14份冰草種質(zhì)材料的抗旱性綜合評價

李 波，高云鵬，李 紅

(1.齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省畜牧研究所，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

14份冰草種質(zhì)材料的抗旱性綜合評價

李 波1，高云鵬1，李 紅2

(1.齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省畜牧研究所，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

以不同PEG濃度模擬干旱脅迫14 份冰草種質(zhì)材料，通過測定供試材料的葉片相對含水量、葉綠素含量、游離脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性等8項生理生化指標(biāo),并利用主成分及隸屬函數(shù)分析法對其抗旱性進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明：8個差異顯著的抗旱指標(biāo)應(yīng)用主成分分析歸納成3個主成分,其累積貢獻(xiàn)率為70.899%。通過綜合隸屬函數(shù)值評定的抗旱性強(qiáng)弱順序為:保加利亞沙生>中間>3-2小區(qū)>蒙農(nóng)雜種>俄羅斯沙生>蒙古-1>沙生>大慶齊家扁穗>高山>蒙農(nóng)1號>扁穗2006>蒙古-3>光穗>山西偏關(guān)縣冰草。

冰草；生理生化指標(biāo)；抗旱性；主成分分析；隸屬函數(shù)分析

在世界范圍，干旱是作物生產(chǎn)的主要限制因子。干旱條件下，作物維持產(chǎn)量的關(guān)鍵因素是對干旱脅迫的抵御能力[1]。在干旱條件下，牧草在生長發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理生化特性等方面表現(xiàn)出一定的特點和規(guī)律性[2,3]。干旱逆境下導(dǎo)致植物葉片含水量和葉綠素含量的下降，影響植物的光合作用；細(xì)胞內(nèi)自由基代謝失調(diào)產(chǎn)生過剩的活性氧自由基,會引發(fā)膜脂質(zhì)過氧化,造成細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷，導(dǎo)致丙二醛含量的增加。干旱脅迫下植物葉片可積累脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可緩解干旱，并通過過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)清除生物自由基，抵御干旱誘導(dǎo)的氧化傷害[4-6]。

已有報道黑麥草、披堿草等牧草[7-9]，小麥、大麥和玉米等作物[9-11]在干旱脅迫下的生理指標(biāo)變化。聚乙二醇(PEG)是一種高分子滲透劑，能導(dǎo)致作物組織和細(xì)胞處于類似干旱的水分脅迫狀態(tài)之中，但自身不穿越細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，不會引起質(zhì)壁分離[11-13]，由此常作為模擬干旱脅迫試驗的良好替代品。

冰草(Agropyroncvistatum)是禾本科的一種重要草本植物，是多年生旱生牧草。由于其品質(zhì)好，抵御干旱環(huán)境的能力強(qiáng)，各種家畜都喜愛食用。但冰草品種間的抗旱性有一定的差異，試驗以不同濃度PEG-6000 溶液對冰草幼苗進(jìn)行模擬干旱脅迫處理，研究不同 PEG濃度處理下冰草葉片內(nèi)的相對含水量、游離脯氨酸、丙二醛( MDA) 含量及保護(hù)酶活性等生理生化指標(biāo)的變化，以期為冰草的栽培、引種及耐旱品種的選育提供科學(xué)依據(jù)，并通過對其植物體內(nèi)一些生理生化指標(biāo)變化的研究，篩選抗旱性強(qiáng)的冰草品種，為以抗逆性為目標(biāo)的冰草的優(yōu)良品種的選育和牧草育種提供基礎(chǔ)材料與理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以黑龍江省畜牧研究所提供的14份冰草種子為材料，在齊齊哈爾大學(xué)生物園溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每份材料的編號、名稱及產(chǎn)地見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 幼苗的培養(yǎng) 選擇成熟、飽滿且大小適中、均勻一致、健康的種子為材料。種子用 0.1%的 HgCl2滅菌 10 min，用蒸餾水反復(fù)沖洗數(shù)次后，再用蒸餾水浸泡 48 h，選擇萌動的種子，均勻撒播于已裝入塑料花盆內(nèi)的經(jīng)高溫滅菌已澆透水的沙土表面，再覆蓋厚0.5 cm的沙土，出苗前覆塑料薄膜。14份冰草各設(shè)3次重復(fù)，在自然光照下培養(yǎng)，待幼苗長至 2～3片葉時，用Hoagland營養(yǎng)液定期進(jìn)行澆灌。1.2.2 幼苗的 PEG脅迫處理 待幼苗長至4葉時，小心取出冰草植株，將根部土壤沖洗干凈，先放入營養(yǎng)液中培養(yǎng)一段時間使損傷的根系恢復(fù)，從營養(yǎng)液中取出植株，吸干根系上的水分，分別將植株根系浸入濃度為0，10%，15%，20%，25%的 PEG-6000溶液中，進(jìn)行根系模擬滲透脅迫處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)。脅迫處理3 d后，對植株的地上部分進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測定[14-16]。

表1 14份冰草種質(zhì)材料Table1 Germplasms of 14 Agropyron varieties

1.2.3 生理生化指標(biāo)的測定 葉片相對含水量(RWC)的測定采用鮮重法；葉綠素含量(Chl)的測定采用乙醇浸提法；游離脯氨酸含量(Pro)的測定采用酸性茚三酮法；丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量(Sug)的測定采用硫代巴比妥酸法[13，14]；可溶性蛋白含量(Pr)的測定采用考馬斯亮藍(lán)法；過氧化物酶活性(POD)的測定采用愈創(chuàng)木酚比色法；過氧化氫酶活性(CAT)的測定采用紫外吸收法[15，16]。

1.2.4 試驗數(shù)據(jù)的處理與分析 利用Excel 2003和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并用隸屬函數(shù)和權(quán)重系數(shù)對冰草抗旱性進(jìn)行評價。

(1)隸屬度的計算[17-19]

與抗旱性呈正相關(guān)的指標(biāo)：U(Xijk)=Xijk-Xmin/Xmax-Xmin

與抗旱性呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)：U′(Xijk)=1-U(Xijk)

式中：U(Xijk)、U′(Xijk)：第i個品種第j個脅迫濃度的k項生理生化指標(biāo)的隸屬度；Xmax：k項生理生化指標(biāo)的最大值；Xmin：k項生理生化指標(biāo)的最小值。

(2)權(quán)重系數(shù)的計算

權(quán)重系數(shù)=某一濃度梯度下各指標(biāo)的抗旱系數(shù)/各濃度梯度下各指標(biāo)抗旱系數(shù)之和

抗旱系數(shù)=PEG脅迫下的性狀值/對照性狀值。

2 結(jié)果與分析

2.1 8項生理生化指標(biāo)的因子分析

14份冰草在干旱脅迫處理后，與對照相比，植物生理生化特征均發(fā)生一系列的變化(表2)?？购迪禂?shù)最高的為10號保加利亞沙生冰草，最低的為3號山西偏關(guān)縣冰草。

表2 14份冰草生理生化指標(biāo)抗旱系數(shù)Table2 Drought-resistant coefficients of physiological and biochemical indexes of 14 Agropyron varieties

對14份多年生冰草的8項生理生化指標(biāo)的抗旱系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，14份冰草材料的8項生理生化指標(biāo)之間均存在著不同程度的相關(guān)性。含水量與葉綠素呈極顯著正相關(guān)，葉綠素與可溶性糖呈顯著負(fù)相關(guān)，其他各指標(biāo)間呈一定的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。

2.2 干旱脅迫下冰草抗旱性評價的主成分分析

對8項生理生化指標(biāo)的抗旱系數(shù)進(jìn)行因子分析，根據(jù)特征值大于1，主成分的累積貢獻(xiàn)率大于70%的原則，其余貢獻(xiàn)率較小可以忽略不計，故選留前3個主成分作為抗旱性評價的綜合指標(biāo)，第1，2和3主成分的貢獻(xiàn)率分別為35.755%，20.615%和14.528%，其累積貢獻(xiàn)率為70.899%(表4)，基本上涵蓋了8項測定指標(biāo)的絕大部分信息，因此，3個主成分可作為14份冰草抗旱性的綜合分析指標(biāo)。

表3 各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table3 Correlative coefficient matrix of physiological and biochemical indexes

表5為3個主成分因子不同脅迫指標(biāo)的特征向量，第1主成分中葉綠素(0.904)、可溶性糖(-0.623)和過氧化物酶活性(-0.623)有絕對值較大的特征向量，被認(rèn)為是最有效的指標(biāo)，相當(dāng)于2.860個原始指標(biāo)的作用，它可反映原始數(shù)據(jù)信息量的35.123%；第2主成分中脯氨酸(0.919)和丙二醛(-0.622)有絕對值較大的特征向量，被認(rèn)為是比較有效的指標(biāo)，相當(dāng)于1.649個原始指標(biāo)的作用，它可反映原始數(shù)據(jù)信息量的20.615%；第3主成分中過氧化氫酶活性(0.739)有較大的特征向量，可作為參考指標(biāo)，相當(dāng)于1.162個原始指標(biāo)的作用，它可反映原始數(shù)據(jù)信息量的14.428%。故選葉綠素、可溶性糖、過氧化物酶活性、脯氨酸、丙二醛和過氧化氫酶活性作為抗旱性評價的綜合指標(biāo)。

表4 干旱脅迫下14份冰草抗旱性評價的主成分分析Table4 Results of principal components analysis

表5 主成分因子特征向量Table5 Feature vector of principal component factor

2.3 干旱脅迫下冰草抗旱性評價的隸屬函數(shù)分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，選取第1主成分、第2主成分和第3主成分中貢獻(xiàn)率較大的特征向量：葉綠素、脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、POD和CAT抗旱系數(shù)6個指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，分別計算出14份冰草6個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，求其平均值(表6)。再根據(jù)各因子貢獻(xiàn)率大小，計算4個脅迫梯度的權(quán)重分別為0.093、0.228、0.373和0.306。

利用PEG脅迫下的14份冰草的葉綠素、游離脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性的隸屬函數(shù)和權(quán)重系數(shù)，對冰草的抗旱性進(jìn)行綜合評定，抗旱綜合評定值(D)大小反映各材料綜合抗旱能力大小，值越大表明越抗旱。PEG脅迫下14份冰草品種的抗旱性強(qiáng)弱依次為10>13>14>11>9>6>12>4>5>8>7>2>1>3(表6)。

表6 不同干旱脅迫下隸屬函數(shù)值及綜合評價Table6 Subor dinate function values and comprehensive evaluation of Agropyron cristatum under drought treatment

3 討論與結(jié)論

干旱嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育，是人們研究的最多的逆境因子。由于植物對干旱的適應(yīng)機(jī)制具有復(fù)雜性，抗旱能力的強(qiáng)弱也難以用一個通用指標(biāo)來確定，因而需要多種指標(biāo)相結(jié)合，綜合分析干旱脅迫對植物抗旱性的影響[20]。試驗采用根系模擬干旱法對冰草進(jìn)行滲透脅迫,能夠比較好的控制干旱的進(jìn)程,但可能會導(dǎo)致與大田試驗或生產(chǎn)實際有一定差異。

在分析時采用主成分分析,隸屬函數(shù)法對冰草干旱脅迫下生理生化指標(biāo)的變化進(jìn)行評價,隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標(biāo)測定基礎(chǔ)上對冰草抗旱性進(jìn)行綜合評價的途徑,避免了單一指標(biāo)的片面性。不同冰草種質(zhì)資源其耐旱機(jī)制可能不同,因此,利用多指標(biāo)對冰草種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行綜合評價,能更好的揭示冰草對PEG滲透脅迫的適應(yīng)機(jī)制,提高抗旱鑒定的準(zhǔn)確性。在不同PEG滲透脅迫下，14份冰草種質(zhì)材料的幼苗發(fā)生不同程度的生理生化變化，葉綠素、脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、POD活性和CAT活性等一些與抗旱性關(guān)系密切的指標(biāo)可作為抗旱性鑒定指標(biāo)。試驗在主成分分析的基礎(chǔ)上選擇了6個主要指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析,使試驗結(jié)果更具有可靠性。

采用模糊隸屬函數(shù)法結(jié)合主成分分析對不同冰草材料苗期抗旱性進(jìn)行了綜合評價,避免了單一指標(biāo)的片面性。運(yùn)用主成分分析方法可將葉片相對含水量、葉綠素含量、游離脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性等8個抗旱理化指標(biāo)歸納成3個主成分,通過隸屬函數(shù)法和相關(guān)分析,14個種質(zhì)材料的抗旱性大小順序為:保加利亞沙生>中間>3-2小區(qū)>蒙農(nóng)雜種>俄羅斯沙生>蒙古-1>沙生>大慶齊家扁穗>高山>蒙農(nóng)1號>扁穗2006>蒙古-3>光穗>山西偏關(guān)縣冰草。

[1] Eslam B P.Evaluation of physiological indices,yield and its components as screening techniques for water deficit tolerance in oilseed rape cultivars[J].Journal of Agricultural Science and Technology,2009,11:413-422.

[2] Anjum S A,Xie X Y,Wang L C,etal.Morphological,physiological and biochemical responses of plants to drought stress[J].African Journal of Agricultural Research,2011,6(9):2026-2032.

[3] Norouzi M,Toorchi M,Salekdeh G H,etal.Effect of water deficit on growth,grain yield and osmotic adjustment in rapeseed[J].Journal of Food,Agriculture and Environment,2008,6(2):132-138.

[4] 李繼新,丁福章,袁有波.不同強(qiáng)度干旱脅迫對烤煙葉片質(zhì)膜透性和丙二醛含量的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(4):34-35.

[5] 韓蕊蓮,梁宗鎖.干旱脅迫下沙棘葉片細(xì)胞膜透性與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)研究[J].西北植物學(xué)報,2003,23(1):23-27.

[6] 劉延吉，張珊珊，田曉艷，等.鹽脅迫對NHC牧草葉片保護(hù)酶系統(tǒng)，MDA含量及膜透性的影響[J]．草原與草坪，2008(2)：34-38.

[7] 鄭軼琦，臧國長．PEG脅迫對冷季型草坪草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J]．種子，2011，30(12)：34-38．

[8] 萬里強(qiáng)，李向林，石永紅，等．PEG脅迫下4個黑麥草品種生理生化指標(biāo)響應(yīng)與比較[J]．草業(yè)學(xué)報，2010，19(1)：83-88．

[9] 祁娟，徐柱，馬玉寶，等．披堿草屬六種野生牧草苗期抗旱脅迫的生理變化[J]．中國草地學(xué)報，2008，30(5)：18-24．

[10] 孟健男，于晶，蒼晶，等．PEG脅迫對冬小麥苗期抗旱生理特性的影響[J]．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，40(1)：40-44．

[11] 汪軍成，孟亞雄，徐先良，等．大麥苗期抗旱性鑒定及評價[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013(4)：135-143．

[12] Efeoglu B,Ekmekci Y,Cicek N.Physiological responses of three maize cultivars to drought stress and recovery[J].South African Journal of Botany,2009,75(1):34-42.

[13] 何瑋，蔣安，王琳，等．PEG干旱脅迫對紅三葉抗性生理生化指標(biāo)的影響研究[J]．中國農(nóng)學(xué)通報， 2013，29(5)：5-10．

[14] 白利國，俞玲，馬暉玲.野生草地早熟禾對干旱脅迫的生理響應(yīng)[J]．草原與草坪，2014，34(2)：88-93.

[15] 呂金印，郭濤.水分脅迫對不同品種甜高粱幼苗保護(hù)酶活性等生理特征的影響[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010,28(4)：89-93.

[16] 張慶琛，曹靜，裴冬麗，等.PEG 脅迫對番茄幼苗葉片SOD 同工酶的影響[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52(8):1833-1841.

[17] 李陽，謝宏偉，徐慶國.黑麥草品種不同生育期的生理生化指標(biāo)的比較[J]．草原與草坪，2011,31(6):40-45.

[18] 許桂芳．PEG脅迫對2種路黃抗性生理生化指標(biāo)的影響[J]．草業(yè)學(xué)報，2008，17(1)：66-70．

[19] 陳淑燕，毛培春，田小霞，等．4種薰衣草屬植物抗旱性綜合評價[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013(6)：152-158．

[20] 于鳳芝， 王曉軍，邢珊珊，等.4個三葉草種質(zhì)材料的抗逆性比較研究[J]．草原與草坪，2010，30(2)：88-90.

Comprehensive assessment on drought resistance of 14Agropyronvarieties

LI Bo1， GAO Yun-peng1，LI Hong2

(1.ForestryandLifeSciences，QiqiharUniversity，Qiqihar161006,China；2.AnimalScienceInstituteofHeilongjiang，Qiqihar1610001，China)

The drought resistance of fourteenAgropyronvarieties (Agropyrondesertorum)at the seedling stage was studied by using PEG-6000 solution to simulate drought stress in green house.The physiological and biochemical indexes such as relative water content,chlorophyll contents,proline content,content of malondialdehyde,soluble sugar content,soluble protein content,activities of peroxidase and catalase were measured.Drought resistance was evaluated by principal components analysis and subordinate function analysis.The results showed that the eight significantly different drought-resistance indexes could be classified into 3 component parts.The capacity of drought resistance of the fourteenAgropyronvarieties was gauged as follows：AgropyrondesertorumBulgaria>Agropyronintermediate>Agropyron3-2district>Agropyroncristatum×Agropyrondesertorumcv.Mengnong>AgropyrondesertorumRussia>AgropyronmongolicumKeng-1>Agropyrondesertorum>Agropyrondaqingqijia>Agropyronalpinae>AgropyronMengnongNO.1>Agropyroncristatum(L.)Gaertn2006>AgropyronmongolicumKeng-3>Agropyronguangsui>Agropyrondaqingqijia.

Agropyron；physiological and biochemical indexes；drought resistance；principal components analysis；subordinate function analysis

2015-06-09；

2015-07-20

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項目(1252 1610)；十二五農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題(2011BAD17B01)資助

李波(1962-)，女，遼寧鞍山人，教授，主要從事細(xì)胞生物學(xué)的教學(xué)和科研工作。 E-mail：libo1962@163.com

S 543

A

1009-5500(2015)06-0041-05