40 份黍稷種質資源芽苗期抗旱性評價及耐旱資源篩選

鄭婷婷 ，趙麗紅 ，王海崗 ，陳 凌 ，王 熠 ，喬治軍 ，王瑞云

（1.山西農業大學 農學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學 農業基因資源研究中心/農業農村部黃土高原作物基因資源與種質創制重點實驗室/雜糧種質資源發掘與遺傳改良山西省重點實驗室，山西太原 030031；3.山西農業大學 植物保護學院，山西 太谷 030801）

近年來，因為全球氣候變化、社會經濟發展和人口數量快速增長，在很大水平上導致了水資源的供不應求[1]，世界淡水資源缺乏的局面將繼續加劇。同時，世界70%以上的水用于農業生產，人類90%的水用于農產品，農業已成為耗水量最高的產業。加快培育適應干旱與半干旱地區種植的作物品種，提高土壤水分利用效率，是我國應對水資源短缺的主要戰略之一[2-3]。

黍 稷（Panicum miliaceumL.）又 稱 糜 子 或 黍子，屬禾本科黍屬1 年生草本禾谷類作物[4-6]，有粳糯之分，糯者稱黍，粳者稱稷[7]，其培育歷史悠久，最早可追溯到萬年以前，是我國最早栽培的小宗作物之一。黍稷具有較高的營養和藥用價值，不僅富含蛋白質、礦物質及維生素，還具有一定的抗氧化能力[8]，對DPPH·和ABTS+·有一定的清除能力[9]。此外，與其他作物相比，黍稷是一種抗旱性極強的耐貧瘠作物，但不同黍稷種質資源的抗旱性差異較大。由于黍稷大多種植在干旱丘陵地帶，因此，在其他地貌類型地區，培育優質、高產、抗旱的黍稷新品種以供生產和利用，仍然是研究人員的一項重要任務。糜子的生育期短且抗旱性較強[10]，其本身在高溫環境下水分利用效率較高。糜子具有較高的氣孔蒸騰阻力，在植物低水分的條件下也能夠較快地積累干物質[11]，因而糜子是干旱與半干旱地區首要的糧食作物。加強對糜子抗旱種質資源的選擇與利用，從現有的糜子種質資源中篩選抗旱性較強的品種，加快糜子抗旱品種改良和培育進程，是發展干旱及半干旱地區農業經濟的有效措施之一，也是當前糜子產業發展的新趨勢[12]。

干旱是對作物影響最為嚴重的自然災害[13]，作物的抗旱機制受到多方面因素的綜合影響，其中包括遺傳因素、發育階段以及發育環境。因此，作物不同階段的抗旱機制可能會導致作物的抗旱性有所區別。明確作物不同發育階段的抗旱性強弱，能夠更好地發揮種質資源優勢，以便更好地適應環境，對于干旱及半干旱農業發展具有重要意義[14]。董孔軍等[15]通過對我國多個地區培育的56 份糜子品種進行苗期抗旱性評價，確定了植株含水量、生物學產量、單株葉面積可作為糜子苗期抗旱性鑒定1 級指標。張盼盼等[16]選用10 個不同基因型糜子為材料，分析鑒定出糜子葉片內抗氧化酶系統超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase）和過氧化物酶（Peroxidase）以及葉綠素含量等指標可用于糜子抗旱性鑒定。目前對黍稷抗旱性鑒定與評價的研究大多集中在芽期或苗期的單一時期，試驗材料選擇數量少，區域代表性選擇不突出，缺乏多個生態區域間的比較，同時缺乏應用多個評價指標共同進行抗旱性鑒定與評價[17]。

本研究以不同省份、不同國家的40 份黍稷種質資源為試驗材料，在PEG-6000 模擬干旱脅迫的條件下，比較分析了干旱脅迫對黍稷種質芽期和苗期的不同影響，通過計算黍稷種質芽期及苗期發芽勢、發芽率并比較對照組及PEG 脅迫組的根長、苗長、根鮮質量、苗鮮質量、根干質量、苗干質量及葉綠素含量等多項指標，并運用隸屬函數法、相關分析法和主成分分析法對黍稷種質資源的抗旱性進行了鑒定，通過對黍稷核心種質抗旱性差異的綜合比較，篩選出抗旱性較強的黍稷種質資源，旨在完善黍稷抗旱評價體系及為黍稷抗旱品種的選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗選取國內外40 份黍稷種質資源為材料，其中，國內品種包括山西省3 份、寧夏5 份、新疆2 份、山東省7 份、河北省4 份，內蒙古、甘肅、海南、黑龍江、廣東、安徽、江蘇、青海、西藏、遼寧、陜西、吉林及中國農科院各1 份；國外品種包括美國2 份、印度2 份、波蘭、前蘇聯各1 份。供試材料情況如表1 所示。

表1 供試的黍稷種質資源Tab.1 Germplasm resources of broomcorn millets for testing

1.2 試驗方法

1.2.1 芽期抗旱性測定 通過前期試驗發現，在25%的PEG 脅迫濃度下仍有部分品種發芽良好，故采用25% PEG-6000 作為篩選芽期抗旱性的脅迫濃度。首先，挑選試驗材料中籽粒成熟飽滿、大小一致、完整無破損的黍稷種子，用1%次氯酸鈉溶液進行浸種消毒處理，然后用無菌水清洗3 次，并擦干種子表面水分。挑選30 粒種子置于以雙層濾紙為培養基質的培養皿中，然后干旱脅迫組加入25% PEG-6000 溶液，對照組加入等量的蒸餾水，加蓋后置于25 ℃恒溫、光照周期12 h、環境濕度70%的光培養箱中培養。在第3 天和第7 天分別計算種子的發芽勢與發芽率。

1.2.2 苗期抗旱性測定 采用育苗盤栽培法進行抗旱性鑒定，盤土由農田表層壤土、復合有機肥混合而成，質量比為50∶1。用1%次氯酸鈉溶液對大小均勻且飽滿的種子進行消毒處理，然后分別播種于育苗盤中。播種后每日適當補充營養液，并觀察其生長狀態。當幼苗生長至三葉一心時，每孔分別保留5 株生長狀態大致相同的幼苗，用25%PEG-6000 脅迫濃度來模擬干旱脅迫進行苗期試驗。試驗組以1/2 Hoagland 營養液和25%PEG-6000 溶液灌溉4 d，再用1/2 Hoagland 營養液灌溉3 d；而對照組采用1/2 Hoagland 營養液處理7 d。

1.3 測定項目及方法

在種子萌發階段分別統計不同處理下各處理組的發芽勢、發芽率，計算種子的相對發芽勢、相對發芽率；在苗期脅迫處理7 d 后，每個育苗盤中挑選生長一致幼苗，測量其根長、苗長，測定根鮮質量、苗鮮質量、根干質量、苗干質量和葉綠素含量。

1.4 數據分析

使用Microsoft Office Excel 2016 進行數據的整理；使用Origin 2022 軟件對各農藝性狀進行顯著性分析及聚類分析。

式中，Xij表示某一品種某一指標的相對值，Xmax表示測定品種最大值，Xmin表示測定品種最小值。

式中，m為指標數量性狀，Kj為第j個性狀隸屬函數值。

2 結果與分析

2.1 芽期、苗期不同黍稷種質資源對干旱脅迫的響應

25%PEG-6000 脅迫濃度下40 份黍稷品種各抗旱指標統計分析如表2 所示。

表2 25% PEG-6000 脅迫濃度下40 份黍稷品種各抗旱指標統計分析Tab.2 Statistical analysis of drought resistance indexes of 40 broomcorn millet varieties under 25% of PEG-6000 stress concentration

對芽期和苗期的9 項鑒定指標進行統計分析表明（表2），在25% PEG-6000 脅迫濃度的干旱脅迫下，各個品種指標最大值的變動幅度為0.028～71.429，最小值的變動幅度為0～16.242，均值的變動幅度為-0.003～-94.310，所有單項指標的相對值均值都小于1，表明這些性狀均受到不同程度的干旱抑制，其中，發芽勢和發芽率受抑制尤為明顯。由試驗組與對照組變異系數范圍可知，對照組的變異系數范圍在0.052～0.861，試驗組的變異系數范圍在0.141～6.245，說明9 個指標在40 個品種中的變化程度并不完全相同；變異系數越大表明該指標對干旱脅迫就越敏感；反之，受干旱脅迫的影響則越小。如發芽勢的變異系數最大，所屬品種間差異最大，則說明發芽勢對干旱脅迫最為敏感；葉綠素含量的變異系數最小，所屬品種間差異最小，說明干旱脅迫對葉綠素含量抑制作用最小。

通過獨立樣本t檢驗顯示，對照組與PEG 脅迫組t值變化范圍是-0.851～-30.318，其中，發芽勢t值為-30.318，發芽率t值為-27.135，說明PEG 水分脅迫對種子萌發產生了特別明顯的抑制作用。脅迫組的發芽勢、根鮮質量與對照組呈極顯著差異，苗鮮質量與對照組呈顯著差異，其余指標對照組與脅迫組差異不顯著。在PEG 脅迫下，各性狀指標變異系數介于0.141～6.245，對照組變異系數介于0.052～0.861，變異跨度較大，表明供試40 份材料的各項指標對干旱脅迫敏感，所選擇鑒定指標具有代表性。

2.2 PEG 脅迫下黍稷各指標的相關性分析

對PEG 脅迫下芽期與苗期的9 項相對值指標進行皮爾遜相關性分析可知（表3），芽期的相對發芽勢（X1′）和相對發芽率（X2′）與苗期的7 個指標之間均無相關性；芽期的相對發芽勢（X1′）與相對發芽率（X2′）2 個指標相關系數為0.936，在0.01 的水平上呈極顯著相關；苗期的7 個指標兩兩之間大部分都在0.01 的水平上呈極顯著正相關，相對苗鮮質量（Y4′）與相對苗干質量（Y6′）相關系數為0.882，二者的相關性最高；相對根鮮質量（Y3′）與相對根干質量（Y5′）的相關系數為0.855，相關性次之；相對葉綠素含量（Y7′）與相對根鮮質量（Y3′）、相對根干質量（Y5′）之間有一定相關性，與其余苗期指標的相關性都較低。由此可以看出，各指標所提供的信息發生堆疊，PEG 脅迫對各指標作用效果明顯，如果僅根據單一指標的增減幅度得出結論會存在的一定片面性，因此，需要綜合這些指標對黍稷進行抗旱性評定。

表3 干旱脅迫下各指標的相關系數Tab.3 Correlation coefficients of each index under drought stress

2.3 40 份黍稷資源芽期抗旱性分析

對芽期隸屬函數平均值和綜合抗旱系數進行皮爾遜相關性分析（表4），得出兩者間相關系數為0.989，在0.01 的水平上呈極顯著相關，表明兩者判別黍稷芽期抗旱性結果的一致性好。通過歐式距離的平均聯接法聚類分析結果可知可知（圖1）：糜子抗旱性劃分為3 級，其中芽期高抗資源1 份：外引黍4 號（00007667）；中抗資源1 份：白軟黍（00001581）；其余全為低抗資源。

圖1 40 份黍稷品種的芽期抗旱性譜系Fig.1 Drought resistance spectrum of 40 broomcorn millet varieties at germination stage

表4 芽期、苗期鑒定指標的相關性Tab.4 Correlation of identification indexes of germination stage and seedling stage

2.4 40 份黍稷資源苗期抗旱性分析

用主成分分析法對苗期相關抗旱性指標的相對值進行分析，轉換成可用于評價黍稷苗期抗旱性新的相互獨立的綜合指標。因子分析結果表明（表5），前3 個主成分貢獻率分別為66.543%、13.071%和8.456%，累計貢獻率達到88.070%（符合主成分分析累計貢獻率大于80%的要求[18]），說明前2 個主因子所包含的要素信息量可以反映出9 個抗旱性指標原始特征參數的大部分信息，因此，9 個抗旱性指標可用前3 個主成分因子表示。

表5 各主成分的特征值及貢獻率Tab.5 Eigenvalues and contribution rates of each principal component

由于因子載荷的區分仍不明朗，需要對公共因子進行旋轉，以便更清晰地了解抗旱性狀的公共因子的結構。運用正態最大方差準則進行因子旋轉，得到旋轉因子載荷矩陣（表6）。其中，強烈影響抗旱性的因子載荷絕對值接近于1；對抗旱性影響越小的因子載荷絕對值則接近于0。

從表6 可以看出，因子1 中相對根長、相對苗長、相對根鮮質量、相對苗鮮質量、相對根干質量、相對苗干質量的載荷絕對值較大，分別為0.795、0.903、0.864、0.856、0.886、0.882。這表明因子1 中，這6 個指標對抗旱性起支配作用，反映出糜子抗旱性與相對根長、相對苗長、相對根鮮質量、相對苗鮮質量、相對根干質量、相對苗干質量有較密切的且直接的聯系；因子2 中相對葉綠素具有較大載荷，為0.880，表明糜子光合作用受到抗旱性強弱的影響較大；因子3 中相對苗鮮質量具有較大載荷，為0.395。

表6 各主成分的因子載荷矩陣Tab.6 Factor load matrix of each principal component

通過對40 份黍稷種質資源的苗期隸屬函數平均值、抗旱性綜合得分和苗期綜合抗旱系數進行相關性分析（表4），發現苗期隸屬函數平均值與抗旱性綜合得分的相關系數為0.995，苗期隸屬函數平均值與苗期綜合抗旱系數的相關系數為0.993，均在0.01 的水平上呈極顯著相關，說明3 種鑒定方法結果的一致較好。

通過歐氏距離的平均聯接法聚類分析結果可知（圖2），苗期一級高抗資源包括2 份：吉林黍（00007629）、本地糜子（00003144）；二級中抗資源包 括17 份：巴 盟 黑 糜 子（00002340）、大 紅 糜 子（00002628）、西吉小黃糜（00002641）、華池黃草紅糜子（00002901）、紅糜（00003111）、黃糜（00003117）、金守黍（00004198）、塞蓋德斯（00005191）、黍子（00006253）、老來黑（00006609）、糯黍（00006655）、賀 蘭 大 紅（00007297）、雁 北 天 糜（00007361)、790035（00007375）、790051（00007391）、嫩 黍23（00007832）、色查爾托（00007369）。

圖2 40 份黍稷品種的苗期抗旱性譜系Fig.2 Drought resistance spectrum of 40 broomcorn millet varieties at seedling stage

三級低抗資源包括21 份：支多奧斯支（00007367）、平羅二黃（00007291）、海原紫稈紅（00006776）、黃 黍 子（00006632）、黃 糜（黍）（00006575）、大紫稈（00006200）、大黃黍（00006175）、黑 稷 子（00005169）、A85-45（00007716）、A85-29（00007700）、外引黍4 號（00007667）、外引黍1 號（00007664）、E75-11（00007613）、札達糜（00006681）、黍子（00006580）、青龍黃黍子（00006257）、黑子（00005583）、白稷子（00004203）、黃稷子（00004200）、白軟黍（00001581）、A75-2（00007518）。

2.5 40 份黍稷品種抗旱綜合分析

根據平均值-標準差逐級分級法，將供試的40份材料劃分為高抗品種、中 抗 品 種低抗品種為了避免運用單一指標進行抗旱性評價而產生的片面性，用隸屬函數平均值法分別獲得了40 份待測品種的相對指標、隸屬函數值以及平均隸屬函數值，并以各品種的平均隸屬函數值作為綜合評價指標（表7）。

表7 參試品種的抗旱隸屬值Tab.7 Subordinate value of drought resistance of tested varieties

由表7 可知，40 個參試品種的平均隸屬函數值最大為0.67，最小為0.07；其中有9 份品種的平均隸屬函數值都大于0.437，分別為巴盟黑糜子（00002340）、本 地 糜 子（00003144）、金 守 黍（00004198)、黍子（00006253）、賀蘭大紅（00007297）、雁北天糜（00007361）、吉林黍（00007629）、外引黍4 號（00007667）、嫩黍23（00007832），按照抗旱性等級分類歸為1 級，屬于高抗（R）；大紅糜子（00002628）、西吉小黃糜（00002641）、華池黃草紅 糜 子（00002901）、紅 糜（00003111）、黃 糜（00003117)、黑 稷 子（00005169)、塞 蓋 德 斯（00005191）、大 黃 黍（00006175）、老 來 黑（00006609)、糯黍（00006655）、黃黍子（00006632）、海原紫稈紅（00006776）、平羅二黃（00007291）、支多 奧 斯 支（00007367）、色 查 爾 托（00007369）、790035（00007375）、790051（00007391）、A75-2（00007158）、E75-11（00007613）等19 個品種的平均隸屬函數值介于0.261～0.437，歸為2 級，屬于中抗（MR）；其余品種都低于0.261，歸為3 級，屬于低抗（S），分 別 為 白 軟 黍（00001581）、黃 稷 子（00004200）、白稷子（00004203）、黑子（00005583）、青龍黃黍子（00006257）、黃糜（黍）（00006575）、黍子（00006580）、札達糜（00006681）、外引黍1 號（00007664）、A85-29（00007700）、A85-45（00007716）、大紫稈（00006200）。

3 討論

3.1 黍稷種質資源地理來源與抗旱性關系

40 份黍稷種質資源分別來源于我國18 個省市以及前蘇聯、波蘭、印度、美國。根據平均值-標準差逐級分級法抗旱綜合分析結果可知，由國內篩選出的中抗及高抗抗旱種質資源為23 份，其中西北地區（內蒙古、新疆、寧夏、甘肅、陜西）含有的種質數目較多，共為10 份，占參試種質總數的25%；山東、河北2 個省份篩選出的敏感種質較多，分別為3、2 份，分別占參試種質總數的7.5%和5.0%；這一結果與黍稷種質所在地區的氣候條件和育種力量相符合。我國的西北部分地區因為氣候長期干旱缺水，經過持續的自然選擇、人工選擇，容易篩選出相對來說抗旱性較強的黍稷種質資源。

3.2 抗旱性綜合評價及抗旱指標篩選

與其他作物相比，黍稷是一種抗旱性極強的貧瘠作物[19]，但不同黍稷種質資源的抗旱性差異較大。植物抗旱性是一個由多種因素組成的復雜綜合性狀。用單一的指標評價其抗旱性很難得到準確有效的結果。從多個指標中選取影響較大的幾個主要抗旱指標進行綜合分析判斷更為有效[20]。本試驗采用主成分分析法對黍稷芽期和苗期2 個重要時期的抗旱性鑒定指標進行了篩選。結果表明，在25% PEG-6000 脅迫濃度下，種子的發芽勢和發芽率受抑制尤為明顯，因此，相對發芽勢和相對發芽率可作為評價黍稷芽期的有效指標；第1 主成分中的相對苗長、相對根鮮質量、相對苗鮮質量、相對根干質量、相對苗干質量等反映幼苗生長狀況參數的載荷絕對值較大，可作為評價黍稷苗期抗旱性的有效指標，第2 主成分中的相對葉綠素含量可作為鑒定黍稷苗期抗旱性強弱的有效指標。

通過對芽期、苗期抗旱指標進行相關性分析發現，2 個時期各抗旱指標之間相關系數較小，抗旱指標之間無顯著相關性。此外，聚類分析結果也驗證了這一觀點，從聚類分析結果可以看出，所選材料在2 個時期的抗旱性差別較大，如外引黍4 號（00007667）在芽期被劃分為高抗資源，而在苗期歸屬為低抗資源；吉林黍（00007629）、本地糜子（00003144）在苗期為高抗資源，但是在芽期歸屬于低抗品種。聚類分析對作物抗旱性的結果起到了很好的分類作用，可根據供試材料的類別特征對品種進行分類，但當材料數量較多的時候，聚類分析可能無法識別由相似系數得出的分析結果[21]。不同的抗旱性評價方法有各自的特點。根據不同的評價目的，所采用的評價方法也各不相同，篩選出的抗旱性結果可能有所不同。隸屬函數平均值法是表征模糊集合的數學工具，該方法可消除單一指標帶來的片面性，使評定結果與實際結果較為接近，篩選出的抗旱性結果更為準確，因此，被廣泛用于作物抗旱性分析。而且隸屬函數法其結果是數值化的抗旱得分，能夠簡化品種間的比較，且使結果一目了然[22]。目前，越來越多的學者利用隸屬函數法進行作物抗旱性評價[23-26]。本研究以隸屬函數平均值為依據，按照逐級分類法共篩選出高抗品種9 份，分別為巴盟黑糜子（00002340）、本地糜子（00003144）、金守黍（00004198)、黍子（00006253）、賀蘭大紅（00007297）、雁北天糜（00007361）、吉林黍（00007629）、外引黍4 號（00007667）、嫩黍23（00007832）。

4 結論

本研究在25%的PEG-6000 模擬干旱條件下，對黍稷核心種質中的40 份種質資源進行抗旱性鑒定與抗旱資源篩選，根據平均值-標準差逐級分級法，篩選出9 份高抗黍稷種質資源，分別為巴盟黑糜子（00002340）、本地糜子（00003144）、金守黍（00004198)、黍子（00006253）、賀蘭大紅（00007297）、雁北天糜（00007361）、吉林黍（00007629）、外引黍4 號（00007667）、嫩黍23（00007832），可為不同地區黍稷抗旱育種親本材料的選用提供理論依據，同時可為完善黍稷抗旱評價體系以及黍稷抗旱育種的基因挖掘提供一定的理論指導和參考。