新疆冬小麥品種資源萌發期耐旱性鑒定與篩選

王永剛，張勝軍，劉亞麗，樊艷星，郭彩琴，馬艷明

(1.新疆農業科學院農作物品種資源研究所,烏魯木齊 8300912; 2.新疆伊犁哈薩克自治州農業科學研究所，新疆伊寧 835011)

0 引 言

【研究意義】每年因干旱導致的農作物減產要超過其他限制因素的總和[1]。小麥(TriticumaestivumL.)是我國最主要的一種糧食作物[2]。篩選和培育抗旱性強的小麥品種是解決其應對干旱的重要途經之一[3-4]。新疆屬于干旱和半干旱地區，有秋冬連旱的現象，影響冬小麥的種子萌發，直接影響其基本苗數[5]。小麥種子萌發期相較其它生長階段更易遭受干旱影響，較強的萌發期抗旱性，是干旱脅迫下保證小麥幼苗生長和后期高產的關鍵。鑒定和評價新疆冬小麥種質資源的抗旱性，篩選出強抗旱性的小麥品種，對小麥抗旱性育種具有重意義。【前人研究進展】有作物抗旱性鑒定與篩選研究，包括作物的種類、形態、生長發育等，得出一些有效鑒定作物耐旱性的方法與指標[6-9]。小麥抗旱性是一個復雜的生物學性狀[10-11]。僅憑單一指標很難準確地判斷其抗旱性。采用模糊隸屬函數值、灰度關聯、主成分分析、聚類分析等方法進行抗旱性綜合評價[12]。其中，主成分分析是對各個指標間的相關性估算，該法已廣泛用于各種作物種子萌發期抗旱性評價分析[13-14]。孫綠等[15]對黃淮地區119份冬小麥品種進行萌發期抗旱性評價和鑒定，利用加權隸屬函數法結合聚類分析，篩選出13份強抗旱的小麥種質；李國瑞等[16]對41份西南麥區小麥品種進行萌發期抗旱性分析，篩選出5個抗旱性強的小麥品種。張芳等[17]通過加權隸屬函數法結合分子標記檢測，從83份新疆冬小麥品種中篩選出5份具有強抗旱性的小麥品種。【本研究切入點】選育抗旱性強的品種是抵御干旱、保證產量的有效途徑。小麥萌發期干旱將會導致大面積缺苗，直接影響到小麥生產的穩定發展。從新疆冬小麥品種資源中鑒定篩選出萌發期抗旱性強的品種用于生產，是直接有效的方法。雖然前人對不同區域的小麥萌發期抗旱性進行了許多相關研究報道，但是不同區域的小麥種質抗旱性存在一定差異，目前，對新疆冬小麥種質萌發期抗旱性的綜合評價分析較少，涉及品種數不全，限制了新疆優異抗旱性小麥種質資源的有效利用。研究鑒定與篩選新疆冬小麥品種資源萌發期耐旱性。【擬解決的關鍵問題】以新疆冬小麥地方品種和選育品種為材料，在萌發期利用PEG-6000模擬干旱條件，測定芽長、根長、胚芽鞘長等8個指標，計算隸屬函數值、權重值和耐旱綜合評價D值，對新疆冬小麥品種資源的萌發期耐旱性進行聚類分級，篩選出萌發期耐旱性較強的品種，為新疆冬小麥耐旱品種選育提供資源材料及參考價值。

1 材料與方法

1.1 材 料

采用188個新疆冬小麥品種資源，其中地方品種134個，育成品種54個，均為新疆農業科學院農作物品種資源研究所收集保存的材料，試驗采用2015年10月種植，2016年7月收獲的自花授粉種子。表1

表1 參試新疆冬小麥品種名稱

續表1 參試新疆冬小麥品種名稱

續表1 參試新疆冬小麥品種名稱

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

種子萌發期抗旱性鑒定參照文獻[18-19]方法。選擇籽粒飽滿、大小一致、完整無破損、無蟲蛀、無缺陷的50粒小麥種子，先用去離子水沖洗3遍，發芽盒里放入2層發芽紙，加入20 mL去離子水或者20%PEG，均勻擺入小麥種，加蓋后放入培養箱，20℃條件下培養，每隔1 d調查種子發芽率(即2、4、6、8 d各調查1次)，以芽長達種子長一半，根長與種子等長為發芽標準，第8 d停止培養，統計發芽數，隨機挑選 10 株幼苗調查芽長(SL，shoot length) 、根長(RL，root length)、芽鮮重(SFW，shoot fresh weight) 與根鮮重 (RFW，root fresh weight)，芽干重(SDW，shoot dry weight)與根干重(RDW，root dry weight)是鮮重測完后，把幼苗放在烘箱100℃，殺青20 min，80℃烘干至恒重，分別稱量根干重、地上部干重，計算相對根長(RRL，relative root length) 、相對芽長(RSL，relative shoot length) 、鮮重根冠比(RSR，rootshoot ratio) 、相對根冠比(RRSR， relative rootshoot ratio) 、相對芽鮮重(RSFW，relative shoot fresh weight) 和相對根鮮重(RRFW，relative root fresh weight)。各指標的相對值(%)=PEG處理指標值/對照指標值×100%。

1.2.2 耐旱性綜合評價

參照小麥萌發期耐鹽性[20-23]方法評價，計算綜合指標的隸屬函數值、權重值和耐旱綜合評價D值。

隸屬函數值：

(1)

式中，U(Xij)為第i個材料第j個綜合指標的隸屬函數值，Xij為第i個材料第j個綜合指標值，Xjmax為該綜合指標的最大值，Xjmin為該綜合指標的最小值。

權重值：

(2)

式中，Wj值表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度；Pj表示第j個綜合指標的貢獻率；綜合指標和貢獻率由主成分分析法獲得。

綜合評價值：

(3)

式中，D為各材料在旱脅迫條件下用綜合指標評價的耐旱度量值，Xij為第i個材料第j個綜合指標值，Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度。D是純數值，其范圍為[0，1]，使材料之間的耐旱性具有可比性[24]，D值越大，耐旱性越強。

采用K-均值聚類法對D值聚類，設置聚類數目為5，即D值被分為5類，從大到小依次對應高耐(HT)、耐旱(T)、中耐(MT)、敏感(S)、高感(HS)5個耐旱類別。

1.3 數據處理

采用Excel 2009和IBM SPSS Statistics 23軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 新疆冬小麥地方品種萌發期耐旱性指標

研究表明，除了鮮重根冠比外，其他7個測定指標均受到不同程度的抑制，旱脅迫顯著影響了新疆冬小麥地方品種的種子萌發和幼苗生長。其中，受影響最大的2個指標是芽鮮重和芽長，均值分別為0.31 mg和55.87 cm，較對照分別下降了65.56%和62.30%。根長、根鮮重、芽干重、鮮重根冠比、根干重、胚芽鞘長均值較對照分別下降了56.07%、50.68%、50.00%、46.99%、16.67%和11.84%。與對照相比，旱脅迫條件下8個指標的變異系數均增大，其中變異系數增幅最大是芽長。表2

2.2 新疆冬小麥育成品種萌發期耐旱性指標

研究表明，除了鮮重根冠比外，其他7個測定指標均受到不同程度的抑制。其中，受旱脅迫影響最大的是芽鮮重和芽長，均值分別為0.37 mg和52.21 cm，較對照分別下降了62.24%和57.10%。與對照相比，旱脅迫條件下8個指標的變異系數均增大，其中變異系數增幅最大是芽長。不同類型小麥品種旱脅迫下各指標的均值和變異系數的變化趨勢相同，但地方品種的芽長、根長、芽鮮重、根鮮重和根冠比受旱脅迫影響程度大于育成品種。表3

表3 20%PEG脅迫下育成品種萌發期耐旱性指標的比較Table 3 Indices comparison of winter modern cultivars treated with 20% PEG solution during germination stage

2.3 耐旱性指標的相關性

研究表明，相對根冠比與相對芽長、相對胚芽鞘長、相對芽鮮重、相對芽干重均呈極顯著負相關，與相對根干重呈顯著正相關，與相對根長呈不顯著負相關；相對芽長與相對胚芽鞘長、相對根長等6個指標均呈極顯著正相關；相對胚芽鞘長與相對根長、相對芽鮮重、相對根鮮重、相對芽干重4個指標呈極顯著正相關，與相對根干重呈顯著正相關；相對根長與相對芽鮮重、相對根鮮重、相對芽干重、相對根干重呈極顯著正相關，與相對根冠比呈不顯著負相關；相對芽鮮重與相對根鮮重、相對芽干重、相對根干重呈極顯著正相關，與相對根冠比呈極顯著負相關；相對根鮮重與相對芽干重、相對根干重、相對根冠比呈極顯著正相關；相對芽干重與相對根干重呈極顯著正相關，與相對根冠比呈極顯著負相關；相對根干重與相對根冠比呈顯著正相關。除個別指標間無相關性外，多數指標間均存在較大的相關性，多個指標提供的耐旱信息交叉重疊，不能用來直接評價品種的萌發期耐旱性。表4

表4 20%PEG脅迫下188個小麥品種萌發期耐旱性指標的相關性Table 4 Correlation coefficients between drought-tolerance indices of 188 wheat varieties treated with 20% PEG solution during germination stage

2.4 萌發期耐旱性指標的主成分

研究表明，對188份新疆冬小麥品種萌發期耐旱性指標，以累計貢獻率大于85%為原則選擇主成分，確定4個獨立的主成分作為耐旱性鑒定綜合指標。

確定各主成分中起主要作用的單指標是：第1主成分是相對芽鮮重、相對芽長和相對胚芽鞘長，第2主成分是相對胚芽鞘長和相對根長，第3主成分是相對根鮮重和相對根冠比，第4主成分是相對根干重。表5

表5 各主成分的特征值和貢獻率

2.5 新疆冬小麥品種萌發期耐旱性綜合評價

研究表明，萌發期4個主成分的權重值依次為0.396、0.243、0.210、0.151。供試材料的耐旱性分為高耐、耐旱、中耐、敏感、高感5個級別，每個耐旱級別材料的份數依次為10、42、53、56、27，分別占供試材料的5.32%、22.34%、28.19%、29.79%和14.36%。134個地方品種中有7個高耐品種，分別是來自烏魯木齊市的白冬麥、伽師縣的哈熱克、莎車縣的白穗早熟冬麥、澤普縣的黑穗麥、鄯善縣的紅冬麥、和靜縣的紅冬麥及尉犁縣的尉力小麥。54個審定品種中僅有3個高耐品種，分別是伊農1號、伊農16號和伊農20號，均為伊犁地區選育的品種；表現為耐旱級別的品種有18個，包括北疆地區生產上大面積種植的新冬18號和南疆喀什地區大面積種植的新冬20號；中耐級別的品種有11個、敏感級別的品種18個，高感級別的品種34個。表6，表7

表6 20%PEG脅迫下小麥萌發期耐旱性指標的得分系數

表7 54個新疆冬小麥育成品種的萌發期耐旱性分級

3 討 論

3.1 小麥萌發期抗旱性鑒定指標及評價方法選擇

按照作物生長環境不同，抗旱性鑒定方法可分為田間直接鑒定法、土壤干旱脅迫鑒定法、高滲溶液法與大氣干旱法等幾種。高滲溶液法一般用于作物萌發期和苗期抗旱性鑒定[25-26]。作物抗旱性的鑒定指標包括形態指標、生長發育指標、產量指標、生理生化指標及綜合評價指標[27]。由于作物抗旱性具有非常復雜的作用機制，受自身與環境影響較大，用單項指標來評價作物的抗旱性具有一定局限性，目前國內外學者多使用綜合指標法來評價作物的抗旱性，并且該方法也被廣泛地用于小麥萌發期抗旱性指標的綜合分析當中。

3.2 旱脅迫對小麥萌發期測定指標的影響

李靜靜等[28]研究發現，小麥經過旱脅迫后，其芽長、主胚根長、芽鮮質量、根鮮質量、發芽率、發芽勢、發芽指數相關指標均受到抑制；張軍等[29]也同樣發現干旱處理后，小麥發芽率、胚芽鞘長度、芽長、主胚根長和儲藏物質轉運率均受到抑制，且不同品種降幅不同。研究使用聚乙二醇法模擬干旱壞境對134個新疆冬小麥地方品種和54個育成品種萌發期的芽長、根長、胚芽鞘長、芽鮮重、根鮮重、芽干重、根干重和鮮重根冠8個不同指標進行測定分析，結果發現地方品種和育成品種中，除了鮮重根冠比外，其他7個測定指標均受到不同程度的抑制。干旱脅迫對小麥萌發期種子的生長發育造成了嚴重影響。

3.3 小麥萌發期抗旱性綜合評價

采用單一指標不能準確有效判斷其抗旱性，應選用多個指標綜合評價作物的抗旱性[30]。研究發現，小麥萌發期抗旱性各個指標間的相關系數發生重疊，不易選出合適的關鍵指標。選用主成分分析法將8個指標轉換成4個獨立的綜合指標，作為鑒定新疆冬小麥萌發期耐旱性的綜合指標，簡化綜合評價工作。上述得到的綜合指標與前人結果存在一定差異。安欣慧等[30]對北方麥區30個小麥品種萌發期抗旱性進行鑒定與評價，采用主成分分析法將貯藏物質轉運率、初生根數、主胚根長、芽長、發芽勢、萌發指數、發芽率等7個單項生理指標轉換為2個獨立的綜合指標進行后期抗旱性類型的劃分。張樹林等[31]采用主成分分析方法，將52個小麥新品系的芽長、根長、根鮮重、芽鮮重、芽干重、根干重、發芽勢和發芽率等8個單個指標轉換為3個綜合指標用于對所有供試材料的抗旱性鑒定。造成這些指標的不同可能源于前人研究的抗旱材料類型不同，品種數量有限，且來源地具有差異等。

主成分分析獲得的4個綜合指標，分析其貢獻率，確定權重，有效地避免了人為主觀確定耐旱綜合指標的重要性；最后計算獲得耐旱性綜合評價D值，并通過K-均值聚類法對供試材料進行耐旱性分級，鑒定篩選出表現為高耐旱的品種有10個，占總數的5.32%。按照不同類型來看，地方品種和育成品種占比分別為3.7%和1.6%，地方品種的占比最高，而目前新疆生產實踐中多以育成品種為主。新疆小麥的主栽品種以地方品種為主[32-33]。滴灌技術被廣泛用于小麥種植當中，緩解了干旱對小麥造成的嚴重危害[34]。小麥的育種資源不斷豐富，更加適宜于生產的育成品種增多，逐步替代了地方品種，成為新疆的主栽品種[17]。

4 結 論

新疆冬小麥地方品種的芽長、根長、芽鮮重、根鮮重和根冠比受旱脅迫影響程度大于育成品種，多數抗旱指標間均存在較大的相關性，經主成分分析確定了4個獨立的主成分作為耐旱性鑒定綜合指標。利用綜合評價值將所有材料分為5個耐旱性級別，134個地方品種中有7個高耐品種，54個育成品種中有3個高耐品種、18個耐旱品種，3個高耐品種均為伊犁地區選育的品種；18個耐旱品種中包括北疆地區的主栽品種新冬18號和南疆喀什地區的主栽品種新冬20號。篩選出的10份強耐旱小麥品種。