4个紫花苜蓿品种萌发期抗旱性比较

惠雅佞，罗永忠

(甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070)

水分是影响植物生理生态特性及生长发育的重要环境因子[1-2]，随着水资源危机和干旱化危害的不断加剧，植物如何适应干旱已成为全球研究的热点问题之一[3-6]。甘肃是西北地区牧草栽培大省，据统计，栽培的优良牧草种类有47种，占整个西北牧草种的88.7%，栽培面积也以甘肃最大，其中，紫花苜蓿种植面积占牧草总面积的66.6%[7]，但甘肃省地处干旱半干旱地区，气候干燥，降水量小，导致干旱成为甘肃省最常见、影响范围最广、损失最大的自然灾害[8]，所以牧草种植和生态环境建设中选择抗旱性强的植物极为重要，而研究植物的抗旱能力可从植物的根、茎、叶和种子入手[9-10]。其中，植物种子萌发期是植株成苗、生长的关键时期[11]，种子在萌发期如何对干旱做出响应也是植物适应干旱的重要策略。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是干旱半干旱地区广泛种植且发展前景优良的牧草品种，它具有产量高、适口性好、适应性强等特点，素有“牧草之王”的美称[12]。甘农1号(Medicagosativacv.Gannong No.1)、新疆大叶苜蓿(Medicagosativacv.Xinjiangdaye)、中苜1号(Medicagosativacv.Zhongmu No.1)及中天1号(Medicagosativacv.Zhongtian No.1)是在甘肃乃至西北地区广泛种植的4个优良紫花苜蓿品种，均具有较强的抗旱性。甘肃地处黄土高原，牧草播种多在春秋季，但黄土高原冬季气温远低于0 ℃，在秋季播种苜蓿会导致其无法安全越冬，因此，紫花苜蓿常在4月播种[13-14]，但该地区春季降水量平均在80-100 mm之间，极大地限制了紫花苜蓿种子的萌发[15-16]，进而影响着苜蓿在甘肃的种植和畜牧业发展。聚乙二醇6000(Polyethylene glycol,PEG-6000)是一种高分子聚合物，具有很强的亲水性，能够夺取水分，对植物造成干旱胁迫，常作为水分胁迫剂应用于干旱模拟[17]。目前国内外利用PEG-6000模拟干旱胁迫的方法对各类植物种子萌发的影响研究较多[18-22]，对于甘肃广泛种植的这4个紫花苜蓿品种在干旱胁迫下的萌发期抗旱性比较研究较少，因此本实验通过采用PEG-6000模拟干旱的方法，测定不同浓度PEG-6000下4个紫花苜蓿品种的种子的发芽势、发芽率、发芽指数等萌芽指标，对4种紫花苜蓿萌发期抗旱性做综合评价，为甘肃乃至西北地区干旱半干旱区的牧草种植提供参考，并为植物节水农业技术措施的制定提供理论依据与支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试的4个紫花苜蓿品种为：甘农1号、新疆大叶苜蓿、中苜1号及中天1号，种子净度为96%～98%，均来自甘肃农业大学草业学院。

1.2 试验方法

1.2.1 种子和培养皿处理 选择成熟、饱满、大小适宜、均匀一致且无病虫害的4个紫花苜蓿品种的种子，参照《国际种子检验规程》[23-24]，先浸泡24 h，再用质量分数为0.5%的高锰酸钾溶液浸泡30 min，进行消毒，之后用无菌水反复冲洗5～6次，用滤纸吸干备用。将玻璃培养皿(内径90 mm)放入高温灭菌锅中121 ℃灭菌25 min[25]待用。

1.2.2 实验设计 用不同浓度的PEG-6000溶液对4个紫花苜蓿品种的种子进行处理，即0%、5%、10%、15%、20%、25%(分别称取0、5、10、15、20、25 g聚乙二醇，溶于蒸馏水中，并定容至100 mL)。苜蓿种子各设6个处理，每个处理各设3个重复，每个重复各种50粒种子，发芽期10 d。在事先灭菌消毒过的培养皿中铺设双层大小与培养皿内径一致的滤纸，分别加入等量的不同浓度的PEG-6000溶液，直至滤纸饱和，称其重量。之后将50粒种子均匀摆放在滤纸上，放入光照强度5 500 lx，相对湿度60%，温度为25 ℃的人工智能气候培养箱(光照/黑暗时间为12 h/12 h)中催芽[26](表1)。每天定时观察并记录种子萌发情况，用1/10000电子天平称量培养皿的重量，并用蒸馏水补足损失的水分以保证PEG的浓度。

表1 实验设计

1.3 测量指标与方法

将3次重复中有1粒种子萌发时作为该处理种子发芽的开始，连续3 d没有种子萌发作为发芽的结束，统计每天的发芽数、发芽总数，并计算以下指标：

1)发芽势=4 d内种子发芽总数/供试种子数×100%

2)发芽率=10 d内种子发芽总数/供试种子数×100%

3)发芽指数=∑(GT/DT)

式中：GT为第t天的发芽数，DT为相应的发芽时间(d)

4)抗旱指数=PEG胁迫下种子发芽指数/对照种子发芽指数

5)根芽比：种子发芽结束时，每个处理随机选10株，测量其根长与芽长，计算根芽比[22]

1.4 抗旱性综合评价方法

利用隶属函数法[26]对4个紫花苜蓿品种进行综合评价，隶属函数值X(μ)如下式：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：X为某一紫花苜蓿某一指标测定值的均值，Xmax、Xmin为某一紫花苜蓿品种某一指标均值的最大值和最小值。如果某一指标与抗性指标呈负相关，则可以通过反隶属函数计算其抗旱性隶属函数值：

X(v)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

根据平均隶属函数值大小确定抗旱性强弱并进行排序，平均值越大，抗旱性越强。

1.5 数据分析

用Excel 2010整理数据并作图,用SPSS 22.0统计分析软件进行方差分析，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下4个紫花苜蓿品种的种子发芽势和发芽率的变化

PEG模拟干旱胁迫下，4个紫花苜蓿品种的种子的发芽势和发芽率随胁迫程度的加剧均呈下降趋势，且新疆大叶苜蓿种子的发芽势和发芽率在6种处理下均最大，并与其他3个紫花苜蓿品种的发芽势和发芽率差异显著(图1)(P<0.05)。在PEG溶液浓度为5%时，中苜1号的发芽势与新疆大叶苜蓿、甘农1号和中天1号的发芽势差异显著(P<0.05)，其发芽势比新疆大叶苜蓿降低了10.67%，比其他两种分别增加了4%(甘农1号)和5.33%(中天1号)；随着干旱程度的加剧，在PEG溶液浓度达到25%时，新疆大叶苜蓿和中苜1号的发芽势差异不显著，但这两个品种均与甘农1号和中天1号的发芽势差异显著(P<0.05)，新疆大叶苜蓿(13.33%)是甘农1号(7.33%)和中天1号(7.33%)的1.82倍，中苜1号(11.33%)是甘农1号(7.33%)和中天1号(7.33%)的1.55倍(图1-A)，在PEG溶液浓度为5%和15%时，4种紫花苜蓿品种间发芽率差异显著(P<0.05)，甘农1号、新疆大叶苜蓿、中苜1号和中天1号在PEG浓度为5%和15%时的发芽率之比分别为80.67∶90.67∶77.33∶72.67和31.33∶54.67∶47.33∶15.33(图1-B)。

图1 不同胁迫下紫花苜蓿种子的发芽势和发芽率

甘农1号在PEG溶液浓度为15%、20%和25%下的发芽势、发芽率均差异显著(P<0.05)；新疆大叶苜蓿在高浓度(15%、20%和25%)间的发芽势、发芽率差异显著(P<0.05)；中苜1号在PEG溶液浓度为10%下的发芽势和15%下的发芽势、发芽率差异显著(P<0.05)，且这两个浓度下的发芽势与其他4个处理下的发芽势差异显著(P<0.05)；中天1号在低浓度(0%、5%、10%)下的发芽势、发芽率与在高浓度(15%、20%、25%)下的发芽势和发芽率差异显著(P<0.05)，且在低浓度之间也差异显著(P<0.05)。

2.2 不同干旱胁迫下4个紫花苜蓿种子发芽指数和抗旱指数的变化

4个紫花苜蓿种品种的子的发芽指数和抗旱指数在PEG浓度从0%上升到25%的过程中，均呈现下降的趋势。新疆大叶苜蓿的发芽指数在5种浓度处理下(除PEG浓度为15%外)均比其他3种紫花苜蓿的发芽指数大，且除PEG浓度为25%的处理下与其他3种紫花苜蓿的种子发芽指数差异不显著外，在其他PEG浓度下与其他3种紫花苜蓿的种子发芽指数差异均显著(P<0.05)。在PEG浓度为0%的情况下，新疆大叶苜蓿(37.25)的种子发芽质量最好，其次是中苜1号(32.20)和中天1号(29.03)，种子发芽质量最差的为甘农1号(26.49)；当PEG浓度达到25%时，4个紫花苜蓿品种的种子发芽指数差异不显著(图2-A)。PEG浓度达到20%以上时，4个紫花苜蓿品种间抗旱指数差异均不显著，PEG浓度在低浓度(5%和10%)时，甘农1号种子的抗旱指数与其他3个紫花苜蓿品种的抗旱指数差异显著(P<0.05)。另外，PEG浓度为25%时，新疆大叶苜蓿的抗旱指数(0.109)最大，其余3个紫花苜蓿品种的种子的抗旱指数均不到0.1(图2-B)。

图2 4个紫花苜蓿品种的种子的发芽指数和抗旱指数

4个紫花苜蓿品种在PEG浓度为0%时的发芽指数、抗旱指数与5%和25%下的发芽指数和抗旱指数差异显著(P<0.05)，在PEG浓度为25%时，甘农1号、新疆大叶苜蓿、中苜1号和中天1号的发芽指数较PEG浓度为0%时分别下降了91.39%、88.94%、90.15%和92.83%。PEG浓度从5%上升到25%的过程中，中天1号种子的抗旱指数下降最快，中苜1号的下降最慢，在PEG浓度达到15%时，中天1号的种子抗旱指数较PEG浓度为0%时降低了85.7%，中苜1号则降低了52.7%。

2.3 不同干旱胁迫下4种紫花苜蓿根芽比的变化

在各处理下甘农1号的根芽比均最大，新疆大叶苜蓿的根芽比均最小。在PEG浓度为5%、20%和25%下，不同紫花苜蓿品种间根芽比差异显著(P<0.05)，在PEG浓度从0%上升到25%的过程中，4种紫花苜蓿的根芽比大小为甘农1号>中天1号>中苜1号>新疆大叶苜蓿(图3)。

图3 4个紫花苜蓿品种的根芽比

4个紫花苜蓿品种的根芽比在PEG浓度从0%上升到25%的过程中，呈现先升高后降低的变化趋势：4个紫花苜蓿品种的根芽比在PEG浓度为5%时均大于其他PEG浓度。甘农1号、中天1号、中苜1号和新疆大叶苜蓿的根芽比PEG浓度为5%较0%分别增加了14.78%、3.6%、2.95%和3.37%。中苜1号和新疆大叶苜蓿的根芽比在各个PEG浓度之间的变化较甘农1号和中天1号缓慢：25%的PEG浓度较5%的PEG浓度，甘农1号和中天1号分别降低了47.18%和43.54%，中苜1号和新疆大叶苜蓿分别降低了40.31%和40.48%。

2.4 4个紫花苜蓿品种的种子抗旱性综合评价

对不同PEG浓度下4个紫花苜蓿品种萌芽期的发芽势、发芽率、发芽指数、抗旱指数和根芽比进行二因素方差分析(表2)，紫花苜蓿的发芽势、发芽率、发芽指数、抗旱指数和根芽比在不同PEG浓度下有极显著变化(P<0.01)，发芽势、发芽率、发芽指数和抗旱指数4项萌芽指标在不同品种间也有极显著变化(P<0.01)，不同品种间根芽比呈显著差异(P<0.05)，但不同PEG浓度及紫花苜蓿品种二者交互作用对紫花苜蓿的发芽势、发芽率、发芽指数、抗旱指数和根芽比无显著影响。

表2 PEG浓度、苜蓿品种及二者的交互作用对紫花苜蓿种子发芽指标的双因素方差分析(F值)

利用隶属函数法对4个紫花苜蓿品种的发芽势、发芽率、发芽指数、抗旱指数和根芽比进行综合评价，得到4个紫花苜蓿品种的抗旱指标隶属函数值(表3)。根据隶属函数值的平均值进行排序，得出4个紫花苜蓿品种的种子萌发期抗旱性强弱依次为甘农1号>中苜1号>新疆大叶苜蓿>中天1号，中苜1号和新疆大叶苜蓿隶属函数值的平均值差异不显著，表明两者的抗旱性差异不明显。

表3 4个紫花苜蓿品种抗旱指标隶属函数值及抗旱性综合评价

3 讨论

种子萌发期是植株成活的关键时期，也是对水分响应敏感的阶段，种子萌发期的抗旱性强弱直接影响着植株后期的生长发育[27]，因此，研究种子萌发期的抗旱性有着直接的现实意义。发芽率能够反映种子品质的优劣；发芽势表征着种子的活力、出苗整齐度；发芽指数能反映种子发芽的质量；抗旱指数能很好地反映出材料间抗旱性的差异[28-30]。本研究中，4种紫花苜蓿种子的发芽率、发芽势、发芽指数和抗旱指数种间差异显著，可能是因为种子的生理状态(成熟度)不一，通常情况下，成熟度越好，种子就具有较高且保持时间较长的活力，能够为其萌发提供的营养物质就越充足，发芽指标值也就越高；种子的成熟度不高或较差时，难以获得较高的活力，种子发芽就会受到影响[31]。大量研究表明[32-35]，利用不同浓度的PEG溶液模拟干旱胁迫对不同牧草的发芽率、发芽势、抗旱指数等的研究，可初步判定植物整体的抗旱性。有研究表明，随干旱胁迫的加剧，种子的发芽率、发芽势、抗旱指数呈下降趋势，如董浩等[36]研究发现随着胁迫浓度的升高，黑麦草、鼠茅草、二月兰和毛叶苕子4种种子的发芽率和抗旱指数不断下降；李静静等[37]认为，PEG-6000胁迫处理后不同基因型小麦品种的发芽率、发芽势、发芽指数均受到抑制，但不同品种的降幅存在显著差异。本研究同样采用PEG模拟干旱的方法，发现4种紫花苜蓿种子的发芽率、发芽势、发芽指数和抗旱指数随干旱胁迫的加剧呈下降趋势，这与前人[38]的研究结果一致。也有研究表明，低浓度的PEG溶液对植株萌芽有促进作用，如曾怡[39]关于垂穗披碱草和老芒麦的研究发现，PEG溶液浓度为5%时，对两者的主根长和根芽比均有促进作用；肖亮等[40]发现5%的PEG溶液对芒草幼苗的胚根生长有促进作用，对胚芽生长有抑制作用；孙清洋等[41]研究表明随着PEG浓度的增加4种老芒麦幼苗胚根长先升后降。本研究表明，4种紫花苜蓿在PEG浓度为5%时，根芽比最大，未受PEG胁迫时次之，该结论与上述结果相一致，说明PEG浓度为5%时可促进根的形成，高浓度的PEG溶液对其有抑制作用。据报道，在低浓度(5%)的PEG溶液胁迫下植物吸收的营养物质先供给地下部分(胚根)，利于植株存活，根芽比较未受胁迫时增大，但当干旱胁迫加剧，根部不能吸收到更多的营养物质时，胚芽的生长加剧，以提高光合作用，为植株供给营养，根芽比较未受胁迫时减小[42-43]。当然，低浓度的PEG溶液对植物幼苗根的形成是否具有促进作用，也可能与植物的品种和植物对水分的敏感度有关[44]。

植物的抗旱性是一个受多种因素影响的复杂性状，不能单纯地用一两个指标说明，应根据研究目的选用多个指标综合评价，才能比较客观地表现植物的抗旱性[45]，而对于苜蓿抗旱性评价的指标筛选，前人们已做了很多研究，从本研究结果不难看出仅根据各项单一指标对4种紫花苜蓿的抗旱性进行排序的结果非常不一致，而对这些指标进行隶属函数值的计算，取其平均值，然后排序，既消除了个别指标产生的片面性，又由于平均值是[0，1]区间上的纯数，使各紫花苜蓿品种抗旱性差异具有可比性，所以采用隶属函数法进行综合评价更具有可行性和可靠性和科学性[44-46]。本研究选取发芽势、发芽率、发芽指数、抗旱指数和根芽比作为评价4种紫花苜蓿萌发期抗旱性的指标，分别分析了不同浓度的PEG溶液对4种紫花苜蓿种子发芽势、发芽率、发芽指数、抗旱指数和幼苗根芽比的影响，采用隶属函数法进行综合评价排序，结果表明4种紫花苜蓿种子萌发期的抗旱性强弱顺序依次为甘农1号>中苜1号>新疆大叶苜蓿>中天1号，曾泽堂等[47]综合分析得出甘农1号紫花苜蓿种子的抗旱性强于新疆大叶苜蓿，杨姝等[22]对27份紫花苜蓿种质抗旱性的研究表明中苜1号种质的抗旱性高于新疆大叶苜蓿，这与本研究基本相同。本研究得出甘农1号和中苜1号较其他2种苜蓿更适合在甘肃乃至整的西北地区种植，但本研究只对4种紫花苜蓿萌发期各指标进行综合评价，还需对4种紫花苜蓿在其他生育阶段的抗旱性进行进一步比较。

4 结论

采用PEG-6000模拟干旱对4个紫花苜蓿品种萌发期的抗旱性进行研究，利用隶属函数法对4个紫花苜蓿品种进行综合评价，其萌发期抗旱性表现为甘农1号>中苜1号>新疆大叶苜蓿>中天1号，因此，甘农1号和中苜1号较其他2个紫花苜蓿品种更适合在甘肃乃至西北地区种植，但植物萌发期的抗旱性与其其他生育阶段的抗旱性可能并不完全一致。因此，在萌发期抗旱性强的紫花苜蓿品种在其后期生长中是否依旧保持较强的抗旱性还需进一步试验证明。