甜高粱成熟期抗旱性指标筛选与评价方法

袁 闯，许 兴，2，毛桂莲，朱 林

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021； 2.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；4.宁夏大学生命科学学院，宁夏 银川 750021)

关键字：甜高粱；成熟期；抗旱性；鉴定指标

干旱是影响粮食产量的重要环境因素之一，是限制我国农业发展的主要因素[1]。当前，我国大约有48%的耕地处于干旱半干旱带，其中51.9%无灌溉条件[2]。随着全球气候变暖，对于西部水资源短缺的地区，干旱出现的频次越来越多。干旱导致作物减产，严重时可使其减产超过50%[3-4]。甜高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)是世界五大谷物之一，具有耐旱、耐盐、耐碱、耐涝、耐贫瘠等抗逆的优良特性[5]。甜高粱是一种粮饲兼用的作物，具有巨大的经济和生态价值[6]。

作物的抗旱性是一个复杂的生理生化反应，不能由单个指标反映其抗旱型[7]。目前，评价作物抗旱性的方法有加权抗旱系数、灰色关联度分析及隶属函数等[8-10]。吴奇等[11]将54份高粱按照抗旱性强弱分为4类，筛选出一个抗旱性极强的品种，萌发的抗旱指数、发芽率和根长等性状可作为高粱品种萌发期抗旱性鉴定的主要指标。王艺陶等[12]筛选出305等4份抗旱性很强的材料，认为相对芽长、相对根长和相对萌发抗旱系数可以作为高粱抗旱性重要指标。陈冰嬬等[13]将41份高粱按照抗旱性强弱分为5类，L116等两份材料为高度抗旱种质，Ms18等18份为较抗旱性种质，Ms19B等9份抗旱性种质，L5172等8份为较敏感型种质，2055B等4份为高度敏感性种质，且将萌发抗旱指数、根长、剩余干物质作为高粱抗旱性鉴定指标。

干旱是影响甜高粱产量和品质重要的原因之一。因此，筛选和培育抗旱的甜高粱品种非常重要。但目前，关于甜高粱成熟期抗旱性鉴定和指标筛选方面研究还鲜见报道。因此，本试验设置两个水分处理，采用多种分析方法，对22个甜高粱品系成熟期株高、茎粗、穗长、穗茎粗、分枝数、穗粒数、穗重、单株粒重、千粒重和产量等指标抗旱性进行综合评价和鉴定，以期为甜高粱抗旱品种的选育及准确评价抗旱性提供科学理论依据[14]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取22个甜高粱品系为试验材料，材料来源于中科院遗传发育研究所。这些试验材料为新育成未审定的品系，需要抗旱性鉴定，具体如表1。

1.2 试验地概况

试验于2018年4月，在宁夏同心县王团旱作节水高效农业科技园进行。该试验田位于宁夏中部干旱带(东经106°52′53″，北纬37°38′41″)，属于典型的温带大陆性气候，年降水量259 mm左右，而蒸发量却高达2 326 mm以上，干旱缺水是该地明显的自然特征，无霜期为118～226 d，年平均气温9.1℃，≥12℃的积温大约为2 900℃，热量充足，昼夜温差大。试验地土壤为砂壤土，蓄水能力差。试验地0～40 cm土层土壤理化性质如表2所示。

表2 不同水分处理的土壤理化性质

1.3 试验设计

试验采取单因素随机区组设计，设置两种水分处理：正常灌水处理(T1)和重度干旱处理(T2)。每个小区面积为22 m2(5 m×4.4 m)，种植8行，宽窄行种植(宽行70 cm，窄行40 cm)，平均行距为55 cm，株距为20 cm，小区间隔留1 m空行，采用4～5粒穴播，播种深度约为3 cm；每个品系设置3个重复小区，用0.6 m宽的塑料薄膜进行水分阻断处理。播种前进行备种、整种，施复合肥(N∶P2O5∶K2O=20∶15∶15)270 kg·hm-2，整地耙平，播种时精选籽粒饱满、大小基本一致的种子。干旱胁迫处理只在播种后灌一次水(灌水量为50 mm)，以保证正常出苗，之后不再灌水。对照灌水处理按当地田间生产管理，分别在播种后、拔节期、孕穗期和灌浆期进行灌水，灌水量分别为50、100、81 mm和80 mm。整个生育期内降水量为224.2 mm，定期进行人工除草，拔节期追施复合肥(N∶P2O5∶K2O=20∶15∶15)300 kg·hm-2，利用药剂防治病虫害等管理。

1.4 测定指标及方法

于甜高粱成熟期(9月28日)进行指标测量，每个小区挑选4株长势基本一致的植株，参考《高粱种质资源描述规范和数据标准》[15]测量株高(PH)、茎粗(CD)、穗长(SL)、穗重(SW)、穗茎粗(SCD )、分枝数(NB)、穗粒数(GNS)、单株粒重(SWP)、千粒重(TGW)等指标,并计算单位面积产量(Y)。

1.5 数据处理

采用Excel 2010整理数据，用SPSS 17.0进行相关性分析、主成分分析、聚类分析、差异显著性分析及逐步回归分析。主要的公式如下：

(1)各个指标抗旱系数(DRC)

DRC=重度干旱处理测量值/正常灌水处理测量值

(1)

(2)综合抗旱系数(CDRC)

(2)

(3)隶属函数值

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中，Xj表示第j个因子的得分值，Xmin为第j个因子得分值最小值，Xmax表示第j个因子得分最大值。

综上所述，教师应该以学生为中心，优化教学内容，改进教学方法，丰富教学手段，完善考核机制就能有效激发出学生热情，提高学生的工程实践能力，使学生更好地适应社会对电子技术人才的要求，提高他们的就业竞争力。

(4)权重

(4)

式中，Wj表示第j个因子在所有公因子中的重要程度，Pj为各品种第j个因子贡献率。

(5)综合评价

(5)

式中，D值为不同甜高粱成熟期品系抗旱能力综合评价值，k为甜高粱品系个数。

(6)以各指标DRC作为比较序列，D值为参考序列进行灰色关联度分析，得到两者之间关联度(ҮD)，并用公式(6)计算各项指标权重系数，公式(7)计算加权抗旱系数(WDC)

(6)

(7)

此外，将各项指标DRC值作为比较序列，WDC值作为参考序列进行灰色关联度分析，得各指标DRC值与WDC值间的关联度(ҮWDC)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下甜高粱品系成熟期农艺性状分析

由表3可知，与正常灌水处理相比，干旱胁迫处理条件下的各项指标有所下降，且达到极显著水平(P<0.01)。不同处理下，各项指标之间的变异系数在0.079～0.358的范围内，表明本试验所测的指标对干旱胁迫反应敏感，处理效果明显，且具有代表性。此外，不同处理条件下同一指标间的相关系数介于0.029～0.828之间，表明各项指标对干旱胁迫的反应敏感性存在较大差异。

2.2 甜高粱品系农艺性状抗旱系数分析

利用公式(1)计算各个指标抗旱系数(表4)，与正常灌水处理相比，干旱处理下的各项指标均有所下降，且变异系数在0.080～0.182范围之间，同一指标不同供试材料抗旱系数变化明显。由表5可知，DRC≥0.7株高、茎粗、穗长、穗茎粗、分枝数、穗粒数、穗重、单株粒重、千粒重和产量的分布频率分别为95.45%、95.45%、50%、81.82%、95.45%、95.45%、54.55%、40.91%、86.36%、40.91%，各项指标抗旱性敏感程度由大到小顺序为穗粒数>分枝数>株高>茎粗>千粒重>穗茎粗>穗重>穗长>单株粒重>产量。

2.3 干旱胁迫下甜高粱品系各项指标间的相关性分析

2.4 干旱胁迫下甜高粱品系各项指标的主成分分析

由表7可知，CI1～CI5因子的特征值贡献分别为36.159 、16.219 、13.924、12.261 、9.524，累计贡献率为88.087%，故其他因子的贡献率可以忽略。因此，将10项指标转化出5项新的互相独立综合指标，并可以代替原始所有指标的绝大部分抗旱信息。CI1在单株粒重和产量上表现出较高载荷量；CI2在千粒重和穗茎粗上表现出较高载荷量；CI3在分枝数上表现出较高载荷量；CI4在穗粒数和茎粗上均表现出较高载荷量；CI5在穗长上表现出较高载荷量。综上分析可得，千粒重、单株粒重、分枝数、穗粒数和穗长可作为甜高粱成熟期抗旱性的鉴定指标。

2.5 干旱胁迫下不同甜高粱品系抗旱性的综合评价

由表8可知，D值在0.189～0.738之间，变异系数为0.299，平均值为0.484；利用D值对22个不同品系甜高粱抗旱性进行大小排序，可知F417、F6137和F438的D值最大，表明其抗旱性最强；F6229和TX41的D值最小，表明其抗旱性最弱。WDC值在0.676～0.853之间，变异系数为0.057，平均值为0.776；以WDC值大小对甜高粱抗旱性进行排序，结果表明，高度抗旱型为F6137、 F6099和F417，高度敏感型为TX41和F6229。CDRC值在0.676～0.849之间，变异系数为0.059，平均数为0.771；以CDRC值大小对甜高粱抗旱性进行排序，结果表明，高度抗旱型为F6137、 F6099和F417，高度敏感型为TX41和F6229。综上，利用D值、WDC值和CDRC值对甜高粱抗旱性评价结果基本一致。

2.6 干旱胁迫下甜高粱品系各项指标的灰色关联度分析

由表9可看出，DRC值的关联度大到小的顺序为：穗粒数>千粒重>分枝数>株高>单株粒重>产量>穗重>茎粗>穗茎粗>穗长。CDRC值关联度大小顺序：穗粒数>千粒重>分枝数>株高>单株粒重>产量>穗重>茎粗>穗茎粗>穗长。D值关联度大小顺序：单株粒重>千粒重>穗粒数>产量>穗茎粗>分枝数>穗重>穗长>株高>茎粗。DRC值与CDRC值、WDC值、D值密切程度基本一致。

表4 甜高粱品系成熟期各农艺性状的抗旱系数

表5 参试甜高粱品系各农艺性状抗旱系数分布

表6 供试甜高粱品系成熟期各性状抗旱系数的相关性分析

注：*代表显著水平P<0.05; **代表极显著水平P<0.01。

Note：* represents significant level atP<0.05; ** represents significant level atP<0.01.

2.7 干旱胁迫下甜高粱品系的聚类分析与抗旱性等级划分

通过隶属函数计算得到D值，对D值进行聚类分析(图1)。可将22个不同品系甜高粱分为5类，第Ⅰ类为高度抗旱型，包括F417、F438和F6137,占总数13.64%；第Ⅱ类为抗旱型，包括F6141、F6099、F6383、F6018、F6271、F6106和F6036，占总数31.82%；第Ⅲ类为中等抗旱型，包括YT003、F6149、F7372、SN005、F6319和F6306，占总数27.27%；第Ⅳ类为敏感型，包括F6027、F6017、A60和F968，占总数18.18%；第Ⅴ类为高度敏感型，包括F6229和TX41，占总数9.09%。

对聚类分析结果进行抗旱性等级统计分析(表10)。结果表明：千粒重、单株粒重、穗重、穗粒数、D值、分枝数、穗茎粗、CDRC值和WDC值分别随着抗旱级别的升高而增加。在不同抗旱级别上，WDC值、CDRC值和D值的差异较大，可作为甜高粱抗旱级别划分的参考指标。

2.8 甜高粱抗旱指标筛选

以DRC值为自变量，WDC值、CDRC值和D值为因变量进行逐步线性回归分析，得到3个线性回归方程。这3个线性回归方程的决定系数均大于0.9986，P=0.0001(表11)，表明此方程为最优回归方程。运用这3个方程对甜高粱成熟期抗旱性评价效果最好。由各项指标DRC与D值建立的线性回归方程可知，在甜高粱成熟期抗旱性评价中，千粒重、单株粒重、穗粒数、穗茎粗与D值密切相关。另外，相关性分析表明，WDC值、CDRC值、D值和产量相互之间均呈极显著正相关(P<0.01)。因此，千粒重、单株粒重、穗粒数和穗茎粗可用于甜高粱抗旱性鉴定，从而减少工作量，提高工作效率。

表7 甜高粱品系各农艺性状的主成分特征向量及贡献率

表8 甜高粱品系抗旱性综合评价的D值、CDRC值和WDC值

表9 甜高粱品系各性状DRC值与D值、WDC值、CDRC值的关联度及权重

图1 22个甜高粱品系抗旱性聚类树状图Fig.1 Cluster tree diagram of 22 cultivars(lines)of sweet sorghum

表10 供试甜高粱材料抗旱评价指标分级

表11 甜高粱抗旱性模型预测

注：x4—穗茎粗；x6—穗粒数；x7—穗重；x8—单株粒重；x9—千粒重。

Note:x4—spike culm diameter;x6—grain number per spike;x7—spike weight;x8—spike weight per plant;x9—grain weight of a thousand seeds.

3 讨论与结论

作物抗旱性评价不仅需要选择具有代表性、适用的指标，而且更需要适合的评价方法。目前，采用多项指标和多种评价方法相结合的方法评价作物品种的抗旱性[16-21]。干旱胁迫导致玉米株高、产量显著降低[22]。干旱条件下苦荞的株高、茎粗均有降低，且不同品种降幅存在差异[23]。汪灿等[24]等研究表明，干旱胁迫对酒用糯高粱资源成熟期各项指标均产生显著影响(P<0.05)，分蘖数、穗粒数和单株粒重可作为酒用糯高粱成熟期简单、直观的抗旱指标。本研究发现，供试材料在干旱胁迫条件下的株高、茎粗和籽粒产量均显著低于正常灌水处理(P<0.05),且各品系间达到显著差异。这与袁闯等[25]关于干旱导致玉米成熟期株高、茎粗和籽粒产量降低结论一致。干旱影响作物的产量构成因素，导致作物的产量降低。祁旭升等[26]提出单株粒重、单株生物量、株高、分枝数和单株粒数可作为胡麻成株期抗旱筛选指标。本研究发现，千粒重、单株粒重、分枝数、穗粒数和穗长可作为甜高粱成熟期抗旱性鉴定的参考指标。干旱对不同作物造成的影响存在差异，对同一作物不同指标之间的影响也具有差异[27-28]。作物抗旱性是多基因数量性状控制及多个指标的综合表现，需要对其抗旱性进行综合评价[29]。干旱胁迫对各项指标影响程度不同，且各项指标之间存在一定的相关性。直接利用某项指标评价甜高粱成熟期抗旱性，不能准确和客观地反应其抗旱性，作物的抗旱性鉴定需要多指标结合[30-32]。相关性分析表明，WDC值、CDRC值、D值和产量相互之间均呈极显著正相关(P<0.01),这与罗俊杰等[33]研究结果相近。

干旱胁迫对甜高粱成熟期农艺性状产生显著影响，抗旱系数频次分析表明，抗旱性敏感程度由大到小顺序为穗粒数>分枝数>株高>茎粗>千粒重>穗茎粗>穗重>穗长>单株粒重>产量。灰色关联度分析表明，各指标DRC值与D值的密切程度大小顺序为单株粒重>千粒重>穗粒数>产量>穗茎粗>分枝数>穗重>穗长>株高>茎粗。对D值进行聚类分析，将22个不同品种(系)甜高粱分为5抗旱级别，其中Ⅰ级3份、Ⅱ级7份、Ⅲ级6份、Ⅳ级4份、Ⅴ级2份，其中筛选出成熟期抗旱性最强的甜高粱品种(系)为F417、F438、F6137。逐步线性回归方程表明，千粒重、单株粒重、穗粒数、穗茎粗与D值密切相关。千粒重、单株粒重、穗粒数和穗茎粗可作为甜高粱成熟期抗旱性鉴定的评价指标。本试验筛选出成熟期抗旱性强的甜高粱材料417、F438、F6137，可为甜高粱抗旱育种、抗旱机理及干旱调控缓解机制的研究提供基础材料。