模拟干旱胁迫下黍稷资源抗旱性评价

邢 媛 ，贾馥翠 ，陈 凌 ，王海岗 ，王计平 ，乔治军 ，王瑞云

（1.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 农业基因资源研究中心/农业农村部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室/杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室，山西太原 030031）

干旱是农作物减产的重要原因之一。全球的干旱半干旱地区相对于陆地面积的占比高达35%，涉及到全球60 多个国家和地区[1]。干旱影响植物的正常生长和发育，进而导致农作物减产严重[2]，在所有非生物对农作物造成的损失中，干旱胁迫占首位[3]。农作物具有抵御和适应干旱环境的能力，但是不同农作物间及作物的不同品种之间的抗旱能力和抗旱机制存在着显著差异[4]。随着全球温室效应的不断影响，温室气体浓度的增加促使地球表面温度加快上升，进而导致土地干旱程度加重、沙漠化面积增大，这对农作物的生产将造成很大的影响，而选育抗旱品种是缓解干旱的有效策略[5]。

黍稷是起源于我国的古老作物，抗旱耐瘠，营养丰富[6]。黍稷适应土壤能力强，在多数土壤中均能正常生长[7]。黍稷种子吸收25%自身干质量的水分就可发芽，而小麦和玉米分别需要44% 和45%。当黍稷苗期遭遇高温干旱，叶片会卷缩成筒状，气孔闭合，水分蒸发量减少，推迟或停止生长，呈萎蔫状以适应干旱和减少失水造成的危害。不同农作物间及作物的不同品种之间的抗旱能力和抗旱机制具有很大的差异。此前，人们关于黍稷抗旱性的研究层次远不如其他主要粮食作物如玉米、水稻、大豆、小麦等。山仑等[8]比较了黍稷、谷子、高粱和玉米在各个时期的抗旱性，结果显示，几种作物在芽的生长阶段对水分胁迫的敏感度最高；王纶等[9]研究表明，黍稷资源的抗旱性在每个个体中都表现出比较大的差异[10]；张盼盼等[11]用模拟干旱胁迫的方法，对黍稷芽期抗旱性的指标进行鉴定，筛选出芽期抗旱性指标为相对根长、相对芽长、相对发芽率、相对芽鞘长和相对芽干质量。张美俊等[12]研究发现，干旱胁迫抑制糜子种子萌发活力，降低了萌发速度和发芽率。王海茹等[13]研究认为，在干旱胁迫的情况下，适当的增施氮肥可以提高苗期黍稷的叶绿素含量和根系活力，增加根系总表面积、总体积与总根长，降低根系丙二醛含量，在一定程度上缓解干旱胁迫的影响。李鹏等[14]研究发现，低磷胁迫下，耐低磷品种、磷中间型品种植株相对吸磷量均显著高于磷敏感型品种。李占成等[15]研究发现，盐胁迫条件下糜子种子的相对发芽势和相对发芽指数均显著低于对照，各种盐对糜子种子发芽抑制作用由大到小为NaCl、Na2SO4、MgCl2。闫江艳等[16]研究发现，干旱胁迫下引起2个黍稷品种各项生理指标及复水条件下变化幅度不同，2 个品种根系活力均明显下降，但抗旱性强的陇糜4号根系活力下降幅度明显低于抗旱性弱的晋黍7号。不同植物的萌发特性及干旱胁迫下的反应都有自身的特点，尚无统一的评价方法和体系。在实际生产过程中，轻度干旱与重度干旱对不同作物种子萌发具有不同的影响，表明种子的活力及综合性的抗旱评价至关重要。目前，干旱对黍稷种子活力影响、抗旱性指标筛选及抗旱性评价研究较少。

本研究以东北地区35 份黍稷资源为试验材料，在PEG 胁迫的干旱条件下，综合分析黍稷在干旱胁迫下2 个重要的生长发育时期的发芽势、发芽率、根长、根鲜质量、根干质量、苗长、苗鲜质量、苗干质量、叶绿素含量，进而对比它们之间的抗旱性差异，建立抗旱性评价体系，旨在筛选出黍稷抗旱资源。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究所用的35份北方黍稷种质资源材料包含黑龙江19份、吉林10份、辽宁6份（表1）。

表1 参试品种及来源Tab.1 The test varieties and their origin

1.2 试验方法

从35 份黍稷品种中分别选取180 粒饱满种子，用0.3%的高锰酸钾溶液消毒15 min，再用无菌水冲洗5 遍。试验设置浓度25%的PEG-6000（D）和正常供水（CK）2 个处理，每个处理3 次重复，每个重复30 粒种子，每个培养皿为1 次重复。在每个无菌培养皿中放入2 层滤纸，放入30 粒消毒充分的黍稷种子，其中3 个培养皿中加入5 mL 配制好的PEG 溶液进行干旱胁迫，剩余3 个培养皿正常供水作为对照组，最后将不同处理的培养皿随机放入25 ℃恒温光照培养箱（光照∶黑暗=12∶12）中进行种子萌发试验。为保持胁迫浓度相对稳定，发芽期间每4 d 更换滤纸和PEG 胁迫溶液。

1.3 测定指标

在种子萌发阶段分别统计不同处理下各处理组的发芽势（I1）、发芽率（I2），计算种子的相对发芽势（I1′）、相对发芽率（I2′）；在苗期试验结束后，每个育苗盘中挑选生长一致幼苗，测量其根长（C1）、苗长（C2），并测定根鲜质量（C3）、苗鲜质量（C4）、根干质量（C5）、苗干质量（C6）、叶绿素含量（C7）。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 25.0 进行数据统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 黍稷芽、苗期对干旱胁迫的响应

PEG-6000 胁迫对不同品种黍稷种子萌发的影响如表2 所示。

表2 不同品种黍稷芽、苗期PEG 胁迫较对照组的差值Tab.2 The difference of PEG stress between different varieties of broomcorn millet at bud and seedling stages compared with the control group

续表2 不同品种黍稷芽、苗期PEG 胁迫较对照组的差值Tab.2（Continued） The difference of PEG stress between different varieties of broomcorn millet at bud and seedling stages compared with the control group

从表2 可以看出，与对照组相比，PEG 胁迫下9 个指标数值均有所下降，其中，发芽势和发芽率下降的尤为明显，分别下降93.007%和94.449%，可见各指标均受PEG 胁迫的抑制，其中，发芽势和发芽率受抑制较明显。从表3 可以看出，通过成对样本t检验发现，CK 与PEG 胁迫间t值变化范围为［-0.234，-76.479］，说明35 份黍稷种质资源中参与测试的品种彼此之间差异较大，性状变化明显，有助于抗旱性检测。其中，发芽势和发芽率的t值分别为-51.423 和-76.479，t值的绝对值越大表明材料间差异越显著，所以，PEG 干旱胁迫对种子芽期的生长形成明显抑制。P值多数小于0.05，表明CK与处理间差异显著。测定PEG 胁迫材料苗期各性状衡量指标，得出其变异系数介于0.171～0.664，CK 组 变异 系 数 为0.154～0.612，试验 组 和CK 变异系数相差0.017～0.051，跨度较大，表明试验中35 份材料的每项指标对PEG 胁迫较为敏感，具有代表性。

表3 25%PEG-6000 胁迫下35 份黍稷品种各抗旱指标统计分析Tab.3 Statistical analysis of drought resistance indexes of 35 broomcorn millet varieties under 25% PEG-6000 stress

2.2 PEG 胁迫下黍稷各指标的相关性分析

对PEG 胁迫下的芽期与苗期的9 项相对值指标进行Pearson 相关性分析可知（表4），芽期的相对发芽势（I1′）和相对发芽率（I2′）与苗期的7 个指标之间相关性均不显著，与相对叶绿素含量呈正相关，与其余6 个指标呈负相关；苗期7 个指标两两之间均呈极显著正相关，相对苗鲜质量（C4′）与相对苗干质量（C6′）相关系数最大，为0.934，二者相关性最高；相对苗长（C2′）和相对苗鲜质量（C4′）间的相关系数为0.897，相关性次之；相对根干质量（C5′）与相对根长（C1′）和相对根鲜质量（C3′）间的相关系数分别为0.474 和0.823。通过数据可以得出，苗期各项指标结果与芽期各项指标结果间无相关性，相对叶绿素含量与苗期及芽期阶段的相关性均较低。综上所述，多数指标间都呈现极显著相关，说明在PEG 胁迫下对黍稷的相对值作用效果明显，但是直接利用这些指标对黍稷做出抗旱性评价太过单一不够准确，为了得到更为准确的结果，采用主成分分析法对黍稷的抗旱性进行综合性评价。

表4 干旱胁迫下各指标的相关系数Tab.4 Correlation coefficients of each index under drought stress

2.3 黍稷苗期抗旱性分析

用主成分分析法对苗期相关抗旱性指标的相对值进行分析，筛选出可用于黍稷苗期抗旱性鉴定的主要指标。由表5 可知，将特征值大于1 的指标纳入主成分，获得2 个主成分。前2 个主成分贡献率分别为66.776%和14.907%，累计贡献率为81.683%（符合主成分分析累计贡献率大于80%的要求），说明前2个主因子所包含的要素信息量可以反映出9 个抗旱性指标原始特征参数的大部分信息，因此，9 个抗旱性指标可用前2 个主成分因子表示。

表5 主成分分析中各主成分的特征值及贡献率Tab.5 Eigenvalues and contribution rates of each principal component in principal component analysis

由于因子载荷阵是不唯一的，所以对因子载荷矩阵进行旋转，使因子载荷阵结构简化，运用方差最大法得到各主成分的因子载荷矩阵（表6）：决定第1 主成分主要为相对苗长（0.939）和相对苗鲜质量（0.950）2 个指标，说明黍稷苗期生长情况可以作为评价抗旱性的主要指标，决定第2 主成分的主要为相对叶绿素含量（0.946），说明黍稷的抗旱性强弱能够影响植株光合作用。根据主成分分析结果，相对苗鲜质量、相对苗长和相对叶绿素含量3 个指标与主成分相关且在主成分中相关系数较大，可以作为评价黍稷抗旱性的重要指标。

表6 各主成分的因子载荷矩阵Tab.6 Factor load matrix of each principal component

参照宝力格等[17]的方法计算成分得分系数，并进一步得到综合得分计算公式：F=0.594 93F1+0.143 24F2。

根据公式计算得出所有黍稷资源苗期抗旱性综合得分（F）进行排序（表7），并使用沃德联接对35 份黍稷材料进行聚类分析（图1）。

表7 黍稷种质资源苗期抗旱性排序Tab.7 Ranking of drought resistance of broomcorn millet germplasm resources at seedling stages

图1 35 份黍稷品种的苗期抗旱性聚类Fig.1 Cluster analysis of drought resistance of 35 broomcorn millet varieties at seedling stage

由图1 可知，供试材料可以划归5 个类群。第1类群包括2 个品种（5.7%），F 值在3.495～3.647，基本不受PEG 胁迫影响，可以认定为苗期极强抗旱材 料。第2 类 群 包 括3 个 品 种（8.6%），F 值 在1.832～2.217，PEG 干旱胁迫下受到的影响很小，可以认定为苗期强抗旱材料。第3 类群一共包括8 个品种（22.9%），苗期综合得分F 值在1.739～2.195，在PEG 干旱胁迫下受到的影响较小，可以认定为苗期中度抗旱材料。第4 类群共包括11 个品种（31.4%），苗期综合得分F 值为1.408～1.696，在PEG 干旱胁迫下受到的影响比较严重，可以认定为苗期极不抗旱材料。第5 类群共包括11 个品种（31.4%），F 值在0.747～1.375，PEG 胁迫下几乎失去抗旱能力，可以认定为苗期极不抗旱材料。根据上述方法及分析结果，得到苗期强抗旱材料5 种，分别是千沟黄糜子（00005708）、大白黍（00000440）、Jan-55（00000281）、西北天糜子（黍）（00004230）、熟谷（00001987）。

3 结论与讨论

作物种类决定干旱胁迫带来的影响[18]，干旱可能对某一作物的某一指标影响较明显，但另一作物对对应指标却影响甚微[19]。近年来，关于黍稷基因元件解析、种质资源遗传多样性评价[20]、营养价值评估[21]、生态栽培区划[22]、生物和非生物胁迫等方面[23]已有许多研究。此前研究中不乏关于黍稷抗旱性鉴定，主要集中在萌芽和幼苗期，如刘天鹏等[24]采用反复干旱法对全国56 份黍稷品种进行芽期抗旱性鉴定，结果发现，相对根干质量、相对芽干质量、相对发芽率、相对贮藏物质转运率可用来评估芽期抗旱性；张盼盼[25]以小宗粮豆研究中心40 份黍稷资源为材料，采用PEG-6000 模拟干旱胁迫，筛选出芽期抗旱性指标为相对根长、相对芽长、相对芽干质量、相对发芽率和相对芽鞘长，用以鉴定抗旱程度；邵欢欢等[26]以230 份黍稷资源为材料，采用相关性分析，筛选出相对叶绿素含量、相对苗鲜质量和相对苗长用以鉴定苗期抗旱性。本试验选取黍稷芽期和苗期共9 个指标，覆盖了能反映生长状况的指标，采用相关性分析找到生育时期呈现显著水平的抗旱指标，其中，相对苗鲜质量、相对苗长和相对叶绿素含量在主成分中相关系数较大，可以作为评价黍稷抗旱性的重要指标，这与前人研究结果基本相符。

PEG 引发是近20 a 来兴起的一项种子处理技术，其主要功能是减缓萌发初期水分进入种子的速率，减轻种子吸胀过程中膜系统的损伤，有利于受损膜系统的修复[27]。PEG 被广泛应用于种子引发和模拟干旱试验，本试验通过对PGE 干旱胁迫与正常供水情况下进行相关性分析,得出全生育时期的9 个指标间绝大多数呈显著或极显著水平，其中，相对苗鲜质量与相对苗干质量的相关性最高，芽期各指标与苗期各种指标间均相关性不显著，相对叶绿素含量与苗期及芽期相关性均较低。本试验将黍稷抗旱性这一主观的、模糊的评价方法，在数理统计的基础上作了定量表达，这在黍稷的抗旱性研究中具有重要的意义[28]。此前已有研究表明，通过PEG 模拟干旱胁迫法可测定和比较不同种子的耐旱能力[29]。但也有结果表明，PEG 胁迫会延缓种子的萌发[30]，这可能是由于种子类型不同所致，有待进一步的研究。通过计算得出所有黍稷资源苗期抗旱性综合得分（F）并采用聚类分析对抗旱性进行综合分析，得出苗期强抗旱以上的品种有5 种，分别是千沟黄糜子（00005708）、大白黍（00000440）、Jan-55（00000281）、西北天糜子（黍）（00004230）、熟谷（00001987），可用于后续抗旱基因发掘和抗旱品种选育。