苜蓿種質(zhì)材料對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)

苜蓿種質(zhì)材料對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)

三葉草是一種高產(chǎn)、穩(wěn)定、抗旱性強(qiáng)、土壤處理效果明顯的科草性疾病。它在新疆擁有豐富的資源和巨大的區(qū)域特殊性。但近年來由于氣候干燥、年降水量減少、蒸發(fā)劇烈、荒漠化日趨加重以及生態(tài)環(huán)境不斷惡化等因素導(dǎo)致的水分不足已嚴(yán)重制約了苜蓿的生長(zhǎng)發(fā)育,已成為限制新疆地區(qū)苜蓿推廣和生產(chǎn)的重要因素,因此,發(fā)掘抗旱的苜蓿種質(zhì)材料對(duì)新疆苜蓿產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展具有重要意義。已有許多專家學(xué)者針對(duì)苜蓿種質(zhì)資源的抗旱性鑒定與評(píng)價(jià)等方面開展研究,結(jié)果表明不同苜蓿品種對(duì)干旱的適應(yīng)性、抗性有所不同,主要表現(xiàn)在植株形態(tài)、生理、生物量和根冠比等方面,由于株高、葉面積、生物量和根冠比等形態(tài)生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)水分脅迫比較敏感、簡(jiǎn)單、直觀、快速且可靠,仍然被認(rèn)為是抗旱鑒定評(píng)價(jià)最常用的方法。苗期作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的開始階段對(duì)水分虧缺較為敏感,此時(shí)的水分脅迫不僅威脅幼苗的生存,對(duì)其后期的生長(zhǎng)、生物量的形成以及順利越冬等都有一定影響。因此,本研究對(duì)12份適應(yīng)新疆生境的苜蓿栽培品種苗期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期篩選出耐旱的苜蓿品種,為新疆地區(qū)栽培苜蓿品種的選擇以及耐旱遺傳工程育種提供有適用價(jià)值的基礎(chǔ)材料,同時(shí)也為新疆地區(qū)利用苜蓿改良退化草地提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1地區(qū)zea及雜花苜蓿m.vacv.a的分布試驗(yàn)苜蓿為紫花苜蓿(Medicagosativa)品種和田大葉(M.sativacv.HetianDaye)、北疆(M.sa-tivacv.Beijiang)、敖漢(M.sativacv.Aohan)、甘農(nóng)3號(hào)(M.sativacv.GannongNo.3)和分別在新疆巴州、策勒、沙灣、奇臺(tái)、阜康、伊犁及布爾津長(zhǎng)期栽培的紫花苜蓿以及阿爾泰雜花苜蓿(M.variacv.Ale-tai)。12份材料均來自新疆畜牧科學(xué)院旱生牧草研究中心試驗(yàn)基地種子庫(kù)。1.2干旱脅迫處理試驗(yàn)于2012年6-8月進(jìn)行,采用盆栽反復(fù)干旱法,選用無孔塑料花盆(高16cm,底徑15.5cm,口徑20cm),取大田土壤(非鹽堿地)過篩,并拌入適量腐熟有機(jī)肥,混合均勻,等量置于各盆中。每盆播種40粒,出苗期間,定期定量供水,澆水量為田間持水量的75%~80%(田間最大持水量為45%)。雨天用防雨棚遮雨,晴天露地生長(zhǎng)。待苗齊后間苗,每盆留長(zhǎng)勢(shì)均勻的健苗15株。幼苗生長(zhǎng)到3~4片真葉或分枝期時(shí),進(jìn)行干旱脅迫處理,干旱處理當(dāng)天澆足水,試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理:土壤相對(duì)含水量(SRWC)75%~80%為對(duì)照(CK);55%~60%為中度干旱脅迫(MS);35%~40%為重度干旱脅迫(HS),重復(fù)3次。每天09:30稱量補(bǔ)水。不同土壤含水量下脅迫時(shí)間均為20d,土壤相對(duì)含水量用稱量法控制。第20天時(shí),測(cè)定植株株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、根干質(zhì)量、葉片長(zhǎng)度、寬度(功能葉)和葉片鮮質(zhì)量、飽和鮮質(zhì)量及干質(zhì)量等指標(biāo)。1.3測(cè)量?jī)?nèi)容1.4綜合評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法1.4.1材料公促進(jìn)參數(shù)加快式中,μ(Xj)表示第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;Xj表示第j個(gè)指標(biāo)值;Xmin表示第j個(gè)指標(biāo)最小值;Xmax表示第j個(gè)指標(biāo)最大值,ue003j表示第j個(gè)指標(biāo)平均值;Xij表示i材料j性狀的隸屬函數(shù)值;Vj表示第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù);Wj表示第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重;D表示各材料的綜合評(píng)價(jià)值。1.4.2數(shù)據(jù)分析2結(jié)果與分析2.1干旱脅迫對(duì)土壤相對(duì)含水量的影響當(dāng)干旱脅迫發(fā)生時(shí),植株葉片含水量會(huì)相應(yīng)降低,故葉片含水量高低在一定程度上可以反映植株葉片保水能力。當(dāng)不同盆栽苜蓿的土壤相對(duì)含水量從對(duì)照降低至中度干旱脅迫時(shí),12份苜蓿葉片相對(duì)含水量均有所降低,沙灣苜蓿、伊犁苜蓿、布爾津苜蓿、甘農(nóng)3號(hào)和阿爾泰雜花苜蓿顯著低于對(duì)照(P<0.05),其中沙灣苜蓿和伊犁苜蓿降幅較大,分別為12.40%和12.88%。當(dāng)土壤相對(duì)含水量降至重度干旱脅迫時(shí),布爾津苜蓿、阜康苜蓿、北疆紫花苜蓿和和田大葉紫花苜蓿的葉片相對(duì)含水量均高于策勒苜蓿和敖漢紫花苜蓿,且當(dāng)土壤含水量從對(duì)照降低到重度干旱脅迫時(shí)布爾津苜蓿和和田大葉紫花苜蓿葉片相對(duì)含水量降幅較小。分析不同程度土壤干旱脅迫時(shí)各地方苜蓿的葉片相對(duì)含水量得出,重度干旱脅迫下,布爾津苜蓿、阜康苜蓿、北疆紫花苜蓿和和田大葉紫花苜蓿相對(duì)含水量在80%左右,與對(duì)照相比,布爾津苜蓿與和田大葉紫花苜蓿下降僅分別為4.472%和4.785%,說明這兩個(gè)地方苜蓿在干旱脅迫發(fā)生時(shí)的葉片保水能力相對(duì)較強(qiáng)(表1)。2.2重度水分脅迫對(duì)苜蓿地上生物量的影響從對(duì)照到重度干旱脅迫,各苜蓿的株高和地上生物量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且重度干旱脅迫下各指標(biāo)均顯著低于對(duì)照(P<0.05),說明當(dāng)干旱脅迫發(fā)生時(shí),植株生理上已經(jīng)受到一定程度的限制,生物量積累相對(duì)減弱,高度增長(zhǎng)減緩。在重度水分脅迫下,策勒苜蓿的株高達(dá)12.013cm,顯著高于其他試材(P<0.05),而沙灣苜蓿和阿爾泰雜花苜蓿的地上生物量值較高,均為0.180g,伊犁苜蓿的值最低,為0.157g,其余苜蓿間差異不顯著(P>0.05)。和田大葉紫花苜蓿和敖漢紫花苜蓿的株高脅迫指數(shù)值較高,分別為0.7065和0.7175,巴州苜蓿的值最低,僅為0.5596,而地上生物量脅迫指數(shù)中敖漢紫花苜蓿和阿爾泰雜花苜蓿的值較高,分別為0.6377和0.6345,伊犁苜蓿的值最低,為0.4294,結(jié)果表明伊犁苜蓿的耐旱性較差,而和田大葉紫花苜蓿、敖漢紫花苜蓿和阿爾泰雜花苜蓿的耐旱性相對(duì)較強(qiáng)(表2)。2.3花苜蓿葉片寬度和長(zhǎng)度隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加,各苜蓿的功能葉寬度和長(zhǎng)度均呈下降趨勢(shì)。在重度干旱脅迫下葉片的寬度和長(zhǎng)度均顯著低于對(duì)照(P<0.05),其中,甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿的葉片寬度(7.578mm)顯著低于其他地方苜蓿,和田大葉紫花苜蓿的葉片寬度值最大(9.724mm),其他各試材的葉片長(zhǎng)度間無顯著差異(P>0.05);由葉片寬度脅迫指數(shù)可以看出,敖漢紫花苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿的值較低,分別為0.6319和0.6333,表明其抗旱性較強(qiáng),而葉片長(zhǎng)度脅迫指數(shù)則是和田大葉紫花苜蓿和巴州苜蓿的值較低,分別為0.6705和0.6722,其結(jié)果與葉片寬度脅迫指數(shù)所得結(jié)果不一致(表3)。2.4抗旱性綜合評(píng)價(jià)采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法對(duì)株高脅迫指數(shù)、地上干物質(zhì)脅迫指數(shù)、根冠比脅迫指數(shù)、葉寬脅迫指數(shù)、葉長(zhǎng)脅迫指數(shù)和葉片相對(duì)含水量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),綜合評(píng)價(jià)D值為各種質(zhì)材料在干旱脅迫下的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值,D值越大,表明抗旱性越強(qiáng)。據(jù)此,12份苜蓿種質(zhì)材料的苗期抗旱性由大到小為和田大葉紫花苜蓿>敖漢紫花苜蓿>阿爾泰雜花苜蓿>甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿>奇臺(tái)苜蓿>巴州苜蓿>沙灣苜蓿>阜康苜蓿>北疆紫花苜蓿>布爾津苜蓿>策勒苜蓿>伊犁苜蓿(表4)。3苜蓿抗旱性及其對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)葉片相對(duì)含水量為不同時(shí)段葉片含水量占飽和水量的百分比,可反映植物水分虧缺程度,孟林等、孫鐵軍等、肖鳳等、谷艷蓉等和蔣龍等的研究均表明,在干旱脅迫下,葉片相對(duì)含水量越高,植物葉片的保水能力越強(qiáng),植物的抗旱性越強(qiáng),即利用相對(duì)含水量的變化來鑒定評(píng)價(jià)苜蓿苗期抗旱性是可行實(shí)用的。本研究結(jié)果與此基本一致,隨著干旱脅迫程度的增加,12份苜蓿種質(zhì)材料葉片相對(duì)含水量均有所降低,其中,布爾津苜蓿與和田大葉紫花苜蓿在土壤發(fā)生干旱脅迫時(shí)的葉片保水能力相對(duì)較強(qiáng),但該結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果并不是完全一致,說明單一指標(biāo)具有片面性。植物在逆境脅迫時(shí)通常會(huì)在形態(tài)上做出一些最直觀的反應(yīng),以使個(gè)體能存活下去,所謂苜?？购敌允侵父珊得{迫下苜蓿生存及形成生物量的能力,不同品種苜蓿對(duì)干旱或水分脅迫表現(xiàn)出不同的抗性,韓瑞宏等利用主成分及隸屬函數(shù)對(duì)10個(gè)紫花苜蓿的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明,植株高度、根冠比、葉片長(zhǎng)寬和生物量均與苜蓿的抗旱能力具有較大相關(guān)性,特別是地下生物量,是評(píng)價(jià)苜?？购敌缘闹匾笜?biāo)。翟春梅等也證明了這一點(diǎn),指出植株各器官中葉對(duì)干旱最敏感,尤其是功能葉可作為植株感受干旱脅迫的檢測(cè)部位,葉片越短、越窄越有利于抗旱。本研究對(duì)12份苜蓿苗期株高、干物質(zhì)和功能葉寬度、長(zhǎng)度的抗旱性進(jìn)行分析,結(jié)果與此相似,隨著水分脅迫程度的增加,各苜蓿的4個(gè)指標(biāo)均出現(xiàn)下降趨勢(shì),且重度干旱脅迫下各指標(biāo)均顯著低于對(duì)照,說明當(dāng)干旱脅迫發(fā)生時(shí),植株生理生長(zhǎng)受到一定程度的限制,生物量積累相對(duì)減弱,高度和功能葉片的增長(zhǎng)減緩。但不同的單個(gè)指標(biāo)其判定結(jié)果不完全一致,這與李崇巍等對(duì)苜蓿生理方面抗旱性的研究結(jié)果相同,主要是因?yàn)楫?dāng)植物受到干旱脅迫時(shí),抵御適應(yīng)干旱的途徑和方式多種多樣,因此,必須采用多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),才能客觀、有效地反映不同苜蓿的抗旱性。苜?？购敌跃C合評(píng)價(jià)方法較多,其中隸屬函數(shù)分析是應(yīng)用較為廣泛的一類統(tǒng)計(jì)方法。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法對(duì)12份苜蓿種質(zhì)材料的株高脅迫指數(shù)、地上干物質(zhì)脅迫指數(shù)、根冠比脅迫指數(shù)、葉寬脅迫指數(shù)、葉長(zhǎng)脅迫指數(shù)和葉片相對(duì)含水量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明不同苜蓿種質(zhì)材料間的抗旱性存在一定差異,其苗期抗旱性由強(qiáng)到弱依次為和田大葉紫花苜蓿>敖漢紫花苜蓿>阿爾泰雜花苜蓿>甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿>奇臺(tái)苜蓿>巴州苜蓿>沙灣苜蓿>阜康苜蓿>北疆紫花苜蓿>布爾津苜蓿>策勒苜蓿>伊犁苜蓿,該結(jié)果可能主要是由新疆的氣候條件決定的,南疆干燥少雨,和田大葉紫花苜蓿在長(zhǎng)期的干旱鍛煉下,具有了較強(qiáng)耐旱性,而北疆較為濕潤(rùn),伊犁苜蓿的耐旱性表現(xiàn)較差。1.3.1這棵樹的高度測(cè)定植株的絕對(duì)高度(cm),即地面至植株頂端高度(不包括頂端葉片長(zhǎng)度)。1.3.2羽毛的長(zhǎng)度用電子游標(biāo)卡尺測(cè)定苜蓿三小葉中間葉片的長(zhǎng)度(mm)。1.3.3葉片的寬度用電子游標(biāo)卡尺測(cè)定苜蓿三小葉中間葉片最寬處(mm)。1.3.4地上生物量收集每盆植株的地上部分,80℃恒溫下烘干后測(cè)定其干質(zhì)量(g)。1.3.5地下生物量收集植株的地下部分,然后用清水洗凈,80℃恒溫下烘干后測(cè)定其干質(zhì)量(g)。1.3.6冠層寬度根冠比=植株的地下生物量/地上生物量。1.3.7強(qiáng)制指數(shù)脅迫指數(shù)=脅迫植株的測(cè)量值/對(duì)照植株測(cè)量值。1.3.8抗旱性綜合評(píng)價(jià)采用稱量法,剪取幼苗同一部位葉片3片,迅速放入已知質(zhì)量的干燥干凈的鋁盒里,3次重復(fù),稱得鮮質(zhì)量(Wf),然后在鋁盒中加入蒸餾水浸泡葉片8h,取出用吸水紙擦干葉片表面的水分,稱得飽和鮮質(zhì)量(Wt),然后105℃下殺青,80℃下烘干至質(zhì)量恒定,稱得干質(zhì)量(Wd),利用以下公式得出葉片含水量、相對(duì)含水量及其降低百分率。采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)