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]。
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。
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。
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]
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。
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
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
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)。
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)
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。
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。