PEG胁迫下85份引进柱花草种子的萌发特性

张瑜 严琳玲 虞道耿 王文强 刘国道

摘  要：为探究不同柱花草的抗旱性强弱，构建柱花草资源抗旱评价体系，以85份引进柱花草为试验材料，分别测定0（CK）、10%和20%质量浓度的PEG-6000渗透液胁迫下萌发期的相对发芽势、相对发芽率、相对胚根长、相对胚轴长、萌发抗旱指数共5项指标，分析不同干旱胁迫对柱花草种子萌发的影响，并结合隶属函数法综合评价柱花草抗旱性能。结果表明：低浓度的PEG对柱花草种子的萌发有一定促进作用，高浓度PEG降低了柱花草种子的相对发芽势和相对发芽率，阻碍了胚芽和胚根的生长，种间表现出较大差异。其中抗旱型材料为头状柱花草CIAT 2250、大头柱花草CIAT 2113和CIAT 1942、蔓性柱花草CIAT 10182，不耐旱材料有墨西哥柱花草CIAT 1590、卡尔奇柱花草CIAT 1616和CIAT 1624。本研究结果为引进柱花草资源抗旱性评价、抗旱品种选育及其机理研究提供了理论依据。

关键词：柱花草;引进;PEG胁迫;萌发特性

中图分类号：S541.9      文献标识码：A

Abstract： In order to investigate the drought resistance of different Stylosanthes， an evaluation system for the drought resistance of Stylosanthes resources was constructed. Using 85 imported Stylosanthes as the test material， the seed relative germination rate， relative germination energy， relative radiele length， relative plumule length， germination drought resistance index were measured under distilled water （CK）， 0.2 and 0.6 MPa PEG-6000 stress. The drought resistance ability of the germplasms was evaluated comprehensively by the subordinate function method by analyzing the effects of different drought stress on the seed germination of Stylosanthes. Low concentration of PEG had a certain promotion on the germination of seeds. High concentration of PEG reduced the relative germination potential and relative germination rate of Stylosanthes seeds， hindered the growth of embryo and radicle， and showed great differences among species. Among them， drought resistant materials were S. capitata CIAT 2250， S. macrocephala M.B. CIAT 2113 and S. macrocephala M.B. CIAT 1942， S. montevidensis Vogel CIAT 10182， and non-drought resistance materials were S. mexicana Taub. CIAT 1590， S. calcicola Small CIAT 1616 and S. calcicola Small CIAT 1624. The result of the study would provide a theoretical basis for the drought resistance evaluation of introduced resources， breeding of drought resistant varieties and drought resistance mechanism research of Stylosanthes.

Keywords： Stylosanthes; introduction; PEG stress; germination characteristics

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.007

柱花草属植物（Stylosanthes SW.）是热带、亚热带地区重要的豆科牧草和饲料植物资源，主要用于饲喂牲畜、草地良种化改造和林、果草生态工程建设，在水土流失治理和退耕还草中也发挥重要作用[1-5]。但柱花草抗旱性、耐寒性和抗炭疽病性较低等问题，严重威胁柱花草的生产和推广种植[6-8]。因此，开展柱花草种质资源抗旱鉴定与抗旱品种筛选，一方面可以促进高产抗旱品种的推广应用，另一方面可以为柱花草抗旱育种提供亲本材料。

萌发期是饲草生长的关键时期，直接决定饲草的出苗期与出苗率、实际密度与产量等[9]。采用聚乙二醇渗透液人工模拟干旱胁迫，研究饲草种子萌发期抗旱性的报道已有许多，包括柠条锦鸡儿[10]、大豆[11]、狗牙根[12]、野豌豆属[13]等。目前对柱花草种质或品种抗旱性研究也有通过探寻人工模拟干旱条件评价抗旱性的，多数只研究單个种或是少份材料[14-16]。针对柱花草种间抗旱性的研究较少，难以对柱花草资源抗旱性做出系统评价，更未见对大头柱花草、蔓性柱花草、狭叶柱花草等萌发期抗旱性的研究报道。本研究采用PEG-6000渗透液室内模拟干旱胁迫，对23种不同柱花草资源的相对发芽势、相对发芽率、相对胚芽长、相对胚根长、种子萌发抗旱指数等指标进行综合评价，旨在分析引进柱花草种子萌发对干旱胁迫的响应，筛选抗旱优异柱花草材料，为柱花草萌发期抗旱性鉴定评价提供理论依据，为抗旱柱花草品种的选育提供基础材料。

1  材料与方法

1.1  材料

参试材料来自中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所“国家热带牧草中期备份库（海南儋州）”，柱花草均引自哥伦比亚国际热带农业中心（表1）。

1.2  方法

1.2.1  种子预处理  选取大小均匀一致的种子，用0.1 %的氯化汞溶液消毒2～3 min，然后用蒸馏水冲洗3次，将消毒后的种子置于80 ℃热水中浸泡30 min，去除种子的硬实。

1.2.2  试验设计  供试渗透物质为分析纯聚乙二醇（ polyethylene glycol， PEG-6000），PEG溶液设0（CK）、10%和20%共3个不同质量浓度，对应水势分别为0（CK）、?0.2、?0.6 MPa。随机选取50粒种子均匀置有2层滤纸的培养皿内，分别加入6 mL的蒸馏水或胁迫液，并用parafilm膜封口，培养箱条件为光照12 h/d，温度25 ℃。每处理设3个重复。每天观察种子发芽数，观察时以胚根长度等于种子长度最为发芽标准。从第3天开始每天统计发芽数，连续统计5 d。同时第7天测量胚根长、胚轴长。发芽期间每2 d更换1次胁迫液，使培养皿内的渗透势保持稳定，对照同时更换蒸馏水[17]。

1.3  测定项目及方法[18]

1.3.1  种子相对发芽率、相对发芽势  相对发芽率（relative germination rate， RGR）=发芽第7天正常发芽粒数/供试种子数×100%

相对发芽势（relative germination energy， RGE）=发芽第3天正常发芽粒数/供试种子数× 100%

相对指标值=处理指标/对照指标×100%

1.3.2  胚芽及胚根长  随机选取10株幼苗，测量胚芽长和胚根长，重复3次。

相对胚芽长（relative embryonic radicle length， RERL）=处理胚芽长/对照胚芽长

相对胚根长（relative plumule length， RPL）=处理胚根长/对照胚根长

1.3.3  种子萌发抗旱指数[19]  抗旱指数=渗透胁迫下种子萌发指数/对照种子萌发指数

种子萌发指数=（1.00）Rd2+（0.75）Rd4+（0.50） Rd6+（0.25）Rd8

式中，Rd2、Rd4、Rd6、Rd8分别为第2、4、6、8天的种子萌发率。

1.4  抗旱性综合评价方法

采用隶属函数法[20]对参试材料进行萌发期抗旱性综合评价，公式如下：

式中，Xij为某一材料某指标的测定值，Xj， max为该指标的最大值，Xj， min为该指标的最小值，U（Xij）为i材料j性状的隶属值。Xi为i材料的平均隶属函数值，n为测定指标数。Xi值越大，表明该材料抗旱性越强。

根据各材料综合值分为3级进行评价：1级的综合评价值在0.7以上，为抗旱型;2级的综合评价值在0.3～0.7，为中间型;3级的综合评价值在0.3以下，为不耐旱型。

1.5  数据处理

采用Excel软件对实验数据进行处理与制图。

2  结果与分析

2.1  PEG胁迫对柱花草种子相对发芽率的影响

相对发芽率可以比较客观地反映种子萌发期的抗旱性，相对发芽率越大表明其抗旱性越强[21]。如图1所示，干旱胁迫对柱花草种质的萌发产生了明显的影响，10%的PEG胁迫下，参试材料的相对发芽率明显高于20%的PEG处理。随着PEG浓度的增大，发芽受到显著的抑制，种间表现并不完全一致。

与CK相比，10%的PEG胁迫对柱花草种子的发芽率影响较小，甚至有升高的现象。如4号发芽率呈现升高，说明轻度干旱胁迫对4号种子的发芽率有一定的促进作用。20号发芽率保持不变，其余83份材料和CK相比都有下降。下降率低于10%的有9份，在10%～40%之间有70份;高于40%有4份。参试材料1号、4号、5号和39号在10%PEG胁迫后的相对发芽率均大于70%，为抗旱性较好的材料。82号相对发芽率最低，抗旱性弱。当PEG浓度为20%时，与CK相比，各材料相对发芽率都有降低，并且种间差异明显。特别是81号相对发芽率降至5.6%，说明81号对干旱较敏感。而39号相对发芽率高于50%，初步认为抗旱性较强。

2.2  PEG胁迫对柱花草种子相对发芽势的影响

发芽势反映了种子的发芽速度，相对发芽势越高，受干旱胁迫抑制的程度越低[22]。如图2所示，在不同PEG胁迫下，大部分参试柱花草的萌发势均受到抑制。当PEG浓度为10%时，与CK相比，柱花草种子的发芽势变化较小，有16份材料的相对发芽势都出现升高，59号、84号相对发芽势保持不变。随着PEG胁迫增强，柱花草种质相对发芽势总体呈降低趋势。

在10%的PEG胁迫下4号的相对发芽势最高，为75.60%，相比CK有略微的升高，说明轻度干旱胁迫对4号种子的相对发芽势有一定的促进作用;5号、39号和1号的相对发芽势也相对较高，说明其抗旱性较强。82号、33号、22号和81号的相对发芽势最低，初步认定为抗旱性较弱的材料。在20%的PEG胁迫下，82号和81号的相对发芽势为0，说明两者对干旱较敏感，胁迫对其影响也比较大。4号相对发芽势最高，其抗旱性较强。

2.3  PEG胁迫对柱花草种子萌发抗旱指数的影响

种子萌发抗旱指數是评价种子在萌发期抗旱性强弱的一个重要指标，值越大抗旱性越强[11]。由图3可看出，在不同PEG胁迫下，参试材料种子萌发抗旱指数差异明显。在10%的PEG胁迫下种子萌发抗旱指数差异不大，4号、39号种子萌发抗旱指数最高为0.53和0.49，说明这2份材料抗旱性较强。82号萌发抗旱指数最小为0.15。随着干旱胁迫增强，各材料种子萌发抗旱指数呈降低趋势，4号、39号的萌发抗旱指数最大，33、81、82萌发抗旱指数最小，说明这3份材料对干旱较敏感。其余材料均处于中间水平。

2.4  PEG胁迫下柱花草种子萌发期抗旱性的综合评价

采用相对发芽率、相对发芽势、相对胚根长、相对胚轴长等的隶属函数值对85份引进柱花草资源进行综合耐旱评价分析，结果见表2，39号综合评价值最高，为0.76，说明在85份参试材料中较抗旱，其次为4号、1号和5号，33号、81号和82号的综合评价值最低，仅为0.26，说明其抗旱能力最差。其余材料的抗旱性居中。

3  讨论

种子萌发是植物生长的关键阶段，也是进行植物抗旱性研究的重要时期[23]。一般采用PEG溶液模拟干旱胁迫来测定植物种子萌发期的抗旱性[24]。萌发期抗旱性的强弱是受多因素综合作用的结果，需要多项指标进行综合评价，以提高评价的准确性和可靠性[25]。采用相对比值进行分析，以排除不同种子自身因素的干扰，使结果更具代表性。符开欣等[26]、王宗胜等[27]、张宇君等[28]、郭郁频等[29]、高雪芹等[30]采用相对发芽率、相对发芽势、相对胚芽长、相对胚根长、相对抗旱指数等指标的隶属函数法值综合评价短芒披碱草、胡麻、燕麦、白三叶、沙芦草等种质材料萌发期的抗旱性差异。本研究通过参考和借鉴不同草类植物的抗旱研究结果，使用逆境胁迫下的相对指标，可有效地消除不同背景差异。其抗旱能力评价结论均与隶属函数法综合评价的抗旱性结果一致，能全面、准确地反应柱花草种子萌发期的抗旱性强弱。

以PEG-6000溶液模拟不同的干旱胁迫强度，对宽叶雀稗[31]、苜蓿[32]、少花蒺藜草[33]、狗牙根[12]、藜麦[34]等种子萌发期的抗旱性研究，发现低浓度的PEG对种子的萌发有一定促进作用，随着胁迫强度的增加，种子的相对发芽势、相对发芽率、萌发指数等指标值总体呈下降趋势。这与本研究结果基本一致。综合前人研究报道，本研究选择了10%和20%的PEG浓度作为胁迫浓度，进行前期抗旱筛选，因同一植物的不同种间适应的干旱胁迫浓度范围存在差异，若要确定柱花草不同种的种子萌发的最佳PEG浓度，还需做进一步探讨。

由于抗旱性是一个受多种因素影响的复杂数量性状，萌发期抗旱性评价仅仅是柱花草抗旱研究的一个方面，只能说明种子萌发时的抗旱情况，不能够完全代表柱花草苗期乃至全生育期的抗旱性。本研究仅研究了萌发期的生长形态方面的指标，今后还应增加生理生化特性研究，以期鉴定结果更加合理可靠。并且将萌发期抗旱鉴定结果与大田等全生育期鉴定结果结合起来分析，才能科学、准确地鉴定柱花草的抗旱性，并在生产实践中推广应用。

4  结论

本研究设置10%和20%两个PEG浓度对85份引进柱花草材料进行萌发期的抗旱性试验，通过相对发芽率、相对发芽势、相对胚根长、相对胚轴长、抗旱萌发指数等分析，结合其隶属函数值进行综合耐旱评价。结果表明，头状柱花草CIAT 2250综合抗旱能力较强，可以作为柱花草抗旱选育的优良材料。其次为大头柱花草CIAT 2113和CIAT 1942、蔓性柱花草CIAT 10182、墨西哥柱花草CIAT 1590、卡尔奇柱花草CIAT 1616和CIAT 1624对干旱极为敏感，抗旱性差。柱花草抗旱种质资源的筛选对于华南热带地区干旱、半干旱区栽培草地的建设意义重大。

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