黑龍江早熟區(qū)大豆芽期耐低溫種質(zhì)資源鑒定與篩選

趙星棋, 郭 泰, 王志新, 鄭 偉, 李燦東, 徐杰飛, 王象然, 郭美玲, 張振宇, 趙建有

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院/三江平原主要作物育種栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系佳木斯綜合試驗(yàn)站, 黑龍江 佳木斯 154007;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 哈爾濱 150086)

黑龍江省作為我國(guó)大豆種植面積最大的省份,為保障國(guó)家大豆生產(chǎn)安全發(fā)揮了重要作用。近年來,黑龍江省大豆種植地域北移趨勢(shì)明顯,早熟品種已成省內(nèi)大豆品種主流,但由于地理區(qū)位因素,北部早熟區(qū)初春極易出現(xiàn)低溫冷害,導(dǎo)致大豆播種后生長(zhǎng)受阻[1]。

針對(duì)大豆進(jìn)行低溫脅迫的相關(guān)試驗(yàn)后,普遍發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)大豆苗期、花期性狀和最終產(chǎn)量有顯著影響[2-3]。低溫氣候往往伴隨陰雨弱光照等不良?xì)夂驐l件,多種負(fù)向因素累加導(dǎo)致大豆的出苗緩慢,幼苗成活率降低[4]。除大豆表型性狀外,經(jīng)人工測(cè)定發(fā)現(xiàn),低溫脅迫還會(huì)引起葉綠素含量和相關(guān)酶活性變化[5]。鑒于低溫對(duì)大豆生長(zhǎng)的多方面影響,研究者也引用了多項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行耐低溫大豆種質(zhì)篩選[6-9]。本研究以目前黑龍江早熟區(qū)主要推廣的大豆品種和待審試驗(yàn)的大豆品種為研究對(duì)象,通過記錄各品種在不同環(huán)境下的發(fā)芽數(shù),測(cè)定各自的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù),并結(jié)合隸屬函數(shù)法建立分析模型,從中篩選出在芽期具有優(yōu)異耐冷性的大豆品種。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇適宜黑龍江省種植的已審定推廣或處于試驗(yàn)階段的大豆品種。參試材料共33份,各品種種源均為2021年秋季收獲所得,具體種質(zhì)名稱及編號(hào)如表1所示。

表1 試驗(yàn)種質(zhì)名稱及編號(hào)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分兩組:低溫組和對(duì)照組,大豆發(fā)芽所用設(shè)備為“一恒MGC 800 H”人工氣候箱。低溫脅迫組和對(duì)照組分別設(shè)置溫度為6 ℃和20 ℃,3次重復(fù),試驗(yàn)用種應(yīng)保證籽粒飽滿、無病蟲害。試驗(yàn)前用1%次氯酸鈉溶液對(duì)種子進(jìn)行消毒,再用蒸餾水漂洗3次,消毒后每份種質(zhì)挑選40粒置于各培養(yǎng)皿中。培養(yǎng)皿內(nèi)種子上下兩層各鋪一張滅菌濾紙,用蒸餾水將濾紙潤(rùn)濕,先放入20 ℃氣候箱中常溫吸脹12 h,后取出換水,低溫組轉(zhuǎn)入6 ℃氣候箱中培養(yǎng),對(duì)照組繼續(xù)以20 ℃常溫培養(yǎng)。此后分別于第2天、第4天、第6天統(tǒng)計(jì)各培養(yǎng)皿發(fā)芽數(shù)量。以胚根突破種皮1 mm為種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),氣候箱培養(yǎng)時(shí)間為6 d。

1.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)期間記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算各種質(zhì)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù),計(jì)算公式分別為:

發(fā)芽勢(shì)/%=(前4 d內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率/%=(前6 d內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt,

式中,Gt為各階段(2 d、4 d、6 d)的發(fā)芽數(shù),Dt為發(fā)芽日數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel和SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,對(duì)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn),以探究各試驗(yàn)組別指標(biāo)是否具有差異性。

1.5 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

采用隸屬函數(shù)法對(duì)試驗(yàn)品種耐低溫性進(jìn)行綜合評(píng)定,計(jì)算公式為:

μ(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin),

式中,Xj代表j評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定值,Xmax代表參試材料中j評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值,Xmin代表參試材料中j評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值,隸屬函數(shù)值越大,表示該試驗(yàn)品種的耐低溫性越強(qiáng)。

2 結(jié)果分析

2.1 發(fā)芽勢(shì)

由圖1可知,供試33份種質(zhì)有6份發(fā)芽勢(shì)達(dá)到100%,僅克山1號(hào)未達(dá)到90%。從低溫組發(fā)芽勢(shì)看,總體明顯低于對(duì)照組,且各種質(zhì)之間差異性較大。從各品種兩組數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),克豆52的對(duì)照組和低溫組發(fā)芽勢(shì)差異性最小,兩組數(shù)據(jù)相差42.5%,而東生23差異性最大,兩組數(shù)據(jù)相差88.3%。

圖1 試驗(yàn)種質(zhì)發(fā)芽勢(shì)

2.2 發(fā)芽率

由圖2可知,供試品種在對(duì)照組的發(fā)芽率均值波動(dòng)性不強(qiáng),但在低溫組的差異性表現(xiàn)極為明顯。低溫情況下,克豆52發(fā)芽率最高,達(dá)90.8%,且較對(duì)照組差異最小。克山1號(hào)發(fā)芽率最低,僅為15.8%。龍墾330的兩組數(shù)值相差最大,其對(duì)照組發(fā)芽率比低溫組高80.0%。

圖2 試驗(yàn)種質(zhì)發(fā)芽率

2.3 發(fā)芽指數(shù)

由圖3可知,各供試種質(zhì)在該項(xiàng)指標(biāo)上的兩組數(shù)值差值較小。其中合農(nóng)144在低溫條件下發(fā)芽指數(shù)最高,達(dá)17.6,克山1最低,為2.1。對(duì)照組與低溫組差值方面,克豆52相差最小(14.8),東生17相差最大(25.2)。

圖3 試驗(yàn)種質(zhì)發(fā)芽指數(shù)

2.4 兩配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)

對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)組別進(jìn)行兩配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)[10],是為驗(yàn)證兩組數(shù)據(jù)之間各指標(biāo)是否存在顯著差異。如表2所示,通過描述性統(tǒng)計(jì)分析,從直觀上看,供試種質(zhì)在低溫脅迫處理前后具有明顯差異,低溫組發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)平均值均低于對(duì)照組。

表2 描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

選擇威爾科克森檢驗(yàn)和符號(hào)檢驗(yàn)方法對(duì)上述三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行兩配對(duì)樣本檢驗(yàn),分析結(jié)果如表3、表4。

表3 威爾科克森檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

表4 符號(hào)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

基于兩種檢驗(yàn)方法的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示:三項(xiàng)指標(biāo)差異均達(dá)極顯著水平,試驗(yàn)種質(zhì)經(jīng)過低溫處理后,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均與對(duì)照組存在系統(tǒng)性差異,說明該三項(xiàng)指標(biāo)可作為試驗(yàn)品種在芽期是否具備耐低溫特性的評(píng)判依據(jù)。

2.5 試驗(yàn)種質(zhì)耐低溫性綜合評(píng)定

從表5可以看出,各種質(zhì)間各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)隸屬函數(shù)值差異仍然較大。從發(fā)芽勢(shì)看,克豆52和合農(nóng)144隸屬函數(shù)值達(dá)0.9以上,其次為龍達(dá)3號(hào)(0.84)。發(fā)芽率方面,隸屬函數(shù)值最高的仍為克豆52,其次為合農(nóng)95和合農(nóng)144,均為0.90。發(fā)芽指數(shù)隸屬函數(shù)值最高的種質(zhì)為合農(nóng)144,達(dá)1.00,其次為克豆52(0.96)。從平均結(jié)果看,克豆52的隸屬函數(shù)值最高(0.99),合農(nóng)144次之(0.95),第3位是龍達(dá)3號(hào)(0.83)。上述種質(zhì)綜合評(píng)價(jià)數(shù)值均明顯高于其他種質(zhì),其中克豆52有兩項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值居第一位,且平均數(shù)值最高,說明其芽期耐低溫特性最強(qiáng)。

表5 低溫脅迫下種質(zhì)發(fā)芽指標(biāo)隸屬函數(shù)值

將試驗(yàn)種質(zhì)的耐低溫特性進(jìn)行更加細(xì)化的系統(tǒng)性分類,可使用聚類分析法來進(jìn)行分組[11]。以各種質(zhì)的隸屬函數(shù)值為依據(jù),采用分層聚類分析方法,其結(jié)果如圖4。

圖4 試驗(yàn)種質(zhì)發(fā)芽指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值聚類分析

根據(jù)圖4顯示的聚類分析結(jié)果,結(jié)合顧增輝和宋劍陶[12]對(duì)大豆芽期耐冷性等級(jí)的分類方法,可將試驗(yàn)種質(zhì)分為耐冷型、低溫敏感型和中間型三類。合農(nóng)144、克豆52、佳豆52、龍達(dá)3號(hào)為第1類,該類種質(zhì)芽期耐低溫特性強(qiáng),在低溫脅迫條件下具備明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì);黑科88、金源73、沃豆5、鑫科4、東生17、金杉3號(hào)、九研17、克山1、龍墾330、東生23為第3類,該類種質(zhì)耐低溫特性弱,相關(guān)發(fā)芽指標(biāo)數(shù)值偏低,為低溫敏感型種質(zhì);其余品種為第2類,該類種質(zhì)具備一定的芽期耐低溫能力,但與第1類品種相比缺乏優(yōu)勢(shì)。

3 討 論

黑龍江省早熟大豆產(chǎn)區(qū)地處高寒區(qū),作物生長(zhǎng)季易出現(xiàn)階段性低溫天氣,因氣候變化造成的低溫冷害是限制該地區(qū)大豆生產(chǎn)力提升的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[13]。對(duì)早熟大豆品種進(jìn)行低溫脅迫處理后,發(fā)現(xiàn)不同種質(zhì)的芽期表現(xiàn)不盡相同,大多數(shù)種質(zhì)自身具備一定的耐低溫能力,但也有部分種質(zhì)在低溫環(huán)境下發(fā)芽數(shù)嚴(yán)重下降。由于氣象災(zāi)害難防難控,要想使早熟大豆種植區(qū)總產(chǎn)量穩(wěn)中有升,選擇耐低溫性強(qiáng)的大豆種質(zhì)是一種有效的解決方法。

植物耐低溫性屬于較為復(fù)雜的一種綜合性狀,由多種因素共同作用[14]。低溫脅迫下種子萌發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)、萌發(fā)數(shù)降低、發(fā)芽指標(biāo)顯著下降,這與多位學(xué)者的研究結(jié)論相一致[15-17]。通過進(jìn)一步的比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)照組的各種質(zhì)發(fā)芽數(shù)相近的情況下,低溫脅迫下各種質(zhì)的種子萌發(fā)速率、萌發(fā)數(shù)量等方面均存在顯著差異。試驗(yàn)品種受低溫影響后,前期發(fā)芽數(shù)明顯下降,但部分品種在后期隨時(shí)間的增加,萌發(fā)數(shù)量逐漸增多。也有部分種質(zhì)并未出現(xiàn)回轉(zhuǎn)跡象,最終萌發(fā)率低于20%。總體來看,評(píng)價(jià)大豆種質(zhì)的耐低溫特性應(yīng)針對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判,并結(jié)合系統(tǒng)性的分類方法歸類出具備不同耐低溫能力的大豆種質(zhì)。

4 結(jié) 論

以上試驗(yàn)過程驗(yàn)證了發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)作為大豆種質(zhì)芽期耐冷評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性,并通過隸屬函數(shù)值的計(jì)算以及聚類分析篩選出了3類耐低溫類型種質(zhì):以合農(nóng)144、克豆52為代表的耐冷型種質(zhì),以克豆44、昊疆40等為代表的中間耐冷型種質(zhì)以及低溫敏感型種質(zhì)。通過本次大豆種質(zhì)鑒定與篩選,能夠?yàn)楹邶埥≡缡靺^(qū)耐低溫大豆品種的選擇方向提供參考,也能為后期針對(duì)該地區(qū)的耐冷大豆品種選育提供親本篩選依據(jù)。