两份老芒麦种质材料萌发期抗旱性评价

2023-10-27徐婉宁孙群策张树振杨金钰彭凤君

草食家畜 2023年5期

徐婉宁，孙群策，张树振*，杨金钰，彭凤君，熊洁，张博

（1.新疆草地资源与生态重点实验室/新疆农业大学草业学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091）

萌发期是牧草生产的关键时期，该时期牧草抵抗力弱，对干旱胁迫十分敏感。已有研究表明，老芒麦生长率下降速度与干旱胁迫成正比[1，2]。近些年来，因气候的异常和草地的不合理利用，我国草地沙化面积在不断扩大，新疆多地区出现植被退化、水土流失、草地沙漠化等一系列环境问题[3]。干旱的环境不仅会对植物的生长发育产生负作用，使各类作物的产量降低，严重时还会引发生态危机，甚至有阻碍人类社会可持续发展的风险[4]。在应对干旱劣势环境方面，选育出优良的牧草品种有益于修复退化草地，而筛选出具有抗旱能力的牧草品种更能为干旱地区的修复退化草地工作提供有效支撑。为了从根本上减轻或避免干旱造成的危害，筛选出抗旱性强的牧草品种是行之有效的一个方式[5]。

当前，利用高分子渗透剂聚乙二醇（PEG-6000）溶液模拟干旱环境是近年研究种子发芽期抗旱性的重要方法[6]。在萌发过程中，植物种子的萌发率反映了其生存能力，而相对萌发率则避免了不同物种萌发率的差异，这样能更真实地反映不同干旱类型下牧草的发芽情况，并对不同材料的发芽状况进行更简单、更客观的评估[7，8]。本试验利用PEG-6000 溶液模拟干旱环境，研究牧草的干旱适应机制，对培育出具有抗旱性的牧草新品种具有很重要的实用科学价值和现实意义。

老芒麦（Elymus sibiricus L.）是禾本科，披碱草属，多年丛生草本植物[9]。大多数分布在俄罗斯、哈萨克斯坦、西伯利亚和蒙古等北半球寒温带地区。中国也有较为丰富的老芒麦种质资源，分布在东北、西北、华北以及青藏高原等地区。老芒麦是优质的生态修复和饲草生产的草种，草茎柔软、营养丰富，耐寒能力强，在轻度盐碱地上可以种植[10-12]，作为一种优质牧草，它是现代麦类作物育种的重要基因来源，且对我国西北地区贫瘠荒地土壤改良具有重要作用[9，10]。随着我国近年来对草地生态修复的重视，老芒麦等优质牧草种子需求量呈持续增加趋势。目前，对老芒麦的研究主要集中在人工草地豆禾混播[13]、野生资源采集与评价[14]、抗性评价[15，16]等方面，其萌发期抗旱性强弱是其能否建植成功的关键，有待深入研究。

本试验以老芒麦新品系DJ-01 和同德老芒麦种子为实验材料，利用PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫，研究老芒麦种子发芽期间的抗旱性，为筛选抗旱性强的牧草新品种提供科技支撑[17]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为同德老芒麦和新疆农业大学草业学院选育的老芒麦品系DJ-01的种子。

1.2 试验方法

两份实验材料分别选择籽粒饱满、大小和形状相近的种子，用75%无水乙醇浸泡消毒30 s，再用无菌蒸馏水冲洗3 次，在每个铺好双层滤纸的培养皿中均匀放置50 粒种子。制作-0.10 MPa、-0.30 MPa、-0.50 MPa、-0.70 MPa、-1.00 MPa 水势的高分子渗透剂聚乙二醇（PEG-6000）溶液，模拟干旱胁迫环境。以蒸馏水作为对照（CK），每个处理重复3 次[18]。每个培养皿中加入7 mLPEG 渗透液，将培养皿置于光照培养箱中，培养箱内昼温为25 ℃，夜温为15 ℃，光照时间14 h，光强为1 000 lx。每天观察种子情况并记录，以胚芽突破种皮且达到1/2 种子长为发芽标准，以芽长2 cm 视为出苗。于第7 d 计算发芽势，第12 d 计算发芽率[19]。12 d 以后，从每个培养皿中随意选出10 株幼苗，放到吸水纸上，用游标卡尺（精度0.01 mm）测定幼苗根长及芽长并计算平均值。试验期间每隔2 d 加入7 mL蒸馏水，以避免种子吸收水分和水分蒸发而造成环境水势改变。

1.3 测定指标

发芽率=已发芽种子总数/待测种子数×100%

发芽势=前4 d的发芽种子数/待测种子数×100%

相对发芽率=胁迫处理的发芽率/对照处理的种子发芽率

相对发芽势=胁迫处理的发芽势/对照处理的种子发芽势

胚根长：测量种子胚根的长度

胚芽长：测量种子胚芽的长度

发芽指数（GI）=∑（DG/DT）；DG为每天的发芽数，DT为相应DG的发芽天数

萌发抗旱指数（GDRI）=胁迫处理的种子发芽指数/对照处理的种子发芽指数[20]

1.4 数据分析

采用SPSS20.0 软件对所测数据统计分析，对不同浓度处理下的各指标分别进行单因素方差分析，采用邓肯法进行多重比较分析，结果以平均值±平均值标准误差表示，当P＜0.05 时表示差异显著，运用Origin2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对老芒麦种子发芽率和发芽势的影响

研究表明，被干旱胁迫处理过的种子萌发率会显著降低。2 份老芒麦种子表现出相同的响应。在-0.5 MPa 和-0.7 MPa 干旱处理下，2 份老芒麦种子发芽率均在20%以下，显著低于-0.1 MPa和-0.3 MPa的干旱处理，在PEG 水势达到-1.0 MPa时，2份老芒麦种子均不萌发，见图1（a）。随着干旱水势增加，老芒麦种子发芽势逐渐降低，当PEG 水势达到-0.1 MPa 时，发芽势显著下降，见图1（b），两份老芒麦种子的发芽率和发芽势差异不显著。

图1 PEG胁迫对两份老芒麦种子发芽率和发芽势的影响

2.2 干旱胁迫对老芒麦种子相对发芽率和相对发芽势的影响

随着干旱胁迫变强，老芒麦种子的相对发芽率呈现先升高后降低的趋势，当PEG 水势达到-0.3 MPa 时，2 份老芒麦种子的相对发芽率呈现出上升趋势；2 份老芒麦种子在PEG 水势达到-0.3～-0.5 MPa时，其相对发芽率具有显著性差异，见图2（a）；随着干旱胁迫变强，2份老芒麦种子的相对发芽势呈现逐渐降低趋势。在PEG 水势达到-0.1～0.3 MPa 时，其相对发芽势具有显著性差异，见图2（b）。

图2 PEG胁迫对2份老芒麦种子相对发芽率和相对发芽势的影响

2.3 干旱对2份老芒麦种子芽长和根长的影响

研究表明，当受到干旱胁迫时2 份老芒麦种子的胚芽长均受到抑制，见图3（a）。2 份老芒麦种子的胚芽长随着干旱胁迫的增加不断降低。当胁迫水势为-0.1～0.3 MPa 时，DJ-01 的胚芽长明显变短，出现显著性差异；当PEG水势为-0.3～-0.5 MPa时，同德老芒麦种子的胚芽长减少，出现显著性差异；当PEG 水势达到-1.0 MPa时，2份老芒麦种子的胚芽基本不再生长。2份老芒麦种子的胚芽长在不同PEG胁迫下无显著性差异。

图3 PEG胁迫对2份老芒麦种子芽长和根长的影响

当PEG 水势为-0.1 MPa 和-0.3 MPa 时，2 份种子的胚根长均超过了对照组胚根长，其中当PEG水势为-0.1～0.3 MPa 时，最利于同德老芒麦种子的胚根生长；当PEG 水势增加至-0.5 MPa 以上，2 种种种子的胚根长随着PEG 水势的增加不断降低；当PEG 水势达到-1.0 MPa 时，2 份老芒麦种子的胚根基本不再生长；当PEG 水势达到-0.3～-0.5 MPa 时，同德老芒麦种子的胚根长减少，出现显著性差异，DJ-01老芒麦种子在不同胁迫浓度下胚根长未出现显著性差异，见图3（b）。

2.4 2份老芒麦种子的发芽指数及萌发抗旱指数

试验结果表明，2 份老芒麦种子的发芽指数及萌发抗旱指数均随着胁迫浓度的升高而不断降低，无显著差异。当PEG 水势达到-1.0 MPa 时，两份种子均不生长。故干旱胁迫对其种子萌发影响较大。2份种子的发芽及萌发抗旱指数在不同PEG水势胁迫下无显著性差异，见图4。

图4 模拟干旱胁迫处理的发芽指数和萌发抗旱指数

3 讨论

李明雨等[21]研究表明，萌发率、茎长、根长是判断植物抗旱性最有效的性状。发芽率、发芽势可以反映出种子发芽速度、发芽是否整齐和幼苗是否健壮的变化趋势，因此常被用作评价种子发芽的指标[22]。本试验结果表明，随着干旱胁迫的增加，2 份老芒麦种子的各项指标均受到干旱胁迫的影响。因此，本研究选择测定发芽率、发芽势、根长、芽长等指标来对2 份老芒麦种子进行综合评价是有意义的。

在试验中，使用水势为-0.1 MPa、-0.3 MPa、-0.5 MPa、-0.7 MPa、-1.0 MPa的PEG-6000溶液模拟不同的干旱条件，观察老芒麦种子的发芽率、发芽势、根芽长等指标来研究其萌发特性。结果表明，随着干旱程度的增加，2 份老芒麦种子的发芽率、发芽势、根长和芽长等指标均呈下降趋势，表明严重的干旱胁迫不会使老芒麦种子萌发。王传旗等[17]研究表明，PEG-6000 溶液渗透势会限制种子萌发，干旱胁迫通过限制种子的吸水率，从而降低种子的发芽率及胚根和胚芽的长度。孙清洋等[23]用7种不同梯度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，对9份老芒麦种子进行了萌发实验研究，结果显示在干旱胁迫下，种子的萌发明显被抑制。李培英等[24]利用高分子渗透剂PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，对29 份偃麦草种质资源进行耐旱性试验，结果显示干旱胁迫会降低种子的发芽率及相对发芽率等发芽指标。植物种子的萌发期和幼苗生长期为生命周期最敏感时期[25]。不同程度干旱处理下2份老芒麦种子的萌发期发芽率和发芽势存在显著差异，说明老芒麦种子萌发期对干旱胁迫较为敏感，且干旱胁迫会一定程度上影响种子的萌发。以上学者研究结果均与本实验结果一致，随着干旱胁迫的加剧，种子萌发逐渐受到抑制。但在轻度的干旱胁迫下，老芒麦种子根系生长良好，指标均出现大于对照组的情况，这说明适宜的干旱胁迫能促进根系生长，这与许翩翩等[26]的研究结果一致。这可能是由于低水平的干旱胁迫刺激了细胞内膜系统中的许多酶，提高了种子的萌发率。