兩份老芒麥種質(zhì)材料萌發(fā)期抗旱性評價

徐婉寧，孫群策，張樹振*，楊金鈺，彭鳳君，熊 潔，張 博

（1.新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室/新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091）

萌發(fā)期是牧草生產(chǎn)的關鍵時期，該時期牧草抵抗力弱，對干旱脅迫十分敏感。已有研究表明，老芒麥生長率下降速度與干旱脅迫成正比[1，2]。近些年來，因氣候的異常和草地的不合理利用，我國草地沙化面積在不斷擴大，新疆多地區(qū)出現(xiàn)植被退化、水土流失、草地沙漠化等一系列環(huán)境問題[3]。干旱的環(huán)境不僅會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生負作用，使各類作物的產(chǎn)量降低，嚴重時還會引發(fā)生態(tài)危機，甚至有阻礙人類社會可持續(xù)發(fā)展的風險[4]。在應對干旱劣勢環(huán)境方面，選育出優(yōu)良的牧草品種有益于修復退化草地，而篩選出具有抗旱能力的牧草品種更能為干旱地區(qū)的修復退化草地工作提供有效支撐。為了從根本上減輕或避免干旱造成的危害，篩選出抗旱性強的牧草品種是行之有效的一個方式[5]。

當前，利用高分子滲透劑聚乙二醇（PEG-6000）溶液模擬干旱環(huán)境是近年研究種子發(fā)芽期抗旱性的重要方法[6]。在萌發(fā)過程中，植物種子的萌發(fā)率反映了其生存能力，而相對萌發(fā)率則避免了不同物種萌發(fā)率的差異，這樣能更真實地反映不同干旱類型下牧草的發(fā)芽情況，并對不同材料的發(fā)芽狀況進行更簡單、更客觀的評估[7，8]。本試驗利用PEG-6000 溶液模擬干旱環(huán)境，研究牧草的干旱適應機制，對培育出具有抗旱性的牧草新品種具有很重要的實用科學價值和現(xiàn)實意義。

老芒麥（Elymus sibiricus L.）是禾本科，披堿草屬，多年叢生草本植物[9]。大多數(shù)分布在俄羅斯、哈薩克斯坦、西伯利亞和蒙古等北半球寒溫帶地區(qū)。中國也有較為豐富的老芒麥種質(zhì)資源，分布在東北、西北、華北以及青藏高原等地區(qū)。老芒麥是優(yōu)質(zhì)的生態(tài)修復和飼草生產(chǎn)的草種，草莖柔軟、營養(yǎng)豐富，耐寒能力強，在輕度鹽堿地上可以種植[10-12]，作為一種優(yōu)質(zhì)牧草，它是現(xiàn)代麥類作物育種的重要基因來源，且對我國西北地區(qū)貧瘠荒地土壤改良具有重要作用[9，10]。隨著我國近年來對草地生態(tài)修復的重視，老芒麥等優(yōu)質(zhì)牧草種子需求量呈持續(xù)增加趨勢。目前，對老芒麥的研究主要集中在人工草地豆禾混播[13]、野生資源采集與評價[14]、抗性評價[15，16]等方面，其萌發(fā)期抗旱性強弱是其能否建植成功的關鍵，有待深入研究。

本試驗以老芒麥新品系DJ-01 和同德老芒麥種子為實驗材料，利用PEG-6000 溶液模擬干旱脅迫，研究老芒麥種子發(fā)芽期間的抗旱性，為篩選抗旱性強的牧草新品種提供科技支撐[17]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為同德老芒麥和新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院選育的老芒麥品系DJ-01的種子。

1.2 試驗方法

兩份實驗材料分別選擇籽粒飽滿、大小和形狀相近的種子，用75%無水乙醇浸泡消毒30 s，再用無菌蒸餾水沖洗3 次，在每個鋪好雙層濾紙的培養(yǎng)皿中均勻放置50 粒種子。制作-0.10 MPa、-0.30 MPa、-0.50 MPa、-0.70 MPa、-1.00 MPa 水勢的高分子滲透劑聚乙二醇（PEG-6000）溶液，模擬干旱脅迫環(huán)境。以蒸餾水作為對照（CK），每個處理重復3 次[18]。每個培養(yǎng)皿中加入7 mLPEG 滲透液，將培養(yǎng)皿置于光照培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)箱內(nèi)晝溫為25 ℃，夜溫為15 ℃，光照時間14 h，光強為1 000 lx。每天觀察種子情況并記錄，以胚芽突破種皮且達到1/2 種子長為發(fā)芽標準，以芽長2 cm 視為出苗。于第7 d 計算發(fā)芽勢，第12 d 計算發(fā)芽率[19]。12 d 以后，從每個培養(yǎng)皿中隨意選出10 株幼苗，放到吸水紙上，用游標卡尺（精度0.01 mm）測定幼苗根長及芽長并計算平均值。試驗期間每隔2 d 加入7 mL蒸餾水，以避免種子吸收水分和水分蒸發(fā)而造成環(huán)境水勢改變。

1.3 測定指標

發(fā)芽率=已發(fā)芽種子總數(shù)/待測種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢=前4 d的發(fā)芽種子數(shù)/待測種子數(shù)×100%

相對發(fā)芽率=脅迫處理的發(fā)芽率/對照處理的種子發(fā)芽率

相對發(fā)芽勢=脅迫處理的發(fā)芽勢/對照處理的種子發(fā)芽勢

胚根長：測量種子胚根的長度

胚芽長：測量種子胚芽的長度

發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑（DG/DT）；DG為每天的發(fā)芽數(shù)，DT為相應DG的發(fā)芽天數(shù)

萌發(fā)抗旱指數(shù)（GDRI）=脅迫處理的種子發(fā)芽指數(shù)/對照處理的種子發(fā)芽指數(shù)[20]

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS20.0 軟件對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對不同濃度處理下的各指標分別進行單因素方差分析，采用鄧肯法進行多重比較分析，結果以平均值±平均值標準誤差表示，當P＜0.05 時表示差異顯著，運用Origin2021軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對老芒麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

研究表明，被干旱脅迫處理過的種子萌發(fā)率會顯著降低。2 份老芒麥種子表現(xiàn)出相同的響應。在-0.5 MPa 和-0.7 MPa 干旱處理下，2 份老芒麥種子發(fā)芽率均在20%以下，顯著低于-0.1 MPa和-0.3 MPa的干旱處理，在PEG 水勢達到-1.0 MPa時，2份老芒麥種子均不萌發(fā)，見圖1（a）。隨著干旱水勢增加，老芒麥種子發(fā)芽勢逐漸降低，當PEG 水勢達到-0.1 MPa 時，發(fā)芽勢顯著下降，見圖1（b），兩份老芒麥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢差異不顯著。

圖1 PEG脅迫對兩份老芒麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

2.2 干旱脅迫對老芒麥種子相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢的影響

隨著干旱脅迫變強，老芒麥種子的相對發(fā)芽率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當PEG 水勢達到-0.3 MPa 時，2 份老芒麥種子的相對發(fā)芽率呈現(xiàn)出上升趨勢；2 份老芒麥種子在PEG 水勢達到-0.3～-0.5 MPa時，其相對發(fā)芽率具有顯著性差異，見圖2（a）；隨著干旱脅迫變強，2份老芒麥種子的相對發(fā)芽勢呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。在PEG 水勢達到-0.1～0.3 MPa 時，其相對發(fā)芽勢具有顯著性差異，見圖2（b）。

圖2 PEG脅迫對2份老芒麥種子相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢的影響

2.3 干旱對2份老芒麥種子芽長和根長的影響

研究表明，當受到干旱脅迫時2 份老芒麥種子的胚芽長均受到抑制，見圖3（a）。2 份老芒麥種子的胚芽長隨著干旱脅迫的增加不斷降低。當脅迫水勢為-0.1～0.3 MPa 時，DJ-01 的胚芽長明顯變短，出現(xiàn)顯著性差異；當PEG水勢為-0.3～-0.5 MPa時，同德老芒麥種子的胚芽長減少，出現(xiàn)顯著性差異；當PEG 水勢達到-1.0 MPa時，2份老芒麥種子的胚芽基本不再生長。2份老芒麥種子的胚芽長在不同PEG脅迫下無顯著性差異。

圖3 PEG脅迫對2份老芒麥種子芽長和根長的影響

當PEG 水勢為-0.1 MPa 和-0.3 MPa 時，2 份種子的胚根長均超過了對照組胚根長，其中當PEG水勢為-0.1～0.3 MPa 時，最利于同德老芒麥種子的胚根生長；當PEG 水勢增加至-0.5 MPa 以上，2 種種種子的胚根長隨著PEG 水勢的增加不斷降低；當PEG 水勢達到-1.0 MPa 時，2 份老芒麥種子的胚根基本不再生長；當PEG 水勢達到-0.3～-0.5 MPa 時，同德老芒麥種子的胚根長減少，出現(xiàn)顯著性差異，DJ-01老芒麥種子在不同脅迫濃度下胚根長未出現(xiàn)顯著性差異，見圖3（b）。

2.4 2份老芒麥種子的發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)抗旱指數(shù)

試驗結果表明，2 份老芒麥種子的發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)抗旱指數(shù)均隨著脅迫濃度的升高而不斷降低，無顯著差異。當PEG 水勢達到-1.0 MPa 時，兩份種子均不生長。故干旱脅迫對其種子萌發(fā)影響較大。2份種子的發(fā)芽及萌發(fā)抗旱指數(shù)在不同PEG水勢脅迫下無顯著性差異，見圖4。

圖4 模擬干旱脅迫處理的發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)抗旱指數(shù)

3 討 論

李明雨等[21]研究表明，萌發(fā)率、莖長、根長是判斷植物抗旱性最有效的性狀。發(fā)芽率、發(fā)芽勢可以反映出種子發(fā)芽速度、發(fā)芽是否整齊和幼苗是否健壯的變化趨勢，因此常被用作評價種子發(fā)芽的指標[22]。本試驗結果表明，隨著干旱脅迫的增加，2 份老芒麥種子的各項指標均受到干旱脅迫的影響。因此，本研究選擇測定發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長、芽長等指標來對2 份老芒麥種子進行綜合評價是有意義的。

在試驗中，使用水勢為-0.1 MPa、-0.3 MPa、-0.5 MPa、-0.7 MPa、-1.0 MPa的PEG-6000溶液模擬不同的干旱條件，觀察老芒麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根芽長等指標來研究其萌發(fā)特性。結果表明，隨著干旱程度的增加，2 份老芒麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長和芽長等指標均呈下降趨勢，表明嚴重的干旱脅迫不會使老芒麥種子萌發(fā)。王傳旗等[17]研究表明，PEG-6000 溶液滲透勢會限制種子萌發(fā)，干旱脅迫通過限制種子的吸水率，從而降低種子的發(fā)芽率及胚根和胚芽的長度。孫清洋等[23]用7種不同梯度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對9份老芒麥種子進行了萌發(fā)實驗研究，結果顯示在干旱脅迫下，種子的萌發(fā)明顯被抑制。李培英等[24]利用高分子滲透劑PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對29 份偃麥草種質(zhì)資源進行耐旱性試驗，結果顯示干旱脅迫會降低種子的發(fā)芽率及相對發(fā)芽率等發(fā)芽指標。植物種子的萌發(fā)期和幼苗生長期為生命周期最敏感時期[25]。不同程度干旱處理下2份老芒麥種子的萌發(fā)期發(fā)芽率和發(fā)芽勢存在顯著差異，說明老芒麥種子萌發(fā)期對干旱脅迫較為敏感，且干旱脅迫會一定程度上影響種子的萌發(fā)。以上學者研究結果均與本實驗結果一致，隨著干旱脅迫的加劇，種子萌發(fā)逐漸受到抑制。但在輕度的干旱脅迫下，老芒麥種子根系生長良好，指標均出現(xiàn)大于對照組的情況，這說明適宜的干旱脅迫能促進根系生長，這與許翩翩等[26]的研究結果一致。這可能是由于低水平的干旱脅迫刺激了細胞內(nèi)膜系統(tǒng)中的許多酶，提高了種子的萌發(fā)率。

4 結 論

當PEG 脅迫水勢達到-0.1 MPa 時，2 份老芒麥種子的萌發(fā)均受到抑制；脅迫水勢達到-1.0 MPa 時，2 份老芒麥種子完全不萌發(fā)。當PEG 脅迫為-0.1～-0.3 MPa 時，在一定程度上會促進老芒麥種子根系的生長。