不同谷子品种(系)萌发期对干旱胁迫的响应及抗旱性评价

鞠乐 陈培育 牛银亭 阴志刚 强学兰 强学杰 李君霞

摘要：为研究谷子种子萌发期抗旱性机制，建立抗旱性评价体系，以10份谷子种质资源为试验材料，采用 PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫，依据变异系数来确定比较适宜的谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定条件。利用方差分析、相关性分析、主成分分析及关联度分析等多种方法综合分析与抗旱性相关的10个指标；采用隶属函数法对参试谷子种质资源进行抗旱性等级划分。结果表明，随着PEG浓度的增加，对供试品种（系）的生长发育抑制作用增强，在20% PEG-6000干旱胁迫下，所有供试材料的相对根长、相对鞘长、相对芽长、相对根干质量、相对芽干质量均小于1。20% PEG-6000模拟干旱胁迫是比较合适的谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定浓度。相对根长、相对根干质量、相对物质转运速率可以作为谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定的主要指标。采用隶属函数评价法，将10份谷子品种（系）分为4个等级，K325为抗旱型品种，沧718为较抗旱型品种，沧14-365、中谷5为中间型品种，K4099、豫谷35、济谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098为干旱较敏感型品种。

关键词：谷子；萌发期；干旱胁迫；抗旱性；鉴定指标

中图分类号：S515.01  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）23-0040-07

干旱是影响农作物生长发育及其产量、品质的主要限制性因素之一，我国干旱及半干旱地区面积占全国国土总面积的一半，干旱及半干旱的耕地占全国耕地总面积的38%左右，因干旱而造成的粮食减产量每年达到总灾害粮食损失量的一半［1］。我国是水资源紧缺大国，不断提高农作物抗旱能力已成为当前我国急需解决的重要课题［2］。谷子是我国最古老的农作物之一，兼具粮用和饲用作用，具有耐瘠薄、抗旱性强、适应性强等特点，为保障我国粮食安全发挥了重要作用［3］。作物种子萌发期对水分较为敏感，也是整个生育期内较为脆弱的阶段，影响出苗率及后期的产量品质，萌发期是鉴定作物抗旱性的重要时期，因而在萌发期进行抗旱性鉴定是抗旱性新品种培育过程中的重要手段［1］。综上所述，研究谷子种子萌发期的抗旱性机制是谷子育种及大田生产所面临的关键性问题［2］。

目前，已报道多种农作物关于种子萌发期抗旱性鉴定等方面的研究，主要是因为种子萌发期抗旱性鉴定试验可以在实验室内进行，具有可操作性强、条件稳定且容易控制、试验周期短等突出特点［1］。目前，关于谷子种子萌发期抗旱性机制、评价方法、抗旱性鉴定指标等方面的研究报道相对较多，但关于谷子种子萌发期抗旱性评价体系尚未达成一致。李云等的研究表明，10%聚乙二醇（PEG-6000）可以作为谷子种子萌发期抗旱性鉴定条件［4］。熊雪等的研究表明，可以将发芽势、发芽率、胚根长、胚芽长、鲜质量等指标的相对值及抗旱指数等指标作为抗旱性评价指标［5］。代小冬等研究认为，可以将发芽势、发芽率、胚芽长、胚根长等指标的相对值及活力抗旱指数等指标作为抗旱性鉴定指标［6］。本研究采用PEG-6000溶液进行干旱胁迫处理，根据各测定指标变异系数确定适宜的抗旱性鉴定浓度；对10份谷子品种（系）的相对发芽势、相对发芽率、相对根长等10个指标采用相关性分析、主成分分析、灰色关联度分析等多种方法进行比较分析，以期筛选出抗旱性鉴定指标，建立抗旱性评价体系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的10份谷子种质为K325、K4099、豫谷35、沧14-365、沧718、济谷21、衡2011123、冀谷40、中谷5、宛谷098。供试材料来源于河南省农业科学院粮食作物研究所。

1.2 试验设计

本研究采用PEG-6000［0、5%、10%、15%、20%（质量体积比）］溶液模拟干旱胁迫。本试验自2022年10月起至2023年1月在南阳市农业科学院六楼实验室内进行。

发芽试验参照GB/T 3543.4—1995《农作物种子检验规程 发芽试验》，略有改动。种子清洗干凈后用0.4%高锰酸钾消毒1.5 h，再用蒸馏水冲洗4次。在经75%乙醇消毒过的12 cm×12 cm×6 cm发芽盒内铺上2层滤纸，加入10 mL PEG-6000溶液，排空气泡，选取50粒籽粒饱满的种子均匀摆放在滤纸上。3次重复。将发芽盒放置于25 ℃恒温人工气候培养箱，进行暗培养，3 d后进行光照培养，每天光照16 h，湿度为55%，8 d后终止发芽试验。

1.3 测定指标与方法

分别于2、4、6、8 d调查种子发芽率，第4天统计发芽势。萌发指数（PI）、萌发抗旱指数计算方法参照代小冬等的研究［6］。8 d时，分别从每个发芽盒内随机选取20株幼苗，测其根长、芽鞘长、芽长，然后将材料放入烘箱中，温度调至105 ℃杀青约 30 min，然后温度调至80 ℃继续烘干至恒质量，测其根干质量、芽干质量，并计算出根冠比、物质转运速率。各指标的相对值计为抗旱系数。

根冠比=胚根干质量／胚芽干质量；

物质转运速率=（胚根干质量+胚芽干质量）/（胚根干质量+胚芽干质量+籽粒干质量）×100%；

相对值=（胁迫处理的指标值/对照的指标值）×100%。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理，DPS v7.05进行数据分析。抗旱性评价采用标准差系数赋予权重法、隶属函数法等进行抗旱性综合评价，因子权重值、隶属函数值计算方法参照樊瑀等的研究［1］。

2 结果与分析

2.1 PEG-6000模拟干旱胁迫对谷子种子萌发的影响

参试谷子种质的各指标对不同程度干旱胁迫的敏感性存在差异。由表1可知，除相对根长品种（系）间、相对鞘长品种（系）与PEG浓度互作、根冠比PEG浓度间、相对根冠比PEG浓度间外，其他各指标在品种（系）间、PEG浓度间、品种（系）与PEG浓度互作均存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）差异。由表2可知，20% PEG-6000干旱胁迫下，所有品种（系）的相对根长、相对鞘长、相对芽长、相对根干质量、相对芽干质量均小于1，这表明在重度干旱胁迫下参试品种幼苗生长均受到明显抑制作用。在不同PEG-6000浓度条件下，芽干质量、相对芽干质量这2个指标在5% PEG-6000干旱胁迫下的变异系数（18.43%、12.85%）较大。根长、相对根长、相对鞘长、相对芽长、相对物质转运速率等5个指标在10% PEG-6000干旱胁迫下的变异系数（26.57%、27.63%、8.69%、10.22%、9.91%）较大。鞘长、相对发芽率这2个指标在15% PEG-6000干旱胁迫下的变异系数（7.41%、12.82%）最大。发芽势、发芽率、萌发指数、芽长、根干质量、根冠比、物质转运速率、相对发芽势、萌发抗旱指数、相对根干质量、相对根冠比等11个指标在20% PEG-6000干旱胁迫下的变异系数（19.98%、12.46%、16.97%、12.11%、20.57%、18.55%、14.60%、18.35%、14.47%、15.36%、20.32%）较大。可以看出，参试谷子种质间20个指标中有11个指标在20%PEG-6000干旱胁迫下变异系数较大，由此可以推测，用20% PEG-6000模拟干旱胁迫是比较合适的谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定条件。

2.2 20% PEG-6000干旱胁迫下各指标间相关性分析

为消除参试谷子种质遗传背景差异，本研究采用各项指标抗旱系数（表3）进行指标间的相关性分析。由表4可知，相对鞘长与其他指标之间不存在显著相关关系，其他指标间存在显著或极显著相关关系，例如相对发芽势与相对发芽率、萌发抗旱指数呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.900 0、0.820 0。相对发芽率与萌发抗旱指数极显著正相关，相关系数为0.910 0。相对根长与相对根干质量、相对根冠比、相对物质转运速率显著或极显著正相关，相关系数分别为0.910 0、0.660 0、0.840 0。

2.3 20% PEG-6000干旱胁迫下各项指标的主成分分析

由表5可知，各指标主成分分析主因子数为3，累计贡献率达到92.62%。因子1的贡献率为35.66%，相对根长、相对根干质量、相对根冠比、相对物质转运速率在该因子中起主要作用，主要反映根系生长、地上地下营养物质分配积累情况。因子2贡献率为32.99%，主要是由相对发芽势、相对发芽率、相对鞘长及萌发抗旱指数等指标决定，可以反映出谷子种子的萌发情况。因子3贡献率为23.97%，主要是由相对芽长、相对芽干质量等指标决定，可以反映出谷子幼苗地上部分的生长情况。

2.4 参试谷子种质的抗旱性评价

2.4.1 加权隶属函数值排序 由表6可知，所有供试品种（系）的加权隶属函数值在0.218 3～0.882 4之间，平均值为0.453 2，变异系数为44.42%。根据抗旱性分级标准，K325为抗旱型品种（隶属函数值在0.8以上），沧718为较抗旱品种（隶属函数值在0.6～0.8之间），沧14-365、中谷5为中间型品种（隶属函数值在0.4～0.6之间），K4099、豫谷35、济谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098为干旱较敏感型品种（隶属函数值在0.2～0.4之间）。供试品种（系）抗旱性强弱顺序为K325（0.882 4）>沧718（0.688 7）>沧14-365（0.506 8）>中谷5（0.504 6）>衡2011123（0.385 5）>K4099（0.381 0）>冀谷40（0.359 7）>豫谷35（0.318 7）>宛谷098（0.286 4）>济谷21（0.218 3）。比较加权隶属函数值或表3中的加权抗旱系数发现，表6中的供试材料抗旱性强弱排序与表3中相似。

2.4.2 抗旱性鉴定指标的筛选 由表7可知，相对根长、相对根干质量、相对物质转运速率与加权隶属函数值呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.96、0.89、0.84；相对发芽率与加权隶属函数值呈显著正相关关系，相关系数为0.63。各项指标的抗旱系数与加权隶属函数值之间的关联度表现为相对根长（0.523 6）>相对根干质量（0.452 2）>相对发芽势（0.426 4）>相对根冠比（0.383 7）>相对发芽率（0.380 4）>萌发抗旱指数（0.356 3）>相对物质转运速率（0.339 1）>相对鞘长（0.281 1）>相對芽长（0.276 8）>相对芽干质量（0.243 1）。由此可以推测，相对物质转运速率、相对根长、相对根干质量等指标可以作为谷子种质萌发期抗旱性鉴定的主要指标。

3 讨论

3.1 干旱胁迫对谷子种子萌发的影响

谷子具有耐旱、耐瘠薄、适应性强等特点，在种子萌发期对水分环境比较敏感，可以认为是整个生命周期中对水分最为敏感的时期［7］。研究者大多采用PEG作为萌发期干旱胁迫的渗透胁迫剂模拟干旱胁迫，一方面是因为PEG分子质量较大不易通过细胞壁，不会对植物产生毒害作用，另一方面是因为PEG溶液可以降低种子对水分的吸收速率，从而达到模拟干旱胁迫的效果［8］。本研究采用不同浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，结果表明，参试谷子种质的各指标对不同程度干旱胁迫的敏感性存在显著差异，轻度干旱胁迫对部分谷子种质幼苗的生长发育有促进作用，但随着干旱胁迫程度的增加，对谷子幼苗的抑制作用增强。只有在20% PEG-6000干旱胁迫下，大部分参试谷子种质的相对发芽势、相对发芽率小于1； 所有供试材料的相对根长、相对鞘长、相对芽长、相对根干质量、相对芽干质量均小于1，表明在重度干旱胁迫（20% PEG-6000）下所有参试品种幼苗生长发育均受到明显抑制。供试谷子种质间20个指标中有2个指标在5% PEG-6000干旱胁迫下变异系数较大，5个指标在10% PEG-6000干旱胁迫下变异系数较大，2个指标在15% PEG-6000干旱胁迫下变异系数较大，11个指标在20% PEG-6000干旱胁迫下变异系数较大。综上所述，初步推测用20% PEG-6000模拟干旱胁迫是比较合适的谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定条件。高汝勇等的研究表明，随着PEG浓度的不断增加，对种子发芽率、发芽指数、根长、苗高、鲜质量、活力指数等指标的影响越明显［9］；刘桂红等的研究表明，在干旱胁迫条件下谷子幼苗的生长发育受到明显的抑制作用，种子发芽势和发芽率降低［10］；李云等的研究表明，随着PEG浓度的不断增加，谷子幼苗的生长发育受到明显的抑制作用，根长和芽长呈显著下降趋势，种子发芽势和发芽率降低［4］。本研究结果与之基本一致。但是，秦岭等研究认为，供试材料在渗透势为-0.5 MPa时，萌发耐旱指数差异显著，因此，以渗透势为-0.5 MPa的PEG-6000溶液作为鉴定谷子萌发期抗旱性的浓度［11］；李云等研究认为，因大部分参试谷子品种的发芽势和发芽率在10% PEG-6000干旱胁迫下差异显著，从而确定谷子萌发期抗旱性鉴定的最适宜浓度为10% PEG-6000［4］，本研究结果与之有差异，可能是因为其所依据的参考指标比较单一。

3.2 谷子种子萌发期抗旱性评价方法及抗旱性鉴定指标的筛选

作物抗旱性受其基因型、生长发育阶段、水分胁迫程度等多方面因素的影响，是由多基因控制的数量遗传性状［1，12］。谷子生长周期比较短，在谷子种质资源利用或种植之前，进行抗旱性鉴定以筛选抗旱性品种，对于谷子引种示范或新品种选育都具有重要意义，确立抗旱性评价体系已成为此过程中的关键性问题［13-14］。目前，关于谷子种子萌发期抗旱性评价体系尚未达成一致。樊瑀等的研究表明，芽干质量、根鲜质量、根长等指标的相对值可以作为谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定指标［1］。代小冬等的研究表明，发芽势、发芽率等指标的相对值可以作为谷子种子萌芽期抗旱性鉴定的关键性指标，活力抗旱指数为主要指标，胚芽长、胚根长等指标的相对值为次要指标［6］。秦岭等的研究表明，可以采用萌发耐旱指数（相对发芽率）进行谷子种质资源萌发期抗旱性评价，萌发耐旱指数与相对发芽势显著相关，相对发芽势可以作为抗旱性的鉴定指标［11］。高汝勇等用模糊隶属函数对12份供试谷子材料进行了综合评价，结果表明，赤谷16是强抗旱型品种，晋谷46为干旱敏感型品种［9］。孟庆立等采用主成分分析、模糊聚类分析等方法对16个谷子品种进行抗旱性综合评价［15］。本研究采用隶属函数法对10份谷子品种（系）进行抗旱性综合评价，将其分为4个等级（抗旱型、较抗旱型、中间型、干旱较敏感型），K325为抗旱型品种，K4099、豫谷35、济谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098为干旱较敏感型品种。并对10份谷子品种（系）的相对发芽势、相对发芽率、相对根长等10个指标采用相关性分析、灰色关联度分析、主成分分析等多种方法进行全面性分析。各指标主成分分析主因子数为3，累计贡献率达到92.62%，其中，因子1贡献率为35.66%，相对根长、相对根干质量、相对根冠比、相对物质转运速率在该因子中起主要作用。相对根长、相对根干质量、相对物质转运速率与加权隶属函数值呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.96、0.89、0.84；相对发芽率与加权隶属函数值呈显著正相关关系，相关系数为0.63。各项指标的抗旱系数与加权隶属函数值之间的关联度大小表现为相对根长（0.523 6）>相对根干质量（0.452 2）>相对发芽势（0.426 4）>相对根冠比（0.383 7）>相对发芽率（0.380 4）>萌发抗旱指数（0.356 3）>相对物质转运速率[JP3]（0.339 1）>相對鞘长（0.281 1）>相对芽长（0.276 8）>相对芽干质量（0.243 1）。综合以上分析结果，初步推测相对根长、相对根干质量、相对物质转运速率可以作为谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定的主要指标。

4 结论

本研究表明，随着PEG-6000浓度的增加，对供试品种（系）的生长发育抑制作用增强，在20% PEG-6000干旱胁迫下，所有供试材料的相对根长、相对鞘长、相对芽长、相对根干质量、相对芽干质量均小于1。依据供试谷子种质间20个指标中有11个指标在20% PEG-6000干旱胁迫下变异系数较大，推测用20% PEG-6000是比较合适的谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定条件。通过相关性分析、因子分析、灰色关联度分析等方法综合分析10个与抗旱性相关的指标，推测相对根长、相对根干质量、相对物质转运速率可以作为谷子种质资源萌发期抗旱性鉴定的主要指标。采用隶属函数评价法，将10份谷子品种（系）分为4个等级，其中K325为抗旱型品种，沧718为较抗旱型品种，沧14-365、中谷5为中间型品种，K4099、豫谷35、济谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098为干旱较敏感型品种。

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