野生狼尾草萌發(fā)期和幼苗期抗旱性的綜合分析

蔣錦鵬，趙志麗，張志飛

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所/湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，湖南 長沙 410128)

狼尾草屬(Pennisetum)主要分布于熱帶、亞熱帶，在我國大部分地區(qū)有野生資源分布[1]。狼尾草以其株形優(yōu)美、花序美麗、抗逆性強、管理粗放、維護費用低等特點，廣泛應(yīng)用于園林造景[2，3]。近年來有關(guān)狼尾草屬作為觀賞草的研究日益受到重視，主要集中于狼尾草的引種、生物學(xué)特性、園林綠地建設(shè)中的應(yīng)用形式，景觀效果以及觀賞性評價等方面[2-4]，但對狼尾草的抗旱性研究較少。對不同地點采集的5種野生狼尾草種子進行萌發(fā)期聚乙二醇6 000(PEG 6000)模擬干旱脅迫條件及幼苗期控水干旱試驗，通過對狼尾草種子萌發(fā)期發(fā)芽特性及幼苗期相關(guān)生理指標測定，研究其抗旱生理特性，篩選綜合抗旱性較強的材料，為研究狼尾草抗旱的生理機制奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

為保證野生狼尾草的種質(zhì)來源具代表性，試驗種子在完熟期分別從不同地域不同生境采集(表1)。

1.2 試驗方法

1.2.1 PEG 6000脅迫處理及種子發(fā)芽試驗 取上述種子，用0.2%的多菌靈消毒15 min，蒸餾水沖洗干凈，分別放入加有蒸餾水(CK對照)，PEG 6000濃度為10%，15%和20%的發(fā)芽盒中，每盒30粒，每處理4次重復(fù)。在26 ℃、16 h光照/23 ℃、8 h黑暗，濕度為85%，連續(xù)培養(yǎng)12 d，逐日觀察記載發(fā)芽種子數(shù)，并于第5、第8 d和最后一天隨機抽取10株幼苗記錄胚根長、胚芽長。

1.2.2 種子萌發(fā)測定內(nèi)容

(1)發(fā)芽率=(每天累計發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù))×100%

相對發(fā)芽率=(各處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率)×100%

(2)發(fā)芽勢=(正常發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%

相對發(fā)芽勢=(各處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢)×100%

(3)幼苗生長勢=種子的平均苗高+平均根長

(4)耐旱指數(shù)=(相對發(fā)芽率+相對發(fā)芽勢+胚根長度)/3

1.2.3 幼苗期控水試驗 5周齡幼苗分為5組(20株/組)進行控水試驗，對照組每天正常澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液，其他4組進行干旱脅迫處理，每組4次重復(fù)，分別在停止?jié)补嗟?、12、18、24 d進行生理指標的測定。

表1 供試材料Table 1 Tested materials for the experiment

葉片相對電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法[5]測定，葉片相對含水量采用鮮重法[5]測定，葉片相對葉綠素含量使用便攜式手持SPAD-502葉綠素測定儀測定。

采用德國產(chǎn)便攜式脈沖調(diào)制葉綠素熒光儀(PAM-2000，Walz)測定葉綠素熒光參數(shù)。測量前將活體植株置于暗箱內(nèi)適應(yīng)20 min，在每個葉片上選定一個直徑為1 cm的測試目標區(qū)域(AOI)，進行葉綠素熒光各個指標的測定。在軟件的Kinetics窗口檢測各葉綠素熒光參數(shù)的動力學(xué)變化曲線，相應(yīng)數(shù)據(jù)可直接從Report窗口導(dǎo)出，每個處理測定5株[6]。

相關(guān)的葉綠素熒光參數(shù)來源于PAM-2000儀器計算，F(xiàn)o為初始熒光產(chǎn)量；Fm為飽和光脈沖下誘導(dǎo)的最大熒光產(chǎn)量；Y(II)表示PS II的實際量子產(chǎn)量(實際光合效率)；Y(NPQ)為PS II處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量；Y(NO)為PS II處非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量；Fv/Fm為PS II最大原初光能轉(zhuǎn)換效率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

各項指標采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法進行評價排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫對種子相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢的影響

PEG模擬干旱脅迫對5種野生狼尾草種子的相對發(fā)芽率均具有抑制作用，且隨著脅迫強度的增大，相對發(fā)芽率受抑制程度增強，但不同來源的野生狼尾草種子響應(yīng)程度不同(圖1A)，10%PEG濃度下，NS與其他4個狼尾草種子的相對發(fā)芽勢差異極顯著(P<0.01)。5種野生狼尾草在10%濃度PEG處理下相對發(fā)芽率均超過90%，其中NS達到118.42%，說明低濃度的PEG對狼尾草的發(fā)芽率影響較小，甚至還有促進發(fā)芽的作用。當PEG濃度達到20%時，除ST外，其他4種野生狼尾草的相對發(fā)芽率下降幅度較大，降幅最大的是NS，由118.42%下降到21.68%，可見NS對高濃度的PEG脅迫較敏感。ST在10%和20%PEG濃度下相對發(fā)芽率分別為97.35%和89.38%，說明ST的發(fā)芽率對PEG脅迫不敏感。

在PEG脅迫下，5個狼尾草種子的相對發(fā)芽勢總體呈下降趨勢(圖1B)，但是ST在15% PEG脅迫下相對發(fā)芽勢高于10% PEG濃度下；在10%PEG濃度時，NS的相對發(fā)芽勢高于15%PEG濃度和CK，達到232.29%。在10%PEG濃度下，YJ2的相對發(fā)芽勢與ST，DY和FX之間差異顯著(P<0.05)，NS的相對發(fā)芽勢與ST，DY和FX之間差異極顯著(P<0.01)。YJ2，F(xiàn)X和DY均隨著PEG濃度的升高明顯下降，DY下降幅度最大，20% PEG濃度下相對發(fā)芽勢僅為28.91%。

2.2 PEG脅迫對幼苗生長勢和耐旱指數(shù)的影響

5種野生狼尾草的幼苗生長勢和耐旱指數(shù)的變化趨勢隨著PEG濃度的增大而降低，各材料之間差異較大，在20%PEG濃度下，ST的幼苗生長勢與其他4個狼尾草種子之間差異極顯著(P<0.01)。ST幼苗生長勢下降幅度最小，其次，YJ2，NS下降幅度最大(圖1C)。耐旱指數(shù)能較客觀地反應(yīng)植物的耐旱能力，常用來比較不同植物間及同一植物不同時期的抗旱性的差異。NS在10%PEG濃度時耐旱指數(shù)高于對照，其他材料均隨著PEG濃度的增大而降低，DY降幅最大，其次是NS、FX和YJ2，最小的是ST(圖1D)。

2.3 狼尾草幼苗期控水干旱處理對葉片相對電導(dǎo)率、相對含水量和相對葉綠素含量的影響

隨著控水天數(shù)的延長，各狼尾草幼苗的相對電導(dǎo)率均呈增大趨勢(圖2A)。控水第6 d時各狼尾草種子葉片相對含水量無顯著差異(P>0.05)，控水第12 d，ST的相對葉片含水量與其他4個狼尾草種子之間差異顯著(P<0.05)。控水6 d，相對電導(dǎo)率較對照變化不大；控水12 d，除ST外，其他4個材料的相對電導(dǎo)率上升較明顯，為37.69%～48.59%。控水18 d，狼尾草相對電導(dǎo)率繼續(xù)上升，F(xiàn)X最大，達到75.80%。控水24 d，各狼尾草的相對電導(dǎo)率均達90%以上。

圖1 不同濃度PEG下狼尾草種子的萌發(fā)Fig.1 Effect of different concentrations of PEG 6000 on germination of Pennisetum

圖2 控水處理下狼尾草幼苗期生長生理指標Fig.2 Effect of water control on physiological indexes of Pennisetum

隨著控水天數(shù)的延長，各狼尾草幼苗葉片相對含水量均呈現(xiàn)下降趨勢(圖2B)。DY和YJ2控水6 d葉片相對含水量較對照明顯下降，DY從73.25%下降到45.97%，YJ2從82.71%下降到44.46%?？厮?2 d，DY和YJ2相對含水量均下降到18%，NS和ST相對葉片含水量較高，分別為79.52%和66.8%，F(xiàn)X下降到31.09%?？厮?8 d，所有材料的相對含水量均下降到10%。

葉片相對葉綠素含量隨著控水處理天數(shù)的延長而減小，但各個材料之間存在較大差異(圖2C)?？厮? d各材料的相對葉綠素含量均處于90%以上，各狼尾草種子之間無明顯差異(P>0.05)；控水12 d，DY、YJ2和FX的相對葉綠素含量下降幅度較大，為40%～50%，而ST和NS比較穩(wěn)定，分別為76.69%和67.52%?？厮?8 d，DY相對葉綠素含量明顯下降(29.15%)，ST和NS相對葉綠素含量維持在52.22%和53.17%?？厮?4 d時，各狼尾草材料均下降到40%以下。

2.4 控水處理對葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

在干旱控水試驗中，所有材料在24 d均表現(xiàn)出葉片卷曲，枯黃，無法測量葉綠素熒光參數(shù)，因此，僅分析前4個處理的數(shù)據(jù)(表2)。隨控水時間的延長YJ2的Y(II)值下降最明顯，處理12 d時Y(II)值為0.204，處理18 d時，Y(II)值無意義，葉片已接近死亡狀態(tài)。而ST、DY的Y(II)值在6 d先小幅升高，在12 d時開始下降。ST下降幅度最小，控水18 d Y(II)值為0.253，說明ST的實際光合能力較強。Y(NPQ)/Y(NO)值是光保護和光損傷兩個重要指標的比值，反應(yīng)了植物對干旱脅迫的調(diào)節(jié)機制。受脅迫時，ST，DY和FX的Y(NPQ)/Y(NO)值先降低后升高，其中，ST 12 d開始升高，DY和FX 18 d升高，說明ST較DY和FX自身調(diào)節(jié)能力更強，YJ2、NS的Y(NPQ)/Y(NO)值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。隨著干旱時間的延長，5個材料的Fv/Fm值均呈下降趨勢。其中ST和DY下降不明顯，YJ2和NS下降明顯。

表2 控水處理下狼尾草葉綠素熒光數(shù)值Table 2 Effect of drought on chlorophyll fluorescence parameter of Pennisetum

注：“-”表示熒光數(shù)據(jù)Y(II)值<0.2或者>0.6，其數(shù)值無參考意義

2.5 野生狼尾草抗旱性綜合評價

應(yīng)用隸屬函數(shù)法對5種野生狼尾草的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、幼苗生長勢和耐旱指數(shù)4項指標，進行狼尾草萌發(fā)期的抗旱性排序，抗旱性強弱排序為ST>YJ2>NS>FX>DY(表3)。在幼苗期選擇相對電導(dǎo)率、相對葉片含水量、相對葉綠素含量和葉綠素熒光數(shù)據(jù)對供試的5種野生狼尾草種子進行狼尾草幼苗期的抗旱性排序，抗旱性強弱依次為：ST> NS> DY> YJ2> FX(表3)。

采用隸屬函數(shù)法對供試野生狼尾草萌發(fā)期4項指標與幼苗生長期4項指標的相對值進行綜合抗旱性評價，結(jié)果表明，ST表現(xiàn)出較強抗旱性，屬于高抗旱材料，NS和YJ2表現(xiàn)出了一定的抗旱性，為相對中等抗旱材料，F(xiàn)X和DY為干旱敏感材料(表3)。

表3 狼尾草萌發(fā)期、幼苗期各指標隸屬函數(shù)值及綜合排序Table 3 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of germination and seedling stage of Pennisetum

注：萌發(fā)期排序以相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、幼苗生長勢和耐旱指數(shù)的隸屬函數(shù)值計算，幼苗期排序以相對電導(dǎo)率、相對含水量、相對葉綠素含量和葉綠素熒光參數(shù)的隸屬函數(shù)值計算，綜合排序以8項指標的隸屬函數(shù)值計算

3 討論與結(jié)論

不同植物種子萌發(fā)期對PEG模擬干旱的耐受性不同，大多數(shù)植物在PEG 6000濃度高于10%時，種子萌發(fā)受到抑制[7-10]。此次研究中超過10%的PEG濃度對5種野生狼尾草種子萌發(fā)均具有一定的抑制作用，種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、幼苗生長勢以及抗旱指數(shù)均隨著PEG濃度的增加呈下降趨勢。低濃度5%的PEG 6000對種子有引發(fā)作用[7，9-12]，NS在10% PEG濃度下發(fā)芽率較對照高，表明不同材料狼尾草對PEG 6000的引發(fā)響應(yīng)有差異。

相對電導(dǎo)率、葉片相對含水量和葉片相對葉綠素含量變化與植物抗旱性密切相關(guān)[11-16]，不同植物在各生育期受到干旱脅迫時，這些指標的變化有所差異，但總體趨勢一致，可用于植物抗旱性鑒定。狼尾草苗期控水試驗結(jié)果顯示，隨著控水時間的延長，相對電導(dǎo)率逐漸升高，葉片相對含水量和葉片相對葉綠素含量逐漸下降，但不同來源狼尾草個體之間存在差異。水分脅迫對植物葉綠素熒光參數(shù)的影響較為復(fù)雜[17-20]，不同程度的水分脅迫對植物的葉綠素熒光參數(shù)的影響差異顯著，葉綠素熒光參數(shù)的變異系數(shù)均隨脅迫處理程度加深而增大，抗旱性強的植物變化幅度小于抗旱性弱的植物。在輕度水分脅迫下，葉綠素熒光各參數(shù)值有“突躍現(xiàn)象”[7,18]。研究發(fā)現(xiàn)在控水6 d時ST、DY的Y(II)值有“突躍現(xiàn)象”，不同材料狼尾草的葉綠素熒光參數(shù)表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化，可能說明，5個狼尾草材料基因型間存在較大差異，對控水反應(yīng)差異較大。

抗旱性是多因素控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，可通過植物的生理、生化、生態(tài)等多指標反應(yīng)，隸屬函數(shù)法是多指標測量后綜合判斷的常用的方法，利用隸屬函數(shù)法對植物種子萌發(fā)期和幼苗期的多個抗旱指標進行綜合評價，有利于獲得科學(xué)準確的評價結(jié)果[7,11,12,18,20]。采用了隸屬函數(shù)平均值法對狼尾草萌發(fā)期的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、幼苗生長勢、耐旱指數(shù)，幼苗期葉片相對電導(dǎo)率、葉片相對含水量、相對葉綠素含量、葉綠素熒光參數(shù)等指標進行綜合評價分析，有助于科學(xué)評價狼尾草的抗旱能力。通過分析發(fā)現(xiàn)，狼尾草萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性有一定相關(guān)性，但表現(xiàn)不盡相同。ST在萌發(fā)期和幼苗期均表現(xiàn)出了較強的抗旱性。NS萌發(fā)期排名第3，幼苗期排名第2。FX在萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性均較弱，排名分別是第4和第5。YJ2和DY在萌發(fā)期和幼苗期表現(xiàn)的抗旱性有較大差異，YJ2萌發(fā)期抗旱性較強(排名第2)，幼苗期則第4，抗旱性較差，DY在萌發(fā)期抗旱性最差，但是在幼苗期表現(xiàn)出一定的抗旱性(排名第3)。在萌發(fā)期和幼苗期的差異或許是狼尾草群落適應(yīng)當?shù)厣车姆磻?yīng)，ST采集于路邊，NS采集于高山臺地，種子長期適應(yīng)干旱缺水環(huán)境，積累了潛在的抗旱性。但野生狼尾草抗旱性與生境的關(guān)聯(lián)還有待進一步驗證。

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