王振華,劉鑫,余愛麗,成鍇,李會霞,田崗,王玉文,陳新霞,張鵬,劉紅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所， 山西 長治 046011)

谷子是起源于我國的一種特色作物，為禾本科狗尾草屬一年生作物，具有抗旱耐瘠、水肥利用率高、適應(yīng)性廣、抗逆性強等特點[1]，但不同谷子品種之間的抗旱性差異顯著，因此有效的抗旱性鑒定和抗旱性篩選對提高田間栽培管理、抗旱基因挖掘及選育抗旱、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的谷子新品種具有重要意義[2]。由于作物在不同時期抵抗干旱的內(nèi)在機制不同，故對作物抗旱性的鑒定又分為不同生育時期的抗旱性鑒定，包括萌發(fā)期抗旱性鑒定、苗期抗旱性鑒定、開花期抗旱性鑒定、灌漿期抗旱性鑒定和整個生育期抗旱性鑒定等[3]。作物萌發(fā)期直接關(guān)系到后期植株密度以及最終的產(chǎn)量形成[4]，因而萌發(fā)期抗旱性鑒定尤為重要[5]，且可以在實驗室內(nèi)進行，具有條件易控制、可操作性強、實驗周期較短等優(yōu)點，現(xiàn)已許多農(nóng)作物上開展了萌發(fā)期抗旱性鑒定的研究[6-9]。萌芽期抗旱性鑒定通常采用聚乙二醇(PEG)模擬干旱脅迫[10]。PEG常用作干旱脅迫的滲透脅迫劑，一方面施用于植物不會產(chǎn)生毒害作用，其自身不容易自由地通過植物的細胞壁，所以不會引起種子內(nèi)有機物質(zhì)的增加，另一方面不同濃度的聚乙二醇試劑也可有效地控制或減緩種子對水分的吸收速率，達到預(yù)期的干旱效果[11]?？购敌灾笜丝梢苑从侈r(nóng)作物抗旱性，因此選擇與農(nóng)作物抗旱相關(guān)性高的鑒定指標是抗旱鑒定過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[12]，但目前農(nóng)作物的相關(guān)抗旱性鑒定具體指標仍存在異議[13]。很多研究表明，相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率是作物萌發(fā)期抗旱性鑒定的重要指標[14]。

植物在干旱逆境下，其體內(nèi)的保護酶活性會增加，維持植物正常生長，因此可以通過測定谷子內(nèi)的酶活性來表現(xiàn)其抗旱性[15]。目前，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(peroxisome,POD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)是研究較為廣泛的3種與抗旱性有關(guān)的酶。研究發(fā)現(xiàn)，施用PEG后，SOD活性會隨著干旱脅迫程度的增加而有顯著上升的趨勢，同時POD與CAT的變化均呈先上升后下降的趨勢[1,16]。李長明等[17]研究表明，干旱脅迫條件下，水稻抗旱性與其葉片中的SOD活性有關(guān)，品種的抗旱性強，其SOD活性隨著土壤水分的降低而升高。朱永波等[18]發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下農(nóng)作物的抗旱性與其POD活性密切相關(guān)，抗旱性強的農(nóng)作物其POD活性也較高。目前，關(guān)于谷子形態(tài)、生理指標與抗旱性關(guān)系以及抗旱性的鑒定的研究報道已經(jīng)有很多[19-21]，但有關(guān)對谷子萌發(fā)期抗旱性鑒定指標的選擇及生理特征變化情況還存在異議。本研究采用PEG溶液對15個谷子品種模擬干旱脅迫，并在其萌發(fā)期進行抗旱性鑒定。通過對萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對芽長和相對根長6個相關(guān)指標的測定，對不同品種的抗旱性強弱進行了分析，同時調(diào)查了各品種在干旱脅迫條件下SOD、POD和CAT活性的變化情況，以期篩選出萌芽期抗旱性較好的品種，為谷子田間栽培及抗旱育種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所選用的15個谷子品種分別為長谷1501、晉谷21號、長生07、隴谷10號、濟谷20號、黃金苗、沁黃2號、豫谷18號、晉谷40號、晉谷56號、長農(nóng)35號、長生13、鄭谷16號、冀谷18號、豫谷17號，均由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所雜優(yōu)課題組提供。

1.2 培養(yǎng)條件的篩選

試驗于2018年10月至12月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院(現(xiàn)山西農(nóng)業(yè)大學(xué))谷子研究所人工氣候室內(nèi)進行，以聚乙二醇溶液(PEG-6000，平均分子量6000)為滲透介質(zhì)模擬干旱水分脅迫。為了篩選出合適的PEG濃度模擬干旱脅迫條件，首先選取分別為16%、18%、20%和22%濃度進行預(yù)試驗。

1.3 相關(guān)指標的測定

在PEG模擬干旱脅迫的條件下，測定谷子種子發(fā)芽特性的相關(guān)性指標，包括萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對芽長和相對根長等，并對這6個相關(guān)指標進行耐旱性評價，并調(diào)查了各品種的SOD、POD和CAT活性變化情況。

在無菌條件下，直徑為11 cm的培養(yǎng)皿內(nèi)鋪3層定性濾紙，然后分別加入8 mL濃度為 20%的PEG-6000溶液。各品種選取400粒均勻飽滿的種子，用0.1% HgCl2溶液對試驗種子消毒5 min，再用純凈水沖洗干凈并將其自然風干備用；每個培養(yǎng)皿中均勻放置 100粒種子，其中干旱脅迫處理重復(fù)3次，另一組以蒸餾水處理作為對照，置于恒溫25 ℃，相對濕度60%～65%的人工氣候室內(nèi)暗培養(yǎng)。

每天定時調(diào)查各品種谷子的萌發(fā)種子個數(shù)，并且在培養(yǎng)的第6 d準確測量各品種谷子萌發(fā)種子的胚芽長、胚根長。第2、4、6、8 d的種子萌發(fā)率，分別記為nd2、nd4、nd6、nd8，具體各項調(diào)查指標的計算公式如下[22-23]。

萌發(fā)指數(shù)(PI)=1.00nd2+0.75nd4+0.50nd6+0.25nd8

萌發(fā)抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對照種子萌發(fā)指數(shù)

活力指數(shù)(VI)=PI×Sx,其中Sx為第6天胚芽平均長度

活力抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子活力指數(shù)/對照種活力指數(shù)

相對發(fā)芽勢=(處理種子發(fā)芽勢/對照種子發(fā)芽勢)×100%

相對發(fā)芽率=(處理種子發(fā)芽率/對照種子發(fā)芽率)×100%

相對胚芽長=(處理種子胚芽長/對照種子胚芽長)×100%

相對胚根長=(處理種子胚根長/對照種子胚根長)×100%

1.4 酶活性測定

各品種谷子在6 d后結(jié)束培養(yǎng)，從各處理萌發(fā)谷種的胚根中均取樣0.1 g，冰浴研磨并提取酶原液，測定各品種的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)；具體方法為SOD采用氮藍四唑光化還原抑制法測定；POD采用愈創(chuàng)木酚比色法測定；CAT用比色法測定[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的整理及圖表繪制在MS Excel 2007軟件中進行，部分數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS24.0軟件進行相關(guān)性分析及聚類分析，對各品種谷子萌發(fā)期的抗旱指標及相關(guān)酶的變化情況進行評價鑒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫條件對不同谷子發(fā)芽率的影響

各品種發(fā)芽率變化如圖1所示，在20%PEG脅迫條件下，不同品種谷子的發(fā)芽率差異較大，抗性表現(xiàn)明顯，確定篩選適宜谷子抗旱鑒定的PEG質(zhì)量濃度為20%，在此濃度下對15個谷子品種進行模擬干旱脅迫。

圖1 各品種發(fā)芽率Fig.1 Germination rate of different millet varieties

2.2 干旱脅迫條件對不同谷子品種萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響

2.2.1各品種的萌發(fā)抗旱指數(shù) 評價種子萌芽期抗旱性的主要指標是萌發(fā)抗旱指數(shù)[6]，本研究也著重調(diào)查了該指標。由表1可見，各谷子品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)處于0.144 7～0.521 7之間，其大小順序為隴谷10號>長生07>晉谷21號>黃金苗>晉谷40號>長農(nóng)35號>豫谷18號>長谷1501>沁黃2號>冀谷18號>豫谷17號>晉谷56號>鄭谷16號>濟谷20號>長生13。表明在種子萌發(fā)期抗旱性最強的是隴谷10號，而最不抗旱的是長生13。

表1 PEG干旱脅迫下各品種的相關(guān)指標Table 1 Related index of different millet varieties under drought stress

2.2.2萌發(fā)抗旱指數(shù)的聚類分析 為了更好的了解各品種鑒定關(guān)系，對15個谷子品種在PEG干旱脅迫下的萌發(fā)抗旱指數(shù)進行聚類分析(圖2)，15個谷子品種分為3大類：Ⅰ類具有較高的萌發(fā)抗旱指數(shù)，包括隴谷10、長生07、晉谷21號；Ⅱ類為萌發(fā)抗旱指數(shù)一般的品種，包括長谷1501、沁黃2號、冀谷18號、豫谷17號、豫谷18號、晉谷56號、鄭谷16號、晉谷40號、長農(nóng)35號、黃金苗；Ⅲ類品種萌發(fā)抗旱指數(shù)較低，濟谷20號、長生13。結(jié)合萌發(fā)抗旱指數(shù)的大小分析發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)抗旱指數(shù)較高的3個品種抗旱性較好，反之亦然。

圖2 各品種谷子萌發(fā)抗旱指數(shù)聚類分析情況Fig.2 Cluster analysis of sprout index of drought resistance of different millet varieties

2.3 干旱脅迫條件下對不同谷子品種活力抗旱指數(shù)的影響

本研究中各谷子品種的活力抗旱指數(shù)位于0.082 0～0.412 7之間，活力抗旱指數(shù)最高的是隴谷10號，而最低的是長生13(表1)。以活力抗旱指數(shù)為基礎(chǔ)對各品種谷子進行聚類分析，其結(jié)果如圖3所示。15個品種大體分為3大類，Ⅰ類為抗旱性強的品種，包括隴谷10號、長生07、晉谷21號；Ⅱ類為抗旱性一般的10個品種，包括黃金苗、晉谷40號、晉谷56號、長谷1501、冀谷18號、沁黃2號、豫谷18號、鄭谷16號、豫谷17號、長農(nóng)35號；Ⅲ類為抗旱性較弱的2個品種，包括濟谷20號、長生13。與萌發(fā)抗旱指數(shù)聚類分析主要的不同是長農(nóng)35號的分類地位略有不同，但大體分類基本一致。這再次表明，隴谷10號、長生07、晉谷21號抗旱性較好，而濟谷20號、長生13抗旱性較差。這一結(jié)果與萌發(fā)抗旱指數(shù)的聚類分析的結(jié)果基本一致，說明活力抗旱指數(shù)與萌發(fā)抗旱指數(shù)應(yīng)該有較高的相關(guān)性。

圖3 各品種谷子活力抗旱指數(shù)聚類分析Fig.3 Cluster analysis of vigor index of drought resistance of different millet varieties

2.4 抗旱相關(guān)指標相關(guān)性分析和抗旱性鑒定指標的評價篩選

為了解萌發(fā)期各指標對抗旱性的參考價值，本研究對15個谷子品種在20%PEG濃度干旱脅迫條件下的6個抗旱性指標(萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)、相對胚芽長、相對胚根長、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率)進行了相關(guān)性分析，結(jié)果(表2)表明，萌發(fā)抗旱指數(shù)與活力抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率之間均達到了極顯著正相關(guān)，均能作為不同品種谷子種子萌芽期抗旱性鑒定和評價的指標。而與相對胚芽長和相對胚根長相關(guān)性不顯著，因此只能將其作為參考指標選用。

表2 干旱脅迫下各谷子品種相關(guān)性狀的相關(guān)系數(shù)情況Table 2 Correlation coefficient of all traits of different millet varieties under drought stress

本研究依據(jù)萌發(fā)抗旱指數(shù)與其他5個抗旱性指標的相關(guān)系數(shù)對其進行了聚類分析，更進一步深入分析了這6個抗旱性鑒定指標之間的關(guān)系。結(jié)果將5個指標分為3類(圖4)，Ⅰ類是與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)高的指標，包括活力抗旱指數(shù)和相對發(fā)芽率，相關(guān)系數(shù)分別為0.976(P<0.01)和0.945(P<0.01)，因為萌發(fā)抗旱指數(shù)是評價種子萌發(fā)期抗旱性的主要指標，所以上述兩個指標均可以作為萌芽期抗旱鑒定的首要指標；Ⅱ類是與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)較高的指標，包括相對發(fā)芽勢，其相關(guān)系數(shù)為0.756(P<0.01)，可以將其作為萌芽期抗旱鑒定的次級指標；Ⅲ類是與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)低的指標，包括相對胚芽長和相對胚根長，它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.34和0.176，只可以作為萌芽期抗旱鑒定的參考指標。

注:SIODR—萌發(fā)抗旱指數(shù)；VIODR—活力抗旱指數(shù)；RPL—相對胚芽長；RRL—相對胚根長；RGV—相對發(fā)芽勢；RGR—相對發(fā)芽率。Note: SIODR— Sprout index of drought resistance; VIODR—Vigor index of drought resistance; RPL— Relative plumule length; RRL—Relative radicle length; RGV—Relative germination vigor; RGR—Relative germination rate.圖4 谷子萌芽期抗旱相關(guān)指標與萌發(fā)抗旱指數(shù)間相關(guān)系數(shù)聚類分析Fig.4 Cluster analysis of sprout index of drought resistance and other drought resistance indexes

2.5 干旱脅迫對SOD、POD和CAT的活性的影響

2.5.1SOD活性的變化 在干旱脅迫下各品種谷子的SOD均有顯著升高(圖5)，升高程度因品種不同而異；其中SOD活性在抗旱性強的3個品種中值最大，分別是晉谷21號為142.95 U·g-1、長生07為159.68 U·g-1、隴谷10號為141.99 U·g-1；3品種與對照(CK)差值分別是85.97、106.66、75.49 U·g-1，其中長生07升高值在所有品種中最大。在干旱脅迫條件下抗旱性較弱的品種SOD活性值最小，分別是長生13號為98.80 U·g-1，濟谷20為96.65 U·g-1，它們與對照(CK)差值分別是39.22、31.66 U·g-1，其中濟谷20升高值在所有品種中最小。在SOD活性升高值中，抗旱性較強的3個品種平均增幅為155.19%；抗旱性中等的10個品種平均增幅為94.54%；抗旱性較弱的2個品種平均增幅為57.67%。

注：*表示與CK處理相比差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: * indicates significant difference at the P<0.05 level compared with CK.圖5 干旱脅迫對各品種谷子萌發(fā)期的SOD活性影響情況Fig.5 Effect of PEG stress on SOD activity of different millet varieties during germination

干旱脅迫下各品種的SOD活性值與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.857(P<0.01；SOD活性較對照(CK)的升高值與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.706(P<0.01)；兩者均顯著正相關(guān)，表明萌發(fā)抗旱指數(shù)越大，在干旱條件下SOD活性就越大，其與對照組的差值也越大。

2.5.2POD活性的變化 在干旱脅迫條件下各品種POD活性中(圖6)，沁黃2號值最大(182.89 U·g-1)，隴谷10號值最小(120.78 U·g-1)。在干旱脅迫下各品種谷子的POD活性均有升高，升高程度因品種不同而異，其中黃金苗升高值最大(53.56 U·g-1)，長生07升高值最小(1.33 U·g-1)。雖然各品種POD活性均有所升高，但其升高值因品種而變化較大，并且以各品種萌發(fā)抗旱指數(shù)為標準其升高變化不規(guī)律，與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)性不顯著，仍需進一步研究。

2.5.3CAT活性的變化 在干旱脅迫條件下各品種CAT活性含量顯著增加(圖7)，豫谷17號含量最高(106.21 U·g-1)，長生07號含量最低(56.54 U·g-1)。在干旱脅迫下各品種谷子的CAT活性均有升高，升高程度因品種不同而異，其中晉谷56號升高值最大(38.84 U·g-1)，濟谷20號升高值最小(7.54 U·g-1)。雖然各品種CAT活性均有所升高，但其升高值因品種而變化較大，并且以各品種萌發(fā)抗旱指數(shù)為標準其升高變化不規(guī)律，與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)性不顯著，仍需進一步研究。

注：*表示與CK處理相比差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: * indicates significant difference at the P<0.05 level compared with CK.圖6 干旱脅迫對各品種谷子萌發(fā)期的POD活性影響Fig.6 Effect of PEG stress on POD activity of different millet varieties during germination

注：*表示與CK處理相比差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: * indicates significant difference at the P<0.05 level compared with CK.圖7 干旱脅迫對各品種谷子萌發(fā)期的CAT活性影響情況Fig.7 Effect of PEG stress on CAT activity of different millet varieties during germination

3 討論

作物的抗旱性能在其生長發(fā)育的不同階段有不同的表現(xiàn)，究其原因是受多基因、多重因素相互影響所造成的[24]。在谷子的抗旱性研究中應(yīng)要結(jié)合多種指標對其進行綜合的評價，因為在谷子的生育期內(nèi)各個與抗旱性相關(guān)聯(lián)的性狀都可能會對整個植株的抗旱性有一定的作用，這樣可避免只分析單個或幾個性狀指標所帶來的局限性，能夠準確并全面地反映出各品種的抗旱性能[1]。本研究利用6個抗旱性鑒定指標結(jié)合SOD、POD和CAT活性的變化情況來評價不同品種谷子的抗旱性，力求能篩選出綜合評價其抗旱性的指標。

用PEG滲透勢模擬種子萌發(fā)期干旱環(huán)境來鑒定萌發(fā)期抗旱性是一種常用的手段，其關(guān)鍵是要篩選出合適的PEG濃度。本研究結(jié)果預(yù)備試驗表明，PEG濃度越大種子萌發(fā)率越低，最后篩選出適宜的PEG質(zhì)量濃度為20%，這與先前的報道相一致[10,25-26]。在PEG質(zhì)量濃度為20%的條件下，對15個谷子品種的研究調(diào)查結(jié)果顯示，以萌發(fā)抗旱指數(shù)為標準指標情況下，隴谷10號、長生07、晉谷21號的抗旱性較強，可為谷子抗旱新品種選育提供基礎(chǔ)材料。在調(diào)查的6個抗旱性指標中，萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均可作為谷子萌發(fā)期抗旱性鑒定的可靠指標，這與先前的研究結(jié)果相基本一致[10]。適度干旱有利于根系的生長[21]，但也有研究表明，隨著干旱程度的加深會造成胚芽的生物量過小，所以種子萌發(fā)期較高的胚根胚芽比并不一定能表示其抗旱性強弱程度[27-28]，結(jié)合本研究結(jié)果表明，相對胚芽長和相對胚根長只可作為萌芽期抗旱鑒定參考指標。但也有研究表明，相對胚根長能可作為谷子芽期耐旱性的鑒定指標[1]，而其能否作為抗旱性鑒定的可靠指標還需進一步深入研究。

作物抗旱性生理的變化本質(zhì)上是一種相互交叉的錯綜復(fù)雜的過程[1]。通過酶活性可以鑒定谷子的抗旱性，抗旱性較強的品種在干旱條件下SOD活性值也較高，與本研究結(jié)果一致。另外，干旱脅迫下各品種的SOD活性值與萌發(fā)抗旱指數(shù)為正相關(guān)；萌發(fā)抗旱指數(shù)越大，在干旱條件下SOD活性就越大，其與對照組的差值也越大。這說明在干旱條件下SOD酶含量有可能成為鑒定谷子抗旱性的重要酶之一。

有研究表明，POD和CAT這兩種酶的活性在干旱脅迫條件下與農(nóng)作物品種的抗旱性密切相關(guān)，耐旱性強的品種中POD和CAT通常能維持較高的酶活性[18]。也有結(jié)果表明，在干旱條件下POD和CAT活性的變化基本呈先上升后下降的趨勢[1,16]。而許冰霞等[29]研究表明，干旱條件下谷子POD和CAT活性呈下降趨勢?？梢姡煌淖魑镌诟珊得{迫下其抗氧化保護性物質(zhì)表現(xiàn)不一致。本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下各品種谷子的POD和CAT活性均有升高，升高程度因品種不同而異，并且以各品種萌發(fā)抗旱指數(shù)為標準其升高變化不規(guī)律，與萌發(fā)抗旱指數(shù)的相關(guān)性不顯著。

種子萌發(fā)是農(nóng)作物生長發(fā)育過程中的關(guān)鍵階段，也是衡量農(nóng)作物抗旱性強弱的重要生育時期[30]。萌發(fā)期耐旱性強的品種可有效減少干旱脅迫條件下對種子和幼苗的危害，較一般品種其苗期發(fā)芽率高、成苗好且生長較快，為后期生長奠定了較好的基礎(chǔ)。因此，突顯出對谷子育種材料進行抗旱性鑒定和改良重要性；在選育過程中著重選育抗旱性較強的谷子新品種對我國北方干旱及半干旱地區(qū)谷子產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有重要意義。有研究表明，谷子全生育期抗旱性與萌發(fā)期抗旱性鑒定結(jié)果有所不同[3]，可以將作物萌芽期抗旱性與其全生育期抗旱性的分析結(jié)果相結(jié)合，從而作為抗旱性材料選取的依據(jù)，能夠更加準確全面的分析谷子的抗旱性，同時也可以完善谷子抗旱性鑒定體系，為谷子種植生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。

綜上所述表明，在15個谷子品種中，隴谷10號、長生07、晉谷21號在萌發(fā)期抗旱性較強；濟谷20號、長生13抗旱性較弱。各品種谷子萌發(fā)期在干旱脅迫條件下SOD、POD和CAT活性均有所提高，其中SOD活性在抗旱性較好的品種中活性也較高，反之亦然；SOD活性升高值與萌發(fā)抗旱指數(shù)相關(guān)性顯著。在相關(guān)的六個抗旱性指標中，以萌發(fā)抗旱指數(shù)作為谷子抗旱的標準指標，而活力抗旱指數(shù)和相對發(fā)芽率則可作為首要指標，相對發(fā)芽勢可作為萌發(fā)期抗旱性鑒定的次級指標，相對胚芽長和相對胚根長可作為萌芽期抗旱性鑒定的參考指標。