干旱脅迫條件下不同飼用燕麥品種種子萌發指標比較與評價

高志昊，李雪穎，蘭 劍，胡海英

(寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021)

近年來，隨著我國“草牧業”、“糧改飼”、“引草入田”等農業供給側結構性政策改革的推進，飼草的需求量越來越大。畜牧業作為寧夏重點發展的產業之一，一直存在飼草供求不平衡、家畜日糧不足等問題。燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬的一年生草本植物，是一種糧、經、飼、藥多用途作物，其莖葉柔嫩多汁，適口性好，蛋白質、脂肪含量高，因此，在飼草產品生產中備受重視。干旱是限制寧夏草牧業發展的主要因素之一，因此，選育優良抗旱的飼用燕麥品種勢在必行。

種子萌發期是植物進一步發育為新個體的最關鍵一環，也是感應外界環境改變的最初階段，研究結果表明，種子萌發時間會隨著干旱脅迫而延后，發芽速度降低，甚至會影響種子發芽率，致使種苗生長異常[1]，因此，這一階段的耐旱情況可直接或者間接反映植物耐旱性的強弱[2]。目前，PEG-6000已被作為萌發期抗旱性的重要鑒定方法，并廣泛應用于各類作物中[3-4]。王亞楠等[5]研究表明5%低濃度的PEG溶液對于草本植物種子的萌發具有一定的促進作用，對沙打旺的發芽勢、沙蒿的發芽率、甘草的胚根長以及蜀葵胚根粗的生長具有明顯的促進作用。呂亞慈[6]研究發現，5%PEG-6000可促進燕麥不同品種的種子萌發，隨著PEG濃度的升高，對種子萌發會產生抑制作用并逐漸加強。在燕麥種子萌發相關研究中[7-9]，15%PEG-6000干旱脅迫條件下，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；在20%PEG-6000的脅迫下，除了平均發芽速度以外，發芽勢、發芽率等其它10項鑒定指標都受到了不同程度的抑制，與品種的抗旱性表現為正相關[10]；30%PEG-6000濃度致使種子不能萌發，胚根很短，胚芽幾乎看不到，其活力特性指標幾乎為零，難以比較各品種間差異[11]。因此，多采用15%～20%PEG-6000濃度模擬干旱脅迫研究燕麥等牧草種子萌發期的耐旱生理特性。

本研究采用PEG-6000溶液模擬輕度和重度干旱脅迫，通過測定26個燕麥種質萌發期的各項萌發指標，篩選抗旱評價指標，比較不同品種的抗旱能力大小，以期為燕麥抗旱品種選育提供實驗參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用26種燕麥種質材料均從寧夏西貝農林牧生態科技公司購入，具體信息如表1所示。

表1 26份供試燕麥品種材料Table 1 26 germplasms materials of oats

1.2 試驗方法

根據《農作物種子檢驗規程—發芽試驗》(GB/T3543.4-1995)進行發芽試驗。發芽前進行種子的消毒處理，每個品種挑取飽滿無殘缺、大小基本一致的種子，用0.1%氯化汞溶液浸泡15 min，然后用自來水沖洗2 min，再用蒸餾水淘洗1 min，于紗布上攤開自然晾干備用。再用鑷子(70%酒精消毒)隨機挑選已晾干的種子均勻地擺放在鋪有 2層濾紙、直徑12 cm培養皿中，每皿30粒。

采用單因素隨機試驗設計試驗。將供試的26份材料分別置于5%、15%濃度的PEG-6000溶液中，以蒸餾水作對照，每個濃度梯度設置 3次重復。最后將培養皿一起放入人工氣候培養箱，培養條件：25℃恒溫，相對濕度60%、每天光照12 h(6∶00—18∶00)、光照強度12 000 lx，培養10 d。種子萌發以胚根出現為標準，胚根出現第2 d開始記錄萌發情況，將第4 d的發芽率定為發芽勢，統計發芽率至第10 d，并在第10 d統計根長、芽長、鮮重。每日用蒸餾水補充水分缺失，保持濾紙水分飽和狀態。

1.3 測試項目與計算

根長(Length of root,LR)：用直尺進行測量；

芽長(Bud lengt,BL)：用直尺進行測量；

鮮重(Fresh weight,FW):用0.000 1 g電子分析天平稱量；

發芽勢(Germination energy,GE)=(第4 d種子發芽數/供試種子總數)×100%

發芽率(Germination rate,GR)=(第10 d種子發芽數/供試種子總數)×100%

發芽指數(Germination index,GI) =∑(Gt/Dt)

種子活力指數(Vigor index,VI)=發芽指數×平均鮮重[6]

上述式中:Gt為第t天的發芽數，Dt為萌發第t天,nd2,nd4,nd6,nd8分別為第2 d、第4 d、第6 d、第8 d的種子萌發率

1.4 數據統計與分析

所有數據在Excel 2019進行整理后，經SPSS 26正態分布檢驗后進行相關性及主成分分析，基于最小顯著極差法(LSD)進行多重比較。

抗旱性綜合評價采用隸屬函數分析，利用公式1-1計算各性狀指標具體隸屬值[13]:

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(公式1-1)

式中，X為參試材料某一指標的測定值，Xmax和Xmin分別為所有材料中該指標的最大值和最小值。

運用DPS7.05統計軟件，對數據進行系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同燕麥品種在PEG-6000 脅迫下各檢測指標的變化

由表2所示，在5%的PEG-6000溶液脅迫下，燕麥的發芽率平均為62.39%，較CK下降7.69%；發芽勢平均為44.15%，較CK下降2.86%；其他指標也受到不同程度的抑制，根長、芽長和鮮重較CK分別下降17.94%，7.77%和0.02%；萌發指數和活力指數分別下降3.63%和1.70%。且各指標的變異系數變化程度較小。由此可見，5%的干旱脅迫未能達到顯著的抑制效果。在15%PEG-6000溶液脅迫下，燕麥的發芽率為0.00%～81.11%，平均為39.83%，較CK下降30.26%；發芽勢為0.00%～56.67%，平均為18.76%，較CK下降28.25%；根長、芽長和鮮重較CK下降65.53%，72.56%和0.13%；萌發指數和活力指數分別下降20.94%和8.93%。與CK相比較，所有指標的變異系數均有顯著增加，達到了干旱脅迫效果，并且不同性狀對干旱脅迫的敏感性不同，單一性狀無法評價種質抗旱性。

表2 不同燕麥品種萌發期各指標在不同程度干旱脅迫下的變異性比較Table 2 Comparison of various indexes at germination stage of oat under drought stress

2.2 PEG脅迫對飼草型燕麥種子萌發的影響

由表3所示，從不同品種看，5%濃度PEG處理下HF，XYUN，TZZ，SHOOT，MNK的發芽率分別增加5.56%，3.33%，7.78%，3.33%，1.11%，說明低濃度PEG處理對燕麥種子萌發有一定的促進作用。HF，XYUN，SX，TZZ在15%濃度脅迫下依然保持著較高的發芽率，且以HF表現最優，發芽率達到為81.11%，表現出了較強的抗旱性。從脅迫程度上看，當PEG濃度上升到15%時，HF，TZZ，SX，SHOOT，JKTY，ML，MNK，KLW，TYM，DFW品種的發芽率與CK相比差異不顯著，其余品種均與CK呈顯著性差異(P<0.05)。

隨著PEG濃度升高，各燕麥品種發芽勢均呈下降趨勢，其中，HF在15%PEG處理時發芽勢為56.67%，為所有參試品種成績最優；QM在15% PEG處理時發芽勢僅為2.22%，與對照相比下降72.22%，降低幅度最大。而且，HF在15%PEG濃度下發芽指數在品種間最高，達24.19%，而FY1在實驗結束仍未有萌發跡象。整體來看，各燕麥品種發芽指數均隨著PEG濃度上升而下降。其中，HF，SX，XYUN發芽率、發芽勢和發芽指數均表現良好。

表3 不同燕麥品種在干旱脅迫下的種子發芽情況Table 3 Seed germination under drought stress in different forage-type oat varieties

2.3 PEG脅迫對飼草型燕麥生長的影響

由表4可知，各處理間根長、芽長和鮮重均表現為隨著脅迫程度的加劇呈現下降趨勢。在5%PEG濃度下，SX,BY7,TZZ,TY70,QT1,MLS,HW,ML,FY1,BY3根長與CK差異不顯著。BY7,QM,XYUE芽長與對照相比分別增長了9.08%,3.50%和5.16%；BY7,XYUE,JKTY,HW,BY3的鮮重比CK略高，雖未達到顯著水平，但也說明低濃度PEG處理對燕麥種子胚芽生長有一定促進作用。15%PEG濃度對各品種的生長指數影響顯著，其中，HF胚根受抑制程度最輕，胚根長度保持在58 mm，為所有品種最優；QM,SHOOT受抑制程度最嚴重，胚根長度均未超過10 mm，而FY1在培養結束胚根仍未生長。QM,SHOOT和SZW降低幅度較大，分別為91.87%,76.94%和72.77%，而HF,ML和BY3降低幅度較小，分別為58.93%,54.20%和56.56%，HF的胚芽長度最長，達55.6 mm。從單株鮮重來看，QM,XYUE和SZW降低幅度較大，分別為87.50%,81.25%和69.57%，且與CK差異達極顯著水平(P<0.01)。

表4 不同飼草型燕麥品種在PEG脅迫下的種子生長情況Table 4 Seed growth under PEG stress in different forage-type oat varieties

2.4 PEG脅迫對飼草型燕麥活力指數和萌發指數的影響

由表5可知，XYUN在CK條件下萌發指數最高，為59.33，DFW在CK條件下萌發指數最低，僅為5.25，品種之間具有顯著的差異性。SX,TZZ,HW,ML的活力指數在5%脅迫濃度下相比CK有所增加，HF,SX,XYUN,TY2,BY7的萌發指數相比CK也有所增加，說明在低PEG脅迫濃度條件下能促進燕麥活力指數增加。在15%PEG濃度條件下，各品種活力指數和萌發指數均顯著下降(P<0.05)。其中HF,SX,XYUN表現較好，活力指數均大于2%，HF,SX,XYUN,TY2萌發指數表現均在20以上，表現出較強的抗旱性。

表5 PEG脅迫對飼草型燕麥品種活力指數和萌發指數的影響Table 5 Effect of PEG stress on forage oat vitality index and germination index

2.5 不同燕麥品種萌發指標之間的相關性與主成分分析

對8種評價指標進行簡單相關性分析，結果表明(見表6)，除了鮮重與萌發指數之間為顯著相關外，其余評價指標之間都呈現極顯著相關。可見，不同指標攜帶的信息重合，且所起作用大小有差異。對8個評價指標進行主成分分析(表7)，選取2個主成分作為綜合指標，可有效反映原8個評價指標87.91%的信息，而其余貢獻率太小忽略不計。其中PC1可反映原8個評價指標78.56%的信息，起主要作用的為發芽勢、發芽指數、活力指數。PC2中特征值為0.7477，貢獻率只有9.35%，其主要因子載荷為萌發指數。

表6 不同飼草型燕麥品種的簡單相關性Table 6 Simple correlation between different forage oat varieties

表7 2個主成分的系數、特征值、方差貢獻率及累積貢獻率Table 7 Coefficient,eigenvalue,variance contribution rat and accumulated contribution rate of two principal components

2.6 飼草型燕麥不同品種抗旱性的綜合評價

采用隸屬函數法，以發芽率、發芽勢、發芽指數、胚芽長、胚根長、鮮重、種子活力指數、萌發指數共8個指標為依據，對燕麥材料種子萌發期的抗旱性進行綜合評價。一般而言，綜合評價值越大，表明其抗旱能力越強。由表8可知，各品種間的綜合評價值差異較大，綜合不同品種的指標相對值及隸屬函數加權平均值后評定，不同燕麥品種抗旱性隸屬函數值由高到低排序為：HF,SX,XYUN,ML,DFW,BY7,TZZ,444,TYMQ,TY2,HW,BY3,TY70,TYM,JKTY,DD,KLW,SZW,MLS,MNK,TY1。

表8 PEG脅迫對飼草型燕麥品種各指標隸屬函數值及綜合評價值Table 8 Effects of PEG stress on membership function and comprehensive evaluation value of forage oat indexes

對26個品種以發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數、根長、莖長、鮮重、萌發指數的平均值進行規格化轉換后利用歐式距離、類平均法進行系統聚類分析后將26個品種分為4類(見圖1)，第一類有HF,SX,XYUN三個品種，其隸屬值在0.98～0.7之間；第二類包括ML,DFW兩個品種，其隸屬值在0.59～0.46區間；第三類包括TY2,TZZ,BY7,TYMQ,TY70,MLS,JKTY,HW,DD,MNK,BY3,KLW,TYM,SZW,444品種，隸屬值在0.39～0.16之間；第四類包括QM,FY1,XYUE,QT1,TY1,SHOOT 6個品種，隸屬值在0.16～0.01區間。由此分析可以評價：HF,SX,XYUN為強抗旱型種質；ML,DFW為中等抗旱型種質；TY2,TZZ,BY7,TYMQ,TY70,MLS,JKTY,HW,DD,MNK,BY3,KLW,TYM,SZW,444為弱抗旱型種質；QM,FY1,XYUE,QT1,TY1,SHOOT為抗旱敏感性(不抗旱)種質。

圖1 26份飼草型燕麥品種萌發期抗旱性聚類分析圖Fig.1 26 drought-resistant clustering analysis charts for the germination of forage-type oat varieties

3 討論

3.1 關于PEG-6000 模擬干旱脅迫濃度的探討

種子萌發期是對植物進行抗旱性研究的重要時期之一。目前，PEG-6000模擬干旱脅迫最為廣泛[14-15]。不同作物在進行萌發期抗旱性鑒定時，由于本身抗旱性的差異，其適應的PEG濃度也不同。研究表明，隨著干旱脅迫程度的增強，種子的發芽率、發芽勢、萌發指數、活力指數、胚芽長等均呈下降趨勢[16-17]，而輕度干旱脅迫不但沒有對種子萌發產生抑制作用，反而促進其萌發[18-19]。裴帥帥等[20]在進行不同品種谷子種子萌發期對干旱脅迫的生理響應及其抗旱性評價時將18%的PEG作為谷子干旱脅迫的最適濃度。陳新[10]和李威[11]等研究表明，PEG溶液濃度大于20%時，多數燕麥品種不能萌發，難以比較各品種間差異。而牛冰潔等[9]卻認為25%PEG脅迫濃度仍高于燕麥發芽的耐受閾限，還有提高其干旱脅迫的空間。本研究結果表明，與CK相比較，在5%PEG溶液濃度下，XYUN,HF等6個品種的發芽率增加,XYUN,TY2等6個品種的發芽勢也呈增加趨勢，說明在低濃度PEG-6000脅迫條件下，對植物生長具有促進作用。15%PEG濃度處理與CK相比，各指標均有顯著性變化(P<0.05)，且變異系數變化幅度顯著，說明15%PEG濃度可以作為不同燕麥種質材料抗旱性差異篩選的試驗處理。在15%PEG濃度下各品種發芽率在0%～81.11%區間，平均發芽率為38.83%，最高為HF，發芽率達81.11%；最低為FY1，實驗結束仍未萌發，其他指標均呈現此現象，說明這26種燕麥材料種質類型較為豐富，部分品種對干旱脅迫反應極為敏感。

3.2 不同品種燕麥萌發期抗旱性的評價指標與綜合評價

利用單一指標鑒定作物的抗旱性強弱具有片面性，應利用多個指標進行綜合評價，國內外學者普遍采用多指標相結合的耐/抗旱指標和評價方法[21]，并應用主成分分析、灰度關聯分析、模糊數學隸屬函數法和聚類分析等方法對植物的耐旱性進行綜合評價。王焱等[22]通過綜合評價值D值和加權抗旱系數WDC值作為抗旱綜合評價方法，結合相關分析、灰色關聯及逐步回歸分析，將根長、發芽率和活力指數作為對干旱脅迫的敏感指標，并在59份材料中篩選得到了3份極強抗旱型種質。侯澤豪[23]運用聚類分析，將80份甜蕎種質資源分為4類，篩選到了3份耐旱性極強的農家種種質資源，確定了相對發芽率、萌發抗旱指數、相對根長指數和根長脅迫指數作為選育耐旱型蕎麥品種的主效指標。陳新等[10]研究認為發芽率、平均發芽速度、最長初生根長、初生根總長、胚芽鞘長和種子活力指數6個指標可對裸燕麥材料萌發期的抗旱性進行科學有效的評價。藺軍[8]得出相對發芽指數、發芽率可作為萌發期燕麥耐鹽性的主要評價指標。可見，植物的抗旱性屬于數量性狀，受多基因控制，且受環境的影響較大。本研究對不同品種燕麥種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、根長、芽長、鮮重、萌發指數等8個指標進行主成分分析發現，PC1主成分1可反映所有評價指標78.56%的信息，起主要作用的指標有發芽勢、發芽指數、活力指數，而主成分2的貢獻度只有9.35%。因此我們認為，發芽勢、發芽指數、活力指數可作為燕麥種質耐旱性篩選的主效指標，這與藺軍等[8]研究結果一致。

通過模糊數學隸屬函數法和聚類分析綜合評價不同燕麥種質材料的抗旱性大小，可將不同燕麥種質材料分為四個抗旱級別，第一類的隸屬值在0.70～0.98區間，第二類的隸屬值在0.46～0.59區間，第三類隸屬值在0.16～0.39區間，第四類的隸屬值在0.13以下，各類隸屬值之間具有顯著差異，進一步說明本研究收集的燕麥材料種質類型對干旱脅迫響應差異非常顯著，以此可將這些品種劃分為強抗旱型、中等抗旱型、弱抗旱型、不抗旱型四個級別。

4 結論

干旱限制了寧夏草牧業的發展，選育豐產抗旱的飼用燕麥品種是提高作物產量的一項經濟有效的措施。本研究采用PEG-6000溶液模擬輕度和重度干旱脅迫，比較研究了26份不同品種飼草型燕麥種子萌發特征。通過主成分分析，將發芽勢、發芽指數、活力指數作為燕麥種質耐旱性篩選的主效指標。采用模糊數學隸屬函數法對不同品種飼草型燕麥抗旱性進行綜合評價，確定了四個抗旱級別，其中，‘薈峰’、‘三星’、‘喜韻’為強抗旱品種(1級)，‘夢龍’、‘大富翁’為中等抗旱品種(2級)；‘甜燕2號’、‘挑戰者’、‘白燕7號’、‘甜燕麥青海’、‘甜燕70’、‘牧樂思’、‘進口甜燕’、‘禾王’、‘當地燕麥’、‘莫尼卡’、‘巴燕3號’、‘燕麥克勞沃’、‘甜燕麥’、‘攝政王’、‘青海444’為弱抗旱品種(3級)；‘青牧’、‘福燕1號’、‘喜越’、‘青甜1號’、‘甜燕1號’、‘shooter’為不抗旱品種(4級)。