饲用燕麦对干旱胁迫的响应及抗旱性评价

陈彩锦, 师尚礼, 张尚沛, 包明芳,沙晓弟, 尚继红, 吴 娟, 曾燕霞

(1.甘肃农业大学草业学院, 兰州 730070; 2.宁夏农林科学院固原分院, 宁夏 固原 756000)

燕麦(AvenasativaL.)是禾本科燕麦属一年生粮饲兼用作物[1-2],具有抗旱、抗寒、耐瘠薄、产量高、营养价值丰富、生态效益显著等特点。饲用燕麦主要分布于我国的高寒和冷凉区[3]。近年来,随着国家农业产业结构的调整和草畜产业发展需求,饲用燕麦种植区域和面积急剧扩展。然而,日益严重的干旱对饲用燕麦生长发育、产量和品质都有显著的影响。因此,研究作物响应干旱胁迫的表型、生理和分子机制,并明确其作用机理,这将为选育植物抗旱优良品种、提高抗旱性提供理论依据。

植物在干旱胁迫下的表型器官变化能直接反映出植物对干旱胁迫的响应。例如,植物叶片通过叶面积大小与数量变化、叶片厚度变化、叶肉组织结构变化,以及叶片输水组织变化等措施减少失水以适应干旱胁迫[4]。在干旱胁迫下,玉米、老芒麦叶面积明显降低[5-6],樱桃番茄幼苗的叶片长度、宽度、叶面积等出现了下降趋势[7]。同时,当植物遭受干旱胁迫时,为主动适应环境,其茎生长必然会受到一定程度的影响,如株高降低等[8-10]。生物量积累的多与少是逆境胁迫对植物造成伤害的综合反映。如不同生育时期和不同程度的干旱胁迫降低了燕麦的地上生物量和幼苗茎叶干、鲜重[11-12]。植物的根部是最先对土壤干旱胁迫作出响应,并进行自身调节以适应逆境的器官。有研究表明,在作物土壤水分亏缺的条件下,光合产物更多的向地下运输,使根系生长优于地上部分,以此来吸收更多的水分维持基本生存,且根系的生物量与水分亏缺程度负相关[13-14]。

基于以上原因,本研究以7个饲用燕麦品种为供试材料,采用盆栽控水法控制土壤水分,通过比较不同胁迫时间下供试品种对干旱胁迫的表型响应差异,明确各品种对干旱胁迫的表型响应机制;采用隶属函数法、主成分分析法、聚类分析法综合评价品种的抗旱性强弱,筛选出强抗旱性品种,为饲用燕麦的抗旱育种利用奠定基础及提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试品种

供试7个燕麦品种由宁夏农林科学院固原分院牧草课题组提供。分别为禾王、牧王、喜越、固原大燕麦、莫妮达、牧乐思、丹燕444。牧王、喜越、莫妮达、牧乐思来源于加拿大,禾王来源于美国,丹燕444来源于丹麦,固原大燕麦来源于中国宁夏。

1.2 试验设计

试验采用盆栽控水设计,于2021年在宁夏农林科学院固原分院生长室中进行。试验前选择饱满、均匀、无病害的7个饲用燕麦品种的种子进行冲洗、消毒(0.3% KMnO4溶液浸泡3 min),再冲洗后播种于装有等量土壤(耕作田0～30 cm的土壤∶基质=2∶1)的花盆(高24.5 cm,底径20.0 cm,顶内径30.0 cm,顶外径35.0 cm)中,待3叶1心时,保留生长基本一致的健壮苗(40株/盆),3次重复。试验温度23～35 ℃,光照16 h,黑暗8 h,光强2 100 lx,相对湿度60%。播种至出苗15 d之间保持盆土的含水量为田间持水量的(75±5)%(补水时间是每天08:00时),然后在出苗15 d后开始控水,控水0 d(ck)、7 d、14 d测定指标。

1.3 测定指标及方法

每个品种随机选取15株进行株高、叶长、叶宽、叶片数的调查,然后根据叶长和叶宽计算出各品种的叶面积,具体方法如下,株高:用直尺量取茎基部至植株顶端的长度,单位:cm;叶长:用直尺量取植株倒数第3叶叶片尖至叶鞘的长度,单位:cm;叶宽:用直尺量取倒数第3叶叶片最宽处的宽度,单位:cm;叶片数:调查3个时期存活的叶片数,单位:片;叶面积:叶长(cm)×叶宽(cm)×0.73,其中0.73是燕麦叶面积校正系数,单位:cm2。

地上生物量、根系干重:将株高等指标测定结束的单株进行取样,并用蒸馏水冲洗根系,然后擦干,分开地上部分和根系,将其放入(105±2)℃的烘箱中杀青30 min,然后在(80±2)℃烘干至恒重,分别称单株地上部分和根系重量,单位:g。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016软件对数据进行初步处理,再用SPSS 19.0软件进行数据的方差分析(p<0.05);运用Origin 2021软件制图和进行聚类分析。

1.5 抗旱性评价

单项抗旱系数(DCi)=Xi/CKi,i=1,2,3……n

(1)

式中,Xi和CKi表示干旱胁迫处理和对照处理的性状测定值。

(2)

(3)

式中,Ci是第i个综合指标贡献率,表示的是i个指标在所有指标中的重要程度。

各综合指标的隶属函数值

μ(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin),i=1,2,3……n

(4)

式中,Ximin表示第i个综合指标的最小值,Ximax表示第i个综合指标的最大值。

(5)

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对株高的影响

随着干旱胁迫时间的延长,供试品种的株高呈逐渐升高的趋势(图1 A),但品种之间存在较大差异。其中在干旱胁迫7 d时,莫妮达的株高显著高于牧乐思、固原大燕麦、丹燕444、禾王4个品种(p<0.05),禾王的株高显著低于其他6个品种(p<0.05),相较于ck,喜越的株高上升幅度最高,为ck的22.77%,丹燕444的上升幅度最低,为ck的5.38%;在干旱胁迫14 d时,莫妮达的株高显著高于牧乐思、丹燕444、禾王3个品种(p<0.05),禾王的株高显著低于其他6个品种(p<0.05),相较于ck,禾王的株高上升幅度最高,为ck的28.63%,丹燕444的上升幅度最低,为ck的8.86%(表1)

表1 供试饲用燕麦品种干旱胁迫时表型性状的变化率Table 1 Change rates of phenotypic traits of tested Avena sativa L. cultivars under drought stress 单位:%

图1 干旱胁迫对饲用燕麦品种的株高(A)、叶长(B)、叶宽(C)、叶面积(D)的影响Fig.1 Effects of drought stress on plant height(A), leaf length(B), leaf width(C) and leaf area(D) of cultivars for Avena sativa L.

2.2 干旱胁迫对叶长、叶宽的影响

随着干旱胁迫时间的延长,供试品种的倒三叶叶长呈逐渐升高的趋势,叶宽呈先升高后降低的趋势(图1 B、C),但品种之间差异较大。其中在干旱胁迫7 d时,莫妮达和禾王的叶长显著低于其余5个品种(p<0.05),相较于ck,禾王的上升幅度最高,为ck的24.62%,莫妮达的上升幅度最低,为ck的3.11%;在干旱胁迫14 d时,牧王的叶长显著高于其他品种(p<0.05),相较于ck,禾王的叶长上升幅度最高,为ck的40.42%,莫妮达的上升幅度最低,为ck的14.23%。在干旱胁迫7 d时,禾王和丹燕444的叶宽显著高于喜越、固原大燕麦、牧王、牧乐思4个品种(p<0.05),相较于ck,莫妮达的叶宽上升幅度最高,为ck的31.97%,牧乐思的上升幅度最低,为ck的3.97%;在干旱胁迫14 d时,禾王的叶宽显著高于其他品种(p<0.05),相较于ck,禾王的叶宽降低幅度最低,为ck的110.95%,喜越的降低幅度最高,为ck的138.52%(表1)。

2.3 干旱胁迫对叶面积的影响

随着干旱胁迫时间的延长,供试品种的叶面积变化趋势存在品种间差异(图1 D),禾王的叶面积呈升高的趋势,而其余品种的叶面积呈先升高后降低的趋势。其中在干旱胁迫7 d时,丹燕444的叶面积显著高于其他6个品种(p<0.05),相较于ck,禾王的叶面积上升幅度最高,为ck的66.08%,牧乐思的上升幅度最低,为ck的15.94%;在干旱胁迫14 d时,丹燕444和禾王的叶面积显著高于莫妮达、固原大燕麦、牧乐思、喜越(p<0.05)4个品种,相较于ck,喜越和牧乐思的叶面积降低,其余5个品种的叶面积都升高,禾王的叶面积上升幅度最高,为ck的66.96%,丹燕444的上升幅度最低,为ck的5.10%(表1)。

2.4 干旱胁迫对叶片数的影响

随着干旱胁迫时间的延长,供试品种的叶片数呈先升高后降低的趋势(图2 A),在干旱胁迫7 d时,牧王的叶片数与固原大燕麦的差异不显著,但与另外5个品种的差异显著(p<0.05),相较于ck,牧王的叶片数上升幅度最高,为ck的68.52%,上升幅度最低的是莫妮达,为ck的0.78%;在干旱胁迫14 d时,丹燕444的叶片数显著低于其他6个品种(p<0.05),相较于ck,禾王和牧王的叶片数升高,上升幅度分别是ck的23.53%和8.33%,但其余5个品种的叶片数降低,降低幅度最小的是固原大燕麦,为ck的9.4%,最高的是莫妮达,为ck的26.36%(表2)。

表2 供试饲用燕麦品种干旱胁迫时生物量的变化率Table 2 Change rates of biomass of tested Avena sativa L. cultivars under drought stress 单位:%

图2 干旱胁迫对饲用燕麦叶片数(A)、地上生物量(B)、根系干重(C)的影响Fig.2 Effects of drought stress on leaf number (A), aboveground biomass (B) and root biomass (C) of cultivars for forage oat

2.5 干旱胁迫对地上生物量、根系干重的影响

随着干旱胁迫时间的延长,供试品种的地上生物量变化趋势存在品种间差异,其中喜越、牧王、固原大燕麦3个品种的地上生物量呈先升高后降低的趋势,其余品种的地上生物量都呈升高趋势(图2 B)。在干旱胁迫7 d时,供试品种地上生物量差异不显著,相较于ck,禾王的地上生物量上升幅度最高,为ck的92.65%,牧乐思的上升幅度最低,为ck的19.47%;在干旱胁迫14 d时,莫妮达的地上生物量显著高于牧王、固原大燕麦、喜越3个品种(p<0.05),相较于ck,禾王的地上生物量上升幅度最高,为ck的137.87%,喜越的上升幅度最低,为ck的31.30%(表2)。

随着干旱胁迫时间的延长,饲用燕麦品种的根系干重呈升高的趋势(图2 C)。在干旱胁迫7 d时,牧王的根系干重显著高于其他6个品种(p<0.05),相较于ck,莫妮达的根系干重上升幅度最高,为ck的77.78%,禾王的上升幅度最低,为ck的42.86%;在干旱胁迫14 d时,牧王的根系干重显著高于固原大燕麦(p<0.05),相较于ck,根系干重升高幅度最高的是莫妮达,为ck的111.11%,升高幅度最低的是丹燕444,为ck的48.65%(表2)。

2.6 品种性状的综合抗旱系数

7个品种表型指标的综合抗旱系数(CDC值)显示结果如下,禾王的株高、叶长、叶宽、叶面积、地上生物量CDC值最高;牧王的叶片数CDC值最高;莫妮达的根系干重CDC值最高,但叶长、叶片数CDC值最低,丹燕444的株高、根系干重CDC值最低,牧乐思的叶宽、叶面积、地上生物量CDC值最低(表3)。这表明仅用单项指标的CDC值作为植物抗旱性强弱的排序根据,结果不具可靠性,需进行综合评价。

表3 7个表型指标的综合抗旱系数Table 3 Comprehensive drought resistance coefficient (CDC) of 7 phenotypic indexes

2.7 饲用燕麦品种的抗旱性综合评价

采用主成分分析法和模糊隶属函数法对7个饲用燕麦品种表型性状的CDC值进行分析。首先对供试品种的7项表型指标的CDC值进行主成分分析,可以看出,前2个主成分的特征值大于1,且第1主成分解释了全部方差的61.471%,第2主成分解释了全部方差的19.706%,前2个主成分累计解释了全部方差的81.177%(大于80%),这表明提取的前2个主成分能够代表饲用燕麦7个表型指标信息的81.177%,可以利用这2个综合性状指标来代替原来的7个指标评价品种的抗旱性。因此,提取2个主成分,然后根据不同综合指标的贡献率和权重及隶属函数值来计算抗旱性度量值(D值),以此来综合评价供试品种的抗旱性。表4结果显示,供试品种的表型抗旱性由强到弱依次是禾王、莫妮达、固原大燕麦、牧王、喜越、丹燕444、牧乐思。

表4 供试饲用燕麦品种表型隶属函数值、D值及排序Table 4 The membership function value, D value and rankings of phenotypic of experimental Avena sativa L. cultivars

2.8 饲用燕麦品种的聚类分析

利用R型聚类方法对供试品种的7个性状进行聚类(图3),根系干重聚为一类,叶长、叶片数聚为一类,株高、叶宽、地上生物量、叶面积聚为一类。利用Q型聚类方法对7个供试品种进行聚类(图3),禾王聚为一类,其叶长、叶宽、叶面积的CDC值最高,地上生物量及叶片数CDC值较高,株高CDC值中上水平,根系干重CDC值处于中等水平,抗旱性强;莫妮达聚类一类,其根系干重CDC值最高,叶宽和地上生物量CDC值处于中上水平,株高CDC值处于中等,其余指标都处于中等以下,抗旱性中等;其余5个品种聚为一类,除牧王的叶片数CDC值处于中上水平,喜越的株高、固原大燕麦的地上生物量、牧王的根系干重CDC值处于中等水平,其余5个品种的表型指标CDC值都处于中等以下水平,抗旱性弱。以上聚类分析结果与利用主成分分析和隶属函数法得出的结果基本一致,证明以上的综合评价方法对饲用燕麦品种的抗旱性分析都具有可靠性。

图3 饲用燕麦品种的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of Avena sativa L. cultivars

3 讨 论

3.1 干旱胁迫对饲用燕麦品种地上部组织器官的影响

植物的耐旱性是植物本身的遗传特征与外界环境相互作用的结果[15],在干旱胁迫后植物地上部分组织器官的变化是直观可见的。例如,紫花苜蓿表现为在干旱胁迫下株高增加,叶面积减低,叶片数随着干旱胁迫程度的增加而增加[16-17],豆科牧草表现为叶片的长度、宽度较正常供水降低,小麦表现为叶片的伸长被抑制,植株明显枯萎,严重时导致植株死亡等表型特征的明显变化[18]。本研究主要测定了在正常供水停止后,在不同的干旱胁迫天数下燕麦各品种的株高、叶长、叶宽、叶面积、叶片数的变化,可以看出,在轻微干旱胁迫下,也就是干旱胁迫的7 d,相较于ck,以上5个性状的特征值增幅明显;在重度干旱胁迫条件下,也就是干旱胁迫的14 d,株高、叶长增幅明显降低,且叶宽明显降到了ck以下,这与牛胤全等[19]对持绿型小麦幼苗的研究结果相似,说明在燕麦的生长期内轻微干旱胁迫能促进作物组织器官的构建,但连续和深度干旱胁迫对植物组织器官的构建会产生负效应,当长时间的连续干旱得不到补偿的时候,燕麦代谢发生紊乱,器官组织的构建进程减缓甚至发生中断,这可能就是以上5个组织器官特征值的变化幅度随着干旱胁迫时间及程度的增加而降低的最主要原因。

3.2 干旱胁迫对饲用燕麦根系干重、地上生物量的影响

植物在生长过程中水分亏缺会造成体内代谢发生的变化,最终导致生长状况的变化,因此,植物的生长量与生长状况是衡量抗旱能力的重要指标[20]。根系是植物生长过程中重要的代谢与吸收器官,是影响茎叶生长状况和作物产量的重要因素,也是植物对干旱胁迫最早起反应的部位。当植物遭受外界的干旱胁迫时,根系首先感受到这种胁迫信号并转导,然后调节细胞内的相关抗旱基因及蛋白的表达,进而通过代谢途径和方向的改变来影响碳同化产物的分配使根冠比增加,最后反过来又影响根系的生长[21]。张翠梅等[22]研究表明,随着干旱胁迫程度的增加,根系干重先增加后降低;王娇,张永清[23]研究结果显示,随着干旱胁迫程度的增加,根重呈减少的趋势;季杨等[24]研究发现,干旱胁迫能使根系生物量显著降低。本研究表明,在停止正常供水后,短期干旱胁迫对燕麦的根系干重具有促进作用,但长时期干旱胁迫对燕麦的根系干重的增加具有抑制作用。这与王晓雪等[25]对干旱胁迫下燕麦根系干重的研究结果一致。地上生物量是植物地上各个器官、组织相互作用最终形成的一个指标,也是衡量植物抗旱性最直观、简单但有效的指标。王彦龙等[17]研究结果显示,紫花苜蓿中苜1号、小花碱茅同德地上生物量随着干旱胁迫程度的增加而呈递增的趋势。本研究表明,随着干旱胁迫时间和程度的增加,地上生物量的增幅呈先增加后降低的趋势,这与杨丹等[26]对不同黑麦品种7～21 d的持续干旱胁迫结果一致。以上结果说明了:干旱胁迫下根系干重及地上生物量的变化不仅与植物本身所具有的抗旱性有关,也跟胁迫时间和胁迫程度有关。

3.3 饲用燕麦品种的抗旱性综合评价

植物的抗旱性是一个受多基因控制、许多因素影响的综合遗传性状,对植物抗旱性的评价包括形态、生长、产量等多个方面[27],这些性状相互联系、相互制约,若采用其中单一性状进行评价,都会使结果具有一定的片面性或信息重复[28]。因此,学界普遍认为多指标多方法相结合的抗旱性评价可以真实、可靠地反应植物的抗旱性[29]。本研究采用主成分分析、隶属函数法首先计算出抗旱综合评价值(D值),根据D值来综合评价各品种的抗旱性,首先保留了原有信息不丢失,同时也消除了性状的权重所造成的误差,使得结果更加可靠、准确。同时将品种性状的综合抗旱系数进行聚类,将品种聚类为不同抗旱性的材料,这与利用隶属函数和主成分分析方法评价出的结果基本一致,也与品种控水试验表型变化相切合,证明以上的综合评价方法对燕麦品种的评价可靠、真实。

4 结 论

7个饲用燕麦品种的株高、叶长、根系干重,随着干旱胁迫时间的延长呈升高趋势,叶宽和叶片数呈先升高后降低趋势,但品种之间的升降幅度存在较大差异;供试品种随着干旱胁迫时间的延长,其叶面积和地上生物量变化存在品种间差异,其中禾王的叶面积随着干旱胁迫时间的延长呈升高趋势,其余品种呈先升高后降低趋势;喜越、牧王、固原大燕麦等3个品种地上生物量呈先升高后降低趋势,其余品种呈升高趋势。利用多种综合评价方法对品种表型指标进行综合评价,确定出了各品种的表型抗旱性,其中禾王属强抗旱性品种、莫妮达属中等抗旱性品种,固原大燕麦、牧王、喜越、丹燕444、牧乐思属弱抗旱性品种。