不同藜麥資源的抗旱性評價及滲透調節劑對其抗旱性的影響

楊瑞萍, 劉瑞香, 馬迎梅*, 郭占斌, 張宏武, 白宇, 趙新宇

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院, 荒漠生態系統保護與修復國家林業局重點實驗室, 呼和浩特 010011; 2.內蒙古益稷公司, 呼和浩特 010011; 3.內蒙古自治區巴彥淖爾市林業科學研究所, 內蒙古 巴彥淖爾 015000)

我國水資源缺乏，受人為活動與自然環境的影響，各地旱情不斷加重[1]。其中，西北干旱與半干旱地區，由于降水量稀少，蒸發量巨大，導致大約50%的農業減產[2]。為了提高農作物水分利用效率和糧食產量，選育種植耐旱作物，尋求減少作物水分消耗的方法是提高農業生產的最佳途徑。藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)為藜科藜屬一年生草本植物，起源于南美洲安第斯山脈，是古代印第安人的傳統食物，因其籽粒飽滿，營養豐富，被印加民族稱為“糧食之母”[3]。藜麥不僅富含豐富的蛋白質、完美的氨基酸和較高的鈣、磷、鐵，還具有耐寒、耐旱、耐瘠薄等生理特性[4]。因此，藜麥是干旱區農業生產和人類飲食中最具有發展潛力的農作物之一。

干旱脅迫敏感的作物在水分缺失狀態下，葉片萎蔫或不能生長，甚至出現作物減產或顆粒無收的現象[5]。耐旱作物則具有靈敏的生理響應系統，對干旱脅迫有較強的適應和抵抗能力[6]。通過干旱模擬試驗測定作物在干旱脅迫下的生理生化指標，分析其抗旱策略是篩選抗旱作物的重要前提。干旱脅迫降低了茶樹(Camelliasinensis)葉面積、生物量、相對含水量和氣體交換能力[7]。水分脅迫下甘薯(Dioscoreaesculenta)的葉綠素含量與對照相比均下降，同時發現ATP含量與甘薯品系的抗旱性呈正相關[8]。隨著干旱程度的增加，菊芋(Helianthustuberosus)的株高、生物量、千粒重、產量與對照相比均顯著降低[9]。除了篩選具有優良抗逆性的作物品系外，通過不同的滲透調節劑處理種子也可以提高作物植株的抗旱性[10]。曹幫華[11]研究發現，滲透調節劑聚乙二醇促進了刺槐(Robiniapseudoacacia)種子的萌發，縮短了發芽時間，增加了幼苗生物量，還能明顯提高種子的抗寒能力。多效唑能提高羊柴(Hedysarumlaeve)的抗氧化酶活性、滲透調節能力和膜脂抗氧化性，從而提高其抗旱性[12]。然而，這些滲透調節劑的成本高且用量大，這大大限制了其大面積推廣和應用。因此，尋找經濟型滲透調節劑，對其大面積推廣應用具有重要意義，同時為提高藜麥抗旱性提供有力的科學依據。本研究采用3種滲透調節劑對4個藜麥資源的種子進行前處理，探究不同藜麥資源對滲透調節劑在形態和生理方面的響應機制，為深入研究滲透調節劑提高藜麥抗旱性的生理機制及開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為4個藜麥品系，分別為黑藜(black quinoa，BQ)、白藜(white quinoa，WQ)、紅藜(red quinoa，RQ)、蒙藜(mongolian quinoa，MQ)，種子均來自內蒙古益稷公司。試驗于2018年6月在內蒙古農業大學的溫室進行，試驗用土為典型的沙壤土。土壤有機質含量為8.32 g·kg-1，全氮含量為0.78 g·kg-1，全磷含量為0.199 g·kg-1，全鉀含量為15.455 g·kg-1，堿解氮含量為89.33 mg·kg-1，速效鉀含量為168.71 mg·kg-1，速效磷含量為56.19 mg·kg-1，pH為7.56。

1.2 試驗設計

為了了解受試藜麥品系的抗旱性，對藜麥幼苗進行干旱脅迫(drought stress,DS)和正常澆水(CK)處理，DS處理方法為從試驗開始到結束均不澆水，CK處理用稱重法將土壤含水量控制在70%～80%。分別于第1、4、7、和10 d 取樣，進行相對含水量、株高、生物量和葉綠素含量的檢測。

基于藜麥品系的抗旱性判斷，選取5%蔗糖(sugar,S)和1%磷酸(phosphoric acid,P)2種滲透調節劑，以清水(water,W)作為對照，浸泡藜麥種子，對種子進行滲透處理。挑選顆粒飽滿、大小一致的種子，用不同滲透調節溶液處理24 h后[13]，播種于直徑25 cm、高15 cm的花盆中，每盆播種3粒，播種深度為2～3 cm，四葉期進行間苗，每盆保留1苗，每個處理3次重復，正常澆水管理。待藜麥長至8片真葉時，對幼苗進行干旱脅迫(DS)和正常澆水(CK)處理，處理方法及樣本采集和檢測指標，同上。

1.3 指標檢測及方法

1.3.1形態指標測定 利用直尺測定藜麥的株高。試驗結束后，將藜麥的地上部分剪下，用AUY220天平(日本島津)稱其鮮重，然后在85 ℃烘箱中殺青30 min，60 ℃烘干至恒重，稱其干重。

1.3.2生理指標測定 將葉片剪下，測其鮮重，將其用清水浸泡12 h后，測其葉片飽和含水量，最后將葉片在60 ℃烘箱中烘干，測其干重。每株選取相同位置的葉片，置于15 mL遮光處理的離心管中，加入3 mL二甲基亞砜，在黑暗處放置 12 h直至葉片變白，分別在 664 nm、635 nm 兩種波長下用UV759分光光度計(上海精科)測量其吸收值，后將葉片在60 ℃烘箱中烘15 h，稱其干重。通過以下公式[14-15]計算葉片相對含水量和葉綠素含量。

葉片相對含水量=(葉片鮮重-葉片干重)/(葉片飽和水重-葉片干重)

葉綠素含量=(0.008 02×A663+0.020 2×A645)×3/干重

1.4 抗旱性綜合評價

采用隸屬函數法計算4個藜麥品系的抗旱隸屬度，用以評價其綜合抗旱能力。隸屬函數值的計算公式[16-17]如下。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Xi表示第i個指標值，Xmax表示所有品系第i個指標的最大值，Xmin表示所有品系第i個指標的最小值。

如果所測指標與植物的耐旱性呈正相關關系，用式(1)；如果所測指標與植物的耐旱性呈負相關關系，則用式(2)。然后對各指標的抗旱隸屬值進行累加，計算平均值，得出綜合評價指標值。綜合評價指標值越大，說明該藜麥品系的抗旱性越強；綜合評價指標值越小，說明該品系的抗旱性越差。

1.5 數據處理與分析

采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，多重比較檢驗采用最小顯著差異法(LSD)。采用Origin 2018進行數據處理和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同藜麥品系的抗旱性評價

2.1.1干旱脅迫對不同藜麥品系相對含水量的影響 由圖1可知，隨著干旱脅迫時間的延長，不同藜麥品系葉片的相對含水量均呈現不同程度的下降，且4個品系間無顯著性差異(P>0.05)。而對照組的葉片相對含水量始終保持在70%～80%，對幼苗的正常生長無影響。與對照相比，干旱脅迫第4 d，葉片相對含水量呈現大幅度下降；第10 d時，受干旱脅迫的植株大多數干枯、死亡，相對含水量達到0，且對照和干旱處理的各品系間葉片相對含水量差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同處理不同藜麥品系的相對含水量

2.1.2干旱脅迫對不同藜麥品系葉綠素含量的影響 干旱脅迫下不同藜麥品系的葉綠素含量結果(圖2)表明，隨著干旱脅迫時間的延長，不同品種的葉綠素含量都呈現先上升后下降的趨勢，而對照組的藜麥葉片葉綠素含量隨著時間的推移呈現先降低后升高的趨勢，且不同藜麥品系之間無顯著性變化(P>0.05)。與對照組相比，干旱脅迫第4 d，葉片葉綠素含量出現上升，紅藜上升的趨勢最大，為 8.3 mg·g-1DW，黑藜上升趨勢最小，為 5.2 mg·g-1DW。干旱脅迫第 10 d，蒙藜的葉片葉綠素含量顯著高于紅藜、黑藜和白藜(P<0.05)。

圖2 不同處理不同藜麥品系的葉片葉綠素含量

2.1.3干旱脅迫對不同藜麥品系株高的影響

干旱脅迫下不同藜麥品系的株高結果(圖3)顯示，隨著干旱脅迫時間的延長，藜麥的生長速度減緩，呈現出穩定趨勢，且大約集中在24～25 cm，不同品系間無顯著差異(P>0.05)，而對照組中不同藜麥品系的株高呈現出持續上升趨勢。與對照相比，干旱脅迫第4 d，黑藜的增長速度最小，甚至停止生長。處理第10 d，干旱脅迫處理各品系的株高差異均高于對照處理(P<0.05)。

圖3 不同處理不同藜麥品系的株高

2.1.4干旱脅迫對不同藜麥品系生物量的影響

干旱脅迫下不同藜麥品系的生物量結果(圖4)表明，對照條件下，4個藜麥品系的生物量間沒有顯著差異；與對照組相比，干旱脅迫后不同藜麥品系的生物量均呈現顯著下降(P<0.05)，但各品系間的生物量沒有差異顯著(P>0.05)。

注：不同小寫字母表示不同品系處理間差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.2 滲透調節劑處理藜麥種子對其幼苗抗旱性的影響

2.2.1滲透調節劑對不同藜麥品系相對含水量的影響 不同滲透調節劑處理4個藜麥品系的幼苗葉片相對含水量結果(圖5)表明，相同滲透調節劑處理下,不同藜麥品系的相對含水量均呈現逐漸下降趨勢。其中，5%蔗糖處理7 d時，藜麥品系RQ和WQ的相對含水量顯著高于MQ和BQ(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ的相對含水量間無顯著差異(P>0.05)；5%蔗糖處理10 d時，RQ、WQ和MQ的相對含水量均顯著高于BQ(P<0.05)，而三者之間無顯著差異(P>0.05)；其他處理時間，不同品系間的相對含水量均無顯著差異(P>0.05)。水處理下，僅處理7 d時，藜麥品系RQ和WQ的相對含水量顯著高于MQ和BQ(P<0.05)，其他處理時間，不同品系間的相對含水量均無顯著差異(P>0.05)。1%磷酸處理時，僅處理4 d時，RQ、WQ和MQ的相對含水量均顯著高于BQ(P<0.05)，而三者之間無顯著差異(P>0.05)；其他處理時間，不同品系間的相對含水量均無顯著差異(P>0.05)。

圖5 不同滲透調節劑處理不同藜麥品系的相對含水量

同一藜麥品系的不同滲透調節劑處理的葉片相對含水量隨干旱脅迫時間的推移均呈下降趨勢。其中，干旱脅迫第4 d，BQ與RQ品系的5%蔗糖處理的相對含水量顯著高于1%磷酸和水處理(P<0.05)，而品系RQ和WQ、MQ和BQ的相對含水量間無顯著差異(P>0.05)；干旱脅迫第7 d，MQ品系的5%蔗糖和1%磷酸處理的相對含水量顯著高于水處理(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ的相對含水量間無顯著差異(P>0.05)；處理第10 d，5%蔗糖處理的藜麥品系均未干枯死亡，而1%磷酸與水處理的藜麥品系均干枯死亡，相對含水量為0。可見，5%蔗糖處理藜麥種子可以顯著提高藜麥幼苗的抗旱性，其作用顯著高于水處理，而1%磷酸的作用低于水處理，不適合作為提高藜麥抗旱性的滲透調節劑。

2.2.2滲透調節劑對不同藜麥品系葉綠素含量的影響 不同滲透調節劑處理下的藜麥葉綠素含量結果見圖6，可見，相同滲透調節劑處理的不同藜麥品系都呈現先上升后下降的趨勢且無顯著差異(P>0.05)，其中，5%蔗糖處理10 d時，藜麥品系RQ的葉綠素含量顯著高于MQ、BQ和WQ(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ間的葉綠素含量無顯著差異(P>0.05)；其他處理時間，不同品系間的葉綠素含量均無顯著差異(P>0.05)。水處理7 d時，RQ、WQ和BQ的葉綠素含量均顯著高于MQ(P<0.05)；處理10 d時，藜麥品系RQ的葉綠素含量顯著高于MQ、WQ和BQ(P<0.05)；其他處理時間，不同品系間的葉綠素含量均無顯著差異(P>0.05)。1%磷酸處理7 d時，RQ、WQ和MQ的葉綠素含量均顯著高于BQ(P<0.05)，而三者之間無顯著差異(P>0.05)；其他處理時間，不同品系間的葉綠素含量均無顯著差異(P>0.05)。

圖6 不同滲透調節劑處理不同藜麥品系的葉綠素含量

不同滲透調節劑處理的同種藜麥的葉綠素含量，隨時間推移呈先上升后下降趨勢且存在顯著差異(P<0.05)。干旱脅迫第4 d，1%磷酸處理的MQ的葉綠素含量急速下降；第7 d，水處理的MQ、WQ和1%磷酸處理的RQ的葉綠素含量大幅下降；干旱脅迫第 10 d，1%磷酸處理的BQ、MQ、WQ葉片的葉綠素含量明顯高于RQ(P<0.05)，RQ的葉綠素含量接近于0，5%蔗糖處理的BQ的葉綠素含量最高，為2.9 mg·g-1DW。可見，5%蔗糖處理可以顯著提高藜麥幼苗的抗旱性，其作用顯著高于水處理，而1%磷酸的作用低于水處理，不適合作為提高藜麥抗旱性的滲透調節劑。

2.2.3滲透調節劑對不同藜麥品系株高的影響

不同滲透調節劑處理下不同藜麥的株高結果(圖7)顯示，相同滲透調節劑處理的不同藜麥品系的株高均呈現先上升后趨于穩定的趨勢，且品系間無顯著差異(P>0.05)，而不同滲透調節劑處理的同種藜麥品系的株高隨干旱脅迫時間的推移呈先上升后趨于穩定。5%蔗糖和水處理10 d時，藜麥品系MQ的株高均表現出顯著高于RQ、BQ和WQ的趨勢(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ間的株高無顯著差異(P>0.05)；其他處理時間，不同品系間的株高均無顯著差異(P>0.05)。

圖7 不同滲透調節劑處理不同藜麥品系的植株株高

2.2.4滲透調節劑對不同藜麥品系生物量的影響 不同滲透調節劑處理的不同藜麥品系的生物量結果(圖8)顯示，水處理的MQ和WQ品系生物量顯著高于用其他品系及1%磷酸和5%蔗糖處理的藜麥品系。1%磷酸和5%蔗糖處理的各藜麥品系間的生物量沒有差異顯著。

注：不同小寫字母表示不同品系處理間差異在P<0.05水平具有統計學意義。

2.3 抗旱性綜合評價

隸屬函數法是對單一指標進行綜合評價的方法。不同藜麥品系的隸屬函數值結果(表1)顯示，隨著干旱脅迫程度的增加，RQ的株高、生物量、相對含水量和葉綠素含量的隸屬函數值都高于BQ、WQ、MQ，其綜合隸屬值最大，為0.749 4，表明其抗旱性最強。依據隸屬函數值，4個藜麥品系的抗旱性綜合評價排序為RQ>WQ>MQ>BQ。

表1 各品系的抗旱指標隸屬函數值及抗旱性綜合排序

3 討論

3.1 藜麥資源的抗旱性評價及抗旱品系篩選

植物抗旱性與其體內的水分含量密切相關，不僅反映缺水環境下植物因蒸騰作用機體組織的運水和恢復能力，還指示了植物的保水能力，抗旱性強的植物具有較強的保水能力。因而，相對含水量被認為是鑒定植物抗旱性的有效指標之一[18]。本研究表明，隨著干旱程度的加劇，不同藜麥品系葉片的相對含水量降低，說明水分供應虧缺時，藜麥用于自身構建和生理過程的水分也相應減少，水分的供求不平衡。不同藜麥品系葉片的失水程度越大，則該品系維持葉片水分狀況的能力就越弱，不同品系的保水能力差異表現為紅藜>白藜>蒙藜>黑藜。當相對含水量為 0 時，大多數藜麥品系萎蔫、枯死，說明已經超過了作物的最大抗性。鄒苗等[19]和金膠膠等[20]關于酸棗幼苗的葉片相對含水率隨著干旱脅迫程度增加呈現下降趨勢的結論，與本研究一致。

植物光合作用的實現依賴于葉綠素對光能的吸收，干旱脅迫下植物葉片的葉綠素含量降低，一方面可能源于葉綠素的生物合成減弱，另一方面可能因為植物體內活性氧的積累引起膜脂過氧化，加速了葉綠素的分解[21]。因而，干旱脅迫下葉綠素含量的變化不僅可用來指示植物對干旱脅迫的敏感性，還可在一定程度上反映植物的生產性能和受干旱脅迫的影響程度[22]。本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的加劇，葉綠素呈現先上升后下降的趨勢，說明適度干旱脅迫有助于藜麥的生長。

生物量是植物對干旱脅迫的綜合反映，也是評估干旱脅迫程度和植物抗旱能力的重要標準[23]。本研究表明，干旱脅迫導致藜麥生長受到抑制，隨著脅迫強度的增加，受抑制程度越顯著。植物抗旱反應涉及多個生理生化指標及過程，不同品系的某一具體指標對干旱脅迫的響應不一定相同，不同指標之間還存在著顯著相關性。因此,依據單一指標對種質材料的抗旱性進行評價，具有一定的局限性和片面性[24]。因而，本研究采用隸屬函數法對藜麥各項生理指標進行抗旱性綜合評價，以消除個別指標帶來的片面性，使各品系間的抗旱差異具有可比性，從而提高藜麥抗旱鑒定結果的準確性和可靠性。綜合評價發現，4個藜麥品系的耐旱性強弱依次為紅藜>白藜>蒙藜>黑藜。因此，在干旱半干旱地區農業推廣種植中，應優先選擇抗旱性強的紅藜和白藜品系。

3.2 合適的滲透調節劑可以提高藜麥的抗旱性

種子的滲透調節是通過將種子置于低濃度的有機或無機溶質溶液中，來控制水合作用以減少發芽種子所需的時間，增加其萌發時對不利環境的抵抗力[25]。因此，經過滲透調節溶液處理的種子，在生長、發育時對逆境的抵抗力和耐受力提高，能更早地對逆境做出調整。本研究表明，5%蔗糖處理可以顯著提高藜麥幼苗的抗旱性，其作用顯著高于水處理，而1%磷酸的作用低于水處理，不適合作為提高藜麥抗旱性的滲透調節劑。這與Li等[26]通過水楊酸處理提高水稻根系活力的研究一致。表明滲透調節處理植物種子，除了可以提高其種子發芽率、出苗率[27]外，還可以提高其幼苗的活力及抗逆性。本研究對實際生產中用滲透調節劑來提高藜麥的抗旱性和產量提供了理論基礎。對藜麥的開花期和結實期進行抗旱性評價及資源篩選，可能更適宜我國北方干旱、半干旱地區的藜麥產業發展，這需要進一步研究。