干旱胁迫对红豆草根系生长及生理特性的影响_陈洁.pdf

第 42 卷 第 6 期草 原 与 草 坪 2022 年干旱胁迫对红豆草根系生长及生理特性的影响陈洁，温素军，梁鹏飞，李景峰，魏少萍，刘鑫，南丽丽*（甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070）摘要：采用不同浓度 PEG-6000 模拟干旱胁迫（渗透势分别为 0、-0.4、-0.8、-1.2、-1.6 和-2.0 MPa），研究干旱胁迫对 5份红豆草材料根系生长及生理指标的影响，并对其苗期抗旱性进行分析和评价。结果表明：随干旱胁迫的加剧，供试红豆草的根冠比、根表面积、根尖数、根系可溶性蛋白、根系可溶性糖、根系活力均先增加后下降，根系平均直径、根体积、叶片相对含水量下降，根长和丙二醛含量增加；重度胁迫下，材料 P1的根体积、根表面积、根直径降幅最小、丙二醛含量最低，材料 P2的可溶性蛋白含量增幅最大，甘肃红豆草的根冠比降幅最小、可溶性糖含量增幅最大，蒙农红豆草的根系活力、根尖数降幅最低，根长最长。经隶属函数法分析得出供试红豆草的抗旱性顺序为：材料 P1P3P2甘肃红豆草蒙农红豆草，主成分分析显示根直径、脯氨酸、可溶性糖可作为筛选抗旱红豆草的参考指标。关键词：红豆草；PEG胁迫；根系形态特征；根系生理特性；抗旱性评价中图分类号：S541+.4 文献标志码：A 文章编号：1009-5500（2022）06-0101-09 DOI：10.13817/ki.cyycp.2022.06.014红豆草（Onobrychis viciaefolia）是豆科多年生草本植物，因其富含蛋白质、氨基酸、粗脂肪和矿物质，被誉为“牧草皇后”1，可用于青饲、青贮、放牧、晒制青干草、加工草粉、配合饲料和多种草产品，因茎叶含有单宁，可沉淀在瘤胃中形成大量泡沫性的可溶性蛋白质，故反刍家畜在青饲、放牧时不易发生膨胀病。我国干旱和半干旱地区的面积约占国土面积的52.5%2，干旱胁迫对农作物造成的损失在所有非生物胁迫中占首位3。我国审定登记的红豆草品种数量较少4，培育和应用抗旱红豆草品种能使干旱地区的红豆草增产、稳产。红豆草对病害5、干旱6、盐渍7、霜冻8、低磷9等逆境均有较好耐受性，但不同品种之间抗性差异较大。当出现干旱胁迫时，根系能最先感知土壤中的水分亏缺并做出相应反应10，其中根系形态结构及生理特性反映了植物抗旱的形态基础和生理基础11-13。为此，本试验以 5份红豆草为试验材料，利用 PEG-6000模拟干旱环境，研究干旱胁迫对红豆草根系生长及生理特性的影响，以期筛选出抗旱性较强的红豆草材料以及与抗旱密切相关的指标，为红豆草抗旱育种提供参考依据。1材料和方法1.1试验材料利用杂交选育的 3 个红豆草品系，编号分别为P1，P2，P314，对照为甘肃红豆草（O.viciaefolia cv.Gansu，CK1）和蒙农红豆草（O.viciaefolia cv.Mengnong，CK2）。1.2试验设计试验采用 PEG-6000（聚乙二醇 6000）模拟干旱条件。将 500 g 消毒后的细沙装入塑料杯，经 H2O2溶液消毒后的供试红豆草种子播种在塑料杯，每隔 2 d浇灌 50 mL Hoagland 营养液；待幼苗生长至第 42 天，设 置 6 个 水 势 梯 度：0（对 照，CK）、-0.4、-0.8、收稿日期：2021-06-29；修回日期：2021-07-23基金项目：甘肃农业大学科技创新基金（青年导师扶持基金）（GAU-QDFC-2018-14）作者简介：陈洁（1998-），女，甘肃天水人，硕士研究生。E-mail：*通信作者。E-mail：101GRASSLAND AND TURF（2022）Vol.42 No.6-1.2、-1.6 和-2.0 MPa，并于处理 7 d 后采集红豆草幼苗测定相关生理指标，每个处理 5次重复。1.3测定指标与方法采用烘干法分别测定每盆植株地下部分（根系）、地上部分（茎、叶）的干物质量并计算根冠比（根干物质量/地上部干物质量）。将各处理的根系用蒸馏水冲洗干净，采用台式扫描仪对根系进行扫描并将图像存 入 电 脑，扫 描 仪 的 分 辨 率 为 300 dpi。采 用 WinRHIZO 根系分析系统软件对根系图像进行分析，获得根系总长度（Root length，RL）、根系总表面积（Total root surface，TRS）、根系平均直径（Average root diameter，ARD）、根 体 积（Root volume，RV）和 根 尖 数（Root tip number，RTN）等特征参数。生理指标测定参考邹琦15的方法，其中根系活力采 用 氯 化 三 苯 基 四 氮 唑（TTC）法 测 定，可 溶 性 糖（Soluble sugar，SS）含量采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白（Soluble protein，SP）含量采用考马斯亮蓝 G-250 染色法测定，丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定；叶片相对含水量（Relative water content，RWC）采用饱和称重法测定；游离脯氨酸（Proline，Pro）含量采用酸性茚三酮比色法测定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑光化还原法测定；过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性采用愈创木酚法测定。1.4统计分析用 Excel整理数据，SPSS 16.0统计软件进行方差分析、聚类分析和主成分分析，不同处理之间用 Duncan 方法进行多重比较。应用 Fuzzy 数学中隶属度函数 法 进 行 综 合 评 判，与 抗 旱 性 呈 正 相 关 的 参 数 如RWC、SS、Pro、SP、SOD、POD 和 根 系 活 力 计 算 公式为：Fij（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）对与抗旱性呈负相关的 MDA计算公式为：Fij=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）式中：Fij为 i品种 j性状测定的具体隶属值；Xij为 i品种 j性状测定值；Xjmin为 j性状中测定的最小值；Xjmax为 j性状中测定的最大值。权重应用客观赋权法进行计算：IjCj/Sj式中，Ij是一个无量纲数，表示某评价指标在干旱胁迫下的测定值相对于对照组的比值。Cj为第 j个指标正常组的测定值，Sj为第 j个指标在某个胁迫处理下所测定的平均值。如果是负相关，计算式为：IjSj/Cj最后通过归一化，计算出每个评价指标的权重：WjIj/Ij16综合评价值：D（FijWj）16。2结果与分析2.1红豆草材料间根系形态特征的差异供试红豆草根冠比、根表面积和根尖数均随水势梯度的增加呈先增加后减小趋势（P0.05），且在-0.8 MPa时达到最大值，与 0 MPa相比，CK1的根冠比、CK2 的根表面积及材料 P2 的根尖数增幅较大；除CK1 的根冠比在 0 Mpa 时最小外，供试红豆草的根冠比、根表面积和根尖数均在-2.0 MPa 时最小。供试红豆草根直径和根体积随胁迫程度加剧呈显著下降趋势（P0.05），在-2.0 MPa 下，P1、P2、P3、CK1 和CK2 的根直径和根体积均降至最小值。干旱胁迫显著增加供试红豆草根长（P0.05），且在-2.0 MPa时增至最大值（图 1）。2.2红豆草材料间生理特性的差异2.2.1RWC、SP、SS 和 Pro 含量的变化由图 2 可知，供试红豆草 RWC 随胁迫程度加剧呈不断下降趋势。-2.0 MPa处理下，其 RWC 降至最小值，且材料P1、P2 的 RWC 显著高于其他材料（P0.05）；除材料P2外，其余材料的 SP含量均随胁迫程度加剧先增加后下降。-2.0 MPa处理下，P2的 SP 含量增至最大值，其余材料均在-0.8 MPa处理下，SP含量增至最大值，而-2.0 Mpa 处理下，SP 含量均降至最低，且材料 P1的 SP 含量显著低于其他材料（P0.05）；除材料 P2、CK2外，其余材料的 SS含量均随胁迫程度加剧先增加后下降。-2.0 MPa下，材料 P2、CK2的 SS 含量增至最大值，分别为 0 MPa 的 1.47、1.49 倍（P0.05），其余材料均在-0.8 MPa 下其 SS 含量增至最大，-2.0 MPa下其 SS 含量均降低，且 CK1的 SS 含量显著低于其他材料（P0.05）；供试红豆草 Pro含量均随胁迫程度加剧先增加后下降。-1.6 MPa处理下，材料 P2的Pro 含量增至最高，增幅为 226.21%（P0.05），其余材料均在-1.2 MPa 处理下其 Pro 含量增至最大，-2.0 MPa处理下Pro含量均下降但均高于0 MPa。102第 42 卷 第 6 期草 原 与 草 坪 2022 年2.2.2SOD 和 POD 活性变化供试红豆草 SOD 和POD 活性均随胁迫程度加剧先升高后降低（图 3）。-0.8 MPa胁迫下，供试红豆草的 SOD 活性均增至最高，-2.0 MPa 胁迫下其 SOD 活性均降至最低，且CK2 的 SOD 活性显著低于其他材料（P0.05）；材料P1、P2 和 P3 的 POD 活性均在-1.2 MPa 胁迫下增至最大，而 CK1 和 CK2 的 POD 活性均在-0.8 MPa 胁迫 下 达 到 峰 值，增 幅 分 别 为 13.92%和 10.90%，-2.0 MPa胁迫下供试红豆草 POD 活性均降至最小，且材料间差异不显著。2.2.3MDA 和根系活力变化干旱胁迫显著增加了供试红豆草的 MDA 含量（P0.05），在-2.0 MPa胁迫下均增至最大，P1、P2、P3、CK1和 CK2的增幅分别 为 241.60%、158.31%、168.28%、62.98%和265.18%；随水势梯度增加供试红豆草根系活力呈先增加后减小趋势，-0.8 MPa时均达到最大，与 0 MPa相比，P1、P2、P3、CK1和 CK2的根系活力增幅分别为83.97%、76.02%、122.67%、78.31%和 102.02%；除CK2 的根系活力在-1.6 MPa 胁迫下最小外，其余材料 均 在-2.0 MPa 胁 迫 时 其 根 系 活 力 降 至 最小（图 4）。2.3性状相关性分析除根长与根冠比、根直径、根体积、根表面积、根尖数均呈负相关外，各根系形态指标两两间均呈正相关；除根长与 MDA 含量呈极显著正相关、与其他生理指标基本呈负相关外，各根系形态指标与各生理指标基本均呈正相关，各生理指标两两间基本均呈正相关（表 1）。图 1干旱胁迫下红豆草的根系形态特征Fig.1Effects of drought stress on root morphological characteristics of sainfoin注：图内数据为平均值标准误。不同小写字母表示同一胁迫水势下不同材料间差异显著（P0.05）；不同大写字母表示同一材料在不同胁迫水势下差异显著（P0.05），下同103GRASSLAND AND TURF（2022）Vol.42 No.6 图 2干旱胁迫下对红豆草叶片的相对含水量和渗透调节物质含量Fig.2Relative water content and contents of osmotic adjustment substances in sainfoin leaf under drought stress图 3干旱胁迫下红豆草的抗氧化酶活性Fig.3SOD and POD activities in sainfoin under drought stress图 4干旱胁迫对红豆草 MDA含量和根系活力的影响Fig.4Effects of drought stress on MDA content and root activity in sainfoin104第 42 卷 第 6 期草 原 与 草 坪 2022 年表 1干旱胁迫下各性状的相关性Table