100份大麦种质资源成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

张 毅，杨 轲，汪军成，姚立蓉，司二静，马小乐，李葆春，尚勋武，王化俊，孟亚雄

(1.省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070；3.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070)

大麦(L.)是全球第四位的谷类作物，在我国已有数千年的种植历史。大麦适应能力强、耐瘠、耐盐、抗旱，被广泛种植于我国西北及西藏地区，主要用于酿酒以及为畜牧业和养殖业提供优质饲料。干旱是植物生长发育过程中最主要的非生物限制因子，会引起植物生长减缓甚至死亡，最终导致减产。因此，大麦抗旱性的评价以及筛选合理的抗旱指标，对大麦抗旱新品种的选育以及栽培管理有着重要的意义。近年来，为避免单一指标对筛选抗旱性作物的不准确和片面性，研究者将不同指标结合起来对作物进行抗旱性综合评价，利用主成分分析、灰色关联分析、聚类分析等方法对油菜、胡麻、高粱、大豆、棉花等作物进行了抗旱性的评价以及指标的筛选。目前，大多数学者主要利用萌发期或苗期的生理以及形态指标来评价大麦抗旱性，对其成株期抗旱性的鉴定以及抗旱指标筛选研究较少。本研究通过设置正常灌水和干旱胁迫2个处理，利用综合评价的方法对100份大麦种质材料的株高、穗长、单株生物量、分蘖数、有效分蘖数、穗粒数、千粒重和产量进行评价与鉴定，以期能够筛选出在成株期抗旱能力强的大麦种质材料以及与大麦抗旱性密切的相关指标，为大麦抗旱新品种的选育提供基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料共100份，均由甘肃农业大学麦类作物实验室提供。

1.2 试验设计

试验于2018年、2019连续两年在大麦生长期降水量不足40 mm的甘肃省敦煌试验站进行，设正常灌水(CK)和干旱胁迫(T)2个处理，重复3次，随机区组排列。试验材料采用点播，行长 1 m，每行30粒，每个品种3行，行距0.2 m，走道宽0.3 m，保护行宽1m。干旱胁迫处理抽穗期灌水1次(灌水量120 mm)，其他生育时期不灌水；正常灌水处理为拔节期、抽穗期及灌浆期各灌水1次，每次灌水量为120 mm。

1.3 测定项目与方法

在收获前3 d，每小区3点取样，每点5株，测定株高(plant height，PH)、穗长(spike length，SL)、穗粒数(grain number per spike，GNS)、分蘖数(tiller number，TN)、有效分蘖(effective tiller，ET)、单株生物量(individual biomass，IB)；按小区收获，脱粒、自然晾干后统计千粒重 (1 000-grain weight，TGW)和小区产量(yield，Y)。

1.4 数据处理与分析

取两年平均值参照王玉斌等、兰巨生等和祁旭升等的方法进行差异显著性分析、主成分分析、简单相关性分析和连续变数次数分布统计分析。相关指标及其计算公式如下：

(1)各指标抗旱系数(drought resistance coefficient，DC)

DC=干旱处理测量值/正常灌水测量值

(2)综合抗旱系数(comprehensive drought resistance coefficient，CDC)

式中，为测定指标数；

(3)隶属函数值

()=(-，min)/(,max-,min)

式中，表示第个因子的得分值，,min为第个因子得分值最小值，,max表示第个因子得分最大值。

(4)权重系数()

式中，表示第个因子在所有公因子中的重要程度，为各品种第个因子贡献率。

(5)抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation value，)

参照尹 利等的方法计算D值与DC值的关联度(γD)、加权抗旱系数(WDC)和各指标WDC值与DC值的关联度(γWDC)。

根据100份大麦种质的CDC值、WDC值和值利用SPSS 21.0进行均值聚类分析，利用RStudio绘制图形；分别以值、WDC值和CDC值为参考对各指标的DC值进行逐步回归分析，并求取回归方程。

2 结果与分析

2.1 干旱对被测指标的影响

干旱胁迫对所测定的8个指标均具有极显著影响(表1)。供试种质材料被测指标的变异系数在0.126～0.620之间，说明本次试验所选用的100份大麦种质材料的类型较为丰富。在干旱胁迫条件下，株高、穗长等8个农艺性状与对照相比均显著下降(<0.05)，下降幅度表现为单株生物量(55.70%)>产量(49.63%)>穗粒数 (25.23%)>有效分蘖数(20.60%)>穗长 (17.78%)>分蘖数(16.89%)>株高(14.29%)>千粒重 (12.50%)，说明干旱胁迫对各指标的影响程度有所不同，采用单一指标很难反映出大麦种质资源的抗旱性。

表1 干旱胁迫和正常灌水条件下供试大麦种质各测定指标分析Table 1 Mean values of all indices in tested barley resources under drought stress and normal irrigation

2.2 抗旱系数、连续变数次数分布及相关性分析

由表2可得，供试的大麦种质在受到干旱胁迫后，各性状DC值平均为0.48～0.87，DC值变化范围均较大，特别是产量DC值，为0.10～ 0.99，说明干旱胁迫对大麦不同性状的影响程度不同。不同大麦种质资源相同指标的DC值之间也存在着明显的差异，其变异系数介于0.086～ 0.519之间，说明其不同种质资源的抗旱能力有所不同。

表2 供试大麦种质各指标抗旱系数Table 2 Drought resistance coefficients of all indices in tested barley germplasm

单株生物量和产量的DC值在0.2～0.4区间种质频率最高，分别达到42%和27%(表3)。其余指标的DC值均在0.8～1.0区间内频率最大，株高、穗长、单株生物量、分蘖数、有效分蘖数、穗粒数、千粒重和产量的频率分别为81%、77%、8%、68%、65%、50%、80%、25%，说明在干旱胁迫下，各被测指标对干旱胁迫的敏感程度表现为单株生物量>产量>穗粒数>有效分蘖数>分蘖数>穗长>千粒重>株高，说明单株生物量、产量、穗粒数对干旱胁迫反应敏感，可以作为评价大麦抗旱性的参考指标。

表3 供试大麦种质各指标抗旱系数的分布Table 3 Distribution of DC intervals of all indices in tested barley germplasm %

由表4可得，单株生物量、有效分蘖和穗粒数这三个指标均与其他指标显著或极显著相关。其中，单株生物量与其他7个指标间均呈极显著正相关；有效分蘖与穗长有显著相关性，与其他6个指标有极显著相关性；穗粒数与分蘖数有显著相关性，与其他6个指标有极显著相关性。

表4 供试大麦种质各指标抗旱系数的相关性Table 4 Correlation coefficients among drought resistance coefficients of all indices in tested barley germplasm

2.3 供试大麦种质各指标主成分分析

由表5可知，8个农艺性状中前4个因子的累计贡献率达82.091%，其特征根大于0.606，说明8个农艺性状的大部分信息可以由前4个主成分概括，将其分别命名为F、F、F和F。F在单株生物量上有较高载荷，其特征根为3.669，累计贡献率为45.867%。F、F和F分别在分蘖数、穗长和株高上有较高载荷。

2.4 供试大麦种质资源的抗旱性评价

2.4.1 大麦CDC评价结果

按照CDC值可将100份大麦种质聚为五种类型：高度抗旱(Ⅰ)、抗旱(Ⅱ)、中等抗旱(Ⅲ)、敏感(Ⅳ)和高度敏感(Ⅴ)(图1)，其中高度抗旱种质(CDC≥0.897)8份，占供试种质的8%，抗旱种质(0.897>CDC≥0.842)28份，中等抗旱种质(0.842>CDC≥0.789)14份，敏感种质 (0.789>CDC≥0.665)26份，高度敏感种质 (0.665>CDC≥0.565)24份，占供试种质的24%。按照CDC从大到小，8份高度抗旱种质依次是沾益红毛小麦、LL-53、Z16、S-130、资源21-6B98-9339、BNOC168、资源160-早熟3号和IL-18。按照CDC从小到大，24份高度敏感种质依次是西-2970、ZDM5745、Z20400211W、丹青1号、美41I、08京1369、ZDM5174、ZDM1190489、EDM-5789、IL-28、ZDM5142、IL-26、GR5-419网8、BCB48、ZDM9311、鄂大麦9号、12-D347、202990189、北青88、ZDM5138、宝斗(宝鸡)、沃尔菲特42、EDM5189和甘青9183-D。

表5 供试大麦种质各指标主成分的特征向量及贡献率Table 5 Eigenvectors and contribution rates of principal components of each index of tested barley germplasm

2.4.2 大麦WDC评价结果

按照WDC值可将100份大麦种质聚为五种类型：高度抗旱(Ⅰ)、抗旱(Ⅱ)、中等抗旱(Ⅲ)、敏感(Ⅳ)和高度敏感(Ⅴ)五种类型(图2)，其中高度抗旱种质(WDC≥0.893)8份，抗旱种质 (0.893>WDC≥0.835)29份，中等抗旱种质 (0.835>WDC≥0.793)13份，敏感种质(0.793>WDC≥0.628)40份，高度敏感种质(0.628>WDC≥0.567)10份。按照WDC从大到小，8份高度抗旱种质依次是S-130、Z16、沾益红毛大麦、LL-53、资源21-6B98-9339、BNOC168、资源160-早熟3号和IL-18。按照WDC从小到大，10份高度敏感种质依次是ZDM9311、鄂大麦9号、12-D347、202990189、ZDM5138、北青88、宝斗(宝鸡)、沃尔菲特42、EDM5189和甘青9183-D。

1～100：种质编号。下同。 1-100：No. of germplasm.The same below.

图2 100份大麦种质基于加权抗旱系数的聚类图

2.4.3 大麦值评价结果

按照值可将100份大麦种质聚为五种类型：高度抗旱(Ⅰ)、抗旱(Ⅱ)、中等抗旱(Ⅲ)、敏感(Ⅳ)和高度敏感(Ⅴ)五种类型(图3)，其中高度抗旱种质(≥0.739)11份，抗旱种质(0.739>≥0.636)38份，中等抗旱种质(0.636>≥ 0.437)13份，敏感种质(0.437>≥0.255)34份，高度敏感种质(0.255>≥0.162)4份。按照值从大到小，11份高度抗旱种质依次是S-130、IL-24、BNOC168、LL-53、资源160-早熟3号、12-7347、扬饲麦3号、IL-18、08京222、IL-36和IL-48。按照值从小到大4份高度敏感种质依次是鄂大麦9号、沃尔菲特42、北青88和202990189。

2.4.4 大麦抗旱性综合评价结果

利用CDC、WDC和值3种大麦抗旱鉴定方法，以同一类型中至少出现2次为依据，鉴定得到8份高度抗旱种质，9份高度敏感种质。8份高度抗旱种质分别为S-130、BNOC168、LL-53、资源160-早熟3号、IL-18、Z16、沾益红毛大麦和资源21-6B98-9339，其中S-130、BNOC168、LL-53、资源160-早熟3号和IL-18利用3种方法鉴定结果均为高度抗旱类型。9份高度敏感种质分别为ZDM9311、鄂大麦9号、12-D347、202990189、ZDM5138、北青88、宝斗(宝鸡)、沃尔菲特42、EDM5189和甘青9183-D，其中鄂大麦9号、沃尔菲特42、北青88和202990189利用3种方法鉴定结果均为高度敏感类型。

2.5 灰色关联分析

各指标DC值与值之间的关联度从大到小依次分别为单株生物量、穗粒数、有效分蘖、分蘖数、株高、千粒重、穗长、产量；各指标DC与WDC值间的关联度从大到小依次分别为株高、分蘖数、千粒重、有效分蘖、穗粒数、穗长、单株生物量、产量(表6)。关联度大则密切程度高。

图3 100份大麦种质基于综合评价值的聚类图

表6 供试大麦种质各指标DC值与D值和WDC值的关联度及各指标权重Table 6 Correlation degree between DC value of all indices and D value together with WDC value and index weight in tested barley germplasm

2.6 逐步回归分析及抗旱性预测评价

参照王 灿等的方法，将各指标DC值作为自变量，CDC值、值和WDC值作为因变量分别进行回归分析，得到3个回归方程，其决定系数≈1，说明回归方程可以很好预测供试大麦的抗旱性。由回归方程可知，与值、WDC值密切相关的指标有单株生物量、穗粒数、分蘖数、株高、穗长和有效分蘖，说明在大麦成株期抗旱性鉴定中，这些指标可以较为准确的鉴定大麦种质的抗旱性。此外，对供试大麦种质资源的值、CDC值、WDC值和产量进行相关分析，结果表明两两之间均极显著正相关。

表7 供试大麦种质抗旱性模型预测Table 7 Model prediction of drought resistance in tested barley germplasm

3 讨 论

3.1 大麦种质成株期抗旱性分析方法的选择

近年来，众多研究者采用综合评价的方法对作物的抗旱性进行评价。目前，利用综合评价的方法在胡麻、小麦、水稻等作物的抗旱性研究中均取得了理想的结果。抗旱度量值和加权抗旱系数WDC是作物抗旱性鉴定中最常用的两个综合评价指标。例如杜伟莉等的研究结果表明，采用抗旱隶属度对开花期玉米进行抗旱性鉴定，可有效鉴定出在开花期抗旱性强的玉米材料；王士强等利用加权抗旱系数对参试小麦品种进行聚类分析，很好地反映出这些品种的抗旱特点。本研究测定大麦成株期的 8个指标，结合抗旱性度量值、综合抗旱系数 CDC 值和加权抗旱系数 WDC 值，将三种评价方法与主成分分析、灰色关联分析和相关分析相结合评价大麦种质资源在成熟期的抗旱性，从而使评价结果更加全面可信。但在本研究中，基于CDC值、WDC值和值对供试材料进行聚类分析的结果有一定差异，其原因可能是由于计算方式的不同及所选材料之间的差异所造成的。值计算过程是将原有的8个指标转换为相互独立的5个综合指标并求得各综合指标的权重，将权重乘以隶属函数值求得；而WDC值是对8个指标DC值与值进行关联分析后求得各指标权重，将权重与各材料各指标的抗旱系数相乘求得加权抗旱系数。本研究中，CDC值与WDC值的计算结果基本一致，但相关分析表明，WDC值与产量的相关性更高，因此建议利用抗旱性度量值值结合加权抗旱系数 WDC 值来鉴定大麦成株期的抗旱性，从而简化鉴定过程，这与李 龙等的研究结果一致。

3.2 大麦种质成株期抗旱性鉴定

对作物进行抗旱性鉴定的目的是获得抗旱种质。吴 奇等利用聚类分析将54份高粱品种划分为4种抗旱类型。张海燕等利用产量抗旱系数法对15份甘薯品种进行了抗旱等级的划分，最终鉴定得到抗旱品种5份。本研究利用综合抗旱系数、加权抗旱系数和抗旱性度量值分别鉴定出8、8和11份高度抗旱种质，其中S-130、BNOC168、LL-53、资源160-早熟3号和IL-18利用3种方法鉴定的结果均为高度抗旱类型，Z16、沾益红毛大麦和LL-53利用综合抗旱系数、加权抗旱系数2种方法鉴定为高度抗旱类型，IL-24、12-7347、丹青1号、扬饲麦3号、08京222、IL-36和IL-48仅用抗旱性度量值值鉴定为高度抗旱类型。综合3种抗旱指标结果，本研究获得8份高度抗旱大麦种质：S-130、BNOC168、LL-53、资源160-早熟3号、IL-18、Z16、沾益红毛大麦和资源21-6B98-9339。

3.3 大麦种质资源成株期抗旱指标的筛选

植物的抗旱能力不仅由多基因控制，而且会受到许多环境因素的影响，因此很难用单一指标直接评价植物抗旱能力。在大麦抗旱性鉴定及指标筛选的研究中，前人主要在萌发期利用相关指标进行筛选，如任 毅等筛选出发芽率、发芽势和苗高作为评价苗期大麦抗旱性强弱的指标。但作物不同时期对干旱胁迫的敏感程度有所差异，因此苗期的抗旱性很难反映出作物真实的抗旱性。赵 岩等的研究结果表明，株高、穗数、穗粒数以及产量可以有效的鉴定出小麦成熟期的抗旱性。胡雯媚等利用回归分析得出在小麦苗期与值密切相关的指标有株高、叶面积、根长和根冠比，这些性状可以作为评价小麦苗期抗旱性的指标性状。本研究对成株期各指标DC值与值和WDC值进行灰色关联分析，得到关联程度较高的指标有单株生物量、穗粒数、有效分蘖、分蘖数和株高。利用逐步回归分析得到与值、WDC值密切相关的指标有单株生物量、穗粒数、分蘖数、株高、穗长和有效分蘖。通过多种分析方法最后筛选出抗旱指标有单株生物量、穗粒数、分蘖数、有效分蘖数和株高，这与徐银萍等的研究结果相似，因此这5个指标可作为评价大麦种质资源成株期抗旱性强弱的指标。