引用本文
段敏敏, 孙宗玖, 李培英. PEG胁迫下新疆地区狗牙根种子的萌发特性. 草业科学, 2016,33(7):1275-1284
Duan Min-min, Sun Zong-jiu, Li Pei-ying. Germination characteristics of Cynodon dactylon seed in Xinjiang under PEG stress . Pratacultural Science,2016,33(7): 1275-1284  
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PEG胁迫下新疆地区狗牙根种子的萌发特性
段敏敏1, 孙宗玖1,2, 李培英1,2
1.新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052
2.新疆草地资源与生态重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052
通讯作者:孙宗玖(1975-),男,内蒙古敖汉旗人,教授,博士,主要从事草地培育管理及草种资源评价。E-mail:nmszj@21cn.com

第一作者:段敏敏(1991-),女,山西晋城人,在读硕士生,主要从事草种资源评价与利用方面的研究。E-mail:1092742633@qq.com

收稿日期: 2016-02-24
基金: 新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2014211A027)
摘要

为了解狗牙根( Cynodon dactylon)种质芽期抗旱性强弱,并筛选出适宜鉴定抗旱性的PEG浓度,分别对6份狗牙根种子在0、7.5%、15.0%、22.5%、30.0% PEG(质量比)胁迫下的发芽率、发芽势、发芽指数、胚芽长、胚根长、根芽比、苗重进行测定,并采用隶属函数法对其抗旱性进行了综合评价。结果表明,随着干旱胁迫的增加,狗牙根种质的发芽势、发芽率、发芽指数均显著降低( P<0.05),且不同指标出现显著降低的PEG浓度并不一致;高浓度PEG抑制了狗牙根种质的胚芽长、胚根长、根芽比、幼苗重( P<0.05),而低浓度对其影响不显著( P>0.05);15%的PEG可作为狗牙根芽期抗旱鉴定的最适处理浓度;隶属函数综合分析认为,6份狗牙根的抗旱性由强到弱依次为Cd016>Cd043>Cd047>Cd002>Cd034>Cd013。

关键词: 狗牙根; 芽期; 抗旱鉴定; 隶属函数法; 主成分分析
中图分类号:S543+.9 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)7-1275-10 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0561
Germination characteristics of Cynodon dactylon seed in Xinjiang under PEG stress
Duan Min-min1, Sun Zong-jiu1,2, Li Pei-ying1,2
1.College of Pratacultural and Environmental Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
2. Key Laboratory of Grassland Resource and Ecology of Xinjiang, Urumqi 830052, China
Corresponding author: Sun Zong-jiu E-mail:nmszj@21cn.com
Abstract

In order to understand drought resistance of 6 Bermuda grass germplasm at germinating stage and select suitable PEG concentrations for drought resistance selection, the seed germination rate, germination energy, germination index, radicle length, plumule length, ration of radicle to plumule and seedling weight were measured under 0%, 7.5%, 15.0%, 22.5%, 30.0% PEG (polyethylene glycol) stress and the drought resistance ability of these germplasm was determined using subordinate function method. The results showed that the seed germination percentage, germination energy, germination index of Bermuda grass significantly decreased ( P<0.05) with the increase of drought stress, and the significant reduction of different indices did not appear in the same PEG concentration. Higher PEG concentration stress reduced seed radicle length, plumule length, ration of radicle to plumule and seedling weight. The optimal concentration to evaluate drought tolerance of Bermuda grass was 15% PEG. According to subordinate function analysis, the drought resistance of 6 Bermuda grass from strong to weak was Cd016, Cd043, Cd047, Cd002, Cd034, Cd013.

Keyword: Cynodon dactylon; germinating stage; drought evaluation; principal component analysis; subordination function method

干旱作为全球长期存在的自然灾害之一, 严重限制了植物的正常生长发育, 引起众多学者的关注[1, 2]。中国水资源严重短缺, 52.5%的国土面积为干旱、半干旱区域[3]。随着我国农业产业结构的调整, 栽培、改良草地在我国干旱、半干旱区草牧业的可持续发展及其生态环境改善中发挥着重要作用, 但水分短缺严重制约了其发展建设速度[4, 5]。因此, 抗旱种质资源的筛选对于干旱、半干旱区栽培草地的建设意义重大。

芽(苗)期是衡量种子植物抗旱性强弱的重要时期[6]。通常利用聚乙二醇(PEG)高渗溶液模拟干旱进行抗旱种质的鉴定与筛选, 比较可靠、快速, 并在偃麦草(Elytrigia repens)[6]、大豆(Glycine max)[7]、白羊草(Bothriochloa ischaemum)[1]、鸭茅(Dactylis glomerata)[4]、棉花(Gossypium spp.)[5]等多种种质的抗旱鉴定中得到了广泛应用, 且不同种质进行抗旱鉴定的适宜PEG浓度并不一致, 需要区别对待。狗牙根(Cynodon dactylon)为禾本科多年生根茎-匍匐茎型草本, 具有适应性广、抗旱、耐盐、耐热等优良特性, 不仅是一种重要的牧草、草坪草种质资源, 也是一种优良的水土保持植物[8, 9]。目前, 有关狗牙根抗旱方面的研究多集中在干旱胁迫下种内或种间苗期形态、生理生化、生理生态等方面的评价或比较[10, 11, 12, 13, 14, 15], 而有关芽期抗旱鉴定评价的报道相对较少。因此, 本研究提出以PEG溶液模拟干旱胁迫, 探讨芽期6份狗牙根种质对0、7.5%、15.0%、22.5%、30.0% PEG胁迫下的萌发情况及相应规律, 探讨适宜鉴定抗旱性的PEG浓度, 进而筛选出耐旱种质, 以期为狗牙根抗旱育种提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料

供试狗牙根材料共计6份, 采自新疆不同生境条件(表1)。野外每个生境下选取生长一致的狗牙根株丛, 挖取根茎, 引种到新疆农业大学试验场条植, 小区面积为1.0 m× 2.5 m, 小区间距70 cm。2011年5月, 小区原样搬迁至新疆农业大学三坪实习农场。该农场全年平均气温 7.2 ℃, 极端高温 42 ℃, 极端低温-38 ℃。≥ 10 ℃的年积温3 400 ℃· d左右, 全年日照时数2 829.4 h, 年降水量228.8 mm, 年蒸发量2 647 mm。试验期间进行正常田间管理工作, 每年5、6、7月及入冬前各灌水一次, 以灌透为宜, 6月施尿素一次, 用量10 g· m-2, 不定期人工拔除田间杂草。本研究所用种子均于2013年8月采自该试验区。

表1 供试材料编号及来源 Table 1 The selected material number and source
1.2 试验设计

每份狗牙根种质选取大小均匀一致、籽粒饱满的种子(含颖壳)100粒, 70%酒精消毒30~60 s后蒸馏水清洗3~5次, 晾干后置于直径为90 mm的铺有双层滤纸的培养皿中。试验设置5个PEG处理(质量比)模拟干旱胁迫, 即0(CK)、7.5%、15.0%、22.5%、30.0%, 每处理重复3次。处理时, 每培养皿中添加10 mL PEG溶液, 对照加入10 mL蒸馏水, 置于高温35 ℃(8 h, 每天08:00-16:00进行3 000 lx光照度)、低温20 ℃(16 h, 16:00-次日08:00黑暗)的发芽箱进行发芽试验。从种子置床之日起, 以胚根突破种皮1 mm, 胚芽为种子长1/2作为发芽标准, 每日16:00记载发芽种子数, 同时每天进行称重补充蒸馏水, 以保证稳定的PEG含量。试验持续21 d, 结束时, 每培养皿随机选取10株幼苗, 用0.01 cm刻度尺测量胚根长、胚芽长, 用0.1 mg电子天平称量其苗鲜重。

1.3 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 21.0中的One-way ANOVA进行狗牙根材料间各指标的差异性检验, 显著性水平0.05, 并计算同一浓度下不同材料间各指标变异系数。抗旱性综合评价采用隶属函数法, 参考孙宗玖等[16]的方法进行, 统计以21 d为周期。以PEG浓度为自变量, 以相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对根芽比和相对苗重为因变量进行回归统计分析, 计算各指标测定值下降到50%、0时所对应的PEG浓度, 获得每份材料的耐旱临界值(D50)和耐旱极限值(D0)

发芽率=种子发芽数/供试种子数× 100%;

发芽势=7 d内种子发芽数/供试种子数× 100%;

发芽指数=∑ (Gt/Dt).

式中:Gt为第t天发芽数, Dt为发芽天数。

根芽比=胚根长/胚芽长。

相对性状指标值=干旱胁迫下性状测定值/对照性状测定值。

某一性状变化率=(处理-对照)/对照× 100%。

2 结果与分析
2.1 PEG胁迫对狗牙根种子发芽势、发芽率及发芽指数的影响

随着PEG胁迫增强, 狗牙根种质发芽势、发芽率、发芽指数总体呈降低趋势, 但材料间表现并不完全一致, 30.0% PEG胁迫下, 除Cd002外的其余5份材料发芽势、发芽率、发芽指数均为0(图1-3)。

图1 不同PEG胁迫对狗牙根种质发芽势的影响
注:图中小写字母表示同一材料不同处理间各指标差异显著(P< 0.05)。Fig.1 Effect of different PEG concentrations on seed germination energy of C. dactylon
Note: Different lower case letters represent singificant difference of the same material under different PEG concentrations at 0.05 level.

图2 不同PEG胁迫对狗牙根种质发芽率的影响Fig.2 Effect of different PEG levels on seed germination rate of C. dactylon

图3 不同PEG胁迫对狗牙根种质发芽指数的影响Fig.3 Effect of different PEG levels on seed germination index of C. dactylon

与对照比(图1), 7.5% PEG下除Cd016降低不明显(P> 0.05), 其余5份狗牙根材料发芽势均显著降低(P< 0.05), 降幅在30.0%~75.0%, 而15.0% PEG继续显著降低, 15.0%和22.5%较对照降幅分别为74.2%~96.1%、81.7%~100.0%。

与对照比(图2), 7.5% PEG下, Cd002、Cd016、Cd013发芽率提高了1.0%和11.5%(P> 0.05), Cd047、Cd043、Cd034显著降低了11.9%和26.0%(P< 0.05); 15.0%和22.5% PEG下6份狗牙根材料发芽率均显著降低, 较对照降幅分别为26.8%~65.5%、49.0%~85.9%(P< 0.05)。

与对照相比(图3), 7.5% PEG下Cd002、Cd016发芽指数分别增加了1.3%和14.4%(P> 0.05), 其余4份材料降低了5.2%~37.6%, 且Cd043、Cd034、Cd047显著降低(P< 0.05), 15.0%、22.5% PEG下6份材料发芽指数均显著降低, 较对照降幅分别为32.5%~75.8%、61.2%~88.1%。

由上述分析可知, 低浓度的PEG(≤ 7.5%)对狗牙根材料种子的萌发有一定的促进作用, 但不显著, 而高浓度的PEG(≥ 15.0%)则显著降低了种子萌发能力, 且当PEG浓度达到30.0%时, 种子基本不能萌发。

2.2 PEG胁迫对狗牙根种子胚根长、胚芽长、苗重及根芽比的影响

在30.0% PEG胁迫下, 除Cd002外的其余5份材料胚根长、胚芽长、根芽比及苗重均为0, 降低明显(图4-7)。在0~22.5% PEG胁迫范围内, 随PEG浓度增加, Cd002、Cd047胚芽长呈下降趋势(图4), 其余4份材料均呈先升后降趋势, 且与对照相比, 除22.5% PEG下Cd047显著降低了32.2%外(P< 0.05), 其余PEG处理下6份材料的胚芽长均降低不显著, 幅度为6.0%~30.4%(P> 0.05); 与对照相比, PEG胁迫后Cd002、Cd016、Cd013、Cd043的胚根长虽有一定升降, 幅度为7.6%~59.8%, 且均不显著(P> 0.05), 而Cd047在7.5% PEG下显著增加(P< 0.05), Cd034在7.5%~15.0% PEG下增加, 但不显著(P> 0.05)(图5); 各PEG胁迫间Cd002、Cd016、Cd013苗重差异不显著(P> 0.05), 而Cd043、Cd034仅在PEG浓度达到22.5%时才与对照相比显著降低(P< 0.05), 降幅在21.2%~49.8%(图6); 与对照相比, 7.5% PEG胁迫下仅Cd034根芽比显著增加(P< 0.05), 15.0% PEG处理下Cd016、Cd043、Cd034根芽比均显著增加(P< 0.05), 而22.5%PEG时仅Cd043、Cd034、Cd047根芽比显著增加(P< 0.05), 其余材料均变化不显著(P> 0.05), 可能是干旱环境对狗牙根胚芽的生长抑制程度大于胚根生长所致, 且材料间差异明显(图7)。

图4 PEG胁迫对狗牙根种质胚芽长的影响Fig.4 Effect of different PEG levels on seed plumule length of C. dactylon

图5 PEG胁迫对狗牙根种质胚根长的影响Fig.5 Effect of different PEG levels on seed radical length of C. dactylon

图6 PEG胁迫对狗牙根种质苗重的影响Fig.6 Effect of different PEG levels on seedling weight of C. dactylon

图7 PEG胁迫对狗牙根种质根芽比的影响Fig.7 Effect of different PEG levels on ratio of radicle to plumule of C. dactylon

2.3 不同浓度 PEG间测定指标的差异性分析

PEG胁迫对不同狗牙根种质萌发的影响效果并不一致, 存在较大波动(图1-3)。为了更准确地评价狗牙根抗旱能力的强弱, 以6份供试狗牙根种质为总体, 进行狗牙根抗旱鉴定最佳PEG浓度的确定(表2)。与对照相比, 7.5% PEG胁迫下, 供试种质仅发芽势显著降低(P< 0.05), 其余指标均升降不明显, 受干旱影响相对较轻; 当PEG增加到15.0%~22.5%时, 供试材料发芽势、发芽率、发芽指数、胚芽长、根芽比均升降较明显, 受害较重, 但22.5% PEG下测试指标的数值相对较低, 变异系数相对较小, 不能很好地反映材料间的差异程度; PEG浓度增加30.0%时, 所有测试指标多数均小于1, 受害严重, 且有5份材料均不能萌发(图1-3), 也不能很好区分材料间的抗旱强弱程度。因此, 15.0% PEG可作为芽期狗牙根种质抗旱鉴定的最适处理浓度。

表2 不同PEG浓度下各测定指标总体显著性分析及变异系数 Table 2 Significant analysis and variation coefficient of measured indexes between different PEG concentrations
2.4 狗牙根抗旱性综合评价

以15.0% PEG为抗旱鉴定适宜浓度, 对6份狗牙根种质的抗旱性进行综合评价。为了防止各测试指标间的抗旱信息重叠, 对相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对胚芽长、相对胚根长、相对根芽比和相对幼苗重进行主成分分析, 结果表明(表3), 7个指标被综合成3个新的综合指标, 涵盖了7个单项指标92%的信息, 可以用于芽期狗牙根种质的抗旱评价。参考孙宗玖等[16]关于抗旱隶属函数综合评价中各指标的权重系数(Wj)、隶属函数值(D)、综合评价值的计算方法, 对6份狗牙根种质的抗旱性进行了综合评价(表4)。一般认为, 某种质的综合评价值越大, 则其抗旱能力就越强, 可以看出, 6份狗牙根种质材料的综合评价值介于0.16~0.87, 抗旱能力从强到弱依次为Cd016> Cd043> Cd047> Cd002> Cd034> Cd013。

表3 狗牙根各综合指标因子负荷量及贡献率 Table 3 Characteristic vector and contribution ration of comprehensive indexes factors of C. dactylon
表4 狗牙根综合指标值、隶属函数值与综合评价值 Table 4 Comprehensive index, value of subordinate function and comprehensive evaluation of C. dactylon
2.5 狗牙根芽期耐旱临界值和极限值

为了更好地了解供试6份狗牙根材料的耐旱情况, 结合表3结果, 5个指标中6份材料平均D50、D0以相对苗重最大, 相对发芽势较小(表5); 6份材料中, 从5个指标平均D0看, 材料Cd002的耐旱极限值最大(PEG浓度为36.3%), 显示出较强的耐旱性, 而Cd034、Cd013相对较低(PEG浓度低于29.0%), 耐旱性较弱; 从5个指标平均D50看, 仍以材料C002的临界值最高, 而材料Cd034、Cd013、Cd047最低, 但与其耐旱极限值的排序并不一致。6份材料的5个指标大部分临界PEG浓度均在10%~20%, 因此, 10%~20%可作为狗牙根抗旱性强弱判定的敏感浓度区间。

表5 PEG胁迫下6份狗牙根种子萌发期的耐旱临界值和极限值 Table 5 Critical and limit values of six Bermuda grass germination period under PEG stress
3 讨论与结论

水分是影响种子萌发的关键因素[17], 也是制约植物生长和分布的重要因素[18]。本研究以PEG溶液模拟不同干旱胁迫条件, 对6份不同来源的狗牙根种质的萌发特性和抗旱能力进行了分析, 结果表明, PEG胁迫对狗牙根种子的萌发总体上具有一定的抑制作用, 尤其是PEG浓度大于7.5%时, 种子的发芽率、发芽指数、发芽势随干旱胁迫强度的增加总体呈下降趋势, 这与相关报道一致[3, 19, 20, 21], 但对胚根长、胚芽长、根芽比及苗重的影响需要区别对待, 总体看0~15.0% PEG范围内虽有一定程度的升降, 但差异不明显, PEG浓度超过22.5%时, 开始逐步体现出明显的抑制作用。但与对照比, 7.5%~15% PEG会在一定程度上促进部分狗牙根种质种子的萌发, 且种质不同体现这种促进作用的指标也有所差异, 这可能是低浓度PEG处理对其种子的萌发起到了“ 引发” 作用[22], 而这种引发作用可能是物种在长期繁衍过程中对环境变化的一种适应性反应, 但对狗牙根而言这种引发作用相对较弱, 与对照比差异不显著。研究发现, 低浓度的PEG处理对柠条(Caragana korshinskii)和杠柳(Periploca sepium)的种子萌发具有较好的引发作用, 在5%~15%浓度的PEG胁迫下, 柠条和杠柳的种子萌发率有时会超过无PEG胁迫对照[23]。随着PEG浓度的升高, 受到引发作用的狗牙根种质的种子萌发也将受到抑制, 说明PEG浓度增加到一定程度时会使其对种子的引发作用逐渐变为抑制作用, 但引发作用的临界浓度还需要得到进一步确定。

参考有关芽期植物抗旱性评价文献[24, 25], 通过对5个PEG浓度下6份狗牙根种子萌发的7个指标的分析, 最终确定15.0% PEG作为芽期狗牙根抗旱鉴定的最适处理浓度, 这与6份材料5个指标(发芽率、发芽势、发芽指数、根芽比、苗重)的耐旱临界PEG浓度10%~20%相吻合。本研究得出6份狗牙根种质的抗旱性由强到弱依次为Cd016> Cd043> Cd047> Cd002> Cd034> Cd013, 与前期研究的芽期抗旱强弱顺序[26]基本吻合。

干旱胁迫下植物抗旱能力的强弱是其形态、生理、生化等多方面特征的综合表现。本研究表明, 干旱胁迫下同一指标的耐旱临界值与耐旱极限值并不一定呈正比关系。说明选择的抗旱鉴定指标不同, 芽期6份狗牙根种质的抗旱强弱顺序就存在一定的差异, 因此, 抗旱评价需要应用多种指标进行综合考虑。

The authors have declared that no competing interests exist.

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