小麦种质资源萌发吸胀期耐湿性评价及筛选

郑文寅，黄园园，胡泽林，周贺杰，汪 辉，张梦祺

(安徽农业大学农学院，安徽合肥 230036)

湿害是指土壤水分在达到饱和时对作物正常发育所产生的危害，世界上大约10%的耕地面积常常受到渍湿危害[1]。长江中下游麦区是我国重要的小麦主产区，温光资源丰富，是中国增产潜力较高的小麦主产区[2]，但湿害常有发生。近年来，随着该区稻茬免耕种植模式的推广，田间土壤质地黏重且透气性差，排水困难，地下水位高[3]，如果播种期雨水偏多，就会形成湿害并影响稻茬麦的播种质量，导致难以一播全苗、苗齐和苗壮，进而影响小麦后期群体和最终产量。目前小麦相关湿害研究主要集中在生育中后期(如孕穗期、扬花期和灌浆期等)表型鉴定以及生理生化机制和内源激素及其酶活性变化等方面[4-6]，而影响播种质量的耐湿性相关研究较少。

衡量作物播种质量的重要指标是田间成苗率，由种子萌发能力决定。而种子的萌发分为吸胀、萌动、发芽和成苗四个阶段[7]，每个阶段对水分胁迫的响应各不相同。目前在种子发芽期进行耐性(抗性)鉴定是评价作物耐性(抗性)的方法之一。王林海等[8]、许 晶等[9]就以发芽期和苗期以相对成苗率作为主要指标分别来鉴定芝麻和油菜的耐渍性。Zou等[10]研究认为，油菜在发芽期和苗期的耐渍性与成熟期的耐渍性一致，而且在发芽期筛选耐渍性更有效。蔡博伟等在小麦芽苗期进行人工模拟渍害处理，以发芽率、单株质量、根系质量计算单株渍害指数和根系渍害指数，进而评价芽苗期不同小麦品种(系) 的抗渍能力，并筛选出28个耐渍强的品种(系)[11]。近年来对小麦芽苗期的耐湿性研究较少，尤其是小麦萌发第一阶段的吸胀期耐湿性鉴定尚未见报道。

作物耐湿性是一个很复杂的数量性状，这给其鉴定和评价带来了一定的困难。有研究者认为，单一指标对耐湿性的评价比较片面，难以与实际情况相吻合[12]，因此不同学者采取不同的评价方法进行耐湿性鉴定。聚类、逐步判别、主成分分析等多元统计法已成功应用于大豆、甘薯、油菜、大麦等作物的耐湿性鉴定，其结果均能较好地反映各基因型对湿害的耐性[13-16]。本研究以反映质膜透性、种子活力等生理和形态指标进行小麦种质资源吸胀期耐湿性综合评价，以期建立一种新的筛选和鉴定指标和评价方法，为萌发吸胀期耐湿小麦种质资源的筛选和品种改良提供理论 依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为安徽省小麦产业体系各试验站展示品种，包括安科157等159份材料，均于成熟期收获并脱粒、晒干。室内贮藏3个月以完成后熟作用后密闭贮藏于低温种子贮藏柜中备用。

1.2 试验方法

每个小麦品种随机选取150粒种子(3次重复，每重复50粒)，装入50 mL离心管中，注满蒸馏水并密闭，于20 ℃条件下进行1 d、3 d、5 d、7 d淹水缺氧处理以模拟播种季节的田间渍水情况。用HI98303数字电导仪分别测定不同渍水时间小麦籽粒浸泡液电导率。将淹水缺氧处理后的种子用蒸馏水冲洗2～3次置于发芽盒中进行标准发芽试验(发芽条件为恒温20 ℃，光照12 h，黑夜12 h)，于第7 天统计成苗率，并随机选取10株幼苗测定根长、茎长、鲜重，并计算相对电导率、相对根长、相对茎长、相对鲜重、相对成苗率、相对活力指数和相对湿害率等指标。

种子浸泡液相对电导率=处理的种子电导率/对应种子重量；

相对根长=(处理根长/对照根长)×100%；

相对茎长=(处理茎长/对照茎长)×100%；

相对鲜重=(处理鲜重/对照鲜重)×100%；

相对成苗率=(处理成苗率/对照成苗率)×100%；

相对简化活力指数=(处理成苗率×处理茎长)/(对照成苗率×对照茎长)；

相对湿害率=(对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率×100%

1.3 综合评价耐渍性

依据文献资料[17-18]所述，计算综合评价指标的隶属函数值、权重以及耐湿性综合评价值。

1.3.1 基于主成分分析得到的综合指标

对7个单项指标进行主成分分析，便于将多个彼此相关的指标转换为少数几个彼此独立的综合指标(Zj)[19]。

1.3.2 动态聚类分析

参照顾世梁[18]的方法进行动态聚类分析，把距离近的点归为一类，距离远的点归为另一类。

1.3.3 隶属函数值

由于原始数据存在量纲及数量大小的不同，因此需要对数据进行标准化处理，目的在于消除量纲，使数据具有客观可比性。

yij=(xij-minj)/(maxxj-minj)

(2)

yij=1-(xij-minj)/(maxj-minj)

(3)

公式中，xij为第i个材料第j个指标的原始数据；yij为标准化后的数据即第i个材料第j个指标的隶属函数值；maxj、minj分别为第j个指标原始数据的最大值和最小值。当某一指标与耐湿性呈正相关时用公式2求隶属函数值，呈负相关时用公式3求隶属函数值。

1.3.4 综合评价

1.4 数据统计分析

运用Excel、DPS软件、MATLAB软件，进行数据统计、隶属函数法、相关分析、主成分分析、方差分析、动态聚类分析等统计分析。

2 结果与分析

2.1 耐湿性鉴定的渍水时间筛选

159份小麦材料分别在吸胀期进行1 d、3 d、5 d和7 d的渍水处理后，由于渍水7 d后95%的小麦品种不能恢复发芽生长，因此只分析1 d、3 d和5 d的渍水处理数据(表1)。从表1来看，随着渍水时间的延长，不同小麦品种的平均相对电导率和相对湿害率不断增加，相对成苗率、相对鲜重、相对茎长、相对根长、相对活力指数不断下降。不同指标的变异系数在相同时间渍水处理下表现不同，且随着渍水时间的延长，各指标变异系数的变化趋势存在差异，说明不同指标对渍水胁迫的反应不同。

表1 159份小麦材料吸胀期不同渍水处理结果比较Table 1 Comparison of the results of waterlogging at seed imbibition stage in 159 wheat materials

2.2 小麦耐湿评价指标间的相关分析

相关分析(表2)表明，相对湿害率与种子浸泡液相对电导率呈极显著正相关，与相对成苗率、相对鲜重等五个指标呈极显著负相关。相对成苗率与相对鲜重、相对芽长、相对根长、相对活力指数呈极显著正相关。种子浸泡液相对电导率与相对湿害率呈极显著正相关，与其他指标呈负相关。相对活力指数与相对成苗率、相对鲜重、相对芽长、相对根长都呈极显著正相关，而与种子浸泡液相对电导率呈极显著负相关。其中，相对活力指数与相对成苗率的相关系数最大，为0.97。此外，从7个指标间的相关系数看，所有指标之间的相关性均达到极显著水平，这说明7个指标提供的耐湿性信息之间存在交叉重叠的现象，因此有必要用主成分分析法把多个指标转换成少数独立的综合指标，以准确评价小麦耐湿性。

表2 小麦各耐湿指标的相关性Table 2 Correlation of the indices of wheat waterlogging tolerance

2.3 小麦耐湿指标的主成分综合评价

通过主成分分析，共选取前3个主成分作为耐湿性鉴定的综合指标。其中，第1主成分的特征值为4.99，贡献率为71.24%；第2主成分的特征值为0.97，贡献率为13.89%；第3主成分的特征值是0.50，贡献率为7.11%。这三个主成分的累计贡献率达92.24%，说明这3个综合指标基本上可以反映7个观测指标的信息(表3)。

依据7个测定指标的特征向量(表4)，通过以下三个公式计算出每个材料的三个主成分(Z1～Z3)值(表5)。在第1主成分中，相对活力指数和相对成苗率的特征向量值比较大，故第一主成分可以简单概括为活力因子；在第2主成分中，相对鲜重、相对茎长特征向量比较大，可以简单概括为生长因子；在第3主成分中，种子浸泡液相对电导率特征向量最大，可以概括为细胞膜稳定性 因子。

Z1=-0.336 5X1+0.409 9X2+0.291 8X3+0.376 3X4+0.396 7X5+0.408 1X6- 0.409 9X7

Z2=-0.312 1X1-0.391 9X2+0.534 8X3+0.325 6X4+0.237 3X5-0.383 4X6+ 0.391 9X7

Z3=0.649 2X1+0.093 3X2+0.719 6X3-0.141 1X4-0.126 5X5+0.086 3X6- 0.093 3X7

2.4 小麦耐湿性的综合评价

进一步进行三维空间动态聚类分析，将小麦159份种质资源划分为高度耐湿型、中度耐湿型和不耐湿型3类(图1)。在三种类型中，高耐湿型材料46个(绿色)，占供试材料的28.9%；中度耐湿型有66个(蓝色)，占供试材料的41.5%；不耐湿型有47个(红色)，占供试材料的29.6%。同时，借鉴佟汉文[19]和周广生[20]的方法，计算出159个小麦品种的耐湿性综合评价值(D值)(表5)。从表5可知，供试材料的耐湿性D值变化幅度较大，为0.92～0.08，显示出这批材料的耐湿性基因型较丰富。结合图1可知， 标为绿色、蓝色和红色的材料的平均D值分别为0.79、0.63和0.34，但这3类材料的D值极差之间存在交叉重叠现象，因此须分别计算各自95%的置信区间[21]。结果表明，这3种类型的D值置信区间分别为>0.72、0.72～0.52和<0.52。结合图1和表5，可将D值大于0.72且在图1中绿色部分的品种归为高耐湿种质，包括周麦27、烟农19、泰农19、淮麦22、明麦1号等42个品种；而将D值小于0.52的品种归为不耐湿种质，包括涡麦66、宁麦21、保麦5号、徐麦9158、扬麦13等53个品种(表5)。

表3 各主成分的特征值和贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of each principal component

表4 主成分分析得到的特征向量Table 4 Eigenvectors from principal component analysis

表5 小麦耐湿性综合评价结果Table 5 Comprehensive evaluation results of wheat waterlogging tolerance

(续表5 Continued table 5)

(续表5 Continued table 5)

3 讨 论

在长江流域的麦-稻两熟连作区，种植小麦的土壤为稻田土，其质地黏重，排水能力差。在播种季节遇雨则易积水，造成种子播后渍水闷种而死亡，从而造成缺苗断垄。生产上，种植户常采用增大播种量的方式来弥补这种损失，但这一做法既浪费了大量种子，还存在一定的风险，并不可取，而种植吸胀期耐湿害的小麦品种则是更经济高效的措施。因此，本研究采用发芽吸胀期渍水缺氧处理，以模拟小麦播种初期的这种田间湿害。结果发现小麦这一阶段的耐湿性存在着较大的变异，当湿害5 d时，种子浸泡液相对电导率、相对鲜重等的变异程度均超过50%，可见小麦吸胀期耐湿性有较大的遗传改良空间，因而明确这一时期耐湿性评价指标，进而准确、客观评价小麦种质资源的吸胀期耐湿性对后续遗传改良十分重要。

不同的学者分别从生理生化、形态等方面对作物的耐湿性进行研究，并提出了各种耐湿性评价指标。陈 洁等[22]对甘蓝型油菜的耐湿性鉴定的研究中，将露白后的种子密闭水淹12 h后，恢复正常生长6 d，发现相对活力指数可以作为评价油菜的恢复生长能力。王林海等[8]对发芽期芝麻的耐湿性研究认为，渍水9 h是评价芝麻发芽期耐湿性的最适时间，而相对芽长、相对根长、相对成苗率、死亡率和相对活力指数等5个指标可以用来评价芝麻发芽期耐湿性。本研究是对吸胀期小麦进行耐湿性鉴定，除了借鉴前人研究中的相对芽长等指标外，为了使评价指标体系更完善还加入了种子浸泡液相对电导率这一生理指标。结果发现随着渍水时间的延长，小麦的相对成苗率、相对活力指数、根长等都在减少，且与相对湿害率呈显著负相关，这与前人的研究基本一致[15,23-24]。而反映细胞膜稳定性的种子浸泡液相对电导率这一生理指标则表现不同，随着湿害时间的增加，其值也在增加，且与相对湿害呈显著正相关。在主成分分析中，将7个单一指标转化为3个综合指标，分别为以相对活力指数为主的活力因子、以相对鲜重为主的生长因子以及以相对电导率为主的细胞膜稳定性因子，分别反映了小麦吸胀期耐湿性的不同方面，这比任何单一指标能更准确、直观地反映不同种质资源的耐湿性。

对于作物的耐湿性评价方法，周广生等[20]的研究是运用了聚类分析来评价12个小麦品种的耐湿性，林一波等[26]则是通过单一指标的聚类分析来评价50个小麦品种耐湿性。但这些方法都有一定局限性，且只能评价较少的品种。在本研究中，为评价159份小麦品种的耐湿性，采用了动态聚类分析方法[16]。这一方法属于大样本聚类法，更适用于种质资源筛选的大样本分类分析。本研究以主成分分析得到的3个综合指标作为动态聚类分析的三维空间进行聚类，并将耐湿性直观地划分为3个等级。为更好综合评价供试材料的耐湿性差异，本研究通过提取的3个综合指标的贡献率来计算各个综合指标的权重，并计算出各小麦品种的综合评价值(D)，通过D值的大小对不同小麦品种的耐湿性进行综合评价。结果表明，动态聚类的结果与综合评价D值的结果基本一致，因此在主成分分析基础上的动态聚类分析和隶属函数法都可做为客观、准确 、科学地评价小麦吸胀期耐渍性的方法。