朱世楊 張小玲 劉 慶 羅天寬 唐 征 鐘偉杰 朱祝軍

(1溫州科技職業(yè)學(xué)院,溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/浙南作物育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 溫州 325006；2 浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 311300)

干旱是影響農(nóng)作物生產(chǎn)的主要非生物脅迫因子之一[1-2]。 我國干旱、半干旱地區(qū)占國土面積的二分之一以上,其中耕地面積約5.1×107hm2,約占總耕地面積的51%[3]。

花椰菜(Brassica oleraceaL.var.BotrytisL.)是十字花科蕓薹屬甘藍(lán)種中以花球?yàn)楫a(chǎn)品的一個(gè)變種,營養(yǎng)豐富,風(fēng)味鮮美,是我國年栽培面積較大的主要蔬菜作物之一[4]。 在夏秋季節(jié)栽培中,花椰菜易受干旱氣候的影響,播種后出現(xiàn)出苗率低,出苗不整齊,移栽后成活率低,缺苗斷壟等現(xiàn)象,進(jìn)而影響其最終的產(chǎn)量品質(zhì)。 通過對(duì)花椰菜抗旱性鑒定篩選可以為其抗旱性育種提供優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源。 目前,關(guān)于不同干旱脅迫條件下花椰菜的生理生化變化的研究已有大量報(bào)道。 陳國菊等[5]研究了盆栽干旱脅迫對(duì)花椰菜葉片細(xì)胞保護(hù)酶及超微結(jié)構(gòu)的影響；汪炳良等[6]研究了30 ～35℃高溫脅迫下早熟花椰菜葉片抗氧化系統(tǒng)和葉綠素及其熒光參數(shù)的變化；王麗君等[7]研究了大田人工控水條件下外源水楊酸對(duì)干旱脅迫下花椰菜葉片抗氧化作用的影響；Wu 等[8]研究了茉莉酸甲酯和冠菌素處理對(duì)花椰菜幼苗的耐旱性方面的生理評(píng)價(jià)；Hadi 等[9]比較了聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和甘露醇誘導(dǎo)干旱脅迫對(duì)花椰菜幼苗生長的影響。 PEG 是研究植物干旱脅迫的良好材料,在水稻[10-11]、玉米[12-14]、花生[15-16]、豌豆[17]、豇豆[18]、胡麻[19-20]、番茄[21]、芝麻[22]等植物耐旱性研究中已有相關(guān)報(bào)道。 而PEG 干旱脅迫下對(duì)花椰菜資源材料抗旱性篩選方面的研究尚鮮見報(bào)道。

種子萌發(fā)期是作物生長中最為敏感的階段之一,也是作物群體數(shù)量建成的關(guān)鍵階段,極易受干旱環(huán)境的影響,因此在萌發(fā)期篩選出抗旱能力優(yōu)異品種資源對(duì)于干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及抗旱性育種具有重要意義[23-24]。 本研究通過分析不同濃度PEG 模擬干旱脅迫對(duì)12 個(gè)花椰菜資源材料萌發(fā)特性的影響,以明確萌發(fā)期抗旱性鑒定適宜的PEG 濃度,篩選出優(yōu)質(zhì)抗旱性種質(zhì)材料,為花椰菜耐旱機(jī)理及抗旱性育種提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試花椰菜資源材料均由浙江省溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院花椰菜育種課題組提供,共計(jì)12 份,其中自交系9 份,不育系3 份,均為2017年普通塑料大棚中采收的種子,其親本來源如表1所示。

表1 供試花椰菜材料及親本來源Table1 Cauliflower materials tested and their parental origin

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 PEG 模擬干旱脅迫處理 試驗(yàn)共設(shè)置4 個(gè)處理,即0(CK)、100、150 和200 g·L-1PEG(用雙蒸餾水和PEG6000 配制)。 選取50 粒飽滿的種子,置于預(yù)先用15 mL 不同濃度PEG 溶液濕潤過的鋪有5 層吸水紙和2 層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中,蓋上培養(yǎng)皿蓋后,置于25℃培養(yǎng)室(光照∶黑暗=12 ∶12)中連續(xù)培養(yǎng)7 d。 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.2.2 性狀指標(biāo)測(cè)定 每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽的種子數(shù),第3天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)(germination rate,GR),第7 天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率(germination percentage,GP),并隨機(jī)取5 株生長7 d的幼苗測(cè)量苗高(seedling height,SH)和根長(root length,RL),若不足5 株則全部測(cè)量。 按照公式分別計(jì)算發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)、活力指數(shù)(vigor index,Ⅵ)：

式中,Gt：第t天發(fā)芽種子數(shù)；Dt：相應(yīng)發(fā)芽的天數(shù)。

按照公式分別計(jì)算相對(duì)發(fā)芽率( relative germination percentage,RGP)、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(relative germination rate,RGR)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)( relative germination index,RGI)、相對(duì)活力指數(shù)(relative vigor index,RVI)、相對(duì)苗高(relative seedling height,RSH)和相對(duì)根長(relative root length,RRL)：

1.3 抗旱性綜合評(píng)價(jià)

花椰菜材料萌發(fā)期的抗旱性評(píng)價(jià)參考崔宏亮等[15]和李培英等[25]的方法。 首先,按照公式(11)計(jì)算每份材料在不同濃度PEG 脅迫下RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 的具體隸屬函數(shù)值：

式中,X：某一指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax和Xmin分別表示該指標(biāo)的最大值和最小值。

其次,將每個(gè)指標(biāo)不同濃度PEG 脅迫下的具體隸屬函數(shù)值累加求平均值,按照公式(12)計(jì)算：

式中,X(ij)：i種類j指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值；n：PEG 濃度的種類(不含對(duì)照)。

然后,按照公式(13)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj,再按照公式(14)計(jì)算權(quán)重系數(shù)Wj,最后按照公式(15)計(jì)算每個(gè)材料所有指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值(D),D數(shù)值越大,表示抗旱性越強(qiáng),反之則抗旱性越弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG 脅迫下花椰菜種子萌發(fā)和幼苗生長的方差分析

對(duì)12 個(gè)花椰菜種質(zhì)材料3 個(gè)PEG 濃度處理下的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 個(gè)性狀進(jìn)行方差分析。 由表2可知,上述6 個(gè)性狀在各種質(zhì)材料之間、PEG 脅迫濃度之間以及種質(zhì)材料×PEG 脅迫濃度之間均存在極顯著差異。

表2 PEG 脅迫下花椰菜種質(zhì)材料種子萌發(fā)和幼苗生長的方差分析Table2 Analysis of variance on seed germination and seedling growth of cauliflower materials under PEG stress

2.2 PEG 脅迫對(duì)花椰菜RGP 和RGR 的影響

由圖1可知,在對(duì)照(CK)條件下,12 個(gè)花椰菜種質(zhì)材料的種子發(fā)芽率平均值為99.0%,變化幅度為96.0%～100.0%,發(fā)芽勢(shì)平均值為98.7%,變化幅度為94.7%～100.0%。 參試的12 個(gè)花椰菜種質(zhì)材料初始的種子萌發(fā)情況良好。

圖1 對(duì)照條件下花椰菜的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)Fig.1 The GP and GR of cauliflower under CK

由表3可知,不同濃度PEG 脅迫下,所有花椰菜的RGP 均隨著干旱脅迫的增強(qiáng)呈降低趨勢(shì)。 100 g·L-1PEG 對(duì)各花椰菜的RGP 影響不大,甚至對(duì)個(gè)別材料的種子萌發(fā)有促進(jìn)作用,RGP 在97.3%～102.0%之間；150 g·L-1PEG 脅迫下,花椰菜的RGP 變化范圍在73.3%～99.3%之間；P3、P6 的RGP 均較高,分別為98.7%和99.3%,P9 的RGP 較低,為73.3%；200 g·L-1PEG 脅迫下,各花椰菜種子萌發(fā)則受到嚴(yán)重抑制,P9 的RGP 最低,僅為1.3%,P3 和P6 最高,均為58.0%。 說明P3、P6 較耐旱。

不同濃度PEG 脅迫下,所有花椰菜材料的RGR隨著干旱脅迫的增強(qiáng)亦呈降低趨勢(shì)。 100、150 和200 g·L-1PEG 脅迫下,RGR 變化范圍分別為86.6% ～101.4%、36.6%～100.0%和0.0%～15.3%。 100 g·L-1PEG 脅迫下,A1、A3、P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8 的RGR 均顯著高于A2、P9；150 g·L-1PEG 脅迫下,A1、P3、P6、P7、P8 的RGR 均顯著高于其他材料；200 g·L-1PEG 脅迫下,A2、A3、P9 種子尚未萌發(fā),其他材料的RGR 也相對(duì)較低,其中P3、A1 較高,分別為15.3%和14.8%。 說明100 g·L-1PEG 脅迫對(duì)花椰菜種子萌發(fā)影響不大,而150 ～200 g·L-1PEG 脅迫則會(huì)嚴(yán)重抑制種子萌發(fā),降低種子發(fā)芽速度。

表3 PEG 脅迫對(duì)花椰菜RGP 和RGR 的影響Table3 Effect of PEG stress on RGP and RGR of cauliflower

2.3 PEG 脅迫對(duì)花椰菜RGI 和RVI 的影響

由表4可知,不同濃度PEG 脅迫下,各花椰菜的RGI 均隨著干旱脅迫的增強(qiáng)而顯著降低。 100、150 和200 g·L-1PEG 脅迫下,各花椰菜的RGI 變化范圍分別為83.7%～101.2%、49.2%～90.9%和0.5%～26.1%。100 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P4、P6、P7、P8 的RGI 均顯著高于A1、A2、A3、P5、P9；150 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P6 的RGI 達(dá)到90%以上,顯著高于其他材料；200 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P6 的RGI 相對(duì)較高,分別為26.1%、25.6%,而A2、A3、P5、P9 的RGI 相對(duì)較低,僅在0.5%～1.3%之間。

表4 PEG 脅迫對(duì)花椰菜RGI 和RVI 的影響Table4 Effect of PEG stress on RGI and RVI of cauliflower

不同濃度PEG 脅迫下,除P3 和P8 外,其他花椰菜的RVI 均隨著干旱脅迫的增強(qiáng)呈降低的趨勢(shì),各材料的RVI 變化范圍分別為91.0%～144.4%、46.0%～162.9%和0.0% ～24.1%。 100 g·L-1PEG 脅迫下,A1、P3、P4、P5、P6 的RVI 均顯著高于P1、P7、P8；150 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P6、P8 的RVI 均相對(duì)較高,而A3、P9 則相對(duì)較低,其他材料介于二者之間；200 g·L-1PEG 脅迫下,P3 的RVI 最高,為24.1%,A2、A3、P9 的RVI 均為0.0%,達(dá)到了萌發(fā)生長的耐受閾限。RVI 能反映種子發(fā)芽速度,也能反映生長勢(shì)和生長活力[26]。 表明100 g·L-1PEG 脅迫能夠促進(jìn)幼苗生長提高種子活力,而150 ～200 g·L-1PEG 脅迫則會(huì)抑制幼苗生長,降低種子活力。

2.4 PEG 脅迫對(duì)花椰菜RSH 和RRL 的影響

由表5可知,不同濃度PEG 脅迫下,除A1、P2 和P4 外,其他材料的RSH 隨著干旱脅迫的增強(qiáng)呈顯著降低的趨勢(shì)。 100 g·L-1PEG 脅迫促進(jìn)了P3、P5、P6、P8 的苗高生長,而150～200 g·L-1PEG 脅迫明顯抑制苗高生長,尤其是200 g·L-1PEG 脅迫下花椰菜苗高生長受到嚴(yán)重抑制。 100 g·L-1PEG 脅迫下,P3、P5、P6、P8 的RSH 均顯著高于A3、P4、P9；150 g·L-1PEG 脅迫下,A2、P2、P3 的RSH 均顯著高于A3、P1、P9,其他材料介于二者之間；200 g·L-1PEG 脅迫下,A1、P6、P2、P3 的RSH 均相對(duì)較高,分別為37.5%、29.5%、24.0%和23.4%,而A2、A3、P5、P9 的RSH 相對(duì)較低,在0.5%～3.1%之間。

不同濃度PEG 脅迫對(duì)幼苗RRL 的作用與RSH 有所不同,其中,P1、P3、P7 和P8 隨著PEG 脅迫的增強(qiáng)呈先增加后降低變化趨勢(shì),而其他材料呈下降趨勢(shì)。100 g·L-1PEG 脅迫下,A1、A2、P2、P3、P4、P5、P6 的RRL 均顯著高于P7、P8；150 g·L-1PEG 脅迫下,P3 的RRL 最大,為179.1%,A3 的RRL 最小,為82.9%；200 g·L-1PEG 脅迫下,P3 的RRL 最高,為95.3%,A2、A3、P5、P9 的RRL 均較低,僅在2.8%～9.8%之間。綜上表明,PEG 脅迫對(duì)幼苗生長的影響因品種和脅迫濃度而異,100 ～150 g·L-1PEG 脅迫對(duì)花椰菜RRL 有一定的促進(jìn)作用,而150 ～200 g·L-1PEG 脅迫會(huì)嚴(yán)重抑制花椰菜RSH。

2.5 12 個(gè)花椰菜萌發(fā)期抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

種子萌發(fā)期的抗旱性受多種因素的綜合作用,單一指標(biāo)評(píng)價(jià)不同品種材料的抗旱性存在一定的片面性[27]。 本研究利用隸屬函數(shù)法對(duì)PEG 脅迫下12 個(gè)花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析。 由表6可知,12 個(gè)花椰菜萌發(fā)期的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 和RRL 6 抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值(D)依次表現(xiàn)為P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9,D 值越大,說明材料的抗旱性越強(qiáng),由此可知,P3 抗旱性較強(qiáng),P9 抗旱性最弱。

表5 PEG 脅迫對(duì)花椰菜RSH 和RRL 的影響Table5 Effect of PEG stress on RSH and RRL of cauliflower

3 討論

PEG6000 是一種無毒滲透調(diào)節(jié)劑,已廣泛用于多種作物萌發(fā)期抗旱性的鑒定與篩選[28-29]。 本研究中,隨著PEG 脅迫濃度的增加,各花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH 均呈降低趨勢(shì),P3 和P8 的RVI和RRL 則呈先增加后降低的變化趨勢(shì),這與Hadi等[9]的研究結(jié)果基本一致。 本研究發(fā)現(xiàn)100 g·L-1PEG 脅迫對(duì)絕大多數(shù)花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 影響均不大,但對(duì)RVI、RRL 有一定的促進(jìn)作用；150 g·L-1PEG 脅迫對(duì)花椰菜RGR、RGI、RVI、RSH 有抑制作用,但對(duì)RRL 有促進(jìn)作用； 200 g·L-1PEG 脅迫對(duì)花椰菜RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 均有嚴(yán)重抑制作用。 說明PEG 脅迫對(duì)花椰菜萌發(fā)期各指標(biāo)的影響因品種和濃度而異,總體表現(xiàn)為較低濃度PEG(100 g·L-1)脅迫對(duì)萌發(fā)生長影響不大,甚至對(duì)個(gè)別材料萌發(fā)生長有促進(jìn)作用,而較高濃度PEG(150～200 g·L-1)脅迫會(huì)明顯抑制萌發(fā)生長。 綜上可知,花椰菜萌發(fā)期抗旱性篩選的PEG 適宜濃度為150～200 g·L-1,這與陳致富等[28]研究認(rèn)為白菜型油菜資源PEG6000 抗旱性篩選適宜濃度200 g·L-1的結(jié)果基本一致,但與張霞等[29]認(rèn)為甘藍(lán)型油菜萌發(fā)期PEG6000 抗旱性篩選適宜濃度100 g·L-1的結(jié)論有所不同。 這可能是由于不同作物種類對(duì)PEG 抗旱性響應(yīng)的濃度不同所致。

表6 12 個(gè)花椰菜材料各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)Table6 The subordinate function values and comprehensive evaluation of the twelve cauliflower materials

作物種子萌發(fā)期的抗旱性受多種因素作用,運(yùn)用單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同品種的抗旱能力具有一定的片面性[24]。 本研究發(fā)現(xiàn)PEG 脅迫下不同指標(biāo)對(duì)不同品種花椰菜的抗旱性強(qiáng)弱排序并不一致,如150 g·L-1PEG脅迫下,P6 的RGP 和RGR 最大,P3 的RGI 和RVI 最大,RSH 和RRL 最大的分別是P2 和P3。 說明單一指標(biāo)所反映的抗旱性強(qiáng)弱具有局限性,只有通過對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)才能客觀評(píng)價(jià)不同花椰菜材料抗旱性的強(qiáng)弱。 這與前人在花生[15]、豌豆[17]等PEG 抗旱性篩選中的結(jié)論一致。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法能夠?qū)χ参锏目购敌赃M(jìn)行綜合評(píng)價(jià),在花生[15]、油菜[28-29]、燕麥[30]等植物抗旱性研究中已有相關(guān)報(bào)道。 本試驗(yàn)采用RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 6 個(gè)指標(biāo)結(jié)合隸屬函數(shù)法對(duì)12 個(gè)花椰菜的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)12 個(gè)花椰菜的RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 的耐旱性排序不盡相同,這也說明花椰菜萌發(fā)期的抗旱性受多個(gè)因素影響,PEG模擬干旱抗旱性評(píng)價(jià)中需要對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。 根據(jù)綜合評(píng)價(jià)隸屬函數(shù)值排序,發(fā)現(xiàn)12 個(gè)花椰菜種質(zhì)材料的抗旱性依次表現(xiàn)為P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9。 本研究結(jié)果為今后開展花椰菜抗旱性育種提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,PEG 脅迫下花椰菜萌發(fā)期RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 指標(biāo)變化因品種和脅迫濃度而異,其中100 g·L-1PEG 脅迫對(duì)萌發(fā)生長影響不大,150 ～200 g·L-1PEG 脅迫會(huì)明顯抑制萌發(fā)生長。因此,150～200 g·L-1可作為花椰菜萌發(fā)期抗旱性篩選的PEG 適宜濃度。 基于RGP、RGR、RGI、RVI、RSH、RRL 指標(biāo)的加權(quán)隸屬函數(shù)值排序,12 個(gè)花椰菜種質(zhì)材料的抗旱性依次表現(xiàn)為P3＞P6＞A1＞P8＞P7＞P2＞P1＞P4＞P5＞A2＞A3＞P9。 今后可利用這些抗旱性強(qiáng)弱極端材料開展花椰菜抗旱性機(jī)理機(jī)制研究,還可以利用抗旱性較強(qiáng)的不育系與自交系雜交配組篩選耐旱性的雜交組合。