中亞大麥品種萌發期抗旱性篩選與鑒定

任 毅，王 仙，張金汕，聶石輝，吳高明，耿洪偉，方伏榮

(1. 新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農業大學農學院/新疆農業大學生物技術重點實驗室，烏魯木齊 830052；3.塔城裕民縣農業技術推廣站，新疆裕民 834800)

0 引 言

【研究意義】近年來，全球荒漠化加劇，自北非的撒哈拉到中國的西北和內蒙古，現已形成一條長達13 000 km的干旱荒漠帶,占世界荒漠面積的67%[2]。半干旱區作為全球陸地重要組成部分，在全球氣候變化背景下，直接影響旱作植物的產量及國計民生[3]。選育抗逆新品種是應對外界多變環境的最有效的途徑之一[4]。隨著可用耕地面積的減少，水資源緊缺的加劇，大麥(HordeumvulagareL.)兼有釀造、食用、醫用和飼用等用途，在農業生產和國民經濟中占有重要地位[1]。種子萌發期既是植物生長的起始階段，也是種子對水分最敏感的時期[5]，還是衡量植物抗旱性強弱最重要的時期[6]。在水分脅迫下，種子能否正常出苗，對作物高產穩產至關重要。培育抗旱性強的大麥新品種具有一定的現實意義。【前人研究進展】高滲透溶液法模擬干旱脅迫在多種作物萌發期抗旱性研究中得到廣泛應用。披堿草和野大麥是富有經濟價值的確定多年生牧草，其對環境適應性強，能夠改善土壤鹽堿程度，具有較高的生態價值。對二者萌發期抗旱性進行研究，抗旱性表現為披堿草強于野大麥[7]。大麥是抗逆性較強作物之一[8-9]，在大麥、黑麥草、二月蘭等8種綠肥作物萌發特性研究中，大麥被認定為中等抗旱作物[10]。采用5個不同濃度的聚乙二醇(PEG8000)水溶液對4份大麥材料種子萌發期形態生長發育指標響應進行研究，指出20%PEG8000是萌發期抗旱性鑒定的最適濃度[11]。對4份大麥品種在5個濃度水平下，研究種子萌發期丙二醛、可溶性糖等7個生理生化指標與抗旱性的關系，發現20%PEG8000是最適鑒定濃度[12]。利用上述溶液濃度，在101份大麥材料中進行萌發期抗旱鑒定，通過因子分析，發現發芽勢、根冠比和物質轉運速率可作為萌發期抗旱性鑒定的關鍵指標[13]。【本研究切入點】中亞毗鄰中國新疆，沿線獨特的地理條件，影響著農作物的發展與傳播。受季風影響，表現出季風-西風干濕交替模式，氣候趨向干旱[14]，適宜大麥生長，但目前關于中亞大麥種子萌發期抗旱性的研究相對較少。研究中亞大麥品種萌發期抗旱性篩選與鑒定。【擬解決的關鍵問題】研究通過20%PEG8 000水溶液模擬干旱脅迫，對經田間抗旱鑒定篩選出的12份中亞引進大麥品種進行萌發期抗旱性鑒定，觀測各形態指標在旱脅迫下響應的不同，篩選找到關鍵指標，綜合評價抗旱性強的種質，為大麥抗旱育種提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試12份大麥材料引自中亞地區，其中吉爾吉斯斯坦11份，哈薩克斯坦1份。用于發芽試驗的種子于2018年度種植于中國新疆昌吉州奇臺縣新疆農業科學院奇臺麥類試驗站，田間管理按照當地的栽培措施進行。表1

表1 材料信息
Table 1 Information of materials tested in this study

編號Code名稱Name來源Origin棱型Row number皮裸性Covered/naked冬春性Growth habit1吉引2013-7-DM-005吉爾吉斯斯坦 2CS2吉引2013-7-DM-045吉爾吉斯斯坦 2CS3吉引2013-7-DM-071吉爾吉斯斯坦 4CS4吉引2013-7-DM-072吉爾吉斯斯坦 2CS5吉33吉爾吉斯斯坦4CS6吉引2013-7-DM-046吉爾吉斯斯坦 2CS7吉引2013-7-DM-051吉爾吉斯斯坦 2CS8吉引2013-7-DM-086吉爾吉斯斯坦 4CS9吉引2013-7-DM-088吉爾吉斯斯坦 4CS10吉2吉爾吉斯斯坦 2CS11吉35吉爾吉斯斯坦 4CS12哈3哈薩克斯坦 2CF

注:C代表皮大麥；S和F分別代表春性和半冬性

Note:C stand for covered; S and F stand for spring, facultative barely, respectively

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用高滲透溶液法進行大麥種子萌發期抗旱性鑒定，利用20%PEG8000溶液作為脅迫處理溶液來模擬干旱脅迫。發芽試驗參照鞠樂等[11]的試驗方法。

1.2.2 指標測定

以胚芽長≥1/2種子長或胚根長≥種子長作為發芽標準。發芽勢=第3 d發芽種子數/供試種子數×100%；發芽率=第7 d發芽種子數/供試種子數×100%；發芽指數(GI)=Σ(Gt/Dt)，其中，Gt為第t日的發芽種子個數，Dt為相應的發芽日數；發芽第7 d，隨機挑選10株幼苗，測量根數、根長、苗高和胚芽鞘長度。各重復間無顯著差異，各指標取其平均值。

1.3 數據處理

某一指標的相對值=脅迫處理的測定值/對照的測定值×100%；

綜合抗旱系數=(n個指標的相對值之和)/n。

隸屬函數值計算：

U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),j=1、2、3……

(1)

(2)

(3)

其中，Xj為第j個指標抗旱系數的測定值；Xjmax為第j個指標抗旱系數的最大值；Xjmin為第j個指標抗旱系數的最小值。若所測指標與植物的抗旱性呈正相關，則采用(1)式計算隸屬函數值，反之則用(2)式。

2 結果與分析

2.1 大麥種子萌發對干旱脅迫的響應差異

研究表明PEG脅迫下，參試材料各指標均較對照呈下降趨勢，大麥萌發受到不同程度的抑制。脅迫下苗高受抑制作用最嚴重，均值為3.16 cm，較對照下降62.56%。發芽勢、發芽率、發芽指數、根數、根長和胚芽鞘長度均值分別是：19.53%、22.87%、18.11、5.10、3.59 cm和2.00 cm，分別較對照下降了39.22%、44.42%、41.72%、10.68%、57.26%和10.31%。脅迫下各指標的變異系數較對照均增加，根長表現突出，增加了323.93%。對照和脅迫各指標之間經配對t測驗，除胚芽鞘長度外，其余指標均呈極顯著，進一步證實PEG處理下大麥萌發將會受到明顯抑制。表2

表2 PEG脅迫下大麥萌發期各指標變化
Table 2 Changers of the germination indices for 12 accessions of barly under PEG stress

處理Treatment參數ParameterGP(%)GR(%)GIRNRL(cm)SH(cm)CL(cm)對照最大值Max.60.0068.0055.436.709.739.672.93Control最小值Min.14.0022.0013.864.507.186.171.95均值Average32.1341.1331.095.718.408.442.23標準差SE13.7615.3313.430.620.761.100.28變異系數CV(%)42.8237.2743.2010.889.0713.0412.66PEG脅迫最大值Max.50.0056.0045.436.307.054.382.72PEG stress最小值Min.1.001.000.863.001.610.680.50均值Average19.5322.8718.115.103.593.162.00標準差SE15.5516.9414.050.921.381.120.57變異系數CV(%)79.5974.0977.5817.9938.4535.3428.40較對照變化Comparison with the control均值Average-12.60-18.27-12.97-0.61-4.81-5.28-0.23變異系數CV(%)36.7736.8234.397.1129.3822.3115.74t值 t value-8.22**-9.57**-10.04**-3.25**-11.93**-15.76**-1.39

GP:發芽勢;GR:發芽率;GI:發芽指數；RN:根數;RL:根長;SH:苗高;CL:胚芽鞘長度;t值: 處理與對照配對t檢驗;**表示t檢驗達極顯著水平

GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length;tvalue: pairedttest between treatment and control;**indicatettest amount to significant level

2.2 各指標相對值相關性

從大麥萌發期各指標相對值相關關系中發現，相對苗高除了和相對根長呈極顯著相關外，與其他指標均無顯著相關。相對發芽指數與相對發芽勢呈極顯著相關，且相關系數最高為0.984。各指標彼此之間呈顯著或極顯著相關性，提供的信息是重疊的，影響了萌發期抗旱鑒定的準確性，為彌補單一指標評價的缺陷，進一步運用多元統計方法進行了完善。表3

表3 PEG脅迫下各指標相關系數
Table 3 Correlation coefficients between indices under PEG stress

RGP:相對發芽勢;RGR:相對發芽率;RGI:相對發芽指數;RRN:相對根數;RRL:相對根長;RSH:相對苗高;RCL:相對胚芽鞘長度;*和**分別表示在0.05和0.01水平上相關顯著

RGP: relative germination potential; RGR: relative germination rate; RGI: relative germination index; RRN: relative radical number; RRL: relative radical length; RSH: relative shoot height; RCL: relative coleoptile length.*and**denote significant correlations at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively

2.3 不同大麥品種萌發期抗旱性綜合評價

對供試材料各指標相對值進行隸屬函數值的計算，并利用加權平均得到D值，根據D值大小反應不同大麥品種萌發期抗旱性的強弱。參試材料綜合抗旱系數介于0.27～0.89，根據綜合抗旱系數排序，數值越大則表明抗旱性越強，抗旱性強的品種為吉33，抗旱性表現敏感的品種為吉引2013-7-DM-088。供試材料各指標平均隸屬函數值介于0.30～0.63，根數平均隸屬函數值最大，而苗高平均隸屬函數值最小。發芽率、發芽指數和胚芽鞘長度權重最高為0.17，而根數最低為0.1。按D值大小排序，變幅0.19～0.85，結果表明，吉33抗旱性表現最好，吉引2013-7-DM-088抗旱性表現最差，與綜合抗旱系數排序一致。表4

表4 不同大麥品種抗旱性綜合評價
Table 4 Comprehensive drought resistance evaluations on different barley varieties under PEG stress

品種編號Variety code綜合抗旱系數Comprehensive drought resistance coefficient隸屬函數值Subordinative function valueGPGRGIRNRLSHCLD值D value位次Rank10.440.300.190.260.800.120.140.350.29920.660.610.620.670.770.390.270.580.56530.600.380.460.470.560.200.380.890.49640.300.000.000.000.500.500.500.500.231150.891.001.000.970.770.650.420.910.85160.650.890.700.830.760.230.180.530.61270.390.110.120.110.720.320.310.510.281080.440.220.280.290.460.260.170.400.31890.270.010.210.100.440.370.180.100.1912100.580.530.420.480.490.370.270.620.467110.670.640.530.610.450.550.320.730.593120.670.480.530.520.880.410.420.820.584平均Average-0.430.420.440.630.360.300.58-權重Weight0.160.170.170.100.140.120.17-

GP:發芽勢;GR:發芽率;GI:發芽指數；RN:根數;RL:根長;SH:苗高;CL:胚芽鞘長度

GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length

2.4 主成分分析

研究表明，第1、第2主成分的特征值分別為4.835和1.181，貢獻率分別為69.067%和16.877%，累計貢獻率達到85.944%。依據因子提取原則，將7個單一指標降維得到2個相互獨立因子。基本代表了所測指標的全部信息，可反應影響大麥萌發期抗旱性主導因素。載荷量的高低，反映主因子與各指標的相關程度。第1主成分與發芽勢、發芽率和發芽指數相關性最大，均大于0.9；第2主成分與苗高相關性最高達到0.683。2個因子可解釋85.944%的數據變化趨勢，且丟失信息較少，發芽勢、發芽率、發芽指數和苗高與2因子相關系數較高，發芽勢、發芽率、發芽指數和苗高可作為大麥萌發期抗旱性鑒定的重要指標。表5，表6

表5 所有因子特征值以及貢獻率
Table 5 Eigen values of all factors and their contributions

No.特征值Eigen value貢獻率Contribution(%)累計貢獻率Cumulative contribution(%)14.83569.06769.06721.18116.87785.94430.5377.67193.61440.3414.87698.4950.0570.80999.29960.0450.63999.93870.0040.062100

表6 2個主因子載荷矩陣
Table 6 Loading matrix of two factors

主因子 FactorGPGRGIRNRLSHCL因子1 Factor 10.9130.9380.9430.6730.7490.6960.856因子2 Factor 2-0.287-0.234-0.262-0.4330.5440.6830.160

GP:發芽勢;GR:發芽率;GI:發芽指數；RN:根數;RL:根長;SH:苗高;CL:胚芽鞘長度

GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length

2.5 回歸模型建立及鑒定指標篩選

用各指標相對值作為自變量，將綜合評價D值作為因變量進行多元逐步回歸線性分析，得到最優回歸方程：D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP，方程決定系數R2=0.992，P=0.01。7個單項指標中有3個對大麥萌發期抗旱性有顯著影響，分別是發芽率、苗高和發芽勢。發芽率、苗高和發芽勢可作為評價大麥萌發期抗旱性的關鍵指標。在相同試驗條件下，調查上述指標并計算相對值，利用回歸方程可以有效評估大麥品種萌發期抗旱性。

3 討 論

種子萌發期是作物生長發育的起始階段，也是最易受到逆境脅迫的關鍵時期，能否出全苗長壯苗決定了全田基本苗數，最終影響著產量的構成。研究利用PEG-8000水溶液對大麥進行室內萌發期鑒定，觀測各形態指標的變化，從而初步評價其抗旱性。該法具有實驗周期短、不易受外界環境影響，操作簡便等優點，為室內模擬大麥萌發期抗旱性鑒定方法提供了借鑒。

作物抗旱性是一個復雜的數量性狀，受到多種因素的協同作用。作物各單項指標對抗旱性的貢獻度是不同的，鑒于作物抗旱性的復雜度，目前為止沒有哪個單項指標能充分代表。不能片面的利用個別指標對其做出評判，需結合統計方法對其抗旱性綜合評價。關于作物抗旱性評價方法，有采用隸屬函數[15]、主成分分析[16]、灰色關聯分析[17]和聚類分析[18]等方法進行綜合評價，能有效彌補單一指標評價的不足。研究利用主成分分析法，發現發芽勢、發芽率、發芽指數和苗高可作為大麥萌發期抗旱性鑒定的重要指標。前3個指標均和大麥萌發能力有關，體現了發芽速度和整齊度，這與鞠樂等[13]的研究結果相類似。近年來，許多學者對萌發期抗旱性指標的確定也提出了不同的見解。李國瑞等[4]認為發芽率和發芽指數是萌發期抗旱性鑒定的參考指標。張樹林等[19]認為萌發期抗旱性鑒定的關鍵指標分別是芽長、發芽勢、根鮮重。鞠樂等[11]將胚根長、胚芽長、胚芽干重、物質轉運速率作為大麥萌發期抗旱性快速鑒定重要指標。研究篩選出的指標與前人有相似之處。同時還發現，與對照相比，PEG脅迫下胚芽鞘長度無顯著變化，這與張芳等[20]的研究結果不一致，可能是材料自身遺傳特性造成的，研究所選材料均是從中亞引進的皮大麥品種。利用線性回歸得到最優方程D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP，為今后大麥萌發期抗旱性鑒定提供了參考，因此,僅需要調查發芽率、苗高和發芽勢即可評估相應材料抗旱性，從而簡化了室內表型鑒定的工作。

目前作物抗旱性評價方法沒有統一規范，每種方法也各有利弊。研究利用隸屬函數法對12份中亞引進大麥品種萌發期抗旱性進行綜合評價，發現吉33綜合得分最高，表明抗旱性最強，而吉引2013-7-DM-088抗旱性最差，這與利用綜合抗旱系數進行評價的結果一致。經過兩種方法的相互驗證，上述材料排位無變化，表明評判更加客觀準確，綜合評價抗旱性更具有效性。約10 500 aBP起源于西亞地區的大麥在4 500～4 000 aBP傳入中亞東部和中國西北地區，可能是亞歐大陸東西方文化元素最早匯聚的地區[21]。新疆和中亞深處內陸，受中緯度西風的影響更大，這個區域遠離海洋，除了部分高大山地以外，年降水量都在 200 mm以下[14]。新疆大麥生產擁有得天獨厚的歷史背景和相似的環境條件，因此,從農作物傳播及地理環境特點出發，引進并利用中亞大麥抗逆品種，不僅能豐富我區大麥種質資源，還可利用吉33構建群體用于抗旱基因定位研究。為拓寬大麥骨干親本庫，挖掘抗旱關鍵基因具有重要意義。各生育時期抗旱性表現、生理生化指標則是下一階段關注的重點。

4 結 論

研究12份不同基因型中亞引進大麥萌發期的抗旱性，利用隸屬函數法綜合評價鑒定吉33抗旱性最強，吉引2013-7-DM-088抗旱性最弱。通過主成分分析和多元逐步回歸線性分析得到最優回歸方程D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP，并篩選出發芽率、苗高和發芽勢3個鑒定指標，可作為大麥萌發期抗旱性的關鍵指標。