披碱草和野大麦及其杂交新品系苗期抗旱性

吕玉茹 李造哲 马青枝 李月强

摘要：以披碱草（Elymus dahuricus Turcz.）和野大麦[Hordeum brevisubulatum （Trin.） Link]及其杂交新品系Y33和P13为试验材料，用水培法模拟干旱条件，通过测定生理指标，综合评价4种材料的抗旱性。结果表明，随着PEG浓度的增大，丙二醛含量、细胞膜相对透性、游离脯氨酸含量呈增加趋势，而相对含水量、叶绿素含量呈下降趋势。打分法和隶属度函数的综合评价结果一致，各材料的抗旱能力为披碱草>P13>Y33>野大麦。5个生理指标的关联度值均较高且相差不大，都可以作为评价披碱草和野大麦及其杂交新品系抗旱能力的指标。

关键词：披碱草;野大麦;杂交新品系;抗旱性;苗期

中图分类号：S543.9 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）07-0160-05

收稿日期：2020-07-24

基金项目：内蒙古农业大学牧草育种专项（编号：YZGC2017015）。

作者简介：吕玉茹（1995—），女，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，从事牧草种质资源与育種研究。E-mail：yurulv@163.com。

通信作者：李造哲，博士，教授，从事牧草种质资源与育种研究。E-mail：zaozheli@hotmail.com。

我国有42%的土地为干旱、半干旱区，主要分布在我国西部（干旱、半干旱区的面积约占该地区土地面积的83%），该地区降水量少，空气干燥，地表蒸发量大[1-2]。内蒙古的干旱气候已严重影响到牧草的生长，水资源的缺乏会使牧草的产量和品质下降，阻碍我国西北地区畜牧业的发展[3]。种植和选育优质抗旱的牧草不仅有利于我国干旱地区草产业的发展，对西北地区生态环境的改善和草地植被的恢复也具有重要意义[4]。水分可以维持植物正常的生命活动，当植物受到干旱胁迫时，体内细胞和生理生化代谢等都会发生变化以适应干旱条件[5]，所以研究干旱胁迫对植物生理特性的响应可以更好地理解植物抗旱机理。披碱草（Elymus dahuricus Turcz.）和野大麦[Hordeum brevisubulatum （Trin.） Link]是2种具有重要经济价值和生态价值的小麦族多年生抗逆性较强的优良牧草。披碱草具有抗旱、耐瘠薄、产草量高等特性，野大麦具有分蘖能力强、耐盐碱、草质好等特性。王照兰等将披碱草和野大麦远缘杂交，获得了高度不育的披碱草和野大麦的正交、反交F1代[6]。李造哲等用回交法克服了杂种F1代的不育性，成功获得（披碱草×野大麦）×野大麦和（野大麦×披碱草）×野大麦的回交1代;之后该团队成员对杂种BC1的不同株系苗期的抗旱性及耐盐性作了研究[7]。

本研究测定了干旱胁迫下披碱草和野大麦及其杂交新品系苗期的丙二醛（MDA）含量、组织相对含水量（RWC）、游离脯氨酸（Pro）含量、叶绿素（Chl）含量、细胞膜透性等生理指标，明晰2个杂交新品系与亲本生理指标的变化规律并综合评价其抗旱能力的强弱，为培育牧草抗旱新品种提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料来自内蒙古农业大学海流图科技园区试验基地2017年收获的种子，详见表1。海流图地处内蒙古呼和浩特西约40 km（40°38′N、111°28′E）。土地以沙壤和轻壤为主，有机质含量较低，平均含氮量为0.228 g/kg，全盐量为0.27 g/kg，pH值在8.4～10.2之间，存在一定的盐碱化。

1.2 试验方法

1.2.1 幼苗培育

试验材料采用水培法。选择健康均匀的种子置于培养皿（直径 Φ=12 cm）并在 25 ℃ 的培养箱中萌发，种子的根长到3 cm左右将幼苗移栽到带孔的泡沫板上并使其浮在培养盆（盆高 9 cm、口径22 cm、底径16 cm）上部，用pH值为6.7的Hoagland营养液培养，每隔3 d更换营养液。每天早晚用气泵通气，直到试验结束。每盆定苗30株，每种材料5盆，置于温度为25 ℃、湿度为60%、光照度为12 000 lx、光照和黑暗时间各为12 h的培养室培养。

1.2.2 胁迫处理

胁迫处理参照于卓等的方法[8]，稍作改进。待植株长到4～5叶叶龄时，用0、10%、20%、30% PEG溶液连续处理和测定指标。每隔2 d增加1个浓度，在处理后0、3、6、9 d测定植株幼苗叶片生理指标，并在0、3、6 d 20：00分别更换10%、20%、30% PEG溶液。试验选择在08：00取样，各材料各生理指标的取样部位同为植株上部的叶片。

1.2.3 指标及测定方法

用硫代巴比妥酸法[9]测定丙二醛含量，饱和称质量法[9]测定相对含水量，磺基水杨酸法[10]测定游离脯氨酸含量，乙醇提取法[9]测定叶绿素含量，以上指标重复3次。电解质外渗量法[10]测定细胞膜相对透性，重复6次。各指标的变化率=（30%PEG下的指标测定值-CK下的指标测定值）/CK下的指标测定值。

1.3 数据统计及分析

采用SAS 9.0的ANOVA程序进行差异显著性分析;Microsoft Excel 2019进行数据统计分析及隶属函数分析;DPS进行灰色关联分析。

1.3.1 打分法

依据各供试材料各指标的变化率数值进行评分。将每种指标最小与最大变化率的差值分5个等级，胁迫伤害症状最严重的材料得分最低，记为1分，反之记为5分。1个等级计为1分，最后把各个指标的得分累加，总分由高到低排列即各供试材料的抗旱顺序[11]。

1.3.2 隶属函数法

利用隶属函数法表示各供试材料的综合抗旱能力。用下列公式分别计算各指标在30% PEG浓度处理下的隶属函数值[12]。

U（Xij）=Xij-XminjXmaxj-Xminj;（1）

U（Xij）=1-Xij-XminjXmaxj-Xminj。（2）

式中：U（Xij）为第i个材料第j个指标的隶属函数值，Xij为第i个材料第j个指标的测定值，Xmaxj和Xminj分别为第j个指标的最大和最小测定值，指标与抗旱性成正相关用式（1）计算隶属函数值，反之用式（2）。

1.3.3 灰色关联度分析法

灰色关联分析法表示各指标对胁迫的敏感程度[13]。将4种材料的隶属函数综合评价值和5个测定指标看作一个灰色系统，隶属函数综合评价值作为参考数列，5个指标的测定值作为比较数列。数据进行无量纲化处理后，计算各指标与抗旱隶属函数综合评价值的关联度，按数值大小排序。

Ψi（k）=mini[mink|x0（k）-xi（k）|]+ρmaxi[maxk|x0（k）-xi（k）|]|x0（k）-xi（k）|+ρmaxi[maxk|x0（k）-xi（k）|];（3）

ri=1n∑nk=1Ψi（k）。（4）

式中：Ψi（k）为x0和xi关联系数;|x0（k）-xi（k）|=Δi（k）为数列x0与数列xi在k点的绝对差

mini[mink|x0（k）-xi（k）|]为最小差值，maxi[maxk|x0（k）-xi（k）|]为最大差值;ρ表示分辨系数，取值在0～1之间，一般取0.5认为分辨率较好;ri为关联度。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对丙二醛含量的影响

干旱胁迫下，各材料MDA含量随PEG浓度的增加均呈上升趋势，MDA含量越高，对细胞膜损伤程度越严重。野大麦MDA含量的变化幅度明显比其他材料高，说明细胞膜的受损程度最为严重（表2）。依据4种材料细胞膜损伤的程度打分排序为Y33=P13=披碱草>野大麦。

2.2 干旱胁迫对相对含水量的影响

各材料RWC的变化幅度均呈下降趋势（表3），随着胁迫浓度的增加，每种材料的保水能力越来越弱。披碱草RWC下降的幅度最小，其保水能力最强。4种材料保水能力的强弱关系为披碱草>P13>野大麦=Y33。

2.3 干旱胁迫对细胞膜相对透性的影响

各材料细胞膜相对透性随PEG浓度的增加均呈上升趋势（表4），植物细胞膜受损的严重性随PEG浓度的增大而增加。野大麦膜透性变化幅度最大，说明其细胞膜损伤最严重。4种材料的受害程度依次为野大麦>Y33=P13=披碱草。

2.4 干旱胁迫对游离脯氨酸含量的影响

植物受到干旱胁迫时，体内会积累Pro去抵抗逆境。随着PEG浓度的增加，每种材料均呈上升趋势（表5）。披碱草累积的Pro含量最多，说明其抵抗能力最强;Y33最少，抵抗能力最差。各材料抵抗逆境能力的强弱顺序为披碱草>野大麦>P13>Y33。

2.5 干旱胁迫对叶绿素含量的影响

各材料Chl含量随PEG浓度的增加均明显降低（表6），植物对PEG胁迫的抵抗能力越来越弱。野大麦Chl含量的变化幅度最大，表明抵抗逆境的能力最弱;P13的变化幅度最小，抵御能力最强。4种材料抵抗PEG胁迫的能力依次为P13>Y33>披碱草>野大麦。

2.6 抗旱性综合评价

2.6.1 打分法抗旱性综合评价 打分后的各个指标进行累加得出总分值，结果见表7。总分值越高，植物的抗旱性越强，则4种材料的抗旱顺序为披碱草>P13>Y33>野大麦。

2.6.2 隶属函数法抗旱性综合评价

隶属函数评价法的抗旱综合结果取各材料5个指标隶属度的平均值，结果见表8。综合结果数值越大，植物抗旱能力越强，则4种材料的抗旱顺序为披碱草>P13>Y33>野大麦。

2.7 灰色关联度分析

关联度值可反映指标对胁迫的敏感程度。数值越大，指标与胁迫关联度越高，反之越低。5个生理指标的关联度均较高且相差不大，都可以作为抗旱胁迫的鉴定指标（表9）。4种材料各项生理指标与抗旱性的关联顺序为游离脯氨酸含量>相对含水量>丙二醛含量>叶绿素含量>细胞膜相对透性。

3 讨论

干旱胁迫下，RWC能作为评价植物保水性能的指标之一[14]。在同等胁迫条件下，抗旱性强的植物，其叶片RWC下降缓慢，受胁迫影响的程度较小，水分亏缺程度较轻。本研究结果显示，植物叶片的RWC与抗旱性呈正相关。披碱草RWC下降的幅度较缓慢，受胁迫影响的程度较其他材料小，表明抗旱性较强，野大麦叶片受胁迫影响的程度最大，抗旱能力最弱。这与樊海燕等的研究结果[15]一致。

干旱胁迫条件会使植物细胞膜受损，膜选择透性功能下降，细胞外渗液增加，表现为电导率（REC）增大[16]。膜脂过氧化物产物MDA可导致细胞膜结构受损，在逆境胁迫下能反映植物的受害程度[17]。通常认为，MDA含量越高，植物受害越嚴重，抗旱能力越差[18]。在持续干旱胁迫下，REC会逐渐上升，抗旱性强的植物电导率增加的幅度较小。本研究中，随着胁迫浓度的增加，野大麦MDA含量和REC的上升幅度显著高于其他材料，受损程度最严重，说明抗旱性最差。4种材料的MDA含量与REC变化趋势同步且都与植物的抗旱性呈负相关，这一结果与Abrahama等的研究结果[19]相同，抗旱性强的植物能维持较低的REC和MDA含量。

干旱胁迫下叶绿素含量的降低，可能是因为植物体内活性氧的累积引起膜脂过氧化，从而加速了叶绿素的分解，或是叶绿素的生物合成减弱[20]，但其具体的干旱胁迫机制还有待进一步研究。因此，叶绿素含量能够反映植物受干旱胁迫的影响程度[21]。结果显示，野大麦的叶绿素含量随干旱胁迫浓度的增加明显降低，说明野大麦受胁迫影响的程度较大，抗旱能力较弱。李京蓉等也提出抗旱性强的品种有较高的叶绿素含量[22]。

Pro含量的变化可反映植物受逆境影響的耐受能力。干旱条件下，植物Pro含量的增加会维持原生质与环境的渗透平衡，能够作为判断植物抵抗干旱能力的一项生理指标[23]。本研究结果表明，Pro含量与植物抗旱性呈正相关，披碱草受干旱胁迫后Pro含量显著升高，说明干旱对它的危害程度较小，抗旱能力较强。这与郭郁频等提出的在逆境条件下Pro含量升高对植物有益的结论[24]一致。

4 结论

随着干旱胁迫强度的增大，丙二醛含量、细胞膜相对透性、游离脯氨酸含量呈增加趋势，而相对含水量、叶绿素含量呈下降趋势。打分法和隶属度函数的综合评价结果一致，各材料的抗旱能力为披碱草>P13>Y33>野大麦。5个生理指标的关联度均较高且相差不大，都可以作为评价披碱草和野大麦及其杂交新品系抗旱能力的指标。

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