PEG模拟干旱胁迫下花椰菜种质资源萌发特性及抗旱性评价

朱世杨 张小玲 刘 庆 罗天宽 唐 征 钟伟杰 朱祝军

(1温州科技职业学院,温州市农业科学研究院/浙南作物育种重点实验室,浙江 温州 325006；2 浙江农林大学农业与食品科学学院,浙江 杭州 311300)

干旱是影响农作物生产的主要非生物胁迫因子之一[1-2]。 我国干旱、半干旱地区占国土面积的二分之一以上,其中耕地面积约5.1×107hm2,约占总耕地面积的51%[3]。

花椰菜(Brassica oleraceaL.var.BotrytisL.)是十字花科芸薹属甘蓝种中以花球为产品的一个变种,营养丰富,风味鲜美,是我国年栽培面积较大的主要蔬菜作物之一[4]。 在夏秋季节栽培中,花椰菜易受干旱气候的影响,播种后出现出苗率低,出苗不整齐,移栽后成活率低,缺苗断垄等现象,进而影响其最终的产量品质。 通过对花椰菜抗旱性鉴定筛选可以为其抗旱性育种提供优质的种质资源。 目前,关于不同干旱胁迫条件下花椰菜的生理生化变化的研究已有大量报道。 陈国菊等[5]研究了盆栽干旱胁迫对花椰菜叶片细胞保护酶及超微结构的影响；汪炳良等[6]研究了30 ～35℃高温胁迫下早熟花椰菜叶片抗氧化系统和叶绿素及其荧光参数的变化；王丽君等[7]研究了大田人工控水条件下外源水杨酸对干旱胁迫下花椰菜叶片抗氧化作用的影响；Wu 等[8]研究了茉莉酸甲酯和冠菌素处理对花椰菜幼苗的耐旱性方面的生理评价；Hadi 等[9]比较了聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和甘露醇诱导干旱胁迫对花椰菜幼苗生长的影响。 PEG 是研究植物干旱胁迫的良好材料,在水稻[10-11]、玉米[12-14]、花生[15-16]、豌豆[17]、豇豆[18]、胡麻[19-20]、番茄[21]、芝麻[22]等植物耐旱性研究中已有相关报道。 而PEG 干旱胁迫下对花椰菜资源材料抗旱性筛选方面的研究尚鲜见报道。

种子萌发期是作物生长中最为敏感的阶段之一,也是作物群体数量建成的关键阶段,极易受干旱环境的影响,因此在萌发期筛选出抗旱能力优异品种资源对于干旱地区农业生产及抗旱性育种具有重要意义[23-24]。 本研究通过分析不同浓度PEG 模拟干旱胁迫对12 个花椰菜资源材料萌发特性的影响,以明确萌发期抗旱性鉴定适宜的PEG 浓度,筛选出优质抗旱性种质材料,为花椰菜耐旱机理及抗旱性育种提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试花椰菜资源材料均由浙江省温州市农业科学研究院花椰菜育种课题组提供,共计12 份,其中自交系9 份,不育系3 份,均为2017年普通塑料大棚中采收的种子,其亲本来源如表1所示。

表1 供试花椰菜材料及亲本来源Table1 Cauliflower materials tested and their parental origin

1.2 试验方法

1.2.1 PEG 模拟干旱胁迫处理 试验共设置4 个处理,即0(CK)、100、150 和200 g·L-1PEG(用双蒸馏水和PEG6000 配制)。 选取50 粒饱满的种子,置于预先用15 mL 不同浓度PEG 溶液湿润过的铺有5 层吸水纸和2 层滤纸的培养皿(直径9 cm)中,盖上培养皿盖后,置于25℃培养室(光照∶黑暗=12 ∶12)中连续培养7 d。 采用随机区组设计,每个处理3 次重复。

1.2.2 性状指标测定 每天统计发芽的种子数,第3天统计发芽势(germination rate,GR),第7 天统计发芽率(germination percentage,GP),并随机取5 株生长7 d的幼苗测量苗高(seedling height,SH)和根长(root length,RL),若不足5 株则全部测量。 按照公式分别计算发芽势、发芽率、发芽指数(germination index,GI)、活力指数(vigor index,Ⅵ)：

式中,Gt：第t天发芽种子数；Dt：相应发芽的天数。

按照公式分别计算相对发芽率( relative germination percentage,RGP)、相对发芽势(relative germination rate,RGR)、相对发芽指数( relative germination index,RGI)、相对活力指数(relative vigor index,RVI)、相对苗高(relative seedling height,RSH)和相对根长(relative root length,RRL)：

1.3 抗旱性综合评价

花椰菜材料萌发期的抗旱性评价参考崔宏亮等[15]和李培英等[25]的方法。 首先,按照公式(11)计算每份材料在不同浓度PEG 胁迫下RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 的具体隶属函数值：

式中,X：某一指标的测定值；Xmax和Xmin分别表示该指标的最大值和最小值。

其次,将每个指标不同浓度PEG 胁迫下的具体隶属函数值累加求平均值,按照公式(12)计算：

式中,X(ij)：i种类j指标的平均隶属函数值；n：PEG 浓度的种类(不含对照)。

然后,按照公式(13)计算标准差系数Vj,再按照公式(14)计算权重系数Wj,最后按照公式(15)计算每个材料所有指标的综合评价值(D),D数值越大,表示抗旱性越强,反之则抗旱性越弱。

2 结果与分析

2.1 PEG 胁迫下花椰菜种子萌发和幼苗生长的方差分析

对12 个花椰菜种质材料3 个PEG 浓度处理下的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 个性状进行方差分析。 由表2可知,上述6 个性状在各种质材料之间、PEG 胁迫浓度之间以及种质材料×PEG 胁迫浓度之间均存在极显著差异。

表2 PEG 胁迫下花椰菜种质材料种子萌发和幼苗生长的方差分析Table2 Analysis of variance on seed germination and seedling growth of cauliflower materials under PEG stress

2.2 PEG 胁迫对花椰菜RGP 和RGR 的影响

由图1可知,在对照(CK)条件下,12 个花椰菜种质材料的种子发芽率平均值为99.0%,变化幅度为96.0%～100.0%,发芽势平均值为98.7%,变化幅度为94.7%～100.0%。 参试的12 个花椰菜种质材料初始的种子萌发情况良好。

图1 对照条件下花椰菜的发芽率和发芽势Fig.1 The GP and GR of cauliflower under CK

由表3可知,不同浓度PEG 胁迫下,所有花椰菜的RGP 均随着干旱胁迫的增强呈降低趋势。 100 g·L-1PEG 对各花椰菜的RGP 影响不大,甚至对个别材料的种子萌发有促进作用,RGP 在97.3%～102.0%之间；150 g·L-1PEG 胁迫下,花椰菜的RGP 变化范围在73.3%～99.3%之间；P3、P6 的RGP 均较高,分别为98.7%和99.3%,P9 的RGP 较低,为73.3%；200 g·L-1PEG 胁迫下,各花椰菜种子萌发则受到严重抑制,P9 的RGP 最低,仅为1.3%,P3 和P6 最高,均为58.0%。 说明P3、P6 较耐旱。

不同浓度PEG 胁迫下,所有花椰菜材料的RGR随着干旱胁迫的增强亦呈降低趋势。 100、150 和200 g·L-1PEG 胁迫下,RGR 变化范围分别为86.6% ～101.4%、36.6%～100.0%和0.0%～15.3%。 100 g·L-1PEG 胁迫下,A1、A3、P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8 的RGR 均显著高于A2、P9；150 g·L-1PEG 胁迫下,A1、P3、P6、P7、P8 的RGR 均显著高于其他材料；200 g·L-1PEG 胁迫下,A2、A3、P9 种子尚未萌发,其他材料的RGR 也相对较低,其中P3、A1 较高,分别为15.3%和14.8%。 说明100 g·L-1PEG 胁迫对花椰菜种子萌发影响不大,而150 ～200 g·L-1PEG 胁迫则会严重抑制种子萌发,降低种子发芽速度。

表3 PEG 胁迫对花椰菜RGP 和RGR 的影响Table3 Effect of PEG stress on RGP and RGR of cauliflower

2.3 PEG 胁迫对花椰菜RGI 和RVI 的影响

由表4可知,不同浓度PEG 胁迫下,各花椰菜的RGI 均随着干旱胁迫的增强而显著降低。 100、150 和200 g·L-1PEG 胁迫下,各花椰菜的RGI 变化范围分别为83.7%～101.2%、49.2%～90.9%和0.5%～26.1%。100 g·L-1PEG 胁迫下,P3、P4、P6、P7、P8 的RGI 均显著高于A1、A2、A3、P5、P9；150 g·L-1PEG 胁迫下,P3、P6 的RGI 达到90%以上,显著高于其他材料；200 g·L-1PEG 胁迫下,P3、P6 的RGI 相对较高,分别为26.1%、25.6%,而A2、A3、P5、P9 的RGI 相对较低,仅在0.5%～1.3%之间。

表4 PEG 胁迫对花椰菜RGI 和RVI 的影响Table4 Effect of PEG stress on RGI and RVI of cauliflower

不同浓度PEG 胁迫下,除P3 和P8 外,其他花椰菜的RVI 均随着干旱胁迫的增强呈降低的趋势,各材料的RVI 变化范围分别为91.0%～144.4%、46.0%～162.9%和0.0% ～24.1%。 100 g·L-1PEG 胁迫下,A1、P3、P4、P5、P6 的RVI 均显著高于P1、P7、P8；150 g·L-1PEG 胁迫下,P3、P6、P8 的RVI 均相对较高,而A3、P9 则相对较低,其他材料介于二者之间；200 g·L-1PEG 胁迫下,P3 的RVI 最高,为24.1%,A2、A3、P9 的RVI 均为0.0%,达到了萌发生长的耐受阈限。RVI 能反映种子发芽速度,也能反映生长势和生长活力[26]。 表明100 g·L-1PEG 胁迫能够促进幼苗生长提高种子活力,而150 ～200 g·L-1PEG 胁迫则会抑制幼苗生长,降低种子活力。

2.4 PEG 胁迫对花椰菜RSH 和RRL 的影响

由表5可知,不同浓度PEG 胁迫下,除A1、P2 和P4 外,其他材料的RSH 随着干旱胁迫的增强呈显著降低的趋势。 100 g·L-1PEG 胁迫促进了P3、P5、P6、P8 的苗高生长,而150～200 g·L-1PEG 胁迫明显抑制苗高生长,尤其是200 g·L-1PEG 胁迫下花椰菜苗高生长受到严重抑制。 100 g·L-1PEG 胁迫下,P3、P5、P6、P8 的RSH 均显著高于A3、P4、P9；150 g·L-1PEG 胁迫下,A2、P2、P3 的RSH 均显著高于A3、P1、P9,其他材料介于二者之间；200 g·L-1PEG 胁迫下,A1、P6、P2、P3 的RSH 均相对较高,分别为37.5%、29.5%、24.0%和23.4%,而A2、A3、P5、P9 的RSH 相对较低,在0.5%～3.1%之间。

不同浓度PEG 胁迫对幼苗RRL 的作用与RSH 有所不同,其中,P1、P3、P7 和P8 随着PEG 胁迫的增强呈先增加后降低变化趋势,而其他材料呈下降趋势。100 g·L-1PEG 胁迫下,A1、A2、P2、P3、P4、P5、P6 的RRL 均显著高于P7、P8；150 g·L-1PEG 胁迫下,P3 的RRL 最大,为179.1%,A3 的RRL 最小,为82.9%；200 g·L-1PEG 胁迫下,P3 的RRL 最高,为95.3%,A2、A3、P5、P9 的RRL 均较低,仅在2.8%～9.8%之间。综上表明,PEG 胁迫对幼苗生长的影响因品种和胁迫浓度而异,100 ～150 g·L-1PEG 胁迫对花椰菜RRL 有一定的促进作用,而150 ～200 g·L-1PEG 胁迫会严重抑制花椰菜RSH。

2.5 12 个花椰菜萌发期抗旱性的综合评价

种子萌发期的抗旱性受多种因素的综合作用,单一指标评价不同品种材料的抗旱性存在一定的片面性[27]。 本研究利用隶属函数法对PEG 胁迫下12 个花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 个指标进行了综合评价分析。 由表6可知,12 个花椰菜萌发期的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 抗旱指标的隶属函数综合评价值(D)依次表现为P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9,D 值越大,说明材料的抗旱性越强,由此可知,P3 抗旱性较强,P9 抗旱性最弱。

表5 PEG 胁迫对花椰菜RSH 和RRL 的影响Table5 Effect of PEG stress on RSH and RRL of cauliflower

3 讨论

PEG6000 是一种无毒渗透调节剂,已广泛用于多种作物萌发期抗旱性的鉴定与筛选[28-29]。 本研究中,随着PEG 胁迫浓度的增加,各花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 均呈降低趋势,P3 和P8 的RVI和RRL 则呈先增加后降低的变化趋势,这与Hadi等[9]的研究结果基本一致。 本研究发现100 g·L-1PEG 胁迫对绝大多数花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 影响均不大,但对RVI、RRL 有一定的促进作用；150 g·L-1PEG 胁迫对花椰菜RGR、RGI、RVI、RSH 有抑制作用,但对RRL 有促进作用； 200 g·L-1PEG 胁迫对花椰菜RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 均有严重抑制作用。 说明PEG 胁迫对花椰菜萌发期各指标的影响因品种和浓度而异,总体表现为较低浓度PEG(100 g·L-1)胁迫对萌发生长影响不大,甚至对个别材料萌发生长有促进作用,而较高浓度PEG(150～200 g·L-1)胁迫会明显抑制萌发生长。 综上可知,花椰菜萌发期抗旱性筛选的PEG 适宜浓度为150～200 g·L-1,这与陈致富等[28]研究认为白菜型油菜资源PEG6000 抗旱性筛选适宜浓度200 g·L-1的结果基本一致,但与张霞等[29]认为甘蓝型油菜萌发期PEG6000 抗旱性筛选适宜浓度100 g·L-1的结论有所不同。 这可能是由于不同作物种类对PEG 抗旱性响应的浓度不同所致。

表6 12 个花椰菜材料各指标隶属函数值及综合评价Table6 The subordinate function values and comprehensive evaluation of the twelve cauliflower materials

作物种子萌发期的抗旱性受多种因素作用,运用单个指标评价不同品种的抗旱能力具有一定的片面性[24]。 本研究发现PEG 胁迫下不同指标对不同品种花椰菜的抗旱性强弱排序并不一致,如150 g·L-1PEG胁迫下,P6 的RGP 和RGR 最大,P3 的RGI 和RVI 最大,RSH 和RRL 最大的分别是P2 和P3。 说明单一指标所反映的抗旱性强弱具有局限性,只有通过对多项指标进行综合评价才能客观评价不同花椰菜材料抗旱性的强弱。 这与前人在花生[15]、豌豆[17]等PEG 抗旱性筛选中的结论一致。

应用模糊数学隶属函数法能够对植物的抗旱性进行综合评价,在花生[15]、油菜[28-29]、燕麦[30]等植物抗旱性研究中已有相关报道。 本试验采用RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 6 个指标结合隶属函数法对12 个花椰菜的抗旱性进行评价,发现12 个花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 的耐旱性排序不尽相同,这也说明花椰菜萌发期的抗旱性受多个因素影响,PEG模拟干旱抗旱性评价中需要对多个指标进行综合性评价。 根据综合评价隶属函数值排序,发现12 个花椰菜种质材料的抗旱性依次表现为P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9。 本研究结果为今后开展花椰菜抗旱性育种提供了理论依据。

4 结论

本研究结果表明,PEG 胁迫下花椰菜萌发期RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 指标变化因品种和胁迫浓度而异,其中100 g·L-1PEG 胁迫对萌发生长影响不大,150 ～200 g·L-1PEG 胁迫会明显抑制萌发生长。因此,150～200 g·L-1可作为花椰菜萌发期抗旱性筛选的PEG 适宜浓度。 基于RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 指标的加权隶属函数值排序,12 个花椰菜种质材料的抗旱性依次表现为P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9。 今后可利用这些抗旱性强弱极端材料开展花椰菜抗旱性机理机制研究,还可以利用抗旱性较强的不育系与自交系杂交配组筛选耐旱性的杂交组合。