披堿草和野大麥及其雜交新品系苗期抗旱性

呂玉茹 李造哲 馬青枝 李月強

摘要：以披堿草（Elymus dahuricus Turcz.）和野大麥[Hordeum brevisubulatum （Trin.） Link]及其雜交新品系Y33和P13為試驗材料，用水培法模擬干旱條件，通過測定生理指標(biāo)，綜合評價4種材料的抗旱性。結(jié)果表明，隨著PEG濃度的增大，丙二醛含量、細胞膜相對透性、游離脯氨酸含量呈增加趨勢，而相對含水量、葉綠素含量呈下降趨勢。打分法和隸屬度函數(shù)的綜合評價結(jié)果一致，各材料的抗旱能力為披堿草>P13>Y33>野大麥。5個生理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值均較高且相差不大，都可以作為評價披堿草和野大麥及其雜交新品系抗旱能力的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：披堿草;野大麥;雜交新品系;抗旱性;苗期

中圖分類號：S543.9 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）07-0160-05

收稿日期：2020-07-24

基金項目：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草育種專項（編號：YZGC2017015）。

作者簡介：呂玉茹（1995—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，從事牧草種質(zhì)資源與育種研究。E-mail：yurulv@163.com。

通信作者：李造哲，博士，教授，從事牧草種質(zhì)資源與育種研究。E-mail：zaozheli@hotmail.com。

我國有42%的土地為干旱、半干旱區(qū)，主要分布在我國西部（干旱、半干旱區(qū)的面積約占該地區(qū)土地面積的83%），該地區(qū)降水量少，空氣干燥，地表蒸發(fā)量大[1-2]。內(nèi)蒙古的干旱氣候已嚴重影響到牧草的生長，水資源的缺乏會使牧草的產(chǎn)量和品質(zhì)下降，阻礙我國西北地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展[3]。種植和選育優(yōu)質(zhì)抗旱的牧草不僅有利于我國干旱地區(qū)草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善和草地植被的恢復(fù)也具有重要意義[4]。水分可以維持植物正常的生命活動，當(dāng)植物受到干旱脅迫時，體內(nèi)細胞和生理生化代謝等都會發(fā)生變化以適應(yīng)干旱條件[5]，所以研究干旱脅迫對植物生理特性的響應(yīng)可以更好地理解植物抗旱機理。披堿草（Elymus dahuricus Turcz.）和野大麥[Hordeum brevisubulatum （Trin.） Link]是2種具有重要經(jīng)濟價值和生態(tài)價值的小麥族多年生抗逆性較強的優(yōu)良牧草。披堿草具有抗旱、耐瘠薄、產(chǎn)草量高等特性，野大麥具有分蘗能力強、耐鹽堿、草質(zhì)好等特性。王照蘭等將披堿草和野大麥遠緣雜交，獲得了高度不育的披堿草和野大麥的正交、反交F1代[6]。李造哲等用回交法克服了雜種F1代的不育性，成功獲得（披堿草×野大麥）×野大麥和（野大麥×披堿草）×野大麥的回交1代;之后該團隊成員對雜種BC1的不同株系苗期的抗旱性及耐鹽性作了研究[7]。

本研究測定了干旱脅迫下披堿草和野大麥及其雜交新品系苗期的丙二醛（MDA）含量、組織相對含水量（RWC）、游離脯氨酸（Pro）含量、葉綠素（Chl）含量、細胞膜透性等生理指標(biāo)，明晰2個雜交新品系與親本生理指標(biāo)的變化規(guī)律并綜合評價其抗旱能力的強弱，為培育牧草抗旱新品種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料來自內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)海流圖科技園區(qū)試驗基地2017年收獲的種子，詳見表1。海流圖地處內(nèi)蒙古呼和浩特西約40 km（40°38′N、111°28′E）。土地以沙壤和輕壤為主，有機質(zhì)含量較低，平均含氮量為0.228 g/kg，全鹽量為0.27 g/kg，pH值在8.4～10.2之間，存在一定的鹽堿化。

1.2 試驗方法

1.2.1 幼苗培育

試驗材料采用水培法。選擇健康均勻的種子置于培養(yǎng)皿（直徑 Φ=12 cm）并在 25 ℃ 的培養(yǎng)箱中萌發(fā)，種子的根長到3 cm左右將幼苗移栽到帶孔的泡沫板上并使其浮在培養(yǎng)盆（盆高 9 cm、口徑22 cm、底徑16 cm）上部，用pH值為6.7的Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)，每隔3 d更換營養(yǎng)液。每天早晚用氣泵通氣，直到試驗結(jié)束。每盆定苗30株，每種材料5盆，置于溫度為25 ℃、濕度為60%、光照度為12 000 lx、光照和黑暗時間各為12 h的培養(yǎng)室培養(yǎng)。

1.2.2 脅迫處理

脅迫處理參照于卓等的方法[8]，稍作改進。待植株長到4～5葉葉齡時，用0、10%、20%、30% PEG溶液連續(xù)處理和測定指標(biāo)。每隔2 d增加1個濃度，在處理后0、3、6、9 d測定植株幼苗葉片生理指標(biāo)，并在0、3、6 d 20：00分別更換10%、20%、30% PEG溶液。試驗選擇在08：00取樣，各材料各生理指標(biāo)的取樣部位同為植株上部的葉片。

1.2.3 指標(biāo)及測定方法

用硫代巴比妥酸法[9]測定丙二醛含量，飽和稱質(zhì)量法[9]測定相對含水量，磺基水楊酸法[10]測定游離脯氨酸含量，乙醇提取法[9]測定葉綠素含量，以上指標(biāo)重復(fù)3次。電解質(zhì)外滲量法[10]測定細胞膜相對透性，重復(fù)6次。各指標(biāo)的變化率=（30%PEG下的指標(biāo)測定值-CK下的指標(biāo)測定值）/CK下的指標(biāo)測定值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用SAS 9.0的ANOVA程序進行差異顯著性分析;Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及隸屬函數(shù)分析;DPS進行灰色關(guān)聯(lián)分析。

1.3.1 打分法

依據(jù)各供試材料各指標(biāo)的變化率數(shù)值進行評分。將每種指標(biāo)最小與最大變化率的差值分5個等級，脅迫傷害癥狀最嚴重的材料得分最低，記為1分，反之記為5分。1個等級計為1分，最后把各個指標(biāo)的得分累加，總分由高到低排列即各供試材料的抗旱順序[11]。

1.3.2 隸屬函數(shù)法

利用隸屬函數(shù)法表示各供試材料的綜合抗旱能力。用下列公式分別計算各指標(biāo)在30% PEG濃度處理下的隸屬函數(shù)值[12]。

U（Xij）=Xij-XminjXmaxj-Xminj;（1）

U（Xij）=1-Xij-XminjXmaxj-Xminj。（2）

式中：U（Xij）為第i個材料第j個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij為第i個材料第j個指標(biāo)的測定值，Xmaxj和Xminj分別為第j個指標(biāo)的最大和最小測定值，指標(biāo)與抗旱性成正相關(guān)用式（1）計算隸屬函數(shù)值，反之用式（2）。

1.3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法表示各指標(biāo)對脅迫的敏感程度[13]。將4種材料的隸屬函數(shù)綜合評價值和5個測定指標(biāo)看作一個灰色系統(tǒng)，隸屬函數(shù)綜合評價值作為參考數(shù)列，5個指標(biāo)的測定值作為比較數(shù)列。數(shù)據(jù)進行無量綱化處理后，計算各指標(biāo)與抗旱隸屬函數(shù)綜合評價值的關(guān)聯(lián)度，按數(shù)值大小排序。

Ψi（k）=mini[mink|x0（k）-xi（k）|]+ρmaxi[maxk|x0（k）-xi（k）|]|x0（k）-xi（k）|+ρmaxi[maxk|x0（k）-xi（k）|];（3）

ri=1n∑nk=1Ψi（k）。（4）

式中：Ψi（k）為x0和xi關(guān)聯(lián)系數(shù);|x0（k）-xi（k）|=Δi（k）為數(shù)列x0與數(shù)列xi在k點的絕對差

mini[mink|x0（k）-xi（k）|]為最小差值，maxi[maxk|x0（k）-xi（k）|]為最大差值;ρ表示分辨系數(shù)，取值在0～1之間，一般取0.5認為分辨率較好;ri為關(guān)聯(lián)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對丙二醛含量的影響

干旱脅迫下，各材料MDA含量隨PEG濃度的增加均呈上升趨勢，MDA含量越高，對細胞膜損傷程度越嚴重。野大麥MDA含量的變化幅度明顯比其他材料高，說明細胞膜的受損程度最為嚴重（表2）。依據(jù)4種材料細胞膜損傷的程度打分排序為Y33=P13=披堿草>野大麥。

2.2 干旱脅迫對相對含水量的影響

各材料RWC的變化幅度均呈下降趨勢（表3），隨著脅迫濃度的增加，每種材料的保水能力越來越弱。披堿草RWC下降的幅度最小，其保水能力最強。4種材料保水能力的強弱關(guān)系為披堿草>P13>野大麥=Y33。

2.3 干旱脅迫對細胞膜相對透性的影響

各材料細胞膜相對透性隨PEG濃度的增加均呈上升趨勢（表4），植物細胞膜受損的嚴重性隨PEG濃度的增大而增加。野大麥膜透性變化幅度最大，說明其細胞膜損傷最嚴重。4種材料的受害程度依次為野大麥>Y33=P13=披堿草。

2.4 干旱脅迫對游離脯氨酸含量的影響

植物受到干旱脅迫時，體內(nèi)會積累Pro去抵抗逆境。隨著PEG濃度的增加，每種材料均呈上升趨勢（表5）。披堿草累積的Pro含量最多，說明其抵抗能力最強;Y33最少，抵抗能力最差。各材料抵抗逆境能力的強弱順序為披堿草>野大麥>P13>Y33。

2.5 干旱脅迫對葉綠素含量的影響

各材料Chl含量隨PEG濃度的增加均明顯降低（表6），植物對PEG脅迫的抵抗能力越來越弱。野大麥Chl含量的變化幅度最大，表明抵抗逆境的能力最弱;P13的變化幅度最小，抵御能力最強。4種材料抵抗PEG脅迫的能力依次為P13>Y33>披堿草>野大麥。

2.6 抗旱性綜合評價

2.6.1 打分法抗旱性綜合評價 打分后的各個指標(biāo)進行累加得出總分值，結(jié)果見表7?？偡种翟礁?，植物的抗旱性越強，則4種材料的抗旱順序為披堿草>P13>Y33>野大麥。

2.6.2 隸屬函數(shù)法抗旱性綜合評價

隸屬函數(shù)評價法的抗旱綜合結(jié)果取各材料5個指標(biāo)隸屬度的平均值，結(jié)果見表8。綜合結(jié)果數(shù)值越大，植物抗旱能力越強，則4種材料的抗旱順序為披堿草>P13>Y33>野大麥。

2.7 灰色關(guān)聯(lián)度分析

關(guān)聯(lián)度值可反映指標(biāo)對脅迫的敏感程度。數(shù)值越大，指標(biāo)與脅迫關(guān)聯(lián)度越高，反之越低。5個生理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度均較高且相差不大，都可以作為抗旱脅迫的鑒定指標(biāo)（表9）。4種材料各項生理指標(biāo)與抗旱性的關(guān)聯(lián)順序為游離脯氨酸含量>相對含水量>丙二醛含量>葉綠素含量>細胞膜相對透性。

3 討論

干旱脅迫下，RWC能作為評價植物保水性能的指標(biāo)之一[14]。在同等脅迫條件下，抗旱性強的植物，其葉片RWC下降緩慢，受脅迫影響的程度較小，水分虧缺程度較輕。本研究結(jié)果顯示，植物葉片的RWC與抗旱性呈正相關(guān)。披堿草RWC下降的幅度較緩慢，受脅迫影響的程度較其他材料小，表明抗旱性較強，野大麥葉片受脅迫影響的程度最大，抗旱能力最弱。這與樊海燕等的研究結(jié)果[15]一致。

干旱脅迫條件會使植物細胞膜受損，膜選擇透性功能下降，細胞外滲液增加，表現(xiàn)為電導(dǎo)率（REC）增大[16]。膜脂過氧化物產(chǎn)物MDA可導(dǎo)致細胞膜結(jié)構(gòu)受損，在逆境脅迫下能反映植物的受害程度[17]。通常認為，MDA含量越高，植物受害越嚴重，抗旱能力越差[18]。在持續(xù)干旱脅迫下，REC會逐漸上升，抗旱性強的植物電導(dǎo)率增加的幅度較小。本研究中，隨著脅迫濃度的增加，野大麥MDA含量和REC的上升幅度顯著高于其他材料，受損程度最嚴重，說明抗旱性最差。4種材料的MDA含量與REC變化趨勢同步且都與植物的抗旱性呈負相關(guān)，這一結(jié)果與Abrahama等的研究結(jié)果[19]相同，抗旱性強的植物能維持較低的REC和MDA含量。

干旱脅迫下葉綠素含量的降低，可能是因為植物體內(nèi)活性氧的累積引起膜脂過氧化，從而加速了葉綠素的分解，或是葉綠素的生物合成減弱[20]，但其具體的干旱脅迫機制還有待進一步研究。因此，葉綠素含量能夠反映植物受干旱脅迫的影響程度[21]。結(jié)果顯示，野大麥的葉綠素含量隨干旱脅迫濃度的增加明顯降低，說明野大麥?zhǔn)苊{迫影響的程度較大，抗旱能力較弱。李京蓉等也提出抗旱性強的品種有較高的葉綠素含量[22]。

Pro含量的變化可反映植物受逆境影響的耐受能力。干旱條件下，植物Pro含量的增加會維持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡，能夠作為判斷植物抵抗干旱能力的一項生理指標(biāo)[23]。本研究結(jié)果表明，Pro含量與植物抗旱性呈正相關(guān)，披堿草受干旱脅迫后Pro含量顯著升高，說明干旱對它的危害程度較小，抗旱能力較強。這與郭郁頻等提出的在逆境條件下Pro含量升高對植物有益的結(jié)論[24]一致。

4 結(jié)論

隨著干旱脅迫強度的增大，丙二醛含量、細胞膜相對透性、游離脯氨酸含量呈增加趨勢，而相對含水量、葉綠素含量呈下降趨勢。打分法和隸屬度函數(shù)的綜合評價結(jié)果一致，各材料的抗旱能力為披堿草>P13>Y33>野大麥。5個生理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度均較高且相差不大，都可以作為評價披堿草和野大麥及其雜交新品系抗旱能力的指標(biāo)。

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