不同燕麦品种萌发期的抗旱性比较研究

张立坤，宛 涛*，张晓明，徐振朋，王晓栋,3

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 2.乌兰察布市农牧业科学研究院，内蒙古 乌兰察布 012000； 3.内蒙古自治区草原勘察规划院，内蒙古 呼和浩特 010051)

一直以来国家致力于改善干旱半干旱地区环境条件，但受水分条件限制，能够选择种植优良抗逆性强的牧草种类有限。内蒙古西部及西北部地区属于干旱半干旱地区，水分成为影响牧草实现最大程度的增产的主要因素之一。因此在旱作条件下培育与引进优质抗旱牧草品种成为饲草提高产量的有效途径之一。燕麦根据其有无外稃可分为带稃型和裸粒型两大类，饲用燕麦(AvenasativaL.)又称为皮燕麦，作为优良饲用麦类是家畜的主要饲料来源之一，其籽粒和鲜干草均可作为优良饲料〔1-4〕。本研究以产量、品质等方面表现较好的饲用燕麦品种为供试材料，采用浓度为15%的聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG-6000)人工模拟干旱胁迫对7个饲用燕麦品种进行处理，测定不同燕麦品种的发芽势、发芽率、发芽指数等指标，利用主成分分析及加权隶属函数法对供试品种进行萌发期抗旱性综合比较，从而为饲用燕麦萌发期抗旱性鉴定评价及旱作条件下指导生产实践提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

供试材料为2018年采收的7个饲用燕麦品种，均由乌兰察布市农牧业科学研究院提供。

表1 供试材料信息表

1.2 实验方法

1.2.1 材料处理

试验采用纸上发芽法，每品种选取大小一致、籽粒饱满的种子，用2%NaClO消毒浸种5min，消毒后用蒸馏水漂洗3次的种子晾干，置于2层浸透15% PEG-6000溶液滤纸的培养皿中，以蒸馏水为对照，每个培养皿中放置50粒种子，在相对湿度为60%、25℃恒温条件下培养，每个处理3次重复。每天17∶00对每个培养皿滴加等量蒸馏水，以浸透滤纸并稍有剩余为宜，保持渗透梯度不变；每2d换1次发芽床，试验共进行12d。

1.2.2 种子萌发指标测定方法

培养第2d开始，每24h统计1次发芽种子数。以胚根至少与种子等长、芽长不短于种子长的1/2作为发芽标准。培养至第12d时，从各培养皿中随机挑选10株正常生长的幼苗，吸干幼苗表面附着水测量其胚根长度，胚芽长度，并结束对种子萌发情况的观测〔5〕。计算发芽率(germination rate，GR)、发芽势(germination energy，GE)、发芽指数(germination index，GI)、种子萌发指数(promptness index，PI)和种子活力指数(vigour index，VI)。计算公式如下:

发芽率(GR)=(前12d种子发芽数/供试种子总数)×100%

(1)

发芽势(GE)=(前5d种子发芽数/供试种子总数)×100%

(2)

发芽指数(GI)=Σ(Gt/Dt)

(3)

种子萌发指数(PI)=1.0nd3+0.8nd5+0.6nd7+0.4nd9+0.2nd11

(4)

活力指数(VI)=PI×Sx。

(5)

式中：Gt为第td的发芽数；Dt为发芽试验的第t d；nd3、nd5、nd7、nd9、nd11分别为第3、5、7、9、11d的种子萌发率〔6〕；Sx为第12d幼苗平均鲜重。

为了消除品种间种子活力所带来的差异，依据下式计算相对发芽率(X1)、相对发芽势(X2)、相对发芽指数(X3)、相对种子萌发指数(即种子萌发抗旱指数)(X4)、相对活力指数(即种子活力抗旱指数)(X5)、相对胚根长(X6)、相对胚芽长(X7)及相对鲜重(X8)。鉴定指标相对值=胁迫处理组值/对照组值。

1.2.3 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 20.0软件进行数据处理和差异性分析，抗旱性采用加权隶属函数法〔7〕进行综合评价。

加权隶属函数法相关公式如下：

(6)

μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)(j=1,2,3)

(7)

(8)

式中：Wj为综合指标j的权重，Pj为综合指标j的贡献率，μ(Xj)为各品种Xj的隶属函数值，Xj为各品种综合指标j的值，Xjmin、Xjmax分别为各品种中Xj的最大值和最小值，D为各品种的抗旱性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同燕麦品种萌发指标的影响

如图1所示，在对照和干旱胁迫2种处理下，不同燕麦品种间各指标均差异显著(P<0.05)；除鲜重外，发芽率、发芽势等指标胁迫值明显低于对照，说明这些性状在干旱胁迫下均受到了不同程度的抑制。干旱胁迫下坝莜6号和贝勒的发芽率显著高于其它5个品种(P<0.05)，坝莜6号的发芽率最高，冀张燕4号最低；定燕2号和Haywire发芽率的降低幅度较大，均达到75.0%以上。从发芽势看，蒙饲草2号的发芽势在干旱胁迫下显著高于其他品种(P<0.05)，发芽势均达到最高，冀张燕4号最低，且降低幅度最大达到100.0%。从发芽指数和活力指数看，贝勒和蒙饲草2号在2种处理下均最高，冀张燕4号最低，除坝莜6号外，其他6个品种的发芽指数降低幅度均在80.0%以上，冀张燕4号与Haywire的种子萌发指数降低幅度均在90.0%以上。2种处理下定燕2号的胚根长和胚芽长最长，除冀张燕4号外，干旱胁迫对其它品种的胚根长和胚芽长影响不大，降低幅度均在50%以下。干旱胁迫下定燕2号、蒙饲草2号和贝勒鲜重增大，其它品种均有不同程度的下降。一般而言，各指标降低幅度越大，该燕麦品种抗旱性越差。从以上结果看，各材料在各指标间的表现趋势并不一致，说明植物的抗旱性需综合考虑，不能仅通过单一指标进行评价。

图1 对照与15% PEG处理下不同燕麦品种发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、种子萌发指数、胚根长、胚芽长及鲜重的对比图

由表2可知，在PEG干旱胁迫下，除相对胚根长和相对胚芽长无显著差异(P>0.05)外，不同燕麦品种间相对发芽率、相对发芽势等指标均差异显著(P<0.05)。变异系数越大则变异程度越大，说明该鉴定指标对干旱胁迫越敏感，反之则受影响越小。相对发芽势等8个指标的相对值在不同品种中的变异程度不一致，如相对发芽势的变异系数最大，因而在品种之间的差异最大，表明在干旱胁迫下相对发芽势最为敏感；相对胚芽长的变异系数最小，说明胚芽长对干旱胁迫最不敏感，其指标受干旱胁迫影响最小。基于各鉴定指标相对值变异系数的大小，相对发芽势等8个鉴定指标对干旱胁迫的敏感程度由大到小依次为：相对发芽势>相对活力指数>相对种子萌发指数>相对发芽率>相对发芽指数>相对胚根长>相对鲜重>相对胚芽长。其中，萌发指标对干旱胁迫最为敏感，而生长指标敏感程度次之。

表2 供试燕麦品种萌发期8个鉴定指标的相对值

注：同列不同小写字母表示在5%水平差异显著。

2.2 不同燕麦品种萌发期抗旱性综合指标比较

2.2.1 抗旱性评价综合指标的筛选

通过表2亦可以反映出，对单一指标的相对值进行抗旱性比较，不同燕麦品种有不同的排序，如品种坝莜6号的相对发芽率最高，而相对发芽势为蒙饲草2号品种最高，结果存在很大差异。利用双Pearson简单相关系数法对干旱胁迫下相对发芽势等8个指标进行相关性分析可知，除相对鲜重外，其它指标间均呈现正相关，多个指标间相关性达到了显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)。相对萌发指数与相对发芽指数相关系数最大,达到0.984**和0.909**。相对发芽率与相对发芽指数、相对活力指数和相对萌发指数极显著正相关,相关系数分别为0.788**、0.542**和0.694**。相对活力指数与相对发芽势、相对发芽指数和相对胚芽长也呈极显著正相关，相关系数分别达到0.504**、0.865**和0.533**。相关性分析结果表明，各指标之间都存在一定的相关性，使得信息发生重叠。因此，所筛选的综合指标中应选择没有信息重叠，彼此独立，能有效代表所有单项评价指标。

对相对发芽势等8个评价指标进行主成分分析，结果如表3所示。第一主成分贡献率为48.212%，第二、三主成分贡献率分别为16.622%和15.923%。根据特征值大于1以及累积贡献率大于80%的原则，选取前3个主成分作为综合指标，可有效反映相对发芽势等8个评价指标全部信息的80.756%。因此用这3个综合指标说明影响饲用燕麦品种抗旱性，这样由原来8个单项指标就可以转化为3个新的相互独立的综合指标，其余作为观察误差可忽略不计。

表3 三个主成分的系数、特征值、方差贡献率及累积贡献率

根据各品种的前3个主成分得分系数矩阵进行绘图(图2)。各项指标由于不同的得分系数而分布在不同的空间位置，相对发芽势等8个测定指标均不落在原点和坐标轴上，说明这8个指标与这3个坐标轴所对应的因子都有关系。其中相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数和相对萌发抗旱指数之间的欧式距离较近，可概括为萌发因子，说明他们之间在干旱胁迫下具有相似的响应。同样，相对胚根长、相对胚芽长和相对鲜重的欧式距离较近，可概括为生长因子，故3个指标在干旱处理下具有相似的响应。相对发芽势距离2类相对较远，也可概括为萌发因子。由此看出，在鉴定饲用燕麦品种萌发期抗旱性时应重点考察种子萌发指标。

图2 对不同抗旱指标构成影响的3个主成分散点图

2.2.2 抗旱性综合指标比较

特征向量表示各性状对综合指标的贡献大小，根据主成分分析的结果，选3个主成分中较大的特征向量：相对种子萌发指数、相对发芽指数、相对活力指数、相对鲜重、相对胚芽长、相对胚根长和相对发芽势7个指标进行隶属函数分析，根据各指标的相对值(表2)及主成分分析中PC1、PC2和PC3这3个综合指标的系数(表3)，可得到每个品种的综合指标值Xj(j=1，2，3)，然后依据公式(7)和(8)分别求出每个品种综合指标的隶属函数值μ(Xj)和每个品种的抗旱性综合评价值(D值)，如表4所示。依据D值大小排序，抗旱性由强到弱的顺序为：贝勒、坝莜6号、定燕2号、蒙饲草2号、蒙燕1号、冀张燕4号和Haywire。饲用燕麦品种贝勒抗旱性综合评价值最高，D值为0.710，抗旱性最好，品种Haywire的抗旱性最差，D值为0.103。

表4 不同燕麦品种综合指标值、隶属函数值、D 值及抗旱性排序

2.3 不同燕麦品种萌发期抗旱性聚类分析

为了综合评判不同燕麦品种的抗旱性，采用主成分因子得分系数和隶属函数加权平均值(D)2种方式对不同燕麦品种的抗旱性进行聚类。由图3可知，坝莜6号和贝勒的欧式距离较近，说明干旱胁迫下2个品种表现相似，可聚为一类；欧式距离较近的蒙饲草2号、定燕2号和蒙燕1号3个品种聚为一类，其中蒙饲草2号在第二因子得分负方向偏离较大，主要由于蒙饲草2号的生长指标值较其它2个品种均较小；冀张燕和Haywire距离较近，在干旱胁迫下各指标表现相似，因此将2个品种聚为一类。

图3 基于主成分因子得分系数燕麦品种三维散点图

由图4可知，7个饲用燕麦品种根据D值进行模糊聚类分析后分为3类：第一类为贝勒和坝莜6号；第二类包括定燕2号、蒙饲草2号和蒙燕1号；第三类包括冀张燕4号和Haywire，与主成分因子得分系数聚类分析结果一致。综合不同品种的指标相对值及隶属函数加权平均值(D)后评定认为，抗旱性较好的是贝勒和坝莜6号，其次为定燕2号、蒙饲草2号和蒙燕1号，较差的品种是冀张燕4号和Haywire。

图4 基于D值燕麦品种聚类分析结果

3 讨论

3.1 干旱胁迫对不同燕麦品种萌发的影响

种子萌发是进行植物抗旱性研究的重要时期，不同植物对干旱胁迫的反应机理不同。李培英等利用PEG模拟干旱条件对29份偃麦草种子的研究发现，干旱胁迫对种子萌发及胚芽和胚根的生长发育有抑制作用〔8〕。张宇君等对燕麦种子的研究发现，-0.2MPa和-0.4MPa PEG-6000处理对种子萌发和幼苗生长具有促进作用〔9〕。本试验结果表明：在15% PEG-6000干旱胁迫下，除鲜重外，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、种子萌发抗旱指数、胚根长、胚芽长均小于对照，具有显著的抑制作用。这可能是不同供试材料生长时期及培养环境不同，对同一评价指标表现存在差异，导致评价结果不同。不同干旱程度下燕麦品种的适应性不同，轻度或中度水分胁迫可能会促进种子萌发。根据各鉴定指标相对值的变异系数大小可知，对干旱胁迫表现较为敏感是发芽势、活力指数和种子萌发指数。这一点与陈新等在裸燕麦萌发时期抗旱性鉴定与评价中的研究结果一致〔7〕，其原因可能是不同禾本科材料在干旱胁迫下会表现出一定的综合特征，具体原因有待进一步探究。

3.2 抗旱性综合比较及抗旱品种的筛选

不同鉴定指标对干旱胁迫的表现性状不同，用单一指标难以准确评定其抗旱性，需综合多个指标以弥补单一指标对评定结果的差异性；而部分指标间具有相关性，信息覆盖度高。利用主成分分析在不损失或很少损失原有信息的基础上，将多个错综复杂的单项指标转化为信息涵盖量高，彼此独立的几个综合评价指标，再利用隶属函数加权平均法综合评价，这样使得结果具有科学性和可靠性〔10〕。有研究发现，对燕麦叶、穗鲜干重进行隶属函数法分析，可以将不同燕麦品种抗旱性排序及分类〔11〕。隶属函数加权平均法可以用于玉米品种的抗旱性分级评价，其抗旱性评价与田间干旱鉴定结果一致〔12〕。本研究用各指标的相对值进行比较，以消除种子活力带来的差异性，利用主成分分析将8个指标转换为3个综合指标，对7个饲用燕麦品种进行萌发期抗旱综合评价与排序。由于指标之间单位不同，采用加权隶属函数消除可不同指标间单位的差异提高可比度。植物的抗旱性由不同性状决定，由于植物抗旱性鉴定指标较多，本文仅利用相对发芽势等8项指标对萌发期饲用燕麦进行了抗旱性比较，很可能因为评价体系不够全面而影响结果的准确性，供试材料的抗旱性在其他生育期及栽培实践中还需进一步检验。

4 结论

在15% PEG-6000胁迫下，除鲜重外，发芽势、发芽率等其它7项指标均受到不同程度的抑制，与品种的抗旱性表现为正相关；相对发芽势等8个抗旱性评价指标分别隶属于3个主成分，代表了全部数据80.76%的信息量，其中以萌发指标对干旱胁迫抗旱性的贡献率最大；饲用燕麦萌发期抗旱性以萌发因子为主，生长因子为辅；在抗旱性综合指标值的模糊聚类下，将7个饲用燕麦品种分为3类，以贝勒和坝莜6号的抗旱性综合指标值最高，抗旱性最强，可用于旱地种植。