彭玉琳， 夏天意， 鄒云陽(yáng)， 王 浩， 白瑪?shù)录?昌 西

(西藏農(nóng)牧學(xué)院高原作物分子育種實(shí)驗(yàn)室， 西藏 林芝 860000)

干旱是影響植物生長(zhǎng)與生產(chǎn)力最重要的非生物逆境脅迫因子之一，全球每年因干旱導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)占全部農(nóng)業(yè)災(zāi)害的60%以上[1]，我國(guó)糧食生產(chǎn)也面臨著干旱脅迫的嚴(yán)重威脅，篩選或培育耐旱作物迫在眉睫。青稞是適應(yīng)了高原生態(tài)條件的特殊大麥，其對(duì)干旱、低溫、強(qiáng)輻射等因子具有較強(qiáng)耐受性，因而在高原地區(qū)被廣泛種植和使用，其中以西藏地區(qū)最具代表性。但是西藏大部分農(nóng)區(qū)屬于干旱與半干旱氣候區(qū)，且田高水低，灌溉條件差，偏僻農(nóng)區(qū)主要靠自然降雨。隨著氣候條件的不斷變化，階段性干旱脅迫的改變，病蟲(chóng)害的加劇，青稞材料抗性逐漸減弱，甚至無(wú)抗性，極大地阻礙了西藏青稞的種植和持續(xù)發(fā)展。因此，研究青稞抗旱性的遺傳規(guī)律，抗旱性指標(biāo)的有效選擇、抗旱性鑒定的方法以及篩選強(qiáng)抗旱性種質(zhì)資源等，將成為青稞生產(chǎn)高效發(fā)展的重要手段。在抗旱性鑒定中，萌發(fā)期是作物受干旱影響較大的時(shí)期之一，因此，本研究采用PEG-6000模擬干旱脅迫，對(duì)20個(gè)青稞種質(zhì)材料進(jìn)行萌發(fā)期干旱脅迫處理，旨在篩選青稞抗旱材料，為育種工作和提高西藏農(nóng)業(yè)水分利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

20份供試材料來(lái)自青藏高原幾個(gè)主要青稞種植區(qū)域，詳見(jiàn)表1。

表1 供試青稞材料名稱(chēng)及來(lái)源Table 1 Names and origins of the tested highland barley materials

1.2 試驗(yàn)方法

取籽粒飽滿(mǎn)，大小均勻，無(wú)蟲(chóng)害、無(wú)破損的青稞種子，用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡30 min進(jìn)行消毒處理，撈出后用純水反復(fù)沖洗5次，吸干種子表面水分，用事先消過(guò)毒的鑷子將種子置于墊有2層濾紙的發(fā)芽盒(12 cm×12 cm)中，每個(gè)發(fā)芽盒中放入20粒種子，加入15 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 17% 的PEG-6000進(jìn)行處理，以加入等量的純水作為對(duì)照，每個(gè)處理3次重復(fù)。將發(fā)芽盒放入培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)條件為:前3 d均無(wú)光照，晝夜時(shí)長(zhǎng)12 h/12 h，晝夜溫度25 ℃/20 ℃；后4 d前12 h有光照,后12 h無(wú)光照，晝夜溫度與前3 d相同。每3 d補(bǔ)充一次溶液，以種子露白作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每日觀察種子發(fā)芽生長(zhǎng)情況。統(tǒng)計(jì)每日的發(fā)芽數(shù)、總發(fā)芽數(shù)，7 d后測(cè)量芽長(zhǎng)、主胚根長(zhǎng)、芽干重和根干重并計(jì)算以下指標(biāo)：

發(fā)芽率(%)=(第7天正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(shì)(%)=[(規(guī)定時(shí)間內(nèi)(3 d)正常發(fā)芽的種子/供試種子總數(shù))]×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt，

式中：Gt為第t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析、綜合評(píng)價(jià)及聚類(lèi)分析；進(jìn)行以上分析時(shí)采用數(shù)據(jù)相對(duì)值計(jì)算。

相對(duì)值(%)=(PEG干旱脅迫下各性狀平均值/對(duì)照各性狀平均值)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫與正常條件下青稞萌發(fā)期生長(zhǎng)狀況

不同基因型青稞在PEG干旱脅迫與正常條件下生長(zhǎng)狀況具有一定的差異性。PC-4材料在干旱脅迫下發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率比正常條件下的高，即高滲溶液處理促進(jìn)了該材料種子生長(zhǎng)。而PC-17，PC-18，PC-19，PC-20這4個(gè)材料的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率與正常條件相近，說(shuō)明這些材料從發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的角度看具有一定的抗旱優(yōu)勢(shì)，其他大部分基因型的發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率都受到不同程度的影響；20份供試材料的芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)都受到干旱脅迫的抑制作用(表2)。

表2 20份青稞材料干旱脅迫與正常條件下萌發(fā)期的生長(zhǎng)狀況Table 2 Comparison of the growth of 20 highland barley materials under drought stress and normal conditions during germination

2.2 干旱脅迫下不同萌發(fā)指標(biāo)的相關(guān)性分析

本試驗(yàn)考察了青稞萌發(fā)期7個(gè)性狀指標(biāo)，運(yùn)用皮爾遜相關(guān)性系數(shù)法對(duì)PEG脅迫下的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)(表3)，發(fā)芽勢(shì)與芽長(zhǎng)、芽干重呈負(fù)相關(guān)，與發(fā)芽指數(shù)均呈正相關(guān)；發(fā)芽率，與發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān)；芽長(zhǎng)與芽干重呈極顯著正相關(guān)，與根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；根長(zhǎng)與芽干重、根干重呈顯著正相關(guān)，與發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān)。

表3 青稞萌發(fā)期性狀相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of germination characteristic of highland barley

2.3 主成分分析

現(xiàn)已有馬鈴薯[2-3]、藜麥[4]、玉米[5]、菜豆[6]、冬棗[7]、化橘紅[8]等物種用主成分分析的方法進(jìn)行分析研究。從表4可以看出，主成分分析提取了3個(gè)主成分，第一主成分貢獻(xiàn)率為38.215%，特征值為2.675，發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、發(fā)芽指數(shù)在第一主成分上有較高的荷載，說(shuō)明其第一主成分的抗旱能力主要由發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、發(fā)芽指數(shù)決定；第二主成分貢獻(xiàn)率是28.989%，累積貢獻(xiàn)率67.204%，特征值為2.029，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率在第二主成分上有較高的荷載，說(shuō)明第二主成分的抗旱能力主要是由發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率決定；第三主成分貢獻(xiàn)率是13.954%，累積貢獻(xiàn)率為81.158%，特征值為0.997；相對(duì)根干重在第三主成分上有較高的荷載，說(shuō)明第三主成分的抗旱能力主要是由根干重決定?？梢?jiàn)3個(gè)主成分別包含了20份材料7個(gè)指標(biāo)的81.158%數(shù)據(jù)信息，并且對(duì)這20份材料做出評(píng)價(jià)時(shí)，可將發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)與根部特征作為評(píng)定指標(biāo)。

表4 各指標(biāo)主成分分析Table 4 Principal component analysis of each index

設(shè)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽干重、根干重、發(fā)芽指數(shù)的數(shù)據(jù)依次為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7。根據(jù)成分矩陣和特征值可得主成分表達(dá)式：

Y1=0.38X1+0.34X2+0.34X3+0.48X4+0.34X5+0.33X6+0.40X7

Y2=0.52X1+0.56X2-0.41X3-0.23X4-0.41X5-0.12X6+0.11X7

Y3=0.02X1-0.03X2-0.20X3+0.21X4-0.28X5+0.77X6-0.48X7

根據(jù)以上結(jié)果，以3個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)之前的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，將各青稞材料主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)求和，計(jì)算出各份材料的綜合得分，綜合得分越高表示該份材料抗旱性越好。20份青稞材料在各主成分下的得分、綜合得分及排名結(jié)果見(jiàn)表5。由表5得知，20份青稞材料綜合抗旱性由強(qiáng)到弱依次為：PC-4、PC-20、PC-19、PC-17、PC-10、PC-15、PC-8、PC-12、PC-18、PC-9、PC-13、PC-14、PC-16、PC-11、PC-6、PC-5、PC-1、PC-2、PC-7、PC-3；第一主成分、第二主成分和第三主成分值都偏高的材料有PC-4、PC-10、PC-17、PC-18、PC-19、PC-20，故綜合評(píng)分也較高，具有較強(qiáng)的抗旱性。

表5 主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation results of principal component

2.4 聚類(lèi)分析

試驗(yàn)對(duì)20份不同材料青稞抗旱性進(jìn)行聚類(lèi)分析，采用組間聯(lián)接和Euclidean距離連接得到20份青稞材料的系統(tǒng)聚類(lèi)圖(圖1)，由圖1可看出，在閾值為8時(shí)可將供試材料分為三大類(lèi)，第一類(lèi)為高度抗旱材料PC-4；第二類(lèi)為中度抗旱材料，包括：PC-20、PC-17、PC-8、PC-10、PC-19、PC-12、PC-18、PC-14、PC-15、PC-13、PC-16、PC-9、PC-11；第三類(lèi)為敏感材料，包括PC-7、PC-2、PC-5、PC-6、PC-1、PC-3。

圖1 20份青稞種質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)聚類(lèi)分析Fig.1 Cluster analysis of indexes in 20 highland barley germplasms

3 討論與結(jié)論

作物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，水分起著至關(guān)重要的作用，且水被認(rèn)為是調(diào)節(jié)作物萌發(fā)最重要的環(huán)境信號(hào)，是種子吸脹過(guò)程和發(fā)芽的起始因子，能直接或間接地參與發(fā)芽代謝過(guò)程[9]。青稞種子萌發(fā)情況在很大程度上決定了其出苗數(shù)量以及健壯程度，對(duì)其在逆境環(huán)境中的生長(zhǎng)發(fā)育起著決定性作用，進(jìn)而影響后期產(chǎn)量的形成[10]。鑒定青稞種子萌發(fā)期的抗旱性對(duì)于篩選出適用于西藏地區(qū)綜合耐旱性?xún)?yōu)良的種質(zhì)資源，為西藏青稞耐旱遺傳研究及品種選育等相關(guān)工作提供理論依據(jù)，也有利于農(nóng)業(yè)用水的節(jié)約、國(guó)家糧食的安全保障[11-12]。因此，干旱脅迫下青稞品種萌發(fā)特性可以有效評(píng)價(jià)其抗旱性。

發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)能夠反映品種的優(yōu)劣[13-15]，本試驗(yàn)對(duì)20份青稞材料萌發(fā)期的7個(gè)主要指標(biāo)(發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽干重、根干重、發(fā)芽指數(shù))進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，干旱脅迫下對(duì)大部分材料的發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率具有抑制作用，少部分材料干旱條件下與對(duì)照條件下差異較小，且干旱脅迫下青稞材料的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、發(fā)芽指數(shù)均受到影響。

對(duì)青稞萌發(fā)特性進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，避免對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)片面性評(píng)價(jià)則需要進(jìn)行綜合分析。本試驗(yàn)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)農(nóng)作物多項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，主成分分析法通過(guò)無(wú)量綱化處理，把7個(gè)變量降維成3個(gè)相互獨(dú)立的綜合變量，使得綜合評(píng)價(jià)更加科學(xué)準(zhǔn)確[16-17]，再通過(guò)主成分和聚類(lèi)分析對(duì)青稞種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)研究材料進(jìn)行等級(jí)劃分和適應(yīng)性評(píng)價(jià)，根據(jù)綜合得分以及系統(tǒng)聚類(lèi)圖可看出，20份青稞種質(zhì)資源中篩選出1份綜合抗旱性較強(qiáng)的青稞材料，13份綜合抗旱性較好的材料?？购敌跃C合排序結(jié)果為：ZDM 4714>ZDM 4721>ZDM 4699>藏青148(2)>ZYM 1867(2)>舍么>ZDM 4813>ZDM 4733>藏青80>北青6號(hào)>地方品種1>昆侖10號(hào)>地方品種2>昆侖8號(hào)>ZDM 4941>ZDM 4953>ZDM 5074>ZDM 4739>ZDM 4812>藏青311。

綜上所述，種子萌發(fā)可用于評(píng)價(jià)不同植物種子抗旱性的強(qiáng)弱，并篩選出耐旱適應(yīng)性植物[18]，PEG干旱脅迫下可篩選出抗旱性青稞種質(zhì)資源，但萌發(fā)期抗旱性的品種選育也只能作為青稞品種初步選擇的依據(jù)，不能完全反映青稞種質(zhì)資源的好壞程度，還需要結(jié)合大田試驗(yàn)篩選出抗旱品種，是目前迫切解決的問(wèn)題之一。