不同小麦品种对干旱锻炼响应的综合评价

李同花，王 笑，蔡 剑，周 琴，戴廷波，姜 东

(南京农业大学农学院/农业部作物生理生态与生产管理重点实验室/江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏南京 210095)

小麦是我国第三大粮食作物，也是我国主要的商品粮和战略储备粮，其产量的稳定性直接影响着我国粮食安全[1]。然而，我国小麦主要分布在降雨量偏少的北方(主产区)和西北地区，生育期内频繁遭受旱灾侵袭[2]，严重影响生长发育，最终导致减产和品质降低。因此，研究小麦抗旱性已成为农业生产中的重要问题。

在作物生产中，一般可通过选育抗(耐)性品种、施用外源生长调节类物质、逆境锻炼[3-4]等途径来提高作物对非生物胁迫的抵抗力。由于缺乏有效的选择标准[5]，通过育种手段选育抗旱品种有一定局限性。施用外源调节类物质对幼苗进行预处理，可改变逆境下植株的生理生化代谢，增强作物抗逆性。但在逆境胁迫下外源生长调节物质的施用与植物耐性的获得之间并不一定总是正相关[6]，其对植株的影响可能因调节剂浓度、品种、作物生育阶段等不同而不同。逆境锻炼是指对植株进行短期的适度胁迫，从而使植株对后期再次发生的胁迫表现出较强的抗性[3]。研究表明，适度干旱锻炼可以显著提高植株对后期干旱[7-8]、高温[9-10]、冷害[11]胁迫的抗性，包括在逆境胁迫下增强植株后期光合、抗氧化、渗透调节的能力等，显著降低逆境胁迫对作物产量的负效应。

作物对逆境的响应是复杂的，受多种因素的共同调节[12]，因此在对作物耐逆性评价上一般采用多指标综合分析[13]。目前，常用的耐旱性鉴定评价指标包括植株干、鲜重、叶片水势、叶片相对含水量、叶片光合速率、渗透调节能力、脯氨酸含量、抗氧化特性等[14-15]，但将植株形态与渗透调节等生理指标结合的综合分析研究还较少。因此，本研究采用来自江苏、山东、河南、河北等地的110个小麦品种为材料，通过对小麦幼苗进行干旱锻炼及干旱胁迫处理，综合分析植株形态及渗透调节等生理指标，利用主成分分析、聚类分析方法对不同小麦品种对干旱锻炼的响应差异进行综合评价，以期筛选出对干旱锻炼响应较大的品种，为进一步研究小麦干旱锻炼提高小麦耐旱性的机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

水培试验于2015-2016年在南京农业大学人工气候箱内进行。供试材料为来自江苏、山东、河南、河北等地大面积推广种植、通过国审及省审的110个小麦品种(表4)，由各地农科院提供。供试种子经15% H2O2消毒后置于周转箱中20 ℃催芽，待种子达到发芽标准，摆入网筐中培养，待幼苗长至一叶一心时，将长势一致的幼苗转移至Hogland营养液中培养，昼夜生长温度分别为20和18 ℃，白天使用通气泵通气，两天更换一次营养液。培养幼苗至三叶一心时，将幼苗均分为正常营养液培养和干旱锻炼(10% PEG6000，-0.58 MPa)两组。干旱锻炼1 d后用清水把根部残留的PEG6000冲洗干净，然后恢复8～10 d。之后对将正常营养液培养的幼苗分成两个部分，一部分作为对照(CK)继续正常培养，一部分与干旱锻炼的幼苗同时进行干旱胁迫(20% PEG6000，-1.02 MPa)处理3 d，即形成对照(CK)、干旱锻炼后干旱胁迫(PD)、仅干旱胁迫(ND)三个处理，每个处理3次重复,每重复共计10株幼苗。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 叶面积的测定

用美国Li-cor公司产Li-3000叶面积仪测定植株叶面积，每个处理测定3株。

1.2.2 植株生物量的测定

处理结束后，将小麦幼苗地上部和地下部分开，分别称取植株鲜重，然后于105 ℃杀青30 min 后80 ℃烘干至恒重，每个处理测定4株。

1.2.3 根系形态的测定

最大根长采用直尺测量幼苗茎基部至最长根末端的长度，每个处理测定4株。

小麦幼苗干旱胁迫结束后，分别用根系扫描仪(Epson 1680,Indonesia)扫描，应用分析软件(WinRhizo Pro Vision 5.0,Canada)进行数据分析，得到根系形态指标值，包括总根长、根面积、根直径、根体积等，每个处理测定3株。

1.2.4 叶片相对含水量的测定

每处理取3株幼苗称取主茎最上面一片完全展叶的鲜重，然后放入蒸馏水中浸泡48 h，取出并拭去叶片上水分，称取饱和鲜重，最后放入烘箱烘干至恒重[16]。计算叶片相对含水量。

目前国内合成材料市场消费保持较快增长，进口持续放缓，市场压力缓解，供需平稳。根据当前原油、煤炭等原材料价格趋势分析，后市合成材料市场价格将保持高位运行态势，涨势趋缓。

叶片相对含水量=(鲜重-干重)/(饱和鲜重-干重)×100%

1.2.5 渗透调节物质含量的测定

脯氨酸含量测定参照张殿忠等[17]的酸性茚三酮显色法进行；可溶性总糖含量采用蒽酮硫酸法，蔗糖含量采用间苯二酚显色法测定[18]。

1.3 数据分析

采用锻炼系数描述不同小麦品种各指标对干旱锻炼的响应，其计算公式为：

PI=(PD-ND)/ND×100%

式中，PI为锻炼系数，PD为经干旱锻炼处理的指标测定值，ND为未经干旱锻炼处理的指标测定值。

利用主成分分析评价法[19-20]对小麦各指标的锻炼系数进行比较分析，计算各小麦品种主成分综合得分D值，再依据D值对不同小麦品种的锻炼响应能力进行聚类分析。

以上数据采用Excel 2010和SPSS 21进行数据分析，采用双因素方差分析法(two-way ANOVA)及 SSR多重比较法(α=0.05)分析处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下小麦不同指标的响应差异

表1 干旱胁迫及干旱锻炼对小麦幼苗形态及生理指标的影响Table 1 Effects of drought stress and priming on morphological and physiological indices of wheat under

同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。LRWC：叶片相对含水量；LA：叶面积；SFW：地上部鲜重；SDW：地上部干重；RFW：根鲜重；RDW：根干重；DMA：植株干物质；MRL：最大根长；TRL：总根长；RA：根面积；RV：根体积； Pro：脯氨酸含量；Tss：可溶性总糖含量；Suc：蔗糖含量。下同。

Different small letters following data in same lines mean significant difference among treatments at 0.05 level. LRWC:Leaf relative water content; LA:Leaf area; SFW:Shoot fresh weight；SDW:Shoot dry weight；MRL:Maximum root length;TRL:Total root length;RA:Root area;RV:Root volume;RFW:Root fresh weight;RDW:Root dry weight;DMA:Accumulation of plant dry matter;Pro:The content of proline;Tss:The total soluble sugar content;Suc:The content of sucrose. The same in figure 1,table 2 and table 3.

2.2 小麦不同指标锻炼系数的比较

小麦不同被测指标的锻炼系数有一定差异(图1)。其中，甜菜碱、可溶性总糖、蔗糖、脯氨酸含量的锻炼系数较大，植株形态指标的锻炼系数处于中间，而叶片相对含水量的锻炼系数最小。这说明若用任何单一指标评价小麦对干旱锻炼的响应都会导致评价结果的不全面、不准确，因此选用多个指标来综合评价小麦对干旱锻炼的响应是非常必要的。

2.3 不同小麦品种对干旱锻炼响应的主成分分析

从相关分析结果(表2)可以看出，不同指标间锻炼系数存在一定的相关性，其中地上部鲜重与植株干物质积累量、地上部干重与根干重、根鲜重与总根长、根面积与根体积、脯氨酸含量与植株干物质积累量、可溶性总糖含量与蔗糖含量均呈极显著正相关，表明各指标锻炼系数在解释结果时存在信息重叠。因此，有必要对测定的14个生理及形态指标的锻炼系数进行主成分分析，建立相互独立的指标，进而综合评价不同小麦品种对干旱锻炼的响应差异。

图1 小麦不同指标的锻炼系数

表2 小麦不同指标间锻炼系数的相关性Table 2 Correlation analysis of priming coefficient in different indices

*：P<0.05; **:P<0.01.

特征值大小代表了矩阵正交化后所对应特征向量对于整个矩阵的贡献程度。通过主成分分析，根据特征值大于1的原则，在原来14个指标中提取出4个主成分，其累计贡献率达77.178%，已包含了大部分信息，能够基本反映小麦品种对干旱锻炼响应的整体状况(表3)。4个主成分对应特征值分别为6.585、2.060、1.090和1.070，分别解释了14个原始变量信息的47.035%、14.715%、7.785%和7.644%。根据各主成分下指标的载荷向量及各主成分特征值[21]，分别求得4个主成分中各指标对应的系数，并根据各主成分的特征值所占比例求得权重。

表3 各指标锻炼系数的主成分分析结果Table 3 Principal component analysis on different priming coefficient

2.4 不同小麦品种对干旱锻炼响应的综合评价

主成分综合得分评价值(D)反映了不同小麦品种对干旱锻炼的综合响应能力，得分越高表明该品种经锻炼处理和未经锻炼处理间的差异越大，说明其对干旱锻炼越敏感。在供试品种中，扬麦158、扬麦20、晋麦33、洛旱11、济麦22品种的D值较大，表明其对干旱锻炼敏感；周麦18、泗水38、连麦7、淮麦28、淮麦20品种的D值较小，表明其对干旱锻炼不敏感(表4)。

以D值为评价指标，经数据标准化处理后，采用Ward-离差平方和法对110个小麦品种进行聚类分析(图2)。在欧式距离约23处，110个小麦品种可聚成两大类。其中，第Ⅰ大类群由81个品种组成，其植株干物质积累量锻炼系数和渗透调节物质含量锻炼系数较高，为干旱锻炼敏感品种。第Ⅱ类群由29个品种组成，各指标锻炼系数均较小，属于干旱锻炼不敏感品种。

3 讨 论

作物对干旱胁迫的响应是十分复杂的，不同品种对干旱胁迫的响应存在显著差异[22-23]。干旱锻炼作为一项技术在生产上已有应用，如各种作物的早期蹲苗，但对干旱锻炼效应的评价及同一作物不同品种对干旱锻炼的响应差异尚无定论。干旱条件下，叶片可溶性糖含量与植株耐旱性呈正相关[24]；耐旱性强的植株叶片相对含水量[16]下降缓慢，可溶性糖[25]、脯氨酸[26]含量增加幅度大，在不耐旱品种中增加幅度小。适度的干旱锻炼可提高小麦对后期干旱胁迫的抗性，在干旱胁迫下，与未经过干旱锻炼的植株相比，经过干旱锻炼的植株具有较高的叶片相对含水量和可溶性糖含量[27]。本试验结果表明，干旱胁迫后，经锻炼处理植株各被测指标均值总体上大于未经锻炼处理植株，但品种间对干旱锻炼的响应有差异。

在对作物抗旱性筛选中，人们多采用抗旱指数[28-30]来描述不同指标在干旱胁迫下的变化。不同指标对小麦抗旱性反映也有差异，且不同指标间存在一定的相关性[28,13]。本试验中，为明确锻炼处理植株和未锻炼处理植株对干旱胁迫响应的差异，采用锻炼系数来描述不同小麦品种对干旱锻炼响应的差异，结果表明，小麦不同指标的锻炼系数不同，其中，可溶性总糖、脯氨酸等渗透物质的锻炼系数较大，这与前人在木薯响应干旱锻炼上的研究结果一致[25]。

主成分分析是利用降维的思想，在损失较少信息的前提下把多个指标转化为几个综合指标，根据提取的主成分的特征值和贡献率进行综合评价[31]，并且主成分分析法在评价作物抗性上已被广泛使用[15,28]。主成分综合评价值是一个无量纲的数值，因此不同小麦品种对干旱锻炼响应差异具有可比性[32-33]。本试验把14个单项指标的锻炼系数通过主成分分析转化成4个主成分，其累计贡献率为77.178%。根据4个综合指标的贡献率求出相应的主成分得分值，并根据各综合指标的权重进行加权，得出不同品种对干旱锻炼响应差异的综合评价值(D值)。D值反映了不同小麦品种对干旱锻炼的综合响应能力，得分越高表明该品种经锻炼处理和未经锻炼处理相比差异越大，表明其对干旱锻炼响应敏感。通过聚类分析，将110个小麦品种分为两类，且聚类分析结果和主成分综合评价结果一致，进一步验证了主成分分析法可以用于小麦品种锻炼响应差异综合评价。从本试验结果来看，对干旱锻炼的敏感性与品种的抗旱性之间没有相关性。抗旱品种中有的对干旱锻炼敏感，有的是对干旱锻炼迟钝，并且不抗旱品种中也有干旱锻炼迟钝型，如淮麦29是不抗旱品种，但其对干旱锻炼的响应不敏感。其可能的原因是锻炼系数反映的是对干旱锻炼是否敏感，可能与品种本身的抗旱性相关性不大。本试验研究的目的是筛选出对干旱锻炼敏感和不敏感的品种，今后将进一步研究其响应干旱胁迫的生理机制，从而在生产上，在兼顾产量和抗旱性的同时，在干旱胁迫发生时可以通过锻炼措施提高敏感品种的抗旱性，来更好地应对干旱胁迫。

表4 110个小麦品种的主成分综合得分值Table 4 Integrated principal component values of 110 wheat varieties

图2 110个小麦品种主成分综合得分值(D值)聚类分析图

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