小麥種質(zhì)資源萌發(fā)吸脹期耐濕性評(píng)價(jià)及篩選

鄭文寅，黃園園，胡澤林，周賀杰，汪 輝，張夢(mèng)祺

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽合肥 230036)

濕害是指土壤水分在達(dá)到飽和時(shí)對(duì)作物正常發(fā)育所產(chǎn)生的危害，世界上大約10%的耕地面積常常受到漬濕危害[1]。長(zhǎng)江中下游麥區(qū)是我國(guó)重要的小麥主產(chǎn)區(qū)，溫光資源豐富，是中國(guó)增產(chǎn)潛力較高的小麥主產(chǎn)區(qū)[2]，但濕害常有發(fā)生。近年來(lái)，隨著該區(qū)稻茬免耕種植模式的推廣，田間土壤質(zhì)地黏重且透氣性差，排水困難，地下水位高[3]，如果播種期雨水偏多，就會(huì)形成濕害并影響稻茬麥的播種質(zhì)量，導(dǎo)致難以一播全苗、苗齊和苗壯，進(jìn)而影響小麥后期群體和最終產(chǎn)量。目前小麥相關(guān)濕害研究主要集中在生育中后期(如孕穗期、揚(yáng)花期和灌漿期等)表型鑒定以及生理生化機(jī)制和內(nèi)源激素及其酶活性變化等方面[4-6]，而影響播種質(zhì)量的耐濕性相關(guān)研究較少。

衡量作物播種質(zhì)量的重要指標(biāo)是田間成苗率，由種子萌發(fā)能力決定。而種子的萌發(fā)分為吸脹、萌動(dòng)、發(fā)芽和成苗四個(gè)階段[7]，每個(gè)階段對(duì)水分脅迫的響應(yīng)各不相同。目前在種子發(fā)芽期進(jìn)行耐性(抗性)鑒定是評(píng)價(jià)作物耐性(抗性)的方法之一。王林海等[8]、許 晶等[9]就以發(fā)芽期和苗期以相對(duì)成苗率作為主要指標(biāo)分別來(lái)鑒定芝麻和油菜的耐漬性。Zou等[10]研究認(rèn)為，油菜在發(fā)芽期和苗期的耐漬性與成熟期的耐漬性一致，而且在發(fā)芽期篩選耐漬性更有效。蔡博偉等在小麥芽苗期進(jìn)行人工模擬漬害處理，以發(fā)芽率、單株質(zhì)量、根系質(zhì)量計(jì)算單株漬害指數(shù)和根系漬害指數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)芽苗期不同小麥品種(系) 的抗?jié)n能力，并篩選出28個(gè)耐漬強(qiáng)的品種(系)[11]。近年來(lái)對(duì)小麥芽苗期的耐濕性研究較少，尤其是小麥萌發(fā)第一階段的吸脹期耐濕性鑒定尚未見(jiàn)報(bào)道。

作物耐濕性是一個(gè)很復(fù)雜的數(shù)量性狀，這給其鑒定和評(píng)價(jià)帶來(lái)了一定的困難。有研究者認(rèn)為，單一指標(biāo)對(duì)耐濕性的評(píng)價(jià)比較片面，難以與實(shí)際情況相吻合[12]，因此不同學(xué)者采取不同的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行耐濕性鑒定。聚類、逐步判別、主成分分析等多元統(tǒng)計(jì)法已成功應(yīng)用于大豆、甘薯、油菜、大麥等作物的耐濕性鑒定，其結(jié)果均能較好地反映各基因型對(duì)濕害的耐性[13-16]。本研究以反映質(zhì)膜透性、種子活力等生理和形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行小麥種質(zhì)資源吸脹期耐濕性綜合評(píng)價(jià)，以期建立一種新的篩選和鑒定指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，為萌發(fā)吸脹期耐濕小麥種質(zhì)資源的篩選和品種改良提供理論 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為安徽省小麥產(chǎn)業(yè)體系各試驗(yàn)站展示品種，包括安科157等159份材料，均于成熟期收獲并脫粒、曬干。室內(nèi)貯藏3個(gè)月以完成后熟作用后密閉貯藏于低溫種子貯藏柜中備用。

1.2 試驗(yàn)方法

每個(gè)小麥品種隨機(jī)選取150粒種子(3次重復(fù)，每重復(fù)50粒)，裝入50 mL離心管中，注滿蒸餾水并密閉，于20 ℃條件下進(jìn)行1 d、3 d、5 d、7 d淹水缺氧處理以模擬播種季節(jié)的田間漬水情況。用HI98303數(shù)字電導(dǎo)儀分別測(cè)定不同漬水時(shí)間小麥籽粒浸泡液電導(dǎo)率。將淹水缺氧處理后的種子用蒸餾水沖洗2～3次置于發(fā)芽盒中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)(發(fā)芽條件為恒溫20 ℃，光照12 h，黑夜12 h)，于第7 天統(tǒng)計(jì)成苗率，并隨機(jī)選取10株幼苗測(cè)定根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、鮮重，并計(jì)算相對(duì)電導(dǎo)率、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)莖長(zhǎng)、相對(duì)鮮重、相對(duì)成苗率、相對(duì)活力指數(shù)和相對(duì)濕害率等指標(biāo)。

種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率=處理的種子電導(dǎo)率/對(duì)應(yīng)種子重量；

相對(duì)根長(zhǎng)=(處理根長(zhǎng)/對(duì)照根長(zhǎng))×100%；

相對(duì)莖長(zhǎng)=(處理莖長(zhǎng)/對(duì)照莖長(zhǎng))×100%；

相對(duì)鮮重=(處理鮮重/對(duì)照鮮重)×100%；

相對(duì)成苗率=(處理成苗率/對(duì)照成苗率)×100%；

相對(duì)簡(jiǎn)化活力指數(shù)=(處理成苗率×處理莖長(zhǎng))/(對(duì)照成苗率×對(duì)照莖長(zhǎng))；

相對(duì)濕害率=(對(duì)照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對(duì)照發(fā)芽率×100%

1.3 綜合評(píng)價(jià)耐漬性

依據(jù)文獻(xiàn)資料[17-18]所述，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值、權(quán)重以及耐濕性綜合評(píng)價(jià)值。

1.3.1 基于主成分分析得到的綜合指標(biāo)

對(duì)7個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，便于將多個(gè)彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)(Zj)[19]。

1.3.2 動(dòng)態(tài)聚類分析

參照顧世梁[18]的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類分析，把距離近的點(diǎn)歸為一類，距離遠(yuǎn)的點(diǎn)歸為另一類。

1.3.3 隸屬函數(shù)值

由于原始數(shù)據(jù)存在量綱及數(shù)量大小的不同，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，目的在于消除量綱，使數(shù)據(jù)具有客觀可比性。

yij=(xij-minj)/(maxxj-minj)

(2)

yij=1-(xij-minj)/(maxj-minj)

(3)

公式中，xij為第i個(gè)材料第j個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)即第i個(gè)材料第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；maxj、minj分別為第j個(gè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的最大值和最小值。當(dāng)某一指標(biāo)與耐濕性呈正相關(guān)時(shí)用公式2求隸屬函數(shù)值，呈負(fù)相關(guān)時(shí)用公式3求隸屬函數(shù)值。

1.3.4 綜合評(píng)價(jià)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用Excel、DPS軟件、MATLAB軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、隸屬函數(shù)法、相關(guān)分析、主成分分析、方差分析、動(dòng)態(tài)聚類分析等統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐濕性鑒定的漬水時(shí)間篩選

159份小麥材料分別在吸脹期進(jìn)行1 d、3 d、5 d和7 d的漬水處理后，由于漬水7 d后95%的小麥品種不能恢復(fù)發(fā)芽生長(zhǎng)，因此只分析1 d、3 d和5 d的漬水處理數(shù)據(jù)(表1)。從表1來(lái)看，隨著漬水時(shí)間的延長(zhǎng)，不同小麥品種的平均相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)濕害率不斷增加，相對(duì)成苗率、相對(duì)鮮重、相對(duì)莖長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)活力指數(shù)不斷下降。不同指標(biāo)的變異系數(shù)在相同時(shí)間漬水處理下表現(xiàn)不同，且隨著漬水時(shí)間的延長(zhǎng)，各指標(biāo)變異系數(shù)的變化趨勢(shì)存在差異，說(shuō)明不同指標(biāo)對(duì)漬水脅迫的反應(yīng)不同。

表1 159份小麥材料吸脹期不同漬水處理結(jié)果比較Table 1 Comparison of the results of waterlogging at seed imbibition stage in 159 wheat materials

2.2 小麥耐濕評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)分析

相關(guān)分析(表2)表明，相對(duì)濕害率與種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)成苗率、相對(duì)鮮重等五個(gè)指標(biāo)呈極顯著負(fù)相關(guān)。相對(duì)成苗率與相對(duì)鮮重、相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)活力指數(shù)呈極顯著正相關(guān)。種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率與相對(duì)濕害率呈極顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。相對(duì)活力指數(shù)與相對(duì)成苗率、相對(duì)鮮重、相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)都呈極顯著正相關(guān)，而與種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)。其中，相對(duì)活力指數(shù)與相對(duì)成苗率的相關(guān)系數(shù)最大，為0.97。此外，從7個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)看，所有指標(biāo)之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，這說(shuō)明7個(gè)指標(biāo)提供的耐濕性信息之間存在交叉重疊的現(xiàn)象，因此有必要用主成分分析法把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成少數(shù)獨(dú)立的綜合指標(biāo)，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)小麥耐濕性。

表2 小麥各耐濕指標(biāo)的相關(guān)性Table 2 Correlation of the indices of wheat waterlogging tolerance

2.3 小麥耐濕指標(biāo)的主成分綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)主成分分析，共選取前3個(gè)主成分作為耐濕性鑒定的綜合指標(biāo)。其中，第1主成分的特征值為4.99，貢獻(xiàn)率為71.24%；第2主成分的特征值為0.97，貢獻(xiàn)率為13.89%；第3主成分的特征值是0.50，貢獻(xiàn)率為7.11%。這三個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.24%，說(shuō)明這3個(gè)綜合指標(biāo)基本上可以反映7個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的信息(表3)。

依據(jù)7個(gè)測(cè)定指標(biāo)的特征向量(表4)，通過(guò)以下三個(gè)公式計(jì)算出每個(gè)材料的三個(gè)主成分(Z1～Z3)值(表5)。在第1主成分中，相對(duì)活力指數(shù)和相對(duì)成苗率的特征向量值比較大，故第一主成分可以簡(jiǎn)單概括為活力因子；在第2主成分中，相對(duì)鮮重、相對(duì)莖長(zhǎng)特征向量比較大，可以簡(jiǎn)單概括為生長(zhǎng)因子；在第3主成分中，種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率特征向量最大，可以概括為細(xì)胞膜穩(wěn)定性 因子。

Z1=-0.336 5X1+0.409 9X2+0.291 8X3+0.376 3X4+0.396 7X5+0.408 1X6- 0.409 9X7

Z2=-0.312 1X1-0.391 9X2+0.534 8X3+0.325 6X4+0.237 3X5-0.383 4X6+ 0.391 9X7

Z3=0.649 2X1+0.093 3X2+0.719 6X3-0.141 1X4-0.126 5X5+0.086 3X6- 0.093 3X7

2.4 小麥耐濕性的綜合評(píng)價(jià)

進(jìn)一步進(jìn)行三維空間動(dòng)態(tài)聚類分析，將小麥159份種質(zhì)資源劃分為高度耐濕型、中度耐濕型和不耐濕型3類(圖1)。在三種類型中，高耐濕型材料46個(gè)(綠色)，占供試材料的28.9%；中度耐濕型有66個(gè)(藍(lán)色)，占供試材料的41.5%；不耐濕型有47個(gè)(紅色)，占供試材料的29.6%。同時(shí)，借鑒佟漢文[19]和周廣生[20]的方法，計(jì)算出159個(gè)小麥品種的耐濕性綜合評(píng)價(jià)值(D值)(表5)。從表5可知，供試材料的耐濕性D值變化幅度較大，為0.92～0.08，顯示出這批材料的耐濕性基因型較豐富。結(jié)合圖1可知， 標(biāo)為綠色、藍(lán)色和紅色的材料的平均D值分別為0.79、0.63和0.34，但這3類材料的D值極差之間存在交叉重疊現(xiàn)象，因此須分別計(jì)算各自95%的置信區(qū)間[21]。結(jié)果表明，這3種類型的D值置信區(qū)間分別為>0.72、0.72～0.52和<0.52。結(jié)合圖1和表5，可將D值大于0.72且在圖1中綠色部分的品種歸為高耐濕種質(zhì)，包括周麥27、煙農(nóng)19、泰農(nóng)19、淮麥22、明麥1號(hào)等42個(gè)品種；而將D值小于0.52的品種歸為不耐濕種質(zhì)，包括渦麥66、寧麥21、保麥5號(hào)、徐麥9158、揚(yáng)麥13等53個(gè)品種(表5)。

表3 各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of each principal component

表4 主成分分析得到的特征向量Table 4 Eigenvectors from principal component analysis

表5 小麥耐濕性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation results of wheat waterlogging tolerance

(續(xù)表5 Continued table 5)

(續(xù)表5 Continued table 5)

3 討 論

在長(zhǎng)江流域的麥-稻兩熟連作區(qū)，種植小麥的土壤為稻田土，其質(zhì)地黏重，排水能力差。在播種季節(jié)遇雨則易積水，造成種子播后漬水悶種而死亡，從而造成缺苗斷壟。生產(chǎn)上，種植戶常采用增大播種量的方式來(lái)彌補(bǔ)這種損失，但這一做法既浪費(fèi)了大量種子，還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，并不可取，而種植吸脹期耐濕害的小麥品種則是更經(jīng)濟(jì)高效的措施。因此，本研究采用發(fā)芽吸脹期漬水缺氧處理，以模擬小麥播種初期的這種田間濕害。結(jié)果發(fā)現(xiàn)小麥這一階段的耐濕性存在著較大的變異，當(dāng)濕害5 d時(shí)，種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率、相對(duì)鮮重等的變異程度均超過(guò)50%，可見(jiàn)小麥吸脹期耐濕性有較大的遺傳改良空間，因而明確這一時(shí)期耐濕性評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而準(zhǔn)確、客觀評(píng)價(jià)小麥種質(zhì)資源的吸脹期耐濕性對(duì)后續(xù)遺傳改良十分重要。

不同的學(xué)者分別從生理生化、形態(tài)等方面對(duì)作物的耐濕性進(jìn)行研究，并提出了各種耐濕性評(píng)價(jià)指標(biāo)。陳 潔等[22]對(duì)甘藍(lán)型油菜的耐濕性鑒定的研究中，將露白后的種子密閉水淹12 h后，恢復(fù)正常生長(zhǎng)6 d，發(fā)現(xiàn)相對(duì)活力指數(shù)可以作為評(píng)價(jià)油菜的恢復(fù)生長(zhǎng)能力。王林海等[8]對(duì)發(fā)芽期芝麻的耐濕性研究認(rèn)為，漬水9 h是評(píng)價(jià)芝麻發(fā)芽期耐濕性的最適時(shí)間，而相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)成苗率、死亡率和相對(duì)活力指數(shù)等5個(gè)指標(biāo)可以用來(lái)評(píng)價(jià)芝麻發(fā)芽期耐濕性。本研究是對(duì)吸脹期小麥進(jìn)行耐濕性鑒定，除了借鑒前人研究中的相對(duì)芽長(zhǎng)等指標(biāo)外，為了使評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更完善還加入了種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率這一生理指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著漬水時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥的相對(duì)成苗率、相對(duì)活力指數(shù)、根長(zhǎng)等都在減少，且與相對(duì)濕害率呈顯著負(fù)相關(guān)，這與前人的研究基本一致[15,23-24]。而反映細(xì)胞膜穩(wěn)定性的種子浸泡液相對(duì)電導(dǎo)率這一生理指標(biāo)則表現(xiàn)不同，隨著濕害時(shí)間的增加，其值也在增加，且與相對(duì)濕害呈顯著正相關(guān)。在主成分分析中，將7個(gè)單一指標(biāo)轉(zhuǎn)化為3個(gè)綜合指標(biāo)，分別為以相對(duì)活力指數(shù)為主的活力因子、以相對(duì)鮮重為主的生長(zhǎng)因子以及以相對(duì)電導(dǎo)率為主的細(xì)胞膜穩(wěn)定性因子，分別反映了小麥吸脹期耐濕性的不同方面，這比任何單一指標(biāo)能更準(zhǔn)確、直觀地反映不同種質(zhì)資源的耐濕性。

對(duì)于作物的耐濕性評(píng)價(jià)方法，周廣生等[20]的研究是運(yùn)用了聚類分析來(lái)評(píng)價(jià)12個(gè)小麥品種的耐濕性，林一波等[26]則是通過(guò)單一指標(biāo)的聚類分析來(lái)評(píng)價(jià)50個(gè)小麥品種耐濕性。但這些方法都有一定局限性，且只能評(píng)價(jià)較少的品種。在本研究中，為評(píng)價(jià)159份小麥品種的耐濕性，采用了動(dòng)態(tài)聚類分析方法[16]。這一方法屬于大樣本聚類法，更適用于種質(zhì)資源篩選的大樣本分類分析。本研究以主成分分析得到的3個(gè)綜合指標(biāo)作為動(dòng)態(tài)聚類分析的三維空間進(jìn)行聚類，并將耐濕性直觀地劃分為3個(gè)等級(jí)。為更好綜合評(píng)價(jià)供試材料的耐濕性差異，本研究通過(guò)提取的3個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率來(lái)計(jì)算各個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重，并計(jì)算出各小麥品種的綜合評(píng)價(jià)值(D)，通過(guò)D值的大小對(duì)不同小麥品種的耐濕性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)聚類的結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)D值的結(jié)果基本一致，因此在主成分分析基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)聚類分析和隸屬函數(shù)法都可做為客觀、準(zhǔn)確 、科學(xué)地評(píng)價(jià)小麥吸脹期耐漬性的方法。