王星宇，王 霞，程 靜，李默涵，馮小磊，李云霞，左文博，董占紅，葛軍勇

（張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/河北省高寒作物研究所，河北 張家口 075000）

燕麥隸屬于禾本科（Poaceae）燕麥屬（AvenaL.）， 為1年生草本植物，分布于亞洲、歐洲、美洲等5個(gè)大洲的76個(gè)國家，是全球第七大栽培作物，具有極高的營養(yǎng)、醫(yī)療保健、飼用與生態(tài)價(jià)值，是一種糧、飼、藥多用途作物，也是對抗生態(tài)環(huán)境退化的先鋒作物[1-3]。我國種植的主要為大粒裸燕麥（Avena nuda）[4]，其種植區(qū)分布在華北、西北、西南、東北高海拔高緯度的干旱、冷涼地區(qū)，是產(chǎn)區(qū)人民的主要食糧與草料作物。因燕麥主要產(chǎn)區(qū)分布在干旱半干旱地區(qū)，降水量時(shí)空分布極不均衡，加之氣候變化帶來的干旱等自然災(zāi)害發(fā)生頻次增加，季節(jié)性干旱和不定期干旱頻發(fā)，干旱成為該區(qū)域限制燕麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要逆境因子。因此，抗旱性研究成為近年來燕麥研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，諸多學(xué)者已從抗旱性鑒定與評價(jià)、水分脅迫下生理生化響應(yīng)機(jī)理等方面開展了大量研究[5-8]，加深了人們對燕麥抗旱機(jī)理的認(rèn)知。從國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐來看，培育和選擇抗旱品種可能是應(yīng)對干旱脅迫最有效的途徑，而大量、快速、準(zhǔn)確地鑒定出不同燕麥種質(zhì)的抗旱能力與特性對培育抗旱品種至關(guān)重要，這就需要對抗旱性的鑒定指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性研究[9-15]。

前人已在農(nóng)作物抗旱鑒定方法、抗旱分子機(jī)制和燕麥品種抗旱研究方面取得一定進(jìn)展[7,16-18]，但在燕麥主推品種的抗旱性方面研究較為薄弱。本研究選取12個(gè)冀北高寒區(qū)域生育期不同、表型性狀差異較大的裸燕麥主推品種及高代穩(wěn)定品系，通過聚乙二醇（PEG-6000，polyethylene glycol）高滲溶液模擬干旱脅迫，在種子萌芽期測定發(fā)芽勢、發(fā)芽率等指標(biāo)以及種子萌發(fā)指數(shù)、種子活力指數(shù)等抗旱性相關(guān)指數(shù)[19-21]，研究不同品系燕麥種子萌芽期對干旱脅迫的響應(yīng)，進(jìn)而對其抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)，旨在為裸燕麥品種在冀北地區(qū)的栽培與選育方向提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的12個(gè)燕麥品種為品五（Pinwu）、壩莜 1號（Bayou 1）、壩莜 3號（Bayou 3）、壩莜 6號（Bayou 6）、壩莜8號（Bayou 8）、壩莜9號（Bayou 9）、壩莜14號（Bayou 14）、9641-6、9641-13、壩莜 18號（Bayou 18）、壩莜 19號（Bayou 19）和 200919-7-1，其中，壩莜1號為對照品種。參試所用燕麥種子均為2020年張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院在張北縣繁種基地繁育獲得。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)因素有2個(gè)，即PEG-6000模擬外界干旱脅迫環(huán)境和燕麥品種。其中，干旱脅迫有6個(gè)處理：5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000梯度（m/V）和蒸餾水對照（CK）；12個(gè)燕麥品種每個(gè)處理重復(fù)3次，1個(gè)培養(yǎng)皿代表1次重復(fù)，共計(jì)216個(gè)培養(yǎng)皿。采用紙上發(fā)芽法，依據(jù)《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程-發(fā)芽試驗(yàn)》（GB/T 3543.4—1995）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)燕麥品種選取飽滿無殘缺、大小基本一致的種子，用5%的NaClO溶液浸泡燕麥種子15 min進(jìn)行消毒處理，后用自來水沖洗2 min，再用蒸餾水漂洗3次，于紗布上攤開自然晾干備用。在每個(gè)培養(yǎng)皿上平鋪2張中性濾紙，用移液槍分別向不同培養(yǎng)皿中注入8 mL PEG-6000溶液，對照中注入等量的蒸餾水，用鑷子（75%乙醇消毒）將燕麥種子放置在培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿放置燕麥種子50粒，蓋上培養(yǎng)皿蓋培養(yǎng)，放置于人工培養(yǎng)箱，22 ℃恒溫、相對濕度 60%～65%、每日光照 12 h（4 000 lx），培養(yǎng)10 d。根據(jù)前期測算同等環(huán)境時(shí)間蒸餾水蒸發(fā)量，用定量蒸餾水補(bǔ)充損失的水分，保持濾紙水分與PEG濃度，并從第2天開始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

試驗(yàn)過程中統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)（以胚根長度至少與種子等長、芽長不短于種子長的1/2為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)），計(jì)算發(fā)芽率。從培養(yǎng)第2天開始調(diào)查發(fā)芽種子數(shù)，每隔24 h統(tǒng)計(jì)一次，分別以第5、10天的發(fā)芽率作為發(fā)芽勢（GE，germination energy）和發(fā)芽率（GR，germination rate）。培養(yǎng)至第10天時(shí)，從3個(gè)重復(fù)中挑選10株正常生長的幼苗，吸干表面附著水分后測定初生根、胚芽長、初生根數(shù)（NPR，number of primary root）、最長初生根長（LLPR，length of the longest primary root）、初生根總長（TLPR，total length of primary roots）、胚芽鞘長（CL，length of coleoptile）、胚芽長（SL，length of shoot）等關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)發(fā)芽種子數(shù)計(jì)算發(fā)芽率（GP，germination percentage）、發(fā)芽指數(shù)（GI，germination index）、種子萌發(fā)抗旱指數(shù)（PI，promptness index）等。

式中，Gt為第t天的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為培養(yǎng)萌發(fā)的第t天，nd2、nd4、nd6、nd8分別為第 2、4、6、8天的種子發(fā)芽率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016整理數(shù)據(jù)，使用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析和逐步回歸分析。采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）對不同濃度PEG脅迫下各燕麥品系的萌芽期抗旱性指標(biāo)進(jìn)行分析，采用單因素方差分析（ANOVA）對不同濃度PEG-6000脅迫下單一品種燕麥種子萌芽期各指標(biāo)間的差異進(jìn)行比較（LSD法）。利用R語言進(jìn)行聚類分析并制作相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱脅迫下燕麥種子發(fā)芽率變化

發(fā)芽率代表了種子的活性，表1結(jié)果顯示，干旱脅迫處理、燕麥品種及二者的交互作用均可極顯著影響燕麥種子的發(fā)芽率（P＜0.01），表明不同燕麥品種對干旱脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)策略不同。

表1 干旱脅迫對不同燕麥品種發(fā)芽率影響的方差分析結(jié)果Tab.1 Analysis of variances for germination rate of different oat varieties under drought stress

不同干旱脅迫處理下各燕麥品種隨培養(yǎng)時(shí)間延長發(fā)芽種子數(shù)變化如圖1所示，在中等干旱脅迫（PEG溶液為10%和15%）處理下均表現(xiàn)為前期快速發(fā)芽、后期種子發(fā)芽數(shù)較低的趨勢，種子發(fā)芽主要分布在第2～5天，各品種的種子發(fā)芽數(shù)表現(xiàn)出較為明顯的差異；而高干旱脅迫（PEG溶液為20%）種子發(fā)芽進(jìn)程延緩，種子發(fā)芽主要分布在培養(yǎng)的第4～8天；而進(jìn)一步增加干旱脅迫（PEG溶液為25%）條件下，所有品種的燕麥種子均未發(fā)現(xiàn)發(fā)芽情況（該濃度下種子的表現(xiàn)在后續(xù)的分析中不再予以考量）。

圖1 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發(fā)芽種子數(shù)的影響Fig.1 Effect of drought stress on number of germination seeds of different naked oat varieties

不同干旱脅迫處理下不同燕麥品種發(fā)芽率的多重比較結(jié)果如圖2所示，隨著PEG溶液濃度的增加，發(fā)芽率總體呈現(xiàn)降低趨勢。清水對照處理下，種子發(fā)芽率平均為91%，5%的PEG溶液處理下，平均發(fā)芽率降低至79%，與對照相比發(fā)芽率降低13.2%；10%和15%的PEG溶液處理下發(fā)芽率分別降至57%和44%，與對照相比發(fā)芽率分別降低37.4%和51.6%；而高度干旱脅迫處理下，平均發(fā)芽率降低至18%，僅為對照的20%，說明增加干旱脅迫強(qiáng)度將顯著抑制燕麥種子的發(fā)芽率，并且相比低等和高等干旱脅迫，各品種的種子發(fā)芽數(shù)以及發(fā)芽率在中等干旱脅迫處理下表現(xiàn)出較為明顯的差異，適宜于對種子發(fā)芽的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析；中等干旱脅迫處理使發(fā)芽率降低至70%以下，不同品種表現(xiàn)出極顯著差異（P＜0.01，圖2），10%的PEG溶液處理下，壩莜8號的發(fā)芽率僅為27%，顯著低于對照，抗干旱脅迫的能力最弱。15%的PEG溶液濃度下，壩莜6號和品五仍保持較高的發(fā)芽率，分別為64%和62%。結(jié)合高度干旱脅迫處理使發(fā)芽率綜合來看，壩莜8號、壩莜9號和9641-13的發(fā)芽率降幅最大，抗旱性較差。

圖2 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發(fā)芽率的影響Fig.2 Effect of drought stress on the germination rate of different naked oat varieties

2.2 不同干旱脅迫下燕麥種子發(fā)芽勢變化

發(fā)芽初期規(guī)定時(shí)間內(nèi)正常發(fā)芽數(shù)越高，則表示種子的生活力越強(qiáng)，發(fā)芽出苗情況整齊一致。從表2可以看出，干旱脅迫處理極顯著影響燕麥種子的發(fā)芽勢（P＜0.01），不同燕麥品種間種子發(fā)芽勢差異極顯著（P＜0.01），干旱脅迫和品種對發(fā)芽勢的影響存在極顯著互作效應(yīng)（P＜0.01），表明不同燕麥品種的發(fā)芽勢對干旱脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)策略有顯著差異。

表2 干旱脅迫對不同燕麥品種發(fā)芽勢影響的方差分析結(jié)果Tab.2 Analysis of variances for germination potential of different oat varieties under drought stress

由圖3可知，隨著PEG溶液濃度的增加，燕麥種子發(fā)芽勢逐漸降低。清水對照下，平均發(fā)芽勢為50%，輕度干旱脅迫使發(fā)芽勢降至43%，降幅達(dá)14%，中度干旱脅迫處理分別使發(fā)芽勢降至32%和24%，降幅分別為36%和52%。不同燕麥品種本身的發(fā)芽勢差異較大，壩莜18號的發(fā)芽勢最高，達(dá)62%，其次是9641-13，為59%，壩莜19號和壩莜8號的發(fā)芽勢最低，與對照的39%持平。中等干旱脅迫處理使發(fā)芽勢降低至50%以下，且不同品種表現(xiàn)出極顯著差異（P＜0.01）。10%的PEG溶液處理下，發(fā)芽勢減少量介于2%～30%，壩莜6號的變化最小，壩莜9號的變化最大，壩莜6號的發(fā)芽勢為47%，顯著高于其他品種（P＜0.05）；200919-7-1、壩莜14號、壩莜18號、壩莜3號和品五的發(fā)芽勢僅次于壩莜6號。15%的PEG溶液處理下，壩莜6號的發(fā)芽勢顯著高于其他品種（P＜0.05）。高度干旱脅迫處理使發(fā)芽勢降低至11%以下，且不同品種間差異顯著（P＜0.05），200919-7-1、壩莜 3號、壩莜6號和品五的發(fā)芽勢顯著高于其余品種（P＜0.05），介于8%～10%；其余品種的發(fā)芽勢均在5%以下，進(jìn)一步增加脅迫強(qiáng)度將完全消除種子發(fā)芽勢。

圖3 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發(fā)芽勢的影響Fig.3 Effect of drought stress on germination potential of different naked oat varieties

2.3 不同干旱脅迫下燕麥種子發(fā)芽指數(shù)變化

方差分析結(jié)果表明（表3），干旱脅迫處理極顯著影響燕麥種子的發(fā)芽指數(shù)（P＜0.01），不同燕麥品種間種子發(fā)芽指數(shù)差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），干旱脅迫和品種對發(fā)芽勢的影響存在極顯著互作效應(yīng)（P＜0.01）。

表3 干旱脅迫對不同燕麥品種發(fā)芽指數(shù)影響的方差分析結(jié)果Tab.3 Analysis of variances for germination index of different oat varieties under drought stress

如圖4所示，隨干旱程度的逐漸加重，12個(gè)燕麥品種的種子發(fā)芽指數(shù)總體呈逐漸降低趨勢，不同干旱程度下不同燕麥品種間的發(fā)芽指數(shù)差異顯著。清水對照下，9641-13的發(fā)芽指數(shù)最大，為14.4，其次是品五，為13.9。多重比較結(jié)果表明，10%和15%的PEG濃度處理下，相比清水對照，發(fā)芽指數(shù)減少最多的分別是壩莜8號和9641-13，而壩莜6號減少最少，且其發(fā)芽指數(shù)（10.6）顯著高于其他品種（P＜0.05）。20%的PEG濃度處理下，發(fā)芽指數(shù)降低至4以下，9641-13，壩莜3號和壩莜6號的發(fā)芽指數(shù)在3左右，顯著高于其他品種（P＜0.05）。

圖4 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.4 Effect of drought stress on germination index of different naked oat varieties

2.4 不同干旱脅迫下燕麥種子萌發(fā)抗旱指數(shù)變化

方差分析結(jié)果表明（表4），干旱脅迫處理極顯著影響燕麥種子萌發(fā)抗旱指數(shù)（P＜0.01），不同燕麥品種間種子萌發(fā)抗旱指數(shù)差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），干旱脅迫和品種對種子萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響存在極顯著互作效應(yīng)（P＜0.01）。

表4 干旱脅迫對不同燕麥品種種子萌發(fā)抗旱指數(shù)影響的方差分析結(jié)果Tab.4 Analysis of variances for germination drought resistant index of different oat varieties under drought stress

從圖5可以看出，隨干旱脅迫程度的逐漸加重，12個(gè)燕麥品種的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，不同干旱程度下不同燕麥品種間的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)差異顯著（P＜0.05）。清水對照下，9641-13、壩莜18號、壩莜3號和品五的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)最高，均在1.6以上；其次是壩莜14號，為1.5，壩莜19號和壩莜8號的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)與對照（1.2）間無顯著差異。

圖5 干旱脅迫對不同裸燕麥品種種子萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響Fig.5 Effect of drought stress on germination drought resistant index of different naked oat varieties

中等干旱脅迫處理下，種子萌發(fā)抗旱指數(shù)減少最多的是壩莜9號，減少最少的是壩莜6號，多重比較結(jié)果表明，其種子萌發(fā)抗旱指數(shù)顯著高于其他品種（P＜0.05），其次依次是品五、壩莜18號和壩莜3號。20%的PEG濃度處理下，種子萌發(fā)抗旱指數(shù)降低至0.4以下，壩莜3號和壩莜6號的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)在0.35左右，顯著高于其他品種（P＜0.05），其次是200919-7-1、9641-13和品五，介于0.26～0.29。

2.5 干旱脅迫下12個(gè)裸燕麥品種5個(gè)指標(biāo)的聚類分析結(jié)果

以12個(gè)裸燕麥品種在中等干旱脅迫下的初生根數(shù)、最長初生根長、初生根總長、胚芽鞘長、胚芽長共5個(gè)指標(biāo)作為變量，采用R語言進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖6所示，當(dāng)以遺傳距離8為閾值，12個(gè)燕麥品種被聚為3類，類群I僅有1個(gè)品種（200919-7-1），其最長初生根、初生根總長和胚芽長度3個(gè)指標(biāo)均為最長；類群II由對照壩莜1號、品五和壩莜3號組成，該類品種無論是初生根數(shù)還是其他初生根和胚芽的長度指標(biāo)均比較高；類群III包括其余的壩莜18號等8個(gè)品種，該類品種占總品種的66.7%，其初生根等各項(xiàng)生長指標(biāo)相對值并不突出。

圖6 12份燕麥品種早期生長指標(biāo)聚類分析結(jié)果Fig.6 Cluster analysis results of early growth indexes of 12 oat varieties

3 結(jié)論與討論

在當(dāng)今氣候變化背景下，極端干旱氣候的發(fā)生頻率增加，抗旱育種面臨前所未有的挑戰(zhàn)[22-25]。本研究利用廣泛使用的PEG模擬干旱脅迫對12份燕麥品種的抗旱性進(jìn)行鑒定，10%和15%的PEG溶液模擬的中度干旱脅迫使得各品種種子的發(fā)芽數(shù)以及發(fā)芽率表現(xiàn)出較為明顯的差異。前人模擬抗旱研究大多是對單一濃度下種子的抗旱表現(xiàn)展開分析[26]。本研究結(jié)合輕度和高度干旱脅迫下部分品種的表現(xiàn)，作為種子抗旱發(fā)芽方面的依據(jù)，結(jié)果表明，5%的PEG溶液下，壩莜3號和壩莜14號繼續(xù)保持較高的發(fā)芽率，輕度干旱脅迫反而促進(jìn)其發(fā)芽率增加，這可能與輕度干旱脅迫激發(fā)了種子生理和代謝強(qiáng)度，促進(jìn)了根系生長和活力有關(guān)[27-30]。在中度干旱脅迫下，壩莜6號和品五能維持較高（60%以上）的發(fā)芽率，壩莜1號和壩莜8號的發(fā)芽率降至40%以下，說明不同品種對不同干旱脅迫程度的適應(yīng)能力不同，不同燕麥品種對干旱脅迫的響應(yīng)規(guī)律有待深入研究[31-32]。壩莜6號和品五在中度干旱脅迫條件下，發(fā)芽勢也維持在較高水平，可能是由于細(xì)胞在干旱脅迫下會分泌游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，增強(qiáng)了種子萌芽期抗旱性[7，24，27-28，33]。重度干旱條件下，種子的發(fā)芽勢基本消失，實(shí)際生產(chǎn)中，如遇較大旱情，應(yīng)及時(shí)澆蒙頭水以保證出苗[34]。

此外，在發(fā)芽指數(shù)方面，中等濃度10%和15%的PEG溶液處理下，發(fā)芽指數(shù)減少最多的是壩莜8號和9641-13，減少最少的均為壩莜6號，說明壩莜6號的避旱性和抗旱能力較強(qiáng)，在輕度至中度干旱脅迫條件下，仍能保持較高的發(fā)芽指數(shù)[8]。200919-7-1和壩莜8號對干旱脅迫較為敏感，輕度干旱則使其發(fā)芽指數(shù)顯著降低；中度干旱脅迫條件下，參試品種的發(fā)芽指數(shù)變化差異較大，能維持較高發(fā)芽指數(shù)的品種是壩莜6號和品五，但個(gè)別品種的發(fā)芽指數(shù)大幅降低，如9641-13，說明不同品種對不同程度干旱脅迫的響應(yīng)大小和方向差異較大，對干旱脅迫的敏感性不同[17]。在萌發(fā)抗旱指數(shù)方面，不同燕麥品種差異顯著，除壩莜19號、壩莜8號和對照的萌發(fā)抗旱指數(shù)較低外，其余參試品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)均在1.5左右。隨著干旱脅迫程度的增加，壩莜8號的萌發(fā)抗旱指數(shù)大幅降低，表現(xiàn)出較差的萌發(fā)期抗旱性。而且，隨著PEG濃度的增加，萌發(fā)抗旱指數(shù)在品種間的差異逐漸拉大，壩莜18號、壩莜6號和品五維持著較高的萌發(fā)抗旱指數(shù)，表現(xiàn)出較低的干旱敏感性；壩莜19號、壩莜8號和壩莜9號的萌發(fā)抗旱指數(shù)大幅降低，表現(xiàn)出較高的干旱敏感性。因此，燕麥生產(chǎn)中應(yīng)選擇萌發(fā)抗旱指數(shù)高的品種，在干旱發(fā)生時(shí)增強(qiáng)種子萌發(fā)期抗旱能力。

同時(shí)對中等干旱脅迫下種子初生根和胚芽的生長情況進(jìn)行聚類分析，結(jié)合發(fā)芽指標(biāo)綜合評價(jià)以篩選出抗旱性較強(qiáng)的優(yōu)勢裸燕麥品種。聚類分析將12個(gè)燕麥品種分為三大類，類群I的200919-7-1和類群II的對照壩莜1號、品五和壩莜3號的初生根數(shù)、最長初生根長、初生根總長、胚芽鞘長、胚芽長5個(gè)生長指標(biāo)的相對值較高，屬于抗旱性品種，這與之前分析的燕麥種子發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)抗旱指數(shù)結(jié)果基本一致。

本試驗(yàn)在模擬干旱脅迫條件下，干旱脅迫程度、燕麥品種以及二者的交互作用均顯著影響燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)抗旱指數(shù)等指標(biāo)。從發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)抗旱指數(shù)以及聚類分析來看，品五和壩莜3號的抗旱性最為突出，干旱脅迫條件下仍能保證一定發(fā)芽率和發(fā)芽勢以及維持較高的發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)抗旱指數(shù)。壩莜6號和200919-7-1也具有較好的抗旱性，但應(yīng)對不同程度的干旱表現(xiàn)不一致。后期須通過田間試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證不同品種的抗旱表現(xiàn)，同時(shí)應(yīng)考慮測定種子萌芽期相關(guān)激素含量及基因表達(dá)情況，揭示不同品種抗旱性差異的分子機(jī)制。