利用PEG6000胁迫鉴定西葫芦幼苗的抗旱性

王林忠

(河南农业大学园艺学院，河南 郑州 450002)

西葫芦(CucurbitapepoL.)又称美洲南瓜，原产于北美洲南部，现在世界各地均有种植.19世纪传入中国，现全国各地广泛栽培，尤其在东北、黄淮及长江流域极为普遍.西葫芦喜温喜湿，栽培技术简单，产量高，且营养价值丰富，已成为中国春季、秋季主要蔬菜种类之一.在中国北方地区，随着节能日光温室的普及和推广，西葫芦栽培面积日益扩大；但由于西葫芦的喜温喜湿的特性，北方地区风多雨少，干旱胁迫尤为突出，影响了西葫芦的生长发育，特别是苗期的生长，从而制约其产量的提高.因此，抗旱性研究对于进一步提高西葫芦的产量、品质具有重要的意义[1].植物抗旱性是数量性状，易受环境影响，其机制复杂多样且不同生育期表现不同.一般认为，植物在幼苗期对环境变化表现最为敏感，幼苗期的抗旱性是研究作物抗旱性的重要内容之一.因此，如何筛选或培育抗旱品种，是促进中国西葫芦生产发展亟待解决的问题.测定植物抗旱性的方法主要是采用高渗透溶液进行旱胁迫模拟，观察植物在不同渗透压下的幼苗生长情况，从而对其抗旱性进行评价.常用的渗透调节物质主要有蔗糖、甘露醇、聚乙二醇(PEG)等.其中，PEG6000溶液模拟旱胁迫具有操作简便、稳定性强、重复性好等优点而被人们广泛使用[2,3].本研究以PEG6000为渗透调节物质，比较了不同体积分数下西葫芦幼苗生长指标，探索西葫芦幼苗期模拟抗旱性的适宜体积分数，并对华北地区广泛栽培的4种西葫芦品种及育种材料的抗旱性进行评价，以期为西葫芦抗旱生理机制研究、抗旱品种的选育提供基础.

1 材料与方法

1.1试验材料

供试材料为华北地区的4个主栽品种，即晋西葫芦1号(山西农业科学院园艺研究所)、京葫1号(北京市农林科学院蔬菜研究中心)和珍玉8号、10号(河南豫艺种业有限公司)，以及32份西葫芦育种材料(自交系，编号为XHL01，XHL02，XHL03，…，XHL32).

1.2处理方法

以4个西葫芦品种为材料，将其种子进行温汤浸种后，置于封闭良好的发芽盒(12 cm×12 cm×6 cm)，在发芽盒内铺3张滤纸，然后整齐放入12粒种子，置于25 ℃的人工培养箱中弱光(约1000 lx)培养，待种子发芽并长至子叶平展期，转入含有不同体积分数渗透液的营养钵中，以草炭、蛭石和珍珠岩(体积比为1∶1∶1)为支持物.参照景蕊莲和昌小平的方法[3]，设置4个不同体积分数的PEG6000溶液，即16.8%，19.6%，21.8%和23.7%，以蒸馏水为对照，重复3次.所有材料置于25 ℃的人工培养箱中光照培养，光照度3 000 lx.待筛选出适宜的体积分数后，再利用此体积分数对32份自交系进行抗旱性评价.

1.3生长指标及其测定方法

自幼苗转入到渗透溶液中培养7 d后，测量各处理材料的胚根长、下胚轴长以及鲜重.70 ℃烘箱中烘烤48 h后，称量干重.叶绿素含量和根系活力均按照李合生[4]的方法进行测量.采用郝建辉[5]、朱学海等[6]方法测定成活率、相对成活率、相对胚轴长、相对胚根长、胚根/下胚轴比、相对鲜重、相对干重、相对叶绿素含量和相对根系活力.

1.4抗旱性评价方法

参照王利彬等[7]的方法，采用隶属函数法对32份西葫芦自交系进行抗旱性综合评价，公式为：

U(Xij)=(Xij-Xj min) /(Xj max-Xj min)，

(1)

1.5数据处理

所有数据采用Excel 2003进行统计，采用SPSS 16.0软件进行方差分析和主成分分析.

2 结果与分析

2.1不同体积分数PEG6000溶液对西葫芦幼苗生长的影响

4个西葫芦品种的幼苗在5种不同体积分数的PEG6000渗透溶液中生长，7 d后的生长指标见表1.由表1可知，基质中添加PEG6000渗透液导致西葫芦幼苗的生长指标显著低于对照.当PEG6000溶液体积分数高于16.8%时，所有品种的成活率开始下降，生长受到了明显的抑制，体积分数达23.7%时，几乎所有品种的幼苗萎焉、死亡.其中，珍玉10号所受影响最大，在渗透液体积分数为21.8%时，其成活率几乎为零.晋西葫芦1号所受影响最小，体积分数为21.8%时的成活率为74.2%.晋西葫芦1号幼苗在胚根长、下胚轴长和单株鲜重3个指标方面也均高于其他3个品种相应渗透体积分数下的指标，说明该品种具有较强的抗旱性，适合在干旱地区栽培.

筛选适宜体积分数的PEG6000溶液对于植物抗旱性研究极为重要.在16.8%，19.6%，21.8%和23.7% 4个体积分数中，16.8%几乎不影响4个品种的成活率，而23.7%的体积分数下的成活率几乎为零，因此这2个体积分数均不能用作抗旱性鉴定.21.8%的PEG6000溶液尽管对所有品种的生长指标有明显的抑制作用，但导致了珍玉10号幼苗几乎全部死亡，虽然可以鉴定出高抗旱型材料，但很容易遗漏其他性状良好的材料，也无法对大量种质进行抗旱等级划分.而当渗透体积分数为19.6%时，4个品种各生长指标与其对照差异显著，且不同品种之间的生长指标差异也较为明显.因此，确定19.6%的PEG6000溶液为西葫芦幼苗期最适宜的抗旱性鉴定体积分数.

表1 不同体积分数PEG6000对西葫芦幼苗生长的影响

2.2西葫芦自交系在适宜PEG6000体积分数下各指标的变化

利用19.6%的PEG6000体积分数对32份西葫芦育种材料进行幼苗期抗旱性鉴定，结果见表2.在19.6%的PEG6000体积分数下，西葫芦幼苗成活率为3.6%～92.3%，平均52.5%，比对照(95.2%)下降了42.7%.其他指标也受到了明显的抑制，其中，胚根长、下胚轴长、鲜重、干重、叶绿素含量和根系活力的均值分别比对照下降7.19 cm，4.39 cm，1.38 g，0.01 g，0.99 mg·g-1和0.02 μg·g-1·h-1，相当于对照的 74.1%，75.2%，84.1%，16.7%，19.2%和4.4%.由此可见，以19.6%的PEG6000体积分数模拟引起的干旱胁迫，对于西葫芦幼苗的抑制作用体现于多个性状，且不同性状对于干旱胁迫的敏感性存在明显差异，单株重受抑制作用最大，下降达84.1%，而根系活力受抑制作用最小，仅下降了4.4%.换句话说，西葫芦幼苗的抗旱性与形态、生理等多种指标有关，任何一种指标均难以反映出幼苗的抗旱性，需要对所有指标进行综合评价.

2.3幼苗抗旱性的因子主成分分析

为了更准确的评价西葫芦幼苗的抗旱性，试验还计算了相对成活率、相对胚轴长、相对胚根长、胚根/下胚轴比、相对鲜重、相对干重、相对叶绿素含量和相对根系活力7个指标，并结合已经测定的7个指标，进行因子主成分分析，以期筛选出更能反映抗旱性的指标.主成分分析表(表3)表明，前3个因子的特征值分别为5.058，2.454，1.487，且积累贡献率达83.915%，即前3个因子能够解释83.915%的抗旱性总变异.根据特征值大于1和积累贡献率大于80%的原则，选择前3个因子作为主成分，这3个因子所包含的信息量可以反映原始所有指标的绝大部分信息.

因子1中起主要作用的指标为相对鲜重、相对胚轴长、相对胚根长和相对叶绿素含量，其特征向量的绝对值较大；因子2起主要作用的指标为相对成活率和胚根/下胚轴比，特征向量绝对值较大；因子3起主要作用的指标为相对干重和相对根系活力，具有绝对值较大的特征向量.以上3个因子共同决定了西葫芦幼苗的抗旱性.因此，西葫芦幼苗抗病性的检测指标可以简化为相对鲜重、相对胚轴长、相对胚根长、相对叶绿素含量、相对成活率、胚根/下胚轴比，相对干重和相对根系活力.

表2 19.6%的PEG6000溶液渗透胁迫下各指标的变化

表3 抗旱性指标的主成分分析表

2.4幼苗抗旱性的综合评价

由主成分分析得到的8个指标基本上反映了西葫芦幼苗抗旱性的绝大部分信息，可用于抗旱性评价，而隶属函数法能有效综合各指标的信息，实现对西葫芦种质幼苗抗旱性准确而全面的评价.以上述8个指标为西葫芦幼苗抗旱性评价参数，获得32份西葫芦育种材料的隶属函数值(表4).依据规定的分级标准，获得1份高抗旱种质(XHL22)和3份抗旱种质(XHL03，XHL05和XHL17)，分别占材料总数的3.1%和9.4%.此外，中抗种质12份(37.5%)，较敏感种质11份(34.4%)，敏感种质6份(18.8%).由此知，在所掌握的西葫芦育种材料中，幼苗抗旱性较强的材料较少，占12.5%，大部分材料(53.2%)的幼苗不具有抗旱的特性.需要开展抗旱育种工作，需要进一步加强抗旱性材料的收集工作.

3 结论与讨论

幼苗期干旱胁迫是干旱少雨的华北地区蔬菜生产中常见的问题，露地喜温喜湿蔬菜(如西葫芦、黄瓜、苦瓜)更容易受到苗期干旱胁迫的危害.探讨干旱胁迫对蔬菜生长发育的影响机制，进而建立蔬菜抗旱性的综合评价体系，作为抗旱品种的筛选和新优品种培育的评价标准，对于促进中国北方地区蔬菜生产具有重要意义.

表4 基于隶属函数法的32份西葫芦育种材料的抗旱性评价

目前，抗旱性鉴定主要采用渗透调节物质模拟干旱胁迫.PEG6000溶于水后能够产生较高的渗透压，能够阻碍幼苗根系吸收水分，从而人为地造成干旱胁迫，可用于研究作物苗期的抗旱性.此方法已经在小麦[3]、谷子[5]、大豆[7]、玉米[8]等作物的发芽期或苗期抗旱性研究中得到了应用，但不同作物干旱胁迫都有其适宜的渗透条件.目前，对西葫芦干旱胁迫的研究较少，只有一例报道探讨PEG6000和NaCl对西葫芦种子萌发和幼苗生长的影响[9]，但并未筛选出适宜的模拟干旱的体积分数.本研究通过分析不同渗透势PEG6000溶液对西葫芦幼苗生长的影响，明确了幼苗期模拟抗旱鉴定最适宜的PEG6000体积分数，即19.6%，其对应的渗透势为-0.7 MPa.

干旱胁迫影响到植物多个生理代谢途径，从而导致植物众多的形态、生理、生化等指标发生改变.因此，植物的抗旱性不是只体现于一种或少数几种相关指标，只用单一指标对植物抗性进行评价，不可避免存在一定的片面性[10].但如果利用所有可能的指标进行抗旱性评价，又会导致评价体系繁琐、工作量增大等问题.本研究对与西葫芦幼苗抗旱性相关的14个指标进行主成分分析，从而筛选出8个与抗旱性密切相关的指标，即相对鲜重、相对胚轴长、相对胚根长、相对叶绿素含量、相对成活率、胚根/下胚轴比，相对干重和相对根系活力.并利用隶属函数法进行综合分析，将这8个指标所包含的信息通过隶属函数值来表示.与常规方法(单一指标或多指标)相比，在一定程度上简化了评价体系，也保证了鉴定结果的可靠性.

参考文献：

[1]吴会昌. 我国西葫芦育种的现状, 问题与对策[J]. 北方园艺，2006 (48): 48-49.

[2]张立军，樊金娟，阮燕晔，等. 聚乙二醇在植物渗透胁迫生理研究中的应用[J]. 植物生理学通讯, 2004, 40(3)：361-364.

[3]景蕊莲，昌小平. 用渗透胁迫鉴定小麦种子萌发期抗旱性的方法分析[J]. 植物遗传资源学报，2003，4(4): 292-296.

[4]李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[5]朱学海，宋海燕，赵治海，等. 用渗透剂胁迫鉴定谷子芽期耐旱性的方法研究[J]. 植物遗传资源学报, 2008, 9(1):62-67.

[6]郝建辉. 扁蓿豆抗旱性鉴定及抗旱指标的筛选[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2006.

[7]王利彬，刘丽君，裴宇峰，等. 大豆种质资源芽期抗旱性鉴定[J].东北农业大学学报，2012，43(1)：36-42.

[8]胡兴波，曹敏建，王学智，等. 不同玉米品种萌芽期及苗期抗旱性初步研究[J]. 玉米科学，2004，12 (3)：66-67.

[9]陈现臣，吕有军，王彩霞,等.渗PEG和NaCl溶液对西葫芦种子萌发及幼苗生长的影响[J]. 种子，2008，27(4)：74-76.

[10] 姚 觉, 于晓英, 邱 收. 植物抗旱机理研究进展[J]. 华北农学报, 2007, 22(增刊): 51-56.