5個(gè)柱花草品種苗期對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

，，，，

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部熱帶作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)，海南 儋州 571737)

柱花草(Stylosanthesspp.)是熱帶和亞熱帶地區(qū)最重要的放牧和刈割兼用型豆科牧草之一，具有抗旱、耐高溫、耐酸瘠土壤、保持水土、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于飼草料、林下覆蓋、天然草地改良、水土保持等[1,4]。我國(guó)20世紀(jì)80年代起從國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)中心引進(jìn)，現(xiàn)已培育出20多個(gè)優(yōu)良品種并進(jìn)行了大面積的種植[5-6]。水是植物生長(zhǎng)發(fā)育中重要的環(huán)境因素之一，干旱會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)作物造成的傷害和損失在所有的非生物脅迫中占首位，抗旱是當(dāng)今農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要問題之一[7]。因此，研究柱花草抗旱生理機(jī)制，篩選抗旱的柱花草品種對(duì)我國(guó)熱區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。

目前對(duì)柱花草種質(zhì)或品種抗旱性研究并不多，一般是通過相關(guān)的生理生態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)抗旱性或是探尋人工模擬干旱條件評(píng)價(jià)抗旱性，或是施用外源物質(zhì)提高抗旱性等。薛瑞等對(duì)44份柱花草種質(zhì)進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)生物量、相對(duì)株高等形態(tài)學(xué)指標(biāo)與抗旱性成正相關(guān)，相對(duì)電導(dǎo)率等生理生指標(biāo)與與抗旱性成負(fù)相關(guān)[8]。張勁松研究柱花草矮化突變體4,2-4抗旱性及其生理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)矮化突變體的葉片相對(duì)含水量高于對(duì)照，相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量均小于對(duì)照[9]。姚慶群等[10]以不同滲透勢(shì)的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬水分脅迫條件，研究柱花草28個(gè)品系的耐旱能力。韋錦益等[11]用不同濃度的聚乙二醇研究干旱脅迫對(duì)柱花草種子萌發(fā)的影響,發(fā)現(xiàn)柱花草具有一定抗旱能力。 莫庭輝[12]用20%PEG處理種子72 h后，評(píng)價(jià)5個(gè)柱花草品系的苗期抗旱性強(qiáng)弱。陳志堅(jiān)等[13]用15%聚乙二醇對(duì)6份柱花草材料模擬干旱處理，并綜合評(píng)價(jià)柱花草種質(zhì)的抗旱性。姚娜等[14]采用不同濃度的PEG溶液對(duì)6種柱花草種子進(jìn)行了模擬干旱脅迫研究，并通過隸屬函數(shù)分析法對(duì)其進(jìn)行抗旱性排序。 尹劍紅等[15]采用不同濃度的聚乙二醇模擬干旱脅迫，測(cè)定熱研2號(hào)柱花草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)等指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，熱研2號(hào)柱花草具有一定的抗旱性。低濃度PEG溶液能夠促進(jìn)其種子萌發(fā)。曹堃研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，施用外源5-ALA能降低干旱脅迫對(duì)熱研2號(hào)柱花草種子萌發(fā)的影響，促進(jìn)干旱脅迫下柱花草幼苗的生長(zhǎng)[16]。本試驗(yàn)研究了干旱處理對(duì)柱花草各生理指標(biāo)的影響，以期為篩選柱花優(yōu)良抗旱品種提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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，包括熱研2號(hào)柱花草(S.guianensiscv. Reyan No.2)、熱研20號(hào)太空柱花草(S.guianensiscv. Reyan No.20)、熱研25號(hào)柱花草(S.guianensiscv. Reyan No.25)、西卡柱花草(StylosanthesscabraVog. seca)和有鉤柱花草(S.hamatacv. Verano)，于2017年1月采集種子，2017年5月開展盆栽試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)部海南儋州熱帶牧草種質(zhì)圃中進(jìn)行。采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)5行，每行15盆(60 cm×40 cm)，每盆裝土25 kg，3次重復(fù)，其中3盆為對(duì)照。將種子熱水浸泡12 h后播種，10 d后間苗，每盆留健壯植株15棵。30 d后停止?jié)菜M(jìn)行干旱處理，對(duì)照正常澆水。每天07：00時(shí)左右觀察記錄萎蔫株數(shù)，當(dāng)其中任一品種達(dá)到50%萎蔫時(shí)測(cè)量農(nóng)藝性狀、葉片指標(biāo)等，處理15 d后每盆取10株測(cè)其地下生物量。之后復(fù)水，復(fù)水3 d后觀察其成活指標(biāo)。

1.3 測(cè)定內(nèi)容

1.3.1 農(nóng)藝性狀的觀察

包括萎蔫株數(shù)、復(fù)水后死亡植株數(shù)和復(fù)水后枯葉數(shù)。

萎蔫度是整株有20%以上葉片萎蔫的植株數(shù)占總植株數(shù)的比值。復(fù)水后死亡百分?jǐn)?shù)是指復(fù)水3 d后死亡干枯植株占萎蔫植株的比值。復(fù)水后枯葉率是指復(fù)水3 d后黃葉及枯葉占萎蔫葉片的比值[17]。

1.3.2 農(nóng)藝性狀的測(cè)量

包括株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉夾角。取+3葉的最長(zhǎng)和最寬的地方測(cè)量葉長(zhǎng)和葉寬。測(cè)+3葉和莖稈的夾角為葉夾角[17]。

1.3.3 地下生物量

包括根鮮重、根干重。

1.3.4 根冠比

包括根冠干重比和根冠長(zhǎng)度比。根冠干重比是指地下部分與地上部分的干重的比值，根冠長(zhǎng)度比是指根長(zhǎng)與株高的比值。

1.3.5 葉片細(xì)胞膜透性測(cè)定

用相對(duì)電導(dǎo)率表示，采用浸泡法測(cè)定[18]。

傷害率(%)=1-(對(duì)照相對(duì)電導(dǎo)率/干旱相對(duì)電導(dǎo)率)×100%

1.3.6 葉片的水分狀況

包括相對(duì)組織含水量、相對(duì)含水量，采用烘干稱重法測(cè)定。飽和重是將葉片放入蒸餾水中浸泡達(dá)到恒重時(shí)的重量[18]。

相對(duì)含水量(%)=[(鮮重-干重)/(飽和重-干重)]×100%；

相對(duì)組織含水量(%)=(干旱處理含水量/對(duì)照含水量)×100%；

相對(duì)飽和虧缺=對(duì)照自然飽和虧缺/干旱自然飽和虧缺；

其中自然飽和虧缺 = 1-相對(duì)含水量。

1.3.7 葉片持水力

一般用葉片離體失水速率來表示，采用烘干稱重法測(cè)定。將葉片稱重后放在自然室溫下6 h，測(cè)其重量，烘干至恒重[18]。

表2 株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬及葉夾角的比較

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理用Excel軟件完成，用SAS 9.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫后柱花草品種的主要農(nóng)藝性狀比較

2.1.1 植株萎蔫度、復(fù)水后死亡百分率和復(fù)水后枯葉率比較

由表1可以看出，西卡柱花草和有鉤柱花草的3項(xiàng)測(cè)定值都顯著地低于其它3個(gè)品種。熱研20號(hào)柱花草的萎蔫度顯著高于其它品種，萎蔫度越高，受到干旱脅迫傷害的植株越多，總的整體抗旱性也越差[19]。熱研2號(hào)柱花草的復(fù)水后死亡率顯著高于其它品種，值越高說明其整棵植株受到的傷害越大，抗旱性也越差。枯葉率與萎蔫度的結(jié)果一致，熱研2號(hào)柱花草枯葉率顯著高于其它品種，說明其復(fù)水后枯葉數(shù)最多，枯葉數(shù)越高，說明葉片的恢復(fù)能力越弱，抗旱性也越差[19]。但枯葉率與復(fù)水后死亡百分?jǐn)?shù)的結(jié)果不一致，熱研20號(hào)柱花草枯葉率小于熱研25號(hào)柱花草，老葉的枯黃可以減少水分的蒸騰，是植物應(yīng)對(duì)干旱的一種生理機(jī)制[20]。

表1 萎蔫度、復(fù)水后死亡百分率和復(fù)水后枯葉率的比較

注：表中同列不同小寫字母表示在0.05水平的差異顯得性。下同。

2.1.2 株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬及葉夾角的比較

由表2可以看出，干旱脅迫后株高相比對(duì)照都有不同程度降低，熱研2號(hào)柱花草和熱研20號(hào)柱花草株高減少了12 cm，變化最小的是西卡柱花草，降低0.5 cm。干旱脅迫后根長(zhǎng)相比對(duì)照都有增加，可能是干旱迫使植株根伸長(zhǎng)以便能吸收到更多的水分。西卡柱花草的根都長(zhǎng)于其它4個(gè)品種，有鉤柱花草的根最短。干旱脅迫后葉長(zhǎng)和葉寬相比對(duì)照都有不同程度的降低，而葉面積減小被認(rèn)為是植株幼苗對(duì)抗干旱脅迫的最初反應(yīng)過程之一[20]。干旱脅迫對(duì)葉夾角的影響差異較大，西卡柱花草只減小5°，變化不大；有鉤柱花草葉夾角變小，頂端葉幾乎聚集在一起，葉面積減少是否是一種植物在逆境脅迫下的自我保護(hù)，減少了光合，減少了葉片的水分蒸發(fā)從而提高了抗旱性[21]。

2.2 干旱脅迫后柱花草品種地下生物量的比較

從表3可以看出，干旱脅迫后5個(gè)品種的根鮮重和根干重相比對(duì)照都減少，說明干旱會(huì)使植物的須根量增加，減少了根的總生物量[22]。有鉤柱花草的根鮮重和根干重最小，說明其根量最少，干旱脅迫對(duì)有鉤柱花草的根系生長(zhǎng)影響最大。西卡柱花草干鮮比值最大，抗旱性最強(qiáng)，說明干旱脅迫下能經(jīng)濟(jì)利用土壤水分，根系發(fā)達(dá)，可以擴(kuò)大吸水范圍，從而增強(qiáng)抗旱能力。

表3 地下生物量的比較

2.3 干旱脅迫后柱花草品種根冠比的比較

由表4可以看出，干旱脅迫后5個(gè)品種的根冠干重比和根冠長(zhǎng)度比都高于對(duì)照，說明了在干旱條件下植物都增加了根的生長(zhǎng)，這是自身對(duì)逆境的一種適應(yīng)表現(xiàn)[23]。西卡柱花草的根冠比都大于其它品種，說明其在干旱脅迫下根系發(fā)達(dá)，吸收水分的機(jī)會(huì)增加；地上部分枝葉多，蒸騰作用消耗的水分也就越多，既相互促進(jìn)，又相互制約。

表4 根冠比值的比較

2.4 干旱脅迫后柱花草品種葉片的水分狀況比較

從表5可以看出，干旱脅迫后西卡柱花草的葉片相對(duì)含水量顯著于高其它品種，葉片的相對(duì)含水量表示植物在遭受干旱脅迫后的整體水分虧缺狀況，值越大表示自身所含水分越充足，越抗旱[24]。西卡柱花草的相對(duì)組織含水量顯著高于其它品種，相對(duì)組織含水量越大表示植株在水分脅迫下體內(nèi)含水量變化越小，抗旱性也越強(qiáng)[20]。西卡柱花草的相對(duì)飽和虧缺都顯著高于其它品種，熱研20號(hào)柱花草的相對(duì)飽和虧缺度最小，相對(duì)飽和虧缺的值越大表示干旱對(duì)其葉片水分影響越小，其抗旱性越強(qiáng)。

表5 葉片水分狀況的比較

2.5 干旱脅迫后柱花草品種葉片持水力的比較

從表6可以看出，5個(gè)品種在干旱脅迫后的葉片離體失水速率都出現(xiàn)下降，葉片持水力都表現(xiàn)為降低。西卡柱花草和熱研25號(hào)柱花草降低幅度最大，葉片離體失水速率最小。一般情況下，葉片離體速率小的材料都較抗旱[20]。

表6 葉片離體失水速率及其降幅的比較

2.6 干旱脅迫后柱花草品種葉片細(xì)胞膜透性的比較

由表7可以看出，干旱脅迫后西卡柱花草的相對(duì)電導(dǎo)率和傷害率顯著低于其它品種，表明其質(zhì)膜受到的傷害程度最小，其抗旱性越強(qiáng)。熱研20號(hào)柱花草的傷害率顯著高于其它品種，說明在干旱脅迫下其質(zhì)膜受到的傷害最大，抗旱性最弱[25]。

表7 葉片相對(duì)電導(dǎo)率的比較

3 結(jié)論與討論

深入研究植物的抗旱機(jī)理，揭示其抗旱特性，科學(xué)選育適宜熱區(qū)干旱、半干旱地區(qū)種植的優(yōu)良牧草品種，已成為專家和育種者特別關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題[26]。一般認(rèn)為，豆科牧草在抗旱過程中生理生態(tài)指標(biāo)有一系列的變化，同時(shí)也存在著基因型與環(huán)境的互作。用單一指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確地反映抗旱性的強(qiáng)弱，結(jié)合形態(tài)指標(biāo)(葉片、根)及生理指標(biāo)等相關(guān)指標(biāo)可以全面評(píng)價(jià)植物的抗旱性[27]。

本研究發(fā)現(xiàn)，西卡柱花草的抗旱性最強(qiáng)，植株整體對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)最低，雖然其機(jī)理還不是很清楚，但在實(shí)際生產(chǎn)和育種過程中發(fā)現(xiàn)西卡柱花草的根系非常發(fā)達(dá)，根層深且廣，其抗旱性強(qiáng)可能是因?yàn)楦档奈芰?qiáng)，這與張緒元[28]的研究結(jié)果一致。龍會(huì)英等研究了22個(gè)柱花草種質(zhì)材料幼苗期的抗旱性，結(jié)果表明西卡柱花草的抗旱性最強(qiáng)[29]，與本研究結(jié)果一致。西卡柱花草是在干旱很嚴(yán)重的地區(qū)或很干旱的年份種植的首選品種，比如海南島昌江縣、東方市等地的11月到次年的4月份。白昌軍等對(duì)12個(gè)柱花草新種質(zhì)(品種)進(jìn)行旱季干草產(chǎn)量比較，發(fā)現(xiàn)熱研25號(hào)柱花草在冬春低溫干旱季節(jié)的干物質(zhì)量高于熱研20號(hào)和2號(hào)柱花草，抗旱性強(qiáng)[30]，與本研究結(jié)果一致。在海南島半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)陵水和樂東，種植熱研25號(hào)柱花草是較理想的選擇。

有鉤柱花草抗旱性不差，但植株在經(jīng)受一定程度的干旱脅迫后萎蔫較快，相比其它品種有鉤柱花草的根最短，受到干旱傷害后恢復(fù)速度也較慢。是否抗旱爭(zhēng)論較大，主要是其受旱后，葉片直立聚集使蒸騰表面積變小，減少水分蒸發(fā)，是通過避旱形式來抗旱的，一旦超過其能忍耐的程度，受到的傷害將很大[31-32]。

從總體表現(xiàn)上看，5個(gè)柱花草抗旱程度從高到低排序?yàn)槲骺ㄖú?、熱?5號(hào)柱花草、有鉤柱花草、熱研2號(hào)柱花草、熱研20號(hào)柱花草。