PEG-6000模拟干旱胁迫对15个小黑麦品系苗期生理特性的影响

赵方媛，田新会，杜文华

(甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 甘肃省草业工程实验室中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

随着畜牧业不断发展，饲料的用量越来越大。小黑麦作为一个杂交新物种，在结合小麦高产优质的同时，又具有黑麦抗逆性和适应性强的优点[1]。小黑麦作为优质禾本科饲草具有较高的生产性能，但是，干旱缺水已成为小黑麦高产的主要限制因子[2]，对籽粒产量的影响极大[3]。聚乙二醇(PEG-6000)溶于水后，产生的强大渗透压会使植物组织和细胞处于类似于自然干旱的水分胁迫状态[4]。用PEG-6000模拟自然干旱已普遍用于作物抗旱性研究[5]。在干旱胁迫下，作物形态特征和生理特性等会发生一系列变化[6]。叶片水分是植物进行正常生理活动的基础，受到干旱胁迫时叶片中的水分含量直接反映植株受旱后可利用的水分情况，其含量高低在一定程度上可以反映植株叶片保水能力强弱。相对含水量是植物组织的含水量占饱和含水量的百分比，比含水量绝对值更能反映植物的水分亏缺情况以及抗脱水能力和受干旱胁迫程度[7-8]。叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，在光合作用中起着吸收、传递和转化光能的作用，其含量高低在一定程度上决定着光合速率大小[9]。植物在不良环境下，细胞膜的结构和功能最先受到伤害，同时植物体内活性氧自由基累积，并引发膜脂过氧化作用。丙二醛是膜脂过氧化最主要的产物，其含量与细胞膜膜脂过氧化程度有关，能够反映植物所遭受胁迫伤害的程度[10-11]。同时，在逆境中，植物也会通过积累一些可溶性糖、脯氨酸等可溶性物质来进行渗透调节，以此适应干旱胁迫。一般而言，这些渗透调节物质累积越多，植物的抗旱性越强[12-13]。在逆境胁迫下植物细胞内还会因为自由基代谢过程不平衡而使自由基过剩，引发或加剧膜脂过氧化进程，损伤细胞膜系统。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)可有效清除这些自由基，称为酶促防御过程[14]。国内外学者对小麦(TriticumaestivumL.)、水稻(OryzasativaL.)、苜蓿(MedicagosativaL.)、高燕麦草(ArrhenatherumelatiusL.)等植物的苗期抗旱生理过程进行了大量研究[15-19]，其抗旱性鉴定多根据与抗旱性紧密相关的生理指标，如叶片含水量、叶绿素、丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、POD、CAT活性等。前人对小黑麦抗旱性研究多集中在萌发期[20-21]和成株期[22-23]，但对苗期抗旱生理研究很少。植物苗期的形态指标和主要生理指标受干旱影响较大，品种间差异明显，可从不同侧面反映出品种的抗旱能力[24]。本试验拟在项目组前期研究基础上[25]，利用30% PEG-6000模拟干旱环境，研究干旱胁迫对15个饲料型小黑麦品系苗期叶片相对含水量(RWC)、叶绿素(CHL)含量、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量和可溶性糖(SS)含量的影响，并对参试小黑麦进行抗旱性综合评价，以期筛选抗旱性较强，适合在干旱和半干旱地区种植的小黑麦品系，并为小黑麦抗旱育种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

利用有性杂交和系谱法选育的15个饲料型小黑麦品系，编号分别为Z1，Z3，Z5，Z6，Z9，Z12，Z19，Z21，Z23，Z36，Z41，Z48，Z49，Z50，Z55，对照为甘农1号小黑麦(CK1)和新小黑麦5号(CK2)。

1.2 试验设计

试验在甘肃农业大学草业学院温室内进行，采用盆栽模拟干旱条件。将大田土和草炭土按1∶1体积比混合均匀，装入花盆，播前浇足水，并施肥。选择成熟一致、籽粒饱满、健康无病虫害的小黑麦种子为试验材料，播种在花盆内，每个花盆种植45粒种子，定期浇水，以保证幼苗正常生长。待幼苗生长到2～3片真叶时，用200 ml浓度为30%的PEG-6000进行浇灌[25]，并保证溶液在盆中均匀分布。干旱处理后每2 d进行称重补水以维持溶液浓度。设置正常灌水(A1)和干旱胁迫(A2)2个处理，参试17个小黑麦材料共34个处理，每个处理设3次重复，并于处理后28 d采集顶部第1、2片展开叶叶片测定相关生理指标[25]。

1.3 测定指标及方法

叶片相对含水量(RWC)采用浸泡法测定[26]，叶绿素(CHL)含量采用丙酮反复提取法测定[26]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[27]，脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮染色法测定[27]，可溶性糖含量(SS)采用蒽酮比色法测定[27]。

1.4 抗旱系数、隶属函数值及抗旱性综合评价值(D值)的计算

抗旱系数是该性状在干旱胁迫处理下和正常灌水条件下的比值，计算公式为：

式中，n表示指标数量，i表示第i个指标。

由于植物的抗旱性是一个复杂的综合性状，隶属函数提供了一种在多指标测定基础上对植物抗旱性进行综合评价的途径，它可以克服利用少数指标对植物抗旱性进行评价的不足[28]。因此，本试验采用隶属函数法对不同小黑麦材料苗期抗旱性进行综合评价，每个小黑麦品系各指标的具体隶属函数值按下列公式计算：

式中，u(Xj)为各材料j指标的隶属函数值，Xj表示各材料第j个指标；Xjmin表示各材料j指标的最小值；Xjmax表示各材料j指标的最大值。

1.5 数据统计分析

采用软件Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0对试验数据进行统计分析。用二因素随机区组设计的方差分析法分析小黑麦材料间、干旱处理间、小黑麦材料×干旱处理间小黑麦RWC、CHL、Pro、SS、MDA含量的差异显著性，如果差异显著，分别用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

由表1可以看出，除干旱处理间小黑麦的CHL含量有显著差异外(P<0.05)，材料间、干旱处理间、材料×干旱处理交互作用间小黑麦的RWC、CHL、Pro、SS、MDA含量均存在极显著差异(P<0.01)，需对上述各指标进行多重比较。

表1 小黑麦苗期生理指标方差分析表(F值)

注: *表示差异达显著水平(P<0.05)；**表示差异达极显著水平(P<0.01)。

Notes: * indicates significant difference atP<0.05 level;** indicates significant difference atP<0.01 level.

2.1 小黑麦材料间生理特性的差异

2.1.1 RWC 由表2可知，参试小黑麦材料中Z9的平均RWC最高(77.26%)，与Z3、Z6、Z12、Z23和CK2间无显著差异，与其余材料间均存在显著差异；Z5的平均RWC含量(55.04%)显著低于其他材料(P<0.05)。

2.1.2 CHL含量 由表2可以看出，在不同小黑麦材料中，Z49的平均CHL含量(0.55 mg·g-1)显著高于除Z5、Z36和Z48外的其余材料；Z23的平均CHL含量最低(0.23 mg·g-1)，显著低于除Z3、Z6、Z9、Z12和Z41外的其余材料。

2.1.3 Pro含量 参试小黑麦材料中，Z1的平均Pro含量最高(0.36 mg·g-1)，与Z3、Z5、Z6、Z21、Z36、Z41、Z48、Z49和Z50间无显著差异，与其余材料间存在显著差异；CK2的平均Pro含量(0.15 mg·g-1)显著低于除Z9外的其余各材料(表2)。

2.1.4 SS含量 17个小黑麦材料中CK2的平均SS含量(113.33 mg·g-1)显著高于除Z3和Z5外的其余材料；Z12的平均SS含量最低(28.58 mg·g-1)，除与Z9、Z19和Z23无显著差异外，与其余各材料间均存在显著差异(表2)。

2.1.5 MDA含量 参试小黑麦材料中Z50的平均MDA含量最高(4.05 μmol·g-1)，除Z5、Z23、Z41和Z55外，显著高于其余材料；CK2的平均MDA含量(2.67 μmol·g-1)显著低于除Z9和Z12外的其余材料(表2)。

2.2 干旱胁迫处理间小黑麦生理特性的差异

由表3可知，干旱胁迫导致小黑麦幼苗的生理指标发生不同程度变化。与正常灌水相比，干旱胁迫使小黑麦叶片的平均RWC显著降低，平均CHL、Pro、SS和MDA含量显著升高。

表2 小黑麦材料间生理特性的差异

注: 同列不同小写字母表示不同材料间差异显著(P<0.05)，各小黑麦材料的生理指标值为正常灌水与干旱胁迫下的平均值；各列数据均用平均值±标准误表示，下同。

Notes: Different lowercase letters within the same column mean significant differences among different materials (P<0.05), and values showed above were the average of normal irrigation and drought stress；The data of each column were expressed by the mean values ± standard error, the same below.

表3 干旱处理间小黑麦生理特性的差异

注: 不同处理下生理指标值为所有参试小黑麦材料的平均值。

Notes: The values showed above were the average of all the tested triticale materials.

2.3 小黑麦材料×干旱处理交互作用间生理特性的差异

由表4可以看出，小黑麦材料×干旱处理交互作用间各生理指标均存在显著差异。与正常灌水相比，在30% PEG胁迫下，所有参试小黑麦材料的RWC均有不同程度下降，其中Z12的RWC降幅最小，其次为CK2，CK1降幅最大；CHL含量并没有表现出整体性增加或减少，其中Z1、Z5、Z19、Z21、Z36、Z41、Z48、Z50及CK1的CHL含量增加，其余小黑麦材料的CHL含量下降；Pro含量均表现出上升的趋势， Z12的增幅最小，CK1的增幅最大；SS含量均上升，Z19的增幅最小，Z3增幅最大；MDA含量的变化趋势同于Pro和SS含量，Z9的增幅最小，Z50的增幅最大。

2.4 小黑麦材料苗期抗旱性综合评价

本研究采用模糊隶属函数法对参试小黑麦材料的各个抗旱指标进行隶属函数值计算，并得到小黑麦材料的抗旱性综合评价值(D值)，再根据D值大小对其进行抗旱性排序(表5)。一般而言，D值越大，表明材料的抗旱能力越强[29]。MDA表现为活性氧毒害作用，不纳入综合评价[28]。

由表5可以看出，各小黑麦材料的抗旱性综合评价值差异较大，根据D值将供试材料进行抗旱性分级，参试小黑麦材料中，Z1、Z5和CK1属于高抗旱型，Z3、Z6、Z36、Z41、Z48、Z49以及Z50属于中抗旱型，Z21属于中间型，Z19、Z23、Z55和CK2属于干旱较敏感型，Z9和Z12属于干旱敏感型。

表4小黑麦材料×干旱处理交互作用间生理特性的差异

Table4Differencesofthephysiologicalpropertyfortheinteractionoftriticalematerialanddroughttreatment

材料×处理Material×treatment生理指标 Physiological indexRWC/%CHL/(mg·g-1)Pro/(mg·g-1)SS/(mg·g-1)MDA/(μmol·g-1)Z1×A186.59±1.55bc0.39±0.01fg0.17±0.01ghi15.02±0.24k2.14±0.17jkZ1×A243.97±1.59k0.55±0.02cd0.54±0.02cd177.18±9.40b4.13±0.16dZ3×A196.27±1.56a0.36±0.01gh0.12±0.00jkl16.39±1.18k2.65±0.07ghijZ3×A253.25±2.08j0.15±0.01no0.53±0.01d203.95±4.17a4.71±0.11cZ5×A166.41±1.13hi0.41±0.01fg0.13±0.01ijkl50.09±5.58h3.39±0.01efZ5×A243.67±1.25k0.58±0.01bcd0.54±0.02cd176.43±3.47b4.51±0.15cdZ6×A193.11±3.25a0.35±0.02ghi0.15±0.00hij17.45±1.22k2.63±0.21ghijZ6×A255.64±0.91j0.25±0.00jklm0.56±0.01abcd155.11±18.80c3.57±0.25eZ9×A182.05±2.26bcde0.27±0.01hijkl0.12±0.01jkl17.59±0.59k2.72±0.19ghiZ9×A272.46±0.68fg0.20±0.02klmno0.21±0.02g53.32±4.46h3.00±0.08fghZ12×A176.60±1.12ef0.28±0.02hijk0.19±0.02gh20.16±1.17jk2.33±0.02ijkZ12×A275.36±4.16fg0.19±0.01lmno0.21±0.01g37.01±5.92hij3.31±0.11efZ19×A181.29±1.24cde0.14±0.00o0.15±0.02hij29.05±1.58ijk2.15±0.11jkZ19×A262.00±1.17i0.49±0.01de0.29±0.02f45.54±1.07hi4.65±0.09cZ21×A166.78±1.17hi0.18±0.01mno0.13±0.01ijkl30.79±0.57ijk2.65±0.08ghijZ21×A251.57±2.18j0.46±0.02ef0.52±0.02d84.37±5.54g4.12±0.33dZ23×A185.93±2.28bc0.24±0.00jklm0.14±0.00ijk13.27±0.36k3.03±0.20fgZ23×A266.30±2.43hi0.22±0.02jklmn0.44±0.01e49.73±0.13h4.68±0.25cZ36×A182.25±1.10bcde0.35±0.04ghi0.13±0.01ijkl44.35±0.65hi2.52±0.06hijkZ36×A252.98±1.82j0.65±0.08ab0.55±0.01cd109.10±6.64f4.53±0.11cdZ41×A186.72±1.78bc0.20±0.01klmno0.12±0.01ijkl21.20±1.16jk2.43±0.10ijkZ41×A252.99±0.86j0.31±0.04hij0.58±0.01abc132.86±5.19d5.47±0.22abZ48×A193.45±0.18a0.35±0.02gh0.13±0.02ijkl21.24±1.54jk1.99±0.04kZ48×A250.45±1.21j0.67±0.02a0.53±0.01d114.85±4.20ef4.80±0.23cZ49×A182.92±1.53bcd0.58±0.04bc0.11±0.02jkl18.23±2.11k2.41±0.22ijkZ49×A255.59±1.21j0.51±0.05cde0.60±0.02a108.10±7.74f4.40±0.06cdZ50×A187.41±1.50b0.23±0.02jklmn0.11±0.01jkl21.91±3.09jk2.33±0.13ijkZ50×A245.02±3.24k0.56±0.05cd0.55±0.02bcd127.71±4.35de5.76±0.15aZ55×A185.35±1.39bc0.50±0.00cde0.10±0.01jkl44.68±3.65hi2.45±0.19ijkZ55×A264.50±1.85hi0.22±0.03klmno0.46±0.03e90.08±7.41g4.63±0.15cCK1×A175.33±2.37fg0.24±0.01jklm0.09±0.01l48.49±4.59h2.33±0.19ijkCK1×A237.86±0.83l0.56±0.02cd0.59±0.02ab133.20±3.81d5.27±0.18bCK2×A178.00±0.88def0.58±0.01bc0.10±0.01kl50.01±7.50h2.26±0.12ijkCK2×A270.17±1.44gh0.27±0.02ijklm0.21±0.00g176.66±6.95b3.07±0.03fg

注: A1和A2分别表示正常灌水处理和干旱胁迫处理。

Notes: A1 and A2 represent normal irrigation and drought stress treatment, respectively.

表5 干旱胁迫下各小黑麦材料的u(X)值、D值及排序

3 讨 论

3.1 植物苗期抗旱性研究的重要性

水资源短缺是限制牧草生长的关键因素，研究牧草的抗旱性并培育和筛选抗旱性强的品种可适当缓解干旱半干旱雨养农业区饲料短缺问题。植物受到干旱胁迫后其体内细胞及生理生化代谢发生一系列适应性变化，从而表现出抗旱性[30]，植物抗旱性是复杂的数量性状，与植物类型、基因型等紧密相关，并且容易受环境因素影响。吴文荣[31]测定了玉米苗期与抗旱性相关的生理指标，并研究了这些指标的综合评价值与干旱胁迫处理下产量抗旱指数的相关性，发现抗旱性强品种的种子产量较对照下降较少，而抗旱性弱品种的种子产量则较对照下降较多，从而说明研究植物苗期的抗旱性强弱可以用来快速预测品种抗旱性。

3.2 PEG-6000干旱胁迫对小黑麦苗期生理特性的影响

本试验通过研究不同小黑麦材料在正常灌水和干旱胁迫处理下幼苗生理指标的变化发现，环境因素对小黑麦生理特性的影响因基因型不同而异。参试小黑麦材料中，Z9的平均相对含水量最高(77.26%)，Z49的平均叶绿素含量最高(0.55 mg·g-1)，Z1的平均Pro含量最高(0.3568 mg·g-1)，CK2的平均可溶性糖含量最高(113.33 mg·g-1)、平均丙二醛含量最低(2.67 μmol·g-1)。干旱胁迫使小黑麦幼苗的平均相对含水量显著降低，平均叶绿素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和丙二醛含量显著升高，这与Jackson等[32]和霍红等[28]的研究结果一致。这主要是因为干旱胁迫使小黑麦做出一定响应，产生一系列复杂的生理变化，以适应干旱胁迫，减少或避免对自身造成损伤[33-34]。就小黑麦材料与干旱处理交互作用而言，参试小黑麦材料在30% PEG胁迫下叶片的相对含水量均有不同程度下降，降幅为1.62% ～ 49.74%，说明干旱胁迫导致小黑麦叶片水分亏缺，这与王曙光等[35]的研究结果一致，本试验中CK1和Z1叶片水分亏缺较严重。在干旱等逆境中植株叶片的叶绿素会受到一定损害，使叶绿素含量下降，导致光合能力降低，蒸腾作用受阻，进而影响植株生长发育[36]。干旱逆境下植物体内产生大量活性氧，破坏叶绿体结构，使叶绿素合成减少，导致叶绿素含量降低[37]。本研究结果表明，干旱胁迫使8个小黑麦材料的叶绿素含量降低(与上述结果一致)，但其余9个小黑麦材料的叶绿素含量却增加，这可能与植物对环境因子的补偿和超补偿效应有关[38-39]。干旱胁迫会使植物的细胞膜造成不同程度损伤[40]，因此在30% PEG胁迫下，17个小黑麦材料的丙二醛含量均增加，其中Z50的损伤程度最严重，Z9受伤害程度最低。干旱胁迫下参试小黑麦材料的脯氨酸含量均呈上升趋势，其中Z9和Z12增幅较少，Z49的增幅最大，说明其更能抵抗干旱胁迫或适应干旱环境[41]。与脯氨酸含量变化趋势一样，30% PEG干旱胁迫下所有参试小黑麦材料通过增加可溶性糖含量来抵抗或适应逆境[42]。

综上，用单一指标判断参试小黑麦材料的抗旱性得到的结果不一致，不同小黑麦材料对同一生理指标的反应不同，同一小黑麦材料对不同生理指标也会有不同响应，利用单一指标对小黑麦的抗旱性进行评价是片面的[43]，为综合考虑干旱胁迫环境下参试小黑麦幼苗的保水能力、光合性能、质膜过氧化程度和细胞中渗透调节物质积累等的变化，更科学地评价其抗旱性，本试验采用隶属函数法对参试小黑麦材料的抗旱性进行了综合评价，得到了不同小黑麦材料的抗旱性综合评价值(D值)，并根据D值对供试小黑麦材料的抗旱性进行了分级：Z1、Z5和CK1属于高抗旱型，抗旱性较强；Z9和Z12属于干旱敏感型，抗旱性较弱，这与观察的结果基本一致，说明采用隶属函数综合评定法在小黑麦抗旱性比较研究中是可行的。综合评价结果表明，甘农1号小黑麦和小黑麦品系Z1、Z5的抗旱性较强，适合在干旱半干旱雨养农业区种植。

4 结 论

小黑麦材料间、干旱处理间和小黑麦材料×干旱处理交互作用间各项生理指标差异显著。综合评价结果表明，15个小黑麦材料中Z1和Z5的抗旱性较强，属于高抗旱型，Z3、Z6、Z36、Z41、Z48、Z49和Z50属于中抗旱型，Z21属于中间型，Z19、Z23和Z55属于干旱较敏感型，Z9和Z12的抗旱性弱，属于干旱敏感型。