PEG-6000模擬干旱脅迫下3個青稞品種的萌發(fā)特性及抗旱性評價

張毅 韓玉娥 張銀樂 王建林

摘要：早春干旱已成為青藏高原地區(qū)農業(yè)生產發(fā)展所面臨的主要障礙之一。采用質量分數為5%～20%的聚乙二醇（PEG）-6000模擬干旱脅迫，研究不同程度的干旱脅迫對3個青稞品種各活力指標的影響。結果表明，隨干旱脅迫程度的增大，發(fā)芽率、苗（芽）長、根（胚）鮮質量、發(fā)芽指數均呈現不同程度的降低趨勢，且當PEG-6000脅迫濃度超過10%時，各指標出現急劇下降趨勢;發(fā)芽勢對脅迫響應下降趨勢最小，根（胚）長隨干旱脅迫程度的增大呈現先增大后減小的趨勢，根冠比隨脅迫程度的增大而增大;地下部分比地上部分對干旱脅迫更敏感;發(fā)芽指數和苗（芽）鮮質量能較為全面地評價青稞的抗旱能力。綜合各項指標，3個青稞品種的抗旱強弱順序為喜拉22﹥喜拉19﹥山青9號。

關鍵詞：青稞;PEG脅迫;萌發(fā);抗旱性

中圖分類號： S512.301

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0139-04

干旱已成為全球范圍內農業(yè)生產所面臨的主要障礙之一，特別是近年來，在全球氣候系統(tǒng)普遍變暖的大背景下，青藏高原氣溫逐年升高，且降水量在逐漸減少[1]，這對于本來就高寒、缺氧、干旱、氣溫低等氣候環(huán)境惡劣的青藏高原來講，無疑對農業(yè)生產帶來了更大的挑戰(zhàn)。西藏是世界上海拔最高的青藏高原的主體部位，其降水時空分布極不均勻，雖然水資源豐富，但受地形、基礎設施等限制，可用來灌溉的水資源十分有限。干旱半干旱區(qū)域面積占西藏自治區(qū)耕地面積的 2/3，降水主要集中在6、7、8、9月份[2]，在作物需水關鍵期常常存在有效降水量不足的局面。青稞（Hordeum vulgare L.），別稱裸大麥、元麥和米大麥，隸屬禾本科（Gramineae）大麥屬（Hordeum），是世界最古老的糧食作物之一，種植面積僅次于小麥、水稻、玉米[3]，是典型的高原農作物，青稞種植區(qū)域主要分布在青藏高原的幾個藏族自治州[2-4]。篩選苗期耐旱性的青稞品種，對于青藏高原青稞種植業(yè)的生產發(fā)展具有非常重要意義。聚乙二醇（PEG）-6000是一種生物大分子，不能被植物直接吸收利用，常用于模擬干旱，控制植物吸水來評價植物的抗旱性。PEG模擬干旱已成為一種人們研究種子抗旱能力的重要手段[5-6]，在小麥[7]、玉米[8]、大麥[9]等作物上均有廣泛應用。目前有關青稞的抗旱性研究并不多[10]，針對青藏高原常規(guī)種植品種的抗旱性研究更是未見公開報道。本研究利用PEG模擬干旱，以青藏高原常規(guī)青稞種植品種為試驗材料，對種子萌發(fā)期間的抗旱性進行系統(tǒng)評價，旨在為青稞品種的抗旱性研究提供一定的基礎資料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為青稞品種喜拉22、喜拉19、山青9號，種子常溫保存。

1.2 研究方法

采用四分法取樣，選取籽粒飽滿、大小一致、無病蟲且種胚色澤一致的種子，用0.5%的高錳酸鉀消毒30 min，之后用蒸餾水沖洗4次，用雙層濾紙的12 cm×12 cm×6 cm發(fā)芽盒墊作為發(fā)芽床，用PEG-6000模擬干旱脅迫，共設5個濃度梯度，分別為0%（CK）、5%、10%、15%、20%，將消毒后的種子分別放入盛有相應濃度溶液的發(fā)芽盒中，設3次重復，每次重復50粒種子，每天補充適量相應濃度的溶液，以種子周圍不出現水膜為標準。置于光照度為10 000 lx，溫度為20 ℃，濕度為65%，光—暗周期為12 h—12 h的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。為減少水勢變動，第4天換發(fā)芽床。

1.3 調查及項目測定

從種子置床之日起觀察，以胚芽、胚根長、種子等長作為發(fā)芽標準，每天定時記錄發(fā)芽種子數，第4天計算發(fā)芽勢，第8天結束試驗，并進行幼苗生長測定，各重復隨機取10株幼苗進行苗（芽）長、根（胚）長、苗鮮質量、根鮮質量測定，并計算根冠比。

1.4 計算方法

1.4.1 種子活力的計算

GR=第8天正常發(fā)芽種子數/供試種子數×100%;

GE=第4天正常發(fā)芽種子數/供試種子數×100%;

式中：GR、GE、GI分別表示發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數;Dt為發(fā)芽日數;Gt為Dt相對應的每天發(fā)芽種子數。

根冠比=根（胚）長/苗（芽）長。

1.4.2 抗旱指數計算 參照Bouslama等的計算方法[11]，對計算公式稍加改動

抗旱指數=PIS/PIC。

式中：PIS、PIC分別表示干旱脅迫下種子萌發(fā)指數、對照種子萌發(fā)指數;其中PI=（1.00）Rd3+（0.75）Rd4+（0.5）Rd6+（0.25）Rd8;Rd3、Rd4、Rd6、Rd8分別為第3、4、6、8天的種子發(fā)芽率。

1.4.3 抗旱性綜合評價 模糊數學隸屬函數法已成為評價植物抗旱性的重要方法之一[12-13]。本研究采取此方法對3種青稞種質資源進行抗旱性綜合評價。

式中：Xμ為隸屬函數值;X為供試植株某一指標值的測定值;Xmax為該指標的最大值;Xmin為該指標的最小值。如果某項指標和抗旱性呈負相關，可以用反隸屬函數計算抗旱性隸屬函數值，具體計算公式先求出3種青稞各個抗旱指標在不同PEG-6000濃度下的隸屬函數值，然后把每一指標在不同PEG-6000濃度下的值相加計算平均值，最后將每一植物各個抗旱指標隸屬值相加計算平均值，隸屬值越大，則抗旱性越強。

1.5 數據分析

用Excel進行數據整理，用SPSS 22.0進行數據分析，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 PEG-6000模擬干旱脅迫對3個青稞品種發(fā)芽勢的影響

質量分數為20%的PEG-6000脅迫下，3個青稞品種第4天均未發(fā)芽，因此對該濃度不作討論。

發(fā)芽勢的大小能夠比發(fā)芽率更好地表示種子活力的高低，種子活力的高低，除受環(huán)境因素影響外，主要受種子本身的遺傳因素影響，發(fā)芽勢越大，則表明種子抗旱性越好。從表1可以看出，3個青稞品種的發(fā)芽勢均隨PEG-6000濃度的增大而降低，在輕度（PEG-6000濃度≤10%）干旱脅迫下，3個青稞品種均對干旱脅迫有一定的適應性（P>0.05）;在濃度為15%的 PEG-6000脅迫下，3個青稞品種發(fā)芽勢急劇下降，在此濃度干旱脅迫下，山青9號抗旱性最小;就發(fā)芽勢來講，3個青稞品種的抗旱性總體表現為喜拉22﹥喜拉19﹥山青9號。

2.2 PEG-6000模擬干旱脅迫對3個青稞品種發(fā)芽率的影響

播種成苗是農業(yè)生產成敗的首要環(huán)節(jié)，其發(fā)芽率的高低直接影響最終的產量。從表2可以看出，3個青稞品種的發(fā)芽率對不同濃度的干旱脅迫響應有所不同，3個青稞品種的發(fā)芽率均對輕度（PEG-6000濃度≤10%）干旱脅迫有一定的適應性（P>0.05），但當PEG-6000濃度為20%時，山青9號完全喪失活力;在15% PEG-6000干旱脅迫下，與對照相比，喜拉22和喜拉19發(fā)芽率極顯著降低（P<0.01），山青9號同樣極顯著降低（P<0.01）;在20% PEG-6000干旱脅迫下，喜拉22和喜拉19發(fā)芽率急劇下降（P<0.01），且表現出喜拉19的發(fā)芽率高于喜拉22;就發(fā)芽率來講，3個青稞品種的抗旱性強弱總體表現為喜拉22﹥喜拉19﹥山青9號。

2.3 PEG-6000模擬干旱脅迫對3個青稞品幼苗生長的影響

質量分數為20%的PEG-6000脅迫下，山青9號未萌發(fā)，因此對該濃度的山青9號不作討論。

幼苗生長鑒定種子活力已被列入了國際種子檢驗協會（ISTA）活力檢測手冊，我國也將其列入農作物種子檢驗規(guī)程[14]，一般情況下，活力高的種子，其幼苗生長健壯。從表3可以看出，除對照外，根冠比隨干旱脅迫程度的增加而增大，苗（芽）長、根（胚）鮮質量均隨干旱脅迫程度的增大而降低，其受脅迫程度因品種的不同而不同。就苗（芽）長而言，喜拉22和山青9號對干旱脅迫比喜拉19敏感，喜拉22和山青9號在5% PEG-6000脅迫下已經與對照呈現極顯著差異（P<0.01）;在10% PEG-6000干旱脅迫下，喜拉19的苗（芽）長較對照降低11.93%，喜拉22和山青9號均較對照降低15.0%以上;3個青稞品種的根（胚）長與對照相比，均在5%、10% PEG-6000濃度脅迫下根（胚）長有所增長，喜拉22和山青9號未達到顯著水平（P>0.05），喜拉19達到極顯著水平（P<0.01）;與對照相比，喜拉22苗（芽）鮮質量在5% PEG-6000脅迫下有所增加（P﹥0.01），在其他濃度的干旱脅迫下，3個青稞品種的苗（芽）鮮質量與對照相比，均呈現不同程度的降低趨勢，均在10% PEG-6000脅迫下，出現大幅下降（P<0.01）;與對照相比，3品種根（胚）鮮質量均不同程度下降，喜拉22和喜拉19在5% PEG-6000脅迫下已出現極顯著差異（P<0.01），山青9號在10% PEG-6000脅迫下呈現極顯著差異（P<0.01）;與對照相比，3品種根冠比隨PEG-6000濃度的增加，均呈現不同程度的增加趨勢，喜拉22和喜拉19的根冠比在15% PEG-6000脅迫下最大，喜拉22在20% PEG-6000脅迫下根冠比最大。

發(fā)芽指數能夠較好地反映種子活力的高低，可信度高[15]，抗旱指數可以評價抗旱性的強弱。從圖1-A可以看出，發(fā)芽指數隨著PEG-6000脅迫濃度的增加呈下降趨勢，3個青稞品種均在15% PEG-6000濃度脅迫下，發(fā)芽指數急劇下降;從抗旱指數（圖1-B）可以看出，其基本趨勢與發(fā)芽指數一致，均在15% PEG-6000脅迫下急劇下降，不同的是，在5% PEG-6000脅迫下，3個青稞品種的抗旱指數均較對照有所提高，表明輕度的干旱脅迫能夠促進青稞種子抗旱性的提高，這與在輕度的干旱脅迫下，根（胚）的伸長結果相同。

2.5 PEG-6000模擬干旱脅迫對3個青稞品種發(fā)芽指數、抗旱指數的影響

種子苗期抗旱性的強弱除受種子本身遺傳因素的影響外，還受多項指標的綜合影響，僅僅以某一指標難以全面地評價抗旱性的強弱，因此采用模糊數學隸屬函數對3個青稞品種的主要指標進行綜合評價。從表4可以看出，喜拉22的抗旱性最強，其隸屬平均值為0.63，其次為喜拉19，山青9號的抗旱性最弱。

從表5可以看出，根冠比與其他6項指標均呈極顯著負相關關系，其余各項指標間均呈現極顯著正相關關系，其中發(fā)芽指數與其他各項指標間的相關性均大于其他各項指標之間相關性，發(fā)芽指數能夠較為全面地評價青稞種子的抗旱性，另外根（胚）長與其他指標之間的相關性也能夠較好地反映其抗旱性的大小。

3 結論與討論

早春干旱已成為青藏高原地區(qū)農業(yè)生產發(fā)展所面臨的主要障礙之一，常常存在作物生長前期有效降水嚴重不足，生長后期降水過多的現象，常導致作物大面積發(fā)生倒伏，特別是近年來，降水的時空分布明顯不均勻。充分挖掘青稞自身抗旱遺傳潛力，選育抗旱品種，在一定程度上可以緩解早春干旱問題。

PEG-6000是一種很好的滲透調節(jié)劑，能夠模擬不同程度的干旱脅迫，同時，PEG-6000還可作為引發(fā)劑來使用，其主要原理在于控制種子緩慢吸水，使種子內的各種細胞、酶處于活化狀態(tài)[16-17]。研究表明，PEG-6000脅迫濃度的增加能夠抑制種子的萌發(fā)[18]，且因品種的不同響應程度不同[5，8]，在本試驗中，PEG-6000濃度為10%的干旱脅迫對3個青稞品種發(fā)芽勢不存在明顯抑制效應，在15% PEG-6000脅迫下，發(fā)芽勢極顯著降低，這與江緒文等研究的研究結果[19]一致，但李淑梅等研究發(fā)現，大麥品種秀麥11在5% PEG-6000干旱脅迫下，發(fā)芽勢就已經存在抑制效應，但在25% PEG-6000脅迫下，第4天還有正常萌發(fā)，這可能是品種自身的遺傳因素所致[9];發(fā)芽率隨模擬干旱程度的增加，均不同程度地降低，在PEG-6000濃度≤10%時，3個青稞品種的發(fā)芽率與對照相比雖下降，但未達到顯著水平，說明青稞種子對適度的干旱脅迫有一定的適應性，這與李淑梅等的研究結果[9，19]一致，但郁飛燕等研究發(fā)現，一些小麥種子在適度的干旱脅迫下，其發(fā)芽率提高，這可能是適度的干旱脅迫，能夠活化小麥種子的一些細胞器、酶所致，而青稞種子的細胞器、酶等對干旱脅迫反應比較遲鈍;苗（芽）長隨脅迫程度的增加，均減小，根（胚）長先增大后減小，說明青稞種子的苗（芽）長對干旱脅迫更敏感，而根（胚）長對干旱脅迫有一定的適應性[18]，這與孫艷茹等研究的干旱脅迫下幾種綠肥作物根系變化特征[20]一致，但李淑梅等研究發(fā)現，大麥品種秀麥11隨干旱脅迫程度的增加，根系伸長均受到抑制，這可能是由于秀麥11的根系對干旱脅迫更敏感，而青稞品種對干旱脅迫有一定的適應性;苗（芽）鮮質量、根（胚）鮮質量基本都隨干旱脅迫的增加而降低[9]，這與江緒文等的研究結果[19]一致;根冠比均隨干旱脅迫程度的增加而增大，表明在干旱脅迫下，青稞的地下部分比地上部分對干旱更為敏感，這與孫艷茹等的研究結果[20]一致;發(fā)芽指數、抗旱指數，均隨干旱脅迫程度的增加總體而降低，在15% PEG-6000干旱脅迫下，均急劇下降，說明發(fā)芽指數、抗旱指數在所有的指標中，對干旱脅迫更敏感，這與劉佳等的研究結果[5]一致。

綜合隸屬值及其他指標，本研究初步認為，喜拉22抗旱性最強，其次為喜拉19，山青9號抗旱能力最弱，苗（芽）鮮質量、抗旱指數、發(fā)芽指數對干旱脅迫響應較為敏感，青稞在干旱脅迫下，其地下部分比地上部分更敏感，但在干旱脅迫下，萌發(fā)階段的一些酶及激素等的變化還有待進一步研究。

參考文獻：

[1]周天財，孫 建，于 歡. 1980—2013年青藏高原氣候時空變化特征研究[J]. 成都信息工程大學學報，2017，32（5）：524-531.

[2]關衛(wèi)星. 淺談西藏高寒農區(qū)發(fā)展旱作農業(yè)生產存在的問題及建議[J]. 西藏農業(yè)科技，2017，39（2）：1-2，23.

[3]王建林. 西藏高原作物栽培學[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2012：133-145.

[4]盧良恕. 中國大麥學[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，1996：1-2.

[5]劉 佳，徐昌旭，曹衛(wèi)東，等. PEG脅迫下15份紫云英種質材料萌發(fā)期的抗旱性鑒定[J]. 中國草地學報，2012，34（6）：18-25.

[6]李 晶，馬書榮，閻秀峰，等. 干旱脅迫對紅松幼苗針葉超微結構的影響[J]. 植物研究，2000（3）：324-327，365.

[7]王 瑾，劉桂茹，楊學舉. PEG脅迫下小麥再生植株根系特性與抗旱性的關系[J]. 麥類作物學報，2006，26（3）：117-119.

[8]趙玉坤，高根來，王向東，等. PEG模擬干旱脅迫條件下玉米種子的萌發(fā)特性研究[J]. 農學學報，2014，4（7）：1-4，12.

[9]李淑梅，董麗平，王付娟. PEG模擬干旱脅迫對大麥種子萌發(fā)及生理特性的響應[J]. 種子，2016，35（10）：99-101.

[10]姚曉華，吳昆侖. PEG預處理對青稞種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響[J]. 西北植物學報，2012，32（7）：1403-1411.

[11]Bouslama M，Schapaugh W T. Stress tolerance in soybeans. I：Evaluation of three screening techniques for heat and drought tolerance 1[J]. Crop Science，1984，24（5）：933-937.

[12]李培英，孫宗玖，阿不來提. PEG模擬干旱脅迫下29份偃麥草種質種子萌發(fā)期抗旱性評價[J]. 中國草地學報，2010，32（1）：32-39.

[13]孫景寬，張文輝，張潔明，等. 種子萌發(fā)期4種植物對干旱脅迫的響應及其抗旱性評價研究[J]. 西北植物學報，2006，26（9）：1811-1818.

[14]國家技術監(jiān)督局. 農作物種子檢驗章程：GB/T 3543.4—1995[S]. 北京：中國標準出版社，1995.

[15]Sharma A D，Rathore S，Srinivasan K，et al. Comparison of various seed priming methods for seed germination，seedling vigour and fruit yield in okra （Abelmoschus esculentus L. Moench）[J]. Scientia Horticulturae，2014，165：75-81.

[16]胡 晉. 種子生物學[M]. 北京：高等教育出版社，2006：316-349.

[17]Khan A A，Tao K L，Knypl J S，et al . Osmotic conditioning of seeds：physiological and biochemical changes[J]. Acta Horticulture，1978，83：267-278.

[18]郁飛燕，李保峰，李 巍，等. PEG-6000脅迫對不同品系小麥種子萌發(fā)的影響[J]. 山東農業(yè)科學，2012，44（10）：51-53.

[19]江緒文，李賀勤，王曉琨，等. PEG-6000模擬干旱脅迫對5個玉米品種種子萌發(fā)及活力的影響[J]. 種子，2015，34（5）：5-8.

[20]孫艷茹，石 屹，陳國軍，等. PEG模擬干旱脅迫下8種綠肥作物萌發(fā)特性與抗旱性評價[J]. 草業(yè)學報，2015，24（3）：89-98.周 博，嵇 云，蔡國華，等. 電子鼻檢測農作物病蟲害的研究進展[J]. 江蘇農業(yè)科學，2019，47（15）：143-148.