15份飼用型燕麥種質材料苗期抗旱性比較與評價

趙小娜,高志昊,王 斌,張譯尹,胡海英,2*,蘭 劍,2

(1.寧夏大學林業與草業學院,寧夏 銀川 750021; 2.寧夏草牧業工程研究中心,寧夏 銀川 750021)

燕麥(Avenasativa)是一年生禾本科糧飼兼用作物,具有產量高、抗逆性強、品質優、適口性好等生物學特性,是發展畜牧業最理想、最經濟的飼草之一[1]。然而,寧夏現有種植燕麥品種單一,種質資源匱乏,已不能滿足寧夏草畜產業可持續發展的要求[2]。寧夏地處西北內陸干旱地區,水資源短缺,在一定程度上限制了牧草產業的發展[3]。因此,篩選和選育抗旱節水優良燕麥品種,對于緩解該區飼草短缺,保證畜牧業健康可持續發展具有重要意義。

干旱脅迫嚴重影響作物的生長發育,降低產量和經濟收益,主要表現在生長形態、生理及農藝性狀等方面。汪燦等[4]研究發現,干旱脅迫對高粱分蘗數具有極顯著影響,脅迫程度越大,其抑制效果越明顯。王曉雪等[5]研究表明,中度干旱脅迫對燕麥早期根系總長、根系總表面積和根體積有促進作用,但隨著脅迫時間的延長,脅迫會抑制根系生長。在干旱脅迫下,植物地上部干物質積累減少,有機物向地下部轉移,根冠比增大,利于根系吸收水分,提高植物的抗旱性[6]。植株葉片的相對含水量與干旱脅迫壓力呈現出負相關的關系,抗旱性強的品種相對含水量下降緩慢[7],且遭受干旱脅迫的C3植物組織具有更高的δ13C值[8]。也有研究發現,牧草葉片中的可溶性糖和脯氨酸含量在干旱脅迫下顯著增加[9-10]。此外,干旱脅迫還會導致牧草氣孔導度、胞間CO2濃度、凈光合速率和蒸騰速率均呈下降趨勢[11]。可見,干旱脅迫對植物的影響是一個綜合復雜的過程,不同指標對干旱的響應程度和貢獻權重不一。因此,對抗旱種質材料選育需要多項指標綜合分析研究,多角度評價和篩選。

目前,適宜干旱半干旱地區種植的飼用型燕麥品種尤其匱乏,燕麥抗旱種質材料選育研究相對滯后[12]。鑒于此,本研究用15份飼用型燕麥材料,模擬嚴重干旱脅迫,從生長形態、生物量分配、光合能力、滲透調節及水分利用等角度,比較研究不同燕麥材料的抗旱性及其差異,綜合評價篩選出抗旱節水型燕麥種質材料,為干旱半干旱區飼用燕麥育種和栽培提供理論與技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試15份燕麥材料采購于寧夏西貝農林牧生態科技公司,具體名稱及編號如表1所示。

表1 15個供試燕麥材料Table 1 15 tested oat materials

1.2 幼苗培植

選用塑料花盆(高度18 cm,直徑20 cm)為栽培容器,盆栽基質由砂壤土和風沙土(2∶1)配制。在種子播種的同時,測定土壤田間持水量為21.56%,土壤容重為1.52 g·cm-3。供試種子消毒后每盆播種10粒,發芽后進行間苗,每盆保留5株,隨機擺放于日光溫室內。

1.3 控水試驗

設置2個水平的干旱脅迫處理:對照(CK)為充分供水,保持土壤水分在70%～80%田間持水量;處理(T)為重度干旱脅迫,土壤含水量達到田間持水量的20%～30%。待幼苗生長處于分蘗期時開始水分控制,在土壤表面覆蓋一層聚乙烯塑料顆粒以防止水分蒸發。處理前一周停止澆水,一周后每天用便攜式土壤水分測定儀TDR-300(Spectrum Technologies,Plainfield,USA)測量土壤體積含水量,當土壤含水量達到設定的含水量后,開始計算脅迫日期,并計算需要補充水量,使土壤含水量達到水分脅迫處理范圍。持續脅迫處理35 d后開始采樣和測試各項指標。

1.4 指標測定

(1)株高和分蘗數:每個處理隨機選取5株植株,卷尺測量株高,并統計分蘗數。

(2)單葉面積、比葉面積:每個處理各取5株植株相同部位葉片,利用便攜式葉面積儀(英國ADC AM350)測定單葉面積,烘干后稱取葉片干重,計算比葉面積。比葉面積(cm2·g-1)=單葉面積/葉片干重。

(3)根長、根面積、根體積:每個處理取5株完整植株,將根系和地上部分開。使用臺式掃描儀(EPSON Experssion)對根系進行掃描并將圖像存入電腦,運用WinRHIZO根系分析系統(Regent Instruments Inc. Quebec,Canada)對根系圖像進行分析,獲得根系總長、根系總表面積、根體積等數據。

(4)生物量:每個處理取5株完整植株,將植株的地上部和根系分開,分別稱取鮮重后烘干,再稱取地上部和根系干重,計算根冠比。根冠比=根系生物量干重/地上生物量干重。

(5)葉片光合參數:采用美國LI-COR公司LI-6800便攜式光合測定系統于9∶00-12∶00測定葉片的光合指標,測定時選用燕麥植株旗葉進行測定,每次測3株。獲得參數有蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率和胞間CO2濃度。

(6)生理指標:采用同位素比率質譜儀測定碳穩定同位素組成(δ13C值)[13],采用葸酮比色法測定可溶性糖和葉片總淀粉含量[14],采用酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量[15],丙二醛含量運用硫代巴比妥酸法測定[15],采用烘干法測定葉片相對含水量[16]。每個處理重復3次。

1.5 數據統計分析

采用Excel 2019進行數據整理,利用SPSS Statistics 25.0進行方差分析,用Origin 2022做圖,通過SPSS Statistics 25.0對15份燕麥種質的原始數據進行主成分分析(Principal component analysis,PCA),得出特征值大于1的主成分,將原始數據標準化后導入SPSS代入模型,可得出公因子Y1,Y2,Y3,Y4和綜合得分Y。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同燕麥材料形態特征的影響

由表2可知,干旱脅迫對不同燕麥材料株高、分蘗數、單葉面積和比葉面積均有顯著影響(P<0.05)。燕麥的株高、分蘗數和單葉面積均在干旱脅迫下較對照組呈下降趨勢,而WH,2TY,YMYC,FH和YUN的比葉面積顯著大于對照。其中在干旱脅迫下,70TY和FH的株高最高,顯著高于WH,LM,TMQH,WFD和YUE(P<0.05),與對照相比,除70TY外,其他材料的株高均顯著降低,其中,XS降低了23.80%;就分蘗數而言,XS的分蘗數最多,平均達到3.67個,且顯著高于除7BY,FH,YUN和YMYC外的其他材料(P<0.05);YUN和XS單葉面積顯著高于WH,TMQH,70TY,WFD,YUE,MYT,KNM和ZZT(P<0.05),與對照相比,各材料的單葉面積均顯著降低,其中WH降低的最多,降低了47.17%;70TY和ZZT的比葉面積顯著高于XS,WFD,YUE,MYT,KNM和FH。

表2 不同燕麥材料在干旱脅迫下的形態特征變化Table 2 Morphological characteristics of different oat materials under drought stress

2.2 干旱脅迫對不同燕麥材料根系分布特征和生物量的影響

由圖1可知,干旱脅迫對不同燕麥材料根長、根表面積和根體積均有顯著影響(P<0.05)。在干旱脅迫下,7BY的根長顯著高于YMQH,70TY,WFD,YUE,MYT,KNM和FH(P<0.05),且7BY,XS,YMYC,MYT和YUN的根長顯著高于對照,其中7BY的根長最大,較對照增加了23.32%;YUN的根表面積最大,為38.16 cm2,顯著高于除XS和WH外的其他材料(P<0.05),與對照相比,除MYT和YUN外,其他材料的根表面積均顯著降低,其中,2TY降低的最多,降低了52.24%;FH的根體積顯著高于除ZZT外的其他材料(P<0.05),在干旱脅迫下,XS,YUE和FH的根體積顯著高于對照。

圖1 干旱脅迫對不同燕麥材料根系分布特征和生物量的影響Fig.1 Effects of drought stress on root system characteristics and biomass of different oat materials

由圖1可知,干旱脅迫對不同燕麥材料地上生物量、根系生物量和根冠比均有顯著影響(P<0.05)。其中在干旱脅迫下,YUN,FH,XS,70TY,2TY和LM的地上生物量最大,且顯著高于YMQH,YUE,MYT,WFD和KNM(P<0.05),與對照相比,除2TY和70TY外,其他材料的地上生物量均顯著降低,其中,FH降低的最多,降低了55.31%;YUN的根系生物量顯著高于除XS,FH,7BY,WH和2TY外的其他材料(P<0.05);對于根冠比而言,7BY,WH,YMQH,XS,WFD,YUE,MYT,KNM,FH和YUN在干旱脅迫下的根冠比顯著大于對照,其中增加最多的材料為KNM,增加了55.56%。

2.3 干旱脅迫對不同燕麥材料光合生理特征的影響

如圖2所示,干旱脅迫對不同燕麥材料蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率和胞間CO2濃度均有顯著影響(P<0.05)。除WH的胞間CO2濃度外,其他燕麥葉片的光合生理特征較對照組顯著下降(P<0.05)。在干旱脅迫下,FH的蒸騰速率最高,為4.29 mmol·m-2·s-1,顯著高于其他材料(P<0.05);氣孔導度較高的三個材料為XS,FH和YUN,分別為0.28 mmol·m-2·s-1,0.24 mmol·m-2·s-1和0.24 mmol·m-2·s-1,且顯著高于其他材料(P<0.05);FH和XS的凈光合速率顯著高于除YMYC外的其他材料(P<0.05);XS的胞間CO2濃度最高,顯著高于除MYT,FH和YUN外的其他材料(P<0.05)。

2.4 干旱脅迫對不同燕麥材料滲透調節物質和丙二醛含量的影響

如圖3所示,干旱脅迫對不同燕麥材料葉片淀粉含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量和丙二醛均有顯著影響(P<0.05)。干旱脅迫下,除LM,XS和FH的丙二醛外,其他材料間葉片淀粉含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量和丙二醛含量均顯著高于對照(P<0.05)。其中在干旱脅迫下,淀粉含量最多的材料為2TY,為21.43 mg·g-1,顯著高于其他材料(P<0.05);2TY的可溶性糖含量顯著高于除7BY,70TY和YMYC外的其他材料(P<0.05);脯氨酸含量最高的材料是KNM,達到598.07 μg·g-1,且顯著高于YMYC,FH和YUN;70TY的丙二醛含量最高,顯著高于XS,WFD,MYT和KNM(P<0.05)。

圖3 干旱脅迫下不同燕麥材料滲透調節物質和丙二醛的變化Fig.3 Changes in osmoregulations and malondialdehyde in different oat materials under drought stress

2.5 干旱脅迫對不同燕麥材料δ13C值和葉片相對含水量的影響

由表3可知,干旱脅迫對不同燕麥材料δ13C值和葉片相對含水量均有顯著影響(P<0.05)。在干旱脅迫下,YUN的δ13C值顯著高于其他材料(P<0.05),與對照相比,除MYT和KNM外,其他材料均顯著升高,其中,YUN升高最多,升高了20%;在干旱脅迫下,YMYC的相對含水量最高,達到92.09%,且顯著高于MYT,YUE和WFD(P<0.05),與對照相比,除TMQH,YMYC和ZZT外,其他材料均顯著降低,其中,YUE降低的最多,降低了15.34%。

表3 干旱脅迫下不同燕麥材料δ13C值和葉片相對含水量的變化Table 3 Changes in the δ13C values and the leaf relative water content of different oat materials under drought stress

2.6 干旱脅迫處理下各指標之間的相關性分析

由圖4可知,分蘗數與單葉面積、根系生物量、氣孔導度、凈光合速率、δ13C呈極顯著正相關關系;單葉面積與地上生物量、根系生物量、根表面積、氣孔導度、凈光合速率、δ13C值呈極顯著正相關關系;比葉面積與地上生物量、可溶性糖含量、丙二醛含量、葉片相對含水量呈極顯著正相關關系;地上生物量與根系生物量、根表面積、δ13C值、葉片相對含水量呈極顯著正相關關系;根系生物量與根表面積、氣孔導度、δ13C值呈極顯著正相關關系;蒸騰速率與氣孔導度、凈光合速率呈極顯著正相關關系;氣孔導度與凈光合速率呈極顯著正相關關系;淀粉含量和可溶性糖含量呈極顯著正相關關系;脯氨酸含量與分蘗數、單葉面積、根表面積、蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率間均呈極顯著負相關關系。

圖4 各指標間的相關系數Fig.4 Correlation coefficients between the individual indexes注:A.株高;B.分蘗數;C.單葉面積;D.比葉面積;E.地上生物量;F.根系生物量;G.根冠比;H.根長;I.根表面積;J.根體積;K.蒸騰速率;L.氣孔導度;M.凈光合速率;N.胞間CO2濃度;O.淀粉含量;P.可溶性糖含量;Q.脯氨酸含量;R.丙二醛含量;S.δ13C值;T.葉片相對含水量。下同Note:A.Plant height;B.Number of tillers;C.Single leaf area;D.Specific leaf area;E.Shoot biomass;F.Root biomass;G.Root to shoot ratio;H.Root length;I.Root surface area;J.Root volume;K.Transpiration rate;L.Stomatal conductance;M.Net photosynthetic rate;N.Intercellular CO2 concentration;O.Starch content;P.Soluble sugar content;Q.Proline content;R.Malondialdehyde content;S.δ13C values;T.Leaf relative water content. The same as below

2.7 不同燕麥材料抗旱性綜合評價

對干旱脅迫處理下的20個指標進行主成分分析(表4)。結果顯示,提取的4個主成分方差貢獻率依次為39.614%,27.491%,8.13%和7.234%,累積貢獻率為82.47%,可解釋所有信息的82.47%。第一主成分特征值為7.923,根系生物量、分蘗數、單葉面積和氣孔導度在此成分中載荷絕對值較高;第二主成分特征值為5.498,此成分中比葉面積和可溶性糖含量載荷值較高;第三成分特征值為1.626,載荷絕對值最高的是根長;第四主成分特征值為1.447,根體積和根冠比在此成分中載荷絕對值較高。

表4 各因子特征值和累計貢獻率Table 4 Characteristic value and cumulative contribution rate of individual factors

根據主成分綜合評價方法[17],得出15個燕麥材料的綜合得分,最高得分2.248。排名由高到低依次為YUN>XS>FH>7BY>2TY>YMYC>70TY>ZZT>WH>LM>TYQH>YUE>MYT>WFD>KNM(表5)。

表5 不同燕麥材料公因子值及綜合排名Table 5 Common factor values and comprehensive ranking of 15 materials

對15份燕麥種質材料進行聚類分析,分析結果將其抗旱性劃分為3個等級(圖5),其中,抗旱性強的材料有XS,YUN和FH;抗旱性中等的材料有7BY,70TY,WH,ZZT,YUE,YMYC,LM,TYQH和2TY;抗旱性弱的材料有WFD,MYT和KNM。

圖5 干旱脅迫下不同燕麥材料的聚類分析Fig.5 Cluster analysis of different oat materials under drought stress

3 討論

3.1 干旱脅迫處理對不同燕麥材料生長特征的影響

干旱脅迫會導致植株矮化,生長發育受阻,產量下降。根系作為與土壤直接接觸的資源器官,對水分與養分的變化十分敏感。李文嬈等[18]研究發現,土壤含水量降低時,植物為了尋找更多水源,總根長、根系表面積增加。隨著干旱脅迫天數增加,黑麥的根系和地上干重呈下降趨勢[19],且干旱脅迫下藏沙蒿的根冠比增加[20]。本研究結果顯示,干旱脅迫下燕麥的株高和單葉面積較對照呈降低趨勢,但70TY,FH,YUN和XS仍具有較高的株高和單葉面積,說明其具有較強的抗旱性,這與阿日文[21]的研究結果一致。7BY,XS和YUN的根長增幅較大,其中7BY的根冠比顯著高于其他材料,說明7BY的根系特征對干旱的響應更積極,以提高根冠比耐受干旱脅迫的主動性;而KNM的根長最短且降幅較大,2TY和LM的根體積較小且降幅較大,表現出較弱的抗旱性。因此,耐旱性強的燕麥將較多生長所需養分分配到地下部,從而使得干旱對根系生長的抑制作用小于地上部。

3.2 干旱脅迫處理對不同燕麥材料光合生理特征的影響

光合作用是植物生長和生產力形成的決定因素,對干旱脅迫的響應極為敏感[22]。在逆境脅迫下,植物光合系統吸收能量失衡必將引起正常生長和生產性能的下降[23]。季楊等[24]研究指出,植物受到干旱脅迫時可通過降低葉片蒸騰速率來維持體內水分收支平衡。也有研究表明,干旱脅迫能夠抑制作物葉片光合作用,導致光合速率下降,而耐旱性強的品種能夠保持較高的光合速率和氣孔導度[25]。在本研究中,與對照相比,干旱脅迫下各材料的蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度均有所降低。其中XS,FH和YUN的胞間CO2濃度降幅較低,說明其葉片能夠更好同化CO2,促進光合作用,抗旱性較強;而ZZT,YUE和TMQH的蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導度降幅大,相應的地上生物量減少量多,表現出弱的抗旱性。說明抗旱性強的燕麥材料具有維持高光合的能力,繼而能夠保持一定的產量。

3.3 干旱脅迫對不同燕麥材料滲透調節物質和丙二醛的影響

當植物受水分短缺等逆境條件影響時,可通過調控自身可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物含量以維持生理特性及生長速率等來適應干旱環境[26]。趙麗麗等[27]研究表明,隨著干旱脅迫的增加,金蕎麥可溶性糖含量升高。陳亞鵬等[28]也研究發現,植物體內的脯氨酸含量與抗旱性之間存在密切關系,其含量隨干旱脅迫的加重而積累。本研究發現,在干旱脅迫下,不同種質燕麥的可溶性糖、淀粉和脯氨酸含量明顯高于對照組,其中,2TY和7BY的可溶性糖含量最高,且與對照相比增幅最大,而WFD和KNM的增幅較小;70TY和2TY的淀粉含量增幅最大,MYT,WFD和YUE的增幅較小。7BY,2TY,XS和FH的脯氨酸含量增幅最大。可見,不同燕麥種質材料應對干旱脅迫在滲透調節能力上差異顯著,抗旱性強的材料能夠積極積累脯氨酸,調控可溶性的水解與轉化,以此緩解因滲透勢下降而引起的細胞膨壓增大和膜損傷,而且7BY,2TY,XS和FH的丙二醛含量變化幅度較小,從這一點也可以說明其細胞膜受損傷程度較其他材料輕。

3.4 干旱脅迫對不同燕麥材料水分利用效率的影響

植物組織穩定碳同位素比率δ13C與植物水分利用效率具有顯著的相關性,可以表征C3植物的水分利用效率和對干旱的適應策略。干旱通常會通過降低氣孔導度而使δ13C值增大,水分利用效率提高[29]。葉片相對含水量是指干旱脅迫時葉片含水量與該葉片在水分達到充分飽和時所持最大含水量的比值,是反映植物滲透調節功能及抗旱性強弱的指標之一[30]。相對含水量越高,其保水力及抗旱性越強[31]。本研究發現,干旱脅迫下,YUN,FH和XS的δ13C值顯著上升,說明這3份燕麥材料主動響應土壤水分條件變化,提高水分利用效率,靈活用水,維持一定的生物產量。YUE和MYT的葉片相對含水量下降幅度大,表明其抗旱性弱,相反YMYC和ZZT的抗旱性則強,這與常雪剛等人[32]的研究結果一致。

相關性分析可知,δ13C值與分蘗數、單葉面積、地上生物量、根系生物量、根表面積有極顯著相關關系,說明水分利用效率高的材料同時具有較高的生物量,可見,植物的耐旱性是由滲透調節、抗氧化等生理指標相互影響和調節的結果。從不同種質材料對抗旱性的響應特征來看,抗旱性強的品種表現為:通過大量積累滲透調節物質,減緩缺水脅迫,調節光合產物分配到根系,促進水分的吸收利用。因此,YUN,FH和XS這3個品種具備這樣的特點,不僅具有較強的抗旱性,還具有節水特征。

3.5 燕麥種質材料抗旱性的綜合評價

主成分分析的優點是可有效的簡化選擇程序、把握綜合性狀[33],該方法應用于各種植物的性狀統計分析和篩選[34]。本研究,4個主成分因子的特征值表明,供試種質和性狀指標對于主成分分析結果具有一定影響,4個主成分方差累積貢獻率達82.47%,通過主成分分析可將分蘗數、單葉面積、比葉面積、根系生物量、根冠比、根長、根體積、氣孔導度、可溶性糖含量等指標作為影響燕麥苗期抗旱性鑒定的參考指標。

采用聚類分析可以劃分燕麥種質資源的不同類型,方便選取差異較大的種質材料,為雜交親本的選配提供參考依據[35]。本試驗通過主成分分析法和聚類分析綜合評價不同燕麥種質材料的抗旱性大小,可將不同燕麥材料分為3個抗旱級別。其中,抗旱性強的材料有XS,YUN和FH;抗旱性中等的材料有7BY,70TY,WH,ZZT,YUE,YMYC,LM,TYQH和2TY;抗旱性弱的材料有WFD,MYT和KNM。

4 結論

干旱脅迫對燕麥苗的生長性能、光合參數、滲透調節物質含量、丙二醛含量及水分利用效率等指標均有顯著影響。通過主成分分析得出15份燕麥材料的抗旱性排序為:‘喜韻’>‘三星’>‘薈峰’>‘白燕7號’>‘甜燕2號’>‘鹽池燕麥’>‘甜燕70’>‘挑戰者’>‘禾王’>‘夢龍’>‘甜燕麥青海’>‘喜越’>‘甜燕麥’>‘大富翁’>‘莫尼卡’。因此,‘喜韻’ ‘三星’和‘薈峰’可在干旱半干旱地區推廣種植。