干旱胁迫对不同品种胡麻生理特性和种子萌发的影响

王利琴， 杨建春， 张永福， 郑敏娜

(山西省农业科学院高寒区作物研究所， 山西 大同 037008)

胡麻(LinumusitatissimumL.)，即油用亚麻，是我国北方一种重要的油料作物。据统计，胡麻种植面积近 70 万hm2，主要分布于甘肃、河北、山西、内蒙、宁夏等省区[1-2]。由于胡麻具有较强的抗旱、耐寒、适应性广等特性，在北方油料生产中具有举足轻重的作用[3]。在北方地区，由于雨水条件的限制，干旱是影响农作物生长和产量提升最重要的环境因素[4-5]。在受自然降水影响极大的生产区域，胡麻产量和品质的提升只有通过培育和应用抗旱性和适应性最强的品种来实现[6]。在受到干旱胁迫后，各作物品种均会在形态和生理等方面做出阶段性的响应策略[7-10]，但各抗旱指标的变化协调能力以及抵御干旱的时间与品种本身存在很大的相关性。因此，了解干旱条件下不同胡麻品种的抗干旱能力，可为区域种质资源的推广、利用提供数据和理论支持。

多年来，众多学者在胡麻抗干旱胁迫方面做了大量的科学研究，并得出了一些相关结论和观点。吴瑞香[11]、邓欣[12]、何丽[13]等学者认为，抗性强的品种在渗透调节物质积累、酶活性存有率、膜脂过氧化程度的调节幅度明显高于抗性弱的品种，抗旱性较强的品种的响应协调能力更迅速。前人的研究结论为本研究的开展奠定了坚实的理论基础和可行的试验手段，但是本区域生态条件下的胡麻种质资源研究多侧重于以胡麻种质资源的某种农艺性状或者生理生化指标进行单独分析，而针对胡麻品种的综合评价的研究较少。因此，本研究通过分析干旱胁迫下胡麻种子萌发情况、植株地上及根系形态特征、生理生化特征，探寻干旱胁迫下不同胡麻品种根系形态和生理指标的变化特点，以期为半干旱区油料生产中胡麻品种的选择提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用3个拟推广的胡麻品种为试验材料，均由山西省农业科学院高寒区作物研究所胡麻课题组提供，分别为陇亚12号、轮选2号和晋亚13号。陇亚12号，品质优良，含油率平均为40.49%；轮选2号，抗旱、抗倒伏，平均含油率41.36%；晋亚13号，抗旱性较强，平均含油率43.01%。

1.2 试验方法

2019年5月，在山西省农业科学院高寒区作物研究所试验基地，采用营养液沙培法，将经75% 乙醇消毒处理后的胡麻种子置于铺放双层滤纸培养皿内，在25 ℃恒温培养箱中催芽，且使滤纸每天均保持湿润，待种子长出5～7 mm的胚根后，转移至装有细沙的塑料花盆中(细沙高温灭菌，花盆直径为10 cm，高度为15 cm)，每盆保留生长一致的幼苗8株，在25 ℃的透光温室内培养，移栽后的7 d内每天清水浇灌；自第14天起用Hoagland 营养液浇灌，保证幼苗正常生长；培养幼苗生长至第60天，利用PEG-6000，设置对照(0 MPa)、轻度干旱(-0.4 MPa)、中度干旱(-0.8 MPa)、重度胁迫(-1.2 MPa)4个水势梯度；每个品种的每个处理3次重复，共计12个样品；胁迫处理开始后，每隔3 d 每盆浇灌350 mL不同水势的Hoagland营养液，胁迫周期为9 d，第10天各处理同时取样，测定各项指标，并对各指标平均值进行方差分析和灰色关联度分析。

1.3 测定项目和方法

1.3.1植株形态特征的测定

胁迫至第10天时，各处理同时取样，每个处理选取10株，测定植株的高度和主茎分枝数。

1.3.2水分参数和生理指标的测定

胁迫至第10天时，各处理同时取样，测量植株的叶片相对含水量、气孔导度、水势等。其中，叶片相对含水量的测量参照李跃等[14]的方法。计算公式为：

其中，W1为叶片鲜重，W2为叶片用湿润的纱布包裹复水30 min后的重量，W3为叶片65 ℃烘干后的重量；叶片气孔导度采用Li-6400光合仪测量植株最顶端完全展开的叶片；叶水势测量采用Psypro水势测量系统测定；将准备测定生理生化指标的植株样品，用滤纸吸干表面水分后立即投入液氮中保存，分别测定游离脯氨酸含量[15]、可溶性蛋白含量[15]、可溶性糖含量[15]、丙二醛(MDA)含量[15]、过氧化氢酶(CAT)活性[15]等指标。

1.3.3萌发率的统计

种子收获后，每品种选取大小均匀的种子各30粒置于铺放双层滤纸培养皿内，用蒸馏水培养测定种子的萌发率，3次重复。

萌发率(%)=(7 d时发芽种子总数/供试种子总数)×100%。

1.4 数据统计分析

采用 Microsoft Excel软件和SPSS 22.0 软件进行数据整理和分析，采用Duncan 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对胡麻株高和主茎分枝数的影响

在不同处理水平的干旱胁迫下，3个参试品种的株高品种间差异均不显著，但3个参试品种在中度干旱和重度干旱处理下与对照处理间差异显著(p<0.05)，在重度干旱胁迫时株高最低(图1)。主茎分枝数的变化特点与株高的变化特点基本一致(图2)，3个参试品种在中度干旱和重度干旱处理下与对照处理间差异显著(p<0.05)。

图2 干旱胁迫对不同胡麻品种主茎分枝数的影响Fig.2 Effects of drought stress on branch number of main stem of different L. usitatissimum varieties

注：不同的小写字母表示同一品种不同干旱胁迫处理之间的差异显著(p<0.05)，不同的大写字母表示同一胁迫处理下不同品种之间的差异显著(p<0.05)。下同。图1 干旱胁迫对不同胡麻品种株高的影响Fig.1 Effects of drought stress on plant height of different L. usitatissimum varieties

2.2 干旱胁迫对胡麻叶片水分生理参数的影响

在不同处理水平的干旱胁迫下，3个参试品种的气孔导度品种间差异均不显著，但3个参试品种不同干旱胁迫处理之间的差异显著(p<0.05)，表现出持续下降的变化趋势，在重度干旱胁迫时最低(表1)。其中，轻度干旱胁迫下，3个胡麻品种的叶片气孔导度显著下降(p<0.05)，尤以晋亚11号的下降速率最快；至中度干旱胁迫时，轮选2号与晋亚11号2个品种的气孔导度与对照处理差异显著(p<0.05)；至重度干旱胁迫时，陇亚12号和轮选2号胡麻品种的气孔导度继续降低，而晋亚11号的气孔导度值有小幅度的增加，但3个参试品种均与中度干旱胁迫处理间差异不显著。

表1 干旱胁迫对叶片气孔导度、叶水势和叶片相对含水量等参数的影响

随着干旱胁迫的增强，3个参试胡麻品种的叶水势表现出持续下降的趋势，陇亚12号和轮选2号在重度胁迫下差异显著(p<0.05)，其余处理下各品种间均差异不显著(表1)；轮选2号的水势仅在重度干旱胁迫下与其他3个处理间差异显著(p<0.05)。此外，仅在重度干旱胁迫下，3个参试品种的叶片相对含水量品种间差异显著(p<0.05)(表1)。

2.3 干旱胁迫对胡麻叶片生理生化参数的影响

与对照相比(表2)，干旱胁迫处理显著增加了参试胡麻品种叶片游离脯氨酸的含量，3个参试品种在不同干旱胁迫梯度下均与对照差异显著(p<0.05)。在正常供水时(对照)，陇亚12号的游离脯氨酸含量显著低于轮选2号和晋亚11号(p<0.05)；至轻度干旱胁迫时，陇亚12号、轮选2号和晋亚11号的叶片游离脯氨酸含量均显著增加(p<0.05)，其中，陇亚12号的增幅最大；中度干旱至重度干旱胁迫时，3个参试品种的叶片游离脯氨酸含量增幅较小，品种间和处理间差异均不显著。除对照外，3个参试品种的游离脯氨酸的含量品种间差异显著。

表2 干旱胁迫对不同胡麻品种叶片游离脯氨酸、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、MDA含量和CAT活性的影响

随着干旱胁迫程度的增加，陇亚12号的叶片可溶性蛋白含量表现出先增后降的趋势，在中度干旱胁迫时增值最大值，为4.33 mg·g-1，与对照差异显著(p<0.05)；轮选2号胡麻的可溶性蛋白含量在中度胁迫时明显降低，各处理间差异不显著；而晋亚11号的叶片可溶性蛋白含未发生显著变化，各处理间差异不显著(表2)。在4个干旱处理梯度下，陇亚12号和轮选2号胡麻叶片的可溶性蛋白含量含量均显著低于晋亚11号(p<0.05)。

3个参试胡麻品种的叶片可溶性糖含量均随着胁迫程度的增加表现出先增加后降低的变化趋势(表2)。在轻度干旱胁迫时，陇亚12号、轮选2号和晋亚11号叶片可溶性含量均显著增加，且三者均增至最大值。在不同干旱胁迫处理梯度下，陇亚12号和轮选2号胡麻叶片的可溶性糖含量均显著低于晋亚11号(p<0.05)。

与对照相比，干旱胁迫处理显著增加了参试胡麻品种叶片MDA的含量(表2)，其中，陇亚12号、轮选2号和晋亚11号叶片MDA含量在轻度干旱胁迫下开始显著增加，且在重度胁迫时增至最大值(p<0.05)。 除在重度干旱胁迫梯度外，陇亚12号的MDA含量均显著低于轮选2号和晋亚11号(p<0.05)。此外，在重度胁迫处理下，3个品种种间差异显著(p<0.05)。

与对照相比，干旱胁迫处理显著增加了参试胡麻叶片CAT活性(表2)。陇亚12号的叶片CAT 活性在轻度胁迫时显著增加，且在重度干旱胁迫时增至最高值，较对照增加 510.97%(p<0.05)；轮选2号的叶片CAT活性在中度干旱胁迫时增至最大值，较对照增加91.15%；晋亚11号的叶片CAT 活性在重度干旱胁迫增至最大值，较对照增加196.91%。此外，在中度胁迫处理下，3个品种种间差异显著(p<0.05)。

2.4 种子萌发率的统计

种子成熟收获后统计3个不同胡麻品种的萌发率，结果见表3。从表3可知，3个品种的种子均在试验的第3天开始大量萌发，至第5天萌发速率最快，至第7天陇亚2号的萌发率达到了89%，与轮选2号种间差异显著(p<0.05)，与晋亚11号之间差异不显著。

表3 种子的萌发率

2.5 灰色关联度综合评价

根据灰色关联度理论[16]，将3个供试胡麻品种的株高(X1)、主茎分枝数(X2)、气孔导度(X3)、叶水势(X4)、叶片相对含水量(X5)、游离脯氨酸(X6)、可溶性蛋白(X7)、可溶性糖(X8)、MDA(X9)、CAT(X10)、种子萌发率(X11)等11个指标性状视为一个整体，将这11个指标进行灰色关联度分析[16]，关联度值越大，表明该品种的综合表现越好。本研究中分辨系数ρ取值为0.5。灰色关联度分析结果(表4)表明，陇亚12号的加权关联度值最大，为0.867 2，综合表现最好。

表4 不同胡麻品种的关联度及排序

3 讨 论

干旱胁迫下，地上株高和主茎分枝数均明显受到了抑制，且干旱胁迫程度越高，生长受到的影响越大。叶片相对含水量和叶水势是公认的指示植物叶片的保水力的重要指标，此外，植物叶片在感受到水分亏缺时亦会通过调控气孔开关来最大限度的维持机体水分平衡[14]。Antolin等[17]研究表明，在干旱逆境下，抗旱性强的品种叶片保水能力强，相对时间内其叶片相对含水量下降的幅度较小，而叶水势下降的幅度较大。本研究中，3个参试品种的综合保水能力由高到低依次为陇亚12号>晋亚11号>轮选2号。这与植物实际表现出来的萎蔫程度是一致的。

研究表明，脯氨酸是维持细胞膨压所需的一种主要的渗透调节物质，能够保护植物免受氧化胁迫的损伤，是生物体内重要的渗透剂和有效的羟基自由基清除剂[12,18-20]，本研究结果表明，不同干旱胁迫梯度下，胡麻叶片的渗透调节能力因品种不同而有所差别，例如晋亚11号叶片是通过自身具有的高渗透调节物质含量来适应干旱胁迫，而陇亚12号和轮选2号则主要是通过快速增加其叶片的渗透调节物质含量来抵御干旱；干旱胁迫状态下，植物叶片中的可溶性蛋白含量或可溶性糖会被机体重新分配与运输，以保证具有生活力的叶片能够进行光合作用[21]；MDA含量则主要反映细胞膜脂过氧化的程度[22]，与其体内有效的酶促清除系统密切相关，陇亚12号叶片的MDA 含量低于轮选2号和晋亚11号，说明陇亚12号叶片的细胞膜系统能够保持相对较高的完整性，受到外界环境的伤害较小，间接地体现出较强的抗旱性；而CAT作为植物活性氧代谢的关键酶，主要负责清除植物体内H2O2，从而保证较低的活性氧水平[23]。一般认为，干旱胁迫下，抗旱性强的胡麻体内的CAT活性存有率较高。例如陇亚12号和轮选2号叶片内CAT活性存有率较高，最先启动抗氧化保护系统，而晋亚11号的抗氧化保护系统启动较慢，叶片细胞受伤害程度相对较高。此外，经抗旱锻炼后，陇亚12号的种子萌发率显著高于轮选2号。

4 结 论

综合比较各参试指标的变化特点和规律发现，在不同胁迫处理梯度下，3个参试品种的株高和主茎分枝数种间差异不明显，叶片相对含水量和气孔导度在明显下降；干旱胁迫会显著影响供试胡麻品种的生理特性；经灰色关联度综合分析，认为在本区域综合生产性能表现最好的品种是陇亚12号，在北方较干旱地区可优先进行推广利用；晋亚11号和轮选2号需要进一步观察和试验。