150份青稞種質資源成株期耐旱性鑒定

李 潔

(1.青海大學 農林科學院/青海省青稞遺傳育種重點實驗室/國家麥類改良中心青海青稞分中心,西寧 810016;

2.四川農業大學 農學院,成都 611130)

青稞(HordeumvulgareL.var.Hook.f)屬于禾本科大麥屬[1],在中國多種植于青藏高原地區,是該地區主要的糧食作物之一[2]。具有生育期短、耐寒、耐旱、耐瘠薄的優點,是在海拔2 800 m 以上地區可以正常成熟的飼料和糧食作物。目前青稞產業已成為青海省農牧業的主導產業及特色產業之一,在青海的播種面積逐漸擴大,近10 a在青海省的種植面積占當年糧食作物播種總面積的比重基本穩定在20%左右[3],至2019 年種植面積已經達到63.85×103hm2。因此,提高青稞的品質及產量,對發展相關省份,尤其是青海省的農業經濟,擴大糧食生產具有重大意義。干旱是導致作物產量和品質降低的最主要原因之一,造成巨大的經濟損失[4-5]。在青海,青稞多種植于無灌溉設施的區域,完全依靠自然降水,而青海省常年干旱少雨,尤其春季在小麥、青稞等麥類作物出苗分蘗及夏季開花灌漿時降水稀少,降低最終穗數的形成、縮短籽粒灌漿時間最終影響產量。如何有效利用更多干旱的土地進行生產也是青稞育種遇到的機遇與挑戰。因此,鑒定青稞種質資源的耐旱性,有效利用青稞因長期環境選擇而培育的自身耐旱遺傳潛力,為青稞耐旱遺傳育種研究及品種選育具有重要意義。

目前對大麥[6]、小麥[7-9]、玉米[10]、高粱[11]、棉花[12]等作物的抗旱性評價方法研究較多,徐銀萍等[6]利用抗旱度量值、綜合抗旱系數、加權抗旱系數等分析方法對30份大麥種質資源進行成株期抗旱評價,確定抗旱度量值為最適宜的抗旱鑒定指標,并篩選出5個成株期抗旱性強的大麥資源。鞠樂等[13]利用隸屬函數法對101份大麥資源進行萌發期抗旱性鑒定,篩選出2個抗旱性極強的材料以及2個抗旱性極弱的材料。張毅等[14]利用PEG-6000模擬干旱脅迫,對3個青稞品種的發芽率、苗(牙)長、根(胚)鮮質量、發芽指數等萌發特性及抗旱性進行評價。李潔等[15]同樣利用PEG-6000模擬干旱脅迫,對280 份青稞種質資源的13個性狀進行分析,通過主成分分析,結合耐旱系數以及聚類分析相結合的方法,對青稞苗期耐旱性進行綜合評價,篩選出9份強耐旱種質資源。在青海地區青稞成株期的耐旱評價研究鮮見報道,為使現有的耐旱資源為后期生產和特定目的育種所用,本研究以150份青稞種質資源為研究對象,綜合運用目前常用于耐旱性評價的方法,耐旱性綜合評價、綜合耐旱系數和加權耐旱系數相結合對青稞成株期的主穗長、單株粒數、單株粒質量、千粒質量、主穗穗數、株高、有效穗數7個與產量相關的指標進行綜合評價,以期為青稞種質耐旱資源的評價和篩選以及耐旱機理研究提供基礎材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試青稞種質資源為青海大學農林科學院青稞育種課題組培育和收集的150份骨干種質(表1)。

表1 測試種質詳情Table 1 Details of tested germplasm

(續表1 Continued table 1)

1.2 試驗方法

2019年和2020年在青海大學農林科學院實驗地進行田間試驗。該區海拔2 320 m,年均氣溫5.7 ℃,年降水量361.5 mm,為干旱、半干旱區。生長季209 d 以上,0 ℃以上積溫2 722.9 ℃。土質為栗鈣土,p H 8.12,含有機質20.28 g·kg-1、全氮1.17 g·kg-1、全磷2.18 g·kg-1、全 鉀22.5 g·kg-1、速 效 氮69 mg·kg-1、速 效 磷65 mg·kg-1、速 效229 mg·kg-1。

分 別 于2019-04-05 與2020-03-31 以 手 鋤 開溝撒播,播種量150 kg·hm-2。采取單因素隨機區組設計,設置兩種水分處理:正常處理(CK)和干旱脅迫處理(T),重復3 次,行距20 cm,種植10 行,區組間隔60 cm,試驗地四周播種10 行保護行。播前施含氮46%的尿素30 kg·hm-2、磷酸二銨112.5 kg·hm-2,作為基肥播種前一次性施入。播種時選擇大小色澤一致、飽滿、種皮完好的種子,干旱脅迫處理(T)材料種植在試驗地旱棚中,脅迫處理水分控制指標結合青稞耐旱特性并參考汪燦等[16]試驗方法,分別于播種前和拔節期灌水至田間持水量的55.0%左右,其他時期不再灌水。對照正常大田生產管理,于播種前、拔節期、孕穗期和灌漿期進行灌水,灌水至田間持水量的55.0%,其他時期依靠自然降水。

1.3 測定項目與方法

在成株期成熟前3 d,從每小區隨機拔取9株,測量主穗長和株高,調查主穗穗數、有效穗數,人工脫粒后統計單株粒數、待自然干燥后測定單株粒質量、千粒質量等指標。

1.4 數據處理與分析

以2019年和2020年數據的平均值為基礎數據,用EXCEL 2010、SPSS 23.0等統計分析軟件對150份青稞種質資源的耐旱相關性狀進行表型分析、主成分分析、相關性分析以及聚類分析,參照周廣生等[17]、袁闖等[11]和徐銀萍等[6]利用的評價方法,對青稞種質資源的耐旱性進行綜合評價。計算綜合耐旱系數(CDC)、耐旱性綜合評價(D),D值為參考序列進行灰色關聯度分析,得到兩者之間關聯度(γD),并計算各指標權重[ωi(γ)]以及加權耐旱系數(WDC)。

2 結果與分析

2.1 兩種處理下青稞種質資源成株期農藝性狀

由表2可以看出,兩種水分處理下,脅迫處理的各指標最大值、最小值以及平均值均低于正常水分處理,且差異均達到顯著水平。各處理變異系數為0.124～0.437,說明受試青稞種質資源各個性狀的多態性較高、差異明顯,具有代表性。在脅迫處理下,單株粒數的變異系數最大,單株粒質量的相關系數最小,說明水分對單株粒質量和單株粒數的影響最大。從兩種處理的相關系數看,各指標對脅迫處理的反應不一致,直接使用單項指標鑒定青稞的耐旱性具有較大的局限性[8,14]。

表2 兩種處理下供試青稞種質資源測定各指標基礎分析Table 2 Basic analysis of each index of tested hulless barley germplasm resources under two treatments

2.2 青稞種質資源各農藝性狀耐旱系數

由表3可知,與正常水分處理相比,干旱脅迫處理下各指標均有所變化,各項指標耐旱系數小于1.0,同一種質不同指標耐旱系數變化明顯。由表3可見,DC>0.4的主穗長、單株粒數、單株粒質量、千粒質量、主穗穗數、株高、有效穗數的分布頻率分別為100%、0%、0%、98.67%、100%、98.00%、12.07%,各指標耐旱性敏感程度順序為主穗穗數<主穗長<株高<單株粒質量<千粒質量<單株粒數<有效穗數。

表3 供試青稞種質資源各指標耐旱系數分布Table 3 Distribution of drought tolerance coefficient of tested hulless barley germplasm resources

表4結果顯示,各性狀間存在著較為復雜的相關性,其中主穗長與單株粒數、單株粒質量、主穗穗數、有效穗數呈極顯著相關;單株粒數與千粒質量外的其余指標均呈極顯著相關;單株粒質量與所有指標呈極顯著相關;千粒質量與單株粒質量和株高呈極顯著相關,與有效穗數呈負相關;主穗穗數與千粒質量外的指標均呈極顯著相關;進一步說明,各指標中所攜帶信息存在重疊,直接使用會影響青稞種質資源耐旱性評價的準確性。t

2.3 青稞種質資源各農藝性狀耐旱系數的主成分分析

為綜合評價青稞種質資源成株期的耐旱性,對所測形態指標進行主成分分析(表5)。前4個綜合指標貢獻率分別為46.46%、17.13%、14.22%、10.45%,累積貢獻率達88.26%。這樣就將所選的7個指標簡化為4個新的綜合指標,可替代之前指標的大部分信息。通過分析4個主成分,第1 主成分在單株粒數和單株粒質量的因子載荷系數較大;第2 主成分在千粒質量和株高的因子載荷系數較大;第3 主成分在主穗長、主穗穗數的因子載荷系數較大,第4 主成分在千粒質量的載荷系數最大。綜上說明,這些指標均可歸為生物產量,這類指標與青稞種質資源成株期的耐旱性有著直接聯系,因此,可將這類指標作為鑒定青稞種質資源成株期耐旱性的參考指標。

表5 青稞種質資源各指標主成分特征向量和貢獻率Table 5 Feature vectors and contribution rates of principal components

2.4 不同評價方式對供試青稞種質資源的綜合耐旱性評價

由于供試資源較多,選取極端材料進行說明,由表6 可知,CDC為0.326～0.641,以該值對150個青稞種質資源的耐旱性強弱進行排序,排名靠前的24、109、15 為耐旱性強的材料,274、128、127 為耐旱性弱的材料;D值為0.046～0.528,其中24、12、15 為耐旱性強的材料,274、128、218為耐旱性弱的材料;WDC為0.326～0.647,24、109、15為對干旱相對不敏感的材料,274、128、218 為對干旱較為敏感的材料。利用CDC值、D值和WDC值對供試資源耐旱性的評價結果中,耐旱性強的和耐旱性弱的材料各取前10份進行對比,分別有7份和10份材料是重合的,但排名略有差異,其評價結果基本吻合。

表6 利用CDC 值、D 值、WDC 值評價耐旱性強和耐旱性弱的前十種資源列表Table 6 List of top 10 resources with strong drought tolerance and weak drought tolerance evaluated by CDC value,D value and WDC value

2.5 各指標灰色關聯度分析

表7結果顯示,青稞種質資源各性狀CDC值與D值的關聯度從大到小依次為主穗穗數、單株粒質量、主穗長、單株粒數、千粒質量、株高、有效穗數;各性狀CDC值與WDC值的關聯度從大到小依次為主穗穗數、單株粒質量、單株粒數、主穗長、株高、有效穗數、千粒質量,這與各性狀CDC值與D值之前的關聯度略有差異,但對D值與CDC值和WDC值的關聯度進行分析發現,關聯度均在0.95以上(表8),說明他們有密切相關性,根據袁闖等[11]對甜高粱、徐銀萍等[6]對大麥、汪燦等[16]對薏苡的分析,最終選擇D值為最佳評價方法,以其他兩種值為輔助評價指標進行評價是可行的。

表7 青稞種質資源各性狀CDC 值與D 值和WDC 值的相關性與權重系數Table 7 Correlation degree and weight coefficient of CDC value,D value and WDC value of each trait of hulless barley germplasm

2.6 聚類分析及青稞種質資源的耐旱性劃分

根據計算得到的D值,將150份青稞種質資源利用系統聚類平均聯結法進行聚類分析,在歐式距離為10時,可將其分為4大類(圖1),第Ⅰ類包含62個青稞種質品種(系),該組分D值為0.142～0.299,此類青稞資源耐旱性較差;第Ⅱ類包含76 個青稞種質品種(系),該組分D值為0.308～0.464,此類品種(系)具有一定的耐旱性;第Ⅲ類包含5個青稞種質品種(系),該組分D值為0.487～0.528,此類青稞種質資源(品種)耐旱性最佳;第Ⅳ類包含7個青稞種質品種(系),該組分D值為0.046～0.120,此類品種(系)的耐旱性最弱,對干旱最敏感。各耐旱等級材料數目分別占總數的41.33%、50.67%、3.33%和4.67%。

圖1 青稞種質D 值聚類分析圖Fig.1 Cluster analysis of D value of hulless barley germplasm

以參試材料各表型性狀及D值,構建線性回歸方程用于干旱種質的篩選與鑒定[18],構建方程為Y=-0.527+0.350X1+0.160X2+0.240X3+0.271X4+0.344X5+0.065X6+0.060X7,其中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別代表主穗長、單株粒數、單株粒質量、千粒質量、主穗穗數、株高、有效穗數,Y表示D值。該回歸方程的相關系數r=0.999,決定系數R2=0.998,表明這7個自變量可決定總變異的99.8%。表8顯示,7個性狀與D值的相關性研究結果表明,7個表型性狀與D值均呈極顯著相關,該方程可用于耐旱青稞種質資源的綜合評價。

表8 D 值、CDC 值 和WDC 值 的 關 聯 度Table 8 Correlation degree between D value and CDC value,and WDC value

3 討論

干旱對青稞產量的影響目前已經是青藏高原地區該產業發展面臨的主要障礙之一,因此如何有效利用其自身的耐旱遺傳潛力,選育出更適應干旱環境的品種或將成為突破該障礙的有效手段。作物的耐旱是一個較為復雜的過程,會引起多種生理生化反應,最終導致多種與產量相關的指標發生變化,因此單一指標的評價方式并不能合理、有效地對其耐旱性進行評價,選擇多指標以及多種評價方式相結合成為眾多科技工作者的選擇。

本研究綜合隸屬函數、主成分分析、灰色關聯度分析等分析手段計算出各種質的D值、CDC值和WDC值,對150份青稞種質資源的耐旱性進行鑒定,在每種鑒定方法排名前十的高耐旱型種質中,有7份種質是重復的,分別為24、12、15、14、109、7、111,這7份材料可作為重要的耐旱資源,在后期的耐旱品種的選育與耐旱機理研究中加以利用。相關性分析表明D值與CDC值和WDC值之間均呈極顯著正相關(P<0.01),這與徐銀萍等[6]和袁闖等[11]的研究結果一致。

目前,鑒定麥類作物的耐旱性指標分為形態指標、生理指標以及產量指標,但研究表明產量指標相對最為重要,也是眾多研究選用的主要指標[6-7,19-20],如陳衛國等[7]對干旱處理下小麥的株高、穗長、每穗小穗數、主穗粒數、單株產量和千粒質量等進行研究,發現這幾個指標與綜合評價值呈極顯著正相關關系,徐銀萍等[6]對大麥種質資源成株期抗旱性鑒定及抗旱指標篩選,從8 個指標中篩選出株高、穗長、分蘗數、單株粒數和單株粒質量5 個指標可有效鑒定大麥資源的抗旱性。由于青稞成株期耐旱性鑒定評價及指標篩選鮮有報道,根據之前對麥類作物的研究結果,本研究選取青稞成株期的主穗長、單株粒數、單株粒質量、千粒質量、主穗穗數、株高、有效穗數7個與產量相關的指標,結合主成分分析,將7個單項指標轉換成4個新的綜合指標,這些指標可歸為單株產量,根據各指標與D值的相關性可確定為主穗穗數、單株粒質量、主穗長和單株粒數,這4 個指標與青稞成株期耐旱性有直接聯系,篩選出的指標與徐銀萍等[6]對大麥耐旱性鑒定指標篩選的5個指標中單株粒質量、主穗長、單株粒數等3個指標重疊,說明本試驗結果的準確性較高。另一個指標不相同的原因可能是2個試驗所考察的指標不全相同。因此篩選出的4個指標可作為鑒定青稞成株期耐旱性的參考指標,這與陳衛國等[7]研究結果相似。

4 結論

利用耐旱性綜合評價、綜合耐旱系數和加權耐旱系數綜合對150份青稞種質資源進行耐旱性評價,共鑒定出7份高度耐旱青稞種質資源,分別為24、12、15、14、109、7、111,從7 個單向指標中篩選出主穗穗數、單株粒質量、主穗長和單株粒數4 個指標,可以作為青稞成株期耐旱性簡單且較為準確的評價指標。