小麥重組自交系群體苗期抗旱性綜合評價

杜欣欣, 張 紅, 吳允朋, 秦思思, 蘇榮存, 耿建芬

(德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

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小麥重組自交系群體苗期抗旱性綜合評價

杜欣欣, 張 紅, 吳允朋, 秦思思, 蘇榮存, 耿建芬

(德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

[目的] 探討干旱對小麥萌發期幼苗生長的影響，篩選抗旱的優良小麥種質材料，為小麥抗旱新品種的選育提供依據。 [方法] 以洛旱2號與濰麥8號雜交產生的重組自交系(RIL)群體(F9)為材料，基于小麥萌發期幼苗在不同水分條件下的多個農藝性狀指標數據，通過主成分分析和K均值聚類的方法，對重組自交系的291個株系及其親本進行了苗期抗旱性綜合評價，并對各株系的苗期抗旱性度量值和其產量的相關性進行了分析。 [結果] (1) 用10%的PEG-6000處理萌動的種子，可促進胚芽鞘長和根數的增加，而對其它農藝性狀有明顯的抑制作用。 (2) 從該重組自交系的291個株系中篩選出了44個抗旱優良株系，為小麥抗旱育種提供了寶貴的種質材料。 (3) 小麥各株系的苗期抗旱性和其產量之間呈顯著的正相關。 [結論] 根系性狀對干旱脅迫的反應最為敏感，干旱脅迫下能否形成相對強大的根系系統是衡量幼苗抗旱性的重要條件。

小麥重組自交系; 苗期; 抗旱性評價

文獻參數： 杜欣欣, 張紅, 吳允朋, 等.小麥重組自交系群體苗期抗旱性綜合評價[J].水土保持通報，2016,36(4)：286-290.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.049

小麥(Triticumaestivum)是世界上第一大糧食作物，中國大部分麥區在其生育期間降水量不足，干旱是小麥生產持續穩定發展的最主要限制因子之一。為了降低干旱對小麥生產的影響，挖掘干旱半干旱地區小麥生產潛力，最大限度地增加小麥產量，通過培育抗旱節水高產新品種實現小麥生物節水的新突破，是當今小麥抗旱研究的重要課題。

小麥重組自交系是不同的小麥品種雜交后，再通過多代自交選育獲得的性狀穩定、基因型純合的系統。重組自交系是兩個親本的聚合體，存在著優良的超親變異。本研究將以不同水分條件下小麥種子苗期的多個農藝性狀指標為依據，采用主成分分析和K均值聚類的方法，對由抗旱親本和不抗旱親本雜交獲得的重組自交系進行苗期抗旱性綜合評價，以期從中篩選出優良的抗旱材料，為小麥抗旱新品種的選育提供依據，同時探討對大批量小麥材料抗旱性評價及篩選的可行途徑，研究結果對于小麥的抗旱性育種具有重要的意義。

1　材料與方法

1.1材料

小麥抗旱親本洛旱2號和非抗旱親本濰麥8號及其雜交衍生的重組自交系(F9)群體，共291個株系，編號為001-302(中間有空缺)。

洛旱2號：由河南省洛陽市農科所1990年以洛陽78(111)矮做母本、晉麥33做父本雜交，系統選育而成，2003年通過國家審定，是一分蘗力較強，活稈成熟，耐旱，抗倒的半冬性中早熟小麥品種。

1.2試驗方法

選100粒充實飽滿的親本和各株系的種子置于培養皿，置25 ℃培養室催芽1 d(24 h)。種子萌動后，各挑出60粒露白一致的種子分別均勻擺放在6個鋪有兩層濾紙(直徑6 cm)的培養皿內，每皿10粒，其中3皿加5 ml 10%的PEG-6 000水溶液，另3皿加5 ml去離子水設為對照，培養皿放在塑料盒中，蓋膜，25 ℃條件下培養，第4 d每皿補充5 ml去離子水，并開始補充光照。第8 d每皿選生長一致的5株，分別測定胚芽鞘長度(CL)、苗高(SH)、最大根長(RL)、根數(RN)、株鮮重(PFW)、根鮮重(RFW)、地上部鮮重(SFW)等性狀。然后把幼苗放在烘箱里100 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，稱量株干重(PDW)、根干重、地上干重，計算根冠鮮重比和根冠干重比。

1.3材料的種植和產量測定

親本和重組自交系群體分別在濟寧市農科院和山東農業大學農學試驗站(泰安)2個環境正常水分條件下種植，隨機區組設計，順序排列，3次重復，每個株系每次重復種植兩行，每行長1 m，株距5 cm，收獲時測1 m行長產量。

1.4數據的統計分析

數據的整理在Microsoft Excel中進行，首先，用SPSS軟件進行兩親本和群體在兩種水分條件下的方差分析和配對樣本t檢驗，然后，根據抗旱系數計算出各株系性狀指標的隸屬函數值，再對隸屬函數用SAS進行主成分分析，以第1主成分各性狀的特征值作為各指標的權數與其隸屬函數值相乘，分株系求和后，即得到抗旱性度量值(D值)[1]，用SPSS軟件對各株系的抗旱性度量值(D值)進行K均值聚類，再進行抗旱度量值和各性狀抗旱指數及后期產量之間的相關性分析。性狀指標的抗旱系數=(干旱脅迫下性狀指標值/非脅迫下性狀指標值)×100%[2]

1.4 統計學分析 應用SPSS 22.0統計軟件進行統計分析。預后因素的單因素分析采用Kaplan-Meier法，多因素分析采用Cox比例風險模型多因素分析。將單因素分析顯示與預后相關的因素再納入多因素分析中。P＜0.05為差異有統計學意義。

各性狀指標隸屬函數值[3]:

μ(x)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)式中:μ(x)——某個性狀指標抗旱系數的隸屬函數值；x——某一性狀指標抗旱系數；Xmax，Xmin——各參試材料中某一性狀指標抗旱系數中的最大和最小值。

2　結果與分析

2.1干旱對小麥苗期性狀指標的影響

t檢驗結果表明(表1)，兩種水分條件下，兩親本所有性狀平均值都達到了差異極顯著水平。在滲透脅迫條件下，濰麥8號和洛旱2號在胚芽鞘長度和根數上都有所增加，以洛旱2號的增加幅度更大；苗高、地上部鮮重、地上部干重洛旱2號和濰麥8號減少幅度基本一致；株鮮重、株干重、根鮮重、根干重濰麥8號的減少幅度大于洛旱2號，而在根長、根冠鮮重比和干重比3個性狀上，洛旱2號表現為增加，濰麥8號表現降低。在正常水分條件下，洛旱2號的胚芽鞘長度和最大根長都低于濰麥8號，脅迫條件下，洛旱2號胚芽鞘長度增加幅度較大，與濰麥8號基本一致，而最大根長明顯超過濰麥8號。在正常水分條件下，在根冠鮮重和干重比兩個性狀上，濰麥8號和洛旱2號差異不顯著，脅迫條件下洛旱2號在這2個性狀上明顯增加，而濰麥8號明顯降低。表明耐旱品種在干旱脅迫條件下有較強根系形成能力，可以促進對水分的吸收，以減少干旱對生長的影響。

二因素方差分析表明，株系間和不同水分處理間各性狀值均差異顯著，在兩種水分條件下，重組自交系群體所測性狀平均值除胚芽鞘達差異顯著外(p<0.05)，其他性狀平均值差異都達極顯著水平(p<0.01)。滲透脅迫條件下，除胚芽鞘長度、根數較正常水分條件增加外，其余性狀均表現下降，進一步表明滲透脅迫在一定程度上抑制了小麥幼苗的生長，但對小麥苗期根數的增加和胚芽鞘的伸長有一定的促進作用。

正常水分條件下，群體均值除根數高于親本均值，胚芽鞘低于親本均值外，其他性狀都介于雙親均值之間。脅迫條件下，群體均值除苗高、地上部鮮重高于親本均值，胚芽鞘、最大根長低于雙親均值外，其他性狀介于雙親之間。兩種水分條件下，群體所有性狀的最大值都大于高值親本，而最小值都低于低值親本，表現為超親分離，變異范圍廣泛。這表明RIL群體具有比較豐富的遺傳變異，選擇潛力較大。

表1　兩種水分條件下RIL群體及其親本的苗期性狀值

注：小寫字母表示差異顯著性水平為p<0.05； 大寫字母表示差異顯著性水平為p<0.01。

2.2主成分分析

以RIL群體各株系及其親本苗期抗旱相關性狀的抗旱系數為基礎，利用SAS軟件計算出各主成分的特征向量和貢獻率(表2)，并根據各向量的絕對值將不同性狀指標劃分到不同的主成分之中。同一指標在各因子中的最大絕對值所在位置即為其所屬主成分。從表2可以看出，主成分分析特征值中4個成分的累計貢獻率達到86.19%，而理論上只需85%以上的累計貢獻率即可認為其具有較強的信息代表性。因此可以用這幾個主成分對其抗旱性進行概括分析，提取的4個主成分基本上代表了12個原始指標的絕大部分信息。

決定第1主成分大小的主要是苗鮮重、苗干重、根鮮重3個性狀分量，主成分1相當于6.919個原始指標的作用，它可反映原始數據信息量的40.8%。這幾個性狀均屬于苗的生物產量性狀，干旱脅迫下苗生長量越大，說明苗的抗旱性越強。因此，可把第1主成分稱為“幼苗生物產量因子”。

決定第2主成分大小的主要是莖葉鮮重、莖葉干重、根冠干重比3個性狀分量。主成分2相當于4.875個原始指標的作用，可單獨說明整個原始數據標準差異的28.76%。莖葉干、鮮重的抗旱系數越大，根冠干重比的抗旱系數越小，則第2主成分越大，因此，可把第2主成分稱為“莖葉生物產量因子”。決定第3主成分大小的主要是根干重1個性狀分量，根干重的抗旱系數越大，則第3主成分越大。第3主成分相當于1.652個原始指標的作用，可反映全部信息量的9.75%。根干重反映了植系的生長狀況，因此可把第3主成分稱為“根系生物產量因子”。

第4主成分的大小主要由胚芽鞘長、苗高、最大根長、根數、根冠鮮重比等決定。第4主成分相當于1.167個原始指標的作用，可反映全部信息量的6.88%。幾個性狀都與幼苗的生長有關，因此可統稱為“生長因子”

表2　各性狀主成分的特征向量及貢獻率

注: *表示某指標在各因子中的最大絕對值。

2.3抗旱性評價

根據抗旱性度量值的大小可以推斷抗旱性的強弱。本RIL群體和親本的抗旱度量值的變異范圍為0.632～2.220，濰麥8號和洛旱2號的抗旱度量值分別為0.714，1.385。用SPSS軟件根據抗旱度量值進行K均值聚類，可將291個株系和兩個親本的抗旱性劃分為3類。不抗旱(D值從0.29～1.11)、中度抗旱(D值從1.12～1.48)、高度抗旱(D值從1.49～2.22)，親本濰麥8號和101個株系屬于不抗旱類型；洛旱2號和102個株系屬于中度抗旱類型；44個株系屬于高度抗旱類型。由抗旱性評價結果可以看出，洛旱2號的苗期抗旱性要優于濰麥8號，這與生產實際相符，雖然濰麥8號不抗旱，但兩親本雜交后產生部分超親變異，有15%的株系的苗期抗旱性優于洛旱2號。這些株系的選出為小麥抗旱育種提供了寶貴的種質材料。

2.4抗旱性度量值和產量的相關性分析

抗旱性度量值和1 m行長產量性狀之間的相關性分析表明，抗旱性和2個環境下的平均1 m行長產量之間呈顯著正相關，相關系數為0.151。另外，比較抗旱性不同的3類小麥株系，發現所有高度抗旱株系的1 m行長產量的平均值為171.48 g，所有中度抗旱株系的1 m行長產量的平均值為161.60 g，所有不抗旱株系的1 m行長產量的平均值為159.19 g，高度抗旱株系中1 m行長產量大于200 g的占所有抗旱株系的21%，中度抗旱株系中產量大于200 g的占所有中度抗旱株系的8.5%，不抗旱株系中1 m行長產量大于200 g的占所有不抗旱株系的7.2%。由此可見，苗期抗旱性強的株系一般適應環境的能力較強，高產穩產的潛力較大，可以通過苗期抗旱性選擇對產量性狀進行早期的選擇。

3　討論分析

3.1抗旱性分析方法

抗旱性分析可采用單指標分析和多指標分析。單指標分析是指采用與抗旱性高度相關的性狀指標，如抗旱指數[4]、反復干旱后幼苗的存活率[5]等。這類指標雖然簡便、快捷，但卻只能反映某一性狀對干旱脅迫的反應，而多指標評價可以從不同側面反映作物抗旱性的強弱和特點。抗旱性的多指標分析時，常采用的有平均隸屬函數法[6-8]和主成分分析法[9-11]，平均隸屬函數法是求出各性狀的隸屬函數以后求平均值，由于各性狀受干旱影響的程度是不一樣的，在干旱性評價時的重要性也不同，故用此法對小麥抗旱性進行評價存在一定的局限性。常用的主成分分析法是指根據各性狀的隸屬函數值提取總貢獻率大于85%的幾個主成分，用各主成分得分值乘以各主成分的加權系數，求和既可得到一個抗逆性的綜合評價值。主成分分析可以去粗取精，給每一個性狀指標確立一個合理的加權系數，從而可較科學地對各作物品種的抗逆性進行評價。孟生旺[1]、孟慶立[12]指出在主成分分析時應以第1主成份的值作為綜合評價值，而不能以綜合主成份的值作為綜合評價值。本研究對小麥苗期12個性狀的隸屬函數進行主成分分析，從中提取了4個主成分，總貢獻率為86.19%，其中第1主成分的貢獻率為40.8%，以第1主成分值作為綜合評價值對各株系的抗旱性進行了評價，以K均值聚類方法把291個株系和2個親本分為3類。整個分析過程都遵循統計學的原理，排除了人為因素的干擾，使分析結果更加客觀可靠。

3.2小麥的苗期抗旱性

與小麥苗期抗旱性有關性狀的研究主要集中在胚芽鞘和根系性狀等。胚芽鞘是小麥種子萌發時的保護組織，在生長初期對幼苗的正常出土和苗全苗壯具有重要的作用[13-15]。王瑋等[16]和鄒琦等[17]研究發現，在低水勢下胚芽鞘長度和葉片滲透能力與產量有密切的關系，在干旱脅迫下小麥胚芽鞘長度與抗旱系數呈極顯著正相關；尤其是在20%PEG-6000處理下，抗旱性強的品種胚芽鞘生長得快，從而提出了“低水勢下胚芽鞘長度法”用于冬小麥抗旱性鑒定。本研究發現洛旱2號在水分脅迫下胚芽鞘的生長速度遠遠大于濰麥8號的生長速度，進一步驗證了干旱對不同品種胚芽鞘的影響。另外研究發現雖然胚芽鞘的抗旱系數與抗旱性度量值之間呈極顯著正相關，但相關系數卻只有0.26，遠遠低于除根數以外的其他性狀指標，這也說明只用胚芽鞘作為小麥苗期抗旱性的鑒定指標是否合理還有待探討。

幼苗根系是最早感受土壤干旱的器官，對小麥苗期耐旱能力有重要作用。關于根系性狀與抗旱性的關系，前人已做出很多有益的探索。楊國航等[18]發現玉米在干旱脅迫情況下，有較強生根發芽能力的品種，幼根萌發早，抗旱指數較大，抗旱性較強。郝樹榮等[19]對水稻根系做了研究，認為干旱脅迫誘導根系變長，以利于吸收更深層土壤的水分以滿足作物生長要求，脅迫越重根系越長。景蕊蓮等[20]研究根系形態性狀的遺傳力及其與抗旱性的關系，結果表明小麥幼苗的抗旱性與根干重呈顯著正相關。本研究發現在10%PEG-6000處理下，除了根數相對于正常水分條件下略有增加外，根數、根干重、根鮮重等性狀指標都表現為減小，這和郝樹榮等的研究結果不甚相同，作者認為干旱脅迫對作物根系的生長有比較明顯的抑制作用，只是抗旱品種和不抗旱品種相比受到的抑制較小，因此能形成相對強大的根系系統，來補償干旱對植物生長造成的影響。本研究還發現根長、根鮮重、根干重和抗旱度量值之間都呈極顯著正相關，且相關系數在所有所測的性狀指標中是最高的，根系性狀是受干旱影響最敏感的性狀，也是苗期抗旱性鑒定的重要指標性狀，這與前人的研究結果是一致的。

苗期抗旱性研究雖然取得了一些進展。但苗期抗旱性和產量性狀之間的關系研究較少，本研究利用RIL群體把苗期抗旱度量值和兩個環境正常水分管理條件下的產量性狀平均值進行了相關性分析，發現苗期抗旱性和產量之間呈顯著正相關，雖然由于條件限制，沒有對各株系干旱處理條件下的產量性狀與苗期抗旱性間的關系進行研究，但從本研究仍可以看出，各株系的苗期抗旱性在一定程度上反映了該株系對環境的適應性，一般苗期抗旱性強的株系高產穩產的潛力也比較大，因此，在小麥的抗旱高產育種中對大批量的材料可以通過本試驗提供的方法進行初步的篩選，從而減少工作量，提高選擇效果。

4　結 論

小麥苗期用10%的PEG-6000處理種子，可促進胚芽鞘長和根數的增加，而對其它農藝性狀有明顯的抑制作用；以第1主成分求得的抗旱度量值為依據，通過K均值聚類，從291個重組自交系群體中篩選出44個抗旱優良株系，為小麥抗旱育種提供了寶貴的種質材料；通過抗旱度量值和各性狀的抗旱系數之間的相關性分析，表明根系性狀對干旱的反應最為敏感，干旱脅迫下能否形成相對強大的根系系統是衡量苗期抗旱性的重要條件；小麥苗期抗旱性和產量之間呈顯著的正相關。

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Comprehensive Evaluation of Drought Tolerance at Seedling Stage for Wheat Recombinant Inbred Lines

DU Xinxin, ZHANG Hong, WU Yunpeng, QIN Sisi, SU Rongcun, GENG Jianfen

(CollegeofEcologyandGardenArchitecture,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

[Objective] The effects of drought on wheat seedling growth and selecting excellent wheat germplasm materials with drought resistance were studied to provide a basis for the breeding of new drought-resistive varieties. [Methods] Seedlings derived from the cross between Weimai 8 and Luohan 2 were used as experimental materials, which had 291 lines from a recombination inbred line(RIL) population(F9). The seedlings were treated with different water conditions during germination stage, and multiple agronomic trait indices were measured. A comprehensive evaluation of drought tolerance of the RIL population and its parents were conducted by methods of principal component analysis andK-means clustering. And also, correlation analysis between drought tolerance indices and yields of all the lines was conducted. [Results] Those germinated wheat seeds treated with 10% PEG-6000 were observed to be promoted for coleoptile length and root number, while obvious inhibitory effects were observed for other agronomic traits. 44 excellent lines with drought tolerance were selected from the RIL populations, which provided valuable germplasm materials for drought resistive wheat breeding. [Conclusion] The responses of root to drought stress performed the mostly sensitive, because a strong root system under drought tolerance is one of the important conditions that decide the drought tolerance of seedling. Drought tolerance of wheat seedlings and its yield were remarkably positively correlated.

wheat recombination inbred line, comprehensive evaluation; drought tolerance; seedling stage

2015-03-19

2015-10-04

國家高技術研究發展計劃(863)子課題“分子染色體工程高效育種技術體系建立和黃淮冬麥區新品種選育”(2011AA100103); 2014德州學院校級科技人才引進計劃項目(311885)

杜欣欣(1994—),女(漢族),山東省東營市人,本科生，研究方向為植物遺傳育種。E-mail:1172241886@qq.com。

張紅(1971—),女(漢族)，山東省平原縣人，博士,講師,主要從事作物遺傳育種研究。E-mail:zhw718_0@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0286-05

S33