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四种果园绿肥种子在PEG-6000模拟干旱胁迫下的萌发特性与抗旱性评价

来源:用户上传      作者:董浩 史桂芳 牟小翎 于淑慧 朱国梁 谭德水 李亮 黄金苓

   摘要:本試验采用不同浓度聚乙二醇(PEG-6000)溶液模拟干旱胁迫的方法,对黑麦草、鼠茅草、二月兰、毛叶苕子4种果园绿肥种子的萌发特性和抗旱性进行综合评价。结果表明,在PEG-6000浓度为5%时,黑麦草、鼠茅草的相对发芽率分别增加3.26、6.41个百分点,说明低浓度的PEG-6000对黑麦草、鼠茅草种子萌发有一定促进作用;随着胁迫浓度的升高,4种绿肥种子的发芽率、胚根长、胚芽长、萌发胁迫指数、萌发抗旱指数不断下降。隶属函数分析表明不同绿肥种子各单一指标的耐旱性强弱顺序不尽相同,根据综合评估指标值得出4种绿肥种子抗旱性顺序为毛叶苕子>黑麦草>鼠茅草>二月兰。本研究结果对华北地区果园耐旱绿肥种类的选择具有一定指导意义。
  关键词:绿肥;聚乙二醇(PEG-6000);干旱胁迫;萌发特性;抗旱性
  中图分类号:S551.034  文献标识号:A  文章编号:1001-4942(2020)11-0141-05
  Germination Characteristics and Evaluation on Drought Resistance
  of Four Kinds of Orchard Green Manure Crops
  under PEG-6000 Stress
  Dong Hao1,2, Shi Guifang1, Mu Xiaoling1, Yu Shuhui1, Zhu Guoliang1,
  Tan Deshui3, Li Liang4, Huang Jinling4
  (1. Taian Academy of Agricultural Sciences, Taian 271000, China;
  2. State Key Laboratory of Crop Biology, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China;
  3. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences/
  Key Laboratory of Wastes Matrix Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Jinan 250100, China;
  4. Dongping Agricultural Technology Extension Station, Taian 271000, China)
  Abstract The experiment was conducted to study the germination characteristics and evaluate the drought resistance of four orchard green manure crop species (Lolium perenne L., Vulpia myuros C., Orychophragmus violaceus L., Vicia villosa Roth) by simulating drought stress using different concentrations of PEG-6000 solution. The results showed that when the PEG-6000 concentration was 5%, the relative germination rates of Lolium perenne L. and Vulpia myuros C. increased by 3.26 and 6.41 percentage points, respectively, which indicated that low concentration of PEG-6000 had a certain promoting effect on seed germination of Lolium perenne L. and Vulpia myuros C. The seed germination rate, radicle length, plumule length, germination stress index and germination drought resistance index of all species decreased with the increase of PEG-6000 concentration. Through membership function analysis, it was found that the order of drought tolerance of different green manure species in each single index was different. The order of drought resistance of the four species was Vicia villosa Roth>Lolium perenne L.>Vulpia myuros C.>Orychophragmus violaceus L. based on comprehensive evaluation. The results of this study had certain guiding significance to the selection of drought-tolerant green manure species for orchards in North China.   Keywords Green manure; PEG-6000; Drought stress; Germination characteristics; Drought resistance
  我国华北平原农业区有大面积的果园空地。长期以来,该区域果园管理以清耕为主,导致土壤退化、水土流失严重[1-3],严重制约着果树持续健康生产[4]。解决该问题的一个有效方法就是种植绿肥作物[5]。果园绿肥作为无公害绿色有机肥料,不仅能起到改善农田小气候、增加土壤微生物活性、防止水土流失的作用[5, 6],绿肥翻压后还能为土壤提供大量的碳源和养分,从而有效改善土壤环境[5, 7, 8]和生态环境[9]质量。因此,果园中种植绿肥是一种极具发展前景、高效节能的绿色果品生产模式。
  华北平原果园绿肥种植多为春、秋播种,而这一地区气候特征总体表现为春季和冬季较干旱,造成因干旱导致出苗困难或死苗,严重影响绿肥的生长及生物量。因此,明确不同绿肥抗旱性是发展果园绿肥的关键因素之一。聚乙二醇(polyethylene glycol 6000,PEG-6000)可以阻碍植物系统的输导组织,常作为水分胁迫剂应用于种子萌发的抗旱性研究[10]。目前,对PEG-6000模拟干旱胁迫应用于牧草及饲料作物抗旱性的研究报道较多[11-14],但对华北平原果园种植绿肥在PEG-6000模拟干旱胁迫下的种子萌发特性研究较少。本研究利用PEG-6000模拟干旱环境,对华北平原果园应用较多的黑麦草、鼠茅草、二月兰、毛叶苕子4种绿肥种子萌发期的抗旱性进行系统评价,为华北平原果园绿肥的种植提供理论依据和技术支持。
  1 材料与方法
  1.1 供试材料
  黑麦草(Lolium perenne L.)、鼠茅草(Vulpia myuros C.)、二月兰(Orychophragmus violaceus L.)、毛叶苕子(Vicia villosa Roth)4种绿肥作物种子,均由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所提供;PEG-6000(分析纯),由合肥博美生物科技有限责任公司生产。
  1.2 试验方法
  试验于2019年10月在山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行。
  选取成熟、饱满且大小适中、均匀一致、无病虫害的健康种子,用1%次氯酸钠溶液浸种消毒10 min,无菌水冲洗3次,待用。
  选用直径9 cm的培养皿垫双层湿润滤纸作为发芽床。采用PEG-6000模拟干旱胁迫,设5个不同浓度处理,质量浓度分别为0、5%、10%、15%和20%。将消毒过的绿肥种子分别放入加有等量上述浓度PEG-6000溶液的发芽床中,各处理均设5次重复,每重复50粒种子,然后置于20℃人工智能植物培养箱中培养10 d。期间每天观察种子萌发情况并及时清理发霉腐烂种子。
  1.3 测定项目
  從种子置床起观察,以胚根长和种子等长作为发芽标准,以后每天定时观察记录发芽种子数。发芽试验结束时,各重复中随机挑选10粒正常发芽种子,测量胚芽和胚根长。
  发芽率(GR, %)=正常发芽种子数/供试种子数×100;相对发芽率(RGR, %)=胁迫处理的发芽率/对照的发芽率;萌发胁迫指数(GSI)=胁迫下种子发芽指数/对照种子发芽指数,发芽指数GI=∑〖JB((〗Gt/Dt〖JB))〗;萌发抗旱指数(GDRI)=胁迫下种子萌发指数/对照种子萌发指数[15],种子萌发指数=(1.00)Rd2+(0.80)Rd4+(0.60)Rd6+(0.40)Rd8+(0.20)Rd10。式中,Gt为t日的发芽数,Dt为相应的发芽天数,Rd2、Rd4、Rd6、Rd8、Rd10分别为第2、4、6、8、10 d的种子发芽率。采用模糊隶属函数法[16]对不同绿肥种子抗旱性进行综合评价。
  1.4 数据统计与分析
  数据采用Microsoft Excel 2016进行整理,利用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析,采用LSD法进行数据的多重比较,SigmaPlot 11.0软件进行绘图。
  2 结果与分析
  2.1 PEG-6000胁迫对绿肥种子发芽率和相对发芽率的影响
  由图1可以看出,种子发芽率受种子本身特性的影响较大,在没有干旱胁迫条件下,黑麦草、鼠茅草、二月兰、毛叶苕子的发芽率分别为92.2%、78.6%、82.4%、89.0%,以黑麦草和毛叶苕子的发芽率较高。随着干旱胁迫程度的增加,不同绿肥种子发芽率表现出不同的特性。5%胁迫浓度下,黑麦草、鼠茅草的发芽率略有增加,平均增加3.7%,随着干旱胁迫程度的增加,发芽率持续下降;二月兰、毛叶苕子的发芽率随PEG-6000胁迫浓度的增加逐渐降低;在PEG-6000胁迫浓度为20%条件下,鼠茅草、二月兰的发芽率为零,说明该浓度已经超过其耐受阈值。
  相对发芽率可以较客观地反映种子萌发期的相对抗旱性。由图1可知,在PEG-6000浓度为5%时,二月兰的相对发芽率显著低于其他3种绿肥,表明二月兰对干旱胁迫的敏感性较强;黑麦草、鼠茅草的相对发芽率分别增加3.26个和6.41个百分点,说明低浓度的干旱胁迫对其种子发芽有促进作用。随着PEG-6000胁迫浓度的进一步增加,4种绿肥种子的相对发芽率均呈不断下降趋势,与其他绿肥相比,黑麦草、毛叶苕子的相对发芽率下降趋势较缓,在PEG-6000浓度为20%条件下其相对发芽率仍有7.6%、11.2%。可见,在不同程度干旱胁迫下,不同绿肥种子的抗旱性有所差异。
  2.2 PEG-6000胁迫对绿肥种子胚根、胚芽的影响
  根系发达是植物抗旱的主要标志之一。从图2可以看出,不同绿肥种子胚根和胚芽长对PEG-6000干旱胁迫的响应并不一致。黑麦草、毛叶苕子的胚根长随PEG-6000浓度的增加呈先升高后降低的趋势,以5%浓度水平最大,说明低浓度的干旱胁迫可以促进这两种绿肥种子胚根的生长。鼠茅草、二月兰的种子胚根长随PEG-6000浓度的增加始终呈下降趋势。在各胁迫浓度下,黑麦草、毛叶苕子的胚根长均显著高于其他两种绿肥。   随着PEG-6000浓度的升高,所有供试绿肥种子的胚芽长均呈持续降低趋势,对照条件下,不同绿肥种子胚芽长为2.4~9.0 cm,在PEG-6000浓度为20%时,其范围为0~0.9 cm。胚芽长的持续降低说明胚芽对干旱胁迫的敏感性较强。不同绿肥种子胚芽长对干旱胁迫的反应强度也有差异,随着PEG-6000浓度的升高,毛叶苕子的胚芽长下降速度较快,鼠茅草、二月兰在PEG-6000浓度为0~10%范围内的下降速度较缓,随后加快。
  2.3 PEG-6000胁迫对绿肥种子萌发胁迫指数和萌发抗旱指数的影响
  萌发胁迫指数与萌发抗旱指数分别表征了不同绿肥种子抗旱性在胁迫强度和胁迫时间上的差异。由表1可知,随着PEG-6000浓度的增加,4种绿肥种子的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数均呈下降趋势。在5%胁迫浓度下,二月兰的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数分别为9.54和0.56,显著低于其他绿肥;鼠茅草在低浓度胁迫下的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数较高,但在高浓度胁迫下的值显著下降;黑麦草和毛叶苕子始终具有较高的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数,说明该两种绿肥具有较强的抗旱性。
  2.4 PEG-6000胁迫下绿肥种子抗旱性综合评价
  种子萌发期抗旱性的强弱是多因素综合作用的结果,仅仅以一种指标的大小很难全面评价抗旱性强弱,因此,需要多项指标进行综合性评价,以提高种子萌发期抗旱性评价的可靠性。本试验采用模糊数学隶属函数法,对4种绿肥种子萌发期的发芽率、胚根长、胚芽长、萌发胁迫指数和萌发抗旱指数5项指标进行隶属函数值分析。从表2可以看出,4种绿肥种子不同指标隶属函数值的平均值差异较大,一般认为,平均值越大,抗旱能力越强。因此,4种绿肥种子抗旱性强弱顺序为毛叶苕子>黑麦草>鼠茅草>二月兰。
  3 讨论与结论
  种子萌发期的生长状况对后期的生长发育起着决定性作用[17],因此对绿肥种子萌发期抗旱性的研究对绿肥应用有着直接的现实意义。种子的发芽率、相对发芽率、萌发抗旱指数、萌发胁迫指数等指标常用于研究不同材料在不同干旱胁迫条件下的抗旱程度[18]。赵玉坤等[19]研究发现,不同浓度PEG溶液胁迫条件下,4个玉米品种的种子发芽率随浓度的升高呈下降趋势,胚根、胚轴、全株长受到明显的抑制;刘佳等[20]研究发现,低浓度的PEG对部分紫云英种子萌发有一定的促进作用;孙艳茹等[15]对8种绿肥作物在PEG模拟干旱条件下的萌发特性进行研究发现,低浓度的PEG对绝大部分的绿肥种子萌发具有一定的促进作用,可能与低浓度的PEG对种子萌发起到了引发作用有关。本研究发现,在5%PEG-6000胁迫浓度下,黑麦草、鼠茅草的相对发芽率略有增加,低浓度的PEG对其种子萌发起到促进作用,与前人的研究结果一致;二月兰、毛叶苕子的相对发芽率在5% PEG-6000胁迫浓度下即低于对照,随着PEG-6000浓度的升高,相对发芽率持续下降,說明低浓度PEG干旱胁迫并非对所有绿肥种子都会产生促进作用。孙艳茹等[15]研究发现,各绿肥作物种子萌发的临界PEG浓度应大于10%;崔宏亮等[21]认为设定的20%胁迫浓度高于花生发芽的耐受阈限。本试验对4种绿肥的抗旱指标进行了方差分析,发现不同绿肥种子对干旱胁迫的响应有较大差异。二月兰在5%低浓度干旱胁迫下的发芽率降低48.78%,黑麦草和毛叶苕子在15%浓度的干旱胁迫下发芽率仍有35.21%和41.35%,在PEG-6000浓度为20%条件下,鼠茅草、二月兰发芽率为零,黑麦草、毛叶苕子的发芽率虽然大于零,但与15%处理相比也显著下降,因此可以将20%浓度的PEG-6000作为部分绿肥种子萌发的临界水分胁迫值。
  植物的抗旱性与多个因素相关,每项指标与抗旱性均存在联系,使用单一指标进行植物抗旱性评价存在片面性[22]。隶属函数法通过计算各单因素隶属度,并通过加权平均得出综合评估的指标值,能够比较客观地反映材料抗旱性强弱,已经被广泛应用于冬小麦[23]、绿肥[10, 15, 20]、花生[21]、牧草[12, 14]等多种作物的抗旱性评价中。本试验采用发芽率、胚根长、胚芽长、萌发胁迫指数及萌发抗旱指数5个指标并结合隶属函数法对4种绿肥种子进行耐旱性评价,结果显示,不同绿肥在各单一指标的耐旱性强弱顺序不尽相同,综合分析得出4种绿肥种子抗旱性顺序为毛叶苕子>黑麦草>鼠茅草>二月兰。干旱胁迫下萌发期的抗旱性不能代表苗期或者全生育期的抗旱性,完整的评价某一品种的抗旱性需要将不同生育时期的鉴定情况结合起来,结果才能更准确、可靠并在生产实践中推广应用。
  参 考 文 献:
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