10种禾本科牧草种质资源萌发期抗旱性评价

季 波，时 龙，徐金鹏，王占军，蒋 齐

(1.宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，银川 750002； 2.宁夏大学农学院, 银川 750021;3.宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室，银川 750002; 4.北京林业大学草业与草原学院，北京 100083)

水分是影响植物正常生长发育的关键生态因子之一，当植物遭遇水分缺失、干旱胁迫时，会发生一系列的生理生化反应，影响植物的正常生长发育，严重时可导致植物死亡，给农业生产和畜牧业发展带来不利影响[1-3]。萌发期是牧草生活史的关键阶段，也是研究其抗旱能力的重要时期，这一时期与牧草的出苗和生长发育息息相关[4]，因此研究牧草萌发期的抗旱性至关重要。

采用PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫被认为是最简单、可靠的方法，被广泛采用。如刘彩玲等采用PEG-6000溶液研究不同紫云英品种的抗旱性，认为低浓度 PEG-6000溶液对紫云英种子的萌发具有促进作用，紫云英种子的发芽率、萌发胁迫指数、萌发抗旱指数、活力指数随着胁迫浓度的增加呈下降趋势[5]；刘博等研究了[6]PEG-6000模拟干旱条件下大豆的萌发特性，认为不同大豆品种抗旱萌发特性不同，15%～20%的PEG-6000溶液浓度是较为理想的抗旱性筛选浓度；王志恒等研究PEG-6000溶液对春小麦萌发的影响认为，低中浓度的处理对春小麦种子的发芽率和发芽势无显著影响，高浓度的PEG-6000溶液处理下种子的发芽率和发芽势显著下降[7]。程波等研究PEG溶液模拟干旱胁迫对紫花苜蓿种子萌发期抗旱性认为，不同渗透势的PEG溶液对紫花苜蓿种子的萌发均有抑制作用，且抑制效果随着渗透势的降低而增强[8]。综上研究发现，虽然均采用PEG溶液进行模拟干旱胁迫试验，但不同的植物种子萌发期对干旱胁迫的耐受程度不同。因此，依据生产实际开展不同植物种子萌发期干旱胁迫的耐受试验，对指导生产意义重大。

蒙古冰草、沙生冰草、扁穗冰草、细茎冰草、老芒麦、披碱草、格兰马草、长穗偃麦草和格林针茅均为禾本科多年生草本植物，且都为具有较高饲用价值的牧草类植物，围绕这些牧草的生态适应性，开展了大量的试验研究。戚秋慧对96份禾本科牧草开展了引种试验及其在内蒙古典型草原区的生态适应性的研究，认为蒙古冰草、冰草、长穗僵麦草等在内蒙古典型草原具有中低度生态适应度[9]；陈昕等对宁夏盐池半干旱沙化地区禾本科牧草引种试验研究认为，粗穗偃麦草在宁夏盐池半干旱区产量最高，其次是蒙古冰草、沙生冰草、西伯利亚冰草、杂交冰草、扁穗冰草等[10]。但对这些牧草开展萌发期干旱胁迫的研究报道较少。宁夏地处我国西北内陆农牧交错地带干旱、半干旱气候区，尤其是以盐池为代表的中部干旱风沙区，水分条件是制约该区域农业生产和畜牧业发展的主要因素。因此，寻求适宜于该区域生长的优质抗旱的饲草种质资源，是解决该区域生态环境恢复和畜牧业发展的关键。

为此，本研究引进和收集了10种多年生禾本科牧草种质资源，采用PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫，对10种牧草种子萌发的抗旱性进行研究和评价，筛选出适宜宁夏干旱风沙区高抗旱性种质材料，为丰富该区域牧草种质资源提供理论依据，也为丰富宁夏干旱风沙区退化草原生态修复草种搭配提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本试验共选用多年生禾本科牧草种质资源10种，均为2018年采收和采购的种子，种质材料详细信息见表 1。

表1 供试禾本科牧草种质材料信息

1.2 试验方法

试验在宁夏农林科学院荒漠化治理研究所植物生态实验室进行。每份种质材料挑选大小均匀一致、饱满的种子100粒，用0.1%的HgCl2消毒8 min后用蒸馏水冲洗5次，用滤纸吸干后，均匀地置于铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)中。每个培养皿分别加入7 mL浓度为0%、5%、10%、15%、20%和25%的PEG-6000水溶液作为干旱胁迫处理, 对照为7 mL蒸馏水，每个处理组重复3次。放入智能人工气候培养箱。培养条件为昼/夜温度为 25 ℃/20 ℃，湿度为60%，光照/黑暗时间为 12 h/12 h。以胚芽突破种皮且达到1/2种子长为发芽标准，每天观察种子发芽情况，并分别记录发芽种子数，并通过观察，适时补充相应量PEG 溶液和蒸馏水，以维持培养皿内渗透势，进行到第15天时结束发芽试验。

1.3 测定指标

1.3.1发芽率和发芽势

GP(%)=(发芽结束时正常发芽种子数/供试种子数)×100%;

GR(%)=(发芽7 d时正常发芽的种子数/供试种子数)×100%。

1.3.2胚芽长和肧根长

从每个培养皿中随机选取 10 株生长正常的种苗，用直尺测量芽长和根长，若不足10株的则全部测量，每个处理3组重复[11-13]。

1.3.3发芽指数和活力指数

GI=∑Gt/Dt；

VI=苗长×发芽指数；

式中：Gt为第t天发芽的种子数；Dt为发芽的天数[14]。

1.3.4相对值的计算

按照发芽率、发芽势、芽长、根长、发芽指数和活力指数的值，分别计算相对发芽率(relative germination percentage, RGP)、相对发芽势(relative germination rate, RGR)、相对芽长(relative plumule length, RPL)、相对根长(relative radicle length, RRL)、相对发芽指数(relative germination index, RGI)和相对活力指数(relative vigor index, RVI)[14]。

RGP(%)=(胁迫处理发芽率/对照发芽率)×100%；

RGR(%)=(胁迫处理发芽势/对照发芽势)×100%；

RPL=(胁迫处理胚芽长度/对照胚芽长)×100%；

RRL=(胁迫处理胚根长度/对照胚根长)×100%；

RGI=(胁迫处理发芽指数/对照发芽指数)×100%;

RVI=(胁迫活力指数/对照活力指数)×100% 。

1.3.5抗旱性综合评价

在植物抗旱性研究中，模糊数学隶属函数法被广泛应用，本研究也采用此方法对不同牧草种质资源的抗旱性进行评价[15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

上述公式中，Xij为第i种植物第j个指标的测定值；Xjmax和Xjmin分别表示所有植物中第j个指标测定值的最大值和最小值[15]；Xμ为第i种植物第j个指标的隶属函数平均值。

按公式(1)先计算每份材料在不同浓度PEG胁迫下RGP、RGR、RPL、RRL、RGI和RVI的具体隶属函数值，再用公式(2)计算每个指标在不同浓度PEG-6000溶液胁迫下的隶属函数值的平均值[14]，即为该物种该指标的隶属函数值；然后按照式(3)、(4)、(5)依次计算标准差系数(Vj)、权重系数(Wj)、综合抗旱值(D)[3，16]。

2 结果与分析

2.1 PEG溶液胁迫对种子GP和RGP的影响

由表2 可知，10种禾本科牧草种质材料的GP和RGP均随着干旱胁迫的增强而呈下降趋势。其中，从GP数据看，种质材料A、G和H在PEG浓度为5%～10%胁迫下，种子发芽率与对照差异不显著，15%～25%浓度下种子发芽率显著低于对照，说明这3种种质对5%～10%浓度的干旱胁迫不敏感；种质材料B在5%浓度PEG溶液胁迫下，种子发芽率显著高于对照，在10%浓度干旱胁迫下，与对照差异不显著，说明在低浓度(5%)干旱胁迫下，可以促进B材料的种子萌发；种质材料C在PEG浓度为5%～15%胁迫下，种子发芽率与对照差异不显著，说明该种质材料对PEG浓度为5%～15%的干旱胁迫不敏感；种质材料D和E在5%浓度干旱胁迫下发芽率显著低于对照，说明这2种种质材料对干旱胁迫极为敏感；种质材料F在5%～25%浓度干旱胁迫下，发芽率均与对照差异不显著，说明该种质材料对干旱胁迫不敏感，抗旱性强；种质材料I，在5%～20% PEG浓度干旱胁迫下，发芽率与对照差异不显著，说明该种质材料对干旱胁迫也不敏感，抗旱性较强；种质材料J在5%PEG溶液干旱胁迫下，发芽率与对照差异不显著，但高于该浓度后，发芽率即表现为显著低于对照，说明该种质材料对干旱胁迫较为敏感。

表2 不同浓度PEG溶液胁迫下种子GP和RGP

从RGP的数据来看，种质材料A、C、D、E和J在PEG溶液干旱胁迫下，种子相对发芽率均较对照呈现不同程度的降幅。其中降幅最大的为种质材料D，仅为ck的61.78%；种质材料B和I，在5%～10%浓度PEG胁迫下，种子相对发芽率较对照呈现增幅，增幅分别为129.73%、108.11%和116.04%、104.72%；F、H和G仅在5%浓度胁迫下，种子相对发芽率较对照呈现增幅，增幅分别为109.09%、100.38%和100.60%。

2.2 PEG胁迫对种子GR和RGR的影响

由表3可知，10种禾本科牧草种质材料的GR和RGR均随着干旱胁迫的增强而呈下降趋势。其中从GR数据发现，种质材料A、B、C、F和J在PEG溶液5%～10%干旱胁迫下，种子发芽势与对照差异不显著，说明这5种种质材料对5%～10%浓度的干旱胁迫不敏感；种质材料D和E在PEG溶液5%浓度干旱胁迫下，种子发芽势即表现为显著低于对照，说明这2种种质材料种子发芽势对干旱胁迫非常敏感；种质材料G和H在PEG溶液5%干旱胁迫下，种子发芽势与对照差异不显著，说明这2种种质材料可耐受5%的干旱胁迫；种质材料I在PEG溶液5%～15%浓度干旱胁迫下，种子发芽势与对照差异不显著，说明该种子发芽势对5%～15%浓度的干旱胁迫不敏感。

表3 不同浓度PEG溶液胁迫下种子GR和RGR

从相对发芽势(RGR)来看，种质材料A、B和I在5%～10%浓度PEG胁迫下，种子相对发芽势较对照呈现不同程度增幅，其中增幅最大的为种质材料B，其种子相对发芽势分别为ck 的158.33%和141.67%；其他种质材料C、D、E、F、G、H和J在5%浓度的PEG溶液胁迫下，种子相对发芽势即表现为较对照呈现不同程度降幅，其中降幅较大的为种质材料D和E，其种子相对发芽势仅为对照的52.17%和47.31%，说明这2种种质材料种子发芽势对干旱胁迫非常敏感。

2.3 PEG溶液胁迫对RPL和RRL的影响

从表4可知，10种种质材料种子相对胚芽长(RPL)均表现出随着干旱胁迫的增强而呈现降低的趋势。在5%浓度的PEG溶液干旱胁迫下，种质材料A、B、C、D、F、G和J种子的相对胚芽长均较ck呈现不同程度的增幅，其中种质材料G增幅最大，为131.64%，但种质材料G在5%～15%的干旱胁迫下，种子相对胚芽长均较ck有增幅，增幅为100.36%～131.64%，说明低浓度的干旱胁迫对A、B、C、D、F和J这6种种质材料胚芽的生长具有促进作用，5%～15%浓度的干旱胁迫均对种质材料G胚芽的生长具有促进作用；其他种质材料E、H和I相对胚芽长，在5%干旱胁迫下，即表现不同程度降幅，其中降幅较大的为E，胚芽长仅为ck的81.31%，说明这3种种质材料胚芽生长对干旱胁迫非常敏感。

表4 不同浓度PEG溶液胁迫下种子RPL和RRL

从相对胚根长数据看，10种禾本科牧草种质材料随着干旱胁迫的增强，种子RRL也均呈现降低的趋势。在5%浓度的PEG溶液胁迫下，种质材料F、G、H和I的相对胚根长均较对照呈现不同程度的增幅，其中增幅最大的为F，增幅为141.14%，显著高于种质材料A、B、C、D、E和J(p<0.05)，但种质材料G在5%～15%的干旱胁迫下，种子相对胚根长均较ck有增幅，增幅为104.55%～132.09%，说明低浓度(5%)的干旱胁迫对种质材料F、H和I胚根的生长具有促进作用，5%～15%浓度的干旱胁迫对种质材料G胚根的生长均具有促进作用；其他种质材料A、B、C、D、E和J相对胚根长，在5%干旱胁迫下，即表现出不同程度降幅，其中降幅较大的为D，胚根长仅为ck的73.91%，说明这6种种质材料胚根生长对干旱胁迫非常敏感。

2.4 PEG溶液胁迫对种子RGI和RVI的影响

由表5可知，10种种质材料RGI均随着干旱胁迫的增强而呈现降低的趋势。种质材料A、D、E和J在5%浓度的干旱胁迫下，种子相对发芽指数即表现出不同程度的降幅，其中降幅较大的为种质材料D，种子相对发芽指数仅为ck的61.78%，说明这4种种质材料对干旱胁迫较为敏感；种质材料B、F和I相对发芽指数在5%～10%均呈现不同程度的增幅，其中增幅最大的为种质材料B，其种子相对发芽指数在5%～10%浓度下增幅为129.73%和108.11%，说明浓度5%～10%干旱胁迫，有利于这3种种质材料种子的萌发；种质材料C、G和材料H，在5%浓度的干旱胁迫下，种子发芽指数呈现不同程度增幅，说明5%浓度的干旱胁迫有利于这3种种质材料种子的萌发。

表5 不同PEG胁迫对种子RGI和RVI的影响

从种子RVI发现，10种多年生禾本科牧草种质资源随着干旱胁迫强度的增强，其种子RVI也均呈降低的趋势。其中种质材料A、B、C、F、G和I种子RVI在5%浓度干旱胁迫下，较ck呈现不同程度增幅，其中增幅最大的B，增幅为141.87%，显著高于种质材料A、C、D、E、H和J(p<0.05)，说明低浓度(5%)的干旱胁迫对这6种种质材料种子萌发具有促进作用；其他种质材料D、E、H和J，在5%浓度的干旱胁迫下，种子RVI即表现出不同程度的降幅，其中降幅最大的为E,仅为ck的61.06%，说明这4种种质材料种子活力对干旱胁迫非常敏感。

2.5 10种多年生禾本科牧草萌发期耐旱性综合评价

为真实全面反映植物的抗旱能力，采用RGP、RGR、RPL、RRL、RGI和RVI这6项抗旱指标，计算10种多年生禾本科牧草种质材料萌发期的综合抗旱能力(D值)，以评价其抗旱性。结果表明，10种多年生禾本科牧草种质材料6项抗旱指标的隶属函数综合评价值D在0.186～0.341之间(表6)，D值大小顺序依次为B>D>J>G>A>C>F>E>I>H，说明种质B抗旱性较强，种质H的抗旱性最差。

表6 10种种质材料各指标隶属函数值及综合评价值

3 讨 论

PEG-6000溶液模拟干旱水分胁迫鉴定不同植物的抗旱性被认为是目前非常可靠的一种方法[15,17]。结合前人的研究基础，本研究采用PEG-6000溶液，设定了0、5%、10%、15%、20%和25%6个梯度的胁迫浓度，来测定10种多年生禾本科牧草的萌发特性。采用RGP、RGR、RPL、RRL、RGI和RVI这6项抗旱指标，利用隶属函数法综合分析不同种质材料的抗旱能力，研究表明，这6项指标均表现为随着干旱胁迫的增强而呈现降低的趋势，这一研究结果与刘彩玲等[5]、朱世杨等[14]的研究结果基本一致。

本研究还发现，低浓度(PEG溶液浓度5%)的干旱胁迫，对种质材料B、F、I和G种子的萌发有一定的促进作用，即“引发作用”[15,18], 在“引发作用”下这4种种质材料在种子相对发芽率、相对胚芽长、相对发芽指数和相对活力指数指标上，均较对照有所增幅。这一研究结果与刘佳等[15]及梁国玲等[19]的研究结果基本相一致。分析原因认为可能是在低浓度的PEG溶液的胁迫下，激发了种子内酶的活性，促进了种子的引发，在种子的引发过程中，种子完成了一些有利于其后萌发及生长的物质代谢过程，而使其萌发能力得到了提高[18,20-21]。

植物的抗旱性是受多种因素影响的复杂数量性状，尤其对种子的发芽过程来说，其本身也是一个受多种因素影响的复杂的生理生化过程[15]。本研究采用RGP、RGR、RPL、RRL、RGI和RVI等6项指标，结合隶属函数法对10种多年生禾本科牧草种质材料萌发期的抗旱性进行综合评价发现，6项指标的隶属函数值排序均不相同，这进一步说明了种子萌发是受多因素影响的结果，因此，进行抗旱性评价时因采取多指标进行综合评价，才能消除个别指标带来的片面性，也使研究结果更具有可靠性。

4 结 论

本研究表明，PEG模拟干旱胁迫对10种多年生禾本科牧草种子发芽率、相对发芽率、发芽势、相对发芽势、相对胚芽长、相对胚根长、相对发芽指数和相对活力指数均有影响，且种质间差异较大，但均表现出随着干旱胁迫强度的增强而呈降低趋势。其中低浓度(5%)对种质材料B、F、I和G种子萌发具有促进作用。采用RGP、RGR、RPL、RRL、RGI和RVI等6项指标的加权隶属函数值，对10种多年生禾本科牧草抗旱性进行综合评价认为，10种多年生禾本科牧草，其抗旱性强弱表现为B[蒙古冰草(内蒙古)]>D(扁穗冰草)>J(长穗偃麦草)>G(老芒麦)>A[蒙古冰草(宁夏)]>C(沙生冰草)>F(格兰马草)>E(细茎冰草)>I(披碱草)>H(格林针茅)。