PEG模擬干旱脅迫下花椰菜種質(zhì)資源萌發(fā)特性及抗旱性評價

朱世楊 張小玲 劉 慶 羅天寬 唐 征 鐘偉杰 朱祝軍

(1溫州科技職業(yè)學(xué)院,溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/浙南作物育種重點實驗室,浙江 溫州 325006；2 浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 311300)

干旱是影響農(nóng)作物生產(chǎn)的主要非生物脅迫因子之一[1-2]。 我國干旱、半干旱地區(qū)占國土面積的二分之一以上,其中耕地面積約5.1×107hm2,約占總耕地面積的51%[3]。

花椰菜(Brassica oleraceaL.var.BotrytisL.)是十字花科蕓薹屬甘藍種中以花球為產(chǎn)品的一個變種,營養(yǎng)豐富,風(fēng)味鮮美,是我國年栽培面積較大的主要蔬菜作物之一[4]。 在夏秋季節(jié)栽培中,花椰菜易受干旱氣候的影響,播種后出現(xiàn)出苗率低,出苗不整齊,移栽后成活率低,缺苗斷壟等現(xiàn)象,進而影響其最終的產(chǎn)量品質(zhì)。 通過對花椰菜抗旱性鑒定篩選可以為其抗旱性育種提供優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源。 目前,關(guān)于不同干旱脅迫條件下花椰菜的生理生化變化的研究已有大量報道。 陳國菊等[5]研究了盆栽干旱脅迫對花椰菜葉片細胞保護酶及超微結(jié)構(gòu)的影響；汪炳良等[6]研究了30 ～35℃高溫脅迫下早熟花椰菜葉片抗氧化系統(tǒng)和葉綠素及其熒光參數(shù)的變化；王麗君等[7]研究了大田人工控水條件下外源水楊酸對干旱脅迫下花椰菜葉片抗氧化作用的影響；Wu 等[8]研究了茉莉酸甲酯和冠菌素處理對花椰菜幼苗的耐旱性方面的生理評價；Hadi 等[9]比較了聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和甘露醇誘導(dǎo)干旱脅迫對花椰菜幼苗生長的影響。 PEG 是研究植物干旱脅迫的良好材料,在水稻[10-11]、玉米[12-14]、花生[15-16]、豌豆[17]、豇豆[18]、胡麻[19-20]、番茄[21]、芝麻[22]等植物耐旱性研究中已有相關(guān)報道。 而PEG 干旱脅迫下對花椰菜資源材料抗旱性篩選方面的研究尚鮮見報道。

種子萌發(fā)期是作物生長中最為敏感的階段之一,也是作物群體數(shù)量建成的關(guān)鍵階段,極易受干旱環(huán)境的影響,因此在萌發(fā)期篩選出抗旱能力優(yōu)異品種資源對于干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及抗旱性育種具有重要意義[23-24]。 本研究通過分析不同濃度PEG 模擬干旱脅迫對12 個花椰菜資源材料萌發(fā)特性的影響,以明確萌發(fā)期抗旱性鑒定適宜的PEG 濃度,篩選出優(yōu)質(zhì)抗旱性種質(zhì)材料,為花椰菜耐旱機理及抗旱性育種提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試花椰菜資源材料均由浙江省溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院花椰菜育種課題組提供,共計12 份,其中自交系9 份,不育系3 份,均為2017年普通塑料大棚中采收的種子,其親本來源如表1所示。

表1 供試花椰菜材料及親本來源Table1 Cauliflower materials tested and their parental origin

1.2 試驗方法

1.2.1 PEG 模擬干旱脅迫處理 試驗共設(shè)置4 個處理,即0(CK)、100、150 和200 g·L-1PEG(用雙蒸餾水和PEG6000 配制)。 選取50 粒飽滿的種子,置于預(yù)先用15 mL 不同濃度PEG 溶液濕潤過的鋪有5 層吸水紙和2 層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中,蓋上培養(yǎng)皿蓋后,置于25℃培養(yǎng)室(光照∶黑暗=12 ∶12)中連續(xù)培養(yǎng)7 d。 采用隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理3 次重復(fù)。

1.2.2 性狀指標(biāo)測定 每天統(tǒng)計發(fā)芽的種子數(shù),第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢(germination rate,GR),第7 天統(tǒng)計發(fā)芽率(germination percentage,GP),并隨機取5 株生長7 d的幼苗測量苗高(seedling height,SH)和根長(root length,RL),若不足5 株則全部測量。 按照公式分別計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)、活力指數(shù)(vigor index,Ⅵ)：

式中,Gt：第t天發(fā)芽種子數(shù)；Dt：相應(yīng)發(fā)芽的天數(shù)。

按照公式分別計算相對發(fā)芽率( relative germination percentage,RGP)、相對發(fā)芽勢(relative germination rate,RGR)、相對發(fā)芽指數(shù)( relative germination index,RGI)、相對活力指數(shù)(relative vigor index,RVI)、相對苗高(relative seedling height,RSH)和相對根長(relative root length,RRL)：

1.3 抗旱性綜合評價

花椰菜材料萌發(fā)期的抗旱性評價參考崔宏亮等[15]和李培英等[25]的方法。 首先,按照公式(11)計算每份材料在不同濃度PEG 脅迫下RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 的具體隸屬函數(shù)值：

式中,X：某一指標(biāo)的測定值；Xmax和Xmin分別表示該指標(biāo)的最大值和最小值。

其次,將每個指標(biāo)不同濃度PEG 脅迫下的具體隸屬函數(shù)值累加求平均值,按照公式(12)計算：

式中,X(ij)：i種類j指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值；n：PEG 濃度的種類(不含對照)。

然后,按照公式(13)計算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj,再按照公式(14)計算權(quán)重系數(shù)Wj,最后按照公式(15)計算每個材料所有指標(biāo)的綜合評價值(D),D數(shù)值越大,表示抗旱性越強,反之則抗旱性越弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG 脅迫下花椰菜種子萌發(fā)和幼苗生長的方差分析

對12 個花椰菜種質(zhì)材料3 個PEG 濃度處理下的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 個性狀進行方差分析。 由表2可知,上述6 個性狀在各種質(zhì)材料之間、PEG 脅迫濃度之間以及種質(zhì)材料×PEG 脅迫濃度之間均存在極顯著差異。

表2 PEG 脅迫下花椰菜種質(zhì)材料種子萌發(fā)和幼苗生長的方差分析Table2 Analysis of variance on seed germination and seedling growth of cauliflower materials under PEG stress

2.2 PEG 脅迫對花椰菜RGP 和RGR 的影響

由圖1可知,在對照(CK)條件下,12 個花椰菜種質(zhì)材料的種子發(fā)芽率平均值為99.0%,變化幅度為96.0%～100.0%,發(fā)芽勢平均值為98.7%,變化幅度為94.7%～100.0%。 參試的12 個花椰菜種質(zhì)材料初始的種子萌發(fā)情況良好。

圖1 對照條件下花椰菜的發(fā)芽率和發(fā)芽勢Fig.1 The GP and GR of cauliflower under CK

由表3可知,不同濃度PEG 脅迫下,所有花椰菜的RGP 均隨著干旱脅迫的增強呈降低趨勢。 100 g·L-1PEG 對各花椰菜的RGP 影響不大,甚至對個別材料的種子萌發(fā)有促進作用,RGP 在97.3%～102.0%之間；150 g·L-1PEG 脅迫下,花椰菜的RGP 變化范圍在73.3%～99.3%之間；P3、P6 的RGP 均較高,分別為98.7%和99.3%,P9 的RGP 較低,為73.3%；200 g·L-1PEG 脅迫下,各花椰菜種子萌發(fā)則受到嚴重抑制,P9 的RGP 最低,僅為1.3%,P3 和P6 最高,均為58.0%。 說明P3、P6 較耐旱。

不同濃度PEG 脅迫下,所有花椰菜材料的RGR隨著干旱脅迫的增強亦呈降低趨勢。 100、150 和200 g·L-1PEG 脅迫下,RGR 變化范圍分別為86.6% ～101.4%、36.6%～100.0%和0.0%～15.3%。 100 g·L-1PEG 脅迫下,A1、A3、P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8 的RGR 均顯著高于A2、P9；150 g·L-1PEG 脅迫下,A1、P3、P6、P7、P8 的RGR 均顯著高于其他材料；200 g·L-1PEG 脅迫下,A2、A3、P9 種子尚未萌發(fā),其他材料的RGR 也相對較低,其中P3、A1 較高,分別為15.3%和14.8%。 說明100 g·L-1PEG 脅迫對花椰菜種子萌發(fā)影響不大,而150 ～200 g·L-1PEG 脅迫則會嚴重抑制種子萌發(fā),降低種子發(fā)芽速度。

表3 PEG 脅迫對花椰菜RGP 和RGR 的影響Table3 Effect of PEG stress on RGP and RGR of cauliflower

2.3 PEG 脅迫對花椰菜RGI 和RVI 的影響

由表4可知,不同濃度PEG 脅迫下,各花椰菜的RGI 均隨著干旱脅迫的增強而顯著降低。 100、150 和200 g·L-1PEG 脅迫下,各花椰菜的RGI 變化范圍分別為83.7%～101.2%、49.2%～90.9%和0.5%～26.1%。100 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P4、P6、P7、P8 的RGI 均顯著高于A1、A2、A3、P5、P9；150 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P6 的RGI 達到90%以上,顯著高于其他材料；200 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P6 的RGI 相對較高,分別為26.1%、25.6%,而A2、A3、P5、P9 的RGI 相對較低,僅在0.5%～1.3%之間。

表4 PEG 脅迫對花椰菜RGI 和RVI 的影響Table4 Effect of PEG stress on RGI and RVI of cauliflower

不同濃度PEG 脅迫下,除P3 和P8 外,其他花椰菜的RVI 均隨著干旱脅迫的增強呈降低的趨勢,各材料的RVI 變化范圍分別為91.0%～144.4%、46.0%～162.9%和0.0% ～24.1%。 100 g·L-1PEG 脅迫下,A1、P3、P4、P5、P6 的RVI 均顯著高于P1、P7、P8；150 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P6、P8 的RVI 均相對較高,而A3、P9 則相對較低,其他材料介于二者之間；200 g·L-1PEG 脅迫下,P3 的RVI 最高,為24.1%,A2、A3、P9 的RVI 均為0.0%,達到了萌發(fā)生長的耐受閾限。RVI 能反映種子發(fā)芽速度,也能反映生長勢和生長活力[26]。 表明100 g·L-1PEG 脅迫能夠促進幼苗生長提高種子活力,而150 ～200 g·L-1PEG 脅迫則會抑制幼苗生長,降低種子活力。

2.4 PEG 脅迫對花椰菜RSH 和RRL 的影響

由表5可知,不同濃度PEG 脅迫下,除A1、P2 和P4 外,其他材料的RSH 隨著干旱脅迫的增強呈顯著降低的趨勢。 100 g·L-1PEG 脅迫促進了P3、P5、P6、P8 的苗高生長,而150～200 g·L-1PEG 脅迫明顯抑制苗高生長,尤其是200 g·L-1PEG 脅迫下花椰菜苗高生長受到嚴重抑制。 100 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P5、P6、P8 的RSH 均顯著高于A3、P4、P9；150 g·L-1PEG 脅迫下,A2、P2、P3 的RSH 均顯著高于A3、P1、P9,其他材料介于二者之間；200 g·L-1PEG 脅迫下,A1、P6、P2、P3 的RSH 均相對較高,分別為37.5%、29.5%、24.0%和23.4%,而A2、A3、P5、P9 的RSH 相對較低,在0.5%～3.1%之間。

不同濃度PEG 脅迫對幼苗RRL 的作用與RSH 有所不同,其中,P1、P3、P7 和P8 隨著PEG 脅迫的增強呈先增加后降低變化趨勢,而其他材料呈下降趨勢。100 g·L-1PEG 脅迫下,A1、A2、P2、P3、P4、P5、P6 的RRL 均顯著高于P7、P8；150 g·L-1PEG 脅迫下,P3 的RRL 最大,為179.1%,A3 的RRL 最小,為82.9%；200 g·L-1PEG 脅迫下,P3 的RRL 最高,為95.3%,A2、A3、P5、P9 的RRL 均較低,僅在2.8%～9.8%之間。綜上表明,PEG 脅迫對幼苗生長的影響因品種和脅迫濃度而異,100 ～150 g·L-1PEG 脅迫對花椰菜RRL 有一定的促進作用,而150 ～200 g·L-1PEG 脅迫會嚴重抑制花椰菜RSH。

2.5 12 個花椰菜萌發(fā)期抗旱性的綜合評價

種子萌發(fā)期的抗旱性受多種因素的綜合作用,單一指標(biāo)評價不同品種材料的抗旱性存在一定的片面性[27]。 本研究利用隸屬函數(shù)法對PEG 脅迫下12 個花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 個指標(biāo)進行了綜合評價分析。 由表6可知,12 個花椰菜萌發(fā)期的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)綜合評價值(D)依次表現(xiàn)為P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9,D 值越大,說明材料的抗旱性越強,由此可知,P3 抗旱性較強,P9 抗旱性最弱。

表5 PEG 脅迫對花椰菜RSH 和RRL 的影響Table5 Effect of PEG stress on RSH and RRL of cauliflower

3 討論

PEG6000 是一種無毒滲透調(diào)節(jié)劑,已廣泛用于多種作物萌發(fā)期抗旱性的鑒定與篩選[28-29]。 本研究中,隨著PEG 脅迫濃度的增加,各花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 均呈降低趨勢,P3 和P8 的RVI和RRL 則呈先增加后降低的變化趨勢,這與Hadi等[9]的研究結(jié)果基本一致。 本研究發(fā)現(xiàn)100 g·L-1PEG 脅迫對絕大多數(shù)花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 影響均不大,但對RVI、RRL 有一定的促進作用；150 g·L-1PEG 脅迫對花椰菜RGR、RGI、RVI、RSH 有抑制作用,但對RRL 有促進作用； 200 g·L-1PEG 脅迫對花椰菜RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 均有嚴重抑制作用。 說明PEG 脅迫對花椰菜萌發(fā)期各指標(biāo)的影響因品種和濃度而異,總體表現(xiàn)為較低濃度PEG(100 g·L-1)脅迫對萌發(fā)生長影響不大,甚至對個別材料萌發(fā)生長有促進作用,而較高濃度PEG(150～200 g·L-1)脅迫會明顯抑制萌發(fā)生長。 綜上可知,花椰菜萌發(fā)期抗旱性篩選的PEG 適宜濃度為150～200 g·L-1,這與陳致富等[28]研究認為白菜型油菜資源PEG6000 抗旱性篩選適宜濃度200 g·L-1的結(jié)果基本一致,但與張霞等[29]認為甘藍型油菜萌發(fā)期PEG6000 抗旱性篩選適宜濃度100 g·L-1的結(jié)論有所不同。 這可能是由于不同作物種類對PEG 抗旱性響應(yīng)的濃度不同所致。

表6 12 個花椰菜材料各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評價Table6 The subordinate function values and comprehensive evaluation of the twelve cauliflower materials

作物種子萌發(fā)期的抗旱性受多種因素作用,運用單個指標(biāo)評價不同品種的抗旱能力具有一定的片面性[24]。 本研究發(fā)現(xiàn)PEG 脅迫下不同指標(biāo)對不同品種花椰菜的抗旱性強弱排序并不一致,如150 g·L-1PEG脅迫下,P6 的RGP 和RGR 最大,P3 的RGI 和RVI 最大,RSH 和RRL 最大的分別是P2 和P3。 說明單一指標(biāo)所反映的抗旱性強弱具有局限性,只有通過對多項指標(biāo)進行綜合評價才能客觀評價不同花椰菜材料抗旱性的強弱。 這與前人在花生[15]、豌豆[17]等PEG 抗旱性篩選中的結(jié)論一致。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法能夠?qū)χ参锏目购敌赃M行綜合評價,在花生[15]、油菜[28-29]、燕麥[30]等植物抗旱性研究中已有相關(guān)報道。 本試驗采用RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 6 個指標(biāo)結(jié)合隸屬函數(shù)法對12 個花椰菜的抗旱性進行評價,發(fā)現(xiàn)12 個花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 的耐旱性排序不盡相同,這也說明花椰菜萌發(fā)期的抗旱性受多個因素影響,PEG模擬干旱抗旱性評價中需要對多個指標(biāo)進行綜合性評價。 根據(jù)綜合評價隸屬函數(shù)值排序,發(fā)現(xiàn)12 個花椰菜種質(zhì)材料的抗旱性依次表現(xiàn)為P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9。 本研究結(jié)果為今后開展花椰菜抗旱性育種提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,PEG 脅迫下花椰菜萌發(fā)期RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 指標(biāo)變化因品種和脅迫濃度而異,其中100 g·L-1PEG 脅迫對萌發(fā)生長影響不大,150 ～200 g·L-1PEG 脅迫會明顯抑制萌發(fā)生長。因此,150～200 g·L-1可作為花椰菜萌發(fā)期抗旱性篩選的PEG 適宜濃度。 基于RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 指標(biāo)的加權(quán)隸屬函數(shù)值排序,12 個花椰菜種質(zhì)材料的抗旱性依次表現(xiàn)為P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9。 今后可利用這些抗旱性強弱極端材料開展花椰菜抗旱性機理機制研究,還可以利用抗旱性較強的不育系與自交系雜交配組篩選耐旱性的雜交組合。