狗牙根種質資源耐鋁性評價

崔蓉菁 劉國道 黃春瓊

摘? 要：選取相對枯黃率、相對坪用質量、相對地上部分干重、相對根系干重和相對全株干重5個指標對不同地理來源的66份狗牙根材料的耐鋁性進行初步評價，從而篩選出不同耐鋁型的種質。結果表明：在2500 μmol/L鋁濃度處理下，不同狗牙根種質之間的生長存在顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）差異，不同指標間的變異系數范圍為19.90%～36.56%，其中相對枯黃率變異系數最大（36.56%），而相對坪用質量變異系數最小（19.90%）;相對地上部干重與相對全株干重存在極顯著正相關（P<0.01），相關系數為0.942，相對枯黃率與相對坪用質量的相關性達到極顯著負相關（P<0.01），相關系數為0.431;通過隸屬函數法，將66份狗牙根種質分為4級，其中1級為極端耐鋁型材料，包含5份材料，占總供試材料的7.57%;2級為較耐鋁型材料，包含4份材料，占供試材料的6.06%;3級為中間型材料，包含47份材料，占供試材料的71.21%;4級為鋁敏感型材料，包含10份材料，占供試材料的15.15%。通過對66份狗牙根材料耐鋁性綜合評價，篩選出了5份耐鋁的種質，依次是B219、B532、A522、A075和B509。

關鍵詞：狗牙根;耐鋁;種質資源;評價

中圖分類號：S688.4? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In this study， the aluminum tolerance of 66 Cynodon dactylon germplasm materials with different geographical distribution was preliminarily evaluated by five indexes， namely， relative withering rate， relative turf quality， relative shoot mass weight， relative root mass weight and relative total mass weight. The results showed that there were significant （P<0.05） or extremely significant （P<0.01） differences in the growth of C. dactylon germplasm under the treatment of 2500 μmol/L aluminum concentration. The variation coefficient of different indicators was ranged from 19.90% to 36.56%， among which the variation coefficient of relative withering rate was the largest （36.56%）， while the variation coefficient of relative turf quality was the smallest （19.90%）. There was an extremely significant positive correlation between relative shoot mass weight and relative total mass weight （P<0.01）， and the correlation coefficient was 0.942. Through the subordinate function method， 66 samples of C. dactylon germplasm were divided into four grades， among which Grade 1 was extremely resistant to aluminum， including five samples， accounting for 7.57% of the total tested materials. Grade 2 was relatively resistant to aluminum， including four materials， accounting for 6.06% of the materials tested. Grade 3 was intermediately resistant to aluminum， including 47 materials， accounting for 71.21% of the materials tested. Grade 4 was sensitive to aluminum， including 10 materials， accounting for 15.15% of the materials tested. Through the comprehensive evaluation of the aluminum tolerance of the 66 materials， five aluminum resistant germplasms were selected， namely B219， B532， A522， A075 and B509.

Keywords： Cynodon dactylon; aluminum tolerance; germplasm resources; evaluation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.006

土壤酸化影響著全球30%～40%的可耕地的作物生產，酸性土壤是指pH低于6.5的土壤，酸性土壤在全世界熱帶亞熱帶及溫帶地區廣泛存在，全世界約有50%以上的耕地屬于酸性土壤，土壤酸化是農業生產面臨的巨大挑戰，在我國酸化土壤面積占全國總土壤面積的23%，主要集中在南方地區[1]。酸性土壤分布地區的水熱條件良好，但由于鋁毒使得很多經濟作物的生長受到抑制，產量下降，嚴重影響了這些地區的農業生產[2]。因此，鋁毒害是酸性土壤上植物生長的主要限制因素，對植物的生長具有巨大的毒害作用，嚴重制約著土壤的產出能力。鋁毒的主要癥狀是抑制根系的伸長，植物根系是吸收土壤養分和水分的主要器官，是感受土壤逆境脅迫的直接部位，植物根系具有重要的生物學功能[3]。因此，解決土壤酸性問題以及培育耐酸鋁的種質是育種工作中亟待解決的關鍵問題之一。

目前，國內外學者對小麥（Triticum aestivum）、大麥（Hordeum vulgare）、玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）等作物的耐鋁性已有相關研究。潘偉槐等[4]通過研究發現大麥耐鋁品種和敏感品種對鋁毒脅迫的生理響應具有較大差異，揭示了耐鋁機制在大麥鋁毒脅迫中的功能;楊野等[5]發現鋁脅迫下小麥可通過提高根際pH減輕鋁毒害，不同耐鋁性小麥品種根際pH的顯著差異是耐鋁性差異顯著的原因之一。在草類植物方面，劉洋等[6]利用水培法對地毯草（Axonopus compressus）進行耐鋁鑒定發現不同品系地毯草耐鋁性差異較大;王瑞峰[7]以根長、株高、地上生物量、地下生物量、根體積及葉面積等指標進行分析，對我國22個主要苜蓿（Medicago sativa）審定品種進行了耐酸與耐鋁評價。劉建樂等[8]利用水培法研究了來自華南地區的20份割手密（Saccharum spontaneum）種質對鋁脅迫的響應，確定了相對根長、相對地上干物質和相對地下干物質可作為耐酸鋁的重要篩選指標。而狗牙根的耐鋁性研究尚處于起步階段。

狗牙根（Cynodon dactylon）是世界上三大暖季型草坪中最重要的草種之一。該草種耐干旱、耐踐踏、繁殖能力及再生能力強，是禾本科狗牙根屬的多年生草本植物，主要生長于溫暖濕潤的熱帶及亞熱帶地區，是我國酸性土壤分布地區天然草地上最常見的草種之一[9]。被廣泛應用于公路護坡、庭院綠化、足球場、高爾夫球場等各種草坪用草，此外，狗牙根還可以用作很好的牧草，被牛羊等草食動物喜食。隨著人們環保意識的不斷增強以及對美好生活的追求，質地適中，適應性強及養護管理水平低的草種去美化環境以及供人們使用已成為草坪草品種選育的主要目標，而狗牙根符合這一發展需求趨勢。

為了在酸性土壤的草坪建植中更好地利用狗牙根，減少該地區草坪建植養護費用，充分挖掘和利用野生狗牙根自身的耐性機制和潛力，進而通過遺傳改良來獲得耐酸鋁毒能力較強的品種，是持續、經濟地解決酸性土壤酸鋁毒害的有效途徑[10]。因此，本研究擬以前期構建的野生狗牙根核心種質為研究對象，通過對耐鋁指標的測定從而對不同種質的耐鋁性進行綜合評價，從中篩選出狗牙根耐鋁種質。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗材料收集了來自哥倫比亞、越南、泰國梅島、東帝汶帝力、印度尼西亞、斯里蘭卡、哥斯達黎加、委內瑞拉加拉加斯、南非、科特迪瓦的阿比讓、格林納達等多個國家或地區的狗牙根種質，這些材料分布在北緯117～南緯3033;中國的狗牙根分布在北緯1812～3957，主要采自天津、安徽、福建、江蘇、上海、山東、海南、廣東、廣西、河南、湖北、湖南、甘肅、新疆、陜西、重慶、貴州和云南。共66份狗牙根材料，其中野生種質63份，栽培種質3份[A522（南京狗牙根）、A432（Tifway）、陽江狗牙根]。

材料來源詳見表1，66份狗牙根種質種植于中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所熱帶牧草研究中心試驗基地。

1.2? 方法

1.2.1? 材料的預培養? 于2019年3月14日在中國熱帶農業科學院熱帶作物種質資源圃采集狗牙根的匍匐莖，剪取生長發育良好，帶有2個節的莖段插入到裝有石英砂的250 mL塑料杯中（塑料杯直徑6.5 cm、高9.5 cm，杯底打4個孔，墊上紗布），每杯種植6株，塑料杯懸掛于打孔的泡沫板上，每個泡沫板上放置12杯，即12個重復，泡沫板放置在裝有10 L 1/2霍格蘭營養液的周轉箱上（長40 cm，寬29 cm，高14 cm），為創造相同的培養條件，每個種質在同一個周轉箱培養（圖1）。每隔3 d換1次營養液，每天用HCl和NaOH溶液來調節營養液的pH為5.8±0.2，并檢查水面的高度，使莖段最下端的節點浸沒在營養液中[11]。

1.2.2? 鋁處理方法? 預培養2周之后，將所有的材料挑出10杯長勢較好的修剪一致后進行鋁處理（5杯處理、5杯對照），每份狗牙根材料單獨種植一個小桶，即5個重復。將泡沫板懸放于5 L的裝有1/2霍格蘭營養液塑料桶上，處理的鋁（AlCl3·6H2O）設為2500 μmol/L[12]，對照不加鋁。每隔3 d換1次營養液，定期用HCl和NaOH調節營養液pH為4.0 ± 0.2，并檢查水面高度，補充蒸發的水分，整個試驗期用氧氣泵不間斷通氣，處理28 d后進行各項指標的測定。

1.2.3? 測定指標和方法? 在鋁處理結束后，以葉片枯黃率、坪用質量、地上部干重和地下部干重、全株干重為觀測指標，各處理組測得的指標數值分別與各自的對照指標比較后進行方差分析。

（1）枯黃率。釆用目測打分法記錄各材料葉片枯黃率。（LF，采用百分制，單位為%。5%以下表示草坪草基本沒有黃葉出現，生長良好;50%表示草坪草有一半葉子枯黃;95%以上表示草坪草基本沒有綠色葉片而死亡。）

（2）坪用質量。采用目測法以2～3人根據參試品種（系）的坪用性狀、密度、顏色、均一性、葉寬和適應性以及抗逆性、抗病蟲性等觀感的綜合表現進行評分，最后求觀測值的平均值。評分時，9分為最優，1分為最差（坪用質量評分標準見表2）。

（3）地上部和地下部干重測定。鋁處理結束后，將地上部分和根系分開，每份材料的5個重復單獨分裝標記，地上部和地下部相對應，先用水沖洗干凈后，再用去離子水沖洗3次，105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干48 h，然后用天平稱重。以每杯為單位計算每份種質的相對地上部分干重、相對地下部分干重和相對全株干重[9];

相對地上部分干重=鋁處理地上部分干重/對照地上部分干重×100%;

相對地下部分干重=鋁處理地下部分干重/對照地下部分干重×100%;

相對全株干重=鋁處理全株干重/對照全株干重×100%。

1.2.4? 綜合評價? 采用隸屬函數法進行綜合評價。Fi=（XijXmin）/（XmaxXij），式中，Fi為第i個材料該性狀的隸屬函數值。Xij為第i個材料第j個性狀的平均值，Xmin和Xmin分別為該性狀的最小值和最大值。如果某一指標與綜合質量成負相關，則利用反隸屬函數進行轉換，計算公式為：Fi=1（XijXmin）/（XmaxXij），最后按材料將各性狀的隸屬函數值進行平均，得各材料的平均隸屬函數值[13]。

1.2.5? 耐鋁性分級? 根據平均隸屬函數值大小對其耐鋁性進行分級，分級標準見表3。其中，1級為極端耐鋁型，2級為較耐鋁型，3級為中間型，4級為鋁敏感型。

1.3? 數據處理

用SPSS 21.0和Excel 2010軟件進行數據處理分析和統計。用Excel進行數據整理，計算各指標的相對值和平均值、隸屬函數值等;利用SPSS 21.0軟件進行方差分析以及相關性分析等。

2? 結果與分析

2.1? 供試材料各指標間綜合形態特征變異分析

從表4結果可見，鋁處理28 d之后，66份鋁處理的狗牙根材料的相對枯黃率和相對坪用質量存在極顯著差異（P<0.01），相對地上部干重、相對地下部干重以及相對全株干重均差異顯著。其中相對枯黃率差異最大，變異幅度為70.00%～ 320.00%，變異系數為36.56%;相對坪用質量變異幅度為14.00%～154.00%，變異系數為19.90%;相對地上部干重的變異幅度為71.32%～183.84%，變異系數為21.67%;相對地下部干重的變異幅度為48.61%～222.11%，其變異系數為29.20%;相對全株干重的變異幅度為60.19%～166.79%，變異系數為20.44%。

經過鋁脅迫處理以后，相對地上部干重、相對地下部干重、相對全株干重有部分材料大于100%，其中相對地上部干重有47份材料大于100%，相對地下部干重有38份材料大于100%，相對全株干重有41份材料大于100%，從這些結果可以看出，這種現象是因為不同植物的耐鋁性存在一定的差異，同一種植物不同品種間也存在一定的耐鋁性差異，耐鋁能力較強的品種，在臨界存活鋁濃度處理下，其相對地上部干重、相對地下部干重和相對全株干重沒有受到明顯的抑制作用，反而促進了其生長;對于耐鋁能力較弱的品種，在臨界存活鋁濃度下，其相對地上部干重、相對地下部干重和相對全株干重受到鋁脅迫抑制作用，抑制了其生長。而相對枯黃率有部分材料出現處理的枯黃率小于對照的枯黃率，這種鋁脅迫對植株表現出的促進作用，原因可能是植株本身對鋁脅迫的適應機制，產生的有機酸和各種酶活性物質同時刺激了植株的生長發育。

2.2? 供試材料各指標間相關性分析

由表5可見，通過對66份狗牙根材料5個性狀相關性分析發現，相對地上部干重與相對全株干重的相關性為極顯著正相關（P<0.01），相關系數為0.942，相對枯黃率與相對坪用質量的相關性達到極顯著負相關（P<0.01），相關系數為0.431;相對枯黃率、相對地上部干重、相對地下部干重以及相對全株干重間的相關不顯著;相對坪用質量與相對地上部干重顯著正相關（P< 0.05），相關系數為0.206，而與相對地下部干重與相對全株干重的相關性不顯著;相對地上部干重與相對地下部干重達到極顯著正相關（P< 0.01），相關系數為0.413;相對地下部干重與相對全株干重也達到了極顯著正相關（P<0.01），相關系數為0.611。

2.3? 狗牙根耐鋁能力綜合評價

利用模糊數學中的隸屬函數法分別計算出相對枯黃率、相對坪用質量、相對地上部干重、相對地下部干重和相對全株干重的隸屬函數值，并計算出這幾個指標的平均隸屬函數值，并對狗牙根各材料耐鋁能力進行排名，隸屬函數值越大，說明該材料耐鋁性越強。由表6可以看出，狗牙根不同種質耐鋁能力差異較大。其中耐鋁能力排名前5的狗牙根材料分別為B219、B532、A522（南京狗牙根）、A075、B509;耐鋁能力排名最差的5份材料分別為：B404、B522、B494、B090、B300;較耐鋁的有4份材料分別為：B518、B499、B048、B535;中間型材料有47份，分別為：B385、B005、B203、B141、A556、B276、B035、B491、B068、B449、B515、B245、B301、B450、B411、A084、B435、B514、B270、B469、B190、陽江狗牙根、B092、B521、B024、B372、B398、B039、B222、B399、B029、B396、B180、B045、B410、B229、B567、B051、B113、B440、B021、B002、B025、B506、B194、B412、A432。

將66份材料按照表3的標準進行耐鋁性分級。分級結果表明：處于第1級的共5份材料，分別是B509、B532、B219、A522和A075，占總供試材料的7.57%，為極端耐鋁型材料;處于第2級的材料共4份，分別是B499、B535、B048和B518，占供試材料的6.06%，為較耐鋁型材料;處于第3級的材料包括B506、B514、B521、B567及B410等47份狗牙根材料，占總數的71.21%，為中間型材料;處于第4級的材料共包括B525、B494、B522、B300及B282等10份材料，占總數的15.15%，屬于鋁敏感型，其中鋁最敏感的5份材料分別是B300、B090、B494、B522和B404。

3? 討論

篩選耐鋁的植物資源是雜交育種和分子育種的工作基礎，植物耐鋁性的評價方法主要有水培法和土培法。土培法因為環境因素復雜不易調節監控，而利用水培法進行耐鋁評價和鑒定可以保證控制條件一致，且操作簡便快速，能最大化消除不同鋁處理間的誤差[14]。因此本研究采用水培法來評價66份狗牙根材料在鋁脅迫下不同材料的耐鋁性差異。本研究以相對枯黃率、相對坪用質量、相對地上部干重、相對地下部干重和相對全株干重這些指標對狗牙根材料進行耐鋁性評價，這種方法在地毯草[15]、豌豆[16]、水稻[17]、大豆[18]等植物資源的耐鋁性評價上都用過。不同的草坪草耐鋁性存在顯著的差異，張靜等[19]研究發現地毯草在2100 μmol/L鋁濃度處理下，相對地上部干重最高達92%，相對地下部干重最高達79.9%，相對值均小于100%，明顯抑制了地上部和地下部的生長;褚曉晴等[20]研究發現假儉草在1500 μmol/L鋁脅迫處理下，鋁脅迫對非常耐鋁種質的相對根系干重、相對地上部分干重、相對全株干重生長有明顯促進作用，而對于不耐鋁的種質抑制了其生長量。在本研究中狗牙根在2500 μmol/L鋁濃度處理下，有部分種質的地上部和根系干重還能受到促進，相對于其他草坪草，狗牙根具有更強的耐鋁性。

66份狗牙根種質主要分布來自哥倫比亞、越南、泰國梅島、印度尼西亞、斯里蘭卡、南非、科特迪瓦的阿比讓、格林納達等多個國家或地區，這些材料分布在北緯117～南緯3033;中國的狗牙根分布在北緯1812～3957，主要采自天津、安徽、福建、江蘇、上海、山東、海南、甘肅、新疆、陜西、云南等地區，這些地區都具有其特定的生態環境，而本研究結果也顯示來自不同地區的狗牙根種質資源的耐鋁性存在一定差異，故地理分布也可能是狗牙根種質耐鋁性差異的原因之一。本研究結果表明，66份鋁處理的狗牙根材料相對枯黃率變異系數為36.56%;相對坪用質量變異系數為19.90%;相對地上部干重變異系數為21.67%;相對地下部干重的變異系數為29.20%;相對全株干重的變異系數為20.44%。由于不同指標的耐鋁材料結果并不一致，所以本研究采用平均隸屬函數法將66份材料進行耐鋁性評價，篩選出5份耐鋁性材料分別是B509、B532、B219、A522和A075，這種方法在柱花草[21]、白三葉[22] 、油菜[23]等耐脅迫性評價中都曾用過，分析結果可靠，能有效篩選耐脅迫性材料。

鋁脅迫對植物的影響是多方面的，本研究結果發現鋁脅迫下狗牙根屬材料地上部分和地下部分都表現出不同程度的抑制情況，但對地上部分抑制更加嚴重，在鋁處理過程中，不同種質狗牙根的相對枯黃率、相對坪用質量存在極顯著差異，相對地上部干重、相對地下部干重和相對全株干重存在顯著差異。在本研究中鋁脅迫處理下，部分植株的根長表現出了鋁脅迫根長大于對照根長，本研究這種促進作用原因可能是植株本身對鋁脅迫的適應機制，產生的有機酸如檸檬酸、草酸、蘋果酸和各種酶活性物質發揮作用刺激了植株根系的生長發育[24]，而韓德鵬等[25]研究發現鋁脅迫顯著抑制了植物根系生長，破壞了細胞質膜的完整性，植物還可通過蛋白質和脯氨酸含量的積累以及保護酶活性的增高抵抗鋁脅迫。王生銀等[26]發現植物主要通過外部排斥和內部耐受機制來抵御Al3+毒害。以上研究結果可為耐鋁種質資源篩選和新品種選育提供理論依據。

本研究采用水培法，在2500 μmol/L鋁濃度的處理下，對66份狗牙根材料進行了耐鋁性綜合評價，篩選出了5份耐鋁的種質，依次是B219、B532、A522、A075和B509，為下一步狗牙根耐鋁雜交育種和分子育種奠定了基礎。

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