馬鳳江,楊 姝,李麗娜,陳小杏,潘 晶,孫曉丹

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,遼寧沈陽 110161;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),遼寧沈陽 110866;3.義縣林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,遼寧錦州 121100,4.喀左縣林業(yè)種苗技術(shù)服務(wù)中心,遼寧朝陽 122300)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)為豆科苜蓿屬多年生草本植物,其適口性好、品質(zhì)高、栽培面積廣且具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。據(jù)文獻(xiàn)顯示,遼西地區(qū)阜新紫花苜蓿種植面積已達(dá)6 700 hm2[4];2019年我國苜蓿產(chǎn)業(yè)種植面積得到大幅度提升,增至80萬hm2[5]。干旱是影響植物生長發(fā)育最嚴(yán)重的環(huán)境因素[6-7]。在干旱脅迫下,大部分紫花苜蓿的發(fā)芽率明顯下降,尤其在極端干旱的條件下種子萌發(fā)受到抑制但種子活力還在[8];紫花苜蓿的形態(tài)特征發(fā)生明顯變化,表現(xiàn)為株高變矮、分枝數(shù)變少、葉面積變小等[9-11]。根系性狀有利于植物獲取更多的水分,在面臨干旱脅迫時(shí),根長伸長生長受到抑制,根系生物量少,根冠比增大[12-13]。在生理生化方面,有研究表明葉綠素含量隨著干旱程度的增加呈先上升后下降的趨勢,脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛含量等不斷增加,葉片水勢下降[14-17]。

由于北方地區(qū)常年氣候干旱、降雨量少且蒸發(fā)量大,影響牧草紫花苜蓿的生長和發(fā)育,使其出現(xiàn)產(chǎn)量低、品質(zhì)差的問題。2001—2013年,中國苜蓿種植面積顯著擴(kuò)大了74%,其中約70%分布在中國北方[18]。因此,研究探索紫花苜蓿品種對干旱脅迫的響應(yīng)策略是非常必要的。鑒于此,筆者選取6個北方地區(qū)常用紫花苜蓿品種為研究材料,利用3種不同濃度的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬不同的干旱脅迫條件,研究紫花苜蓿種子萌發(fā)期抗旱性;利用盆栽試驗(yàn)?zāi)M干旱脅迫,比較干旱脅迫對紫花苜蓿的農(nóng)藝性狀、根系性狀、生理生化特征等指標(biāo)的影響,并通過隸屬函數(shù)綜合評估紫花苜蓿品種的抗旱性,研究了6個紫花苜蓿品種種子萌發(fā)和生長對干旱脅迫的響應(yīng),不僅分析各抗旱性狀與產(chǎn)量的關(guān)系及抗旱性狀間的相關(guān)關(guān)系,也為抗旱新品種的選育及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)選取6種北方地區(qū)常用紫花苜蓿品種,分別為新疆大葉(MedicagosativaL.cv.‘Xinjiangdaye’)、敖漢(MedicagosativaL.cv.‘Aohan’)、巨人201Z(MedicagosativaL.cv.‘Ameristand 201Z’)、費(fèi)納爾(MedicagosativaL.cv.‘Vernal’)、皇后(MedicagosativaL.cv.‘Alfaqueen’)、三德利(MedicagosativaL.cv.‘Sanditi’),其來源見表1。

表1 參試品種來源

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1種子萌發(fā)試驗(yàn)[19]。采用不同濃度PEG溶液模擬不同程度的干旱脅迫,共設(shè)置3種不同的干旱脅迫處理,即蒸餾水(CK)、5%PEG(輕度干旱)、15%PEG(重度干旱)脅迫下的吸水發(fā)芽能力(發(fā)芽率),每個處理3次重復(fù)。

1.2.2盆栽試驗(yàn)。在模擬旱棚中,采用盆栽處理。設(shè)干旱處理和充分灌溉2種方式,各3次重復(fù),共計(jì)36盆。將苜蓿種子精選盆栽,盆高30 cm ,底徑15 cm ,每盆裝過篩干土3 kg,所用土壤為大田表土。待苗出齊后間苗、定苗(每盆保留10株大小均勻一致的苜蓿幼苗)。出苗20 d開始干旱處理,每次干旱10 d,然后澆足水,再干旱,連續(xù)3次。對照為充分灌溉,設(shè)3次重復(fù),定期澆水保證植株旺盛生長。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1發(fā)芽率。發(fā)芽率=總發(fā)芽種子數(shù)/總供試種子數(shù)×100%。

1.3.2農(nóng)藝性狀及根系性狀的測定。試驗(yàn)播種60 d后,盆栽試驗(yàn)結(jié)束。對所有的處理進(jìn)行取樣,對植株測量株高(莖的基部至頂端)、分枝數(shù)(以莖的基部開始計(jì)數(shù))、葉面積(利用葉面積儀測量)、主根長度及根體積(排水法測量,排出水的體積即為根系體積)。

This reduction of DIBL in GSGCDMT structure is due to better gate controllability and screening of the minimum potential position from VDS due to gate and channel engineering techniques. The calculated and simulated values are in close agreement.

1.3.3生理生化指標(biāo)的測定。采用酸性茚三酮法進(jìn)行脯氨酸測定[20];采用乙醇丙酮浸泡提取法進(jìn)行葉綠素測定[21];采用露點(diǎn)法進(jìn)行葉片水勢測定,葉片的實(shí)際水勢=實(shí)測水勢/(0.325+0.027T)[22];以上指標(biāo)測定均進(jìn)行3次重復(fù)。

1.3.4生物量及相對含水量的測定。地上生物量:收集每盆植株的地上部分風(fēng)干后測定其干重。地下生物量:地上部分收集完后將花盆內(nèi)的土一次倒出用網(wǎng)袋收集植株的地下部分,然后用清水洗凈風(fēng)干后測定其干重。根冠比:根冠比=干旱脅迫植株的地下生物量/地上生物量。相對含水量:采用飽和稱重法,相對含水量(%)=(鮮重-干重)/(飽和重-干重)×100%。

1.4 抗旱性綜合評價(jià)采用隸屬函數(shù)(模糊元函數(shù))的方法對6個紫花苜蓿品種的抗旱性進(jìn)行評價(jià)。為了消除各苜蓿品種的性狀差異,將要處理的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為相對值(干旱脅迫值與對照值的比值),然后通過隸屬函數(shù)法對各品種的每個指標(biāo)的相對值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[23-24]。

與抗旱性呈正相關(guān)的指標(biāo)方程為:

與抗旱性呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)方程為:

式中:Xij為品種j的指標(biāo)值;Xjmin為品種j的最小值;Xjmax為品種j的最大值。

最后,將各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值平均得出相對抗旱性進(jìn)行評分。

相對抗旱性=[I(1)+I(2)+I(3)+I(4)+I(5)+I(6)]/6

1.5 數(shù)據(jù)分析采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖;采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA);采用Duncan’s的多范圍檢驗(yàn)檢測均值之間的顯著差異(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種發(fā)芽率的影響不同程度干旱脅迫下6種紫花苜蓿品種的發(fā)芽率見圖1。由圖1可知,隨著干旱程度的增加,6個紫花苜蓿品種的發(fā)芽率均呈下降的趨勢。在5%PEG溶液脅迫(輕度干旱)下,巨人201Z與皇后差異顯著(P<0.05)。在15%PEG溶液脅迫(重度干旱)下,巨人201Z與皇后、巨人201Z與三得利間差異顯著(P<0.05)。新疆大葉、巨人201Z、費(fèi)納爾、皇后、三得利在15%PEG溶液脅迫下均與5%PEG溶液脅迫、蒸餾水(CK)處理間差異顯著(P<0.05),而各品種在5%PEG溶液脅迫與蒸餾水處理間均差異不顯著(P>0.05)。敖漢在15%PEG溶液脅迫與蒸餾水處理間差異顯著(P<0.05)。以上結(jié)果說明,巨人201Z在抗旱條件下發(fā)芽率較高,適合在干旱條件下種植。

注:不同小寫字母表示在同一處理?xiàng)l件下不同品種間在0.05水平差異顯著;不同大寫字母表示同品種不同處理間在0.05水平差異顯著。Note:Different lowercases under the same treatment condition indicated significant differences between varieties at 0.05 level;different capital letters under different treatments indicated significant differences at 0.05 level.圖1 不同處理下各品種發(fā)芽率比較Fig.1 Comparison of germination rate of different varieties under different treatments

2.2 干旱脅迫對不同品種紫花苜蓿農(nóng)藝及根系性狀的影響在干旱處理下,6個紫花苜蓿品種間的株高表現(xiàn)有差異但不顯著(P>0.05);新疆大葉、巨人201Z、費(fèi)納爾以及三得利在干旱和灌溉處理間的株高存在顯著差異(P<0.05),而敖漢、皇后在干旱和灌溉處理間株高差異不顯著(P>0.05)(圖2A)。在干旱處理下,6個紫花苜蓿品種的分枝數(shù)和各品種在干旱和灌溉處理之間的分枝數(shù)均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)(圖2B)。在干旱處理下,巨人201Z與新疆大葉、敖漢以及三得利間的葉面積差異顯著(P<0.05),費(fèi)納爾與三得利間的葉面積差異顯著(P<0.05);三得利在干旱和灌溉處理間的葉面積差異顯著(P<0.05),而新疆大葉、敖漢、巨人201Z、費(fèi)納爾和皇后在干旱和灌溉處理間的葉面積差異不顯著(P>0.05)(圖2C)。在干旱處理下,6個紫花苜蓿品種間的主根長度表現(xiàn)差異不顯著(P>0.05),敖漢在干旱和灌溉處理間的主根長度差異不顯著(P>0.05)(圖2D)。在干旱處理下,6個紫花苜蓿品種間的根體積和各品種在干旱和灌溉處理之間的根體積均表現(xiàn)差異不顯著(P>0.05)(圖2E)。以上結(jié)果說明,巨人201Z在干旱條件下表現(xiàn)的形態(tài)特征最好,熬漢在干旱條件下主根長最長,利于吸收土壤中的水分。

注:不同小寫字母表示在同一處理?xiàng)l件下不同品種間在0.05水平差異顯著;不同大寫字母表示同品種不同處理間在0.05水平差異顯著。Note:Different lowercases under the same treatment condition indicated significant differences between varieties at 0.05 level;different capital letters under different treatments indicated significant differences at 0.05 level.圖2 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種農(nóng)藝及根系性狀的影響Fig.2 Effects of drought stress on agronomic and root traits of different varieties of alfalfa

2.3 干旱脅迫對不同品種紫花苜蓿生理生化特征的影響在干旱處理下,6個紫花苜蓿品種間的脯氨酸有差異但不顯著(P>0.05),各品種在干旱和灌溉處理間均有顯著差異(P<0.05)(圖3A)。在干旱處理下,6個紫花苜蓿品種間的葉片水勢表現(xiàn)差異不顯著(P>0.05),新疆大葉、敖漢、巨人201Z、費(fèi)納爾、皇后和三得利在干旱和灌溉處理間的葉片水勢差異不顯著(P>0.05)(圖3B)。在干旱處理下,新疆大葉與敖漢、費(fèi)納爾、皇后、三得利間的葉綠素含量差異顯著(P<0.05),敖漢與巨人201Z間的葉綠素含量差異顯著(P<0.05);新疆大葉在干旱和灌溉處理間的葉綠素差異顯著(P<0.05)(圖3C)。以上結(jié)果說明,新疆大葉和巨人201Z在干旱條件下葉綠素含量較高,光合作用較強(qiáng),能在抗旱環(huán)境中生長發(fā)育良好。

注:不同小寫字母表示在同一處理?xiàng)l件下不同品種間在0.05水平差異顯著;不同大寫字母表示同品種不同處理間在0.05水平差異顯著。Note:Different lowercases under the same treatment condition indicated significant differences between varieties at 0.05 level;different capital letters under different treatments indicated significant differences at 0.05 level.圖3 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種生理生化特征的影響Fig.3 Effects of drought stress on the physiological and biochemical characteristics of different varieties of alfalfa

2.4 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種生物量、根冠比的影響在干旱處理下,新疆大葉與敖漢、費(fèi)納爾、皇后、三得利間的地上生物量差異顯著(P<0.05),敖漢與新疆大葉、巨人201Z、費(fèi)納爾間的地上生物量差異顯著(P<0.05),巨人201Z與新疆大葉、皇后、三得利、敖漢間的地上生物量差異顯著(P<0.05),費(fèi)納爾與新疆大葉、敖漢、三得利間的地上生物量差異顯著(P<0.05);敖漢、巨人201Z、費(fèi)納爾、皇后在干旱和灌溉處理間的地上生物量差異顯著(P<0.05),而新疆大葉和三得利在干旱和灌溉處理間地上生物量差異不顯著(P>0.05)(圖4A)。在干旱處理下,新疆大葉與皇后、三得利間的地下生物量差異顯著(P<0.05),巨人201Z與皇后、三得利間的地下生物量差異顯著(P<0.05);新疆大葉、敖漢、巨人201Z、費(fèi)納爾、皇后在干旱和灌溉處理間的地下生物量差異顯著(P<0.05),三得利在干旱和灌溉處理間的地下生物量差異不顯著(P>0.05)(圖4B)。干旱處理下,新疆大葉與敖漢間的根冠比差異顯著(P<0.05);敖漢在干旱和灌溉處理間的根冠比差異顯著(P<0.05),三得利、新疆大葉、巨人201Z、費(fèi)納爾、皇后在干旱和灌溉處理間的根冠比差異不顯著(P>0.05)(圖4C)。以上結(jié)果說明,干旱條件下不同紫花苜蓿品種將更多的生物量分配給地下部分,從而有利于吸收地下養(yǎng)分。

2.5 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種相對含水量的影響由圖5可知,在干旱處理下,新疆大葉與巨人201Z間的相對含水量差異顯著(P<0.05);巨人201Z在干旱和灌溉處理間的相對含水量差異顯著(P<0.05),費(fèi)納爾、新疆大葉、敖漢、皇后、三得利在干旱和灌溉處理間的相對含水量差異不顯著(P>0.05)。以上結(jié)果說明,巨人201Z在干旱條件下相對含水量較好,有利于植物的生長發(fā)育。

注:不同小寫字母表示在同一處理?xiàng)l件下不同品種間在0.05水平差異顯著;不同大寫字母表示同品種不同處理間在0.05水平差異顯著。Note:Different lowercases under the same treatment condition indicated significant differences between varieties at 0.05 level;different capital letters under different treatments indicated significant differences at 0.05 level.圖5 干旱脅迫對不同紫花苜蓿品種相對含水量的影響Fig.5 Effects of drought stress on relative water content of different varieties of alfalfa

2.6 6種苜蓿品種抗旱性綜合評價(jià)利用農(nóng)藝性狀、根系形狀、生理生化指標(biāo)、總生物量、根冠比、相對含水量的相對值,對6種紫花苜蓿品種的相對抗旱性進(jìn)行評價(jià)和比較。結(jié)果顯示,6種品種的抗旱性從大到小排列依次為敖漢、巨人201Z、皇后、三得利、新疆大葉、費(fèi)納爾(表2)。

表2 不同紫花苜蓿品種抗旱性綜合評價(jià)

3 討論

植物的生活史中的種子萌發(fā)期是關(guān)鍵時(shí)期,在一定程度上能夠反映對環(huán)境脅迫的忍受能力,同時(shí)也是研究植物抗旱性的重要時(shí)期。在干旱脅迫下,種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及活力指數(shù)等指標(biāo)都呈下降的趨勢,隨著干旱程度的增加,有些種子萌發(fā)受到抑制但種子活力依然存在。劉佳月等[8]研究表明,輕度干旱能夠促進(jìn)紫花苜蓿種子萌發(fā),中度干旱出現(xiàn)顯著抑制現(xiàn)象,而在極端干旱下紫花苜蓿已經(jīng)受到完全抑制,但復(fù)水試驗(yàn)是能夠再次萌發(fā)。程波等[25]研究表明,不同程度的干旱脅迫對各種紫花苜蓿種子的萌發(fā)均有抑制作用,且在發(fā)芽高峰期不同程度上推遲5 d左右。該試驗(yàn)結(jié)果顯示,輕度干旱(5%PEG溶液脅迫)條件下與水分充足條件下發(fā)芽率相差不大,但是在嚴(yán)重干旱(15%PEG溶液脅迫)條件下發(fā)芽率顯著降低,這也與許多前人的研究結(jié)果相一致。6個紫花苜蓿品種在輕度抗旱和嚴(yán)重抗旱條件下,巨人201Z均表現(xiàn)出較強(qiáng)的萌發(fā)能力。

由于紫花苜蓿可以作為牲畜的天然飼料,生物量的積累可以作為衡量生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。尤其在水分有限的條件下,苗期根系生物量比地上部分生物量的積累更為重要,而根冠比則是表示兩者關(guān)系的典型指標(biāo),且與抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系。李躍等[26]研究表明,隨著水分脅迫程度的增加地上生物量呈逐漸下降趨勢,根冠比均呈上升趨勢。李文嬈等[27]研究表明,紫花苜蓿在干旱脅迫下根系生物量、地上生物量和根冠比隨著生育時(shí)期的推進(jìn)都會產(chǎn)生適應(yīng)性的變化。該試驗(yàn)結(jié)果顯示,新疆大葉在根系和地上部分生物量都高于其他5個品種,而新疆大葉的根冠比干旱處理比灌溉處理稍低一些,這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中存在誤差。

脯氨酸在滲透調(diào)節(jié)中起著重要作用,尤其在缺水條件下,脯氨酸會大量積累在細(xì)胞質(zhì)中以平衡液泡中溶質(zhì)的積累。干旱脅迫下紫花苜蓿中脯氨酸比可溶性糖的含量變化大,因此證明脯氨酸比可溶性糖更能作為紫花苜蓿的抗旱指標(biāo)[28]。許多研究表明,在干旱脅迫下脯氨酸含量均會升高[9,15,29]。在該試驗(yàn)中,正常情況下紫花苜蓿體內(nèi)脯氨酸含量不高,一般低于0.05 mg;在干旱條件下脯氨酸含量明顯增加,大部分在0.25～0.31 mg;皇后、三得利在干旱處理后脯氨酸含量都增加到0.30 mg以上。這說明對干旱敏感程度大,而新疆大葉、敖漢2個品種干旱處理后脯氨酸含量在參試品種中增較少,在0.20～0.25 mg。試驗(yàn)表明,新疆大葉、敖漢抗旱性最強(qiáng)。葉綠素只有在土壤水分極度缺乏和組織水分極度緊張的情況下,才會出現(xiàn)分解現(xiàn)象。隨著干旱程度的增加,葉綠素含量先升高后下降[14];干旱脅迫下紫花苜蓿葉綠素結(jié)構(gòu)會遭到破壞[30]。各品種的紫花苜蓿在干旱處理下的葉綠素含量均高于灌溉處理,因此短期的干旱脅迫并不會導(dǎo)致葉綠素含量降低。

葉片水勢是植物細(xì)胞和組織的重要水分生理參數(shù)之一,是判斷植物水分虧缺、衡量抗旱性的重要指標(biāo),水勢的大小影響植物的生長發(fā)育?？购党潭仍黾?葉片水勢呈持續(xù)下降趨勢[19],抗旱性強(qiáng)的苜蓿葉水勢下降幅度更大[31]。該試驗(yàn)結(jié)果顯示,干旱脅迫下6個品種的葉片水勢呈不同程度下降,新疆大葉的葉片水勢最高。葉片相對含水量也是植物組織水分脅迫程度的重要指標(biāo)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,所有品種干旱處理的平均相對含水量均高于灌溉處理,其中巨人201Z的相對含水量最高。

植物的抗旱性需通過多種指標(biāo)的綜合,難以用單一指標(biāo)準(zhǔn)確闡明。該試驗(yàn)利用農(nóng)藝性狀、根系性狀及生理生化等多種指標(biāo)相結(jié)合,綜合評估不同紫花苜蓿品種的抗旱性。從評估結(jié)果可以看出,敖漢和巨人201Z適合在干旱地區(qū)種植。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)探索了紫花苜?？购敌澡b定方法及其需水規(guī)律,而抗旱性又與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和干旱條件,在風(fēng)沙半干旱地區(qū)選擇苜蓿品種時(shí)就需要找出結(jié)合點(diǎn),選擇中等抗旱品種即可。此外,該試驗(yàn)也為抗旱性新品種選育及生產(chǎn)上經(jīng)濟(jì)灌溉提供理論依據(jù)。