狗牙根种质资源耐铝性评价

2020-09-26崔蓉菁刘国道黄春琼

热带作物学报 2020年8期

崔蓉菁刘国道黄春琼

摘要：选取相对枯黄率、相对坪用质量、相对地上部分干重、相对根系干重和相对全株干重5个指标对不同地理来源的66份狗牙根材料的耐铝性进行初步评价，从而筛选出不同耐铝型的种质。结果表明：在2500 μmol/L铝浓度处理下，不同狗牙根种质之间的生长存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）差异，不同指标间的变异系数范围为19.90%～36.56%，其中相对枯黄率变异系数最大（36.56%），而相对坪用质量变异系数最小（19.90%）;相对地上部干重与相对全株干重存在极显著正相关（P<0.01），相关系数为0.942，相对枯黄率与相对坪用质量的相关性达到极显著负相关（P<0.01），相关系数为0.431;通过隶属函数法，将66份狗牙根种质分为4级，其中1级为极端耐铝型材料，包含5份材料，占总供试材料的7.57%;2级为较耐铝型材料，包含4份材料，占供试材料的6.06%;3级为中间型材料，包含47份材料，占供试材料的71.21%;4级为铝敏感型材料，包含10份材料，占供试材料的15.15%。通过对66份狗牙根材料耐铝性综合评价，筛选出了5份耐铝的种质，依次是B219、B532、A522、A075和B509。

关键词：狗牙根;耐铝;种质资源;评价

中图分类号：S688.4 文献标识码：A

Abstract： In this study， the aluminum tolerance of 66 Cynodon dactylon germplasm materials with different geographical distribution was preliminarily evaluated by five indexes， namely， relative withering rate， relative turf quality， relative shoot mass weight， relative root mass weight and relative total mass weight. The results showed that there were significant （P<0.05） or extremely significant （P<0.01） differences in the growth of C. dactylon germplasm under the treatment of 2500 μmol/L aluminum concentration. The variation coefficient of different indicators was ranged from 19.90% to 36.56%， among which the variation coefficient of relative withering rate was the largest （36.56%）， while the variation coefficient of relative turf quality was the smallest （19.90%）. There was an extremely significant positive correlation between relative shoot mass weight and relative total mass weight （P<0.01）， and the correlation coefficient was 0.942. Through the subordinate function method， 66 samples of C. dactylon germplasm were divided into four grades， among which Grade 1 was extremely resistant to aluminum， including five samples， accounting for 7.57% of the total tested materials. Grade 2 was relatively resistant to aluminum， including four materials， accounting for 6.06% of the materials tested. Grade 3 was intermediately resistant to aluminum， including 47 materials， accounting for 71.21% of the materials tested. Grade 4 was sensitive to aluminum， including 10 materials， accounting for 15.15% of the materials tested. Through the comprehensive evaluation of the aluminum tolerance of the 66 materials， five aluminum resistant germplasms were selected， namely B219， B532， A522， A075 and B509.

Keywords： Cynodon dactylon; aluminum tolerance; germplasm resources; evaluation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.006

土壤酸化影響着全球30%～40%的可耕地的作物生产，酸性土壤是指pH低于6.5的土壤，酸性土壤在全世界热带亚热带及温带地区广泛存在，全世界约有50%以上的耕地属于酸性土壤，土壤酸化是农业生产面临的巨大挑战，在我国酸化土壤面积占全国总土壤面积的23%，主要集中在南方地区[1]。酸性土壤分布地区的水热条件良好，但由于铝毒使得很多经济作物的生长受到抑制，产量下降，严重影响了这些地区的农业生产[2]。因此，铝毒害是酸性土壤上植物生长的主要限制因素，对植物的生长具有巨大的毒害作用，严重制约着土壤的产出能力。铝毒的主要症状是抑制根系的伸长，植物根系是吸收土壤养分和水分的主要器官，是感受土壤逆境胁迫的直接部位，植物根系具有重要的生物学功能[3]。因此，解决土壤酸性问题以及培育耐酸铝的种质是育种工作中亟待解决的关键问题之一。

目前，国内外学者对小麦（Triticum aestivum）、大麦（Hordeum vulgare）、玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）等作物的耐铝性已有相关研究。潘伟槐等[4]通过研究发现大麦耐铝品种和敏感品种对铝毒胁迫的生理响应具有较大差异，揭示了耐铝机制在大麦铝毒胁迫中的功能;杨野等[5]发现铝胁迫下小麦可通过提高根际pH减轻铝毒害，不同耐铝性小麦品种根际pH的显著差异是耐铝性差异显著的原因之一。在草类植物方面，刘洋等[6]利用水培法对地毯草（Axonopus compressus）进行耐铝鉴定发现不同品系地毯草耐铝性差异较大;王瑞峰[7]以根长、株高、地上生物量、地下生物量、根体积及叶面积等指标进行分析，对我国22个主要苜蓿（Medicago sativa）审定品种进行了耐酸与耐铝评价。刘建乐等[8]利用水培法研究了来自华南地区的20份割手密（Saccharum spontaneum）種质对铝胁迫的响应，确定了相对根长、相对地上干物质和相对地下干物质可作为耐酸铝的重要筛选指标。而狗牙根的耐铝性研究尚处于起步阶段。

狗牙根（Cynodon dactylon）是世界上三大暖季型草坪中最重要的草种之一。该草种耐干旱、耐践踏、繁殖能力及再生能力强，是禾本科狗牙根属的多年生草本植物，主要生长于温暖湿润的热带及亚热带地区，是我国酸性土壤分布地区天然草地上最常见的草种之一[9]。被广泛应用于公路护坡、庭院绿化、足球场、高尔夫球场等各种草坪用草，此外，狗牙根还可以用作很好的牧草，被牛羊等草食动物喜食。随着人们环保意识的不断增强以及对美好生活的追求，质地适中，适应性强及养护管理水平低的草种去美化环境以及供人们使用已成为草坪草品种选育的主要目标，而狗牙根符合这一发展需求趋势。

为了在酸性土壤的草坪建植中更好地利用狗牙根，减少该地区草坪建植养护费用，充分挖掘和利用野生狗牙根自身的耐性机制和潜力，进而通过遗传改良来获得耐酸铝毒能力较强的品种，是持续、经济地解决酸性土壤酸铝毒害的有效途径[10]。因此，本研究拟以前期构建的野生狗牙根核心种质为研究对象，通过对耐铝指标的测定从而对不同种质的耐铝性进行综合评价，从中筛选出狗牙根耐铝种质。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料收集了来自哥伦比亚、越南、泰国梅岛、东帝汶帝力、印度尼西亚、斯里兰卡、哥斯达黎加、委内瑞拉加拉加斯、南非、科特迪瓦的阿比让、格林纳达等多个国家或地区的狗牙根种质，这些材料分布在北纬117～南纬3033;中国的狗牙根分布在北纬1812～3957，主要采自天津、安徽、福建、江苏、上海、山东、海南、广东、广西、河南、湖北、湖南、甘肃、新疆、陕西、重庆、贵州和云南。共66份狗牙根材料，其中野生种质63份，栽培种质3份[A522（南京狗牙根）、A432（Tifway）、阳江狗牙根]。

材料来源详见表1，66份狗牙根种质种植于中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所热带牧草研究中心试验基地。

1.2 方法

1.2.1 材料的预培养于2019年3月14日在中国热带农业科学院热带作物种质资源圃采集狗牙根的匍匐茎，剪取生长发育良好，带有2个节的茎段插入到装有石英砂的250 mL塑料杯中（塑料杯直径6.5 cm、高9.5 cm，杯底打4个孔，垫上纱布），每杯种植6株，塑料杯悬挂于打孔的泡沫板上，每个泡沫板上放置12杯，即12个重复，泡沫板放置在装有10 L 1/2霍格兰营养液的周转箱上（长40 cm，宽29 cm，高14 cm），为创造相同的培养条件，每个种质在同一个周转箱培养（图1）。每隔3 d换1次营养液，每天用HCl和NaOH溶液来调节营养液的pH为5.8±0.2，并检查水面的高度，使茎段最下端的节点浸没在营养液中[11]。

1.2.2 铝处理方法预培养2周之后，将所有的材料挑出10杯长势较好的修剪一致后进行铝处理（5杯处理、5杯对照），每份狗牙根材料单独种植一个小桶，即5个重复。将泡沫板悬放于5 L的装有1/2霍格兰营养液塑料桶上，处理的铝（AlCl3·6H2O）设为2500 μmol/L[12]，对照不加铝。每隔3 d换1次营养液，定期用HCl和NaOH调节营养液pH为4.0 ± 0.2，并检查水面高度，补充蒸发的水分，整个试验期用氧气泵不间断通气，处理28 d后进行各项指标的测定。

1.2.3 测定指标和方法在铝处理结束后，以叶片枯黄率、坪用质量、地上部干重和地下部干重、全株干重为观测指标，各处理组测得的指标数值分别与各自的对照指标比较后进行方差分析。

（1）枯黄率。釆用目测打分法记录各材料叶片枯黄率。（LF，采用百分制，单位为%。5%以下表示草坪草基本没有黄叶出现，生长良好;50%表示草坪草有一半叶子枯黄;95%以上表示草坪草基本没有绿色叶片而死亡。）

（2）坪用质量。采用目测法以2～3人根据参试品种（系）的坪用性状、密度、颜色、均一性、叶宽和适应性以及抗逆性、抗病虫性等观感的综合表现进行评分，最后求观测值的平均值。评分时，9分为最优，1分为最差（坪用质量评分标准见表2）。

（3）地上部和地下部干重测定。铝处理结束后，将地上部分和根系分开，每份材料的5个重复单独分装标记，地上部和地下部相对应，先用水冲洗干净后，再用去离子水冲洗3次，105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干48 h，然后用天平称重。以每杯为单位计算每份种质的相对地上部分干重、相对地下部分干重和相对全株干重[9];

相对地上部分干重=铝处理地上部分干重/对照地上部分干重×100%;

相对地下部分干重=铝处理地下部分干重/对照地下部分干重×100%;

相对全株干重=铝处理全株干重/对照全株干重×100%。

1.2.4 综合评价采用隶属函数法进行综合评价。Fi=（XijXmin）/（XmaxXij），式中，Fi为第i个材料该性状的隶属函数值。Xij为第i个材料第j个性状的平均值，Xmin和Xmin分别为该性状的最小值和最大值。如果某一指标与综合质量成负相关，则利用反隶属函数进行转换，计算公式为：Fi=1（XijXmin）/（XmaxXij），最后按材料将各性状的隶属函数值进行平均，得各材料的平均隶属函数值[13]。

1.2.5 耐铝性分级根据平均隶属函数值大小对其耐铝性进行分级，分级标准见表3。其中，1级为极端耐铝型，2级为较耐铝型，3级为中间型，4级为铝敏感型。

1.3 数据处理

用SPSS 21.0和Excel 2010软件进行数据处理分析和统计。用Excel进行数据整理，计算各指标的相对值和平均值、隶属函数值等;利用SPSS 21.0软件进行方差分析以及相關性分析等。

2 结果与分析

2.1 供试材料各指标间综合形态特征变异分析

从表4结果可见，铝处理28 d之后，66份铝处理的狗牙根材料的相对枯黄率和相对坪用质量存在极显著差异（P<0.01），相对地上部干重、相对地下部干重以及相对全株干重均差异显著。其中相对枯黄率差异最大，变异幅度为70.00%～ 320.00%，变异系数为36.56%;相对坪用质量变异幅度为14.00%～154.00%，变异系数为19.90%;相对地上部干重的变异幅度为71.32%～183.84%，变异系数为21.67%;相对地下部干重的变异幅度为48.61%～222.11%，其变异系数为29.20%;相对全株干重的变异幅度为60.19%～166.79%，变异系数为20.44%。

经过铝胁迫处理以后，相对地上部干重、相对地下部干重、相对全株干重有部分材料大于100%，其中相对地上部干重有47份材料大于100%，相对地下部干重有38份材料大于100%，相对全株干重有41份材料大于100%，从这些结果可以看出，这种现象是因为不同植物的耐铝性存在一定的差异，同一种植物不同品种间也存在一定的耐铝性差异，耐铝能力较强的品种，在临界存活铝浓度处理下，其相对地上部干重、相对地下部干重和相对全株干重没有受到明显的抑制作用，反而促进了其生长;对于耐铝能力较弱的品种，在临界存活铝浓度下，其相对地上部干重、相对地下部干重和相对全株干重受到铝胁迫抑制作用，抑制了其生长。而相对枯黄率有部分材料出现处理的枯黄率小于对照的枯黄率，这种铝胁迫对植株表现出的促进作用，原因可能是植株本身对铝胁迫的适应机制，产生的有机酸和各种酶活性物质同时刺激了植株的生长发育。

2.2 供试材料各指标间相关性分析

由表5可见，通过对66份狗牙根材料5个性状相关性分析发现，相对地上部干重与相对全株干重的相关性为极显著正相关（P<0.01），相关系数为0.942，相对枯黄率与相对坪用质量的相关性达到极显著负相关（P<0.01），相关系数为0.431;相对枯黄率、相对地上部干重、相对地下部干重以及相对全株干重间的相关不显著;相对坪用质量与相对地上部干重显著正相关（P< 0.05），相关系数为0.206，而与相对地下部干重与相对全株干重的相关性不显著;相对地上部干重与相对地下部干重达到极显著正相关（P< 0.01），相关系数为0.413;相对地下部干重与相对全株干重也达到了极显著正相关（P<0.01），相关系数为0.611。

2.3 狗牙根耐铝能力综合评价

利用模糊数学中的隶属函数法分别计算出相对枯黄率、相对坪用质量、相对地上部干重、相对地下部干重和相对全株干重的隶属函数值，并计算出这几个指标的平均隶属函数值，并对狗牙根各材料耐铝能力进行排名，隶属函数值越大，说明该材料耐铝性越强。由表6可以看出，狗牙根不同种质耐铝能力差异较大。其中耐铝能力排名前5的狗牙根材料分别为B219、B532、A522（南京狗牙根）、A075、B509;耐铝能力排名最差的5份材料分别为：B404、B522、B494、B090、B300;较耐铝的有4份材料分别为：B518、B499、B048、B535;中间型材料有47份，分别为：B385、B005、B203、B141、A556、B276、B035、B491、B068、B449、B515、B245、B301、B450、B411、A084、B435、B514、B270、B469、B190、阳江狗牙根、B092、B521、B024、B372、B398、B039、B222、B399、B029、B396、B180、B045、B410、B229、B567、B051、B113、B440、B021、B002、B025、B506、B194、B412、A432。

将66份材料按照表3的标准进行耐铝性分级。分级结果表明：处于第1级的共5份材料，分别是B509、B532、B219、A522和A075，占总供试材料的7.57%，为极端耐铝型材料;处于第2级的材料共4份，分别是B499、B535、B048和B518，占供试材料的6.06%，为较耐铝型材料;处于第3级的材料包括B506、B514、B521、B567及B410等47份狗牙根材料，占总数的71.21%，为中间型材料;处于第4级的材料共包括B525、B494、B522、B300及B282等10份材料，占总数的15.15%，属于铝敏感型，其中铝最敏感的5份材料分别是B300、B090、B494、B522和B404。

3 讨论

筛选耐铝的植物资源是杂交育种和分子育种的工作基础，植物耐铝性的评价方法主要有水培法和土培法。土培法因为环境因素复杂不易调节监控，而利用水培法进行耐铝评价和鉴定可以保证控制条件一致，且操作简便快速，能最大化消除不同铝处理间的误差[14]。因此本研究采用水培法来评价66份狗牙根材料在铝胁迫下不同材料的耐铝性差异。本研究以相对枯黄率、相对坪用质量、相对地上部干重、相对地下部干重和相对全株干重这些指标对狗牙根材料进行耐铝性评价，这种方法在地毯草[15]、豌豆[16]、水稻[17]、大豆[18]等植物资源的耐铝性评价上都用过。不同的草坪草耐铝性存在显著的差异，张静等[19]研究发现地毯草在2100 μmol/L铝浓度处理下，相对地上部干重最高达92%，相对地下部干重最高达79.9%，相对值均小于100%，明显抑制了地上部和地下部的生长;褚晓晴等[20]研究发现假俭草在1500 μmol/L铝胁迫处理下，铝胁迫对非常耐铝种质的相对根系干重、相对地上部分干重、相对全株干重生长有明显促进作用，而对于不耐铝的种质抑制了其生长量。在本研究中狗牙根在2500 μmol/L铝浓度处理下，有部分种质的地上部和根系干重还能受到促进，相对于其他草坪草，狗牙根具有更强的耐铝性。

66份狗牙根种质主要分布来自哥伦比亚、越南、泰国梅岛、印度尼西亚、斯里兰卡、南非、科特迪瓦的阿比让、格林纳达等多个国家或地区，这些材料分布在北纬117～南纬3033;中国的狗牙根分布在北纬1812～3957，主要采自天津、安徽、福建、江苏、上海、山东、海南、甘肃、新疆、陕西、云南等地区，这些地区都具有其特定的生态环境，而本研究结果也显示来自不同地区的狗牙根种质资源的耐铝性存在一定差异，故地理分布也可能是狗牙根种质耐铝性差异的原因之一。本研究结果表明，66份铝处理的狗牙根材料相对枯黄率变异系数为36.56%;相对坪用质量变异系数为19.90%;相对地上部干重变异系数为21.67%;相对地下部干重的变异系数为29.20%;相对全株干重的变异系数为20.44%。由于不同指标的耐铝材料结果并不一致，所以本研究采用平均隶属函数法将66份材料进行耐铝性评价，筛选出5份耐铝性材料分别是B509、B532、B219、A522和A075，这种方法在柱花草[21]、白三叶[22] 、油菜[23]等耐胁迫性评价中都曾用过，分析结果可靠，能有效筛选耐胁迫性材料。

铝胁迫对植物的影响是多方面的，本研究结果发现铝胁迫下狗牙根属材料地上部分和地下部分都表现出不同程度的抑制情况，但对地上部分抑制更加严重，在铝处理过程中，不同种质狗牙根的相对枯黄率、相对坪用质量存在极显著差异，相对地上部干重、相对地下部干重和相对全株干重存在显著差异。在本研究中铝胁迫处理下，部分植株的根长表现出了铝胁迫根长大于对照根长，本研究这种促进作用原因可能是植株本身对铝胁迫的适应机制，产生的有机酸如柠檬酸、草酸、苹果酸和各种酶活性物质发挥作用刺激了植株根系的生长发育[24]，而韩德鹏等[25]研究发现铝胁迫显著抑制了植物根系生长，破坏了细胞质膜的完整性，植物还可通过蛋白质和脯氨酸含量的积累以及保护酶活性的增高抵抗铝胁迫。王生银等[26]发现植物主要通过外部排斥和内部耐受机制来抵御Al3+毒害。以上研究结果可为耐铝种质资源筛选和新品种选育提供理论依据。

本研究采用水培法，在2500 μmol/L铝浓度的处理下，对66份狗牙根材料进行了耐铝性综合评价，筛选出了5份耐铝的种质，依次是B219、B532、A522、A075和B509，为下一步狗牙根耐铝杂交育种和分子育种奠定了基础。

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