PEG胁迫下谷子品种(系)萌发期耐旱性鉴定及评价

李 云， 杨梦涵， 王 健， 韩玉翠， 林小虎

(1.河北科技师范学院乡村振兴研究中心， 河北 秦皇岛 066000;2.河北科技师范学院农学与生物科技学院， 河北 秦皇岛 066000;3.河北省作物逆境生物学重点实验室(筹)， 河北 秦皇岛 066000)

谷子(Setariaitalica)学名为粟，属禾本科狗尾草属一年生草本植物。谷子起源于中国，种植历史悠久，是世界上最早的栽培作物之一，据考证已有 8 700 多年的栽培历史[1]。谷子在世界上分布范围十分广泛，亚洲、非洲、大洋洲、南美洲以及欧洲等地均有种植。我国谷子的种植面积占粮食作物种植面积的5%，主要分布在北方的干旱半干旱地区，以河北、内蒙古、山西为主[2]。谷子脱壳后为小米，在食品、药用以及副产品等方面均具有极高的价值[3-5]。另外，谷子具有生育期短、基因组小等特点，是禾本科研究的模式作物[6]。

我国水资源丰富，但人均占有量少，仅为世界水平的四分之一。水资源的短缺是制约我国干旱半干旱地区农业发展的主要因素[7]，水资源在旱作农业生产中占有极为重要的地位。谷子具有耐旱耐瘠、抗逆性强、水分利用效率高、适应性广等特点[8-9]。随着农业生产对水资源的节约要求和人们生活水平的不断提高，谷子抗寒、抗旱、易储藏和营养价值高等优势逐渐凸显，成为环境友好型和保健营养型作物[9-10]。因此，对谷子抗旱的研究显得极为重要。本研究选取24个国内不同区域谷子品种，测定谷子抗旱性相关指标并进行比较分析，筛选出抗旱谷子品种，为抗旱谷子栽培与新品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选取来自全国9个省份的24个试验品种(系)，其中包含7个河北省品种(系)，2个河南省品种，3个山东省品种，4个山西省品种，3个黑龙江省品种，2个内蒙古自治区品种，1个北京市品种，1个吉林省品种，1个辽宁省品种(表1)。

1.2 试验设计

于2019年在河北科技师范学院生命科技实验站(北纬 39.70°，东经119.15°)进行材料种植，所收获种子用于抗旱性鉴定。试验地属于暖温带，半湿润大陆性气候。供试土壤类型为中壤土，土壤有机质的含量为32.63 g/kg，全氮的含量为3.24 g/kg，碱解氮的含量

表1 24个谷子品种(系)育成单位Table 1 Breeding institutions of 24 millet varieties (lines)

为121.32 mg/kg，速效磷的含量为 20.31 mg/kg，速效钾的含量为109.28 mg/kg。播前施入15 000 kg/hm2农家肥作为基肥，后期不进行追肥，其他田间管理措施按当地生产标准进行。各品种于成熟后收获籽粒。

采用PEG模拟干旱胁迫法，使用灭菌蒸馏水配置浓度分别为0(ck)、5%、10%、15%、20%、25%的 PEG-6000梯度处理溶液。每个浓度设置3次重复，每次重复选取50粒籽粒饱满的谷子种子，5%的次氯酸钠消毒10 min，使用灭菌蒸馏水漂洗3次后将种子放入铺有3层滤纸的培养皿内，培养皿内加入等量PEG梯度溶液(以溶液浸透滤纸为准)，将培养皿放入25 ℃的光照培养箱，定期向培养皿内加入各设置浓度PEG溶液，ck加入灭菌蒸馏水。

1.3 测定指标及计算方法

每天记录谷子种子发芽数量。分别于培养的第4天和第10天统计各品种发芽势和发芽率，于第10天每个重复随机选取10株测量其芽长、根长等。各性状指标计算公式如下：

发芽势(%)=(第4天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽率(%)=(第10天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

相对发芽势(%)=(处理发芽势/对照发芽势)×100%；

相对发芽率(%)=(处理发芽率/对照发芽率)×100%；

相对胚芽长(%)= (处理种子胚芽长/对照种子胚芽长) ×100%；

相对胚根长(%)= (处理种子胚根长/对照种子胚根长) ×100%；

萌发指数=1×Rd 2+0.75×Rd 4+0.50×Rd 6+0.25×Rd 8，式中：Rd 2、Rd 4、Rd 6、Rd 8分别为第2天、第4天、第6天、第8天的种子发芽率。

萌发抗旱指数=干旱胁迫下种子萌发指数/对照种子萌发指数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel软件进行数据统计与分析，采用DPS 7.5软件进行数据方差分析，采用IBM SPSS Statistics 22软件进行数据标准化、主成分分析与聚类分析。采用隶属函数综合评价性状指标, 按以下公式进行计算:

隶属函数值：μ(Xj) = (Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1,2,3,…,n

(1)

式中，μ(Xj)表示第j个综合指标的隶属函数值，Xj表示第j个综合指标值，Xmax表示第j个综合指标的最大值，Xmin表示第j个综合指标的最小值。

(2)

式中，Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中权重，Pj为品种第j个综合指标的贡献率。

(3)

式中，D表示各品种耐旱能力的综合评价值。

2 结果与分析

2.1 谷子品种(系)抗旱最适浓度筛选

从表2可以看出，晋谷21和嫩选18在5% PEG干旱胁迫下达到显著差异，除济谷22、豫谷36、龙谷38和张杂谷16在15% PEG干旱胁迫下达到显著差异外，其余18个谷子品种均在10% PEG干旱胁迫下达到显著差异。除晋谷21和嫩选18在5% PEG胁迫下达到极显著差异及济谷22、豫谷36、龙谷38、九谷23和张杂谷16在15% PEG干旱胁迫下达到极显著差异外，其余谷子品种均在10% PEG干旱胁迫下达到极显著差异。这说明在24个谷子品种中，大部分品种在10% PEG干旱胁迫下，发芽势达到显著差异。

如表3所示，除黄金苗、豫谷36、长农47和张杂谷13这4个品种在5% PEG干旱胁迫下达到显著差异外，其余20个谷子品种均在10% PEG干旱胁迫下差异显著。除长农47和张杂谷13在5% PEG干旱胁迫下及金苗K 2和山西红谷在15% PEG干旱胁迫下都表现极显著差异外，其余谷子品种均在10% PEG干旱胁迫下达到极显著差异。说明24个谷子品种中大部分谷子品种在10% PEG干旱胁迫下，发芽率达到显著差异。

综上所述，在10% PEG干旱胁迫下，谷子的发芽率与发芽势均较对照有较大差异，抗旱表现明显，确定筛选适宜谷子抗旱鉴定的PEG干旱胁迫浓度为10%，故对此浓度下24个谷子品种(系)的抗旱相关指标进行分析和评价。

2.2 10% PEG模拟干旱胁迫对谷子萌发相关指标的影响

如表4所示，同一性状不同品种(系)间，变异系数变幅为7.79%～118.88%，萌发抗旱指数的变异系数最大，说明不同品种间萌发抗旱指数的差异最大；相对发芽势和相对发芽率的变异系数都很小，说明10% PEG处理对发芽势和发芽率的影响在不同品种间的差异最小。黄金苗的相对发芽势最高，为95.45%，郑18-1678的相对发芽率最低，为72.04%。24个谷子品种中，嫩选15的相对发芽率最高，为90.00%，晋谷21最低，为70.00%。张杂谷26的相对胚芽长最高，为105.56%，山西红谷最低，为54.87%。相对胚根长以冀科1号最高(97.48%)，黄金苗最低(53.92%)。萌发抗旱指数可以反映种子萌发的速度，除了济谷22、张杂谷16、豫谷36、冀谷39、山西红谷、嫩选15、张杂谷26外，其余品种的萌发抗旱指数都低于0.50，以冀谷39的萌发抗旱指数最高，为1.62，说明高抗旱性品种较少。

表2 PEG胁迫下不同谷子品种发芽势比较Table 2 Comparison of germination potential among different millet varieties under PEG stress

2.3 10% PEG胁迫下各性状的主成分分析

对10% PEG模拟干旱胁迫下各性状进行主成分分析(表5)，得出特征值、贡献率和累计贡献率。根据特征值大于1的原则，提取3个主要成分，3个主要成分的累计贡献率为85.528%，能有效反映各数据的变化趋势，符合主成分的分析要求。如表5所示，主成分1的特征值为1.756，贡献率为35.127%，反映了PEG胁迫下5个性状35.127%的主要信息；主成分2的特征值为1.406，贡献率为28.120%，反映了PEG胁迫下5个性状28.120的主要信息；主成分3的特征值为1.014，贡献率为20.281%，反映了PEG胁迫下5个性状20.281%的主要信息。

由表5可知，主成分1与相对发芽率、相对发芽势和萌发抗旱指数均呈正相关，载荷值分别为0.384、0.335和0.493，与相对胚芽长和相对胚根长呈负相关，载荷值为-0.169和-0.194，载荷值以萌发抗旱指数最大，说明主成分1与萌发抗旱指数的关系最为密切；主成分2与萌发抗旱指数为负相关，载荷值为-0.104，其余均为正相关，载荷值以相对胚芽长最大，为0.514，萌发抗旱指数最小，为-0.104；主成分3与相对发芽率和相对胚根长呈正相关，载荷值为0.526和0.588，与相对发芽势、相对胚芽长和萌发抗旱指数为负相关，载荷值为-0.324、-0.492和-0.126，载荷值以相对胚根长最大，相对胚芽长最低。

表3 PEG胁迫下不同谷子品种发芽率比较Table 3 Comparison of germination rate among different millet varieties under PEG stress

2.4 不同谷子品种(系)萌发期耐旱综合评价

采用隶属函数法对谷子抗旱性进行综合评价。根据主成分的贡献率，利用公式(2)计算出3个主成分的权重分别为0.656、0.337和0.243。F1～F3为3个主成分的综合得分值，再通过公式(1)计算出综合性状指标的隶属函数值μ(X1)～μ(X3)，根据权重和隶属函数值利用公式(3)计算出综合评价D值，得出24个谷子品种的排名(表6)。

根据综合评价D值将24个谷子品种进行排序，依次为济谷22、山西红谷、冀谷39、张杂谷16、嫩选15、冀科1号、张杂谷26、金苗K 2、九谷23、济谷28、豫谷36、冀谷41、嫩选18、龙谷38、济谷27、17-6520、中谷2号、长农47、黄金苗、晋谷21、长农35、郑18-1678、张杂谷13、朝谷58。

2.5 不同谷子品种(系)萌发期耐旱性聚类分析

根据各品种的综合得分D值进行聚类分析，如图1所示。在欧式距离为5.0时，将24个品种(系)划分为5个类型：6个强耐旱品种D值为0.798～0.915(1～6名)，依次为济谷22、山西红谷、张杂谷16、冀谷39、冀科1号和嫩选15。3个耐旱品种D值为0.613～0.707(7～9名)，依次为张杂谷26、金苗K 2和九谷23。5个中间型品种D值为0.468～0.520(10～14名)，依次为豫谷36、济谷28、冀谷41、龙谷38和嫩选18。5个敏感型品种D值为0.386～0.433(15～19名)，依次为中谷2号、17-6520、济谷27、长农47和黄金苗。5个极不耐旱型品种D值为0.183～0.284(20～24名)，依次为晋谷21、长农35、郑18-1678、张杂谷13和朝谷58。其中6个强耐旱品种和3个耐旱品种可以作为一定干旱条件下谷子种植的候选品种，后续将于田间干旱条件下种植，并进行品种的产量和其他重要农艺性状的比较，以此筛选出可以直接应用于生产的品种(系)。

表4 10% PEG胁迫下不同谷子品种的耐旱相关指标Table 4 Drought tolerance indexes of different millet varieties under PEG stress

表5 PEG 干旱胁迫下各性状主成分分析Table 5 Principal component analysis of alltraits under PEG Drought stress

3 讨论与结论

种子萌发是农作物生长发育过程中衡量农作物抗旱性强弱的重要生育时期[10]，萌发期耐旱性强的品种与一般品种相比，其苗期发芽率高、成苗好且生长较快，作物萌发期抗旱鉴定为后期生长奠定较好的基础[11-12]。谷子是典型的耐旱型作物，通过对谷子萌芽期的耐旱性鉴定可以对谷子耐旱性早期鉴定及耐旱品种早期选择。结果表明，随着PEG浓度的增加，谷子的发芽势、发芽率、根长和芽长均受到不同程度的抑制作用。刘桂红等[13]研究渗透胁迫条件下，谷子的发芽率、发芽势、胚根和胚芽均受到不同程度的抑制和高汝勇等[14]研究发现，干旱胁迫下谷子发芽率、发芽指数、根长、苗高、鲜质量、活力指数可作为谷子萌发期抗旱性的鉴定指标，且均随干旱胁迫增加产生明显的作用，本试验与以上研究结果一致。

另外，作物的抗旱性受多个因素共同影响，在其生长发育的不同阶段有不同的表现，在谷子抗旱性研究中应结合多项指标对其进行综合评价，避免分析单个或几个性状所带来的局限性[15]。本试验测定谷子萌发期的相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对芽长和萌发抗旱指数等5种性状，通过主成分分析和隶属函数法相结合，综合筛选出强耐旱类型品种，使得筛选的萌发期抗旱性品种可靠。在测定的24个谷子品种中济谷22、山西红谷、张杂谷16、冀谷39、冀科1号和嫩选15耐旱性强，晋谷21、长农35、郑18-1678、张杂谷13和朝谷58耐旱性弱。但是，作物萌发期鉴定结果只能作为衡量作物抗旱性强弱的一个方面，不能概括作物苗期和全生育期抗旱鉴定结果，后续可与全生育期抗旱鉴定结果相结合为谷子抗旱品种选择和抗旱新品种选育提供更全面的材料基础和理论依据。

表6 各品种(系)的综合性状指标、隶属函数值及综合耐旱指数D值Table 6 D-value of comprehensive trait indexes,membership function value,comprehensive drought tolerance indexes in different varities(lines)

图1 不同谷子品种(系)耐旱指数聚类分析 Fig.1 Cluster analysis of drought tolerance index of different foxtail millet varieties (lines)