PEG模拟干旱胁迫下8种绿肥作物萌发特性与抗旱性评价

孙艳茹，石屹，陈国军，闫慧峰＊

（1.农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院烟草研究所，山东 青岛266101；2.中国农业科学院研究生院，北京100081）

在我国黄淮海农业区，冬闲田（如棉花、春玉米地、春烟田等）普遍存在，同时，可利用的作物茬口间隙，果、茶、桑、烟等经济作物的行间空地以及可以间、套、混作的中、低产耕地大量存在，但这些土地并没有得到有效利用，导致土壤退化、水土流失严重，解决这些问题一个行之有效的方法就是种植利用绿肥作物［1］。绿肥是指所有能翻耕到土里作为肥料用的绿色植物，它是一种优质有机肥料，对改良和培肥土壤都有较好的作用，又是可再生的生物资源，可为作物的高产优质奠定基础［2］。种植绿肥，不仅能够改善农田小气候，防止水土流失，还可迅速增进土壤速效养分、提高土壤有机质含量、降低土壤容重等等，且在绿肥生长过程中还能起到调节土壤养分平衡、增加土壤微生物活性［1，3－6］的作用。我国绿肥资源丰富、分布广泛，已发现98种适应不同耕作制度及自然条件的绿肥品种和种类，其中栽培面积较大的有6科20属32种［7］，其中大麦（Hordeumvulgare）、冬牧70黑麦（Secalecerale）和一年生黑麦草（Loliummultiflorum）是禾本科绿肥，产量高，具有增加土壤有机质的作用；毛叶苕子（Viciavillosa）、沙打旺（Astragalusadsurgens）属于根系发达的豆科绿肥，可以培肥地力；白芥末（Sinapisalba）、二月兰（Orychophragmusviolaceus）具有促进磷转化的作用，属于十字花科；籽粒苋（Amaranthushypochondriacus）是生长速度快、生物量高且富钾效果较好的苋科绿肥，它们是适宜黄淮海地区各种植模式栽种的绿肥作物，具有良好的改善土壤养分状况的作用，且种植面积较多［8－16］。2012－2013年在山东省沂南县试验点进行了以上几种绿肥筛选试验，结果表明，不同绿肥作物的生长受环境条件影响较大，田间条件下获取的试验结果不能完全表征其生长潜力，但由于目前关于以上几种绿肥抗旱性评价的研究较少，所以只能根据干旱后其生长发育情况进行定性评价。

黄淮海地区绿肥种植多为春、秋播种，而目前黄淮海地区气候特征总体表现为春季和冬季较干旱，秋季轻旱［8］，以山东潍坊为例，春季（2－4月）和秋季（9－11月）降水量分别在60和120mm左右，约占全年降水量的10%和20%，同时春秋季降水量年度间的变化量明显，特别是近年来黄淮海地区春、冬季高频干旱，干旱面积呈扩大趋势［8］，因而此地区绿肥萌发多受降水量的影响，播种的绿肥往往因干旱导致出苗困难或死苗，严重影响了绿肥的生长及生物量。因此，绿肥的抗旱性是决定其能否被应用的关键因素之一，从大量绿肥品种资源中筛选抗旱性强的绿肥作物进行直接推广种植是发展黄淮海旱作区生态农业以及提高经济效益的一项有效措施。利用PEG模拟干旱环境，已成为种子萌发期抗旱性研究的重要手段［17－20］，干旱胁迫对沙打旺、毛叶苕子、黑麦草等牧草和绿肥作物抗旱性的研究已有报道［21－26］，而将PEG应用在冬牧70黑麦、籽粒苋等5种绿肥萌发特性及以上8种绿肥作物间抗旱性比较的研究中并不多见。本研究利用PEG－6000模拟干旱环境，对黄淮海农业区种植较多的这8种绿肥作物萌发期的抗旱性进行全面系统的评价，以筛选出适宜黄淮海地区干旱环境种植的绿肥作物，为黄淮海地区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

供试绿肥作物为大麦、冬牧70黑麦、毛叶苕子、白芥末、一年生黑麦草、沙打旺、籽粒苋、二月兰。PEG－6000由国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯。

1.2 研究方法

选取籽粒饱满、大小一致、无病虫的各绿肥作物种子，经0.5%的CuSO4溶液消毒，蒸馏水冲洗干净，直径为9cm的培养皿垫双层湿润滤纸作为发芽床，用聚乙二醇溶液（PEG－6000）模拟干旱胁迫，设4个不同浓度：2.5%，5.0%，7.5%，10.0%，以蒸馏水作对照，将消毒过的绿肥种子分别放入加有等量上述4种PEG－6000溶液和蒸馏水的发芽床中，各处理均设4次重复，每重复30粒种子，于2013年11月5日开始，置于光照强度为10000 lx，湿度为50%，温度为25℃的人工气候培养箱中，进行14h光照10h黑暗培养。采用质量平衡法每天向培养皿中添加PEG－6000溶液和蒸馏水，为了减少水势变动，每4d换1次滤纸，并及时清理发霉腐烂的种子，以防止感染其他种子。

1.3 调查及测定项目

从种子置床之日起观察，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，发芽结束期以连续4d不再有种子发芽为准。发芽试验结束时，各重复中随机挑选10粒正常发芽的种子，用直尺测量其胚芽和胚根的长度。

1.4 计算方法

式中，Gt为时间t日的发芽数，Dt为相应的发芽天数，Rd2，Rd4，Rd6，Rd8分别为第2，4，6，8天的种子发芽率。

各种相对指标均为干旱胁迫处理与对照的比值。

1.5 抗旱性综合评价方法

用模糊数学隶属法［28］对8种绿肥种子萌发期的抗旱性进行综合评价。在进行抗旱隶属值计算时，需利用下列公式进行标准化处理：

式中，Xj表示第j个指标值，Xmin表示第j个指标的最小值，Xmax表示第j个指标的最大值；如某一个指标与抗性为负相关，则用μ（Xj）＝（Xmax－Xj）／（Xmax－Xmin）进行计算。然后按照公式（1）计算标准差系数Vj，按照公式（2）计算权重系数Wj；按照公式（3）计算隶属函数值（D）。D值越大，表示抗旱性越强。

1.6 数据处理

采用Excel软件处理作图，SAS 9.2软件进行差异性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 PEG－6000胁迫对8种绿肥作物种子相对发芽率的影响

相对发芽率可以比较客观地反映种子萌发期的抗旱性，相对发芽率越大则表明其抗旱性越强。由表1可知，随着PEG胁迫浓度的增加，8种绿肥作物种子的相对发芽率均呈不断下降的趋势，即干旱胁迫对8种绿肥作物种子的发芽均有抑制作用，且抑制程度随着PEG浓度的增加而增加。在最高胁迫浓度10.0%时，PEG的抑制作用最强，虽不同作物种子的相对发芽率各异，但均在0以上，即8种绿肥作物种子的发芽率也都在0以上，说明该浓度仍高于其发芽的耐受阈限。

由表1得知，不同作物对干旱胁迫的响应程度不同。在PEG浓度为2.5%时，仅二月兰的相对发芽率降低，降幅达到29.33%，明显低于其余7种绿肥，表明该绿肥对干旱胁迫较敏感，而其余7种作物的种子发芽率与对照相比均有所提高，说明低浓度的干旱胁迫对其种子发芽具有促进作用，其中白芥末的增幅最大，达73.91%。当PEG浓度由2.5%上升到5.0%时，仅沙打旺的相对发芽率显著下降，降幅达25.0%，其余7种绿肥均差异不显著；当PEG浓度继续升高时，除白芥末外的其余7种绿肥作物的相对发芽率均小于1，说明该浓度的PEG对这7种绿肥种子发芽的作用由促进转为抑制。在PEG浓度为10.0%时，8种绿肥作物的相对发芽率均小于1，且与2.5%时相比，籽粒苋的相对发芽率仅降低0.83%，差异不显著，而其余7种绿肥的均显著降低。可见，在不同程度的干旱胁迫下，不同绿肥作物种子的抗旱性表现有所差异。

表1 PEG胁迫对8种绿肥作物种子相对发芽率的影响Table 1 Effects of PEG stress on seed relative germination rates of eight green manure crops %

2.2 PEG－6000胁迫对8种绿肥作物种子胚根、胚芽、胚根／胚芽的影响

根系发达是植物抗旱的主要标志之一，表征了植物的抗旱能力。从图1可以看出，随着PEG－6000浓度的升高，所有绿肥作物种子的胚根长均呈先升高后降低的趋势，即低胁迫水平促进胚根的伸长，而高胁迫水平则抑制其伸长。但对不同作物而言，促进胚根伸长且达最大值的PEG浓度并不一致，即由促进转为抑制作用的拐点浓度亦不相同：籽粒苋、毛叶苕子在5.0%PEG浓度处理时胚根长增至最大，之后则随胁迫程度的增加不断下降，而其余6种绿肥则在PEG浓度为2.5%时达到最大值，而后不断下降。经方差分析各作物在10.0%PEG浓度处理时的胚根长均显著低于对照。在各浓度的PEG处理下，大麦、冬牧70黑麦和毛叶苕子均显著高于其他作物，说明这3种作物的胚根具有较强的抵御干旱胁迫的能力。

图1 PEG胁迫对8种绿肥作物胚根和胚芽长度的影响Fig.1 Effects of PEG stress on the radicle length and plumule length of eight green manure crops

随着PEG－6000浓度的升高，所有绿肥作物种子的胚芽长均呈持续降低的趋势（图1）。从数值上来看，对照条件下，各绿肥的胚芽长度范围在0.81～8.60之间，PEG胁迫浓度为10.0%时，其范围在0.05～1.21之间。胚芽长度不断降低说明胚芽的伸长与干旱程度呈负相关，即干旱胁迫强度越大，胚芽长度值越小。但随PEG浓度的增大，各作物间胚芽长度降低的程度不同，即不同作物对干旱胁迫响应的敏感程度不同：黑麦草、大麦、毛叶苕子的胚芽长迅速下降，而其他5种绿肥下降较缓慢；同一作物的胚芽长在不同胁迫强度下降低的幅度亦不同：冬牧70黑麦、毛叶苕子、黑麦草、沙打旺和二月兰的胚芽长在PEG浓度由2.5%上升到5.0%时下降幅度最大，而大麦和白芥末则在PEG浓度由0上升到2.5%时下降幅度最大，只有籽粒苋的在PEG浓度由5.0%上升到7.5%时下降幅度最大。

由图2得知，整体来看，8种绿肥作物种子的胚根／胚芽比值均随PEG浓度的升高而增大，经方差分析，各作物在10.0%PEG浓度处理时的胚根／胚芽比值均显著高于（P＜0.05）对照。这说明各PEG浓度对胚芽的抑制作用明显大于对胚根的抑制。但不同作物对胁迫水平增加的响应不同：黑麦草、二月兰、籽粒苋和毛叶苕子的增长曲线比较平缓，冬牧70黑麦、沙打旺和大麦的增长曲线呈急剧上升态势，而白芥末的在PEG浓度由0上升到7.5%时急剧上升，胁迫浓度继续升高，较7.5%时明显下降，但比值仍高于5.0%胁迫时的比值。通过方差分析可知，PEG的浓度效应、作物间的差异均达显著水平。说明不同干旱胁迫水平对胚根／胚芽比值的影响不同，且因作物而异。

图2 PEG胁迫对8种绿肥作物胚根／胚芽比值的影响Fig.2 Effects of PEG stress on the radicle－plumule ration of eight green manure crops

2.3 PEG－6000胁迫对8种绿肥作物萌发胁迫指数及萌发抗旱指数的影响

萌发抗旱指数与萌发胁迫指数分别表征了不同绿肥作物间抗旱性在胁迫时间和胁迫强度上的差异（表2和表3）。经方差分析，不同绿肥作物间的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数差异显著。随着PEG浓度的增加，不同作物对干旱胁迫的响应不同：除冬牧70黑麦和籽粒苋外，其他6种作物的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数持续下降，而冬牧70黑麦和籽粒苋的则呈先增加后降低的趋势，两者都在5.0%的PEG胁迫下达最大值。从数值可以看出，当PEG浓度为2.5%和5.0%时，白芥末的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数值远高于其他7种作物，表现出较强的抗旱性；在10.0%的PEG胁迫下，与2.5%时相比，除籽粒苋外的其余7种绿肥的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数值均显著降低，而籽粒苋的则明显高于其他7种作物，表明其较其余绿肥作物具有较强的抗旱性。

表2 PEG胁迫对8种绿肥萌发胁迫指数的影响Table 2 Effects of PEG stress on germination stress index of eight green manure crops

表3 PEG胁迫对8种绿肥萌发抗旱指数的影响Table 3 Effects of PEG stress on germination drought resistance index of eight green manure crops

2.4 8种绿肥作物萌发期抗旱性综合评价

种子萌发期抗旱性的强弱是受多因素综合作用的结果，因此，需要多项指标进行综合评价，以提高植物抗旱性评价的准确性和可靠性。本研究采用模糊数学隶属函数法，对供试的8种绿肥的相对发芽率、相对胚根长、相对胚芽长、萌发胁迫指数、萌发抗旱指数等5项指标进行抗旱隶属函数值计算，得到8种绿肥的综合评价值（表4）。这8种绿肥的综合评价值差异较大，一般而言，综合评价值越大，表明其抗旱能力越强。由综合评价值得出抗旱性的强弱顺序为籽粒苋＞白芥末＞黑麦草＞冬牧70黑麦黑麦＞沙打旺＞毛叶苕子＞大麦＞二月兰。参照田山君等［29］的抗旱性等级评价方法，将8种绿肥分为3类：供试作物的综合评价值的均值为0.43，将综合评价值大于0.48的籽粒苋、白芥末归为强抗旱作物种类；将在0.38～0.48范围内的黑麦草、冬牧70黑麦、沙打旺、毛叶苕子、大麦归为中等抗旱作物种类；将小于0.38的二月兰归为弱抗旱作物。

表4 PEG胁迫下8种绿肥各指标隶属函数值及综合评价值Table 4 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of eight green manure crops under PEG stress

3 讨论与结论

本研究对5项指标进行抗旱性分析，结果可知，籽粒苋和白芥末属于强抗旱性作物；黑麦草、冬牧70黑麦、沙打旺、毛叶苕子、大麦为中等抗旱作物种类；二月兰为弱抗旱作物。在黄淮海地区籽粒苋的适宜播期为4月初，春季几乎没有有效降雨，此时0～20cm土层的相对含水量在40%～65%，籽粒苋在轻、中度干旱条件下仍可萌发并且生物量可达5000～7500kg／亩（5000～7500kg／667m2），这可能是其适应这一地区特殊气候的一种对策，使籽粒苋成为该地区抗旱性作物种的原因之一。关于白芥末抗旱，已有研究表明在应对干旱胁迫时，有多胺的参与，且此期间有大量多胺积累，另外，应激蛋白也会调控相关基因表达，使植物进入一种应急状态，产生更多新的能力更强的应激调控蛋白使其度过逆境时期［30］。本研究中，低程度的干旱胁迫会使二月兰发芽率降低70.77%，说明二月兰抗旱能力较弱，若保证二月兰这一越冬绿肥的正常发芽，须保证土壤含水量适宜，有资料显示，黄淮海地区土壤含水量在适宜范围内的时间为9月上中旬，据此推测二月兰在此地区的适宜播期为9月上中旬，此结果与其他学者研究结果一致［31－35］。

从结果看出，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，如在2.5%的低干旱胁迫下，白芥末、籽粒苋等7种绿肥种子的发芽率均比对照呈不同程度的升高，这可能与低浓度的PEG对种子萌发起到了引发作用，但不同绿肥作物对该引发作用的响应并不相同，这种不同可能是由于绿肥作物种子本身的生物学特性对低浓度的干旱胁迫响应不同，或PEG溶液对其具有促进作用的最佳浓度值不同。前人关于其他作物种子萌发的抗旱性研究中也有类似情况的报道。刘佳等［36］研究发现，低浓度的PEG对部分紫云英（Astragalussinicus）种质的种子萌发有一定的促进作用。刘贵河等［37］发现低浓度的PEG溶液对植物种子萌发具有较好的引发作用，高丹草（Sorghumhybridsundangrass）和鲁梅克斯（Rumexpatientia）的相对发芽率在5%～15%的PEG胁迫下高于对照。关于引发作用的机理目前还未明确，可能是一定浓度的干旱胁迫能够启动种子体内一系列保护机制，减少种子吸胀过程中膜系统的损伤，有利于膜系统的修复，从而提高植物种子发芽率［38］。也可能是由于提高了种子内酶的活性，加速了新陈代谢作用或对核酸产生了有利影响［39－40］。但随着PEG胁迫浓度的增加，被引发的这7种绿肥种子的萌发也受到了抑制，但受抑制的程度不同，说明PEG浓度的升高使其对种子的萌发作用由促进转为抑制，但不同绿肥作物对PEG作用敏感的拐点浓度并不相同，这与朱教君等［41］对沙地樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolica）种子以及秦文静和梁宗锁［21］对白花草木樨（Melilotusalba）种子的研究报道一致。本研究中，10.0%PEG处理下，各绿肥作物种子都能萌发，表明各绿肥作物种子萌发的临界PEG水分胁迫值应大于10.0%（相当于－0.177MPa水势［42］），由于研究所设的PEG浓度梯度是从0到10.0%，因此，不能准确确定各绿肥作物种子萌发的临界PEG胁迫浓度，若要确定各绿肥作物种子对干旱胁迫的耐受阈限还需做进一步探讨。研究结果得知，较低浓度的PEG促进胚根的生长，但对胚芽的生长都没有表现出促进作用，这是因为在轻度干旱胁迫下，植物根系最先感受到土壤水分的减少［43］，且与地上部分之间及时进行信息传递［44］，产生信号物质向地上部分运输，植物调节气孔开度以减少水分散失，调整同化物在根冠间的分配，增大根冠比［45］，也就是能够将有限的营养物质优先供给胚根的生长，即植物自身能够调节地上与地下器官的协调关系，同时，胚根伸长也利于从环境中吸收更多的水分，这是植物适应缺水环境的一种表现。但当胁迫超过一定程度后，胚根的生长也受到抑制，且胚根／胚芽随PEG胁迫浓度的增加而增加，这与大多数学者的研究结果［18，22，46－50］一致，这也是植物对干旱胁迫的一种适应性反应。

针对植物种子萌发期与幼苗期乃至全生育期抗旱性相关性的问题，已有不少学者做了许多研究，但不同作物表现可能不尽相同。李培英等［17］研究表明，偃麦草（Elytrigiarepen）材料种子萌发期抗旱性评价与苗期评价结果呈现一致性，这与周连城［51］对紫云英以及张文英等［52］对部分谷子（Setariaitalica）品种种子的研究报道一致。但也有研究表明，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，二者的相关性不大［18，47，53－56］。这可能是不同作物在不同的生育时期对水分的需求不同，植物的抗旱性随着生育期的变化而变化。本实验初步探讨了干旱胁迫对8种绿肥作物种子萌发的影响，报道中有干旱对大麦和沙打旺苗期［57－59］、冬牧70黑麦全生育期［60］抗旱性的评价，但对其他几种绿肥作物不同生育期抗旱性的研究未见报道。因此，干旱对以上几种绿肥作物不同生育时期、不同生理过程的影响将有待于进一步研究，以及萌发期与苗期甚至全生育期抗旱性的相关程度及其原因还有待于深入研究。

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