黑龙江地区主栽大豆品种萌发期耐旱性综合鉴定及评价

杜艳丽，张兆宁，李思琪，赵强，张琦，杜吉到，2

（1.黑龙江八一农垦大学，大庆 163319；2.黑龙江省盐碱地改良工程技术研究中心）

干旱胁迫是自然界中常见的一种非生物胁迫，世界范围内干旱、半干旱区域面积约占陆地总面积的30%[1]。干旱胁迫对作物的影响通常表现为降低细胞内水势、叶片相对含水量、叶片水势、气孔导度和蒸腾速率等，引起光合能力的下降，严重影响作物的生长、品质和产量[2-3]。随着全球气候的不断变化，近年来世界范围内年内和年际间降水分布不均匀导致的旱灾发生频率和程度逐渐加重[4]。我国土地面积的50%以上地区属于干旱和半干旱区域，严重制约我国农业的发展。大豆（Glycine max（Linn.）Merr）是重要的粮食作物之一，是人类食用油和植物蛋白的主要来源，也是畜牧业重要的饲料来源[5-6]。同时，大豆是一种需水量较大，而耐旱性较弱的作物[7]。大豆从萌发开始到生育时期结束的各个生长阶段都有可能受到干旱胁迫的影响。黑龙江地区是我国大豆的主产区，年大豆种植面积和总产量占全国大豆种植总面积和总产量的40%以上。但是，由于黑龙江地区冬季气候干燥、多大风、低降水的气候特点，极易导致春旱的发生，严重影响当地的大豆生产。因此，筛选适宜黑龙江地区种植的、耐旱性强的大豆种质资源，对于耐旱大豆品种的选育、提高当地大豆产量和保障国家粮食安全具有重要的意义。

萌发期是大豆生长的起始时期，幼苗的生长状态影响植株的后续生物量的积累和产量潜力的发挥。前人研究表明，大豆萌发期幼苗的耐旱性与大豆植株的出苗率、出苗整齐度和幼苗健壮程度等生长指标密切相关[5]。因此，萌发期是评价大豆品种耐旱性的关键时期之一。干旱胁迫能够显著的抑制作物种子内蛋白质、脂类和碳水化合物的代谢活动，从而影响种子的萌发率、下胚轴的伸长、胚根的生长等生理活动[8-9]。干旱胁迫对植物的影响又与植物种类、基因型、干旱发生时期和程度等因素相关[6]。因此，利用综合指标来评价植株的抗旱性能够更加全面反应植株的耐旱性。在相关研究中，聚乙二醇（PEG）因其高渗透性、无毒、能够调节水势等特点而被广泛的应用于干旱胁迫模拟试验中[10-13]，相关研究结果为大豆的耐旱研究奠定了试验和理论基础。例如，肖佳雷等[14]利用20%（M/V）PEG-6000 模拟干旱胁迫，以相对发芽率作为筛选指标，对黑龙江省主栽的78 份春大豆品种进行芽期抗旱能力鉴定，筛选得到5 份抗旱品种。谭春燕等[15]采用15%（M/V）PEG-6000 模拟干旱胁迫，并利用隶属函数评价法对干旱胁迫下20 份春大豆的萌发相关指标进行分析，筛选等到5 份耐旱较强的大豆品种。李文滨等[16]分别在大豆芽期、苗期和花期利用19%（M/V）PEG-6000 进行干旱胁迫处理，测定了20 份大豆品种的发芽指标、生理、光合指标和农艺性状等指标，并利用抗旱系数、抗旱指数和隶属值函数法综合分析得到3 个耐旱大豆品种。张海平等[17]利用16% PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫，测定了大豆品种的相对发芽势、相对胚根长、相对发芽率、相对苗高、萌发耐旱指数和活力指数等6 项指标，利用平均隶属函数法从568 份大豆种质资源中筛选得到4 个抗旱大豆品种。

研究以38 份东北地区主栽的大豆品种为材料，使用15% PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫，对不同大豆品种发芽率、发芽势、种子萌发指数、平均发芽时间、平均发芽速度、发芽指数、活力指数等指标进行测定，并利用相关分析、主成分分析、隶属函数分析和聚类分析等方法对不同大豆品种的抗旱性进行综合性鉴定和评价，以建立抗旱大豆品种的筛选指标及评价方法，筛选适应东北地区的抗旱大豆种质资源，为东北地区大豆抗旱育种和种植提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用38 个大豆品种均为经审定的、东北地区的主栽品种，种子由黑龙江八一农垦大学遗传研究室提供。供试大豆品种包括：龙垦333、龙垦3002、龙垦306、黑河52 号、黑科69 号、龙垦330、龙垦356、龙垦310、龙垦316、黑河49 号、北豆19、黑科58 号、黑科57 号、九研17 号、黑科68 号、黑科60号、黑科88 号、龙垦3307、黑河53 号、九研2 号、龙垦3402、华疆2 号、金源73、昊疆2 号、昊疆4 号、合农95、黑河38 号、黑河43 号、黑河45 号、黑河53号、华疆4 号、黑科60 号、圣豆43、贺豆1 号、克山1号、中黄901、龙达3 号、蒙豆46。

1.2 试验设计

基于前人的研究和实验室预实验的结果，使用15%（W/V）PEG-6000 溶液模拟干旱条件对大豆种子进行处理。挑选籽粒饱满、大小均一、无虫斑、无病斑的大豆种子，使用2% NaClO 溶液消毒10 min，用蒸馏水洗涤2 次后，使用处理液（蒸馏水或15%（W/V）PEG-6000 溶液）清洗2 次。将消毒后的大豆种子均匀地摆放在铺有两张滤纸的培养皿中（直径90 mm），每皿放置大豆种子20 粒，随后在种子表面再覆盖一层滤纸，并加入10 mL 处理液。将培养皿置于恒温人工气候箱中黑暗培养7 d，温度设置为25±1 ℃。每天更换滤纸和处理液。每个处理进行3 次实验重复。

1.3 测定项目和方法

当大豆种子胚根长度到达种子长度，胚芽长度达到种子长度的1/2 时，记为种子萌发第1 天。每天观察并统计大豆种子的发芽数目，连续统计7 d，并每天更换滤纸。在种子萌发第7 天时，测量种子的胚根长，随后将大豆种子的子叶和胚根分开，使用万分之一天平分别称量其鲜重；将样品置于牛皮纸信封中，于105 ℃烘箱内烘干20 min，随后于85 ℃烘干至恒重，并测定其干重。

根据连续7 d 的统计数据分别计算大豆种子的发芽率、发芽势、种子萌发指数、平均发芽时间、平均发芽速度、发芽指数、活力指数、相对含水量和根冠比。为了消除品种间种子活力差异带来的影响，利用了鉴定指标的相对值进行评价，具体计算公式如下：

（3）种子萌发指数（SGC）=1.00×nd2+0.70×nd4+0.30×nd6，式中，nd2、nd4、nd6 分别指第2、4、6 天的种子发芽率）；

（7）活力指数（VI）=发芽指数×胚根鲜重；

1.4 数据处理与统计分析

1.4.1 隶属函数值的计算

隶属函数值μ（Xi）的计算公式如下：

μ（Xi）=，i=1，2，…，n，式中，Xi为第i个综合指标，Xmin为第i 个综合指标的最小值，Xmax为第i 个综合指标的最大值。

1.4.2 各综合指标权重和综合评价值的计算

（1）综合指标权重（wi）的计算公式如下：

（2）综合评价值（D）的计算公式如下：（D=∑［μ（Xi）×wi］，i=1，2，…，n，式中，D 值为干旱胁迫下使用综合指标计算所得的各品种的耐旱性综合评价值。

1.4.3 数据统计分析

使用Microsoft Excel 2016 对数据进行整理和分析，使用SPSS26.0 软件进行主成分分析、聚类分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 大豆萌发期耐旱性指标的差异

如表1 所示，与对照相比较，15% PEG-6000 处理降低了38 个大豆品种的总鲜重、胚根鲜重、胚根干重、子叶鲜重、相对含水量、根冠比、胚根长、发芽率、发芽势、萌发指数、发芽指数和活力指数等12 项指标，而增加了38 个大豆品种的总干重、子叶干重、平均发芽时间和平均发芽速度。不同大豆品种中各测量指标的变化程度呈现明显的基因型差异，其中活力指数、发芽势和胚根长等指标在所有测量指标中变异系数最大，分别为0.431、0.331 和0.301。

表1 萌发期干旱胁迫下不同大豆品种耐旱指标的差异Table 1 Differences of drought tolerance indexes of soybean cultivars under drought stress during germination

2.2 主成分分析

对大豆品种的16 个耐旱性指标进行主成分分析，设置特征值大于1 为阈值，结果如表2 所示。主成分分析共得到4 个主成分，对应的特征根分别为2.607、1.623、1.470、1.286，其贡献率分别为42.49%、16.46%、13.57%和10.33%，累计贡献率为82.85%。结果表明，这4 个主成分可以充分反映萌发期干旱胁迫下大豆品种16 个测量指标的变化趋势。根据计算结果，将这4 个主成分分别定义为第1 主成分（CI1）、第2 主成分（CI2）、第3 主成分（CI3）和第4 主成分（CI4）。其中，第1 主成分的贡献率最高，为干旱胁迫高度敏感主成分，而其中活力指数、发芽指数、萌发指数和发芽势等指标的特征向量最高，分别达到0.367、0.347、0.33 和0.302。第2 主成分和第3 主成分的合计贡献率达到30.03%，为干旱胁迫中度敏感主成分。在第2 主成分中，鲜重、根冠比和相对含水量等指标的特征向量最高，分别为0.366、0.358 和0.333。在第3 主成分中，总干重和胚根干重特征向量最高，分别为0.519 和0.471。第4 主成分为干旱胁迫低度敏感成分，其中子叶鲜重、总鲜重、子叶干重和总干重等指标的特征向量最高，分别为0.546、0.481、0.101 和0.349。

表2 萌发期干旱胁迫下大豆各综合指标的系数及贡献率Table 2 Coefficient and contribution rate of comprehensive indexes of soybean cultivars under drought stress during germination

2.3 不同大豆品种耐旱性的综合评价

2.3.1 隶属函数分析

根据隶属函数公式计算得出萌发期干旱胁迫下不同大豆品种各综合指标的隶属函数值，结果如表3所示。结果表明，各品种的综合指标的隶属函数值具有显著的差异，在综合指标CI1中，黑科68 号的隶属函数值μ（X1）最大（1.000），说明在CI1中黑科68号耐旱性最强；而金源73 的隶属函数值μ（X1）最小（0.000），说明在CI1中金源73 耐旱性最差。在CI2中，龙垦356 的隶属函数值μ（X2）最大（1.000），说明在CI2中龙垦356 耐旱性最强；而龙垦333 的隶属函数值μ（X2）最小（0.000），说明CI2中龙垦333 耐旱性最差。在CI3中，九研17 号的隶属函数值μ（X3）最大（1.000），说明在CI3中九研17 号耐旱性最强；而黑河53 号的隶属函数值μ（X3）最小（0.000），说明CI3中黑河53 号耐旱性最差。在CI4中，黑科69 号的隶属函数值μ（X4）最大（1.000），说明在CI4中黑科69号耐旱性最强；而黑河49 号的隶属函数值μ（X4）最小（0.000），说明CI4中黑河49 号耐旱性最差。综合指标权重计算结果表明，这4 个综合指标的权重分别为0.513、0.199、0.164 和0.125。

表3 38 个大豆品种的综合指标值、权重、μ（X）和D 值Table 3 Comprehensive indexes（CI），index weight，μ（X），and D value of 38 soybean varieties

2.3.2 综合评价及聚类分析

根据综合评价值公式计算得到大豆各品种萌发期耐旱性综合指标值（D 值），并根据D 值对不同品种的耐旱性进行排序，结果如表3 所示。同时，利用组间联接法对综合指标进行聚类分析，在平方欧氏距离等于4 处，将38 份大豆材料划分为五大类，结果如图1 所示。由图1 可知，第Ⅰ大类共包含2 个大豆品种，分别为黑科88 号和黑科68 号，数量占供试材料总数的5.26%，为强耐旱性品种；第Ⅱ大类包含6 个品种，分别为九研17 号、九研2 号、黑河53 号、黑河52 号、龙垦3402 和龙垦316，数量占供试材料总数的15.79%，为中等耐旱性品种；第Ⅲ大类共包含有黑科57 号、黑科69 号等12 个大豆品种，数量占供试材料总数的31.58%，为干旱耐性中间型品种；第Ⅳ大类包含龙垦3307、黑河43 号等16 个品种，数量占供试材料总数的42.11%，为干旱中度敏感品种；第Ⅴ大类包含华疆2 号和金源73 共2 个品种，数量占供试材料总数的5.26%，为干旱极敏感品种。

图1 38 个大豆品种的抗旱性聚类图Fig.1 Cluster map of drought tolerance of 38 soybean varieties

2.4 大豆萌发期耐旱性指标的相关性分析

对大豆萌发期耐旱性指标间的相关性进行分析（图2）得知：发芽势、萌发指数、发芽指数、活力指数、发芽率、总鲜重、胚根鲜重、相对含水量、胚根干重、根冠比和胚根长等指标均与D 值呈显著正相关性（P<0.01）；子叶干重、平均发芽时间、平均发芽速度与D 值呈显著负相关性（P<0.01）。以D 值作为因变量，各项测量指标作为自变量进行逐步回归分析，建立萌发期大豆耐旱性评价的回归方程：D’=-0.447+1.087X1+0.006X2-0.032X3+0.116X4+0.171X5+0.114X6+0.001X7，其中，D’：耐旱性综合评价值、X1：胚根鲜重、X2：根冠比、X3：平均发芽速度、X4：子叶鲜重、X5：胚根长、X6：总干重、X7：发芽率，各指标的系数分别代表各指标对D 值的影响权重，回归方程的决定系数为R2=0.945（P<0.001）。由于胚根鲜重、根冠比、平均发芽速度、胚根长、发芽率与D 值呈极显著相关性，可将这5个指标可作为大豆萌发期耐旱能力评价的一级指标，子叶鲜重、总干重可作为大豆萌发期耐旱能力评价的二级指标。

图2 萌发期各耐旱性指标间的相关系数聚类热图Fig.2 Cluster heatmap of correlation coefficients between drought-tolerance indexes at germination stage

3 讨论

萌发期是植物生长的关键阶段，对外界环境变化十分敏感[18-20]。大量的研究结果表明，大豆萌发期出苗率的高低直接影响植株后期的生长和产量的形成[21-22]。因此，在萌发期对大豆品种的抗旱性进行测定和评价是一种高效的、快速的、准确的抗旱大豆品种筛选方法。

水分是大豆种子萌发的必需条件之一。大豆种子吸收水分的多少影响贮存物质的水合、酶解、代谢、DNA 损伤修复和细胞周期的进行[20]。研究表明，萌发期干旱能够显著的抑制大豆种子的萌发及幼苗的生长[18-22]。在研究中，使用15% PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫能够显著的降低所有大豆种子的发芽势、发芽率以及胚根长度，但是相关指标的降低程度存在显著的基因型差异。植物的耐旱性往往是复杂的、受多基因控制的数量性状，并且，不同植物的耐旱能力差异可能与其干旱胁迫响应途径的差异相关。大量的研究表明，使用单一性状或生理指标对植物的耐旱性进行评价往往不能全面、精准反映品种间抗旱能力。因此，近年来，研究者们多采取综合评价法来对不同植物的耐旱性进行评价。其中，利用主成分分析法和隶属函数法对多个抗逆性指标进行综合分析的评价方法，不仅考虑了不同指标在植物抗逆性中的权重，并且消除了植物品种（系）间固有的生理性状差异，能够对每个材料的真实抗逆能力进行定量的评价，已被广泛的应用于玉米[23]、水稻[24]、大豆[17]、谷子[25]、胡麻[26]、苦荞[27]等作物的耐旱品种筛选研究中。

在研究中，为了消除不同品种间种子活力、生理特性等固有差异所带来的影响，使用性状指标的相对值进行相关数据的分析，这种方法能够更加真实地反映出品种间的耐旱性差异，这与荆瑞勇[24]、杨凤军[28]、张海波[29]等的评价方式相同。研究采用16 个与萌发相关的性状指标作为大豆耐旱性鉴定指标，综合利用主成分分析、隶属函数分析、聚类分析和相关性分析等方法对这些鉴定指标进行综合性评价。结果表明，主成分分析可将16 个鉴定指标简化为4 个主成分；根据隶属函数计算出综合指标值（D 值）；经聚类分析可将38 个大豆品种分为5 类：强耐旱型、中等耐旱型、中间型、干旱中度敏感型和干旱极敏感型，其中黑科88 号和黑科68 号为强耐旱材料，华疆2 号和金源73 为干旱极敏感材料。由于D 值是一个无量纲的纯数[30]，研究结果使得各品种间的抗旱性差异具有可比性，能够综合的反应出不同大豆品种的耐旱性差异。

在简化种质资源抗旱性筛选步骤时，选择合理、有效的鉴定指标是关键。在棉花的抗旱性鉴定时，王俊娟等[31]将第7 d 的胚根长度作为筛选指标；在裸燕麦的抗旱性鉴定中，陈新等[32]将种子活力作为筛选指标；张海平等[17]在对大豆种子萌发期耐旱性鉴定时，将萌发耐旱指数作为筛选指标。研究基于逐步回归分析建立了评价不同大豆品种对萌发期干旱耐受能力的回归方程，并进一步根据各耐旱胁迫指数与耐旱综合评价值（D）的相关分析得到大豆萌发期耐旱性鉴定评价的主要指标为：胚根鲜重、根冠比、平均发芽速度、胚根长、发芽率。研究应用的耐旱性鉴定评价指标能够更加合理、全面地对萌发期大豆的耐旱性进行鉴定。

4 结论

15% PEG-6000 溶液模拟的萌发期干旱胁迫处理对38 个大豆品种的生长指标均有影响。通过主成分分析、隶属函数分析和聚类分析等方法，筛选出黑科88 号和黑科68 号为强耐旱材料，华疆2 号和金源73 为干旱极敏感材料，并选定胚根鲜重、根冠比、平均发芽速度、胚根长和发芽率等5 项指标作为对萌发期大豆品种耐旱性进行简化鉴定评价的主要指标。