紫花苜蓿低温萌发特征及指标筛选

侯龙鱼，任立飞， 任丽昀，王天佐， 孙海莲，伊风艳， 白文明，2，张文浩，2

(1. 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093；2.中国科学院内蒙古草业研究中心，北京 100093；3. 太仆寺旗畜牧工作站，内蒙古 锡林郭勒 027000；4.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；5.中国科学院内蒙古草业研究中心，内蒙古 呼和浩特 010031)

大力发展人工草地是破解我国现代畜牧业和草牧业可持续发展的重要途经和抓手[1－2].苜蓿是世界上栽培历史最悠久、种植面积最大的多年生优质豆科牧草[1，3].我国苜蓿种植区主要在北方地区，晚秋和早春播种温度低且春季倒春寒时有发生，影响了苜蓿种子的萌发和出苗[1]. 因此，低温条件下苜蓿种子的萌发和出苗特征对于田间苜蓿人工草地的成功建植起着关键的作用[1].苜蓿建植成功率和越冬率是我国北方尤其是高寒地区苜蓿人工草地种植的关键问题，抗寒苜蓿品种选育多年来也一直是我国育种的主要目标[1，3].

种子萌发期是作物完成生育周期最初始的时期，也是最为关键的时期[4－5].不同物种、品种、同一品种不同种子质量、不同种源地等对种子的萌发和抗逆萌发均有一定的影响，而且这种萌发响应品种间也存在着差异[6－7].刘怀华等在榆林地区10 种紫花苜蓿种子发芽试验表明，中苜1 号发芽率和发芽势最高，根长、芽长甘农3 号最高[6].同时，苜蓿品种在响应逆境条件时表现各异[7－8].目前的研究针对苜蓿植株耐寒越冬机制的研究较多，包括一些抗寒基因沙冬青脱水素基因(Dehydrin，AmDHN)、AtCBF1 基因的转入等[9－12].种子抗逆萌发研究多集中在耐盐上[2，7－8]，耐低温萌发特征及其机制研究较少.敬雪敏和刘香萍研究了12 个苜蓿品种低温下的耐盐萌发能力[8]. 崔国文研究指出低温胁迫下苜蓿萌发过程中各品种可溶性糖含量呈先降低后升高再降低的趋势，淀粉含量的变化呈先升高后降低的趋势，且不同品种的两者含量的变化程度不相同[13]. 苜蓿各萌发指标的低温响应在品种间的差异性和比较也未见文献报道. 因此，综合比较苜蓿品种间耐低温萌发能力，以及萌发指标对低温的响应在品种间的差异，对于田间播种时选择适宜苜蓿品种具有重要指导意义.

本文选择6 个紫花苜蓿品种，比较各品种在标准发芽温度和低温下的萌发特征，比较各品种发芽指标对低温的响应及品种间的差异性.同时利用主成分分析法，筛选苜蓿品种对低温响应的指标变量，为苜蓿品种耐低温萌发能力的比较提供基础，为我国北方紫花苜蓿播种与建植提供数据支撑.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验选用6 份紫花苜蓿品种，其中自繁品种2份、种子田采收品种3 份，公司购买品种1 份.所选试验品种均为国内推广和种植面积较大品种.WL363 为进口品种，其他为国内选育品种.品种、来源及收获时间见表1.

表1 试验品种Table 1 Alfalfa varieties and sources

1.2 实验设计

在标准发芽温度(20 ℃)和低温(4 ℃)条件下，开展6 个紫花苜蓿品种培养试验.选取种粒饱满、大小一致的苜蓿种子，每组50 粒、3 次重复.20 ℃培养置于赛福智能人工气候箱中培养，培养条件20 ℃恒温，每天16 小时光照，光照强度150 μmol m－2s－1，相对湿度80%.每天用蒸馏水补充水分.胚根突破种皮与种子直径长相等时判定为萌发.每天记录发芽种子数，培养12 d 后，结束发芽试验.每皿选取10 株苗测定根长.同时，低温(4 ℃)培养置于生化培养箱中培养，培养时间同为12 d.发芽率，发芽指数，平均萌发时间、萌发整齐性指数的计算均参考文献Ranal 等[14]和Liu 等[15].

为了减少和消除苜蓿种子初始指标间的差异性，选择相对萌发指标来评价低温萌发对发芽的影响程度以及指标间的关系.标准发芽温度(20 ℃)条件下各指标为1，低温培养下的各指标的比例即为相对指标[4].

1.3 数据统计与分析

运用单因素方差分析(One －way ANOVA)比较各苜蓿品种在标准发芽温度(20 ℃)和低温(4 ℃)培养时各发芽指标的差异性.运用t－test 比较各品种在两个萌发温度中萌发指标的差异性.运用相关分析法比较5 个萌发指标之间的相关性.运用主成分分析法分析低温萌发代表性的主成分指标.根据提取的主成分指标变量计算各品种得分，对苜蓿品种低温萌发特征排序.方差分析与多重比较、相关分析和主成分分析均用SPSS21.0 软件辅助完成. 图由SigmaPlot10.0辅助完成.

2 结果与分析

2.1 苜蓿种子萌发指标比较与分析

在标准发芽温度20 ℃和低温4 ℃条件下，6 个苜蓿品种间发芽指标均有显著差异(图1).20 ℃培养，发芽率中苜1 号最高、敖汉最低，平均萌发时间敖汉和草原3 号最长、WL363 最短，萌发整齐性指数中科1 号、中科2 号和中苜1 号最高、敖汉和草原3 号最低，发芽指数中苜1 号和WL363 最高，敖汉最低，根长中科1 号和WL363 最长、敖汉最短(图1a － e).4 ℃培养，发芽率中苜1 号最高、敖汉最低，平均萌发时间敖汉最长、中科2 号、中苜1 号和WL363 最短，萌发整齐性指数中科1 号显著高于中苜1 号和WL363，发芽指数中科1 号、中苜1 号和WL363 显著高于敖汉和草原3 号，根长中科2 号最长，敖汉最短(图1a－e). 综合各指标看，低温条件下，中科1 号、中科2 号、中苜1 号和WL363 萌发能力强于敖汉和草原3 号.

同一品种培养温度间比较，发芽率中科1 号两个温度间没有显著差异(图1a)，萌发整齐性指数敖汉和草原3 号两个温度间没有显著差异(图1c)，其他各品种各指标两个培养温度均有显著差异(图1a －e).因此，中科1 号低温萌发能力在6 个品种中较强，尤其表现在发芽率上.

为了减少或排除种子质量本身造成的发芽差异，利用相对发芽指标评价低温下各品种间的发芽能力(表2).相对发芽率敖汉显著低于其他五个品种，相对平均萌发时间中科1 号、敖汉和WL363 最低，相对萌发整齐性指数草原3 号和敖汉最高，相对发芽指数中科1 号和WL363 显著高于敖汉和草原3 号，相对根长中科2 号最高(表2). 因此，中科1 号、中科2号、中苜1 号和WL 耐低温萌发能力相对较强.

综合各萌发指标和相对萌发指标，品种耐低温萌发能力中科1 号、中科2 号、中苜1 号和WL363 强于敖汉和草原3 号，中科1 号突出表现在发芽率上，中科2 号突出表现在根长上.

图1 萌发温度对苜蓿品种间发芽指标的影响Fig. 1 Effect of normal and low－temperature on germination indexes of alfalfa varieties

表2 低温条件下发芽指标相对值Table 2 Relative values of germination indexes under 4 ℃incubation condition.

2.2 苜蓿种子低温萌发各指标相关性

种子萌发各指标间既有差别，又存在着联系性.各发芽指标对低温培养的响应以及响应程度有不同程度的差异性(图1，表2).通过相对发芽指标相关性比较，分析各指标响应低温培养的变化. 相对根长与相对发芽率(r ＝0.698∗∗，P <0.01)、相对平均萌发时间(r ＝0.659∗∗，P <0.01)、相对萌发整齐性指数(r ＝－0.601∗∗，P <0.01)和相对发芽指数(r ＝0.598∗∗，P<0.01)均有显著相关性(表3). 相对发芽率和相对发芽指数也有显著相关性(r ＝0. 947∗∗，P<0.01).因此，相对根长和其他相对发芽指数相关性密切，其他相对发芽指标间关系较小.

表3 低温培养各发芽指标相关系数Table 3 Correlation coefficients of germination indexes under 4 ℃incubation condition

2.3 苜蓿种子低温萌发各指标主成分分析

相关分析结果表明，低温培养下苜蓿种子萌发各指标间相关性有差异(表3).因此采用主成分分析法，通过降维的方法筛选低温萌发时苜蓿萌发的评价指标.主成分分析结果表明第一个主成分提取特征值3.209，占到总信息量的64.18%，其他主成分提取特征值均小于1.同时，主成分1 包含测定5 个指标的大部分信息，表现为五个指标的载荷系数均超过0.6(表4).因此，主成分1 可以用作苜蓿低温萌发的指标.

根据表4 提取主成分系统矩阵，据此可获得各品种在主成分1 中的得分公式[17]，如下:

F ＝0.910X1＋0.646X2－0.702X3＋0.820X4＋0.893X5

根据F 值，对6 个苜蓿品种进行低温萌发响应得分排序(表5)，中苜1 号、中科2 号、中科1 号、WL363、草原3 号和敖汉依次下降.

表4 低温培养苜蓿发芽指标主成分分析Table 4 Principal component analysis of germination indexes under 4 oC incubation condition

表5 各品种低温萌发得分排序Table 5 The order of germinability under 4 oC incubation condition for alfalfavarieties

3 讨论

低温抑制苜蓿种子的萌发，表现为发芽率和发芽活力指数下降、平均萌发时间增加，相同萌发时间内根长变短(图1)，该结果与前人研究结果相同[13].这与低温抑制了苜蓿种子内相应的生理过程，尤其是酶的活性和激素变化有关[13].

苜蓿品种萌发指标对低温萌发的响应不同(图1，表2)，中科1 号发芽率耐低温能力最强，中科2 号胚根生长耐低温能力最强，耐低温萌发综合指标以中苜1 号主成分1 得分最高. 因此，选择综合的耐低温萌发指标，评价物种间的耐低温萌发能力对于全面评价品种间耐低温能力更具有优势.赵阳佳等利用模糊隶属函数法得出7 种绿肥作物耐低温萌发能力的综合评价[16].陶金等利用主成分分析法得出燕麦品种间耐盐萌发能力的综合评价[4].本研究通过主成分分析法得出苜蓿品种间影响低温萌发品种评价. 同时，在综合评价的同时，一些重要的指标也有生产的意义，如低温发芽率可以作为田间播种量主要参考依据，低温根系生长速率可以作为田间出苗快慢的依据.因此，在评价品种的耐低温能力时，要同时考虑关键发芽指标，也需要综合评价耐低温萌发能力.

作物的耐低温能力是受多种因素共同影响，萌发期鉴定出的较强抗性的种质材料是否在苗期或者整个生育期也具有同样的抗性，尚需要更进一步的室内和田间试验的验证[16].

4 结论

苜蓿品种间低温萌发能力存在差异，中科1 号耐低温能力表现在低温下发芽率较高，中科2 号表现在根长最长，主成分分析表明，主成分1 占5 个发芽指标信息量的64.18%，可以很好的表征苜蓿的低温萌发能力，根据主成分1 计算得分，中苜1 号、中科2号、中科1 号、WL363、草原3 号和敖汉苜蓿低温萌发能力依次减弱.