鸭茅种质资源苗期抗旱指标筛选及抗旱评价

李江艳， 张鲜花， 袁小强

（新疆农业大学草业学院，新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐 830052）

近年来，灾害性气候事件频发，全球气候变暖日趋严重，雨量季节性分布不均，一些环境因素限制了干旱和半干旱地区植物的生长和发育［1］，特别是水分胁迫作为一种多维胁迫，除了引起植物表型的变化，也能引起植物体内生理生化以及分子水平的变化，从而产生一系列的影响［3-4］。目前，高温、干旱已成为限制草牧业发展的主要瓶颈，受到越来越多专家和学者的关注。研究干旱胁迫对牧草生理生化特性等方面的影响表明，野生牧草资源具有较强的抗旱能力［5-7］，具有极大的开发潜力，因此，研究牧草抗旱性对优异种质筛选及创新具有重要意义。

鸭茅（Dactylis glomerata）为多年生丛生禾草，具有营养价值高、适应性强、饲口性好等特点［8］。同时鸭茅还具有广泛的气候耐受性，主要表现为较好的抗寒性、耐热性、抗旱性和生态适应性，是世界广泛分布的四大禾本科牧草之一［9］。我国是鸭茅的起源地之一，主要分布于四川、云南、新疆等地［10-11］。国内外针对鸭茅逆境生理的研究主要集中于抗旱、耐热、耐阴等方面。其中，抗旱性研究主要集中于种子萌发期或苗期通过抗旱性指标的比较进行抗旱性评价。然而抗旱指标较多，极大地增加了抗旱鉴定的工作量及重复度。但不同指标对干旱胁迫的敏感度不同，筛选对干旱胁迫敏感的指标对抗旱性鉴定具有重要意义。因此，本研究选取7份来源不同的鸭茅材料，在苗期进行干旱处理，对不同旱胁迫下叶片的相对含水量、叶绿素含量、相对电导率、抗氧化酶活性等指标进行测定，采用主成分分析、隶属函数分析、灰色关联度分析等方法，探讨鸭茅苗期抗旱性并筛选抗旱指标，以期为鸭茅抗旱品种选育及抗旱机制的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试鸭茅种质7份，其中，5份为野生种，均来自新疆；2份为育成品种，1份为四川育成品种宝兴鸭茅，1份为美国育成品种俄勒冈鸭茅（表1）。

表1 材料编号及来源地Table 1 Material number and origin

1.2 试验设计

1.2.1 育苗及移栽 每个供试材料均挑选饱满种子300粒，均匀置于培养皿中，每个培养皿100粒种子，放置光照培养箱内（10 h光照，14 h黑暗）培养，定时补充水分。待幼苗长至5 cm高度时，选取20株长势一致的幼苗移栽至装有等量沙子（过2 mm筛）的花盆（底部无孔、上口径10.8 cm、下口径6.9 cm、高17.9 cm）中，每盆移栽1株，每份材料移栽20盆。移栽后的幼苗置于实验室（植物工厂）内，温度为（25±1）℃，湿度为46%±1%，每天保证10 h光照。

1.2.2 干旱处理 移栽后按照测定的土壤饱和持水量进行正常灌溉，28 d后待鸭茅幼苗适应移栽环境并正常生长，将植株统一修剪至7 cm高度。设置适宜水分（CK，灌水量为饱和田间持水量的85%）、轻度胁迫（MD，灌水量为饱和田间持水量的60%）和重度胁迫（HD，灌水量为饱和田间持水量的35%）3个处理，处理时间持续30 d。期间，采用称重法每周补充1次水分至设定水分梯度。

1.3 测定指标

处理30 d后，测定供试材料叶片的生理生化指标。其中，叶片相对含水量（relative water content，RWC）、相对电导率（relative electrical conductivity，REL） 、可 溶 性 糖 （soluble carbohydrate，SC）含量分别采用饱和称重法、电导法 及 蒽 酮 比 色 法 测 定［12］；丙 二 醛（malondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定［13］；叶绿素（chlorophyll，Chl）含量采用二甲基亚砜法测定［14］；脯氨酸（proline，Pro）含量采用茚三酮法测定［15］；可溶性蛋白（soluble protein，SP）含量采用Bradford改进的 Lowry 法测定［16］；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性参照Giannopolitis的氮蓝四唑（NBT）法测定［17］；过 氧 化 物 酶（peroxidase，POD）活 性 参 照Hernandez的愈创木酚法测定［18］；过氧化氢酶（catalase，CAT）活性采用紫外分光光度法测定［19］。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2012整理数据，采用SPSS 25.0进行统计分析。采用配对t检验进行差异显著性分析。抗旱系数（drought coefficient，DC）计算公式如下。

计算后得到的DC值用于相关性分析以及主成分分析。因子权重系数（Vi）、各材料各综合指标的隶属函数值μ（xi）、抗旱性度量值（D）及综合抗旱系数值（comprehensive drought-resistance coefficient，CDC）的计算公式如下。

式中，Pi为第i个综合指标贡献率，表示第i个指标在所有指标中的重要程度，xi、ximax和ximin分别表示第i个综合指标及第i个综合指标的最大值和最小值。

将各指标DC值作为母序列，以D值为参考序列进行灰色关联度分析，得出各指标DC值与D值间的关联度（λD），按以下公式分别计算各指标权重系数Ti（λ）和加权抗旱系数（weighted droughtresistance coefficient，WDC）。

将各指标DC值作为母序列，以WDC值为参考序列进行灰色关联度分析，得出各指标DC值与WDC值间的关联度（λWDC）。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对鸭茅生理生化指标的影响

对7份供试材料在不同程度干旱胁迫下的生理生化性状进行鉴定，结果（表2）表明，各测定指标随干旱程度的增强呈现出不同的变化规律。RWC和Chl含量随胁迫程度的增强呈现降低趋势，即CK＞MD＞HD；其中，Chl含量在不同处理间存在显著差异，而除YM-1及YM-3外其他材料RWC在不同处理间也存在显著差异。REL随胁迫程度的增强逐渐增大，不同处理间存在显著差异。MDA、SC、Pro和SP含量随胁迫程度增强逐渐增加，即HD＞MD＞CK，且不同处理间均存在显著差异；仅YM-5叶片MDA含量在CK和MD处理间差异不显著，YM-2叶片SP含量在CK和MD处理间差异不显著。POD和CAT活性随胁迫程度增强呈上升趋势，表现出HD＞MD＞CK；仅YM-4叶片CAT活性在CK和MD处理间差异不显著，其余材料在不同处理间均存在显著差异。SOD活性随胁迫增强呈先降低后升高的趋势，各材料均表现为在轻度胁迫下SOD活性最低；仅YM-5和YM-6在HD处理下叶片SOD活性显著高于CK，而YM-3、YM-4和YM-7叶片SOD活性在HD和CK处理间差异不显著，其余材料均表现为胁迫处理后SOD活性显著降低。总体来看，随着胁迫程度的增强，对各生理生化指标的影响逐渐增大。各材料间不同指标变异系数为2.19%～31.98%，除RWC外，其余均大于10%，说明各材料受干旱影响后不同指标间差异较大。因此，上述生理生化指标对鸭茅种质的抗旱性评价具有重要意义。

对不同性状进行相关分析，结果（表2）表明，不同胁迫程度下各指标表现出的敏感程度具有差异性。与CK处理比较，MD处理下各指标间的相关系数为0.238～1.000；HD处理下为-0.116～1.000。

表2 干旱胁迫各个供试种质指标测定值、均值及差异性分析Table 2 Analysis of the mean value and difference analysis of the measured values of each germplasm under drought stress

2.2 抗旱系数分析

为消除量纲差异，进一步分析不同材料的抗旱性系数，结果（表3）表明，各材料不同指标均呈现重度胁迫下的抗旱系数大于轻度胁迫，但抗旱系数的变异幅度差异不大。轻度胁迫下，各指标抗旱系数均值为0.64～1.33，变异系数为1.44%～24.70%。材料间SOD、POD、CAT活性的变异系数达20%以上，即材料间表现出较大差异；其余指标的变异系数较小。重度胁迫下，各指标抗旱系数均值为 0.72～1.69，变异系数为 1.86%～24.57%。其中，材料间抗氧化酶活性的变异系数较高。随胁迫程度的增强，除SC、SP及抗氧化酶活性的变异系数降低外，其余指标均表现出随胁迫增强材料间差异变大的趋势。对不同材料的抗旱系数进行比较发现，各指标抗旱系数在材料间表现出不同程度的差异（表3）。其中，叶片相对含水量在材料间无显著差异；过氧化氢酶活性在不同材料间存在显著差异。

表3 供试种质各测试指标的抗旱系数Table3Droughtresistancecoefficientofdifferentindexin7testedgermplasm

对各指标抗旱系数进行相关分析，结果（表4）表明，不同胁迫程度下各指标间均具有一定的相关性。轻度干旱胁迫下，RWC与Chl含量、CAT活性呈显著负相关，EL与MDA含量呈显著负相关；重度干旱胁迫下，Pro含量与CAT活性呈显著负相关。

表4 干旱胁迫下主成分分析的特征向量及贡献率Table 4 Correlation analysis of different traits under drought resistance

2.3 供试种质抗旱性综合评价

对不同干旱胁迫处理下10个性状进行主成分分析，结果（表5）表明，均提取出5个主成分因子，累计贡献率分别为98.375%（MD）和99.213%（HD）。将信息重叠的10个指标最终转换为5个相互独立的综合指标（F1～F5）。轻度干旱胁迫下，F1中RWC和SC具有较高载荷量；F2中MDA载荷量最高；F3中Pro载荷量最高；F4中POD和Pro载荷量较高；F5中MDA载荷量最高。重度干旱胁迫下，F1中为POD及CAT载荷量较高，F2中为SP载荷量最高，F3中为CHL和MDA载荷量较高，F4中为SC载荷量最高，F5为POD和SP载荷量较高。

表5 干旱胁迫下主成分分析的特征向量及贡献率Table 5 Feature vector and contribution rate of principal component analysis under mild drought stress

基于新提取的5个因子，对供试材料进行抗旱性综合评价（表6）。轻度胁迫下，各供试材料CDC、D与WDC值的分别为0.267～0.693、0.217～0.697和1.082～1.208，其均值分别为0.432、0.498和1.121，变异系数为36.12%、35.27%和3.73%（表6）。将材料按照CDC、D和WDC值进行排序，YM-1和YM-4的综合排名较高，表明具有较强的抗旱性；YM-2和YM-5综合排名较低，表明抗旱性较弱。重度干旱胁迫下，CDC、D与WDC值的分别为0.200～0.596、0.144～0.634和1.307～1.445，均值分别为0.452、0.480和1.370，变异系数为33.50%、34.86%和3.77%（表6）。综合排序后，YM-3和YM-5的综合排名较高，抗旱性较强；YM-4的综合排名最后，即抗旱性较弱，与轻度干旱胁迫下排名结果存在较大差异。

表6 干旱胁迫下不同种质的抗旱性评价Table 6 Drought resistance evaluation of tested germplasm under different drought stress

2.4 灰色关联度分析

为选择适宜的生理生化指标进行抗旱性鉴定，采用灰色关联度方法对各项指标进行分析（表7）。轻度干旱胁迫下，各材料测定指标DC与D值的关联程度为0.570～0.722，从高到低进行排序依次为MDA、SOD、POD、CHL、CAT、RWC、SP、EL、SC和Pro；DC与WDC值的关联程度为0.587～0.837，从高到低进行排序依次为CHL、RWC、MDA、SP、SC、SOD、EL、CAT、Pro、POD。由此可见，在轻度干旱胁迫下，MDA、EL、RWC与抗旱性密切相关，对抗旱性鉴定影响较大。重度水分胁迫下，各材料测定指标DC与D值的关联程度为0.671～0.781；DC与WDC值的关联程度为0.530～0.844；排序结果与轻度干旱胁迫下存在差异，SP、SC、RWC为前3位，说明其在重度干旱胁迫下与抗旱性密切相关，对抗旱性鉴定影响较大。

表7 干旱胁迫下供试材料各指标DC值与D和WDC值的关联度及权重Table 7 Weight and correlation degree between DC value and D，WDC value of each index under drought stress

续表Continued

3 讨论

土壤水分是影响植物生长发育的重要因素，水分缺失对于植物正常生理活动的进行有显著影响，如干旱胁迫会影响植物蒸腾、表型、细胞活性、器官和组织功能等［20］。邹苗等［21］发现随着干旱胁迫程度的增加，酸枣幼苗叶片RWC呈下降趋势，而渗透调节物质Pro含量和膜质过氧化物MDA含量逐渐增加，除此之外，叶片SOD、POD和CAT活性逐渐增强。田莉华等［22］和郭郁频［23］等对不同品种早熟禾干旱胁迫下生理响应进行研究得出相同的结论。晁漫宁等［24］对灌浆期小麦（Triticeae）进行持续干旱胁迫，发现叶片SP含量和抗氧化酶活性逐渐升高。黄海霞等［25］研究裸果木叶片抗氧化酶活性对干旱的响应发现，叶片POD和CAT活性在严重干旱胁迫下显著增强。本研究表明，随着干旱程度的加剧，不同来源鸭茅材料均表现为叶片RWC及Chl含量逐渐降低，渗透调节物质含量逐渐升高，细胞膜透性发生改变，主要体现在EL和MDA含量的升高，抗氧化酶活性总体呈升高趋势，与前人研究结果相一致。

作物抗旱性是复杂的数量性状，抗旱性评价的关键在于选择适宜的鉴定指标［26］。近年来，许多学者利用多元分析方法对不同植物进行抗旱性评价及抗旱指标筛选，王瑞霞等［27］采用隶属函数法和主成分分析法对芥菜型油菜的抗旱性进行综合 评 价 。 Xu 等［28］对 沙 冬 青（Ammopiptanthus mongolicus）的研究发现，叶片Pro含量的大量积累可能对植物的渗透调节起着重要作用，因此，该性状对抗旱性评价具有重要意义。曾令霜等［29］对43份狗牙根（Cynodon dactylon）进行抗旱性综合评价，发现EL、Chl和MDA含量可作为评估狗牙根抗旱性的有效指标。易津等［30］研究赖草属牧草耐旱生理发现，幼苗存活率、苗高、根冠比、Chl含量和POD活性可以作为评价禾本科牧草抗旱性的生理指标。

本研究对不同来源鸭茅种质苗期与抗旱相关的10个生理生化指标进行鉴定，利用主成分分析法、隶属函数法和灰色关联分析得到综合抗旱系数（CDC）、抗旱性度量值（D）和加权抗旱系数（WDC），发现不同干旱胁迫下，评价鸭茅苗期抗旱性的有效指标存在差异。轻度干旱胁迫下，叶片RWC、Chl和MDA含量与抗旱性密切相关；重度干旱胁迫下，除RWC外，SP和SC含量对抗旱性评价影响较大。由此表明，鸭茅苗期对于不同程度的干旱胁迫其生理指标的相应存在差异，因此，进行抗旱性鉴定时，应考虑胁迫程度，选取适宜的指标进行鉴定。

许多研究表明，野生种较栽培种具有更优的抗逆性，曾令霜等［29］对43种狗牙根进行抗旱性综合评价，发现新疆野生狗牙根种质的抗旱性显著优于狗牙根栽培品种；王平等［6］对8份披碱草属牧草进行抗旱性综合评价，发现野外采集材料的抗旱性显著高于审定品种。本研究显示，野生种与栽培种的抗旱性在不同干旱胁迫下存在差异；轻度干旱胁迫下，7份种质的抗旱性排序依次为YM-4＞YM-1＞YM-3＞YM-6＞YM-7＞YM-5＞YM-2；重度干旱胁迫下，7份种质的抗旱性依次为YM-3＞YM-5＞YM-1＞YM-7＞YM-6＞YM-2＞YM-4，即不同材料随干旱胁迫程度的加剧，抗旱性表现不同，可能与源产地生境不同有关。综合来看，来自新疆的野生鸭茅具有较强的抗旱性，具有极大的挖掘及鉴定价值，可作为优良种质潜力资源。