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15个假俭草生态型抗旱性综合评价

 论文栏目:文化理论    更新时间:2018-01-31 13:33   

  摘 要 干旱是最普遍的非生物胁迫之一,严重影响草坪草的正常生长,制约草坪绿地的建设和发展。中国水资源严重缺乏,而假俭草[Eremochloa ophiuroides (Munro) Hack.]的种植需要大量水分。因此筛选假俭草抗旱种质具有重要意义。以不同生境的15个假俭草生态型为材料,进行抗旱性筛选及抗旱生理机制研究,结果表明:不同野生假俭草生态型间抗旱差异显著;相关分析表明,目测质量、叶片相对含水量与叶绿素含量的相关性最高,可作为假俭草抗旱筛选的重要指标;通过各指标抗旱指数的主成分分析及隶属函数分析表明,CP6和CP10假俭草抗旱性最好,而CP4和CP13假俭草最干旱敏感。
  关键词 假俭草 ;抗旱 ;生态型 ;评价
  中图分类号 S451
  Abstract Drought is one of the most common abiotic stresses, which seriously affects the normal growth of turfgrass and restricts the construction and development of turfgrass. The water resources in China is lacking, and the establishment of centipedegrass (Eremochloa ophiuroides [Munro] Hack) requires a lot of water. Therefore, it is important to screen the drought tolerant centipedegrass. In this study, 15 centipedegrass ecotypes from different habitats of China were evaluated. The results showed that there were significant differences in drought resistance among different ecotypes of centipedegrass. Correlation analysis showed that, visual quality, leaf relative water content and chlorophyll content were highly correlated, which could be used as important indexes for screening drought tolerant centipedegrass. The principal component analysis and membership function analysis showed that CP6 and CP10 were the best drought resistance, while CP4 and CP13 were the most drought sensitive.
  Key words centipedegrass ;drought tolerance ;ecotypes ;evaluation
  干旱脅迫是影响植物生长最主要的环境胁迫因子之一[1]。世界干旱、半干旱区占地球陆地面积的33 %,中国干旱和半干旱耕地有0.38亿hm2,占全国耕地面积的47 %[2]。从植物的生长发育上看,植物生长于土壤之中,不能主动移动,在整个生活周期或某个生长发育阶段,经常会遇到短暂的相对水分含量下降的情况,只要植物蒸腾速率超过水分吸收速率,植物即发生干旱胁迫[3]。植物的生长发育中,对水分的需求多样化与外界水资源的供给间存在的不平衡,导致干旱不可避免且广泛发生。
  假俭草[Eremochloa ophiuroides (Munro) Hack.]是禾本科蜈蚣草属多年生草本植物,中国本土植物,主要分布于长江流域及其以南地区,具有植株低矮、分蘖能力强、耐贫瘠、生长缓慢、耐粗放管理及病虫害少等优点[4,5]。假俭草因具有诸多优点而受到国内外草业人士的重视,目前在全球范围内广泛用于公园绿地草坪、运动场草坪、家庭庭院休闲草坪、公路护坡草坪及水土保持草坪等[6,7]。
  干旱严重影响了植物的生长发育,不仅引起作物减产,而且导致生态环境日益恶化,引起生态危机,进而阻碍人类社会的可持续发展[8,9]。南方地区尤其是热带和亚热带地区天气燥热温度较高,在不同季节的生理环境下,假俭草必须具有一定的抗旱能力才能够存活。我国水资源严重匮乏,而草坪灌溉需要大量水分,因此筛选并培育耐旱假俭草具有重要意义[10]。
  国内外学者研究发现,在众多暖季型草坪草种(品种)中,假俭草的抗旱能力中等,并且不同假俭草材料其抗旱能力有所不同[11-14]。代微然等[15,16]以不同生态型假俭草Common和Yaan为材料,分析了干旱下土壤水分含水量对假俭草光响应曲线及叶绿素荧光特性的影响,结果表明,干旱胁迫对假俭草的最大光合速率、光补偿点、光饱和点、叶绿素含量、最大荧光Fm、PSII最大光化学量子产量(Fv/ Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)及光合量子产额(Yield)都产生了抑制作用,且抑制程度随干旱程度的增强而升高。韩瑞宏[17]以雅安假俭草为研究材料进行了盆栽和PEG水培干旱处理,结果表明,假俭草适应干旱的途径既包括耐旱性又包括避早性。刘明稀等[10]通过长期继代假俭草胚性愈伤组织,诱发体细胞无性系变异的发生,从再生植株中筛选抗旱变异体,获得了5个变异体植株。以上研究主要针少量假俭草进行抗旱性研究,系统地对中国南方地区假俭草野生生态型的抗旱性综合评价并不多,并且中国抗旱假俭草品种较少,限制了中国本土植物的发展和推广利用。  
 中国有着丰富的野生假俭草资源,对野生假俭草种质资源进行搜集整理的基础上进行系统全面地抗旱鉴定、评价,可为假俭草抗旱新品种的选育提供优良的原始材料。本研究以15份不同生境的假俭草生态型为材料,明确假俭草与抗旱能力最相关的指标,挖掘抗旱型假俭草,为培育假俭草抗旱新品、进一步推广和应用我国本土植物奠定基础。
  1 材料与方法
  1.1 材料
  参试的假俭草生态型来自海南、广东、四川、浙江及河南等9个省。野外采集后,在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草基地进行统一扩繁,从中选出具有代表性的15份假俭草种质进行了抗旱性评价(表1)。
  1.2 方法
  1.2.1 试验设计
  从中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所牧草种质资源圃中挖取不同假俭草生态型植株,经流水洗净后移栽于高18 cm,口径24.5 cm的塑料盆内,每盆种植假俭草6-7株,栽培基质为沙与土的混合基质(土:沙=2:1),每盆基质质量相同。草坪草定植后,于温度(27±3)℃,光周期为12 h的温室内养护管理。草坪草在温室内培养2个半月后,将其修剪至相同高度,进行干旱处理,干旱处理设3次重复。处理前将所有盆浇透水,保证每一盆假俭草的水分条件一致,然后对处理组进行控水,对照组2 d 1次正常浇水。控水15 d后,各盆内的土壤含水量见图1,对照的土壤含水量基本控制在25 %左右,处理的土壤含水量为3 %-5 %。
  1.2.2 目测质量
  目测法,参照美国NTEP的标准,以草坪的色泽、密度、质地、均一性进行评分。最好质量为9级,死亡草坪为0级,6级为可接受的正常目测质量[18]。
  1.2.3 叶片相对含水量
  取假俭草充分伸展的叶片样品,混匀后立即用天平称取0.2 g,记录为鲜重(Fresh weight,FW)。常温浸泡12 h后用吸水纸擦干叶片,称重得饱和重(Turgid weight,TW)。80 ℃烘干24 h后称其干重(Dry weight,DW)。叶片相对含水量(Relative water content,RWC)的计算公式如下:RWC=[(FW-DW)/ (TW-DW)]×100 %[19]。
  1.2.4 叶绿素含量
  用TYS-B叶绿素仪(浙江托普公司)测量其叶绿素含量SPAD值。
  1.2.5 质膜透性
  细胞膜稳定性根据电解质渗透(Electric Leakage,EL)来判断。取约0.15 g叶片切成0.5 cm的片段,用25 mL去离子水浸泡。摇床温育24 h后,使用电导率仪(JENCO3173,YSIModel32,USA)测定起始电导率值(EC1),120 ℃灭菌锅15 min将叶片组织完全杀死,最后测定电导率最大值(EC2)。相对EL的公式为EL=(EC1/EC2)×100 %[20]。
  1.2.6 假俭草抗旱能力综合评价
  为了更好地评价不同材料间的抗旱性,常用抗旱指数(drought tolerance index,DTI)来比较植株的抗旱能力。抗旱指数计算公式为:抗旱指数(DTI)=处理性状表现值/对照性状表现值×100 %[21]。
  为减少个体间差异引起的试验误差,利用所有指标求得的抗旱指数进行隶属函数排序。Fi=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin),式中Fi为第i个材料该性状的隶属函数值。Xij为第i个材料第j个性状的平均值,Xmax和Xmin分别为该性状的最大值和最小值[22]。
  1.3 统计方法
  采用SAS软件进行方差分析及最小显著差异性检验(LSD法)(p<0.05)。用DPS v7.55软件对所有指标的抗旱指数进行相关分析、主成分分析(Principal components analysis,PCA)及聚类分析。
  2 结果与分析
  2.1 干旱胁迫对假俭草目测质量的影响
  15份野生假俭草生态型干旱处理15 d后,其目测质量对照间无显著差异,干旱处理间存在显著差异(p<0.05,图2)。对照组目测质量为8.0-9.0级,处理组为3.0-7.5级。干旱15 d后,CP6和CP10的目测质量均保持7.0以上,说明干旱胁迫对这2份材料的影响相对较小,抗旱能力相对较强;而CP4、CP13的目测质量干旱处理15 d后其目测质量分别为3.17(对照的38.04 %)和3.0(对照的33.96 %),说明旱胁迫对这2份材料影响相对较大,抗旱性差。
  2.2 干旱胁迫对假俭草相对含水量的影响
  由图3可知,15份野生假俭草经干旱处理15 d后,处理组与对照组相比其叶片相对含水量明显降低,且差异显著(p<0.05)。除CP9对照外,对照组之间差异不显著。虽然CP9叶片相对含水量的对照与其他材料的对照差异显著,但其仍维持80 %以上,说明草坪草生长情况正常。干旱处理15 d后,CP6和CP10假俭草的叶片相对含水量显著高于其他假俭草材料(p<0.05),说明干旱胁迫下CP6与CP10假俭草材料的抗旱性最强,CP4与CP13假俭草的叶片相对含水量最低,分別为22.79 %和23.42 %,抗旱性最弱。
  2.3 干旱胁迫对叶绿素含量的影响
  15份野生假俭草干旱处理15 d后,其叶绿素含量(SPAD值)对照间无显著差异,干旱处理间叶绿素差异显著(p<0.05,图4)。干旱处理降低了各假俭草材料的叶绿素含量,其中假俭草CP2、CP7、CP9和CP10叶绿素含量下降幅度最小,其SPAD值都在38.0以上;而CP4、CP8及CP13叶绿素含量下降幅度最大,其SPAD值都在27.2以下,显著低于CP2、CP7、CP9和CP10(p<0.05)。说明CP4、CP8及CP13的抗旱性较弱,而CP2、CP7、CP9和CP10假俭草的抗旱性相对较强。  
 2.4 干旱胁迫对质膜透性的影响
  由图5可知,各对照间质膜透性无显著差异,表明15 d内对照的生长情况良好且一致。干旱胁迫处理下,所有干旱处理的假俭草材料其质膜透性显著高于对照(p<0.05),其中CP5、CP8和CP13的质膜透性皆高于43.9,说明干旱处理对以上假俭草的生长影响相对较重,而CP6、CP7和CP14的质膜透性皆低于33.6,显著低于CP5、CP8和CP13,說明干旱处理对CP6、CP7和CP14假俭草材料的生长影响较小,表现出较好的抗旱性。
  2.5 相关性分析及主成分分析
  对所有指标的抗旱指数进行相关性分析,结果表明,目测质量与相对含水量及叶绿素含量呈极显著正相关,相关系数分别为0.90和0.65;相对含水量与叶绿素含量呈极显著正相关,相关系数为0.73(表2)。
  利用各指标的抗旱指数进行主成分分析(PCA),以找出假俭草抗旱评价的主要因子。分析结果表明,所有的因子被主要分成2个主成分,这2个主成分可以解释总变化的89.677 %(表3)。2个主成分公式如下:PC1=0.522 2 TQ+0.551 RWC+0.512 3 Chl-0.401 5 EL,PC2=0.450 2 TQ+0.288 RWC-0.112 1 Chl+0.837 7 EL。
  2.6 假俭草抗旱能力综合评价
  利用模糊数学中的隶属函数法对假俭草各材料的抗旱能力进行排名(表4),其中抗旱能力排名前2的假俭草材料分别为CP6和CP10;抗旱能力排名最差的为CP13和CP4。利用各指标的抗旱指数进行WPGMA法聚类分析,参试的15份假俭草材料在欧氏距离约为42处,被分为3类:A,B和C。其中,A类主要为抗旱能力中等的材料,B类为抗旱能力最好的材料,C类为抗旱能力最差的材料(图6)。图7为抗旱的CP6和CP10及干旱敏感的CP13和CP4的表型比较,可以看出,抗旱的假俭草其表型明显好于干旱敏感的假俭草。
  3 讨论与结论
  植物适应干旱胁迫的生理机制大致可以分为3种,即避旱性、御旱性和耐旱性[23]。干旱胁迫下,植物在形态上进行自我调节,以适应干早,主要表现在:根、茎、叶的变化,如根的深扎、茎密度颜色的降低、叶的卷曲萎蔫等[24,25];生理生化上的响应主要有:水分代谢响应、蒸腾作用与光合代谢的反应、渗透调节物质的变化及抗氧化酶活性的变化等[26,27];另外,植物还在分子水平上对干旱胁迫进行响应如抗旱基因的表达等[28]。研究表明,假俭草作为较抗旱植物,主要以耐旱和避早为主,在干旱胁迫下其叶片会发生卷曲、萎蔫,叶长变短、宽度变窄[17,29]。另外,干旱胁迫下假俭草叶绿素发生降解,质膜透性及丙二醛含量升高,且因假俭草材料不同,其形态及生理生化变化也会有所不同[17,30]。本研究的结果与上述结果一致,表现在干旱胁迫下目测质量、叶绿素的下降及质膜透性的升高。
  叶片相对含水量是衡量抗旱的重要指标,通常用来表示植物在遭受干旱胁迫后植物脱水的程度,大多数情况下,干旱胁迫时叶片相对含水量越高的植物材料其抗旱性越强[31]。叶绿素含量也是重要的抗旱衡量指标,叶绿素含量维持较高水平的材料一般具有较好的抗旱性,干旱胁迫下叶绿素含量的降低主要是由于类囊体的损伤、叶绿体被膜破裂、叶绿体失活造成的[32],并且叶绿素含量的降低会造成植物枯叶率的升高。细胞膜是植物细胞与环境的屏障,是细胞内外物质交流的场所,逆境胁迫如高温、低温、干旱及盐碱条件下,细胞膜因受损导致其质膜透性升高,抗旱性较强的材料具有较小的膜透性[33]。本研究结果表明,最抗旱的假俭草材料CP6和CP10其叶片相对含水量及叶绿素含量显著大于最干旱敏感的CP13和CP4,而CP6和CP10的质膜透性显著低于CP13和CP4,推测CP6和CP10叶片能维持相对多的水分,且内部的类囊体及细胞膜损伤程度比CP13和CP4小。
  本研究所用指标,特别是相对含水量和叶绿素含量,与其他各指标具有很好的相关性,可以作为假俭草抗旱筛选指标,该结果与周海军[34]对干旱胁迫下钝叶草和假俭草生长、生理响应及其抗旱性综合鉴定的结果一致,另外,Liu等[21]通过对干旱胁迫下假俭草各指标的相关分析和线性回归也得出相似结论,认为假俭草水分状况与其细胞受伤害程度及其抗旱性之间联系密切。
  本研究通过隶属函数法及聚类分析,筛选出了抗旱材料和干旱敏感材料,为后续研究假俭草抗旱生理、分子机制及抗旱新品种的培育提供支持,筛选得到的抗旱假俭草材料CP6和CP10有望在干旱地区推广和应用。
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