14份冰草种质材料的抗旱性综合评价

李 波，高云鹏，李 红

(1.齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.黑龙江省畜牧研究所，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

14份冰草种质材料的抗旱性综合评价

李 波1，高云鹏1，李 红2

(1.齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.黑龙江省畜牧研究所，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

以不同PEG浓度模拟干旱胁迫14 份冰草种质材料，通过测定供试材料的叶片相对含水量、叶绿素含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性等8项生理生化指标,并利用主成分及隶属函数分析法对其抗旱性进行综合评价。结果表明：8个差异显著的抗旱指标应用主成分分析归纳成3个主成分,其累积贡献率为70.899%。通过综合隶属函数值评定的抗旱性强弱顺序为:保加利亚沙生>中间>3-2小区>蒙农杂种>俄罗斯沙生>蒙古-1>沙生>大庆齐家扁穗>高山>蒙农1号>扁穗2006>蒙古-3>光穗>山西偏关县冰草。

冰草；生理生化指标；抗旱性；主成分分析；隶属函数分析

在世界范围，干旱是作物生产的主要限制因子。干旱条件下，作物维持产量的关键因素是对干旱胁迫的抵御能力[1]。在干旱条件下，牧草在生长发育、形态结构以及生理生化特性等方面表现出一定的特点和规律性[2,3]。干旱逆境下导致植物叶片含水量和叶绿素含量的下降，影响植物的光合作用；细胞内自由基代谢失调产生过剩的活性氧自由基,会引发膜脂质过氧化,造成细胞膜系统损伤，导致丙二醛含量的增加。干旱胁迫下植物叶片可积累脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等渗透调节物质可缓解干旱，并通过过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)清除生物自由基，抵御干旱诱导的氧化伤害[4-6]。

已有报道黑麦草、披碱草等牧草[7-9]，小麦、大麦和玉米等作物[9-11]在干旱胁迫下的生理指标变化。聚乙二醇(PEG)是一种高分子渗透剂，能导致作物组织和细胞处于类似干旱的水分胁迫状态之中，但自身不穿越细胞壁进入细胞质，不会引起质壁分离[11-13]，由此常作为模拟干旱胁迫试验的良好替代品。

冰草(Agropyroncvistatum)是禾本科的一种重要草本植物，是多年生旱生牧草。由于其品质好，抵御干旱环境的能力强，各种家畜都喜爱食用。但冰草品种间的抗旱性有一定的差异，试验以不同浓度PEG-6000 溶液对冰草幼苗进行模拟干旱胁迫处理，研究不同 PEG浓度处理下冰草叶片内的相对含水量、游离脯氨酸、丙二醛( MDA) 含量及保护酶活性等生理生化指标的变化，以期为冰草的栽培、引种及耐旱品种的选育提供科学依据，并通过对其植物体内一些生理生化指标变化的研究，筛选抗旱性强的冰草品种，为以抗逆性为目标的冰草的优良品种的选育和牧草育种提供基础材料与理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以黑龙江省畜牧研究所提供的14份冰草种子为材料，在齐齐哈尔大学生物园温室内进行培养，每份材料的编号、名称及产地见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 幼苗的培养 选择成熟、饱满且大小适中、均匀一致、健康的种子为材料。种子用 0.1%的 HgCl2灭菌 10 min，用蒸馏水反复冲洗数次后，再用蒸馏水浸泡 48 h，选择萌动的种子，均匀撒播于已装入塑料花盆内的经高温灭菌已浇透水的沙土表面，再覆盖厚0.5 cm的沙土，出苗前覆塑料薄膜。14份冰草各设3次重复，在自然光照下培养，待幼苗长至 2～3片叶时，用Hoagland营养液定期进行浇灌。1.2.2 幼苗的 PEG胁迫处理 待幼苗长至4叶时，小心取出冰草植株，将根部土壤冲洗干净，先放入营养液中培养一段时间使损伤的根系恢复，从营养液中取出植株，吸干根系上的水分，分别将植株根系浸入浓度为0，10%，15%，20%，25%的 PEG-6000溶液中，进行根系模拟渗透胁迫处理，每个处理设3次重复。胁迫处理3 d后，对植株的地上部分进行生理生化指标的测定[14-16]。

表1 14份冰草种质材料Table1 Germplasms of 14 Agropyron varieties

1.2.3 生理生化指标的测定 叶片相对含水量(RWC)的测定采用鲜重法；叶绿素含量(Chl)的测定采用乙醇浸提法；游离脯氨酸含量(Pro)的测定采用酸性茚三酮法；丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量(Sug)的测定采用硫代巴比妥酸法[13，14]；可溶性蛋白含量(Pr)的测定采用考马斯亮蓝法；过氧化物酶活性(POD)的测定采用愈创木酚比色法；过氧化氢酶活性(CAT)的测定采用紫外吸收法[15，16]。

1.2.4 试验数据的处理与分析 利用Excel 2003和SPSS 17.0软件对数据进行处理和分析，并用隶属函数和权重系数对冰草抗旱性进行评价。

(1)隶属度的计算[17-19]

与抗旱性呈正相关的指标：U(Xijk)=Xijk-Xmin/Xmax-Xmin

与抗旱性呈负相关的指标：U′(Xijk)=1-U(Xijk)

式中：U(Xijk)、U′(Xijk)：第i个品种第j个胁迫浓度的k项生理生化指标的隶属度；Xmax：k项生理生化指标的最大值；Xmin：k项生理生化指标的最小值。

(2)权重系数的计算

权重系数=某一浓度梯度下各指标的抗旱系数/各浓度梯度下各指标抗旱系数之和

抗旱系数=PEG胁迫下的性状值/对照性状值。

2 结果与分析

2.1 8项生理生化指标的因子分析

14份冰草在干旱胁迫处理后，与对照相比，植物生理生化特征均发生一系列的变化(表2)。抗旱系数最高的为10号保加利亚沙生冰草，最低的为3号山西偏关县冰草。

表2 14份冰草生理生化指标抗旱系数Table2 Drought-resistant coefficients of physiological and biochemical indexes of 14 Agropyron varieties

对14份多年生冰草的8项生理生化指标的抗旱系数进行相关性分析，14份冰草材料的8项生理生化指标之间均存在着不同程度的相关性。含水量与叶绿素呈极显著正相关，叶绿素与可溶性糖呈显著负相关，其他各指标间呈一定的正相关或负相关。

2.2 干旱胁迫下冰草抗旱性评价的主成分分析

对8项生理生化指标的抗旱系数进行因子分析，根据特征值大于1，主成分的累积贡献率大于70%的原则，其余贡献率较小可以忽略不计，故选留前3个主成分作为抗旱性评价的综合指标，第1，2和3主成分的贡献率分别为35.755%，20.615%和14.528%，其累积贡献率为70.899%(表4)，基本上涵盖了8项测定指标的绝大部分信息，因此，3个主成分可作为14份冰草抗旱性的综合分析指标。

表3 各指标的相关系数矩阵Table3 Correlative coefficient matrix of physiological and biochemical indexes

表5为3个主成分因子不同胁迫指标的特征向量，第1主成分中叶绿素(0.904)、可溶性糖(-0.623)和过氧化物酶活性(-0.623)有绝对值较大的特征向量，被认为是最有效的指标，相当于2.860个原始指标的作用，它可反映原始数据信息量的35.123%；第2主成分中脯氨酸(0.919)和丙二醛(-0.622)有绝对值较大的特征向量，被认为是比较有效的指标，相当于1.649个原始指标的作用，它可反映原始数据信息量的20.615%；第3主成分中过氧化氢酶活性(0.739)有较大的特征向量，可作为参考指标，相当于1.162个原始指标的作用，它可反映原始数据信息量的14.428%。故选叶绿素、可溶性糖、过氧化物酶活性、脯氨酸、丙二醛和过氧化氢酶活性作为抗旱性评价的综合指标。

表4 干旱胁迫下14份冰草抗旱性评价的主成分分析Table4 Results of principal components analysis

表5 主成分因子特征向量Table5 Feature vector of principal component factor

2.3 干旱胁迫下冰草抗旱性评价的隶属函数分析

根据主成分分析结果，选取第1主成分、第2主成分和第3主成分中贡献率较大的特征向量：叶绿素、脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、POD和CAT抗旱系数6个指标进行隶属函数分析，分别计算出14份冰草6个指标的隶属函数值，求其平均值(表6)。再根据各因子贡献率大小，计算4个胁迫梯度的权重分别为0.093、0.228、0.373和0.306。

利用PEG胁迫下的14份冰草的叶绿素、游离脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性的隶属函数和权重系数，对冰草的抗旱性进行综合评定，抗旱综合评定值(D)大小反映各材料综合抗旱能力大小，值越大表明越抗旱。PEG胁迫下14份冰草品种的抗旱性强弱依次为10>13>14>11>9>6>12>4>5>8>7>2>1>3(表6)。

表6 不同干旱胁迫下隶属函数值及综合评价Table6 Subor dinate function values and comprehensive evaluation of Agropyron cristatum under drought treatment

3 讨论与结论

干旱严重影响植物的生长发育，是人们研究的最多的逆境因子。由于植物对干旱的适应机制具有复杂性，抗旱能力的强弱也难以用一个通用指标来确定，因而需要多种指标相结合，综合分析干旱胁迫对植物抗旱性的影响[20]。试验采用根系模拟干旱法对冰草进行渗透胁迫,能够比较好的控制干旱的进程,但可能会导致与大田试验或生产实际有一定差异。

在分析时采用主成分分析,隶属函数法对冰草干旱胁迫下生理生化指标的变化进行评价,隶属函数分析提供了一条在多指标测定基础上对冰草抗旱性进行综合评价的途径,避免了单一指标的片面性。不同冰草种质资源其耐旱机制可能不同,因此,利用多指标对冰草种质资源的抗旱性进行综合评价,能更好的揭示冰草对PEG渗透胁迫的适应机制,提高抗旱鉴定的准确性。在不同PEG渗透胁迫下，14份冰草种质材料的幼苗发生不同程度的生理生化变化，叶绿素、脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、POD活性和CAT活性等一些与抗旱性关系密切的指标可作为抗旱性鉴定指标。试验在主成分分析的基础上选择了6个主要指标进行隶属函数分析,使试验结果更具有可靠性。

采用模糊隶属函数法结合主成分分析对不同冰草材料苗期抗旱性进行了综合评价,避免了单一指标的片面性。运用主成分分析方法可将叶片相对含水量、叶绿素含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性等8个抗旱理化指标归纳成3个主成分,通过隶属函数法和相关分析,14个种质材料的抗旱性大小顺序为:保加利亚沙生>中间>3-2小区>蒙农杂种>俄罗斯沙生>蒙古-1>沙生>大庆齐家扁穗>高山>蒙农1号>扁穗2006>蒙古-3>光穗>山西偏关县冰草。

[1] Eslam B P.Evaluation of physiological indices,yield and its components as screening techniques for water deficit tolerance in oilseed rape cultivars[J].Journal of Agricultural Science and Technology,2009,11:413-422.

[2] Anjum S A,Xie X Y,Wang L C,etal.Morphological,physiological and biochemical responses of plants to drought stress[J].African Journal of Agricultural Research,2011,6(9):2026-2032.

[3] Norouzi M,Toorchi M,Salekdeh G H,etal.Effect of water deficit on growth,grain yield and osmotic adjustment in rapeseed[J].Journal of Food,Agriculture and Environment,2008,6(2):132-138.

[4] 李继新,丁福章,袁有波.不同强度干旱胁迫对烤烟叶片质膜透性和丙二醛含量的影响[J].贵州农业科学，2008(4):34-35.

[5] 韩蕊莲,梁宗锁.干旱胁迫下沙棘叶片细胞膜透性与渗透调节物质研究[J].西北植物学报,2003,23(1):23-27.

[6] 刘延吉，张珊珊，田晓艳，等.盐胁迫对NHC牧草叶片保护酶系统，MDA含量及膜透性的影响[J]．草原与草坪，2008(2)：34-38.

[7] 郑轶琦，臧国长．PEG胁迫对冷季型草坪草种子萌发和幼苗生长的影响[J]．种子，2011，30(12)：34-38．

[8] 万里强，李向林，石永红，等．PEG胁迫下4个黑麦草品种生理生化指标响应与比较[J]．草业学报，2010，19(1)：83-88．

[9] 祁娟，徐柱，马玉宝，等．披碱草属六种野生牧草苗期抗旱胁迫的生理变化[J]．中国草地学报，2008，30(5)：18-24．

[10] 孟健男，于晶，苍晶，等．PEG胁迫对冬小麦苗期抗旱生理特性的影响[J]．东北农业大学学报，2011，40(1)：40-44．

[11] 汪军成，孟亚雄，徐先良，等．大麦苗期抗旱性鉴定及评价[J]．干旱地区农业研究，2013(4)：135-143．

[12] Efeoglu B,Ekmekci Y,Cicek N.Physiological responses of three maize cultivars to drought stress and recovery[J].South African Journal of Botany,2009,75(1):34-42.

[13] 何玮，蒋安，王琳，等．PEG干旱胁迫对红三叶抗性生理生化指标的影响研究[J]．中国农学通报， 2013，29(5)：5-10．

[14] 白利国，俞玲，马晖玲.野生草地早熟禾对干旱胁迫的生理响应[J]．草原与草坪，2014，34(2)：88-93.

[15] 吕金印，郭涛.水分胁迫对不同品种甜高粱幼苗保护酶活性等生理特征的影响[J]．干旱地区农业研究，2010,28(4)：89-93.

[16] 张庆琛，曹静，裴冬丽，等.PEG 胁迫对番茄幼苗叶片SOD 同工酶的影响[J]．湖北农业科学，2013，52(8):1833-1841.

[17] 李阳，谢宏伟，徐庆国.黑麦草品种不同生育期的生理生化指标的比较[J]．草原与草坪，2011,31(6):40-45.

[18] 许桂芳．PEG胁迫对2种路黄抗性生理生化指标的影响[J]．草业学报，2008，17(1)：66-70．

[19] 陈淑燕，毛培春，田小霞，等．4种薰衣草属植物抗旱性综合评价[J]．干旱地区农业研究，2013(6)：152-158．

[20] 于凤芝， 王晓军，邢珊珊，等.4个三叶草种质材料的抗逆性比较研究[J]．草原与草坪，2010，30(2)：88-90.

Comprehensive assessment on drought resistance of 14Agropyronvarieties

LI Bo1， GAO Yun-peng1，LI Hong2

(1.ForestryandLifeSciences，QiqiharUniversity，Qiqihar161006,China；2.AnimalScienceInstituteofHeilongjiang，Qiqihar1610001，China)

The drought resistance of fourteenAgropyronvarieties (Agropyrondesertorum)at the seedling stage was studied by using PEG-6000 solution to simulate drought stress in green house.The physiological and biochemical indexes such as relative water content,chlorophyll contents,proline content,content of malondialdehyde,soluble sugar content,soluble protein content,activities of peroxidase and catalase were measured.Drought resistance was evaluated by principal components analysis and subordinate function analysis.The results showed that the eight significantly different drought-resistance indexes could be classified into 3 component parts.The capacity of drought resistance of the fourteenAgropyronvarieties was gauged as follows：AgropyrondesertorumBulgaria>Agropyronintermediate>Agropyron3-2district>Agropyroncristatum×Agropyrondesertorumcv.Mengnong>AgropyrondesertorumRussia>AgropyronmongolicumKeng-1>Agropyrondesertorum>Agropyrondaqingqijia>Agropyronalpinae>AgropyronMengnongNO.1>Agropyroncristatum(L.)Gaertn2006>AgropyronmongolicumKeng-3>Agropyronguangsui>Agropyrondaqingqijia.

Agropyron；physiological and biochemical indexes；drought resistance；principal components analysis；subordinate function analysis

2015-06-09；

2015-07-20

黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(1252 1610)；十二五农村领域国家科技计划课题(2011BAD17B01)资助

李波(1962-)，女，辽宁鞍山人，教授，主要从事细胞生物学的教学和科研工作。 E-mail：libo1962@163.com

S 543

A

1009-5500(2015)06-0041-05