不同燕麥品種萌發期的抗旱性比較研究

張立坤，宛 濤*，張曉明，徐振朋，王曉棟,3

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019； 2.烏蘭察布市農牧業科學研究院，內蒙古 烏蘭察布 012000； 3.內蒙古自治區草原勘察規劃院，內蒙古 呼和浩特 010051)

一直以來國家致力于改善干旱半干旱地區環境條件，但受水分條件限制，能夠選擇種植優良抗逆性強的牧草種類有限。內蒙古西部及西北部地區屬于干旱半干旱地區，水分成為影響牧草實現最大程度的增產的主要因素之一。因此在旱作條件下培育與引進優質抗旱牧草品種成為飼草提高產量的有效途徑之一。燕麥根據其有無外稃可分為帶稃型和裸粒型兩大類，飼用燕麥(AvenasativaL.)又稱為皮燕麥，作為優良飼用麥類是家畜的主要飼料來源之一，其籽粒和鮮干草均可作為優良飼料〔1-4〕。本研究以產量、品質等方面表現較好的飼用燕麥品種為供試材料，采用濃度為15%的聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG-6000)人工模擬干旱脅迫對7個飼用燕麥品種進行處理，測定不同燕麥品種的發芽勢、發芽率、發芽指數等指標，利用主成分分析及加權隸屬函數法對供試品種進行萌發期抗旱性綜合比較，從而為飼用燕麥萌發期抗旱性鑒定評價及旱作條件下指導生產實踐提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料來源

供試材料為2018年采收的7個飼用燕麥品種，均由烏蘭察布市農牧業科學研究院提供。

表1 供試材料信息表

1.2 實驗方法

1.2.1 材料處理

試驗采用紙上發芽法，每品種選取大小一致、籽粒飽滿的種子，用2%NaClO消毒浸種5min，消毒后用蒸餾水漂洗3次的種子晾干，置于2層浸透15% PEG-6000溶液濾紙的培養皿中，以蒸餾水為對照，每個培養皿中放置50粒種子，在相對濕度為60%、25℃恒溫條件下培養，每個處理3次重復。每天17∶00對每個培養皿滴加等量蒸餾水，以浸透濾紙并稍有剩余為宜，保持滲透梯度不變；每2d換1次發芽床，試驗共進行12d。

1.2.2 種子萌發指標測定方法

培養第2d開始，每24h統計1次發芽種子數。以胚根至少與種子等長、芽長不短于種子長的1/2作為發芽標準。培養至第12d時，從各培養皿中隨機挑選10株正常生長的幼苗，吸干幼苗表面附著水測量其胚根長度，胚芽長度，并結束對種子萌發情況的觀測〔5〕。計算發芽率(germination rate，GR)、發芽勢(germination energy，GE)、發芽指數(germination index，GI)、種子萌發指數(promptness index，PI)和種子活力指數(vigour index，VI)。計算公式如下:

發芽率(GR)=(前12d種子發芽數/供試種子總數)×100%

(1)

發芽勢(GE)=(前5d種子發芽數/供試種子總數)×100%

(2)

發芽指數(GI)=Σ(Gt/Dt)

(3)

種子萌發指數(PI)=1.0nd3+0.8nd5+0.6nd7+0.4nd9+0.2nd11

(4)

活力指數(VI)=PI×Sx。

(5)

式中：Gt為第td的發芽數；Dt為發芽試驗的第t d；nd3、nd5、nd7、nd9、nd11分別為第3、5、7、9、11d的種子萌發率〔6〕；Sx為第12d幼苗平均鮮重。

為了消除品種間種子活力所帶來的差異，依據下式計算相對發芽率(X1)、相對發芽勢(X2)、相對發芽指數(X3)、相對種子萌發指數(即種子萌發抗旱指數)(X4)、相對活力指數(即種子活力抗旱指數)(X5)、相對胚根長(X6)、相對胚芽長(X7)及相對鮮重(X8)。鑒定指標相對值=脅迫處理組值/對照組值。

1.2.3 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2003和SPSS 20.0軟件進行數據處理和差異性分析，抗旱性采用加權隸屬函數法〔7〕進行綜合評價。

加權隸屬函數法相關公式如下：

(6)

μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)(j=1,2,3)

(7)

(8)

式中：Wj為綜合指標j的權重，Pj為綜合指標j的貢獻率，μ(Xj)為各品種Xj的隸屬函數值，Xj為各品種綜合指標j的值，Xjmin、Xjmax分別為各品種中Xj的最大值和最小值，D為各品種的抗旱性綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同燕麥品種萌發指標的影響

如圖1所示，在對照和干旱脅迫2種處理下，不同燕麥品種間各指標均差異顯著(P<0.05)；除鮮重外，發芽率、發芽勢等指標脅迫值明顯低于對照，說明這些性狀在干旱脅迫下均受到了不同程度的抑制。干旱脅迫下壩莜6號和貝勒的發芽率顯著高于其它5個品種(P<0.05)，壩莜6號的發芽率最高，冀張燕4號最低；定燕2號和Haywire發芽率的降低幅度較大，均達到75.0%以上。從發芽勢看，蒙飼草2號的發芽勢在干旱脅迫下顯著高于其他品種(P<0.05)，發芽勢均達到最高，冀張燕4號最低，且降低幅度最大達到100.0%。從發芽指數和活力指數看，貝勒和蒙飼草2號在2種處理下均最高，冀張燕4號最低，除壩莜6號外，其他6個品種的發芽指數降低幅度均在80.0%以上，冀張燕4號與Haywire的種子萌發指數降低幅度均在90.0%以上。2種處理下定燕2號的胚根長和胚芽長最長，除冀張燕4號外，干旱脅迫對其它品種的胚根長和胚芽長影響不大，降低幅度均在50%以下。干旱脅迫下定燕2號、蒙飼草2號和貝勒鮮重增大，其它品種均有不同程度的下降。一般而言，各指標降低幅度越大，該燕麥品種抗旱性越差。從以上結果看，各材料在各指標間的表現趨勢并不一致，說明植物的抗旱性需綜合考慮，不能僅通過單一指標進行評價。

圖1 對照與15% PEG處理下不同燕麥品種發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、種子萌發指數、胚根長、胚芽長及鮮重的對比圖

由表2可知，在PEG干旱脅迫下，除相對胚根長和相對胚芽長無顯著差異(P>0.05)外，不同燕麥品種間相對發芽率、相對發芽勢等指標均差異顯著(P<0.05)。變異系數越大則變異程度越大，說明該鑒定指標對干旱脅迫越敏感，反之則受影響越小。相對發芽勢等8個指標的相對值在不同品種中的變異程度不一致，如相對發芽勢的變異系數最大，因而在品種之間的差異最大，表明在干旱脅迫下相對發芽勢最為敏感；相對胚芽長的變異系數最小，說明胚芽長對干旱脅迫最不敏感，其指標受干旱脅迫影響最小。基于各鑒定指標相對值變異系數的大小，相對發芽勢等8個鑒定指標對干旱脅迫的敏感程度由大到小依次為：相對發芽勢>相對活力指數>相對種子萌發指數>相對發芽率>相對發芽指數>相對胚根長>相對鮮重>相對胚芽長。其中，萌發指標對干旱脅迫最為敏感，而生長指標敏感程度次之。

表2 供試燕麥品種萌發期8個鑒定指標的相對值

注：同列不同小寫字母表示在5%水平差異顯著。

2.2 不同燕麥品種萌發期抗旱性綜合指標比較

2.2.1 抗旱性評價綜合指標的篩選

通過表2亦可以反映出，對單一指標的相對值進行抗旱性比較，不同燕麥品種有不同的排序，如品種壩莜6號的相對發芽率最高，而相對發芽勢為蒙飼草2號品種最高，結果存在很大差異。利用雙Pearson簡單相關系數法對干旱脅迫下相對發芽勢等8個指標進行相關性分析可知，除相對鮮重外，其它指標間均呈現正相關，多個指標間相關性達到了顯著(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)。相對萌發指數與相對發芽指數相關系數最大,達到0.984**和0.909**。相對發芽率與相對發芽指數、相對活力指數和相對萌發指數極顯著正相關,相關系數分別為0.788**、0.542**和0.694**。相對活力指數與相對發芽勢、相對發芽指數和相對胚芽長也呈極顯著正相關，相關系數分別達到0.504**、0.865**和0.533**。相關性分析結果表明，各指標之間都存在一定的相關性，使得信息發生重疊。因此，所篩選的綜合指標中應選擇沒有信息重疊，彼此獨立，能有效代表所有單項評價指標。

對相對發芽勢等8個評價指標進行主成分分析，結果如表3所示。第一主成分貢獻率為48.212%，第二、三主成分貢獻率分別為16.622%和15.923%。根據特征值大于1以及累積貢獻率大于80%的原則，選取前3個主成分作為綜合指標，可有效反映相對發芽勢等8個評價指標全部信息的80.756%。因此用這3個綜合指標說明影響飼用燕麥品種抗旱性，這樣由原來8個單項指標就可以轉化為3個新的相互獨立的綜合指標，其余作為觀察誤差可忽略不計。

表3 三個主成分的系數、特征值、方差貢獻率及累積貢獻率

根據各品種的前3個主成分得分系數矩陣進行繪圖(圖2)。各項指標由于不同的得分系數而分布在不同的空間位置，相對發芽勢等8個測定指標均不落在原點和坐標軸上，說明這8個指標與這3個坐標軸所對應的因子都有關系。其中相對發芽率、相對發芽指數、相對活力指數和相對萌發抗旱指數之間的歐式距離較近，可概括為萌發因子，說明他們之間在干旱脅迫下具有相似的響應。同樣，相對胚根長、相對胚芽長和相對鮮重的歐式距離較近，可概括為生長因子，故3個指標在干旱處理下具有相似的響應。相對發芽勢距離2類相對較遠，也可概括為萌發因子。由此看出，在鑒定飼用燕麥品種萌發期抗旱性時應重點考察種子萌發指標。

圖2 對不同抗旱指標構成影響的3個主成分散點圖

2.2.2 抗旱性綜合指標比較

特征向量表示各性狀對綜合指標的貢獻大小，根據主成分分析的結果，選3個主成分中較大的特征向量：相對種子萌發指數、相對發芽指數、相對活力指數、相對鮮重、相對胚芽長、相對胚根長和相對發芽勢7個指標進行隸屬函數分析，根據各指標的相對值(表2)及主成分分析中PC1、PC2和PC3這3個綜合指標的系數(表3)，可得到每個品種的綜合指標值Xj(j=1，2，3)，然后依據公式(7)和(8)分別求出每個品種綜合指標的隸屬函數值μ(Xj)和每個品種的抗旱性綜合評價值(D值)，如表4所示。依據D值大小排序，抗旱性由強到弱的順序為：貝勒、壩莜6號、定燕2號、蒙飼草2號、蒙燕1號、冀張燕4號和Haywire。飼用燕麥品種貝勒抗旱性綜合評價值最高，D值為0.710，抗旱性最好，品種Haywire的抗旱性最差，D值為0.103。

表4 不同燕麥品種綜合指標值、隸屬函數值、D 值及抗旱性排序

2.3 不同燕麥品種萌發期抗旱性聚類分析

為了綜合評判不同燕麥品種的抗旱性，采用主成分因子得分系數和隸屬函數加權平均值(D)2種方式對不同燕麥品種的抗旱性進行聚類。由圖3可知，壩莜6號和貝勒的歐式距離較近，說明干旱脅迫下2個品種表現相似，可聚為一類；歐式距離較近的蒙飼草2號、定燕2號和蒙燕1號3個品種聚為一類，其中蒙飼草2號在第二因子得分負方向偏離較大，主要由于蒙飼草2號的生長指標值較其它2個品種均較小；冀張燕和Haywire距離較近，在干旱脅迫下各指標表現相似，因此將2個品種聚為一類。

圖3 基于主成分因子得分系數燕麥品種三維散點圖

由圖4可知，7個飼用燕麥品種根據D值進行模糊聚類分析后分為3類：第一類為貝勒和壩莜6號；第二類包括定燕2號、蒙飼草2號和蒙燕1號；第三類包括冀張燕4號和Haywire，與主成分因子得分系數聚類分析結果一致。綜合不同品種的指標相對值及隸屬函數加權平均值(D)后評定認為，抗旱性較好的是貝勒和壩莜6號，其次為定燕2號、蒙飼草2號和蒙燕1號，較差的品種是冀張燕4號和Haywire。

圖4 基于D值燕麥品種聚類分析結果

3 討論

3.1 干旱脅迫對不同燕麥品種萌發的影響

種子萌發是進行植物抗旱性研究的重要時期，不同植物對干旱脅迫的反應機理不同。李培英等利用PEG模擬干旱條件對29份偃麥草種子的研究發現，干旱脅迫對種子萌發及胚芽和胚根的生長發育有抑制作用〔8〕。張宇君等對燕麥種子的研究發現，-0.2MPa和-0.4MPa PEG-6000處理對種子萌發和幼苗生長具有促進作用〔9〕。本試驗結果表明：在15% PEG-6000干旱脅迫下，除鮮重外，發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、種子萌發抗旱指數、胚根長、胚芽長均小于對照，具有顯著的抑制作用。這可能是不同供試材料生長時期及培養環境不同，對同一評價指標表現存在差異，導致評價結果不同。不同干旱程度下燕麥品種的適應性不同，輕度或中度水分脅迫可能會促進種子萌發。根據各鑒定指標相對值的變異系數大小可知，對干旱脅迫表現較為敏感是發芽勢、活力指數和種子萌發指數。這一點與陳新等在裸燕麥萌發時期抗旱性鑒定與評價中的研究結果一致〔7〕，其原因可能是不同禾本科材料在干旱脅迫下會表現出一定的綜合特征，具體原因有待進一步探究。

3.2 抗旱性綜合比較及抗旱品種的篩選

不同鑒定指標對干旱脅迫的表現性狀不同，用單一指標難以準確評定其抗旱性，需綜合多個指標以彌補單一指標對評定結果的差異性；而部分指標間具有相關性，信息覆蓋度高。利用主成分分析在不損失或很少損失原有信息的基礎上，將多個錯綜復雜的單項指標轉化為信息涵蓋量高，彼此獨立的幾個綜合評價指標，再利用隸屬函數加權平均法綜合評價，這樣使得結果具有科學性和可靠性〔10〕。有研究發現，對燕麥葉、穗鮮干重進行隸屬函數法分析，可以將不同燕麥品種抗旱性排序及分類〔11〕。隸屬函數加權平均法可以用于玉米品種的抗旱性分級評價，其抗旱性評價與田間干旱鑒定結果一致〔12〕。本研究用各指標的相對值進行比較，以消除種子活力帶來的差異性，利用主成分分析將8個指標轉換為3個綜合指標，對7個飼用燕麥品種進行萌發期抗旱綜合評價與排序。由于指標之間單位不同，采用加權隸屬函數消除可不同指標間單位的差異提高可比度。植物的抗旱性由不同性狀決定，由于植物抗旱性鑒定指標較多，本文僅利用相對發芽勢等8項指標對萌發期飼用燕麥進行了抗旱性比較，很可能因為評價體系不夠全面而影響結果的準確性，供試材料的抗旱性在其他生育期及栽培實踐中還需進一步檢驗。

4 結論

在15% PEG-6000脅迫下，除鮮重外，發芽勢、發芽率等其它7項指標均受到不同程度的抑制，與品種的抗旱性表現為正相關；相對發芽勢等8個抗旱性評價指標分別隸屬于3個主成分，代表了全部數據80.76%的信息量，其中以萌發指標對干旱脅迫抗旱性的貢獻率最大；飼用燕麥萌發期抗旱性以萌發因子為主，生長因子為輔；在抗旱性綜合指標值的模糊聚類下，將7個飼用燕麥品種分為3類，以貝勒和壩莜6號的抗旱性綜合指標值最高，抗旱性最強，可用于旱地種植。