野生老芒麥苗期耐旱性研究

王傳旗，劉文輝，張永超，周青平，2*

（1.青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質資源利用重點實驗室，青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，青海 西寧810016；2.西南民族大學，四川 成都610041）

川西北高原地處長江、黃河及其他重要支流的源頭地區(qū)，是四川省最大的牧業(yè)基地，也是中國五大牧區(qū)之一，具有重要的經濟和生態(tài)戰(zhàn)略地位。然而，由于受到全球氣候變暖和大氣環(huán)流的影響，加之地質條件的復雜性，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境先天脆弱［1-2］。近年來，隨著地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展，超載過牧、挖溝排水、資源開采及旅游開發(fā)等人為因素加速了川西北高原生態(tài)環(huán)境惡化的進程，并對其生態(tài)系統(tǒng)造成了新的影響［3］。其中，草原（地）退化、沙化是川西北高原區(qū)域各種生態(tài)問題的集中體現。

干旱對植物生長發(fā)育及分布具有重要的影響［4-6］。持續(xù)的干旱脅迫不僅抑制植物株高、葉面積的增長及生物量的分配，還會對植物細胞膜產生傷害，甚至導致植株死亡［7-8］。面對干旱脅迫，植物通常會在形態(tài)學、生理學等方面形成一系列適應機制。例如，植物增大向根系分配資源的比例以增加水分吸收［9-10］、減小葉面積以降低水分的蒸騰消耗［11］和提高抗氧化酶活性以減小活性氧類的傷害等［12］。任麗雯等［13］研究表明，水分脅迫下，玉米（Zea mays）株高（plant height）、葉面積指數（leaf area index）和地上部干物質積累（dry matter accumulation）下降明顯。陳有軍等［14］研究表明，隨著干旱脅迫天數的增加，老芒麥（Elymus sibiricus）幼苗葉片葉綠素（chlorophyll）含量持續(xù)下降，相對電導率（relative conductivity，REC）不斷上升。由于世界范圍的缺水日趨嚴重，干旱逆境的出現已不限于特定地區(qū)。鑒于川西北高原旱區(qū)與缺水區(qū)草原（地）退化、沙化問題和提高牧草生產的緊迫性，亟須對川西北高原鄉(xiāng)土植物進行耐旱性評定，為該區(qū)域的草原生態(tài)恢復和牧草生產提供優(yōu)質的種質資源。

老芒麥屬禾本科（Poaceae）披堿草屬（Elymus），為多年生草本植物，兼具經濟和生態(tài)價值。飼用方面，老芒麥富含粗蛋白，為牛羊喜食類牧草；生態(tài)方面，具有抗旱、耐寒、耐鹽堿等優(yōu)良特性，同時其還能夠顯著改善表層土壤理化性質，對我國貧瘠荒地土壤的培育具有重要的應用價值［15-17］。因此，開展老芒麥苗期耐旱性研究對進一步探討其干旱適應機理具有重要的理論研究價值，同時對利用其有效防治川西北高原高寒草地退化、沙化等災害具有重要的現實意義。鑒于上述情況，本研究選擇川西北高原區(qū)域廣泛分布的鄉(xiāng)土植物—野生老芒麥為試驗材料，采用盆栽控水法模擬干旱脅迫環(huán)境，根據苗期老芒麥對干旱脅迫的差異響應，篩選出適宜在半干旱地區(qū)生長的老芒麥，為其種質資源的開發(fā)利用和耐旱性新品種的選育提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的8份野生老芒麥種子材料于2014年9月采自四川省阿壩藏族羌族自治州，風干后裝入自封袋于4℃保存。材料編號及生境狀況詳見表1。

表1 野生老芒麥編號及來源Table 1 M ater ial number and sour ce status of wild E.sibiricus

1.2 試驗地點和時間

試驗地點為青海大學畜牧獸醫(yī)科學院-青藏高原優(yōu)良牧草種質資源利用重點實驗室。試驗于2020年6月30日開展，2020年8月18日開始干旱脅迫處理，老芒麥苗期干旱脅迫50 d，試驗共歷時100 d。

1.3 試驗方法

隨機選取每份材料的種子，用70%的酒精消毒2 min。種子播種于口徑37.5 cm、高27 cm的花盆中，播量為200?！づ?1。老芒麥育苗及干旱脅迫試驗均在玻璃溫室的栽培池上進行，室內溫度為18~25℃，相對濕度為45%，光照度1000~1300 lx。培養(yǎng)基質由營養(yǎng)土、蛭石和珍珠巖按16∶3∶1混合而成，11.2 kg·盆-1，每盆最大持水量為37.05%。當苗齡為2葉期時進行間苗，保證每盆有100株健壯幼苗。待苗齡為4葉期時開始進行中度干旱脅迫處理（土壤相對含水量為每盆最大持水量的45%~50%）［18-19］。試驗設置對照組（充足供水），每份材料種植8盆（4盆為對照組，4盆為處理組），共64盆。干旱脅迫期間，處理組每隔2 d澆灌1次，澆灌量為每盆稱重的失水量，約45 g·盆-1，且澆灌時間均在當日的18：00-20：00進行。

1.4 生長參數和生理指標測定

1.4.1 生長參數測定 株高（plant height，PH）：從每份材料的對照組和處理組中各隨機選取30株成苗定株，近地面測量老芒麥絕對株高，取平均值。相對生長速率（relative growth rate）：處理組株高平均日增長高度與對照組株高平均日增長高度的比值。葉面積（leaf area）：從每份材料的對照組和處理組中各隨機選取10株成苗，用葉面積儀（MRS-9600TFU 2L，上海）測量葉面積，測量的單葉為植株頂端向下數第3片葉子，取平均值。相對存活率（relative survival percentage，RSP）＝（干旱處理下的存活株數/對照組處理下的存活株數）×100%［20］。生物量（biomass）：從每份材料的對照組和處理組中各隨機選取3組成苗取其地上部分和地下部分，超純水沖洗后用快速濾紙吸干植株表面水分稱重，得其鮮重；然后在105℃烘箱內殺青15 min，70℃下烘至恒重，得其干重［21］。試驗以5株成苗為1組，每份材料取6組樣本（對照組和處理組各3組樣本），共取48組。

株高、葉面積、相對存活率、生物量每5 d測量1次；干旱脅迫處理20 d后，植株相對存活率按每10 d統(tǒng)計1次。

1.4.2 生理指標測定 采用丙酮浸提法測定葉綠素（chlorophyll，Chl）含量［22］。采用電導法測定相對電導率［23］。干旱脅迫后，每10 d測量一次葉綠素和相對電導率。每個指標3個生物學重復，測量材料均為老芒麥地上莖葉部分，共測量2次。

1.5 耐旱性綜合評價

利用模糊數學中的隸屬函數法對老芒麥材料苗期的耐旱性進行綜合評價。隸屬函數公式：U（Xi）＝（Xi－Xmin）/（Xmax－Xmin）。式中：U（Xi）為隸屬函數值，Xi為處理水平某指標測定均值，Xmin和Xmax為某一指標的最小值和最大值。根據隸屬函數公式求得材料指標函數值，然后將每份材料指標的函數值相加求平均值，得到每份材料的隸屬度（平均隸屬函數值），隸屬度按四級制劃分標準：0.6~0.7屬強抗，定為Ⅰ級；0.4~0.6屬較抗，定為Ⅱ級；0.3~0.4屬弱抗，定為Ⅲ級；0.3以下屬不抗，定為Ⅳ級［24］。

1.6 數據處理與分析

利用SPSS 19.0對所測數據進行統(tǒng)計分析。數據在分析前必須滿足正態(tài)分布和方差齊性以符合單因素方差分析（ANOVA）的要求。采用Tukey’s HSD檢驗，對老芒麥材料間和處理間的差異性進行Duncan多重比較（P<0.05）。結果用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下苗期老芒麥生長特征

所有材料的株高均隨著干旱脅迫天數的增加而增加，但處理組均低于其對照組（表2）。14-001、14-235、14-251的相對生長速率較大，其次是14-165、14-115、14-065、14-021，14-189最小。

表2 干旱脅迫對老芒麥株高生長的影響Table 2 Effects of dr ought stress on plant height gr owth of E.sibiricus

與株高變化趨勢相似，處理組老芒麥材料單葉面積均隨著干旱脅迫天數的增加而增加，但處理組均低于其對照組（表3）。干旱脅迫第20天，14-165、14-251和14-001單葉面積增長較大，分別是其干旱脅迫第0天的2.40、3.09和3.45倍。與對照組相比，干旱脅迫第15天，14-189顯著下降（P<0.05）；干旱脅迫第20天，14-021顯著下降（P<0.05）。

表3 干旱脅迫對老芒麥單葉面積的影響Table 3 Effects of drought stress on single leaf area of E.sibiricus（cm2）

干旱脅迫下，所有材料的地上生物量增長均減緩，并隨著干旱脅迫天數的增加而越發(fā)明顯（表4）。與干旱脅迫第0天相比，各干旱脅迫天數下均無顯著增加。

表4 干旱脅迫對老芒麥地上生物量的影響Table 4 Effects of drought stress on the aboveground biomass of E.sibiricus（hay weight，g·5 plants-1）

隨著干旱脅迫天數的增加，老芒麥材料根系干重呈上升趨勢（表5）。與干旱脅迫第0天相比，第15天，14-001根系干重顯著增加（P<0.05）；第20天，14-065、14-115、14-165、14-235和14-251顯著增加（P<0.05）。

表5 干旱脅迫對老芒麥根系干重的影響Table 5 Effects of drought str ess on dr y weight of root system of E.sibiricus（g·5 plants-1）

老芒麥材料相對存活率隨著干旱脅迫天數的增加呈下降趨勢（表6）。與對照組相比，第20天，14-021相對存活率顯著下降（P<0.05）；干旱脅迫第30天，14-115、14-165和14-189顯著下降（P<0.05）；干旱脅迫第40天，供試的8份老芒麥均顯著下降（P<0.05），其中14-021極顯著下降（P<0.01）；干旱脅迫第50天，均極顯著下降（P<0.01）。14-021最終相對存活率為10%，下降幅度最大；14-001為32%，下降幅度最小。

表6 干旱脅迫對老芒麥相對存活率的影響Table 6 Effects of drought stress on relative survival percentage of E.sibiricus（%）

2.2 干旱脅迫下苗期老芒麥生理特征

隨著干旱脅迫天數的增加，老芒麥材料葉綠素含量下降，相對電導率上升（表7）。與對照組相比，干旱脅迫第10天，14-021、14-115和14-189葉綠素含量顯著下降（P<0.05）；第20天，8份材料均顯著下降（P<0.05），14-001葉綠素含量最大，14-021葉綠素含量最小。

表7 干旱脅迫對老芒麥生理指標的影響Table 7 Effect of drought str ess on physiological indexes of E.sibiricus

與對照組相比，干旱脅迫第10天，8份材料相對電導率均無顯著變化；第20天，14-021和14-189顯著上升（P<0.05），14-021相對電導率值最大（66.70%），而14-001相對電導率最小（47.82%）。

2.3 老芒麥材料抗旱性綜合評價

供試的8份老芒麥材料隸屬度為0.4250~0.6283（表8）。14-001和14-165為0.6~0.7；14-065、14-115、14-189、14-235、14-251為0.5~0.6；14-021為0.4~0.5。14-001隸屬度最大，14-021最小。

表8 干旱脅迫下苗期老芒麥隸屬函數值及排名Table 8 Subordinate function value and ranking of E.sibiricus under drought stress at seedling stage

3 討論

3.1 干旱脅迫對苗期老芒麥形態(tài)可塑性的影響

干旱脅迫是由土壤水分不足導致植物正常生長發(fā)育受到限制［25］。水分條件變化后，植物會在形態(tài)上發(fā)生不同程度的變化來響應干旱脅迫［26-27］。研究表明，植物幼苗在干旱脅迫下株高降低［28］，葉面積減?。?9］，干物質積累受阻［30］。本研究中，隨著干旱脅迫天數的增加，處理組老芒麥材料株高均出現了不同程度的上升趨勢，表明供試的8份野生老芒麥在苗期均具有一定的耐旱性。干旱脅迫下，處理組下的老芒麥材料株高均低于其對照組。表明干旱條件下，為汲取更多水分，老芒麥會通過降低生長高度，縮短根部水分到達葉部的距離，以促進水分的有效運輸。研究表明，干旱脅迫下，老芒麥葉片面積的變化趨勢因材料不同而不同［31］。本研究中，干旱脅迫下的老芒麥材料單葉面積均低于其對照組，且隨著干旱脅迫天數的增加而越發(fā)明顯。表明干旱條件下，老芒麥會通過降低葉面積以防止水分過度蒸發(fā)。

干旱脅迫下，處理組老芒麥材料地上生物量積累減緩，但其根系干重不斷增加，并隨著干旱脅迫天數的增加而越發(fā)顯著。表明干旱條件下，老芒麥將更多的生物量分配到根部，以促使其向地下更深、更廣處生長。這是老芒麥個體通過各器官生物量投資優(yōu)化配置的結果，也是老芒麥物種適應干旱環(huán)境的重要途徑之一。這與王傳旗等［32］對西藏地區(qū)野生賴草（Leymussecalinus）的研究結果相似。

相對存活率是反映植物抗逆性強弱的一個較為直觀的生長量指標。干旱脅迫下，植物相對存活率越高，其耐旱性越強。本研究中，供試的8份野生老芒麥材料相對存活率在干旱脅迫下均出現了不同程度的下降，且隨著干旱脅迫天數的增加，老芒麥材料間的相對存活率差異越大。這與李光瑩等［33］對老芒麥和垂穗披堿草（E.nutans）在堿脅迫下的研究結果基本一致。表明供試的8份野生老芒麥材料對干旱脅迫的敏感程度不同，同時也反映出老芒麥材料間的耐旱性存在差異。

3.2 干旱脅迫對苗期老芒麥生理特征的影響

眾多研究表明，隨著干旱脅迫程度的加劇，植物葉綠素含量降低［34-36］。本試驗也證實了這一點，供試的8份野生老芒麥材料葉綠素含量隨著干旱脅迫天數的增加而下降。其原因可能是持續(xù)的干旱脅迫誘導葉綠體膜脂過氧化，造成葉綠素分解加速。但關于干旱脅迫下植物葉綠素含量的變化也有不同報道，王寧等［37］研究發(fā)現，干旱脅迫下，節(jié)節(jié)麥（Aegilops tauschii）葉綠素含量呈先升后降的變化趨勢。宋家壯等［38］研究發(fā)現，干旱脅迫下，虉草（Phalaris arundinacea）葉綠素含量呈增加的變化趨勢。因此，干旱脅迫下，造成植物葉片葉綠素含量上升或下降的具體原因還有待進一步研究。

相對電導率是反映植物細胞膜受傷害程度的一個重要生理指標。本研究中，老芒麥材料相對電導率均隨著干旱脅迫天數的增加而上升。這與王平等［39］的研究結果一致。其原因可能是持續(xù)的干旱脅迫誘導葉片細胞膜脂過氧化，造成細胞膜損傷，使細胞內容物大量外滲，從而導致相對電導率增大［40］。

3.3 苗期老芒麥耐旱性鑒定

植物抗旱性研究中，運用模糊數學中的隸屬函數法對植物抗旱性相關指標進行綜合評價是一種常見的方法。劉小慧等［41］利用隸屬函數法對93份圭亞那柱花草（Stylosanthesguianensis）的形態(tài)和生長指標進行了綜合評價，獲得了Endeavour和TPRC2001-20兩種圭亞那柱花草抗旱材料。許翩翩等［42］運用隸屬函數法對香根草（V etiveria zizanioides）、紫花苜蓿（Medicago sativa）和高羊茅（Festuca elata）的生理指標進行了綜合比較，認為紫花苜蓿抗旱性最強。此外，靳軍英等［43］應用此方法對牛鞭草（Hemarthria altissima）、高丹草（Sorghumhybrid sudangrass）和拉巴豆（Lablabpur pureus）的耐旱性進行了準確排序。

為避免一些由于單一指標反映不出來的耐旱材料，或將不耐旱的材料誤認為是耐旱的。本項研究選用株高、單葉面積、地上生物量、地下生物量、相對存活率、葉綠素含量和相對電導率5個形態(tài)指標和2個生理指標作為老芒麥耐旱性的評定指標，運用隸屬函數法對供試的8份野生老芒麥材料的耐旱指標進行了綜合評價。

4 結論

供試的8份野生老芒麥在苗期對干旱脅迫環(huán)境均具有一定的適應能力。經耐旱隸屬度分析，8份材料耐旱性可分為兩類：第一類為Ⅰ級強抗，包括14-001和14-165；第二類為Ⅱ級較抗，包括14-235、14-251、14-065、14-115、14-189、14-021。在第一類強抗材料中，14-001隸屬度最大，耐旱性最強。因此，本研究建議14-001可作為老芒麥抗旱育種的候選材料。