40份竹节草种质资源抗旱性初步评价

王新雨 王志勇 王文强 孙秋南 杨虎彪 廖丽 付玲玲

摘  要：以40份竹节草（Chrysopogon aciculatus）种质为材料，采用0（CK）、15%（T1）和20%（T2）3种浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，对其进行抗旱性初步评价。结果表明，随着PEG浓度增加，干旱胁迫下不同竹节草种质枯黄率和萎蔫系数呈增加趋势，不同处理间差异显著;相对于T1处理，T2处理下枯黄率和萎蔫系数增幅更大，变化更明显;T1处理可促进根系生长，而T2处理有抑制作用，种质间呈现显著性差异。相关性分析表明，枯黄率、萎蔫系数、相对总根长、相对根体积、相对根表面积之间均呈现极显著相关，相对根直径与萎蔫系数、相对根长之间显著相关，与其他形态指标之间无显著相关性，运用隶属函数对竹节草抗旱性进行综合分析，分为抗旱种质（CA04、CA26、CA23、CA58）和敏旱种质（CA03、CA59、CA78、CA40）。本研究结果可为今后开展竹节草抗性育种提供参考。

关键词：竹节草;种质资源;抗旱性;PEG干旱胁迫;评价

Abstract： In this study， 40 Chrysopogon aciculatus germplasms were used as the materials to simulate drought stress in PEG-6000 solutions at three concentrations of 0 （CK）， 15% （T1） and 20% （T2）， and to evaluate the drought resistance. With the increase of PEG concentration， the withering rate and wilting coefficient under drought stress showed an increasing trend and there had significant difference between different treatments. Compared with T1 treatment， the withering rate and wilting coefficient increased significantly and changed more obviously under T2 treatment. T1 treatment promoted root growth， while T2 treatment inhibited， and there were significant differences among germplasms. Correlation analysis showed that there was a significant correlation among withering rate， wilting coefficient， relative total root length， and relative root volume and relative root surface area were significantly positively correlated， while the relative root diameter had a significant correlation with wilting coefficient and relative root length， and there was basically no correlation between relative root diameter and other morphological treat. The drought resistance of C. aciculatus was comprehensively analyzed by membership function， which was divided into drought-resistant germplasm （CA04， CA26， CA23， CA58）， and drought-sensitive germplasm （CA03， CA59， CA78， CA40）. The study would provide a reference for developing resistance breeding of C. aciculatus in future.

Keywords： Chrysopogon aciculatus; germplasm; drought resistance; PEG drought stress; evaluation

干旱是最具破壞性的环境压力之一，是影响植物生长、发育和导致产量降低的主要环境因素之一[1]。全球干旱、半干旱地区约占陆地面积的40%[2]，且有逐年增加的趋势。为了适应干旱胁迫，植物进化出一系列的耐旱机制，使其能够在干旱胁迫下生存。在干旱条件下，植物会通过改变其外部形态，如株高、叶片大小、叶色、根系生长、调节光合生理和代谢以适应干旱胁迫[3-5]。抗旱性差异和相关防御机制不仅在植物物种之间不同，而且在单个植物物种内部也不同[6-8]。随着经济发展和国民生态意识的加强，草坪种植面积不断增加，草坪灌溉缺水问题日益严重，已成为草坪业发展的最大限制因素之一[9]。因此研究草坪草抗旱性以及筛选优质抗旱性草坪草尤为重要。

竹节草（Chrysopogon aciculatus）是禾本科金须茅属多年生草本植物[6]，是我国最重要的暖季型草坪草之一，广泛分布于我国华南地区[10]，其植株低矮、有匍匐茎，地面覆盖能力强，是我国南部地区优良的水土保持植物[11]，常用于草坪、运动场和遮荫地。目前，关于竹节草的抗性研究主要集中于耐盐性[11-12]、抗寒性[13]、除草剂对竹节草的应用[14]，其抗旱性综合评价研究较少。因此，本研究以40份竹节草种质为试验材料，通过对其干旱胁迫下枯黄率、萎蔫系数、根系形态的测定，明确其对干旱胁迫的响应，对竹节草种质资源抗旱性进行初步评价，旨在筛选出抗旱型和敏旱型竹节草种质资源，以期为后续研究竹节草抗旱相关基因和选育优质抗旱的品系奠定基础。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  试验地概况  试验地点位于海南省海口市海南大学农科教学实验基地大棚，属热带季风气候，试验时间为2020年5—8月，大棚内最低温度为25.6 ℃，最高温度为50.3 ℃，平均温度为32.1 ℃。

1.1.2  试验材料  本研究所用试验材料为40份竹节草种质，来源于海南、广东、广西、云南、福建5省（区），现保存于海南大学热带草坪草种质资源圃（表1）。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  参考张静等[15]的方法进行40份竹节草种质的移栽和培养。从竹节草种质资源圃内分别取40份竹节草的匍匐茎，修剪至长短一致，置于1/2 Hoagland营养液中培养，培养期间持续通氧，调节pH至5.8～6.0。植株正常培养30 d后进行PEG-6000处理。

参照袁杰等[16]的方法，设置3个处理，分别为0（对照处理，CK）、15%（W/V）PEG-6000（轻度胁迫处理，T1）、20%（W/V）PEG-6000（重度胁迫处理，T2），每个处理设置4个重复。分别在处理后第7天、14天、21天测定地上部形态指标，在第21天收取竹节草样品并进行根系参数测定。

1.2.2  指标测定  （1）地上部形态指标测定。参考廖丽等[17]和周招娣等[18]的方法测定枯黄率和萎蔫系数。枯黄率（withering rate，WR）：采用目测法记录叶片枯黄程度，干旱胁迫处理前修剪枯叶。5%以下表示草坪草基本上没有黄叶出现;50%表示草坪草有一半枯黄;95%以上表示草坪草基本上没有绿叶而死亡。枯黄率=处理后枯黄率-对照组枯黄率，4人打分求平均值。萎蔫系数（wilting coefficient，WC）：采用目测法记录植株叶片的萎蔫程度。5%以下表示草坪草基本没有出现萎蔫;50%表示草坪草有一半萎蔫;95%以上表示基本萎蔫。萎蔫系数=处理后萎蔫系数-对照组萎蔫系数，4人打分求平均值。

（2）根系参数测定。使用扫描仪（EPSON，日本）对处理后的根系进行扫描，之后使用图像分析软件WinRHIZO Pro 2019（Regent，加拿大）对根系图片进行分析并统计总根长、根表面积、根体积和根直径。为减少各种质间固有的差异，采用性状相对值。

相对总根长=处理后总根长/对照总根长× 100%;

相对根表面积=处理后根表面积/对照根表面积×100%;

相对根体积=处理后根体积/对照根体积× 100%;

相对根直径=处理后根直径/对照根直径× 100%。

1.2.3  抗旱性综合评价  利用模糊数学中求隶属函数值的方法[19-20]，對40份竹节草种质的抗旱性进行综合评价，公式为：

式中：Fij为i品种的j指标的隶属函数值;Xij为i品种j指标的均值;Xjmax为各品种j指标均值的最大值;Xjmin为各品种j指标均值的最小值;MVi表示i品种的总隶属函数值。

根据总隶属函数大小确定抗旱性强弱并排序，总隶属函数值越大，抗旱性越强，反之越弱。

1.3  数据处理

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 24.0和Origin 2019软件对数据进行整理分析。

2  结果与分析

2.1  PEG处理对竹节草地上部形态指标的影响

从表2可看出，随着干旱胁迫时间延长，PEG处理对竹节草枯黄率和萎蔫系数影响较大，各处理在不同胁迫时间之间的差异达显著水平（P<0.05）。胁迫至第7天时，T1处理和T2处理下枯黄率的变异系数分别为51%和45%，萎蔫系数的变异系数分别为48%和47%，说明在PEG处理下40份种质间差异较大。从图1和图2可见，在T1处理下，干旱胁迫至第7天时，所有供试竹节草枯黄率和萎蔫系数均保持在10%以下，差异较小;干旱胁迫至第21天时，枯黄率范围为7.15%～31.75%，最大值为31.75%，萎蔫系数的范围为9.05%～32.00%，最大值为32.00%，个别种质的枯黄率和萎蔫系数较大，说明其生长受干旱胁迫影响较大。在T2处理下，随着胁迫时间的延长，枯黄率和萎蔫系数呈上升趋势，干旱胁迫至第21天时，枯黄率的范围为20.45%～65.05%，萎蔫系数的范围为22.25%～77.80%，种质间枯黄率和萎蔫系数差异较大，个别种质的枯黄率和萎蔫系数较小，说明其生长受干旱胁迫影响较小。

2.2  PEG处理对竹节草根系形态的影响

PEG模拟干旱胁迫下，40份竹节草种质根系生长受到了不同程度的影响（表3），种质间差异较大（图3～图6）。T1处理下，以相对总根长（CV为10.87%）影响最大，相对根体积（CV为8.58%）和相对根表面积（CV为8.00%）次之，相对根直径（CV为2.85%）影响最小;T2处理与T1处理根系生长所受影响类似，说明相对总根长对干旱胁迫的敏感性较强，相对根直径对干旱胁迫的敏感性较弱。

由图3～图6可知，T1处理对部分种质根系总长度、根表面积、根体积增加有轻微促进作用，T2处理对其有抑制作用，两种处理下不同种质间根系形态差异显著。CA04和CA26在T1、T2处理下相对总根长、相对根表面积、相对根体积均大于CA78和CA40;T1处理下CA04和CA26的总根长、根表面积、根体积分别增长了17.88%、15.58%、10.21%和10.91%、15.59%、19.74%，CA40和CA78的总根长、根表面积、根体积降低幅度最大，分别降低了21.97%、18.01%、19.35%和11.59%、47.68%、43.70%，说明CA40和CA78对干旱胁迫更敏感;T2处理下，CA04和CA26的总根长、根表面积、根体积分别降低了16.81%、22.61%、10.47%和17.40%、10.83%、17.08%，CA40和CA78的总根长、根表面积、根体积分别降低了52.78%、47.90%、47.68%和43.70%、50.11%、40.20%，CA04和CA26降低幅度小于CA40和CA78，CA04和CA26表现出较强抗旱性。

由图6可知，T1处理对部分种质根直径增加有促进作用，T2处理对所有种质根直径增加有抑制作用，T1处理下相对根直径为97.32%～ 112.67%，变化幅度为15.35%，CV为2.85%;T2处理下相对根直径为81.43%～103.79%，变化幅度为22.36%，CV为5.59%，品种间差异较小，表明15% PEG和20% PEG处理对根直径影响较小。

2.3  相关性分析

对不同PEG处理下的6个形态指标进行相关性分析（表4）。结果表明，不同PEG处理下竹节草的枯黄率（WR）和萎蔫系数（WC）两两间存在极显著正相关（P<0.001）;不同处理下的相对总根长（RL）、相对根表面积（RS）、相对根体积（RV）两两存在极显著正相关（P<0.001），其中RL-T1与RV-T1、RS-T2与RV-T2相关性最强，相关系数为0.90;RL、RV、RS与WR、WC呈显极著负相关（P<0.001），其中RL-T2与WRT2-21相关性最强，相关系数为?0.84。相对根直径（RD）与WC、RL之间显著相关（P<0.05），与其他形态指标之间无显著相关性（P>0.05）。结果说明，枯黄率和萎蔫系数越小，相对总根长、相对根表面积、相对根体积越大，竹节草抗性越强。枯黄率、萎蔫系数、相对总根长、相对根表面积、相对根体积可以作为竹节草抗旱鉴定的指标。

2.4  PEG胁迫下各性状指标的模糊隶属函数抗旱性评价

利用隶属函数法对两种浓度PEG-6000处理下的40份竹节草种质的枯黄率、萎蔫系数、根系形态指标进行综合评价，得到的40份种质的隶属函数值见表5。从表5可以看出，种质CA04、CA26、CA23、CA58的綜合评价值均在0.85以上，表明这4份竹节草种质抗旱性较强;种质CA03、CA59、CA78、CA40的综合评价值均在0.30以下，表明这4份竹节草种质抗旱性较弱，其余32份材料的综合评价值在0.30～0.85之间，抗旱性中等。

3  讨论

植物在生长发育的过程中会受到干旱胁迫的影响，并产生复杂的生理和形态上的变化，如干旱胁迫会影响植物的光合作用、呼吸作用、离子吸收，导致植株低矮、生物量降低、叶色变黄等[21-23]。聚乙二醇是一种惰性的、非离子型的较为理想的渗透调节剂，通过PEG模拟干旱胁迫研究植物抗旱性的报道较多[24-28]。本研究采用0、15%和20%浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫处理40份竹节草种质，通过分析其枯黄率、萎蔫系数、根系形态的变化特点，发现不同竹节草种质间的抗旱性差异较大。由于胁迫处理前各种质自身存在差异，胁迫处理后各指标数值大小并不能很好地反应其抗旱性强弱，因此选用PEG胁迫下与对照间各指标相对值的变化幅度进行评价较为科学。

植物在干旱胁迫环境下，植物吸水速度超过失水速度，导致植物体内水分亏缺[29]，生长发育受阻，会表现出叶片枯黄、植物萎蔫等适应性变化。曾令霜等[30]研究发现植物的抗旱性与枯黄率存在很大的相关性，王兰芬等[31]研究发现萎蔫指数与幼苗存活率呈显著负相关。本研究发现，随着胁迫时间的延长，不同种质间枯黄率和萎蔫系数变化差异明显，T1处理下变化较小，T2处理下品种间差异大且增幅明显。枯黄率和萎蔫系数能够直观地反映出不同种质在干旱胁迫下的变化。

根系是植物吸收水分和营养元素的主要器官，也是最先对干旱胁迫起反应的部位[32]。根系一些形态指标， 如根冠比、根长、根直径、根表面积、根体积等能反映作物根系的健壮程度，可以作为抗旱性鉴定的指标[33]。本研究发现，在T1处理下，相对于其他种质CA04和CA26总根长、根表面积、根体积显著增加，CA78和CA40根系生长受到了抑制;T2处理下，不同竹节草种质总根长、根表面积、根体积受到了显著抑制，CA04和CA26相对总根长、相对根表面积、相对根体积远大于CA78和CA40，CA04和CA26受抑制程度较小。Li等[3]研究指出，单位体积土层内根量越多越有助于作物吸水，发达的根系能提高作物吸水效率，缓解旱情。因此，干旱胁迫下，耐旱种质在干旱胁迫下会通过增加根系长度、根系体积来促进根系对水分的吸收，从而减弱干旱胁迫对其影响。

植物抗旱性是一个受多种因素影响的复杂的数量性状，它与植物品种、表型性状、生理生化性状有关，且与环境因子密切相关，对任何单一指标的研究都有一定局限性[26，34-37]。因此，要综合评价竹节草种质资源的抗旱性，应该以多个指标为依据综合考虑。本试验选取与竹节草抗旱性密切相关的枯黄率、萎蔫系数、根长、根表面积、根体积、根直径6个形态指标进行相关性分析，分析结果表明枯黄率、萎蔫系数与竹节草抗旱性呈负相关，总根长、根表面积、根体积与抗旱性呈正相关，与李艳等[4]、厉广辉等[38]和Pirnajmedin等[39]的研究结果一致。通过隶属函数分析，将40份种质分为抗旱型种质（CA04、CA26、CA23、CA58）、敏旱种质（CA03、CA59、CA78、CA40），其余32份为中间型种质;并且枯黄率、萎蔫系数、总根长、根表面积、根体积可作为竹节草抗旱性评价和鉴定的参考依据。因此，本研究为筛选抗旱性竹节草种质提供了理论依据，并为后续研究竹节草抗旱机制以及挖掘抗旱基因奠定基础。

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责任编辑：沈德发