野生狼尾草萌发期和幼苗期抗旱性的综合分析

蒋锦鹏，赵志丽，张志飞

(湖南农业大学草业科学研究所/湖南农业大学农学院草业科学系，湖南 长沙 410128)

狼尾草属(Pennisetum)主要分布于热带、亚热带，在我国大部分地区有野生资源分布[1]。狼尾草以其株形优美、花序美丽、抗逆性强、管理粗放、维护费用低等特点，广泛应用于园林造景[2，3]。近年来有关狼尾草属作为观赏草的研究日益受到重视，主要集中于狼尾草的引种、生物学特性、园林绿地建设中的应用形式，景观效果以及观赏性评价等方面[2-4]，但对狼尾草的抗旱性研究较少。对不同地点采集的5种野生狼尾草种子进行萌发期聚乙二醇6 000(PEG 6000)模拟干旱胁迫条件及幼苗期控水干旱试验，通过对狼尾草种子萌发期发芽特性及幼苗期相关生理指标测定，研究其抗旱生理特性，筛选综合抗旱性较强的材料，为研究狼尾草抗旱的生理机制奠定基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

为保证野生狼尾草的种质来源具代表性，试验种子在完熟期分别从不同地域不同生境采集(表1)。

1.2 试验方法

1.2.1 PEG 6000胁迫处理及种子发芽试验 取上述种子，用0.2%的多菌灵消毒15 min，蒸馏水冲洗干净，分别放入加有蒸馏水(CK对照)，PEG 6000浓度为10%，15%和20%的发芽盒中，每盒30粒，每处理4次重复。在26 ℃、16 h光照/23 ℃、8 h黑暗，湿度为85%，连续培养12 d，逐日观察记载发芽种子数，并于第5、第8 d和最后一天随机抽取10株幼苗记录胚根长、胚芽长。

1.2.2 种子萌发测定内容

(1)发芽率=(每天累计发芽数/种子总数)×100%

相对发芽率=(各处理发芽率/对照发芽率)×100%

(2)发芽势=(正常发芽数/供试种子数)×100%

相对发芽势=(各处理发芽势/对照发芽势)×100%

(3)幼苗生长势=种子的平均苗高+平均根长

(4)耐旱指数=(相对发芽率+相对发芽势+胚根长度)/3

1.2.3 幼苗期控水试验 5周龄幼苗分为5组(20株/组)进行控水试验，对照组每天正常浇灌1/2 Hoagland营养液，其他4组进行干旱胁迫处理，每组4次重复，分别在停止浇灌的6、12、18、24 d进行生理指标的测定。

表1 供试材料Table 1 Tested materials for the experiment

叶片相对电导率采用电导法[5]测定，叶片相对含水量采用鲜重法[5]测定，叶片相对叶绿素含量使用便携式手持SPAD-502叶绿素测定仪测定。

采用德国产便携式脉冲调制叶绿素荧光仪(PAM-2000，Walz)测定叶绿素荧光参数。测量前将活体植株置于暗箱内适应20 min，在每个叶片上选定一个直径为1 cm的测试目标区域(AOI)，进行叶绿素荧光各个指标的测定。在软件的Kinetics窗口检测各叶绿素荧光参数的动力学变化曲线，相应数据可直接从Report窗口导出，每个处理测定5株[6]。

相关的叶绿素荧光参数来源于PAM-2000仪器计算，Fo为初始荧光产量；Fm为饱和光脉冲下诱导的最大荧光产量；Y(II)表示PS II的实际量子产量(实际光合效率)；Y(NPQ)为PS II处调节性能量耗散的量子产量；Y(NO)为PS II处非调节性能量耗散的量子产量；Fv/Fm为PS II最大原初光能转换效率。

1.3 数据处理

各项指标采用模糊数学的隶属函数法进行评价排序。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫对种子相对发芽率和相对发芽势的影响

PEG模拟干旱胁迫对5种野生狼尾草种子的相对发芽率均具有抑制作用，且随着胁迫强度的增大，相对发芽率受抑制程度增强，但不同来源的野生狼尾草种子响应程度不同(图1A)，10%PEG浓度下，NS与其他4个狼尾草种子的相对发芽势差异极显著(P<0.01)。5种野生狼尾草在10%浓度PEG处理下相对发芽率均超过90%，其中NS达到118.42%，说明低浓度的PEG对狼尾草的发芽率影响较小，甚至还有促进发芽的作用。当PEG浓度达到20%时，除ST外，其他4种野生狼尾草的相对发芽率下降幅度较大，降幅最大的是NS，由118.42%下降到21.68%，可见NS对高浓度的PEG胁迫较敏感。ST在10%和20%PEG浓度下相对发芽率分别为97.35%和89.38%，说明ST的发芽率对PEG胁迫不敏感。

在PEG胁迫下，5个狼尾草种子的相对发芽势总体呈下降趋势(图1B)，但是ST在15% PEG胁迫下相对发芽势高于10% PEG浓度下；在10%PEG浓度时，NS的相对发芽势高于15%PEG浓度和CK，达到232.29%。在10%PEG浓度下，YJ2的相对发芽势与ST，DY和FX之间差异显著(P<0.05)，NS的相对发芽势与ST，DY和FX之间差异极显著(P<0.01)。YJ2，FX和DY均随着PEG浓度的升高明显下降，DY下降幅度最大，20% PEG浓度下相对发芽势仅为28.91%。

2.2 PEG胁迫对幼苗生长势和耐旱指数的影响

5种野生狼尾草的幼苗生长势和耐旱指数的变化趋势随着PEG浓度的增大而降低，各材料之间差异较大，在20%PEG浓度下，ST的幼苗生长势与其他4个狼尾草种子之间差异极显著(P<0.01)。ST幼苗生长势下降幅度最小，其次，YJ2，NS下降幅度最大(图1C)。耐旱指数能较客观地反应植物的耐旱能力，常用来比较不同植物间及同一植物不同时期的抗旱性的差异。NS在10%PEG浓度时耐旱指数高于对照，其他材料均随着PEG浓度的增大而降低，DY降幅最大，其次是NS、FX和YJ2，最小的是ST(图1D)。

2.3 狼尾草幼苗期控水干旱处理对叶片相对电导率、相对含水量和相对叶绿素含量的影响

随着控水天数的延长，各狼尾草幼苗的相对电导率均呈增大趋势(图2A)。控水第6 d时各狼尾草种子叶片相对含水量无显著差异(P>0.05)，控水第12 d，ST的相对叶片含水量与其他4个狼尾草种子之间差异显著(P<0.05)。控水6 d，相对电导率较对照变化不大；控水12 d，除ST外，其他4个材料的相对电导率上升较明显，为37.69%～48.59%。控水18 d，狼尾草相对电导率继续上升，FX最大，达到75.80%。控水24 d，各狼尾草的相对电导率均达90%以上。

图1 不同浓度PEG下狼尾草种子的萌发Fig.1 Effect of different concentrations of PEG 6000 on germination of Pennisetum

图2 控水处理下狼尾草幼苗期生长生理指标Fig.2 Effect of water control on physiological indexes of Pennisetum

随着控水天数的延长，各狼尾草幼苗叶片相对含水量均呈现下降趋势(图2B)。DY和YJ2控水6 d叶片相对含水量较对照明显下降，DY从73.25%下降到45.97%，YJ2从82.71%下降到44.46%。控水12 d，DY和YJ2相对含水量均下降到18%，NS和ST相对叶片含水量较高，分别为79.52%和66.8%，FX下降到31.09%。控水18 d，所有材料的相对含水量均下降到10%。

叶片相对叶绿素含量随着控水处理天数的延长而减小，但各个材料之间存在较大差异(图2C)。控水6 d各材料的相对叶绿素含量均处于90%以上，各狼尾草种子之间无明显差异(P>0.05)；控水12 d，DY、YJ2和FX的相对叶绿素含量下降幅度较大，为40%～50%，而ST和NS比较稳定，分别为76.69%和67.52%。控水18 d，DY相对叶绿素含量明显下降(29.15%)，ST和NS相对叶绿素含量维持在52.22%和53.17%。控水24 d时，各狼尾草材料均下降到40%以下。

2.4 控水处理对叶片叶绿素荧光参数的影响

在干旱控水试验中，所有材料在24 d均表现出叶片卷曲，枯黄，无法测量叶绿素荧光参数，因此，仅分析前4个处理的数据(表2)。随控水时间的延长YJ2的Y(II)值下降最明显，处理12 d时Y(II)值为0.204，处理18 d时，Y(II)值无意义，叶片已接近死亡状态。而ST、DY的Y(II)值在6 d先小幅升高，在12 d时开始下降。ST下降幅度最小，控水18 d Y(II)值为0.253，说明ST的实际光合能力较强。Y(NPQ)/Y(NO)值是光保护和光损伤两个重要指标的比值，反应了植物对干旱胁迫的调节机制。受胁迫时，ST，DY和FX的Y(NPQ)/Y(NO)值先降低后升高，其中，ST 12 d开始升高，DY和FX 18 d升高，说明ST较DY和FX自身调节能力更强，YJ2、NS的Y(NPQ)/Y(NO)值呈现逐渐减小的趋势。随着干旱时间的延长，5个材料的Fv/Fm值均呈下降趋势。其中ST和DY下降不明显，YJ2和NS下降明显。

表2 控水处理下狼尾草叶绿素荧光数值Table 2 Effect of drought on chlorophyll fluorescence parameter of Pennisetum

注：“-”表示荧光数据Y(II)值<0.2或者>0.6，其数值无参考意义

2.5 野生狼尾草抗旱性综合评价

应用隶属函数法对5种野生狼尾草的相对发芽率、相对发芽势、幼苗生长势和耐旱指数4项指标，进行狼尾草萌发期的抗旱性排序，抗旱性强弱排序为ST>YJ2>NS>FX>DY(表3)。在幼苗期选择相对电导率、相对叶片含水量、相对叶绿素含量和叶绿素荧光数据对供试的5种野生狼尾草种子进行狼尾草幼苗期的抗旱性排序，抗旱性强弱依次为：ST> NS> DY> YJ2> FX(表3)。

采用隶属函数法对供试野生狼尾草萌发期4项指标与幼苗生长期4项指标的相对值进行综合抗旱性评价，结果表明，ST表现出较强抗旱性，属于高抗旱材料，NS和YJ2表现出了一定的抗旱性，为相对中等抗旱材料，FX和DY为干旱敏感材料(表3)。

表3 狼尾草萌发期、幼苗期各指标隶属函数值及综合排序Table 3 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of germination and seedling stage of Pennisetum

注：萌发期排序以相对发芽率、相对发芽势、幼苗生长势和耐旱指数的隶属函数值计算，幼苗期排序以相对电导率、相对含水量、相对叶绿素含量和叶绿素荧光参数的隶属函数值计算，综合排序以8项指标的隶属函数值计算

3 讨论与结论

不同植物种子萌发期对PEG模拟干旱的耐受性不同，大多数植物在PEG 6000浓度高于10%时，种子萌发受到抑制[7-10]。此次研究中超过10%的PEG浓度对5种野生狼尾草种子萌发均具有一定的抑制作用，种子的相对发芽率、相对发芽势、幼苗生长势以及抗旱指数均随着PEG浓度的增加呈下降趋势。低浓度5%的PEG 6000对种子有引发作用[7，9-12]，NS在10% PEG浓度下发芽率较对照高，表明不同材料狼尾草对PEG 6000的引发响应有差异。

相对电导率、叶片相对含水量和叶片相对叶绿素含量变化与植物抗旱性密切相关[11-16]，不同植物在各生育期受到干旱胁迫时，这些指标的变化有所差异，但总体趋势一致，可用于植物抗旱性鉴定。狼尾草苗期控水试验结果显示，随着控水时间的延长，相对电导率逐渐升高，叶片相对含水量和叶片相对叶绿素含量逐渐下降，但不同来源狼尾草个体之间存在差异。水分胁迫对植物叶绿素荧光参数的影响较为复杂[17-20]，不同程度的水分胁迫对植物的叶绿素荧光参数的影响差异显著，叶绿素荧光参数的变异系数均随胁迫处理程度加深而增大，抗旱性强的植物变化幅度小于抗旱性弱的植物。在轻度水分胁迫下，叶绿素荧光各参数值有“突跃现象”[7,18]。研究发现在控水6 d时ST、DY的Y(II)值有“突跃现象”，不同材料狼尾草的叶绿素荧光参数表现出较为复杂的变化，可能说明，5个狼尾草材料基因型间存在较大差异，对控水反应差异较大。

抗旱性是多因素控制的复杂数量性状，可通过植物的生理、生化、生态等多指标反应，隶属函数法是多指标测量后综合判断的常用的方法，利用隶属函数法对植物种子萌发期和幼苗期的多个抗旱指标进行综合评价，有利于获得科学准确的评价结果[7,11,12,18,20]。采用了隶属函数平均值法对狼尾草萌发期的相对发芽率、相对发芽势、幼苗生长势、耐旱指数，幼苗期叶片相对电导率、叶片相对含水量、相对叶绿素含量、叶绿素荧光参数等指标进行综合评价分析，有助于科学评价狼尾草的抗旱能力。通过分析发现，狼尾草萌发期和幼苗期的抗旱性有一定相关性，但表现不尽相同。ST在萌发期和幼苗期均表现出了较强的抗旱性。NS萌发期排名第3，幼苗期排名第2。FX在萌发期和幼苗期的抗旱性均较弱，排名分别是第4和第5。YJ2和DY在萌发期和幼苗期表现的抗旱性有较大差异，YJ2萌发期抗旱性较强(排名第2)，幼苗期则第4，抗旱性较差，DY在萌发期抗旱性最差，但是在幼苗期表现出一定的抗旱性(排名第3)。在萌发期和幼苗期的差异或许是狼尾草群落适应当地生境的反应，ST采集于路边，NS采集于高山台地，种子长期适应干旱缺水环境，积累了潜在的抗旱性。但野生狼尾草抗旱性与生境的关联还有待进一步验证。

参考文献:

[1] 陈守良,刘亮,吴珍兰,等.中国植物志[M].北京:科学出版社,1990.

[2] 武菊英.生态和观赏效果俱佳的狼尾草[J].中国花卉园艺,2003(21):32.

[3] 武菊英,滕文军,王庆海.狼尾草的生物学特性及在园林中的应用[J].中国园林,2005(12):57-59.

[4] 田宏,刘洋,陈明新,等.浅析狼尾草作为观赏草在园林中的应用[J].中国农学通报,2012,28(1):307-310.

[5] 邹琦.植物生理学实验指导[M].北京:中国农业出版社,2000.

[6] 朱英华,屠乃关,肖汉乾,等.硫对烟草叶片光合特性和叶绿素荧光参数的影响[J].生态学报,2008,28(3):1000-1005.

[7] 秦文静,梁宗锁.四种豆科牧草萌发期对干旱胁迫的响应及抗旱性评价[J].草业学报,2010,19(4):61-70.

[8] 赵丽芝,蔡年辉,夏清柱,等.干旱胁迫对云南松种子萌发及渗透调节物质的影响[J].西南林业大学学报,2012,32(2):21-25.

[9] 陈莎莎,姚世响,袁军文,等.新疆荒漠地区盐生植物灰绿藜种子的萌发特性及其对生境的适应性[J].植物生理学通讯,2010,46(1):75-79.

[10] 焦树英,李永强,沙依拉·沙尔合提,等.干旱胁迫对3种狼尾草种子萌发和幼苗生长的影响[J].西北植物学报,2009(2):308-313.

[11] 黄清华,景蕊莲,吴新元,等.人工模拟水分胁迫条件下小麦幼苗抗旱性鉴评指标的分析[J].麦类作物学报,2007,27(4):661-666.

[12] 李培英,孙宗玖,阿不来提.偃麦草种质资源抗旱性评价初步研究[J].中国草地学报,2008(3):59-64.

[13] 赵海明,孙桂枝,王学敏,等.百脉根种质苗期抗旱性鉴定及综合评价[J].草原与草坪,2011,31(6):18-26.

[14] 张志飞,饶力群,向佐湘,等.高羊茅叶片表皮蜡质含量与其抗旱性的关系[J].西北植物学报,2007,27(7):1417-1421.

[15] 谭雪红，高艳鹏,郭小平,等.五种高速公路边坡绿化植物的生理特性及抗旱性综合评价[J].生态学报,2012,32(16):5076-5086.

[16] 辛金霞,戎郁萍,刘荣堂.羊茅黑麦草、高羊茅及一年生黑麦草苗期抗旱生理初探[J].草原与草坪,2011,31(1):79-83.

[17] 冀天会,张灿军,杨子光,等.冬小麦叶绿素荧光参数与品种抗旱性的关系[J].麦类作物学报,2005,25(4):64-66.

[18] 冯祥元，于桂英，种培芳.不同种源地云杉的苗期抗旱性评价[J].甘肃农业大学学报，2012，47(1)：95-102.

[19] 杨顺强,任广鑫,杨改河,等.水分胁迫对引进牧草渗透调节物质及叶绿素荧光参数的影响[J].西北植物学报,2007,27(9):1826-1832.

[20] 赵丽英,邓西平,山仑,等.不同水分处理下冬小麦旗叶叶绿素荧光参数的变化研究[J].中国生态农业学报.2007,15(1):63-66.

[21] 李显利,米福贵,闫立军,等.草地早熟禾不同品种抗旱性的评价分析[J].草原与草坪,2010,30(3):43-46.