Sci.Rep.|甘肃农业大学白小明教授团队揭示16份一年生早熟禾对极端寒旱复合胁迫下的响应

西北地区气候干旱，降水有限，水资源匮乏，冬季寒冷干燥，植物长期面临寒冷和干旱的压力。在这样的气候条件下，改善这些生态系统是一项艰巨的任务。因此，需要采取有效而系统的解决方案，通过引入耐寒耐旱的植物物种来减轻极端温度和水资源匮乏的影响，并促进可持续农业的发展。

一年生早熟禾（Poa annua）是全球分布最广泛的植物之一，具备诸多优势特征，如繁殖能力强、耐踩踏和修剪、抗逆性强以及生长速度快等特性，被广泛应用于草坪和生态恢复中，能有效提升城市绿地的生态系统生产力、物种多样性和生态功能。而在退化土地植被恢复时，选择和引入一年生禾草是一种理想的选择。然而，在寒冷干旱易发地区进行城市绿化、运动场草坪和道路工程建设，有必要对植物材料进行全面的研究评估，以更好地应对挑战。

本研究通过对16个种源的早熟禾种质资源在极端寒旱复合胁迫下的反应进行研究，确定在寒旱多发地区引种早熟禾的可行性。测定了不同种质的形态、光合、生理和生化特性对极端低温和干旱复合胁迫的响应，旨在观察极端低温和干旱复合胁迫对一年生早熟禾不同种质的影响，并评价16份种质对极端低温和干旱复合胁迫的耐受程度。此外，通过比较不同早熟禾品种对温度和水分胁迫的抗性，筛选出了在世界寒冷和干旱易发地区的城市园林绿化中提供最佳生长效果的品种。

本实验采用完全随机设计，使用来自不同种源地幼苗建立对照组（常温正常浇水）和胁迫组（寒冷和干旱的复合胁迫），每个处理均有3个重复，总共96个盆。在胁迫实验开始前一周，两组植物被称重并每天浇水，以保持相同的土壤含水量（土壤含水量为最大田间持水量的80%）。之后，对照组植物继续定期浇水（土壤含水量为最大田间持水量的80%）在室温下（25°C），而胁迫组植物则经历自然干旱，逐渐将土壤含水量降低到最大田间持水量的30%，然后在土壤含水量保持不变的情况下，幼苗经受寒冷胁迫。首先，幼苗在培养箱中进行预冷处理，温度为15°C，持续24小时。然后，温度以5°C/2小时的速率降至0°C，并持续进行寒冷和干旱的复合胁迫24小时。采用分层取样法确定土壤的最大田间持水量，并通过称重法测定土壤含水量。胁迫处理后，每组幼苗中随机选择一部分用于测定生长指标，选择上部叶片中的功能叶来测量光合气体交换参数和叶绿素荧光参数，其余叶片用于测定生理和生化指标。

研究表明不同的来源、寒冷和干旱复合胁迫以及主要交互作用因素之间存在显著差异（P<0.05）。寒冷和干旱联合胁迫不同程度地改变了16个种质资源的形态学特征。此外，寒冷和干旱联合胁迫显著降低了净光合速率（Pn）、气孔导度（gs）、蒸腾速率（Tr）、瞬时水分利用效率（WUE）、叶绿素含量、叶绿素荧光参数、细胞间积累的CO2浓度（Ci）、相对电导率（REC）和丙二醛（MDA），脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白质（SP）、可溶性糖（SS）、超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（-OH）等活性氧含量，并增加了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽还原酶（GR）活性。通过主成分分析（PCA）、隶属函数分析和聚类热图的综合评估显示，“HZ”种质资源具有更强的寒冷和干旱耐受性，而“ZQ”种质资源对寒冷和干旱联合胁迫更为敏感，这与形态学损伤症状的顺序粗略一致。因此，建议在寒冷和干旱易发地区的种植项目中使用“HZ”种质资源，而“ZQ”种质资源更适合在较温暖和非水分缺乏的条件下使用。

该研究为培育冷季节草坪草的耐寒和抗旱基因提供了潜在宝贵的资源和信息。

DOI：10.1038/s41598-023-49531-1

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