PEG 模擬干旱脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子萌發(fā)的影響

李紅玉，王 勃，張耀丹，鄭 川，范華芳，夏方山

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科研管理部，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西 太谷 030801）

地球上約1/3 的陸地屬于水資源匱乏的干旱和半干旱區(qū)域，因此，干旱成為全世界農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵限制因素之一。 我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)約占國(guó)土總面積的1/2［1-2］，對(duì)我國(guó)食物安全、生態(tài)安全和種質(zhì)安全造成重大威脅［3］。 如何培育出適應(yīng)該區(qū)域氣候環(huán)境的抗旱優(yōu)良草種成為草學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題［4］。 聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）具有較高的親水性，被廣泛用作植物水分脅迫劑模擬干旱環(huán)境進(jìn)行研究［5-6］。 種子萌發(fā)是植物整個(gè)生命周期中非常重要的起始階段，也是植物對(duì)外界脅迫最敏感的時(shí)期，直接影響植物后期的生長(zhǎng)發(fā)育［7］。 目前，關(guān)于紫花苜蓿（Medicago sativa）［8］、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）［9］和燕麥（Avena sativa）［10］等牧草種子的干旱萌發(fā)研究已有報(bào)道， 但牧草種子響應(yīng)干旱萌發(fā)的具體機(jī)理仍然不清楚。

達(dá)烏里胡枝子（Lespedeza davurica）、 扁蓿豆（Medicago ruthenica）和多變小冠花（Coronilla varia）是重要的豆科多年生草本植物，具有耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良特性，是山地、丘陵地、沙地等退化草地的重要水土保持植物。達(dá)烏里胡枝子、 多變小冠花和扁蓿豆也是飼養(yǎng)家畜的重要優(yōu)質(zhì)牧草，同時(shí)是理想的蜜源植物，在草產(chǎn)業(yè)開發(fā)與利用等多領(lǐng)域具有非常大的潛力， 是極有栽培前景的牧草之一［11-13］。 該試驗(yàn)分析了3 種豆科牧草種子遭受干旱脅迫萌發(fā)時(shí)的發(fā)芽率（germination percentage，Gp）、發(fā)芽指數(shù)（germination index，Gi）、平均發(fā)芽時(shí)間（mean germination time，MGT）和幼苗活力指數(shù)（seedling vigor index，SVI）的變化差異， 并采用隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)三者的抗旱性差異， 以期為抗旱優(yōu)良豆科牧草新品種的培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及來源

供試草種為“晉農(nóng)1 號(hào)” 達(dá)烏里胡枝子、“太行”扁蓿豆和“綠寶石”多變小冠花3 種豆科牧草，種子均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院草種實(shí)驗(yàn)室于2019 年10 月收集， 在-20 ℃條件下密封保存至2020 年5 月進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選飽滿、大小均勻一致的達(dá)烏里胡枝子、扁蓿豆和多變小冠花種子， 將3 種牧草種子分別放入置有雙層濾紙的不同消毒培養(yǎng)皿， 每個(gè)培養(yǎng)皿放入100 粒種子， 然后分別向每個(gè)培養(yǎng)皿中加入5 mL 濃度（W/V）為0（CK）、5%、10%、15%、20%和25%的PEG 溶液， 每天定時(shí)用稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)失去的水分，以保持溶液濃度恒定。 每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，共72 個(gè)培養(yǎng)皿。 按照《草種子檢驗(yàn)規(guī)程》（GB/T 2930.4—2017）［14］規(guī)定的發(fā)芽條件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)，將達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子置于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，初次計(jì)數(shù)第5 天，末次計(jì)數(shù)第14 天； 將多變小冠花種子置于20 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，初次計(jì)數(shù)第7 天，末次計(jì)數(shù)第14 天。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

發(fā)芽測(cè)試期間每天記錄發(fā)芽種子數(shù)， 以胚根突破種皮超過種子長(zhǎng)度1/2 為標(biāo)準(zhǔn)記為發(fā)芽。 發(fā)芽結(jié)束后稱量其幼苗鮮重及苗長(zhǎng)， 計(jì)算種子的Gp、Gi、MGT 及SVI，具體方法見參考文獻(xiàn)［15］。

1.4 抗旱性綜合評(píng)價(jià)方法

采用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)3 種豆科牧草種子萌發(fā)期的抗旱性，具體計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)［16］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理。利用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行單因素方差分析和雙因素方差分析。 不同PEG 濃度下3 種牧草種子發(fā)芽指標(biāo)的單因素方差分析及組間多重比較采用Duncan′s 法進(jìn)行，P＜0.05 表示差異顯著，P＞0.05 表示差異不顯著。 PEG 濃度和物種對(duì)3 種牧草種子萌發(fā)特性影響的雙因素方差分析采用一般線性模型法。 作圖應(yīng)用Origin 軟件。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG 模擬干旱脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子Gp的影響

達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子Gp 均隨PEG 濃度增加呈下降趨勢(shì)，PEG 濃度為25%時(shí)達(dá)烏里胡枝子種子Gp 為0； 而多變小冠花種子Gp 則總體上隨PEG 濃度增加呈先升高后降低趨勢(shì)， 并在PEG 濃度為5%時(shí)達(dá)到最大值（見圖1）。 不同濃度PEG 脅迫下達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子Gp 均顯著（P＜0.05）低于CK；多變小冠花種子Gp 在PEG濃度為5%和10%時(shí)顯著 （P＜0.05） 高于CK，在PEG 濃度為15%、20%、25%時(shí)顯著（P＜0.05）低于CK。 扁蓿豆和多變小冠花種子Gp 在PEG 濃度為5%和10%時(shí)顯著（P＜0.05）高于達(dá)烏里胡枝子種子；扁蓿豆種子Gp 在PEG 濃度為15%時(shí)顯著（P＜0.05）高于多變小冠花和達(dá)烏里胡枝子種子，多變小冠花種子Gp 在PEG 濃度為15%時(shí)顯著 （P＜0.05）高于達(dá)烏里胡枝子種子；多變小冠花種子Gp在PEG 濃度為20%和25%時(shí)顯著（P＜0.05）高于達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子。

圖1 PEG 脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子Gp 的影響

2.2 PEG 模擬干旱脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子Gi的影響

達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子Gi 均隨PEG 濃度增加呈下降趨勢(shì)，PEG 濃度為25%時(shí)達(dá)烏里胡枝子種子Gi 為0；而多變小冠花種子Gi 則總體上呈先升高后降低的趨勢(shì)，PEG 濃度為10%時(shí)達(dá)到最大值（見圖2）。 不同濃度PEG 脅迫下達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子Gi 均顯著（P＜0.05）低于CK；多變小冠花種子Gi 在PEG 濃度為5%和10%時(shí)顯著（P＜0.05）高于CK，在PEG 濃度為15%、20%、25%時(shí)顯著（P＜0.05）低于CK。 扁蓿豆種子Gi 在PEG 濃度為5%、10%、15%時(shí)顯著（P＜0.05）高于達(dá)烏里胡枝子和多變小冠花種子； 多變小冠花種子Gi 在PEG 濃度為20%和25%時(shí)顯著 （P＜0.05）高于達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子。

2.3 PEG 模擬干旱脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子MGT 的影響

達(dá)烏里胡枝子、 扁蓿豆和多變小冠花種子的MGT 均隨PEG 濃度增加總體呈上升趨勢(shì) （見圖3）。 當(dāng)PEG 濃度為5%～20%時(shí)，達(dá)烏里胡枝子種子的MGT 隨PEG 濃度增加而顯著（P＜0.05）增加，當(dāng)PEG 濃度為25%時(shí)，達(dá)烏里胡枝子種子的MGT為0； 當(dāng)PEG 濃度為5%～25%時(shí)， 扁蓿豆種子的MGT 均隨PEG 濃度增加而顯著（P＜0.05）增加；多變小冠花種子的MGT 在PEG 濃度為5%時(shí)與CK差異不顯著（P＞0.05），在PEG 濃度為15%～25%時(shí)顯著（P＜0.05）高于CK。 除了PEG 濃度為20%時(shí)，多變小冠花種子的MGT 均顯著（P＜0.05）高于達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子。

2.4 PEG 模擬干旱脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子SVI 的影響

達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子SVI 均隨PEG濃度增加呈下降趨勢(shì)，并顯著（P＜0.05）低于CK；而多變小冠花種子SVI 則總體上呈先升高后降低的趨勢(shì)，PEG 濃度為5%和10%時(shí)顯著（P＜0.05）高于CK，并在濃度為10%時(shí)達(dá)到最大值（見圖4）?？傮w來看， 多變小冠花種子SVI 在相同濃度PEG脅迫下要高于達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子。

2.5 不同PEG 濃度和草種對(duì)種子萌發(fā)特性的雙因素方差分析

雙因素方差分析表明，PEG 濃度、物種及兩者相互作用對(duì)達(dá)烏里胡枝子、 扁蓿豆和多變小冠花種子的Gp、Gi、MGT 和SVI 的影響顯著性在保留3 位小數(shù)時(shí)仍然均小于0.001（見表1），故PEG 濃度、物種及兩者相互作用對(duì)達(dá)烏里胡枝子、扁蓿豆和多變小冠花種子的Gp、Gi、MGT 和SVI 均具有極顯著（P＜0.001）影響。

2.6 3 種豆科牧草的抗旱性綜合評(píng)價(jià)

以Gp、Gi、MGT 和SVI 為依據(jù)計(jì)算達(dá)烏里胡枝子、 扁蓿豆和多變小冠花的隸屬函數(shù)值發(fā)現(xiàn)，3種豆科牧草的隸屬函數(shù)值排序?yàn)槎嘧冃」诨ǎ颈廪６梗具_(dá)烏里胡枝子（見表2），可知多變小冠花的抗旱性最強(qiáng)，扁蓿豆次之，達(dá)烏里胡枝子最弱。

表2 PEG 模擬干旱脅迫下3 種豆科牧草的平均隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)

3 討論

不同的生態(tài)環(huán)境會(huì)塑造出具有不同抗性的植物種，而不同植物對(duì)同一因素的響應(yīng)不盡相同，不同植物對(duì)干旱適應(yīng)性也存在很大差異［17］。 評(píng)價(jià)植物抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)有很多，Gp、Gi、MGT 和SVI是研究植物種子抗旱性萌發(fā)常采用的關(guān)鍵指標(biāo)［17］，也是衡量種子發(fā)芽能力及種子質(zhì)量等級(jí)的重要指標(biāo)［18-19］。 試驗(yàn)中多變小冠花種子的Gp、Gi和SVI 在PEG 濃度5%和10%時(shí)均顯著（P＜0.05）高于CK（見圖1、圖2 和圖4），這說明低濃度PEG脅迫對(duì)多變小冠花種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用。 研究藜麥（Chenopodium quinoa）種子時(shí)發(fā)現(xiàn)，胚根長(zhǎng)在PEG 濃度為5%時(shí)達(dá)到最大值，而Gp、發(fā)芽勢(shì)和Gi 均在PEG 濃度為10%時(shí)達(dá)到最大值［3］。這與該試驗(yàn)的結(jié)果相似，可能是低濃度PEG 對(duì)種子起到了一定的引發(fā)作用， 啟動(dòng)了種子體內(nèi)一系列抗旱保護(hù)機(jī)制， 減少種子在吸脹過程中對(duì)膜系統(tǒng)的損傷， 從而促進(jìn)了植物種子的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)［20］。然而，種子萌發(fā)前的代謝反應(yīng)是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程，種子抗逆萌發(fā)的能力越強(qiáng)，需要的萌發(fā)前代謝越復(fù)雜而漫長(zhǎng)， 多變小冠花種子萌發(fā)所需的MGT 最長(zhǎng)（見圖3）。

圖3 PEG 脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子MGT 的影響

圖4 PEG 脅迫對(duì)3 種豆科牧草SVI 的影響

達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子的Gp、Gi 和SVI均隨PEG 脅迫增強(qiáng)呈持續(xù)下降趨勢(shì)（見圖1、圖2和圖4），而其MGT 呈持續(xù)上升趨勢(shì)（見圖3），且達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子的各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)均顯著（P＜0.05）低于CK，這可能是由于采用PEG 模擬干旱脅迫使得種子內(nèi)部膜系統(tǒng)受到了損傷， 造成細(xì)胞及組織失水， 導(dǎo)致其無法正常生長(zhǎng)發(fā)育［20］。PEG 濃度≥15%時(shí)，3 種豆科牧草種子的Gp、Gi和SVI 均呈顯著（P＜0.05）低于CK，這說明采用高濃度PEG 模擬干旱脅迫對(duì)3 種豆科牧草種子萌發(fā)均產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，即達(dá)烏里胡枝子、扁蓿豆和多變小冠花不能承受PEG 濃度≥15%時(shí)造成的干旱脅迫。 程波等［8］在用PEG 模擬干旱脅迫研究5 種紫花苜?？购得劝l(fā)時(shí)得出類似結(jié)論。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PEG 濃度、物種及兩者相互作用對(duì)達(dá)烏里胡枝子、 扁蓿豆和多變小冠花種子的Gp、Gi、MGT 和SVI 均具有極顯著（P＜0.001）影響（見表1），這說明不同草種對(duì)干旱脅迫程度的適應(yīng)性存在明顯差異。然而，不同指標(biāo)評(píng)價(jià)下同種植物的抗旱性強(qiáng)弱存在差異， 采用單一指標(biāo)研究抗旱性存在無法綜合反映植物抗旱能力的局限性［21］。 隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)法是在多指標(biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上對(duì)植物抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的有效方法， 它不僅可以減少個(gè)別指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響， 也因其平均數(shù)是一個(gè)［0，1］區(qū)間的純數(shù)而使各物種的抗旱性差異具有可比性［2，8］。 一般來說，植物抗旱性越強(qiáng)則其Gp、Gi 和SVI 越高，MGT 越短， 抗旱性弱則相反。試驗(yàn)以3 種豆科牧草種子的Gp、Gi、MGT 和SVI為基礎(chǔ)， 采用隸屬函數(shù)法將各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析發(fā)現(xiàn)，3 種豆科牧草種子的抗旱性強(qiáng)弱順序?yàn)槎嘧冃」诨ǎ颈廪６梗具_(dá)烏里胡枝子（見表2）。

4 結(jié)論

不同草種、PEG 濃度及二者交互作用對(duì)3 種牧草種子萌發(fā)的影響明顯不同，采用PEG 模擬干旱脅迫抑制了達(dá)烏里胡枝子和扁蓿豆種子的萌發(fā)，但低濃度（≤10%）的PEG 模擬干旱脅迫能促進(jìn)多變小冠花種子萌發(fā)， 而高濃度 （≥15%）的PEG 模擬干旱脅迫則會(huì)抑制其種子萌發(fā)。 由3 種豆科牧草種子的抗旱性綜合評(píng)價(jià)得出， 多變小冠花種子的抗旱萌發(fā)能力最強(qiáng)， 而達(dá)烏里胡枝子種子的抗旱萌發(fā)能力最弱。