野生老芒麦苗期耐旱性研究

王传旗，刘文辉，张永超，周青平，2*

（1.青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁810016；2.西南民族大学，四川 成都610041）

川西北高原地处长江、黄河及其他重要支流的源头地区，是四川省最大的牧业基地，也是中国五大牧区之一，具有重要的经济和生态战略地位。然而，由于受到全球气候变暖和大气环流的影响，加之地质条件的复杂性，该区域生态环境先天脆弱［1-2］。近年来，随着地区畜牧业的发展，超载过牧、挖沟排水、资源开采及旅游开发等人为因素加速了川西北高原生态环境恶化的进程，并对其生态系统造成了新的影响［3］。其中，草原（地）退化、沙化是川西北高原区域各种生态问题的集中体现。

干旱对植物生长发育及分布具有重要的影响［4-6］。持续的干旱胁迫不仅抑制植物株高、叶面积的增长及生物量的分配，还会对植物细胞膜产生伤害，甚至导致植株死亡［7-8］。面对干旱胁迫，植物通常会在形态学、生理学等方面形成一系列适应机制。例如，植物增大向根系分配资源的比例以增加水分吸收［9-10］、减小叶面积以降低水分的蒸腾消耗［11］和提高抗氧化酶活性以减小活性氧类的伤害等［12］。任丽雯等［13］研究表明，水分胁迫下，玉米（Zea mays）株高（plant height）、叶面积指数（leaf area index）和地上部干物质积累（dry matter accumulation）下降明显。陈有军等［14］研究表明，随着干旱胁迫天数的增加，老芒麦（Elymus sibiricus）幼苗叶片叶绿素（chlorophyll）含量持续下降，相对电导率（relative conductivity，REC）不断上升。由于世界范围的缺水日趋严重，干旱逆境的出现已不限于特定地区。鉴于川西北高原旱区与缺水区草原（地）退化、沙化问题和提高牧草生产的紧迫性，亟须对川西北高原乡土植物进行耐旱性评定，为该区域的草原生态恢复和牧草生产提供优质的种质资源。

老芒麦属禾本科（Poaceae）披碱草属（Elymus），为多年生草本植物，兼具经济和生态价值。饲用方面，老芒麦富含粗蛋白，为牛羊喜食类牧草；生态方面，具有抗旱、耐寒、耐盐碱等优良特性，同时其还能够显著改善表层土壤理化性质，对我国贫瘠荒地土壤的培育具有重要的应用价值［15-17］。因此，开展老芒麦苗期耐旱性研究对进一步探讨其干旱适应机理具有重要的理论研究价值，同时对利用其有效防治川西北高原高寒草地退化、沙化等灾害具有重要的现实意义。鉴于上述情况，本研究选择川西北高原区域广泛分布的乡土植物—野生老芒麦为试验材料，采用盆栽控水法模拟干旱胁迫环境，根据苗期老芒麦对干旱胁迫的差异响应，筛选出适宜在半干旱地区生长的老芒麦，为其种质资源的开发利用和耐旱性新品种的选育提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的8份野生老芒麦种子材料于2014年9月采自四川省阿坝藏族羌族自治州，风干后装入自封袋于4℃保存。材料编号及生境状况详见表1。

表1 野生老芒麦编号及来源Table 1 M ater ial number and sour ce status of wild E.sibiricus

1.2 试验地点和时间

试验地点为青海大学畜牧兽医科学院-青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室。试验于2020年6月30日开展，2020年8月18日开始干旱胁迫处理，老芒麦苗期干旱胁迫50 d，试验共历时100 d。

1.3 试验方法

随机选取每份材料的种子，用70%的酒精消毒2 min。种子播种于口径37.5 cm、高27 cm的花盆中，播量为200粒·盆-1。老芒麦育苗及干旱胁迫试验均在玻璃温室的栽培池上进行，室内温度为18~25℃，相对湿度为45%，光照度1000~1300 lx。培养基质由营养土、蛭石和珍珠岩按16∶3∶1混合而成，11.2 kg·盆-1，每盆最大持水量为37.05%。当苗龄为2叶期时进行间苗，保证每盆有100株健壮幼苗。待苗龄为4叶期时开始进行中度干旱胁迫处理（土壤相对含水量为每盆最大持水量的45%~50%）［18-19］。试验设置对照组（充足供水），每份材料种植8盆（4盆为对照组，4盆为处理组），共64盆。干旱胁迫期间，处理组每隔2 d浇灌1次，浇灌量为每盆称重的失水量，约45 g·盆-1，且浇灌时间均在当日的18：00-20：00进行。

1.4 生长参数和生理指标测定

1.4.1 生长参数测定 株高（plant height，PH）：从每份材料的对照组和处理组中各随机选取30株成苗定株，近地面测量老芒麦绝对株高，取平均值。相对生长速率（relative growth rate）：处理组株高平均日增长高度与对照组株高平均日增长高度的比值。叶面积（leaf area）：从每份材料的对照组和处理组中各随机选取10株成苗，用叶面积仪（MRS-9600TFU 2L，上海）测量叶面积，测量的单叶为植株顶端向下数第3片叶子，取平均值。相对存活率（relative survival percentage，RSP）＝（干旱处理下的存活株数/对照组处理下的存活株数）×100%［20］。生物量（biomass）：从每份材料的对照组和处理组中各随机选取3组成苗取其地上部分和地下部分，超纯水冲洗后用快速滤纸吸干植株表面水分称重，得其鲜重；然后在105℃烘箱内杀青15 min，70℃下烘至恒重，得其干重［21］。试验以5株成苗为1组，每份材料取6组样本（对照组和处理组各3组样本），共取48组。

株高、叶面积、相对存活率、生物量每5 d测量1次；干旱胁迫处理20 d后，植株相对存活率按每10 d统计1次。

1.4.2 生理指标测定 采用丙酮浸提法测定叶绿素（chlorophyll，Chl）含量［22］。采用电导法测定相对电导率［23］。干旱胁迫后，每10 d测量一次叶绿素和相对电导率。每个指标3个生物学重复，测量材料均为老芒麦地上茎叶部分，共测量2次。

1.5 耐旱性综合评价

利用模糊数学中的隶属函数法对老芒麦材料苗期的耐旱性进行综合评价。隶属函数公式：U（Xi）＝（Xi－Xmin）/（Xmax－Xmin）。式中：U（Xi）为隶属函数值，Xi为处理水平某指标测定均值，Xmin和Xmax为某一指标的最小值和最大值。根据隶属函数公式求得材料指标函数值，然后将每份材料指标的函数值相加求平均值，得到每份材料的隶属度（平均隶属函数值），隶属度按四级制划分标准：0.6~0.7属强抗，定为Ⅰ级；0.4~0.6属较抗，定为Ⅱ级；0.3~0.4属弱抗，定为Ⅲ级；0.3以下属不抗，定为Ⅳ级［24］。

1.6 数据处理与分析

利用SPSS 19.0对所测数据进行统计分析。数据在分析前必须满足正态分布和方差齐性以符合单因素方差分析（ANOVA）的要求。采用Tukey’s HSD检验，对老芒麦材料间和处理间的差异性进行Duncan多重比较（P<0.05）。结果用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下苗期老芒麦生长特征

所有材料的株高均随着干旱胁迫天数的增加而增加，但处理组均低于其对照组（表2）。14-001、14-235、14-251的相对生长速率较大，其次是14-165、14-115、14-065、14-021，14-189最小。

表2 干旱胁迫对老芒麦株高生长的影响Table 2 Effects of dr ought stress on plant height gr owth of E.sibiricus

与株高变化趋势相似，处理组老芒麦材料单叶面积均随着干旱胁迫天数的增加而增加，但处理组均低于其对照组（表3）。干旱胁迫第20天，14-165、14-251和14-001单叶面积增长较大，分别是其干旱胁迫第0天的2.40、3.09和3.45倍。与对照组相比，干旱胁迫第15天，14-189显著下降（P<0.05）；干旱胁迫第20天，14-021显著下降（P<0.05）。

表3 干旱胁迫对老芒麦单叶面积的影响Table 3 Effects of drought stress on single leaf area of E.sibiricus（cm2）

干旱胁迫下，所有材料的地上生物量增长均减缓，并随着干旱胁迫天数的增加而越发明显（表4）。与干旱胁迫第0天相比，各干旱胁迫天数下均无显著增加。

表4 干旱胁迫对老芒麦地上生物量的影响Table 4 Effects of drought stress on the aboveground biomass of E.sibiricus（hay weight，g·5 plants-1）

随着干旱胁迫天数的增加，老芒麦材料根系干重呈上升趋势（表5）。与干旱胁迫第0天相比，第15天，14-001根系干重显著增加（P<0.05）；第20天，14-065、14-115、14-165、14-235和14-251显著增加（P<0.05）。

表5 干旱胁迫对老芒麦根系干重的影响Table 5 Effects of drought str ess on dr y weight of root system of E.sibiricus（g·5 plants-1）

老芒麦材料相对存活率随着干旱胁迫天数的增加呈下降趋势（表6）。与对照组相比，第20天，14-021相对存活率显著下降（P<0.05）；干旱胁迫第30天，14-115、14-165和14-189显著下降（P<0.05）；干旱胁迫第40天，供试的8份老芒麦均显著下降（P<0.05），其中14-021极显著下降（P<0.01）；干旱胁迫第50天，均极显著下降（P<0.01）。14-021最终相对存活率为10%，下降幅度最大；14-001为32%，下降幅度最小。

表6 干旱胁迫对老芒麦相对存活率的影响Table 6 Effects of drought stress on relative survival percentage of E.sibiricus（%）

2.2 干旱胁迫下苗期老芒麦生理特征

随着干旱胁迫天数的增加，老芒麦材料叶绿素含量下降，相对电导率上升（表7）。与对照组相比，干旱胁迫第10天，14-021、14-115和14-189叶绿素含量显著下降（P<0.05）；第20天，8份材料均显著下降（P<0.05），14-001叶绿素含量最大，14-021叶绿素含量最小。

表7 干旱胁迫对老芒麦生理指标的影响Table 7 Effect of drought str ess on physiological indexes of E.sibiricus

与对照组相比，干旱胁迫第10天，8份材料相对电导率均无显著变化；第20天，14-021和14-189显著上升（P<0.05），14-021相对电导率值最大（66.70%），而14-001相对电导率最小（47.82%）。

2.3 老芒麦材料抗旱性综合评价

供试的8份老芒麦材料隶属度为0.4250~0.6283（表8）。14-001和14-165为0.6~0.7；14-065、14-115、14-189、14-235、14-251为0.5~0.6；14-021为0.4~0.5。14-001隶属度最大，14-021最小。

表8 干旱胁迫下苗期老芒麦隶属函数值及排名Table 8 Subordinate function value and ranking of E.sibiricus under drought stress at seedling stage

3 讨论

3.1 干旱胁迫对苗期老芒麦形态可塑性的影响

干旱胁迫是由土壤水分不足导致植物正常生长发育受到限制［25］。水分条件变化后，植物会在形态上发生不同程度的变化来响应干旱胁迫［26-27］。研究表明，植物幼苗在干旱胁迫下株高降低［28］，叶面积减小［29］，干物质积累受阻［30］。本研究中，随着干旱胁迫天数的增加，处理组老芒麦材料株高均出现了不同程度的上升趋势，表明供试的8份野生老芒麦在苗期均具有一定的耐旱性。干旱胁迫下，处理组下的老芒麦材料株高均低于其对照组。表明干旱条件下，为汲取更多水分，老芒麦会通过降低生长高度，缩短根部水分到达叶部的距离，以促进水分的有效运输。研究表明，干旱胁迫下，老芒麦叶片面积的变化趋势因材料不同而不同［31］。本研究中，干旱胁迫下的老芒麦材料单叶面积均低于其对照组，且随着干旱胁迫天数的增加而越发明显。表明干旱条件下，老芒麦会通过降低叶面积以防止水分过度蒸发。

干旱胁迫下，处理组老芒麦材料地上生物量积累减缓，但其根系干重不断增加，并随着干旱胁迫天数的增加而越发显著。表明干旱条件下，老芒麦将更多的生物量分配到根部，以促使其向地下更深、更广处生长。这是老芒麦个体通过各器官生物量投资优化配置的结果，也是老芒麦物种适应干旱环境的重要途径之一。这与王传旗等［32］对西藏地区野生赖草（Leymussecalinus）的研究结果相似。

相对存活率是反映植物抗逆性强弱的一个较为直观的生长量指标。干旱胁迫下，植物相对存活率越高，其耐旱性越强。本研究中，供试的8份野生老芒麦材料相对存活率在干旱胁迫下均出现了不同程度的下降，且随着干旱胁迫天数的增加，老芒麦材料间的相对存活率差异越大。这与李光莹等［33］对老芒麦和垂穗披碱草（E.nutans）在碱胁迫下的研究结果基本一致。表明供试的8份野生老芒麦材料对干旱胁迫的敏感程度不同，同时也反映出老芒麦材料间的耐旱性存在差异。

3.2 干旱胁迫对苗期老芒麦生理特征的影响

众多研究表明，随着干旱胁迫程度的加剧，植物叶绿素含量降低［34-36］。本试验也证实了这一点，供试的8份野生老芒麦材料叶绿素含量随着干旱胁迫天数的增加而下降。其原因可能是持续的干旱胁迫诱导叶绿体膜脂过氧化，造成叶绿素分解加速。但关于干旱胁迫下植物叶绿素含量的变化也有不同报道，王宁等［37］研究发现，干旱胁迫下，节节麦（Aegilops tauschii）叶绿素含量呈先升后降的变化趋势。宋家壮等［38］研究发现，干旱胁迫下，虉草（Phalaris arundinacea）叶绿素含量呈增加的变化趋势。因此，干旱胁迫下，造成植物叶片叶绿素含量上升或下降的具体原因还有待进一步研究。

相对电导率是反映植物细胞膜受伤害程度的一个重要生理指标。本研究中，老芒麦材料相对电导率均随着干旱胁迫天数的增加而上升。这与王平等［39］的研究结果一致。其原因可能是持续的干旱胁迫诱导叶片细胞膜脂过氧化，造成细胞膜损伤，使细胞内容物大量外渗，从而导致相对电导率增大［40］。

3.3 苗期老芒麦耐旱性鉴定

植物抗旱性研究中，运用模糊数学中的隶属函数法对植物抗旱性相关指标进行综合评价是一种常见的方法。刘小慧等［41］利用隶属函数法对93份圭亚那柱花草（Stylosanthesguianensis）的形态和生长指标进行了综合评价，获得了Endeavour和TPRC2001-20两种圭亚那柱花草抗旱材料。许翩翩等［42］运用隶属函数法对香根草（V etiveria zizanioides）、紫花苜蓿（Medicago sativa）和高羊茅（Festuca elata）的生理指标进行了综合比较，认为紫花苜蓿抗旱性最强。此外，靳军英等［43］应用此方法对牛鞭草（Hemarthria altissima）、高丹草（Sorghumhybrid sudangrass）和拉巴豆（Lablabpur pureus）的耐旱性进行了准确排序。

为避免一些由于单一指标反映不出来的耐旱材料，或将不耐旱的材料误认为是耐旱的。本项研究选用株高、单叶面积、地上生物量、地下生物量、相对存活率、叶绿素含量和相对电导率5个形态指标和2个生理指标作为老芒麦耐旱性的评定指标，运用隶属函数法对供试的8份野生老芒麦材料的耐旱指标进行了综合评价。

4 结论

供试的8份野生老芒麦在苗期对干旱胁迫环境均具有一定的适应能力。经耐旱隶属度分析，8份材料耐旱性可分为两类：第一类为Ⅰ级强抗，包括14-001和14-165；第二类为Ⅱ级较抗，包括14-235、14-251、14-065、14-115、14-189、14-021。在第一类强抗材料中，14-001隶属度最大，耐旱性最强。因此，本研究建议14-001可作为老芒麦抗旱育种的候选材料。