μmol·g-1and 31.149 μmol·g-1, respectively, higher than other materials. Based on the relative values of plant height, stem diameter, aboveground biomass, underground biomass, leaf relative water content, MDA content and chlorophyll content under medium and severe water stresses, the drought resistance of 12Medicagoruthenicagermplasms was comprehensive evaluated by the subordinate function method and followed the order from strong to weak as Longxian (from Shanxi)>Yuzhong>Yongchang>Longxi>Tianshui>Weiyuan>Tumote>No.8 Zixuan>Jingtai>Linxia>Zhenyuan>Xiahe.
Medicagoruthenica; budding stage; drought resistance; subordinate function
1000-7601(2016)05-0062-07
10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.09
2015-09-10
甘肃省高校基本科研业务费
肖红(1990—),女,甘肃省兰州人,硕士生,主要从事牧草种质与草地生态研究。E-mail:1181827215@qq.com。
鱼小军,E-mail: yuxj@gsau.edu.cn。
S311
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