不同藜麦资源的抗旱性评价及渗透调节剂对其抗旱性的影响

杨瑞萍, 刘瑞香, 马迎梅*, 郭占斌, 张宏武, 白宇, 赵新宇

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院, 荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室, 呼和浩特 010011; 2.内蒙古益稷公司, 呼和浩特 010011; 3.内蒙古自治区巴彦淖尔市林业科学研究所, 内蒙古 巴彦淖尔 015000)

我国水资源缺乏，受人为活动与自然环境的影响，各地旱情不断加重[1]。其中，西北干旱与半干旱地区，由于降水量稀少，蒸发量巨大，导致大约50%的农业减产[2]。为了提高农作物水分利用效率和粮食产量，选育种植耐旱作物，寻求减少作物水分消耗的方法是提高农业生产的最佳途径。藜麦(ChenopodiumquinoaWilld.)为藜科藜属一年生草本植物，起源于南美洲安第斯山脉，是古代印第安人的传统食物，因其籽粒饱满，营养丰富，被印加民族称为“粮食之母”[3]。藜麦不仅富含丰富的蛋白质、完美的氨基酸和较高的钙、磷、铁，还具有耐寒、耐旱、耐瘠薄等生理特性[4]。因此，藜麦是干旱区农业生产和人类饮食中最具有发展潜力的农作物之一。

干旱胁迫敏感的作物在水分缺失状态下，叶片萎蔫或不能生长，甚至出现作物减产或颗粒无收的现象[5]。耐旱作物则具有灵敏的生理响应系统，对干旱胁迫有较强的适应和抵抗能力[6]。通过干旱模拟试验测定作物在干旱胁迫下的生理生化指标，分析其抗旱策略是筛选抗旱作物的重要前提。干旱胁迫降低了茶树(Camelliasinensis)叶面积、生物量、相对含水量和气体交换能力[7]。水分胁迫下甘薯(Dioscoreaesculenta)的叶绿素含量与对照相比均下降，同时发现ATP含量与甘薯品系的抗旱性呈正相关[8]。随着干旱程度的增加，菊芋(Helianthustuberosus)的株高、生物量、千粒重、产量与对照相比均显著降低[9]。除了筛选具有优良抗逆性的作物品系外，通过不同的渗透调节剂处理种子也可以提高作物植株的抗旱性[10]。曹帮华[11]研究发现，渗透调节剂聚乙二醇促进了刺槐(Robiniapseudoacacia)种子的萌发，缩短了发芽时间，增加了幼苗生物量，还能明显提高种子的抗寒能力。多效唑能提高羊柴(Hedysarumlaeve)的抗氧化酶活性、渗透调节能力和膜脂抗氧化性，从而提高其抗旱性[12]。然而，这些渗透调节剂的成本高且用量大，这大大限制了其大面积推广和应用。因此，寻找经济型渗透调节剂，对其大面积推广应用具有重要意义，同时为提高藜麦抗旱性提供有力的科学依据。本研究采用3种渗透调节剂对4个藜麦资源的种子进行前处理，探究不同藜麦资源对渗透调节剂在形态和生理方面的响应机制，为深入研究渗透调节剂提高藜麦抗旱性的生理机制及开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为4个藜麦品系，分别为黑藜(black quinoa，BQ)、白藜(white quinoa，WQ)、红藜(red quinoa，RQ)、蒙藜(mongolian quinoa，MQ)，种子均来自内蒙古益稷公司。试验于2018年6月在内蒙古农业大学的温室进行，试验用土为典型的沙壤土。土壤有机质含量为8.32 g·kg-1，全氮含量为0.78 g·kg-1，全磷含量为0.199 g·kg-1，全钾含量为15.455 g·kg-1，碱解氮含量为89.33 mg·kg-1，速效钾含量为168.71 mg·kg-1，速效磷含量为56.19 mg·kg-1，pH为7.56。

1.2 试验设计

为了了解受试藜麦品系的抗旱性，对藜麦幼苗进行干旱胁迫(drought stress,DS)和正常浇水(CK)处理，DS处理方法为从试验开始到结束均不浇水，CK处理用称重法将土壤含水量控制在70%～80%。分别于第1、4、7、和10 d 取样，进行相对含水量、株高、生物量和叶绿素含量的检测。

基于藜麦品系的抗旱性判断，选取5%蔗糖(sugar,S)和1%磷酸(phosphoric acid,P)2种渗透调节剂，以清水(water,W)作为对照，浸泡藜麦种子，对种子进行渗透处理。挑选颗粒饱满、大小一致的种子，用不同渗透调节溶液处理24 h后[13]，播种于直径25 cm、高15 cm的花盆中，每盆播种3粒，播种深度为2～3 cm，四叶期进行间苗，每盆保留1苗，每个处理3次重复，正常浇水管理。待藜麦长至8片真叶时，对幼苗进行干旱胁迫(DS)和正常浇水(CK)处理，处理方法及样本采集和检测指标，同上。

1.3 指标检测及方法

1.3.1形态指标测定 利用直尺测定藜麦的株高。试验结束后，将藜麦的地上部分剪下，用AUY220天平(日本岛津)称其鲜重，然后在85 ℃烘箱中杀青30 min，60 ℃烘干至恒重，称其干重。

1.3.2生理指标测定 将叶片剪下，测其鲜重，将其用清水浸泡12 h后，测其叶片饱和含水量，最后将叶片在60 ℃烘箱中烘干，测其干重。每株选取相同位置的叶片，置于15 mL遮光处理的离心管中，加入3 mL二甲基亚砜，在黑暗处放置 12 h直至叶片变白，分别在 664 nm、635 nm 两种波长下用UV759分光光度计(上海精科)测量其吸收值，后将叶片在60 ℃烘箱中烘15 h，称其干重。通过以下公式[14-15]计算叶片相对含水量和叶绿素含量。

叶片相对含水量=(叶片鲜重-叶片干重)/(叶片饱和水重-叶片干重)

叶绿素含量=(0.008 02×A663+0.020 2×A645)×3/干重

1.4 抗旱性综合评价

采用隶属函数法计算4个藜麦品系的抗旱隶属度，用以评价其综合抗旱能力。隶属函数值的计算公式[16-17]如下。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Xi表示第i个指标值，Xmax表示所有品系第i个指标的最大值，Xmin表示所有品系第i个指标的最小值。

如果所测指标与植物的耐旱性呈正相关关系，用式(1)；如果所测指标与植物的耐旱性呈负相关关系，则用式(2)。然后对各指标的抗旱隶属值进行累加，计算平均值，得出综合评价指标值。综合评价指标值越大，说明该藜麦品系的抗旱性越强；综合评价指标值越小，说明该品系的抗旱性越差。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，多重比较检验采用最小显著差异法(LSD)。采用Origin 2018进行数据处理和制图。

2 结果与分析

2.1 不同藜麦品系的抗旱性评价

2.1.1干旱胁迫对不同藜麦品系相对含水量的影响 由图1可知，随着干旱胁迫时间的延长，不同藜麦品系叶片的相对含水量均呈现不同程度的下降，且4个品系间无显著性差异(P>0.05)。而对照组的叶片相对含水量始终保持在70%～80%，对幼苗的正常生长无影响。与对照相比，干旱胁迫第4 d，叶片相对含水量呈现大幅度下降；第10 d时，受干旱胁迫的植株大多数干枯、死亡，相对含水量达到0，且对照和干旱处理的各品系间叶片相对含水量差异显著(P<0.05)。

图1 不同处理不同藜麦品系的相对含水量

2.1.2干旱胁迫对不同藜麦品系叶绿素含量的影响 干旱胁迫下不同藜麦品系的叶绿素含量结果(图2)表明，随着干旱胁迫时间的延长，不同品种的叶绿素含量都呈现先上升后下降的趋势，而对照组的藜麦叶片叶绿素含量随着时间的推移呈现先降低后升高的趋势，且不同藜麦品系之间无显著性变化(P>0.05)。与对照组相比，干旱胁迫第4 d，叶片叶绿素含量出现上升，红藜上升的趋势最大，为 8.3 mg·g-1DW，黑藜上升趋势最小，为 5.2 mg·g-1DW。干旱胁迫第 10 d，蒙藜的叶片叶绿素含量显著高于红藜、黑藜和白藜(P<0.05)。

图2 不同处理不同藜麦品系的叶片叶绿素含量

2.1.3干旱胁迫对不同藜麦品系株高的影响

干旱胁迫下不同藜麦品系的株高结果(图3)显示，随着干旱胁迫时间的延长，藜麦的生长速度减缓，呈现出稳定趋势，且大约集中在24～25 cm，不同品系间无显著差异(P>0.05)，而对照组中不同藜麦品系的株高呈现出持续上升趋势。与对照相比，干旱胁迫第4 d，黑藜的增长速度最小，甚至停止生长。处理第10 d，干旱胁迫处理各品系的株高差异均高于对照处理(P<0.05)。

图3 不同处理不同藜麦品系的株高

2.1.4干旱胁迫对不同藜麦品系生物量的影响

干旱胁迫下不同藜麦品系的生物量结果(图4)表明，对照条件下，4个藜麦品系的生物量间没有显著差异；与对照组相比，干旱胁迫后不同藜麦品系的生物量均呈现显著下降(P<0.05)，但各品系间的生物量没有差异显著(P>0.05)。

注：不同小写字母表示不同品系处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.2 渗透调节剂处理藜麦种子对其幼苗抗旱性的影响

2.2.1渗透调节剂对不同藜麦品系相对含水量的影响 不同渗透调节剂处理4个藜麦品系的幼苗叶片相对含水量结果(图5)表明，相同渗透调节剂处理下,不同藜麦品系的相对含水量均呈现逐渐下降趋势。其中，5%蔗糖处理7 d时，藜麦品系RQ和WQ的相对含水量显著高于MQ和BQ(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ的相对含水量间无显著差异(P>0.05)；5%蔗糖处理10 d时，RQ、WQ和MQ的相对含水量均显著高于BQ(P<0.05)，而三者之间无显著差异(P>0.05)；其他处理时间，不同品系间的相对含水量均无显著差异(P>0.05)。水处理下，仅处理7 d时，藜麦品系RQ和WQ的相对含水量显著高于MQ和BQ(P<0.05)，其他处理时间，不同品系间的相对含水量均无显著差异(P>0.05)。1%磷酸处理时，仅处理4 d时，RQ、WQ和MQ的相对含水量均显著高于BQ(P<0.05)，而三者之间无显著差异(P>0.05)；其他处理时间，不同品系间的相对含水量均无显著差异(P>0.05)。

图5 不同渗透调节剂处理不同藜麦品系的相对含水量

同一藜麦品系的不同渗透调节剂处理的叶片相对含水量随干旱胁迫时间的推移均呈下降趋势。其中，干旱胁迫第4 d，BQ与RQ品系的5%蔗糖处理的相对含水量显著高于1%磷酸和水处理(P<0.05)，而品系RQ和WQ、MQ和BQ的相对含水量间无显著差异(P>0.05)；干旱胁迫第7 d，MQ品系的5%蔗糖和1%磷酸处理的相对含水量显著高于水处理(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ的相对含水量间无显著差异(P>0.05)；处理第10 d，5%蔗糖处理的藜麦品系均未干枯死亡，而1%磷酸与水处理的藜麦品系均干枯死亡，相对含水量为0。可见，5%蔗糖处理藜麦种子可以显著提高藜麦幼苗的抗旱性，其作用显著高于水处理，而1%磷酸的作用低于水处理，不适合作为提高藜麦抗旱性的渗透调节剂。

2.2.2渗透调节剂对不同藜麦品系叶绿素含量的影响 不同渗透调节剂处理下的藜麦叶绿素含量结果见图6，可见，相同渗透调节剂处理的不同藜麦品系都呈现先上升后下降的趋势且无显著差异(P>0.05)，其中，5%蔗糖处理10 d时，藜麦品系RQ的叶绿素含量显著高于MQ、BQ和WQ(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ间的叶绿素含量无显著差异(P>0.05)；其他处理时间，不同品系间的叶绿素含量均无显著差异(P>0.05)。水处理7 d时，RQ、WQ和BQ的叶绿素含量均显著高于MQ(P<0.05)；处理10 d时，藜麦品系RQ的叶绿素含量显著高于MQ、WQ和BQ(P<0.05)；其他处理时间，不同品系间的叶绿素含量均无显著差异(P>0.05)。1%磷酸处理7 d时，RQ、WQ和MQ的叶绿素含量均显著高于BQ(P<0.05)，而三者之间无显著差异(P>0.05)；其他处理时间，不同品系间的叶绿素含量均无显著差异(P>0.05)。

图6 不同渗透调节剂处理不同藜麦品系的叶绿素含量

不同渗透调节剂处理的同种藜麦的叶绿素含量，随时间推移呈先上升后下降趋势且存在显著差异(P<0.05)。干旱胁迫第4 d，1%磷酸处理的MQ的叶绿素含量急速下降；第7 d，水处理的MQ、WQ和1%磷酸处理的RQ的叶绿素含量大幅下降；干旱胁迫第 10 d，1%磷酸处理的BQ、MQ、WQ叶片的叶绿素含量明显高于RQ(P<0.05)，RQ的叶绿素含量接近于0，5%蔗糖处理的BQ的叶绿素含量最高，为2.9 mg·g-1DW。可见，5%蔗糖处理可以显著提高藜麦幼苗的抗旱性，其作用显著高于水处理，而1%磷酸的作用低于水处理，不适合作为提高藜麦抗旱性的渗透调节剂。

2.2.3渗透调节剂对不同藜麦品系株高的影响

不同渗透调节剂处理下不同藜麦的株高结果(图7)显示，相同渗透调节剂处理的不同藜麦品系的株高均呈现先上升后趋于稳定的趋势，且品系间无显著差异(P>0.05)，而不同渗透调节剂处理的同种藜麦品系的株高随干旱胁迫时间的推移呈先上升后趋于稳定。5%蔗糖和水处理10 d时，藜麦品系MQ的株高均表现出显著高于RQ、BQ和WQ的趋势(P<0.05)，而RQ和WQ、MQ和BQ间的株高无显著差异(P>0.05)；其他处理时间，不同品系间的株高均无显著差异(P>0.05)。

图7 不同渗透调节剂处理不同藜麦品系的植株株高

2.2.4渗透调节剂对不同藜麦品系生物量的影响 不同渗透调节剂处理的不同藜麦品系的生物量结果(图8)显示，水处理的MQ和WQ品系生物量显著高于用其他品系及1%磷酸和5%蔗糖处理的藜麦品系。1%磷酸和5%蔗糖处理的各藜麦品系间的生物量没有差异显著。

注：不同小写字母表示不同品系处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.3 抗旱性综合评价

隶属函数法是对单一指标进行综合评价的方法。不同藜麦品系的隶属函数值结果(表1)显示，随着干旱胁迫程度的增加，RQ的株高、生物量、相对含水量和叶绿素含量的隶属函数值都高于BQ、WQ、MQ，其综合隶属值最大，为0.749 4，表明其抗旱性最强。依据隶属函数值，4个藜麦品系的抗旱性综合评价排序为RQ>WQ>MQ>BQ。

表1 各品系的抗旱指标隶属函数值及抗旱性综合排序

3 讨论

3.1 藜麦资源的抗旱性评价及抗旱品系筛选

植物抗旱性与其体内的水分含量密切相关，不仅反映缺水环境下植物因蒸腾作用机体组织的运水和恢复能力，还指示了植物的保水能力，抗旱性强的植物具有较强的保水能力。因而，相对含水量被认为是鉴定植物抗旱性的有效指标之一[18]。本研究表明，随着干旱程度的加剧，不同藜麦品系叶片的相对含水量降低，说明水分供应亏缺时，藜麦用于自身构建和生理过程的水分也相应减少，水分的供求不平衡。不同藜麦品系叶片的失水程度越大，则该品系维持叶片水分状况的能力就越弱，不同品系的保水能力差异表现为红藜>白藜>蒙藜>黑藜。当相对含水量为 0 时，大多数藜麦品系萎蔫、枯死，说明已经超过了作物的最大抗性。邹苗等[19]和金胶胶等[20]关于酸枣幼苗的叶片相对含水率随着干旱胁迫程度增加呈现下降趋势的结论，与本研究一致。

植物光合作用的实现依赖于叶绿素对光能的吸收，干旱胁迫下植物叶片的叶绿素含量降低，一方面可能源于叶绿素的生物合成减弱，另一方面可能因为植物体内活性氧的积累引起膜脂过氧化，加速了叶绿素的分解[21]。因而，干旱胁迫下叶绿素含量的变化不仅可用来指示植物对干旱胁迫的敏感性，还可在一定程度上反映植物的生产性能和受干旱胁迫的影响程度[22]。本研究结果表明，随着干旱胁迫程度的加剧，叶绿素呈现先上升后下降的趋势，说明适度干旱胁迫有助于藜麦的生长。

生物量是植物对干旱胁迫的综合反映，也是评估干旱胁迫程度和植物抗旱能力的重要标准[23]。本研究表明，干旱胁迫导致藜麦生长受到抑制，随着胁迫强度的增加，受抑制程度越显著。植物抗旱反应涉及多个生理生化指标及过程，不同品系的某一具体指标对干旱胁迫的响应不一定相同，不同指标之间还存在着显著相关性。因此,依据单一指标对种质材料的抗旱性进行评价，具有一定的局限性和片面性[24]。因而，本研究采用隶属函数法对藜麦各项生理指标进行抗旱性综合评价，以消除个别指标带来的片面性，使各品系间的抗旱差异具有可比性，从而提高藜麦抗旱鉴定结果的准确性和可靠性。综合评价发现，4个藜麦品系的耐旱性强弱依次为红藜>白藜>蒙藜>黑藜。因此，在干旱半干旱地区农业推广种植中，应优先选择抗旱性强的红藜和白藜品系。

3.2 合适的渗透调节剂可以提高藜麦的抗旱性

种子的渗透调节是通过将种子置于低浓度的有机或无机溶质溶液中，来控制水合作用以减少发芽种子所需的时间，增加其萌发时对不利环境的抵抗力[25]。因此，经过渗透调节溶液处理的种子，在生长、发育时对逆境的抵抗力和耐受力提高，能更早地对逆境做出调整。本研究表明，5%蔗糖处理可以显著提高藜麦幼苗的抗旱性，其作用显著高于水处理，而1%磷酸的作用低于水处理，不适合作为提高藜麦抗旱性的渗透调节剂。这与Li等[26]通过水杨酸处理提高水稻根系活力的研究一致。表明渗透调节处理植物种子，除了可以提高其种子发芽率、出苗率[27]外，还可以提高其幼苗的活力及抗逆性。本研究对实际生产中用渗透调节剂来提高藜麦的抗旱性和产量提供了理论基础。对藜麦的开花期和结实期进行抗旱性评价及资源筛选，可能更适宜我国北方干旱、半干旱地区的藜麦产业发展，这需要进一步研究。