張瑞棟 常嘉榮 陳海云 梁曉紅 劉 靜 南懷林 王頌宇 曹 雄*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)作物研究所,太原 030031;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,太原 030031)

自20世紀(jì)50年代后期以來(lái),我國(guó)降水總體偏少,干旱已經(jīng)成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素,而且影響程度仍在不斷加劇[1]。我國(guó)北方地區(qū)多屬于溫帶大陸性氣候,春季風(fēng)多風(fēng)大、空氣干燥極易造成春旱,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。種子萌發(fā)是決定作物產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)。種子快速萌發(fā)能使作物在與雜草的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì),獲得更多作物生長(zhǎng)所需的光照、營(yíng)養(yǎng)、水分和空間,進(jìn)而提高作物成苗率和產(chǎn)量[2]。春季干旱常導(dǎo)致高粱出苗質(zhì)量差,嚴(yán)重影響高粱產(chǎn)量形成。培育萌發(fā)期抗旱品種,對(duì)高粱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

高粱用途廣泛,且具有較強(qiáng)抗逆性,常作為旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首選作物[3-4]。已有研究結(jié)果表明不同高粱種質(zhì)資源在應(yīng)答干旱脅迫時(shí)具有明顯的多態(tài)性,說(shuō)明高粱的種質(zhì)資源在抗旱性方面存在豐富的遺傳變異[5-6]。然而,當(dāng)前高粱的抗旱資源利用較少,其主要原因是對(duì)種質(zhì)資源的鑒定和認(rèn)識(shí)不足[7]。對(duì)高粱的種質(zhì)資源進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性鑒定,有利于挖掘高粱的抗旱資源和培育抗旱品種[8],對(duì)提高高粱水分利用率和保障旱區(qū)糧食安全具有重要意義。

在種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)鑒定中,表型分析仍然是育種的一個(gè)重要部分[9-10]。張麗霞等[5]以干旱脅迫下的出苗率為鑒定標(biāo)準(zhǔn),對(duì)396 份高粱進(jìn)行抗旱篩選,最終篩選出4份抗旱能力較強(qiáng)的高粱材料。種子的萌發(fā)是由多基因控制的復(fù)雜生理過(guò)程,利用多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)萌發(fā)期的綜合抗性已成為研究萌發(fā)期抗逆性的重要手段[11-12]。綜合指標(biāo)分析已在高粱的耐鹽[13-14]、耐堿[15]、耐低溫[16]等抗逆鑒定中得到廣泛的應(yīng)用,并且收到良好的效果。吳奇等[17]利用主成分結(jié)合聚類分析的方法,對(duì)54份高粱雜交種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性的篩選、鑒定,結(jié)果表明萌發(fā)抗旱指數(shù)、發(fā)芽率和根長(zhǎng)等性狀可作為評(píng)價(jià)高粱品種萌發(fā)期抗旱性鑒定的主要指標(biāo)。目前,關(guān)于高粱自交系萌發(fā)期的抗旱綜合鑒定的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以常用的118份高粱自交系為試驗(yàn)材料,利用人工氣候箱統(tǒng)一培養(yǎng),采用PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫,測(cè)定高粱萌發(fā)期發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽重和根重等指標(biāo),通過(guò)相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析,鑒定不同高粱自交系的抗旱性,旨在篩選出萌發(fā)期抗旱性較強(qiáng)的種質(zhì)資源,以期為高粱抗旱資源的挖掘和抗旱品種的培育奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括118份來(lái)自全國(guó)的高粱自交系,材料收集于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱課題組。

1.2 試驗(yàn)方法

于2022年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所高粱生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),不同的高粱自交系為主因素,每個(gè)自交系3次重復(fù)。每個(gè)種質(zhì)材料隨機(jī)選取30粒大小一致的種子,經(jīng)NaHClO3浸泡5 min,用流動(dòng)水沖洗,用濾紙吸干后,擺放至鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑15 cm)中。為確定萌發(fā)期抗旱篩選最適宜的脅迫濃度,前期通過(guò)隨機(jī)選取6份高粱自交系用PEG模擬干旱進(jìn)行篩選。設(shè)置4個(gè)模擬干旱脅迫水平,PEG-6000摩爾濃度分別為0.013、0.020、0.025、0.029 mol/L(80、120、150和175 g/L)對(duì)應(yīng)水勢(shì)分別為-0.1、-0.2、-0.3和-0.4 MPa,以ddH2O作為對(duì)照(CK),每個(gè)培養(yǎng)皿中加入ddH2O或PEG溶液20 mL,25 ℃培養(yǎng),第7天測(cè)定芽長(zhǎng)和根長(zhǎng),通過(guò)計(jì)算不同PEG濃度下相對(duì)芽長(zhǎng)和相對(duì)根長(zhǎng)的變異系數(shù)確定適宜的PEG篩選濃度。以適宜的PEG濃度為鑒定標(biāo)準(zhǔn),參照上述的發(fā)芽方法對(duì)118份高粱自交系進(jìn)行抗旱性鑒定,在發(fā)芽第7天測(cè)定發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽重和根重。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1萌發(fā)指標(biāo)

參照王志恒等[18]的方法,以胚根長(zhǎng)度與種子等長(zhǎng)且胚芽長(zhǎng)度達(dá)到種子長(zhǎng)度的1/2為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),在第7天測(cè)定種子的發(fā)芽率。

發(fā)芽率=第7天種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

第7天,在每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi),隨機(jī)挑選10粒種子,用直尺測(cè)定不同處理的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng),并用分析天平分別測(cè)定芽重和根重。

1.3.2抗旱相對(duì)值

參照吳奇等[17]的方法計(jì)算抗旱相對(duì)值,抗旱相對(duì)值=PEG脅迫指標(biāo)的測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值。計(jì)算出相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)芽重和相對(duì)根重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì),利用Origin 7.0繪制柱形圖,利用R4.2.2軟件對(duì)萌發(fā)期的抗旱相對(duì)值進(jìn)行相關(guān)分析,計(jì)算不同抗旱指標(biāo)相對(duì)值的相關(guān)性。利用SPSS 3.0對(duì)抗旱相對(duì)值進(jìn)行主成分分析,按照主成分的權(quán)重系數(shù),計(jì)算不同自交系的抗旱綜合得分。利用R4.2.2語(yǔ)言軟件對(duì)抗旱綜合得分進(jìn)行聚類并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG濃度的篩選

由圖1可知,隨著PEG濃度的增加,6個(gè)自交系的相對(duì)芽長(zhǎng)和相對(duì)根長(zhǎng)均呈下降的趨勢(shì);隨著PEG濃度的增加相對(duì)芽長(zhǎng)和相對(duì)根長(zhǎng)的變異系數(shù)呈先增加后降低的趨勢(shì),相對(duì)芽長(zhǎng)和相對(duì)根長(zhǎng)的變異系數(shù)均在0.025 mol/L (150 g/L)PEG處理時(shí)達(dá)到最大,分別為23.66%和24.48%,說(shuō)明在0.025 mol/L下不同自交系的抗旱性差異最大。因此,選取0.025 mol/L (150 g/L)PEG-6000作為高粱萌發(fā)抗旱篩選的脅迫濃度。

不同小寫字母表示在同一濃度下不同自交系間在0.05 水平上差異顯著。

2.2 不同高粱自交系萌發(fā)期對(duì)模擬干旱脅迫的響應(yīng)

由表1可知,在CK和0.025 mol/L (150 g/L)PEG-6000干旱脅迫處理下,不同高粱自交系的萌發(fā)指標(biāo)均表現(xiàn)出差異。干旱脅迫與正常條件(CK)相比,芽重降低62.28%,降幅最大;發(fā)芽率降低13.23%,降幅最小。CK的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽重、根重變異系數(shù)分別為13.83%,18.34%,25.88%,21.57%,42.69%,干旱脅迫下變異系數(shù)依次為21.55%,30.73%、30.62%、33.17%、39.52%,除根重的變異系數(shù)降低外,其他指標(biāo)的變異系數(shù)均表現(xiàn)增加。干旱脅迫下高粱的萌發(fā)指標(biāo)均低于CK,表明干旱脅迫嚴(yán)重抑制高粱種子萌發(fā)。

表1 干旱脅迫對(duì)高粱萌發(fā)指標(biāo)的影響

2.3 萌發(fā)期各指標(biāo)的相關(guān)分析

由表2可知,相對(duì)芽長(zhǎng)與相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)芽重、相對(duì)根重均呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.35、0.78、0.25;相對(duì)根長(zhǎng)與相對(duì)芽重呈極顯著正相關(guān),r為0.25,與相對(duì)根重呈顯著正相關(guān),r為0.23;相對(duì)芽重和相對(duì)根重呈極顯著正相關(guān),r為0.33;相對(duì)發(fā)芽率與其他指標(biāo)均未表現(xiàn)顯著相關(guān)。各萌發(fā)指標(biāo)的抗旱相對(duì)值存在一定的相關(guān)性,表明各萌發(fā)指標(biāo)相對(duì)值信息存在相互交叉。

表2 不同自交系各性狀相對(duì)值的相關(guān)系數(shù)

2.4 不同高粱自交系萌發(fā)期各抗旱指標(biāo)的主成分分析

對(duì)118份高粱自交系的5個(gè)抗旱指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,前2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)60.55%,且特征值>1,具有主要代表性(表3)。主成分Ⅰ的貢獻(xiàn)率為35.81%,相對(duì)根重、相對(duì)芽重、相對(duì)根長(zhǎng)在主成分Ⅰ的載荷較高,說(shuō)明主成分Ⅰ主要反映高粱種子的發(fā)芽勢(shì);主成分Ⅱ的貢獻(xiàn)率為24.74%,相對(duì)發(fā)芽率在主成分Ⅱ上的載荷較高,說(shuō)明主成分Ⅱ主要反映種子的萌發(fā)率(表4)。

表3 2個(gè)主成分的特征值及貢獻(xiàn)率

表4 各因子的載荷系數(shù)矩陣

以標(biāo)準(zhǔn)化的抗旱相對(duì)值為X賦值(X1:相對(duì)發(fā)芽率,X2:相對(duì)芽長(zhǎng),X3:相對(duì)根長(zhǎng),X4:相對(duì)芽重,X5:相對(duì)根重)對(duì)高粱自交系的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以載荷值與特征值開(kāi)方的比值為線性組合的系數(shù),得到F1和F2的得分方程如下:

F1=0.060 5X1+0.452 0X2+0.397 0X3+

0.459 0X4+0.649 0X5

F2=0.338 0X1+0.623 0X2+0.288 0X3+

0.478 0X4-0.430 0X5

以主成分Ⅰ和主成分Ⅱ的貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率的比值為F1和F2的權(quán)重系數(shù),得到F的得分方程如下:

F= 0.591F1+0.408F2

F越大則該自交系的抗旱能力越強(qiáng)。將標(biāo)準(zhǔn)化的抗旱相對(duì)值數(shù)據(jù)代入F的得分方程得到不同自交系的F,見(jiàn)表5。

表5 高粱自交系名稱、綜合因子得分及排序

2.5 不同高粱自交系萌發(fā)期抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

由圖2可知,聚類分析將118份高粱自交系的抗旱性分為5類。第一類包含‘20LCS209’、‘20LCS150’等8個(gè)自交系,該類群的F最高為極端抗旱型自交系;第二類包含‘4126’、‘20LCS125’等31個(gè)自交系,該類群的F較大,為抗旱自交系;第三類群包含‘10036’、‘20LCS152’等41個(gè)自交系,該類群的F居中,所以該類群的抗旱性也表現(xiàn)為居中,為抗旱性中等的自交系;第四類包含‘20LCS167’、‘哲15B’等26個(gè)自交系,該類群的F偏低,為干旱敏感自交系;第五類群包含‘20LCS203’、‘京農(nóng)2B’等的12個(gè)自交系,該類群的F最小,為干旱極端敏感自交系。

紅色代表極端抗旱型自交系、藍(lán)色代表抗旱自交系、綠色代表抗旱性中等的自交系、黃色代表干旱敏感自交系、紫色代表干旱極端敏感自交系。

2.6 不同抗旱自交系的形態(tài)指標(biāo)變化

由圖3可知,極端抗旱自交系的‘20LCS150’‘20LCS209’和干旱極端敏感自交系的‘20LCS151’‘20LCS117’的萌發(fā)表型與基于主成分和聚類分析對(duì)高粱萌發(fā)期抗旱鑒定的結(jié)果一致,說(shuō)明采用主成分和聚類分析對(duì)高粱萌發(fā)期抗旱鑒定的結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

CK,對(duì)照處理,D,干旱脅迫處理。

3 討 論

種質(zhì)的萌發(fā)期抗旱性鑒定是抗旱高粱品種選育和抗旱機(jī)制研究的基礎(chǔ)[19-20]。聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)作為一種理想的滲透調(diào)節(jié)劑,被廣泛用于模擬干旱脅迫處理。張玉霞等[21]采用15%聚乙二醇溶液對(duì)8個(gè)飼用高粱品種萌發(fā)期的抗旱性進(jìn)行鑒定,篩選出萌發(fā)期抗旱品種‘SU9002’;王平等[22]利用17.5%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫對(duì)575份高粱材料進(jìn)行萌發(fā)期干旱脅迫,篩選出34份抗旱性強(qiáng)的高粱材料,26份干旱敏感的高粱材料。本研究從118份材料中隨機(jī)選取6個(gè)試驗(yàn)材料,分別設(shè)置4個(gè)PEG濃度進(jìn)行模擬干旱脅迫,測(cè)定不同濃度下不同自交系指標(biāo)的變異系數(shù),結(jié)果表明0.025 mol/L(150 g/L)PEG-6000處理下自交系的變異系數(shù)最大,這與陳冰嬬等[23]的研究結(jié)果一致,而吳奇等[17]對(duì)高粱雜交種鑒定時(shí)選擇175 g/L(0.029 mol/L)PEG,這可能是由于所選材料的抗逆性較強(qiáng),而本研究最終確定篩選濃度為0.025 mol/L(150 g/L)。

高粱萌發(fā)期的抗旱性是由多基因控制的數(shù)量性狀,不同性狀對(duì)干旱的響應(yīng)不同[20]。陳新等[12]對(duì)裸燕麥進(jìn)行萌發(fā)期抗旱鑒定發(fā)現(xiàn),種子活力指數(shù)受干旱脅迫的影響最大,可用于裸燕麥種質(zhì)萌發(fā)期抗旱性的快速或初步鑒定。王藝陶等[24]對(duì)31份高粱雜交種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱鑒定,發(fā)現(xiàn)相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)和相對(duì)萌發(fā)抗旱指數(shù)等可以作為高粱品種抗旱性篩選的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明,干旱脅迫對(duì)芽長(zhǎng)影響最大,對(duì)發(fā)芽率影響最小,說(shuō)明干旱脅迫主要是抑制了高粱芽的生長(zhǎng)。張瑞棟等[16]在高粱耐低溫鑒定中也發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)芽生長(zhǎng)的影響比對(duì)萌發(fā)的影響更大,所以單用發(fā)芽率評(píng)判高粱萌發(fā)期抗旱性存在一定的局限性。采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)作物萌發(fā)期的抗旱性已被廣泛運(yùn)用[25-27]。多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)具有更準(zhǔn)確、更全面的特點(diǎn),但是如果不同指標(biāo)存在顯著相關(guān),指標(biāo)信息存在相互交叉,萌發(fā)期抗旱性鑒定會(huì)受到指標(biāo)選取的影響,不能得到客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果[12,16]。在本研究中,相關(guān)分析表明抗旱相對(duì)值的指標(biāo)之間存在相關(guān),會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。主成分分析是一種降維算法,它能將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)主成分,這些主成分彼此之間互不相關(guān),且其能反映出原始數(shù)據(jù)的大部分信息。本研究中利用主成分分析將萌發(fā)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為2個(gè)主成分,這2個(gè)主成分分別代表了萌發(fā)期芽的生長(zhǎng)情況和發(fā)芽率,基本涵蓋了種子的發(fā)芽信息,對(duì)種子的發(fā)芽可進(jìn)行全面描述,而且主成分分析去除了重復(fù)信息,對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)更加客觀。

抗旱鑒定是對(duì)不同作物品種的抗旱能力進(jìn)行篩選、評(píng)價(jià)和歸類的過(guò)程[28]。朱世楊等[29]利用結(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);楊進(jìn)文等[30]利用GGE雙標(biāo)圖在主成分分析的基礎(chǔ)上,分析各指標(biāo)性狀間的相關(guān)性及其與品種抗旱性的關(guān)系,最后利用隸屬函數(shù)與抗旱指數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)小麥品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為了更準(zhǔn)確、更簡(jiǎn)化,本研究利用主成分計(jì)算得到不同指標(biāo)相對(duì)值的權(quán)重系數(shù),對(duì)高粱萌發(fā)期不同指標(biāo)的抗旱相對(duì)值進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算,得到綜合因子得分,得分越高抗旱值越高。對(duì)抗旱綜合因子得分進(jìn)行聚類分析,將118份高粱自交系分為五大類,分別為極端抗旱型、抗旱型、抗旱中間型、干旱敏感型、干旱極端敏感型。驗(yàn)證試驗(yàn)表明該種方法較為可靠,數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好(圖4)。

優(yōu)良的種質(zhì)資源是高粱育種的重要基礎(chǔ),由于變異的不確定性和不同環(huán)境的差異選擇形成了豐富的種質(zhì)資源。關(guān)于高粱抗旱資源鑒定方面的研究已有很多報(bào)道,吳奇等[17]對(duì)高粱的萌發(fā)期進(jìn)行抗旱性鑒定,為高粱的生產(chǎn)布局提供了重要參考,但是其試驗(yàn)材料多為雜交種,對(duì)高粱后續(xù)育種的指導(dǎo)意義略顯不足。陳冰嬬等[23]比較了雜交種和親本的抗旱差異,進(jìn)一步明確了高粱萌發(fā)期抗旱性在雜種優(yōu)勢(shì)中的表現(xiàn)。作物的抗旱性受多基因控制,遺傳機(jī)制復(fù)雜且不同種質(zhì)材料抗旱性也存在一定差異。本研究通過(guò)抗旱鑒定,明確了118份高梁自交系不同萌發(fā)指標(biāo)在干旱脅迫下的相關(guān)性及不同萌發(fā)指標(biāo)受干旱的影響程度,通過(guò)主成分分析結(jié)合聚類分析,對(duì)118份高粱自交系進(jìn)行鑒定分類,篩選出抗旱性較強(qiáng)的高粱自交系,通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)證明本研究的抗旱篩選方法可靠。

4 結(jié) 論

0.025 mol/L(150 g/L)的PEG-6000濃度可作為高粱萌發(fā)期抗旱篩選的脅迫濃度。干旱脅迫對(duì)芽生長(zhǎng)的影響比對(duì)發(fā)芽率的影響更大。依據(jù)萌發(fā)期抗旱性綜合表現(xiàn),經(jīng)主成分分析結(jié)合聚類分析,參試118份高粱自交系分為五類:極端抗旱自交系8個(gè)、抗旱自交系31個(gè)、抗旱中間型自交系41個(gè)、干旱敏感自交系26個(gè)、極端敏感自交系12個(gè)。通過(guò)發(fā)芽試驗(yàn)的驗(yàn)證,萌發(fā)期抗旱性突出的材料中,‘20LCS150’‘20LCS209’為極端抗旱自交系,‘20LCS151’和‘20LCS117’為干旱極端敏感自交系,數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好。綜上,主成分分析結(jié)合聚類分析的方法可準(zhǔn)確客觀地對(duì)高粱萌發(fā)期的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。