飼用燕麥對干旱脅迫的響應及抗旱性評價

陳彩錦, 師尚禮, 張尚沛, 包明芳,沙曉弟, 尚繼紅, 吳 娟, 曾燕霞

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院, 蘭州 730070; 2.寧夏農(nóng)林科學院固原分院, 寧夏 固原 756000)

燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬一年生糧飼兼用作物[1-2],具有抗旱、抗寒、耐瘠薄、產(chǎn)量高、營養(yǎng)價值豐富、生態(tài)效益顯著等特點。飼用燕麥主要分布于我國的高寒和冷涼區(qū)[3]。近年來,隨著國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整和草畜產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,飼用燕麥種植區(qū)域和面積急劇擴展。然而,日益嚴重的干旱對飼用燕麥生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)都有顯著的影響。因此,研究作物響應干旱脅迫的表型、生理和分子機制,并明確其作用機理,這將為選育植物抗旱優(yōu)良品種、提高抗旱性提供理論依據(jù)。

植物在干旱脅迫下的表型器官變化能直接反映出植物對干旱脅迫的響應。例如,植物葉片通過葉面積大小與數(shù)量變化、葉片厚度變化、葉肉組織結構變化,以及葉片輸水組織變化等措施減少失水以適應干旱脅迫[4]。在干旱脅迫下,玉米、老芒麥葉面積明顯降低[5-6],櫻桃番茄幼苗的葉片長度、寬度、葉面積等出現(xiàn)了下降趨勢[7]。同時,當植物遭受干旱脅迫時,為主動適應環(huán)境,其莖生長必然會受到一定程度的影響,如株高降低等[8-10]。生物量積累的多與少是逆境脅迫對植物造成傷害的綜合反映。如不同生育時期和不同程度的干旱脅迫降低了燕麥的地上生物量和幼苗莖葉干、鮮重[11-12]。植物的根部是最先對土壤干旱脅迫作出響應,并進行自身調(diào)節(jié)以適應逆境的器官。有研究表明,在作物土壤水分虧缺的條件下,光合產(chǎn)物更多的向地下運輸,使根系生長優(yōu)于地上部分,以此來吸收更多的水分維持基本生存,且根系的生物量與水分虧缺程度負相關[13-14]。

基于以上原因,本研究以7個飼用燕麥品種為供試材料,采用盆栽控水法控制土壤水分,通過比較不同脅迫時間下供試品種對干旱脅迫的表型響應差異,明確各品種對干旱脅迫的表型響應機制;采用隸屬函數(shù)法、主成分分析法、聚類分析法綜合評價品種的抗旱性強弱,篩選出強抗旱性品種,為飼用燕麥的抗旱育種利用奠定基礎及提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試7個燕麥品種由寧夏農(nóng)林科學院固原分院牧草課題組提供。分別為禾王、牧王、喜越、固原大燕麥、莫妮達、牧樂思、丹燕444。牧王、喜越、莫妮達、牧樂思來源于加拿大,禾王來源于美國,丹燕444來源于丹麥,固原大燕麥來源于中國寧夏。

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽控水設計,于2021年在寧夏農(nóng)林科學院固原分院生長室中進行。試驗前選擇飽滿、均勻、無病害的7個飼用燕麥品種的種子進行沖洗、消毒(0.3% KMnO4溶液浸泡3 min),再沖洗后播種于裝有等量土壤(耕作田0～30 cm的土壤∶基質(zhì)=2∶1)的花盆(高24.5 cm,底徑20.0 cm,頂內(nèi)徑30.0 cm,頂外徑35.0 cm)中,待3葉1心時,保留生長基本一致的健壯苗(40株/盆),3次重復。試驗溫度23～35 ℃,光照16 h,黑暗8 h,光強2 100 lx,相對濕度60%。播種至出苗15 d之間保持盆土的含水量為田間持水量的(75±5)%(補水時間是每天08:00時),然后在出苗15 d后開始控水,控水0 d(ck)、7 d、14 d測定指標。

1.3 測定指標及方法

每個品種隨機選取15株進行株高、葉長、葉寬、葉片數(shù)的調(diào)查,然后根據(jù)葉長和葉寬計算出各品種的葉面積,具體方法如下,株高:用直尺量取莖基部至植株頂端的長度,單位:cm;葉長:用直尺量取植株倒數(shù)第3葉葉片尖至葉鞘的長度,單位:cm;葉寬:用直尺量取倒數(shù)第3葉葉片最寬處的寬度,單位:cm;葉片數(shù):調(diào)查3個時期存活的葉片數(shù),單位:片;葉面積:葉長(cm)×葉寬(cm)×0.73,其中0.73是燕麥葉面積校正系數(shù),單位:cm2。

地上生物量、根系干重:將株高等指標測定結束的單株進行取樣,并用蒸餾水沖洗根系,然后擦干,分開地上部分和根系,將其放入(105±2)℃的烘箱中殺青30 min,然后在(80±2)℃烘干至恒重,分別稱單株地上部分和根系重量,單位:g。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行初步處理,再用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)的方差分析(p<0.05);運用Origin 2021軟件制圖和進行聚類分析。

1.5 抗旱性評價

單項抗旱系數(shù)(DCi)=Xi/CKi,i=1,2,3……n

(1)

式中,Xi和CKi表示干旱脅迫處理和對照處理的性狀測定值。

(2)

(3)

式中,Ci是第i個綜合指標貢獻率,表示的是i個指標在所有指標中的重要程度。

各綜合指標的隸屬函數(shù)值

μ(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin),i=1,2,3……n

(4)

式中,Ximin表示第i個綜合指標的最小值,Ximax表示第i個綜合指標的最大值。

(5)

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對株高的影響

隨著干旱脅迫時間的延長,供試品種的株高呈逐漸升高的趨勢(圖1 A),但品種之間存在較大差異。其中在干旱脅迫7 d時,莫妮達的株高顯著高于牧樂思、固原大燕麥、丹燕444、禾王4個品種(p<0.05),禾王的株高顯著低于其他6個品種(p<0.05),相較于ck,喜越的株高上升幅度最高,為ck的22.77%,丹燕444的上升幅度最低,為ck的5.38%;在干旱脅迫14 d時,莫妮達的株高顯著高于牧樂思、丹燕444、禾王3個品種(p<0.05),禾王的株高顯著低于其他6個品種(p<0.05),相較于ck,禾王的株高上升幅度最高,為ck的28.63%,丹燕444的上升幅度最低,為ck的8.86%(表1)

表1 供試飼用燕麥品種干旱脅迫時表型性狀的變化率Table 1 Change rates of phenotypic traits of tested Avena sativa L. cultivars under drought stress 單位:%

圖1 干旱脅迫對飼用燕麥品種的株高(A)、葉長(B)、葉寬(C)、葉面積(D)的影響Fig.1 Effects of drought stress on plant height(A), leaf length(B), leaf width(C) and leaf area(D) of cultivars for Avena sativa L.

2.2 干旱脅迫對葉長、葉寬的影響

隨著干旱脅迫時間的延長,供試品種的倒三葉葉長呈逐漸升高的趨勢,葉寬呈先升高后降低的趨勢(圖1 B、C),但品種之間差異較大。其中在干旱脅迫7 d時,莫妮達和禾王的葉長顯著低于其余5個品種(p<0.05),相較于ck,禾王的上升幅度最高,為ck的24.62%,莫妮達的上升幅度最低,為ck的3.11%;在干旱脅迫14 d時,牧王的葉長顯著高于其他品種(p<0.05),相較于ck,禾王的葉長上升幅度最高,為ck的40.42%,莫妮達的上升幅度最低,為ck的14.23%。在干旱脅迫7 d時,禾王和丹燕444的葉寬顯著高于喜越、固原大燕麥、牧王、牧樂思4個品種(p<0.05),相較于ck,莫妮達的葉寬上升幅度最高,為ck的31.97%,牧樂思的上升幅度最低,為ck的3.97%;在干旱脅迫14 d時,禾王的葉寬顯著高于其他品種(p<0.05),相較于ck,禾王的葉寬降低幅度最低,為ck的110.95%,喜越的降低幅度最高,為ck的138.52%(表1)。

2.3 干旱脅迫對葉面積的影響

隨著干旱脅迫時間的延長,供試品種的葉面積變化趨勢存在品種間差異(圖1 D),禾王的葉面積呈升高的趨勢,而其余品種的葉面積呈先升高后降低的趨勢。其中在干旱脅迫7 d時,丹燕444的葉面積顯著高于其他6個品種(p<0.05),相較于ck,禾王的葉面積上升幅度最高,為ck的66.08%,牧樂思的上升幅度最低,為ck的15.94%;在干旱脅迫14 d時,丹燕444和禾王的葉面積顯著高于莫妮達、固原大燕麥、牧樂思、喜越(p<0.05)4個品種,相較于ck,喜越和牧樂思的葉面積降低,其余5個品種的葉面積都升高,禾王的葉面積上升幅度最高,為ck的66.96%,丹燕444的上升幅度最低,為ck的5.10%(表1)。

2.4 干旱脅迫對葉片數(shù)的影響

隨著干旱脅迫時間的延長,供試品種的葉片數(shù)呈先升高后降低的趨勢(圖2 A),在干旱脅迫7 d時,牧王的葉片數(shù)與固原大燕麥的差異不顯著,但與另外5個品種的差異顯著(p<0.05),相較于ck,牧王的葉片數(shù)上升幅度最高,為ck的68.52%,上升幅度最低的是莫妮達,為ck的0.78%;在干旱脅迫14 d時,丹燕444的葉片數(shù)顯著低于其他6個品種(p<0.05),相較于ck,禾王和牧王的葉片數(shù)升高,上升幅度分別是ck的23.53%和8.33%,但其余5個品種的葉片數(shù)降低,降低幅度最小的是固原大燕麥,為ck的9.4%,最高的是莫妮達,為ck的26.36%(表2)。

表2 供試飼用燕麥品種干旱脅迫時生物量的變化率Table 2 Change rates of biomass of tested Avena sativa L. cultivars under drought stress 單位:%

圖2 干旱脅迫對飼用燕麥葉片數(shù)(A)、地上生物量(B)、根系干重(C)的影響Fig.2 Effects of drought stress on leaf number (A), aboveground biomass (B) and root biomass (C) of cultivars for forage oat

2.5 干旱脅迫對地上生物量、根系干重的影響

隨著干旱脅迫時間的延長,供試品種的地上生物量變化趨勢存在品種間差異,其中喜越、牧王、固原大燕麥3個品種的地上生物量呈先升高后降低的趨勢,其余品種的地上生物量都呈升高趨勢(圖2 B)。在干旱脅迫7 d時,供試品種地上生物量差異不顯著,相較于ck,禾王的地上生物量上升幅度最高,為ck的92.65%,牧樂思的上升幅度最低,為ck的19.47%;在干旱脅迫14 d時,莫妮達的地上生物量顯著高于牧王、固原大燕麥、喜越3個品種(p<0.05),相較于ck,禾王的地上生物量上升幅度最高,為ck的137.87%,喜越的上升幅度最低,為ck的31.30%(表2)。

隨著干旱脅迫時間的延長,飼用燕麥品種的根系干重呈升高的趨勢(圖2 C)。在干旱脅迫7 d時,牧王的根系干重顯著高于其他6個品種(p<0.05),相較于ck,莫妮達的根系干重上升幅度最高,為ck的77.78%,禾王的上升幅度最低,為ck的42.86%;在干旱脅迫14 d時,牧王的根系干重顯著高于固原大燕麥(p<0.05),相較于ck,根系干重升高幅度最高的是莫妮達,為ck的111.11%,升高幅度最低的是丹燕444,為ck的48.65%(表2)。

2.6 品種性狀的綜合抗旱系數(shù)

7個品種表型指標的綜合抗旱系數(shù)(CDC值)顯示結果如下,禾王的株高、葉長、葉寬、葉面積、地上生物量CDC值最高;牧王的葉片數(shù)CDC值最高;莫妮達的根系干重CDC值最高,但葉長、葉片數(shù)CDC值最低,丹燕444的株高、根系干重CDC值最低,牧樂思的葉寬、葉面積、地上生物量CDC值最低(表3)。這表明僅用單項指標的CDC值作為植物抗旱性強弱的排序根據(jù),結果不具可靠性,需進行綜合評價。

表3 7個表型指標的綜合抗旱系數(shù)Table 3 Comprehensive drought resistance coefficient (CDC) of 7 phenotypic indexes

2.7 飼用燕麥品種的抗旱性綜合評價

采用主成分分析法和模糊隸屬函數(shù)法對7個飼用燕麥品種表型性狀的CDC值進行分析。首先對供試品種的7項表型指標的CDC值進行主成分分析,可以看出,前2個主成分的特征值大于1,且第1主成分解釋了全部方差的61.471%,第2主成分解釋了全部方差的19.706%,前2個主成分累計解釋了全部方差的81.177%(大于80%),這表明提取的前2個主成分能夠代表飼用燕麥7個表型指標信息的81.177%,可以利用這2個綜合性狀指標來代替原來的7個指標評價品種的抗旱性。因此,提取2個主成分,然后根據(jù)不同綜合指標的貢獻率和權重及隸屬函數(shù)值來計算抗旱性度量值(D值),以此來綜合評價供試品種的抗旱性。表4結果顯示,供試品種的表型抗旱性由強到弱依次是禾王、莫妮達、固原大燕麥、牧王、喜越、丹燕444、牧樂思。

表4 供試飼用燕麥品種表型隸屬函數(shù)值、D值及排序Table 4 The membership function value, D value and rankings of phenotypic of experimental Avena sativa L. cultivars

2.8 飼用燕麥品種的聚類分析

利用R型聚類方法對供試品種的7個性狀進行聚類(圖3),根系干重聚為一類,葉長、葉片數(shù)聚為一類,株高、葉寬、地上生物量、葉面積聚為一類。利用Q型聚類方法對7個供試品種進行聚類(圖3),禾王聚為一類,其葉長、葉寬、葉面積的CDC值最高,地上生物量及葉片數(shù)CDC值較高,株高CDC值中上水平,根系干重CDC值處于中等水平,抗旱性強;莫妮達聚類一類,其根系干重CDC值最高,葉寬和地上生物量CDC值處于中上水平,株高CDC值處于中等,其余指標都處于中等以下,抗旱性中等;其余5個品種聚為一類,除牧王的葉片數(shù)CDC值處于中上水平,喜越的株高、固原大燕麥的地上生物量、牧王的根系干重CDC值處于中等水平,其余5個品種的表型指標CDC值都處于中等以下水平,抗旱性弱。以上聚類分析結果與利用主成分分析和隸屬函數(shù)法得出的結果基本一致,證明以上的綜合評價方法對飼用燕麥品種的抗旱性分析都具有可靠性。

圖3 飼用燕麥品種的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of Avena sativa L. cultivars

3 討 論

3.1 干旱脅迫對飼用燕麥品種地上部組織器官的影響

植物的耐旱性是植物本身的遺傳特征與外界環(huán)境相互作用的結果[15],在干旱脅迫后植物地上部分組織器官的變化是直觀可見的。例如,紫花苜蓿表現(xiàn)為在干旱脅迫下株高增加,葉面積減低,葉片數(shù)隨著干旱脅迫程度的增加而增加[16-17],豆科牧草表現(xiàn)為葉片的長度、寬度較正常供水降低,小麥表現(xiàn)為葉片的伸長被抑制,植株明顯枯萎,嚴重時導致植株死亡等表型特征的明顯變化[18]。本研究主要測定了在正常供水停止后,在不同的干旱脅迫天數(shù)下燕麥各品種的株高、葉長、葉寬、葉面積、葉片數(shù)的變化,可以看出,在輕微干旱脅迫下,也就是干旱脅迫的7 d,相較于ck,以上5個性狀的特征值增幅明顯;在重度干旱脅迫條件下,也就是干旱脅迫的14 d,株高、葉長增幅明顯降低,且葉寬明顯降到了ck以下,這與牛胤全等[19]對持綠型小麥幼苗的研究結果相似,說明在燕麥的生長期內(nèi)輕微干旱脅迫能促進作物組織器官的構建,但連續(xù)和深度干旱脅迫對植物組織器官的構建會產(chǎn)生負效應,當長時間的連續(xù)干旱得不到補償?shù)臅r候,燕麥代謝發(fā)生紊亂,器官組織的構建進程減緩甚至發(fā)生中斷,這可能就是以上5個組織器官特征值的變化幅度隨著干旱脅迫時間及程度的增加而降低的最主要原因。

3.2 干旱脅迫對飼用燕麥根系干重、地上生物量的影響

植物在生長過程中水分虧缺會造成體內(nèi)代謝發(fā)生的變化,最終導致生長狀況的變化,因此,植物的生長量與生長狀況是衡量抗旱能力的重要指標[20]。根系是植物生長過程中重要的代謝與吸收器官,是影響莖葉生長狀況和作物產(chǎn)量的重要因素,也是植物對干旱脅迫最早起反應的部位。當植物遭受外界的干旱脅迫時,根系首先感受到這種脅迫信號并轉導,然后調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的相關抗旱基因及蛋白的表達,進而通過代謝途徑和方向的改變來影響碳同化產(chǎn)物的分配使根冠比增加,最后反過來又影響根系的生長[21]。張翠梅等[22]研究表明,隨著干旱脅迫程度的增加,根系干重先增加后降低;王嬌,張永清[23]研究結果顯示,隨著干旱脅迫程度的增加,根重呈減少的趨勢;季楊等[24]研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫能使根系生物量顯著降低。本研究表明,在停止正常供水后,短期干旱脅迫對燕麥的根系干重具有促進作用,但長時期干旱脅迫對燕麥的根系干重的增加具有抑制作用。這與王曉雪等[25]對干旱脅迫下燕麥根系干重的研究結果一致。地上生物量是植物地上各個器官、組織相互作用最終形成的一個指標,也是衡量植物抗旱性最直觀、簡單但有效的指標。王彥龍等[17]研究結果顯示,紫花苜蓿中苜1號、小花堿茅同德地上生物量隨著干旱脅迫程度的增加而呈遞增的趨勢。本研究表明,隨著干旱脅迫時間和程度的增加,地上生物量的增幅呈先增加后降低的趨勢,這與楊丹等[26]對不同黑麥品種7～21 d的持續(xù)干旱脅迫結果一致。以上結果說明了:干旱脅迫下根系干重及地上生物量的變化不僅與植物本身所具有的抗旱性有關,也跟脅迫時間和脅迫程度有關。

3.3 飼用燕麥品種的抗旱性綜合評價

植物的抗旱性是一個受多基因控制、許多因素影響的綜合遺傳性狀,對植物抗旱性的評價包括形態(tài)、生長、產(chǎn)量等多個方面[27],這些性狀相互聯(lián)系、相互制約,若采用其中單一性狀進行評價,都會使結果具有一定的片面性或信息重復[28]。因此,學界普遍認為多指標多方法相結合的抗旱性評價可以真實、可靠地反應植物的抗旱性[29]。本研究采用主成分分析、隸屬函數(shù)法首先計算出抗旱綜合評價值(D值),根據(jù)D值來綜合評價各品種的抗旱性,首先保留了原有信息不丟失,同時也消除了性狀的權重所造成的誤差,使得結果更加可靠、準確。同時將品種性狀的綜合抗旱系數(shù)進行聚類,將品種聚類為不同抗旱性的材料,這與利用隸屬函數(shù)和主成分分析方法評價出的結果基本一致,也與品種控水試驗表型變化相切合,證明以上的綜合評價方法對燕麥品種的評價可靠、真實。

4 結 論

7個飼用燕麥品種的株高、葉長、根系干重,隨著干旱脅迫時間的延長呈升高趨勢,葉寬和葉片數(shù)呈先升高后降低趨勢,但品種之間的升降幅度存在較大差異;供試品種隨著干旱脅迫時間的延長,其葉面積和地上生物量變化存在品種間差異,其中禾王的葉面積隨著干旱脅迫時間的延長呈升高趨勢,其余品種呈先升高后降低趨勢;喜越、牧王、固原大燕麥等3個品種地上生物量呈先升高后降低趨勢,其余品種呈升高趨勢。利用多種綜合評價方法對品種表型指標進行綜合評價,確定出了各品種的表型抗旱性,其中禾王屬強抗旱性品種、莫妮達屬中等抗旱性品種,固原大燕麥、牧王、喜越、丹燕444、牧樂思屬弱抗旱性品種。