PEG-6000模拟干旱胁迫下不同基因型小麦品种萌发期抗旱性的综合鉴定

李静静，任永哲，白露，吕伟增，王志强，辛泽毓，林同保

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002；2.河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450002；3.省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室，河南 郑州 450002)

随着全球气候变暖和水资源紧缺的加剧，每年因干旱缺水导致的作物减产已经超过其他非生物限制因素的总和，严重影响农业的可持续发展[1]。小麦是重要的粮食作物，培育和筛选抗旱性强的小麦品种是应对干旱问题的有效手段[2]，有利于保障世界粮食安全和农业生产的可持续发展[3-5]。前人研究发现，随着干旱渗透胁迫的增加，种子的发芽势、发芽率、叶绿素含量和相对含水量呈下降趋势，超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)活性，丙二醛(MDA)及脯氨酸含量和相对电导率不同程度上升[6-7]。赵振宁等[8]研究发现， PEG模拟干旱胁迫处理下，大豆胚根的SOD活性、POD活性、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸及MDA含量均高于对照。说明植物在适应干旱胁迫时会传导干旱胁迫信号，调节干旱响应相关基因的表达水平，进而引起生理生化及形态学上的改变。种子萌发期是小麦生长发育的开始阶段，也是衡量小麦抗旱性强弱的重要时期[9]。小麦萌发期抗旱性对幼苗建成和后期高产至关重要。种子能否正常萌发直接影响小麦出苗的快慢和质量，进而决定了基本苗数及群体结构，并最终影响产量的形成[10]。因此，研究干旱对不同基因型小麦品种种子萌发的影响对于了解小麦耐旱机制及筛选耐旱小麦种质具有重要意义。对于作物萌发期抗旱性的研究前人已有较多报道。研究表明，发芽率、发芽势、根长和芽长等与抗旱性密切相关[11]。吴晓凤等[12]研究发现，在干旱胁迫下不同菊科植物种子的相对电导率、MDA含量均增加，但抗性强的品种增幅较小，发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均下降。王锐等[13]研究发现，在干旱胁迫下不同基因型油菜种子在萌发期的活力指数、根长、幼苗茎干鲜质量和千粒质量等指标与对照相比均下降。任毅等[14]研究发现，不同小麦品种在PEG-6000(聚乙二醇)胁迫下发芽势、发芽率、发芽指数、根数、根长、苗高和胚芽鞘长度值较对照均下降。前人对于不同小麦品种在萌发期的抗旱性已有一些报道[15-16]，本试验选取了20个遗传背景差异较大，且抗旱性可能存在较大差异的小麦品种为材料，采用主成成分分析和因子得分的统计学方法，测定PEG-6000模拟干旱胁迫下不同基因型小麦品种抗旱性相关指标，研究干旱胁迫对不同基因型小麦种子萌发的影响，鉴定不同基因型小麦品种萌发期的抗旱性，为抗旱小麦品种的选用和萌发期的抗旱性鉴定提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用20个不同基因型的代表性小麦品种为供试材料(表1)，以质量分数为20% PEG-6000溶液模拟干旱条件进行萌发期抗旱性研究，试验所用小麦品种的种子由河南农业大学作物水分利用与农田生态课题组收集和保存。

1.2 试验方法

1.2.1 培养方法和表型指标测定 采用培养皿纸上发芽法，选用籽粒饱满、大小均匀的小麦种子，用无菌双蒸水(ddH2O)冲洗3次，用质量分数为1%的次氯酸钠消毒20 min，再用双蒸水冲洗3～5次。将消毒后的种子均匀置于垫有2层滤纸的培养皿中，每个培养皿中放入50粒种子，加入10 mL质量分数为20%的PEG-6000进行处理，以加入等量的蒸馏水作为对照。每个处理设3次生物学重复。将所有培养皿置于培养箱中进行萌发和培养。培养条件为：20 ℃，12 h光照/12 h黑暗、相对湿度为80%。每天补充相同的蒸馏水和PEG-6000溶液，并记录萌发种子的数目。将3次重复中有1粒种子萌发时作为该处理下发芽的开始，以芽长达到种子1/2长或根长达到种子长度作为发芽标准，调查每个处理的发芽数，连续3 d不再有种子发芽作为发芽的结束。统计每日发芽数、总发芽数，7 d后测量芽长、主胚根长、芽鲜质量和根鲜质量并计算以下指标：

发芽率(GR，%)=发芽种子数/供试种子数×100

发芽势(GE，%)=日发芽种子数达最大时的发芽种子数/供试种子数×100

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)

萌发抗旱指数=处理下发芽指数/对照下发芽指数

式中：Gt为t日的发芽数，Dt为相应时间的发芽天数。

萌发7 d后，取对照和PEG-6000处理下的幼苗地上部各0.2 g装入离心管中，液氮速冻后置于-80 ℃冰箱用于后期生理指标测定；将幼苗地上部与根系去除后残余的种子部分置于80 ℃烘箱内烘干至恒重，称量其质量。根据马守才等[17]的方法计算干物质转运量和干物质转运率。

表1 供试小麦品种名称Table 1 List of different genotypic wheat varieties

干物质转运量=发芽前种子干质量-发芽后种子残留物干质量；

干物质转移率=(种子贮藏干物质转运量/发芽前种子干质量)×100%；

1.2.2 生理指标测定方法 MDA含量测定采用双波长硫代巴比妥酸法[18]；SOD活性采用储凤丽等[19]的方法测定，以每分钟吸光度变化0.5为一个酶活性单位；CAT活性采用刘鹏程等[20]的方法测定，以每分钟吸光度减少0.1为一个酶活性单位；POD活性测定采用李桐等[21]的方法，以每分钟吸光度变化1为一个酶活性单位。各生理指标重复测定3次，取平均值。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2016进行整理分析及绘图，利用SPSS 21.0进行差异显著性分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同基因型小麦萌发期抗旱性差异

2.1.1 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种发芽率、发芽势、发芽指数的影响 由表2可知，PEG-6000胁迫处理后，供试小麦品种的发芽率、发芽势和发芽指数与对照(CK)相比均有不同程度的下降。在PEG-6000胁迫下,发芽率和发芽势均是晋麦47、石4185和周麦19的降幅最低，发芽率降低幅度依次为7.0%、5.3%和6.1%，发芽势降低幅度依次为4.7%、1.4%和11.1%。发芽率和发芽势降幅最大的为京冬18(54.2%、52.6%)和石家庄4号(50.7%、45.7%)，京东18和石优20的发芽指数降幅最大，分别下降54.2%和53.5%。

2.1.2 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种萌发抗旱指数的影响 不同基因型小麦品种种子萌发抗旱指数受PEG-6000胁迫的影响如图1所示。PEG-6000胁迫下，不同品种的萌发抗旱指数在0.37～0.81之间，且品种间萌发抗旱指数存在较大差异。其中洛旱2号萌发抗旱指数为0.806，在所有供试的20个品种中最高，且与其他品种的差异均达到显著水平，其次为晋麦47，其萌发抗旱指数为0.778。在供试品种中，京冬18、石优20和洛旱11的萌发抗旱指数最小，分别为0.375、0.498和0.463。这说明洛旱2号和晋麦47在干旱胁迫下发芽速度快，整齐度高，而京冬18、石优20和洛旱11则相反。

表2 PEG-600胁迫对不同小麦品种发芽率、发芽势和发芽指数的影响Table 2 Effect of PEG stress on germination rate,germination potential and germination index of different wheat varieties

注：CK:对照；Dr:质量分数为20% PEG-6000溶液。同列数据后不同小写字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。下同。

Note: CK: control; Dr: 20% PEG-6000 solution.Values with different letters within the same column mean significant difference at 5% level.The same as below.

2.1.3 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种芽长和主胚根长的影响 在干旱条件下，不同小麦品种的芽长和主胚根长出现了不同程度的变化(表3)。芽长的变化范围在0.6～1.4 cm之间；主胚根长的变化范围在1.4～3.2 cm之间。与对照(CK)相比，PEG-6000胁迫均抑制了芽长和主胚根长的生长，且不同品种受到的影响不同。在PEG-6000胁迫下，旱选10号的芽长最长且与其他品种相比达到了显著水平，但是西农979的降低幅度最小。在PEG-6000胁迫下，郑麦9023的主胚根最长且降幅最低，与其他品种相比达到了显著水平。

图1 干旱胁迫对不同小麦品种萌发抗旱指数的影响Fig.1 Effect of drought stress on germination and drought tolerance index of different wheat varieties

表3 PEG-6000胁迫对不同小麦品种芽长和主胚根长的影响Table 3 Effects of PEG-6000 stress on bud length and primary root length of different genotypic wheat varieties

2.1.4 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种芽鲜质量和根鲜质量的影响 由表4可知，与对照(CK)相比，PEG-6000胁迫后不同基因型小麦品种的芽鲜质量和根鲜质量均呈下降趋势。在PEG-6000胁迫处理下，运旱618的芽鲜质量最大且降低幅度最小(92.7%)，与其他品种相比差异均达到显著水平；京冬18芽鲜质量最小，而石优20的降低幅度最大(97.1%)。长治6406在PEG-6000胁迫后根鲜质量最大且降低幅度最小(87.7%)，而石家庄4号降低幅度最大(93.9%)且根鲜质量最小。

2.1.5 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种各指标影响情况的主成分分析 对20个不同基因型小麦品种的芽长、主胚根长、芽鲜质量、根鲜质量、发芽率、发芽势和发芽指数进行因子主成分分析，根据累计贡献率大于80%的原则提取主成分，本试验提取了3个主成分(表5和表6)，其中第1主成分的特征值为3.125，贡献率为44.6%，在此主成分上发芽率、发芽势和发芽指数占有的载荷最大。第2主成分的特征值为1.861，贡献率为26.6%，其中芽长和芽鲜质量占有的载荷最大。第3主成分的特征值为1.049，贡献率为15.0%，各因子载荷矩阵中根鲜质量的值最大，即根鲜质量的载荷最大。以上3个主成分的累计贡献率为86.2%，基本包含了所测指标的全部信息。

根据F值大小(表7)判断小麦品种的抗旱性。F值越大，则表明抗旱性越强。其中F值前5名分别为晋麦47、运旱618、长治6406石4185和旱选10号，属于高抗品种；F值后5名分别为郑麦9023、郑麦366、石家庄4号、京冬18和石优20，属于干旱敏感型；其他品种处于高抗和干旱敏感中间。

表4 PEG-6000胁迫对不同小麦品种芽鲜质量和根鲜质量的影响Table 4 Effect of PEG-6000 stress on bud fresh quality and root fresh quality of different wheat varieties

表5 芽长、主胚根长、芽鲜质量、根鲜质量、发芽率、发芽势和发芽指数各指标主成分分析Table 5 Principal component analysis of each indicator of bud length,primary root length,bud fresh quality,root fresh quality,germination rate,germination potential and germination index

表6 芽长、主胚根长、芽鲜质量、根鲜质量、发芽率、发芽势和发芽指数各因子载荷矩阵Table 6 Load matrix of each factor of bud length,primary root length,bud fresh quality,root fresh quality,germination rate,germination potential and germination index

表7 不同小麦品种F值综合得分及抗旱性评价Table 7 Evaluation of comprehensive score F and drought tolerance of each wheat variety

2.2 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种生理指标的影响

2.2.1 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种MDA含量、SOD活性、CAT活性和POD活性的影响 为了进一步检验通过表型指标衡量不同品种萌发期抗旱性的可靠程度，根据F值排序结果，又从20个品种中各选取了抗旱性较强的晋麦47、运旱618、长治6406和抗旱性较差的京冬18、石家庄4号、郑麦366共6个品种，对其萌发7 d后幼苗相关生理指标和种子干物质的转移情况进行了测定。由图2可知，与对照相比，在PEG-6000胁迫下MDA、SOD、CAT和POD呈上升趋势，但不同品种间的变化程度不同。京冬18、石家庄4号、郑麦366、晋麦47、长治6406和运旱618的MDA含量分上升了165.3%、98.4%、88.7%、46.3%、88.0%和72.2%，SOD活性分别增强了58.4%、83.2%、88.8%、117.3%、90.9%和108.9%，POD活性分别增强了71.7%、80.0%、83.5%、149.0%、96.9%和98.3%，CAT活性分别增加了56.3%、77.0%、75.6%、121.6%、98.9%和127.2%。在干旱胁迫下，抗旱性较差的京冬18、石家庄4号和郑麦366的MDA含量显著高于抗旱性较好的晋麦47、长治6406和运旱618，而京冬18、石家庄4号和郑麦366的SOD、POD、CAT活性则显著低于晋麦47、长治6406和运旱618。

2.2.2 PEG-6000胁迫对不同基因型小麦品种种子干物质转运量和干物质转移率的影响 如图3所示，与对照相比，PEG-6000胁迫显著降低了种子干物质转移量和干物质转移率，但不同品种间降低幅度不同。京冬18、石家庄4号、郑麦366、晋麦47、长治6406和运旱618的干物质转移量分别降低了49.8%、44.6%、41.1%、28.8%、36.2%和34.7%，干物质转移率分别降低了52.8%、48.1%、42.9%、31.9%、34.3%和31.9%，其中京冬18、石家庄4号和郑麦366降低幅度最大，晋麦47、运旱618和长治6406降低幅度最小。因此，晋麦47、长治6406和运旱618更有利于在干旱环境下为萌发期幼苗的生长发育提供养分。

3 结论与讨论

在作物的不同生长发育阶段，水分均起着至关重要的作用[22]。前期种子萌发情况在很大程度上决定了作物的出苗数量和植株的健壮程度，进而影响后期产量的形成。因此，鉴定小麦种子萌发期的抗旱性对于节约农业用水、保障国家粮食安全具有重要意义[23-24]。然而，采用单项指标评价小麦抗旱性具有一定的片面性。例如在本研究中，小麦萌发期不同品种在干旱情况下的芽长、主根胚长、芽鲜质量、根鲜质量、发芽率、发芽势和发芽指数均呈下降趋势，但同一品种测定的不同指标变化趋势并不一致。因此，本研究采用主成分分析和因子得分的方法对其抗旱性进行了综合评价，根据F值的大小可以看出，抗旱性较强的品种有晋麦47、运旱618、长治6406、石4185和旱选10号，抗旱性较差的品种有京冬18、石家庄4号、石优20、郑麦9023和郑麦366。

前人研究表明，干旱胁迫能造成植物发生一系列生理水平上的变化。例如，在干旱胁迫时，一方面，植物不仅能通过应激反应，产生大量的活性氧,而且也会使MDA含量大量积累，而MDA含量反映植株细胞膜脂的过氧化程度和活性氧(SOD、POD和CAT)作为氧自由基的清除剂，含量越多说明植物的抗旱性越强。另一方面，干旱胁迫抑制幼苗物质积累的原因是抑制了种子干物质转移率和转化效率，因此，干旱条件下种子干物质转移量和转移率在一定程度上决定了小麦幼苗生长状况[25-26]。为了进一步检验通过表型指标衡量不同品种萌发期抗旱性的可靠程度，根据F值排序结果，又从20个品种中选取了抗旱性较强的3个和抗旱性较差的3个品种，对其萌发7 d后幼苗相关生理指标和种子干物质的转移情况进行了测定。结果表明，与对照相比，在PEG-6000胁迫下MDA、SOD、CAT和POD呈上升趋势，小麦幼苗干物质转移率和干物质转移量显著降低，且不同品种间存在差异，这与前人研究结果是一致的。在干旱胁迫下，F值较小的京冬18、石家庄4号和郑麦366的MDA含量显著高于其他品种，而SOD、POD、CAT活性、种子干物质转移量与干物质转移率显著低于另外3个F值较高的品种。说明晋麦47、运旱618和长治6406比F值较小的3个品种更抗旱，证实基于形态指标的综合评价值法可以有效地对小麦萌发期抗旱性进行鉴定。

张龙龙等[27]以晋麦47、西农538、西农979、西农558、西农556和小偃22共6个小麦品种为材料，研究了PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫下发芽率、发芽势、胚芽鞘长度、SOD、POD、MDA、叶绿素和相对含水量等指标的变化，研究认为，在20% PEG-6000胁迫下品种间抗旱性表现为：晋麦47>西农538>小偃22>西农558>西农556>西农979；高宝云等[28]用21个抗旱性不同的小麦品种为试验材料，在20% PEG-6000干旱胁迫下，测定了不同小麦品种的胚芽鞘、主胚根长、侧根长度、发芽率和全株鲜重等指标，抗旱性结果为：晋麦47>陕农138>长武134>西农979>陕旱981>小偃15>商麦1619>西农2000>商麦5226>新洛8号>长4640>小偃216>山前>商麦8928>远丰175>西农928>矮抗58>小偃22>西农889>郑麦9023。本研究所用试验材料与前人研究有部分重叠，这些重叠品种的抗旱性表现为晋麦47>西农979>矮抗58>郑麦9023，这与前人的研究结论是一致的。李素等[29]以48份不同抗旱性的小麦品种为试材，分别调查其在雨养旱地和灌溉水地的旗叶面积、穗长、穗下节长、穗叶距、旗叶相对含水量、旗叶离体失水速率、株高、单位面积穗数、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、水分利用效率等19 项指标，试验材料与本研究所用品种重叠部分的抗旱性结果为洛旱11>运旱618>石4185>济麦22>晋麦47>洛旱2号>衡观35，本试验的研究结果与其相比存在一定的差异，推测可能是小麦抗旱性鉴定的时期不同所致。可见，不同品种在同一生育时期抗旱性存在显著差异,同一品种在不同的生育时期抗旱性也存在较大差异。

小麦的抗旱机制非常复杂，往往需要通过鉴定多种抗旱相关指标来综合衡量其抗旱性[30]。贾寿山等[31]认为，种子发芽率和发芽势的大小能够反映作物种子抗旱性的高低。孙绿等[32]认为，发芽率、胚芽鞘长、胚根数、主胚根长和干物质重都可以作为鉴定小麦抗旱性的抗旱指标。然而不同的萌发指标在干旱胁迫下的变化程度不同，说明不同性状对干旱胁迫做出的响应存在差异[33]。本试验通过对20个小麦品种萌发期发芽率、发芽势发芽指数、萌发抗旱指数、芽长、主胚根长、芽鲜质量和根鲜质量8个指标进行主成分分析综合得分(F)和生理指标测定认为，抗旱性较强的品种有：晋麦47、运旱618、长治6406、石4185和旱选10号，抗旱性较差的品种有：京冬18、石家庄4号石优20、郑麦9023和郑麦366。研究结果可以为抗旱小麦品种的选用和萌发期抗旱鉴定提供参考。