PEG脅迫下85份引進(jìn)柱花草種子的萌發(fā)特性

張瑜 嚴(yán)琳玲 虞道耿 王文強(qiáng) 劉國(guó)道

摘 ?要：為探究不同柱花草的抗旱性強(qiáng)弱，構(gòu)建柱花草資源抗旱評(píng)價(jià)體系，以85份引進(jìn)柱花草為試驗(yàn)材料，分別測(cè)定0（CK）、10%和20%質(zhì)量濃度的PEG-6000滲透液脅迫下萌發(fā)期的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)胚軸長(zhǎng)、萌發(fā)抗旱指數(shù)共5項(xiàng)指標(biāo)，分析不同干旱脅迫對(duì)柱花草種子萌發(fā)的影響，并結(jié)合隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)柱花草抗旱性能。結(jié)果表明：低濃度的PEG對(duì)柱花草種子的萌發(fā)有一定促進(jìn)作用，高濃度PEG降低了柱花草種子的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率，阻礙了胚芽和胚根的生長(zhǎng)，種間表現(xiàn)出較大差異。其中抗旱型材料為頭狀柱花草CIAT 2250、大頭柱花草CIAT 2113和CIAT 1942、蔓性柱花草CIAT 10182，不耐旱材料有墨西哥柱花草CIAT 1590、卡爾奇柱花草CIAT 1616和CIAT 1624。本研究結(jié)果為引進(jìn)柱花草資源抗旱性評(píng)價(jià)、抗旱品種選育及其機(jī)理研究提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柱花草;引進(jìn);PEG脅迫;萌發(fā)特性

中圖分類號(hào)：S541.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to investigate the drought resistance of different Stylosanthes， an evaluation system for the drought resistance of Stylosanthes resources was constructed. Using 85 imported Stylosanthes as the test material， the seed relative germination rate， relative germination energy， relative radiele length， relative plumule length， germination drought resistance index were measured under distilled water （CK）， 0.2 and 0.6 MPa PEG-6000 stress. The drought resistance ability of the germplasms was evaluated comprehensively by the subordinate function method by analyzing the effects of different drought stress on the seed germination of Stylosanthes. Low concentration of PEG had a certain promotion on the germination of seeds. High concentration of PEG reduced the relative germination potential and relative germination rate of Stylosanthes seeds， hindered the growth of embryo and radicle， and showed great differences among species. Among them， drought resistant materials were S. capitata CIAT 2250， S. macrocephala M.B. CIAT 2113 and S. macrocephala M.B. CIAT 1942， S. montevidensis Vogel CIAT 10182， and non-drought resistance materials were S. mexicana Taub. CIAT 1590， S. calcicola Small CIAT 1616 and S. calcicola Small CIAT 1624. The result of the study would provide a theoretical basis for the drought resistance evaluation of introduced resources， breeding of drought resistant varieties and drought resistance mechanism research of Stylosanthes.

Keywords： Stylosanthes; introduction; PEG stress; germination characteristics

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.007

柱花草屬植物（Stylosanthes SW.）是熱帶、亞熱帶地區(qū)重要的豆科牧草和飼料植物資源，主要用于飼喂牲畜、草地良種化改造和林、果草生態(tài)工程建設(shè)，在水土流失治理和退耕還草中也發(fā)揮重要作用[1-5]。但柱花草抗旱性、耐寒性和抗炭疽病性較低等問題，嚴(yán)重威脅柱花草的生產(chǎn)和推廣種植[6-8]。因此，開展柱花草種質(zhì)資源抗旱鑒定與抗旱品種篩選，一方面可以促進(jìn)高產(chǎn)抗旱品種的推廣應(yīng)用，另一方面可以為柱花草抗旱育種提供親本材料。

萌發(fā)期是飼草生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，直接決定飼草的出苗期與出苗率、實(shí)際密度與產(chǎn)量等[9]。采用聚乙二醇滲透液人工模擬干旱脅迫，研究飼草種子萌發(fā)期抗旱性的報(bào)道已有許多，包括檸條錦雞兒[10]、大豆[11]、狗牙根[12]、野豌豆屬[13]等。目前對(duì)柱花草種質(zhì)或品種抗旱性研究也有通過探尋人工模擬干旱條件評(píng)價(jià)抗旱性的，多數(shù)只研究單個(gè)種或是少份材料[14-16]。針對(duì)柱花草種間抗旱性的研究較少，難以對(duì)柱花草資源抗旱性做出系統(tǒng)評(píng)價(jià)，更未見對(duì)大頭柱花草、蔓性柱花草、狹葉柱花草等萌發(fā)期抗旱性的研究報(bào)道。本研究采用PEG-6000滲透液室內(nèi)模擬干旱脅迫，對(duì)23種不同柱花草資源的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)胚芽長(zhǎng)、相對(duì)胚根長(zhǎng)、種子萌發(fā)抗旱指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在分析引進(jìn)柱花草種子萌發(fā)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，篩選抗旱優(yōu)異柱花草材料，為柱花草萌發(fā)期抗旱性鑒定評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，為抗旱柱花草品種的選育提供基礎(chǔ)材料。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

參試材料來自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所“國(guó)家熱帶牧草中期備份庫(kù)（海南儋州）”，柱花草均引自哥倫比亞國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)中心（表1）。

1.2 ?方法

1.2.1 ?種子預(yù)處理 ?選取大小均勻一致的種子，用0.1 %的氯化汞溶液消毒2～3 min，然后用蒸餾水沖洗3次，將消毒后的種子置于80 ℃熱水中浸泡30 min，去除種子的硬實(shí)。

1.2.2 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì) ?供試滲透物質(zhì)為分析純聚乙二醇（ polyethylene glycol， PEG-6000），PEG溶液設(shè)0（CK）、10%和20%共3個(gè)不同質(zhì)量濃度，對(duì)應(yīng)水勢(shì)分別為0（CK）、?0.2、?0.6 MPa。隨機(jī)選取50粒種子均勻置有2層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，分別加入6 mL的蒸餾水或脅迫液，并用parafilm膜封口，培養(yǎng)箱條件為光照12 h/d，溫度25 ℃。每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。每天觀察種子發(fā)芽數(shù)，觀察時(shí)以胚根長(zhǎng)度等于種子長(zhǎng)度最為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。從第3天開始每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)5 d。同時(shí)第7天測(cè)量胚根長(zhǎng)、胚軸長(zhǎng)。發(fā)芽期間每2 d更換1次脅迫液，使培養(yǎng)皿內(nèi)的滲透勢(shì)保持穩(wěn)定，對(duì)照同時(shí)更換蒸餾水[17]。

1.3 ?測(cè)定項(xiàng)目及方法[18]

1.3.1 ?種子相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì) ?相對(duì)發(fā)芽率（relative germination rate， RGR）=發(fā)芽第7天正常發(fā)芽粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)（relative germination energy， RGE）=發(fā)芽第3天正常發(fā)芽粒數(shù)/供試種子數(shù)× 100%

相對(duì)指標(biāo)值=處理指標(biāo)/對(duì)照指標(biāo)×100%

1.3.2 ?胚芽及胚根長(zhǎng) ?隨機(jī)選取10株幼苗，測(cè)量胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)，重復(fù)3次。

相對(duì)胚芽長(zhǎng)（relative embryonic radicle length， RERL）=處理胚芽長(zhǎng)/對(duì)照胚芽長(zhǎng)

相對(duì)胚根長(zhǎng)（relative plumule length， RPL）=處理胚根長(zhǎng)/對(duì)照胚根長(zhǎng)

1.3.3 ?種子萌發(fā)抗旱指數(shù)[19] ?抗旱指數(shù)=滲透脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照種子萌發(fā)指數(shù)

種子萌發(fā)指數(shù)=（1.00）Rd2+（0.75）Rd4+（0.50） Rd6+（0.25）Rd8

式中，Rd2、Rd4、Rd6、Rd8分別為第2、4、6、8天的種子萌發(fā)率。

1.4 ?抗旱性綜合評(píng)價(jià)方法

采用隸屬函數(shù)法[20]對(duì)參試材料進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性綜合評(píng)價(jià)，公式如下：

式中，Xij為某一材料某指標(biāo)的測(cè)定值，Xj， max為該指標(biāo)的最大值，Xj， min為該指標(biāo)的最小值，U（Xij）為i材料j性狀的隸屬值。Xi為i材料的平均隸屬函數(shù)值，n為測(cè)定指標(biāo)數(shù)。Xi值越大，表明該材料抗旱性越強(qiáng)。

根據(jù)各材料綜合值分為3級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)：1級(jí)的綜合評(píng)價(jià)值在0.7以上，為抗旱型;2級(jí)的綜合評(píng)價(jià)值在0.3～0.7，為中間型;3級(jí)的綜合評(píng)價(jià)值在0.3以下，為不耐旱型。

1.5 ?數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與制圖。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?PEG脅迫對(duì)柱花草種子相對(duì)發(fā)芽率的影響

相對(duì)發(fā)芽率可以比較客觀地反映種子萌發(fā)期的抗旱性，相對(duì)發(fā)芽率越大表明其抗旱性越強(qiáng)[21]。如圖1所示，干旱脅迫對(duì)柱花草種質(zhì)的萌發(fā)產(chǎn)生了明顯的影響，10%的PEG脅迫下，參試材料的相對(duì)發(fā)芽率明顯高于20%的PEG處理。隨著PEG濃度的增大，發(fā)芽受到顯著的抑制，種間表現(xiàn)并不完全一致。

與CK相比，10%的PEG脅迫對(duì)柱花草種子的發(fā)芽率影響較小，甚至有升高的現(xiàn)象。如4號(hào)發(fā)芽率呈現(xiàn)升高，說明輕度干旱脅迫對(duì)4號(hào)種子的發(fā)芽率有一定的促進(jìn)作用。20號(hào)發(fā)芽率保持不變，其余83份材料和CK相比都有下降。下降率低于10%的有9份，在10%～40%之間有70份;高于40%有4份。參試材料1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和39號(hào)在10%PEG脅迫后的相對(duì)發(fā)芽率均大于70%，為抗旱性較好的材料。82號(hào)相對(duì)發(fā)芽率最低，抗旱性弱。當(dāng)PEG濃度為20%時(shí)，與CK相比，各材料相對(duì)發(fā)芽率都有降低，并且種間差異明顯。特別是81號(hào)相對(duì)發(fā)芽率降至5.6%，說明81號(hào)對(duì)干旱較敏感。而39號(hào)相對(duì)發(fā)芽率高于50%，初步認(rèn)為抗旱性較強(qiáng)。

2.2 ?PEG脅迫對(duì)柱花草種子相對(duì)發(fā)芽勢(shì)的影響

發(fā)芽勢(shì)反映了種子的發(fā)芽速度，相對(duì)發(fā)芽勢(shì)越高，受干旱脅迫抑制的程度越低[22]。如圖2所示，在不同PEG脅迫下，大部分參試柱花草的萌發(fā)勢(shì)均受到抑制。當(dāng)PEG濃度為10%時(shí)，與CK相比，柱花草種子的發(fā)芽勢(shì)變化較小，有16份材料的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)都出現(xiàn)升高，59號(hào)、84號(hào)相對(duì)發(fā)芽勢(shì)保持不變。隨著PEG脅迫增強(qiáng)，柱花草種質(zhì)相對(duì)發(fā)芽勢(shì)總體呈降低趨勢(shì)。

在10%的PEG脅迫下4號(hào)的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)最高，為75.60%，相比CK有略微的升高，說明輕度干旱脅迫對(duì)4號(hào)種子的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)有一定的促進(jìn)作用;5號(hào)、39號(hào)和1號(hào)的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)也相對(duì)較高，說明其抗旱性較強(qiáng)。82號(hào)、33號(hào)、22號(hào)和81號(hào)的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)最低，初步認(rèn)定為抗旱性較弱的材料。在20%的PEG脅迫下，82號(hào)和81號(hào)的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)為0，說明兩者對(duì)干旱較敏感，脅迫對(duì)其影響也比較大。4號(hào)相對(duì)發(fā)芽勢(shì)最高，其抗旱性較強(qiáng)。

2.3 ?PEG脅迫對(duì)柱花草種子萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)是評(píng)價(jià)種子在萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)，值越大抗旱性越強(qiáng)[11]。由圖3可看出，在不同PEG脅迫下，參試材料種子萌發(fā)抗旱指數(shù)差異明顯。在10%的PEG脅迫下種子萌發(fā)抗旱指數(shù)差異不大，4號(hào)、39號(hào)種子萌發(fā)抗旱指數(shù)最高為0.53和0.49，說明這2份材料抗旱性較強(qiáng)。82號(hào)萌發(fā)抗旱指數(shù)最小為0.15。隨著干旱脅迫增強(qiáng)，各材料種子萌發(fā)抗旱指數(shù)呈降低趨勢(shì)，4號(hào)、39號(hào)的萌發(fā)抗旱指數(shù)最大，33、81、82萌發(fā)抗旱指數(shù)最小，說明這3份材料對(duì)干旱較敏感。其余材料均處于中間水平。

2.4 ?PEG脅迫下柱花草種子萌發(fā)期抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

采用相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)胚軸長(zhǎng)等的隸屬函數(shù)值對(duì)85份引進(jìn)柱花草資源進(jìn)行綜合耐旱評(píng)價(jià)分析，結(jié)果見表2，39號(hào)綜合評(píng)價(jià)值最高，為0.76，說明在85份參試材料中較抗旱，其次為4號(hào)、1號(hào)和5號(hào)，33號(hào)、81號(hào)和82號(hào)的綜合評(píng)價(jià)值最低，僅為0.26，說明其抗旱能力最差。其余材料的抗旱性居中。

3 ?討論

種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵階段，也是進(jìn)行植物抗旱性研究的重要時(shí)期[23]。一般采用PEG溶液模擬干旱脅迫來測(cè)定植物種子萌發(fā)期的抗旱性[24]。萌發(fā)期抗旱性的強(qiáng)弱是受多因素綜合作用的結(jié)果，需要多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性[25]。采用相對(duì)比值進(jìn)行分析，以排除不同種子自身因素的干擾，使結(jié)果更具代表性。符開欣等[26]、王宗勝等[27]、張宇君等[28]、郭郁頻等[29]、高雪芹等[30]采用相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)胚芽長(zhǎng)、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)抗旱指數(shù)等指標(biāo)的隸屬函數(shù)法值綜合評(píng)價(jià)短芒披堿草、胡麻、燕麥、白三葉、沙蘆草等種質(zhì)材料萌發(fā)期的抗旱性差異。本研究通過參考和借鑒不同草類植物的抗旱研究結(jié)果，使用逆境脅迫下的相對(duì)指標(biāo)，可有效地消除不同背景差異。其抗旱能力評(píng)價(jià)結(jié)論均與隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)的抗旱性結(jié)果一致，能全面、準(zhǔn)確地反應(yīng)柱花草種子萌發(fā)期的抗旱性強(qiáng)弱。

以PEG-6000溶液模擬不同的干旱脅迫強(qiáng)度，對(duì)寬葉雀稗[31]、苜蓿[32]、少花蒺藜草[33]、狗牙根[12]、藜麥[34]等種子萌發(fā)期的抗旱性研究，發(fā)現(xiàn)低濃度的PEG對(duì)種子的萌發(fā)有一定促進(jìn)作用，隨著脅迫強(qiáng)度的增加，種子的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)等指標(biāo)值總體呈下降趨勢(shì)。這與本研究結(jié)果基本一致。綜合前人研究報(bào)道，本研究選擇了10%和20%的PEG濃度作為脅迫濃度，進(jìn)行前期抗旱篩選，因同一植物的不同種間適應(yīng)的干旱脅迫濃度范圍存在差異，若要確定柱花草不同種的種子萌發(fā)的最佳PEG濃度，還需做進(jìn)一步探討。

由于抗旱性是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，萌發(fā)期抗旱性評(píng)價(jià)僅僅是柱花草抗旱研究的一個(gè)方面，只能說明種子萌發(fā)時(shí)的抗旱情況，不能夠完全代表柱花草苗期乃至全生育期的抗旱性。本研究?jī)H研究了萌發(fā)期的生長(zhǎng)形態(tài)方面的指標(biāo)，今后還應(yīng)增加生理生化特性研究，以期鑒定結(jié)果更加合理可靠。并且將萌發(fā)期抗旱鑒定結(jié)果與大田等全生育期鑒定結(jié)果結(jié)合起來分析，才能科學(xué)、準(zhǔn)確地鑒定柱花草的抗旱性，并在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

4 ?結(jié)論

本研究設(shè)置10%和20%兩個(gè)PEG濃度對(duì)85份引進(jìn)柱花草材料進(jìn)行萌發(fā)期的抗旱性試驗(yàn)，通過相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)胚軸長(zhǎng)、抗旱萌發(fā)指數(shù)等分析，結(jié)合其隸屬函數(shù)值進(jìn)行綜合耐旱評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，頭狀柱花草CIAT 2250綜合抗旱能力較強(qiáng)，可以作為柱花草抗旱選育的優(yōu)良材料。其次為大頭柱花草CIAT 2113和CIAT 1942、蔓性柱花草CIAT 10182、墨西哥柱花草CIAT 1590、卡爾奇柱花草CIAT 1616和CIAT 1624對(duì)干旱極為敏感，抗旱性差。柱花草抗旱種質(zhì)資源的篩選對(duì)于華南熱帶地區(qū)干旱、半干旱區(qū)栽培草地的建設(shè)意義重大。

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