干旱胁迫条件下不同饲用燕麦品种种子萌发指标比较与评价

高志昊，李雪颖，兰 剑，胡海英

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

近年来，随着我国“草牧业”、“粮改饲”、“引草入田”等农业供给侧结构性政策改革的推进，饲草的需求量越来越大。畜牧业作为宁夏重点发展的产业之一，一直存在饲草供求不平衡、家畜日粮不足等问题。燕麦(AvenasativaL.)是禾本科燕麦属的一年生草本植物，是一种粮、经、饲、药多用途作物，其茎叶柔嫩多汁，适口性好，蛋白质、脂肪含量高，因此，在饲草产品生产中备受重视。干旱是限制宁夏草牧业发展的主要因素之一，因此，选育优良抗旱的饲用燕麦品种势在必行。

种子萌发期是植物进一步发育为新个体的最关键一环，也是感应外界环境改变的最初阶段，研究结果表明，种子萌发时间会随着干旱胁迫而延后，发芽速度降低，甚至会影响种子发芽率，致使种苗生长异常[1]，因此，这一阶段的耐旱情况可直接或者间接反映植物耐旱性的强弱[2]。目前，PEG-6000已被作为萌发期抗旱性的重要鉴定方法，并广泛应用于各类作物中[3-4]。王亚楠等[5]研究表明5%低浓度的PEG溶液对于草本植物种子的萌发具有一定的促进作用，对沙打旺的发芽势、沙蒿的发芽率、甘草的胚根长以及蜀葵胚根粗的生长具有明显的促进作用。吕亚慈[6]研究发现，5%PEG-6000可促进燕麦不同品种的种子萌发，随着PEG浓度的升高，对种子萌发会产生抑制作用并逐渐加强。在燕麦种子萌发相关研究中[7-9]，15%PEG-6000干旱胁迫条件下，除鲜重外，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、种子萌发抗旱指数、胚根长、胚芽长均小于对照，具有显著的抑制作用；在20%PEG-6000的胁迫下，除了平均发芽速度以外，发芽势、发芽率等其它10项鉴定指标都受到了不同程度的抑制，与品种的抗旱性表现为正相关[10]；30%PEG-6000浓度致使种子不能萌发，胚根很短，胚芽几乎看不到，其活力特性指标几乎为零，难以比较各品种间差异[11]。因此，多采用15%～20%PEG-6000浓度模拟干旱胁迫研究燕麦等牧草种子萌发期的耐旱生理特性。

本研究采用PEG-6000溶液模拟轻度和重度干旱胁迫，通过测定26个燕麦种质萌发期的各项萌发指标，筛选抗旱评价指标，比较不同品种的抗旱能力大小，以期为燕麦抗旱品种选育提供实验参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用26种燕麦种质材料均从宁夏西贝农林牧生态科技公司购入，具体信息如表1所示。

表1 26份供试燕麦品种材料Table 1 26 germplasms materials of oats

1.2 试验方法

根据《农作物种子检验规程—发芽试验》(GB/T3543.4-1995)进行发芽试验。发芽前进行种子的消毒处理，每个品种挑取饱满无残缺、大小基本一致的种子，用0.1%氯化汞溶液浸泡15 min，然后用自来水冲洗2 min，再用蒸馏水淘洗1 min，于纱布上摊开自然晾干备用。再用镊子(70%酒精消毒)随机挑选已晾干的种子均匀地摆放在铺有 2层滤纸、直径12 cm培养皿中，每皿30粒。

采用单因素随机试验设计试验。将供试的26份材料分别置于5%、15%浓度的PEG-6000溶液中，以蒸馏水作对照，每个浓度梯度设置 3次重复。最后将培养皿一起放入人工气候培养箱，培养条件：25℃恒温，相对湿度60%、每天光照12 h(6∶00—18∶00)、光照强度12 000 lx，培养10 d。种子萌发以胚根出现为标准，胚根出现第2 d开始记录萌发情况，将第4 d的发芽率定为发芽势，统计发芽率至第10 d，并在第10 d统计根长、芽长、鲜重。每日用蒸馏水补充水分缺失，保持滤纸水分饱和状态。

1.3 测试项目与计算

根长(Length of root,LR)：用直尺进行测量；

芽长(Bud lengt,BL)：用直尺进行测量；

鲜重(Fresh weight,FW):用0.000 1 g电子分析天平称量；

发芽势(Germination energy,GE)=(第4 d种子发芽数/供试种子总数)×100%

发芽率(Germination rate,GR)=(第10 d种子发芽数/供试种子总数)×100%

发芽指数(Germination index,GI) =∑(Gt/Dt)

种子活力指数(Vigor index,VI)=发芽指数×平均鲜重[6]

上述式中:Gt为第t天的发芽数，Dt为萌发第t天,nd2,nd4,nd6,nd8分别为第2 d、第4 d、第6 d、第8 d的种子萌发率

1.4 数据统计与分析

所有数据在Excel 2019进行整理后，经SPSS 26正态分布检验后进行相关性及主成分分析，基于最小显著极差法(LSD)进行多重比较。

抗旱性综合评价采用隶属函数分析，利用公式1-1计算各性状指标具体隶属值[13]:

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(公式1-1)

式中，X为参试材料某一指标的测定值，Xmax和Xmin分别为所有材料中该指标的最大值和最小值。

运用DPS7.05统计软件，对数据进行系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同燕麦品种在PEG-6000 胁迫下各检测指标的变化

由表2所示，在5%的PEG-6000溶液胁迫下，燕麦的发芽率平均为62.39%，较CK下降7.69%；发芽势平均为44.15%，较CK下降2.86%；其他指标也受到不同程度的抑制，根长、芽长和鲜重较CK分别下降17.94%，7.77%和0.02%；萌发指数和活力指数分别下降3.63%和1.70%。且各指标的变异系数变化程度较小。由此可见，5%的干旱胁迫未能达到显著的抑制效果。在15%PEG-6000溶液胁迫下，燕麦的发芽率为0.00%～81.11%，平均为39.83%，较CK下降30.26%；发芽势为0.00%～56.67%，平均为18.76%，较CK下降28.25%；根长、芽长和鲜重较CK下降65.53%，72.56%和0.13%；萌发指数和活力指数分别下降20.94%和8.93%。与CK相比较，所有指标的变异系数均有显著增加，达到了干旱胁迫效果，并且不同性状对干旱胁迫的敏感性不同，单一性状无法评价种质抗旱性。

表2 不同燕麦品种萌发期各指标在不同程度干旱胁迫下的变异性比较Table 2 Comparison of various indexes at germination stage of oat under drought stress

2.2 PEG胁迫对饲草型燕麦种子萌发的影响

由表3所示，从不同品种看，5%浓度PEG处理下HF，XYUN，TZZ，SHOOT，MNK的发芽率分别增加5.56%，3.33%，7.78%，3.33%，1.11%，说明低浓度PEG处理对燕麦种子萌发有一定的促进作用。HF，XYUN，SX，TZZ在15%浓度胁迫下依然保持着较高的发芽率，且以HF表现最优，发芽率达到为81.11%，表现出了较强的抗旱性。从胁迫程度上看，当PEG浓度上升到15%时，HF，TZZ，SX，SHOOT，JKTY，ML，MNK，KLW，TYM，DFW品种的发芽率与CK相比差异不显著，其余品种均与CK呈显著性差异(P<0.05)。

随着PEG浓度升高，各燕麦品种发芽势均呈下降趋势，其中，HF在15%PEG处理时发芽势为56.67%，为所有参试品种成绩最优；QM在15% PEG处理时发芽势仅为2.22%，与对照相比下降72.22%，降低幅度最大。而且，HF在15%PEG浓度下发芽指数在品种间最高，达24.19%，而FY1在实验结束仍未有萌发迹象。整体来看，各燕麦品种发芽指数均随着PEG浓度上升而下降。其中，HF，SX，XYUN发芽率、发芽势和发芽指数均表现良好。

表3 不同燕麦品种在干旱胁迫下的种子发芽情况Table 3 Seed germination under drought stress in different forage-type oat varieties

2.3 PEG胁迫对饲草型燕麦生长的影响

由表4可知，各处理间根长、芽长和鲜重均表现为随着胁迫程度的加剧呈现下降趋势。在5%PEG浓度下，SX,BY7,TZZ,TY70,QT1,MLS,HW,ML,FY1,BY3根长与CK差异不显著。BY7,QM,XYUE芽长与对照相比分别增长了9.08%,3.50%和5.16%；BY7,XYUE,JKTY,HW,BY3的鲜重比CK略高，虽未达到显著水平，但也说明低浓度PEG处理对燕麦种子胚芽生长有一定促进作用。15%PEG浓度对各品种的生长指数影响显著，其中，HF胚根受抑制程度最轻，胚根长度保持在58 mm，为所有品种最优；QM,SHOOT受抑制程度最严重，胚根长度均未超过10 mm，而FY1在培养结束胚根仍未生长。QM,SHOOT和SZW降低幅度较大，分别为91.87%,76.94%和72.77%，而HF,ML和BY3降低幅度较小，分别为58.93%,54.20%和56.56%，HF的胚芽长度最长，达55.6 mm。从单株鲜重来看，QM,XYUE和SZW降低幅度较大，分别为87.50%,81.25%和69.57%，且与CK差异达极显著水平(P<0.01)。

表4 不同饲草型燕麦品种在PEG胁迫下的种子生长情况Table 4 Seed growth under PEG stress in different forage-type oat varieties

2.4 PEG胁迫对饲草型燕麦活力指数和萌发指数的影响

由表5可知，XYUN在CK条件下萌发指数最高，为59.33，DFW在CK条件下萌发指数最低，仅为5.25，品种之间具有显著的差异性。SX,TZZ,HW,ML的活力指数在5%胁迫浓度下相比CK有所增加，HF,SX,XYUN,TY2,BY7的萌发指数相比CK也有所增加，说明在低PEG胁迫浓度条件下能促进燕麦活力指数增加。在15%PEG浓度条件下，各品种活力指数和萌发指数均显著下降(P<0.05)。其中HF,SX,XYUN表现较好，活力指数均大于2%，HF,SX,XYUN,TY2萌发指数表现均在20以上，表现出较强的抗旱性。

表5 PEG胁迫对饲草型燕麦品种活力指数和萌发指数的影响Table 5 Effect of PEG stress on forage oat vitality index and germination index

2.5 不同燕麦品种萌发指标之间的相关性与主成分分析

对8种评价指标进行简单相关性分析，结果表明(见表6)，除了鲜重与萌发指数之间为显著相关外，其余评价指标之间都呈现极显著相关。可见，不同指标携带的信息重合，且所起作用大小有差异。对8个评价指标进行主成分分析(表7)，选取2个主成分作为综合指标，可有效反映原8个评价指标87.91%的信息，而其余贡献率太小忽略不计。其中PC1可反映原8个评价指标78.56%的信息，起主要作用的为发芽势、发芽指数、活力指数。PC2中特征值为0.7477，贡献率只有9.35%，其主要因子载荷为萌发指数。

表6 不同饲草型燕麦品种的简单相关性Table 6 Simple correlation between different forage oat varieties

表7 2个主成分的系数、特征值、方差贡献率及累积贡献率Table 7 Coefficient,eigenvalue,variance contribution rat and accumulated contribution rate of two principal components

2.6 饲草型燕麦不同品种抗旱性的综合评价

采用隶属函数法，以发芽率、发芽势、发芽指数、胚芽长、胚根长、鲜重、种子活力指数、萌发指数共8个指标为依据，对燕麦材料种子萌发期的抗旱性进行综合评价。一般而言，综合评价值越大，表明其抗旱能力越强。由表8可知，各品种间的综合评价值差异较大，综合不同品种的指标相对值及隶属函数加权平均值后评定，不同燕麦品种抗旱性隶属函数值由高到低排序为：HF,SX,XYUN,ML,DFW,BY7,TZZ,444,TYMQ,TY2,HW,BY3,TY70,TYM,JKTY,DD,KLW,SZW,MLS,MNK,TY1。

表8 PEG胁迫对饲草型燕麦品种各指标隶属函数值及综合评价值Table 8 Effects of PEG stress on membership function and comprehensive evaluation value of forage oat indexes

对26个品种以发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、根长、茎长、鲜重、萌发指数的平均值进行规格化转换后利用欧式距离、类平均法进行系统聚类分析后将26个品种分为4类(见图1)，第一类有HF,SX,XYUN三个品种，其隶属值在0.98～0.7之间；第二类包括ML,DFW两个品种，其隶属值在0.59～0.46区间；第三类包括TY2,TZZ,BY7,TYMQ,TY70,MLS,JKTY,HW,DD,MNK,BY3,KLW,TYM,SZW,444品种，隶属值在0.39～0.16之间；第四类包括QM,FY1,XYUE,QT1,TY1,SHOOT 6个品种，隶属值在0.16～0.01区间。由此分析可以评价：HF,SX,XYUN为强抗旱型种质；ML,DFW为中等抗旱型种质；TY2,TZZ,BY7,TYMQ,TY70,MLS,JKTY,HW,DD,MNK,BY3,KLW,TYM,SZW,444为弱抗旱型种质；QM,FY1,XYUE,QT1,TY1,SHOOT为抗旱敏感性(不抗旱)种质。

图1 26份饲草型燕麦品种萌发期抗旱性聚类分析图Fig.1 26 drought-resistant clustering analysis charts for the germination of forage-type oat varieties

3 讨论

3.1 关于PEG-6000 模拟干旱胁迫浓度的探讨

种子萌发期是对植物进行抗旱性研究的重要时期之一。目前，PEG-6000模拟干旱胁迫最为广泛[14-15]。不同作物在进行萌发期抗旱性鉴定时，由于本身抗旱性的差异，其适应的PEG浓度也不同。研究表明，随着干旱胁迫程度的增强，种子的发芽率、发芽势、萌发指数、活力指数、胚芽长等均呈下降趋势[16-17]，而轻度干旱胁迫不但没有对种子萌发产生抑制作用，反而促进其萌发[18-19]。裴帅帅等[20]在进行不同品种谷子种子萌发期对干旱胁迫的生理响应及其抗旱性评价时将18%的PEG作为谷子干旱胁迫的最适浓度。陈新[10]和李威[11]等研究表明，PEG溶液浓度大于20%时，多数燕麦品种不能萌发，难以比较各品种间差异。而牛冰洁等[9]却认为25%PEG胁迫浓度仍高于燕麦发芽的耐受阈限，还有提高其干旱胁迫的空间。本研究结果表明，与CK相比较，在5%PEG溶液浓度下，XYUN,HF等6个品种的发芽率增加,XYUN,TY2等6个品种的发芽势也呈增加趋势，说明在低浓度PEG-6000胁迫条件下，对植物生长具有促进作用。15%PEG浓度处理与CK相比，各指标均有显著性变化(P<0.05)，且变异系数变化幅度显著，说明15%PEG浓度可以作为不同燕麦种质材料抗旱性差异筛选的试验处理。在15%PEG浓度下各品种发芽率在0%～81.11%区间，平均发芽率为38.83%，最高为HF，发芽率达81.11%；最低为FY1，实验结束仍未萌发，其他指标均呈现此现象，说明这26种燕麦材料种质类型较为丰富，部分品种对干旱胁迫反应极为敏感。

3.2 不同品种燕麦萌发期抗旱性的评价指标与综合评价

利用单一指标鉴定作物的抗旱性强弱具有片面性，应利用多个指标进行综合评价，国内外学者普遍采用多指标相结合的耐/抗旱指标和评价方法[21]，并应用主成分分析、灰度关联分析、模糊数学隶属函数法和聚类分析等方法对植物的耐旱性进行综合评价。王焱等[22]通过综合评价值D值和加权抗旱系数WDC值作为抗旱综合评价方法，结合相关分析、灰色关联及逐步回归分析，将根长、发芽率和活力指数作为对干旱胁迫的敏感指标，并在59份材料中筛选得到了3份极强抗旱型种质。侯泽豪[23]运用聚类分析，将80份甜荞种质资源分为4类，筛选到了3份耐旱性极强的农家种种质资源，确定了相对发芽率、萌发抗旱指数、相对根长指数和根长胁迫指数作为选育耐旱型荞麦品种的主效指标。陈新等[10]研究认为发芽率、平均发芽速度、最长初生根长、初生根总长、胚芽鞘长和种子活力指数6个指标可对裸燕麦材料萌发期的抗旱性进行科学有效的评价。蔺军[8]得出相对发芽指数、发芽率可作为萌发期燕麦耐盐性的主要评价指标。可见，植物的抗旱性属于数量性状，受多基因控制，且受环境的影响较大。本研究对不同品种燕麦种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长、芽长、鲜重、萌发指数等8个指标进行主成分分析发现，PC1主成分1可反映所有评价指标78.56%的信息，起主要作用的指标有发芽势、发芽指数、活力指数，而主成分2的贡献度只有9.35%。因此我们认为，发芽势、发芽指数、活力指数可作为燕麦种质耐旱性筛选的主效指标，这与蔺军等[8]研究结果一致。

通过模糊数学隶属函数法和聚类分析综合评价不同燕麦种质材料的抗旱性大小，可将不同燕麦种质材料分为四个抗旱级别，第一类的隶属值在0.70～0.98区间，第二类的隶属值在0.46～0.59区间，第三类隶属值在0.16～0.39区间，第四类的隶属值在0.13以下，各类隶属值之间具有显著差异，进一步说明本研究收集的燕麦材料种质类型对干旱胁迫响应差异非常显著，以此可将这些品种划分为强抗旱型、中等抗旱型、弱抗旱型、不抗旱型四个级别。

4 结论

干旱限制了宁夏草牧业的发展，选育丰产抗旱的饲用燕麦品种是提高作物产量的一项经济有效的措施。本研究采用PEG-6000溶液模拟轻度和重度干旱胁迫，比较研究了26份不同品种饲草型燕麦种子萌发特征。通过主成分分析，将发芽势、发芽指数、活力指数作为燕麦种质耐旱性筛选的主效指标。采用模糊数学隶属函数法对不同品种饲草型燕麦抗旱性进行综合评价，确定了四个抗旱级别，其中，‘荟峰’、‘三星’、‘喜韵’为强抗旱品种(1级)，‘梦龙’、‘大富翁’为中等抗旱品种(2级)；‘甜燕2号’、‘挑战者’、‘白燕7号’、‘甜燕麦青海’、‘甜燕70’、‘牧乐思’、‘进口甜燕’、‘禾王’、‘当地燕麦’、‘莫尼卡’、‘巴燕3号’、‘燕麦克劳沃’、‘甜燕麦’、‘摄政王’、‘青海444’为弱抗旱品种(3级)；‘青牧’、‘福燕1号’、‘喜越’、‘青甜1号’、‘甜燕1号’、‘shooter’为不抗旱品种(4级)。