地毯草种质资源耐铝性评价

刘洋 廖丽 阙勇 黄华莲 白昌军 王志勇

摘 要 选取相对总二级分枝数比、相对地上部干重比、相对地下部干重比、相对总茎长比、坪用质量、叶片枯黄率6个指标，利用水培法对地毯草进行耐铝鉴定。结果表明，经2.1 mmol/L的铝处理后，不同种质间的生长存在显著（p<0.05）或极显著（p<0.01）相关，部分指标如相对总二级分枝数比与相对地上部干重比相关性达极显著水平（p<0.01）；相对地上部干重比与相对地下部干重比、相对总茎长比的相关性达极显著水平（p<0.01）（相关系数最高达0.221），与枯黄率相关性达显著水平（p<0.05）；坪用质量与枯黄率呈显著负相关。不同指标间的的变异系数范围34.1%～78.6%，其中坪用质量变异系数最小（34.1%），而枯黄率变异系数最大（78.6%）。聚类分析结果表明，86份优良品种被分为3大类，即中间型、敏铝型和耐铝型。

关键词 地毯草；耐铝性；种质资源

中图分类号 S688.4 文献标识码 A

Abstract In this study， Axonopus conpressus was used as the main research object， furthermore， the difference analysis of 86 A. conpressus germplasm from different geographical distribution was realized by means of hydroponics. And six indicators including total number of secondary branches， relative shoot dry weight， relative root dry weight， total stem length， turf quality and leaf firing percentage were selected to identify the aluminum tolerance of A. conpressus. The results showed that there were significant（p<0.05）or very significant（p<0.01）correlation between different A. conpressus germplasms after the treatment of 2.1 mmol/L Al. Some indicators such as the correlation between total number of secondary branches and relative shoot dry weight were highly significant（p<0.01）. The correlation between relative shoot dry weight and relative root dry weight total stem length was highly significant（p<0.01）， with the highest correlation coefficient 0.221. Moreover， the correlation between relative shoot dry weight and leaf firing percentage was significant（p<0.05）. By contrast， the correlation between turf quality and leaf firing percentage was negatively significant. The range of variable coefficient of different indicators was 34.1%-78.6%， thereinto， the turf quality（34.1%）was the minimum and leaf firing percentage（78.6%）was the maximum. Cluster analysis showed that 86 varieties were divided into three categories， namely intermediate type， aluminum sensitive type and aluminum tolerance type.

key words Axonopus compressus； aluminum toleranc； germplasm resouces

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.04.004

鋁在地壳中含量仅次于氧和硅，是最丰富的金属元素。在中性或碱性土壤溶液中，铝主要以不溶性的硅酸盐和氧化物形式存在，对植物生长无危害，但当土壤酸化，pH降至5.5以下时，铝离子就会从硅酸盐或氧化物中释放出来，以Al3+呈现，对植物具有毒害作用[1]。研究表明，铝毒害是酸性土壤上植物生长的主要限制因子[2-4]。在中国，酸性土壤分布14个省区，主要集中在浙江、江西、福建、广东、广西、海南、云南和贵州等南方省份，面积达203万km2，约占耕地面积的21%[5]。近年来，由于大气污染引起的酸沉降，工业生产中所产生的酸性废弃物，农业生产中生理酸性肥料的广泛使用，使得土壤的酸化面积和酸化程度日益加剧，活性铝的溶出日益增多，铝毒害日益严重[6]。在酸性土壤广泛分布的中国，鉴定并筛选出对铝耐性较高的植物，对酸土治理和改良及酸土绿化有着现实意义。

自1918年，Hartwell等[7]首次发现铝对植物的毒害作用以来，广大学者开始对其进行广泛研究。其中，经济作物成为研究主流，成果包括玉米（Zea may）[8]、小麦（Triticum aestivum）[9]、大麦（Hordeum vulgare）[10]、花生（Arachis hypogaea）[11]、大豆（Glycine max）[12]等。进入90年代以来，随着人们生活日渐富足，对环境要求日益提高，广泛用于绿化的草类植物成为研究热点。其中包括狗牙根（Cynodon dactylon）[13]、竹节草（Commelina nudiflora）[14]、假俭草（Eremochloa ophiuro）[15]、黑麦草（Lolium perenne）[16-18]等。2005年Baldwin等[19]对10种暖季型草坪草进行研究，根据不同草坪草生长和营养元素吸收受到的影响可知，铝胁迫抑制了大部分草坪草的生长和营养吸收，而地毯草的耐受性最强，这为筛选培育耐酸铝土的草类植物指明方向。

野生种质资源常带有栽培物种所缺乏的抗逆基因，可以利用远缘杂交和其他技术将其转移至栽培物种，是培育抗逆性物种的重要基础材料[20-22]。地毯草（Axonopus compressus）作为中国热区重要的热带草坪草种之一，分布范围广泛，种质资源多样，种内变异丰富，且为常异交植物，存在天然杂种和丰富的遗传变异[23]。地毯草在沙质和酸性土壤（pH为4.5～5.5）上也能生长，将耐铝性较强的地毯草种植于酸性土壤上，可以缓解酸性土壤对植物生长发育所造成的影响。筛选和鉴定耐铝性较强的野生地毯草种质，对开发具有自主知识产权的耐铝优质地毯草新品种、地毯草耐铝性遗传改良和解决酸土绿化、酸土栽培管理问题具有重要的社会意义、生态效益和理论指导意义。

本研究从中国多省搜集的140份地毯草种质中，筛选出85份优良材料，并以国内外广泛种植的地毯草（A2）品种为对照，根据廖丽等[24]的研究结果，选择2.1 mmol/L的铝溶液对地毯草种质进行铝胁迫处理，并通过测定坪用质量、相对总二级分枝个数比、相对总茎长比和叶片枯黄率等6个指标对地毯草种质资源进行耐铝性评价研究，为日后鉴定筛选以及选育耐铝地毯草种质资源奠定研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验基地概况 试验基地位于中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所温室大棚，大棚顶端为钢化玻璃，四周为铁丝网，具有良好的通风性能。该温室大棚所在地属于热带季风气候，太阳辐射强，光热充足，年平均光照时数在2 000 h以上；雨量适中，年降水量在900～2 200 mm，年均1 815 mm。由于受季风气候影响，全年雨量分布很不均匀，旱季、雨季分明，每年的5月到1月为雨季，占年降水量的84%；11月到次年4月为旱季，占年降水量的16%。本实验从6月开始，至12月为止，平均气温32度，平均相对湿度（RH）34%左右。

1.1.2 试验材料 试验所用的地毯草种质资源为多年收集的来自广东、广西、云南、海南和福建的85份优良种质和1份华南地毯草种质（A2，为对照品种），其聚类序号、种质编号及来源详见表1。

1.2 方法

1.2.1 材料预培养 取带有3个节的地毯草匍匐茎，插入装有石英砂的250 mL塑料杯内（塑料杯高9.5 cm，直径6.5 cm，杯底穿孔），每个塑料杯插4个匍匐茎段；将塑料杯悬于有54孔的底部有铁丝制成的泡沫板上，泡沫板被放在45 L大周转箱（66.5 cm×45.5 cm×17 cm）上，周转箱内放入1/2 Hoagland营养液40 L，营养液浸没杯底，持续通气，培养2个月。

1.2.2 试验处理方法 2个月后，将茎段从塑料杯中取出，选取生长状况一致的小苗种入上述杯底穿孔的塑料杯中，每杯4株小苗[为避免不同种源间根系分泌物的互相干扰，本研究采用小容器溶液培养法（即隔离培养），将86份优质地毯草种质进行隔离处理]；将种有小苗的塑料杯悬于有孔的泡沫板上，泡沫板被放在6 L的小桶上，每份材料每个处理单独种植一个小桶，4个重复，每桶盛放5 L 1/2 Hoagland营养液，营养液用去离子水配置。采用廖丽等[24]实验方法，以2.1 mmol/L的Al3+为处理浓度，营养液的pH值为4.0±0.2，铝源为AlCl3·6H2O。处理前统一修剪，修剪高度为4.0 cm，并且把杯体边缘外侧的枝叶也全部剪除。为减少铝的冲击效应，在做统一处理前，每天分别以0.36、0.72、1.08、1.14、1.80和2.1 mmol/L的铝离子梯度浓度处理，连续处理6 d；缓休1 d后，再以2.1 mmol/L的铝浓度处理28 d，处理期间不断通气，每隔5 d换一次营养液，每天调节pH值为4.0±0.2，并补充蒸发的水分。

1.2.3 测定指标与方法 根据廖丽等[24]、阎君等[25]、王志勇等[26]、陈静波等[27-29]的试验方法，在处理结束后，选用相对总二级分枝个数比、相对地上部干重比、相对地下部干重比、相对总茎长比、坪用质量和叶片枯黄率为观测指标。

（1）相对总二级分枝个数比。记录每份地毯草处理组与对照组各自的总二级分枝个数。

相對总二级分枝个数比（C1）=（处理总二级分枝个数/对照总二级分枝个数）×100%

（2）相对地上部干重比。把每份处理后的地毯草地上部分剪下，在105 ℃中杀青30 min后，于60 ℃烘干48 h，称其重量，记录每份地毯草处理组与对照组各自的地上部分干质量。

相对地上部干重比（C2）=（处理地上部干质量/对照地上部干质量）×100%

（3）相对地下部干重比。把每份处理后的地毯草地下部分剪下，在105 ℃中杀青30 min，于60 ℃烘干48 h后称量，记录每份地毯草处理组与对照组各自的地下部分干质量。

相对地下部干重比（C3）=（处理地下部干质量/对照地下部干质量）×100%

（4）相对总茎长比。记录每份地毯草处理组与对照组各自的总匍匐茎长度。

相对总茎长比（C4）=（处理总茎长/对照总茎长）×100%

（5）坪用质量。采用目测法，参照美国国家草坪评比项目（The National Turfgrass Evaluation Program，NTEP）标准，以草坪的密度、质地、颜色、均一性等为指标进行坪用质量（C5）评分，9分为最好的草坪质量，6分为可以接受的草坪质量，最低为1分。3人打分求平均值。

（6）叶片枯黄率。采用目测法打分，记录各材料的叶片枯黄率（C6）。采用百分制，5%以下表示草坪基本没有黄叶出现，50%表示草坪有一半枯黄，95%以上表示草坪因基本没有绿叶而死亡。3人打分求平均值。

1.3 数据处理

采用软件IBM SPSS Statistics 20和Microsoft Excel 2010对数据进行变异分析、相关性分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 供试材料各指标间的综合特征变异分析

从表2可以看出，86份地毯草种质6个指标间的变异范围分别为13.1%～84.3%、4.5%～95.3%、0.6%～85.8%、5.4%～93.3%、1.3%～7.8%和4.8%～69.2%，变异系数分别为46.6%、42.8%、61.8%、50.2%、34.1%和78.6%。说明不同指标的筛选能力不同，对新品种选育过程中指标筛选有一定的参考价值，尤其是针对耐铝型地毯草新品种选育更是有好的指导意义。相对于对照品种A2，部分种质耐铝性较强，不同品系地毯草耐铝性差异较大。

2.2 供试材料各指标间的相关性分析

从表3可以看出，供试验材料的6个指标之间具有一定的相关性，部分指标间可达到显著（p<0.05）相关或极显著（p<0.01）相关。相对总二级分枝数比与相对地上部干重比相关性达极显著水平；相对地上部干重比与相对地下部干重比、相对总茎长比的相关性达极显著水平，与枯黄率相关性达显著水平；坪用质量与枯黄率呈显著负相关；相对地下部干重比、相对总茎长比与其他4个指标间相关性不显著。

2.3 供试材料各指标间的聚类分析

通过聚类将材料分为3大类（图1），A类为中间型，该类种质包括A100、A103、A106、A109、A110、A111、A112、A113、A114、A117、A118、A120、A121、A122、A123、A134、A137、A139和A141，该类种质在铝胁迫下坪用价值表现较好，这些材料可成为今后新品种系统选育或杂交育种的材料；B类为敏铝型，该类种质包括A1、A2（对照品种）、A3、A4、A5、A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22、A23、A24、A25、A26、A27、A28、A29、A30、A31、A32、A33、A34、A36、A37和A38，该类种质在铝胁迫下坪用价值较低，综合指标表现最差；C类为耐铝型，该类种质包括A39、A43、A47、A52、A54、A53、A56、A57、A58、A59、A63、A64、A67、A68、A69、A70、A71、A72、A73、A74、A75、A76、A81、A82、A83、A84、A85、A87、A88、A90和A93，该类种质在铝胁迫下，相对总二级分枝数比、相对地上部干重比、相对地下部干重比、相对总茎长比、坪用质量和枯黄率均表现为最优，这可为选育优质耐铝地毯草品种提供优良的实验材料和实验基础。

3 讨论

种质资源是植物育种的物质基础，草坪草育种的重要突破均与优良种质资源的发现和利用有关。中国虽然有着草种类型多样、种质资源丰富的巨大优势，但目前对草类植物铝毒害的研究报道表明，很多有潜力的草类资源并没有得到深入研究与开发利用，研究深度仍然需要提升[30]。地毯草作为耐铝性较强、广泛分布于酸土地区、种内遗传变异丰富的暖季型草坪草种[19，23]，其潜力并没有得到完全开发与利用。

在地毯草的耐铝性差异评价中，并不是6个性状指标都能客观地反映地毯草耐铝毒的能力，各指标之间存在着相互影响。本研究对6个指标进行相关性分析，为下一轮地毯草耐铝性试验寻找最适宜的评价指标，排除互相影响深刻的多余指标，降低工作量。相关性分析结果表明，相对地上部干重比与相对总二级分枝个数比、相对地下部干重比的相关性均达极显著正相关，相关系数分别为0.356和0.197。因为在培养方式和外部条件相同的情况下，地毯草总二级分枝数越多，与之对应，地上干重也就越大。而坪用质量与枯黄率呈显著（p<0.05）负相关，相关系数为-0.411，这是由于坪用质量得分以NTEP为标准，草坪颜色为评分标准之一，叶色对草坪坪用质量有着直观影响。叶片枯黄率增大，在很大程度上降低了草坪草的坪用价值，因此两者之间呈显著负相关。6个指标中，总二级分枝对草坪质量趋向于正向的影响，这是因为随着草坪草二级分枝数的增多，草坪密度增大，坪用质量得分以NTEP为标准，草坪密度为评分标准之一，对草坪坪用质量得分有着直观影响。指标中相对地下部干重比与除枯黄率外4个指标呈正相关，造成这个结果的可能原因为：铝毒害主要表现为抑制植物根系的生长[31-34]，影响水分和养分的吸收，根系受铝胁迫严重；但随着实验时间增长，根系适应铝胁迫，生长良好，此时地毯草养分、水分得到足够的供应和吸收利用，地上部分生长旺盛，进而影响其它指标[33-34]。根据6个指标间相关性分析，下一轮地毯草耐铝性实验，可以选择相对地上部干重比、相對地下部干重比及草坪质量作为观测指标，客观地反映地毯草耐铝毒的能力。

本研究选取来自南方各省的85份野生地毯草种质，以华南地毯草作为对照，对地毯草耐铝性进行研究。86份参试地毯草种质主要分布在广东、广西、福建、云南、海南等地区，生境不同，根据聚类分析结果，探索其耐铝性与生境有无联系。就生境地而言，本研究发现36份敏铝型地毯草种质资源中，除A25生境地为广西外，其余地毯草主要分布于海南省（35份，97.2%）；31份耐铝型地毯草种质资源中，地毯草主要分布于云南（10份，32.2%），广西（8份，25.8%），福建（6份，19.4%）；19份中间型地毯草种质资源中，地毯草主要分布于广东（7份，36.8%），海南（6份，31.6%），福建（6份31.6%）。即海南省多分布敏铝型地毯草，云南省和广西省多分布耐铝型地毯草，广东省多分布中间型地毯草，显示出不同地区的地毯草种质资源耐铝性存在一定的差异，因此地理分布可能是地毯草种质耐铝性存在差异的原因之一。

目前，地毯草的抗逆评价和育种体系正在逐步完善，其中包括耐盐性[35-36]、耐旱性[37-39]、耐荫性[40]等，而其耐铝性并没有得到完全开发。与张静等[23]、廖丽等[24]关于地毯草铝胁迫的研究相比，本研究野生种质数量更大，来源更加广泛，分析结果更加精确，通过测定地毯草在铝胁迫下的形态变化，能较为系统地研究和筛选出耐铝性较强的地毯草品系，为综合评价和研究地毯草的抗逆性提供参考和借鉴。本研究与阎君等[25]、唐建锋等[32]、 尤江峰等[34]的种质耐铝性评价研究结果相比，由于测定的指标都是相对简单的形态指标，难以揭示地毯草草坪的耐铝机理，故为进一步研究地毯草的耐铝性，还应更深入全面地研究和分析与耐铝性有关的细胞分子等指标。以本研究为基础，有利于进一步从多方面对地毯草的耐铝机理进行更深入的研究，可利用现代分子生物学技术，发掘新的耐铝基因，为草类植物耐铝育种提供很好的依据和方法借鉴。

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