糜子芽苗期對干旱脅迫的響應及抗旱種質鑒定

程冀南 ，李玉露 ，王宇卓 ，Santra Dipak K ，王瑞云 ，4

（1.神農智華生物科技（山西）有限公司，山西 長治 046200；2.山西農業大學 農學院，山西 太谷 030801；3.內布拉斯加大學 林肯分校農藝系小宗糧豆研究與推廣中心，美國內布拉斯加州69361；4.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）

糜子（Panicum miliaceumL.）是禾本科黍屬1 年生草本作物，生育期短，抗旱性強，耗水量低，對保持水土流失具有重要意義[1]。在禾本科作物中，糜子的蒸騰系數遠低于玉米、高粱和谷子，水分利用率最高，在干旱、半干旱地區具有明顯的地域優勢和生產優勢，在農業生產中起了不可替代作用，是我國的主要抗旱作物之一；糜子主要分布在我國的西北和華北地區，西南、東北、華南以及華東等地山區也有種植[2]。同時糜子也是世界性作物，亞洲、歐洲、美洲、非洲等地區也有分布[3]，如印度、烏克蘭、俄羅斯、土耳其、羅馬尼亞和美國等國家都有種植[4]。

據測算，干旱作為最常見的自然災害，每年給全球造成的經濟損失高達80 億美元，造成的影響遠遠超過了其他氣象災害[5]。隨著科學技術的不斷發展和人口的日漸膨脹，干旱造成的災難性結果仍然非常嚴重，水資源日益短缺，土壤沙漠化愈發嚴重，土地干旱化程度加深且面積越來越大，農作物生長愈發受限，使我國乃至世界的農作物產量急劇降低且面積不斷擴大，生長出的農產品質量也隨之下降，對人類造成了嚴重的經濟損失[6-7]。選擇和培育抗旱性品種對當今社會的農業發展及解決水資源短缺具有重要意義[8]。內蒙古地區屬于干旱地區，適合發展糜子產業，是我國糜子產量較高的地區之一，其幅員遼闊，東西跨度大，約為2 000 km，且土壤資源豐富，低山丘陵較多。內蒙古地區發展旱作農業的耕地超過70%，大部分地區土壤比較貧瘠，降水轉化率低，無霜期比較短，小麥、大麥、谷子、蕎麥、燕麥、高粱、糜子、胡麻、油菜、馬鈴薯等適合長期種植。糜子多種植于內蒙古干旱、半干旱地區。糜子在自然選擇下，適合內蒙古雨養農區的環境。同時，當地農民依靠其滿足自身食物需求與經濟需求，在生產方面具有明顯的優勢。為了增加糜子產量以及提高糜子的品質，發揮其在內蒙古地區的優勢，增加農民的收入，提升當地的生活水平，緩解糧食壓力等，需要對不同糜子品種的抗旱性進行分析研究，選育出強抗旱性品種，提高種質資源的優質、高產、穩定等性能[9-10]。

PEG-6000（Polyethylene glycol 6000，聚 乙 二醇-6000）是一種無毒、難以自由通過植物細胞壁和滲入活細胞的高分子滲壓劑，可以使活細胞緩慢吸水。作為親水性大分子，PEG 可以阻礙種子萌發時所需的正常水分含量，或者具有很強大的吸水性，使植物失水。PEG 脅迫下，丙二醛（MDA）含量與細胞電解質外滲率都呈上升趨勢，從而造成細胞膜透性增強，以此達到對種子萌發造成干旱脅迫的要求[1]。因此，在試驗中經常使用PEG-6000 對作物進行模擬干旱試驗，以此分析作物芽、苗期對干旱脅迫的響應。

本研究以內蒙古33 份糜子為研究對象，采用PEG-6000 模擬干旱脅迫，對糜子芽苗期進行抗旱性響應分析，旨在發掘優異的糜子抗旱種質，為發展抗旱節水農業提供資源。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究所用試驗材料為內蒙古33 份糜子（Panicum miliaceumL.）資源（表1），由中國農業科學院作物科學研究所資源中心谷子高粱課題組提供。

表1 內蒙古33 份供試糜子材料Tab.1 33 broomcorn millet materials tested in Inner Mongolia

1.2 試驗方法

1.2.1 芽期抗旱性鑒定 參照邵歡歡等[2]方法，隨機選取5 個糜子品種進行芽期最適PEG-6000 脅迫濃度篩選。選擇飽滿、大小均勻一致、無蟲害的籽粒，將其用0.1%的次氯酸鈉溶液消毒，蒸餾水清洗5 次后放在鋪有雙層濾紙的培養皿中，每皿35 粒，PEG 脅迫濃度設置0、10%、15%、20%、25%、30%（m/V），每個處理3 次重復。將其放置在溫度為25 ℃、光照為12 h、濕度為70%的培養箱中培養。分別于第3、7 天統計其發芽數，計算發芽勢與發芽率，通過比較確定品種間生長情況差異最明顯的脅迫濃度，將其用于糜子芽期抗旱性篩選，并使用上述方法對所有品種糜子進行芽期抗旱性鑒定。

1.2.2 苗期抗旱性鑒定 試驗設對照組為Hoagland 營養液處理，試驗組為Hoagland 營養液加25% PEG-6000 處理[7-11]。將籽粒飽滿、大小均勻一致、無蟲害的種子用同樣方法消毒清洗且在25 ℃恒溫培養箱中清水培養露白后在白瓷盤中進行沙培，放入恒溫培養箱中用Hoagland 營養液澆灌。等生長至三葉一心時，每盤保留5 株生長一致的幼苗，前4 d 試驗組用營養液加PEG-6000 處理，后3 d 用營養液處理，對照組則全用營養液處理。最后測量根長（B1）、苗長（B2）、根鮮質量（B3）、苗鮮質量（B4），用烘干稱重法測根干質量（B5）和苗干質量（B6）；用SPAD 儀（TYS-B）測定葉綠素含量（B7）。

1.3 數據分析

統計結果用Microsoft Excel 2010、SPSS 25.0進行分析與作圖。

其中，Xij表示第i個品種第j個指標的相對值，Xmax為品種測定最大值，Xmin為品種測定最小值。采用主成分分析法計算綜合得分F 值。其中，wi表示權重，fi表示第i個因子的因子得分。

2 結果與分析

2.1 不同糜子品種芽期、苗期對干旱脅迫的響應

通過比較，25%（m/V）濃度脅迫下品種間生長情況差異最明顯，將其作為糜子芽期抗旱性篩選的脅迫濃度。對內蒙古地區33 份不同糜子品種的芽期、苗期進行發芽勢、發芽率、根長、苗長、根鮮質量、根干質量、苗鮮質量、苗干質量和葉綠素含量等9 個指標的測定，利用樣本均值進行PEG 水分脅迫與對照各指標的成對樣本t檢驗（表2），對照組的變異系數為2.40%～68.38%，試驗組的變異系數為13.21%～380.40%。PEG 脅迫下各指標較對照組測量值均有下降，其中，發芽勢均值下降幅度為88.23%，在各指標中最明顯；其次為發芽率，下降幅度為33.47%；苗期各指標下降幅度在0～1.49%，相比于芽期小很多。變異系數越大，則變異程度越強，說明該指標對干旱脅迫越敏感，反之，則影響越小[12]。

由表2 可知，發芽勢受干旱脅迫最敏感，變異系數為380.40%，其次為發芽率，變異系數為195.20%，而苗期各指標變異系數在13.21%～67.38%，因此，糜子芽期比苗期對干旱脅迫更為敏感。另外，通過對各指標進行成對樣本t檢驗可以得出，發芽率t最大，其次為發芽勢，苗期t范圍在-3.72～0.62。綜上所述，PEG 水分脅迫對種子芽期有非常明顯的抑制作用。

表2 PEG 脅迫下33 份糜子品種各抗旱指標統計分析Tab.2 Statistical analysis of drought resistant indexes of 33 broomcron millet varieties under PEG stress

2.2 PEG 脅迫下糜子各指標的相關性分析

從相關分析（表3）可以看出，芽期相對發芽率與苗期相對根干質量之間有一定相關性，相關系數為0.301，其余各指標與苗期各指標均無相關性。苗期7 個指標之間，除相對葉綠素含量與各指標之間呈負相關外，其余各指標之間呈極顯著正相關。其中，相對苗長與相對苗鮮質量之間相關系數最大，為0.848，表明相對苗長與相對苗鮮質量之間的相關性最大；相對苗鮮質量與相對苗干質量之間相關性次之，相關系數為0.801；相對根鮮質量與相對葉綠素含量的相關系數最小，為0.058，表明相對根鮮質量與相對葉綠素含量的相關性最??；其余各指標間相關系數多數介于0.4～0.6。多數指標間相關性呈顯著或極顯著水平，表明PEG 脅迫影響糜子生長。

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

2.3 糜子種質芽期、苗期抗旱性評價

對芽苗期隸屬函數平均值與芽苗期綜合抗旱系數以及苗期綜合得分進行Pearson 相關性分析，結果如表4 所示。

從表4 可以看出，芽期隸屬函數平均值與芽期綜合抗旱系數的相關系數為0.929，呈極顯著正相關，說明隸屬函數平均值與綜合抗旱系數均可作為判斷糜子芽期抗旱性強弱的指標。另外，苗期隸屬函數平均值與苗期綜合抗旱系數的相關系數為0.986，呈極顯著正相關，苗期綜合得分與苗期隸屬函數平均值、苗期綜合抗旱系數也呈極顯著正相關，相關系數分別為0.979、0.997，即苗期隸屬函數平均值、苗期綜合抗旱系數、苗期綜合得分均可作為苗期抗旱性強弱的指標。

表4 芽期、苗期鑒定指標相關性Tab.4 Correlation of identification indexes at bud and seedling stages

2.3.1 33 份糜子資源芽期抗旱性評價 計算33 份內蒙古地區糜子品種的相對發芽勢和相對發芽率的隸屬函數平均值，根據隸屬函數平均值進行基于平方歐氏距離的Ward 法系統聚類分析。從圖1可以看出，供試品種分為3 類，第1 類包括2 個品種，占供試品種的6.1%，隸屬函數平均值范圍是0.207 2～0.452 8，為強抗旱性種質資源，這2 個供試品種為來自內蒙伊盟的烏克蘭黍（00006438）和伊盟良56-2 黍（00000684）。第2 類為2 個中間抗旱性種質資源，為8403/7/2（00005839）和巴林左疙塔黍（00000525），隸屬函數平均值為0.129 5～0.186 5。第3 類為弱抗旱性種質資源，包括29 個品種，占供試品種的87.9%，隸屬函數平均值范圍是0～0.207 2。

圖1 芽期抗旱性聚類分析Fig.1 Cluster analysis of drought resistance at bud stage

2.3.2 33 份糜子資源苗期抗旱性評價 對苗期7 個抗旱鑒定指標進行主成分分析，從表5 可以看出，前2 個主成分特征值大于等于1，貢獻率分別為58.377%、14.279%，累計貢獻率達到72.656%，可以以這2 個主成分進行苗期抗旱性評價。在主成分Ⅰ中，相對苗長的特征值最大，為0.903，其次為相對苗鮮質量與相對苗干質量，特征值分別為0.884、0.825，可見，苗期幼苗生長狀況對苗期抗旱性評價具有重要作用。決定第Ⅱ主成分的主要指標為相對葉綠素含量，特征值為0.948，糜子苗期葉綠素含量的積累受到干旱脅迫的影響。

表5 苗期主成分分析Tab.5 Principal component analysis at seedling stage

經過糜子苗期主成分分析可知，相對苗長、相對苗鮮質量、相對葉綠素含量可作為苗期抗旱性評價的指標。

分別計算糜子品種苗期抗旱系數、苗期隸屬函數平均值，為減輕單一分類法造成的偏差，采用抗旱系數均值-標準偏差逐級分類法、隸屬函數平均值的平均值-標準偏差逐級分類法[1]對33 份品種進行苗期抗旱性鑒定和分類，結果如表6 所示。從表6可以看出，2 種方法都將33 份糜子品種劃分為3 類，按照抗旱系數分類，其中強抗旱性品種有6 個，分別為準旗醬黃黍（00000650）、和林紅糜子（00002160）、烏 克 蘭 黍（00006438）、8311/4/5（00005884）、伊選大紅黍（00002473）、達旗青糜子（00002385），占供試樣品總數的18.18%；弱抗旱性品種有5 個，分別為呼盟黑粘黍（00000482）、臨河雙粒黍（00000582）、巴盟黃黍子（00000609）、五原小黃糜（00002231）、紅糜子（00004866），占供試樣品總數的15.15%；其余22 份為中間型抗旱品種，占供試樣品總數的66.67%。按照隸屬函數平均值分類，總體與抗旱系數分類相差不大，只有豐鎮大白糜（00002155）被分為弱抗旱性品種，由此可知，內蒙古地區33 份糜子品種中強抗旱性與弱抗旱性品種較少，中間型抗旱品種較多。

表6 苗期2 種評價方法劃分的抗旱類型以及分類標準Tab.6 Drought resistance types and classification criteriaby two evaluation methods at seedling stage

對33 份糜子品種苗期進行基于平方歐氏距離的Ward 聯接法的系統聚類分析，從圖2 可以看出，供試品種分為3 類，第1 類有6 個品種，占供試品種的18.2%，F 值在2.636 1～2.064 0，6 個品種分別為準旗醬黃黍（00000650）、和林紅糜子（00002160）、烏克蘭黍（00006438）、8311/4/5（00005884）、伊選大紅黍（00002473）、達旗青糜子（00002385）；第2 類有18 個品種，占供試品種的45.5%，F 值在1.837 2～1.324 6；第3 類有9 個品種，占供試品種的27.3%，F值在1.080 1～0.858 0，9 個品種分別為豐鎮大白糜（00002155）、小 紅 黍（00004268）、臨 河 雙 粒 黍（00000582）、內黍一點紅（00006528）、達旗大黃糜子（00002368）、紅糜子（00004866）、巴盟黃黍子（00000609）、五原小黃糜（00002231）、呼盟黑粘黍（00000482）。綜合平均值-標準偏差逐級分類法與系統聚類分析法，選出苗期強抗旱性品種6 個。

圖2 苗期抗旱性聚類Fig.2 Cluster analysis of drought resistance at seedling stage

2.3.3 33 份糜子品種抗旱綜合分析 芽期從33 份糜子品種中選出強抗旱性品種2 份，苗期篩選出強抗旱性品種6 份，綜合芽苗期抗旱性鑒定結果，發現只有烏克蘭黍（00006438）在芽、苗期都具有強抗旱性，而芽期強抗旱性品種伊盟良56-2 黍（00000684）在苗期鑒定為中間型抗旱，其芽期綜合抗旱系數排名第2 位，而苗期綜合抗旱系數排名第10，相差較大。苗期另外5 個強抗旱性品種中，在芽期鑒定為弱抗旱性品種，其中相差最大的是準旗醬黃黍（00000650），其芽期綜合抗旱系數排名為18，而苗期綜合抗旱系數排在第1 位。同時，由表4可知，芽苗期抗旱性相關系數在0.14～0.22，芽苗期抗旱性不相關且差別較大。

3 結論與討論

干旱是造成農作物產量降低與農產品質量下降的一個重要因素，為了避免農作物產量的降低與產品質量的下降，需要對農作物品種的抗旱性進行鑒定與評價，并進行抗旱性品種的篩選[13]。鑒定作物抗旱性有多種方法，例如田間鑒定法、干旱棚或溫室法、土壤干燥法、大氣干旱法和高滲溶液法等[14-15]。許多研究者通過觀察、測量植株的形態特征、生理生化指標、解剖性狀等對植株芽期、苗期及全生育期的抗旱性進行鑒定評價，提出模糊隸屬函數[16]、主成分分析法[17]、聚類分析[18]、存活率[19]、權重系數矩陣分析法[20]、隸屬函數、隸屬函數平均值、抗旱系數、綜合抗旱得分F 值等評價指標，為選育抗旱性品種提供了依據。例如王綸等[21]采用反復干旱法對山西500 份黍稷種質資源進行抗旱性鑒定與評價，篩選出了適合當地生產的強抗旱性品種；王海崗等[22]對20 份山西糜子品種進行了全生育期的抗旱性研究；羅俊杰等[23]以國內15 份胡麻為材料，研究了與抗旱相關的7 個農藝性狀、8 個生理生化指標和產量指標，對其進行了抗旱性的綜合評價；張文英等[24]同樣在模擬干旱脅迫的條件下，探討了谷子全生育期的抗旱性；張小虎等[25]分析研究大豆品種的抗旱性；王蘭芬等[26]采用了溫室內盆栽控水旱脅迫，分析21 份綠豆材料的12 項性狀指標和成株期抗旱性，篩選優質抗旱性品種；李龍等[27]則研究了普通菜豆種質資源的芽期抗旱性，篩選芽期抗旱性品種；景蕊蓮等[28]以小麥結實器官建成與生育期和物候期的對應關系為依據，分析探討了多個因素在形成時期的抗旱性；孫綠等[29]將聚類分析法和加權隸屬函數法結合起來，分析鑒定了黃淮冬小麥區119 份種質資源的抗旱性，結果獲得13 份強抗旱性品種。不同的作物在不同生育時期選擇不同的鑒定方法及鑒定指標，進行抗旱性鑒定及評價，篩選出抗旱性品種。如李國瑞等[16]研究指出，發芽率可作為芽期抗旱性鑒定的重要參考；周國雁等[30]研究認為，相對發芽勢可在芽期抗旱性鑒定與篩選中發揮作用，但也有其他情況存在，如曹勇等[31]研究認為，胚芽鞘長度在初步鑒定時具有一定的指導作用。本試驗通過計算33 份糜子品種的發芽勢、發芽率，并測定其根長、苗長、苗鮮質量、根鮮質量、苗干質量、根干質量、葉綠素含量，計算相對數值、隸屬函數平均值、抗旱系數、綜合抗旱得分F值等，并利用相關性分析、主成分分析、平均值-標準差逐級分級法和系統聚類法進行抗旱性評價與篩選。結果表明，苗期強抗旱性品種多于芽期強抗旱性品種，與邵歡歡等[2]從230 份黍稷種質資源中篩選出芽期強抗旱性及以上材料13 份，苗期強抗旱性及以上材料51 份基本一致，且2 個研究結果均顯示烏克蘭黍為強抗旱性品種。

本試驗采用PEG-6000 進行模擬干旱脅迫。PEG-6000 具有適用于品系比較多的農作物抗旱性鑒定與篩選的優良特性。例如周潔等[32]研究PEG-6000 模擬干旱脅迫下對藥用植物蒼術幼苗的形態特征及生理生化的適應性變化，結果發現，干旱脅迫下幼苗的可溶性蛋白含量增加，水勢降低，以此適應干旱脅迫，另外，抗氧化酶活性增強，抗氧化能力提高，并且消除氧自由基[33]，減輕了干旱脅迫帶來的傷害。朱利君等[34]研究表明，珙桐的質膜透性比對照組明顯增大，并隨著干旱脅迫的增強而增強；而且隨著PEG 濃度的升高，植株的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶的活性、幼苗脯氨酸的含量均出現升高再降低的現象。張仁和等[35]研究表明，干旱脅迫下玉米植株的生物量出現明顯降低的現象。楊秀麗等[36]采用PEG-6000 室內模擬干旱脅迫，并利用隸屬函數法對9 份花生材料進行了抗旱性綜合評價。本研究結果與賈根良等[1]在PEG 模擬干旱脅迫對糜子幼苗生理特征的研究結果相符。植株的抗旱性伴隨著植株生長的整個生育期，發生在植株生長發育的每個階段，并且對植株的各個器官和組織產生一定的影響，從而決定植株的產量。它受多種基因、多種因素的相互控制、相互作用，是植株的一個非常復雜的綜合性特征[37]。

本試驗利用PEG-6000 對糜子進行模擬干旱脅迫試驗，對發芽勢、發芽率、根長、苗長、根鮮質量、根干質量、苗鮮質量、苗干質量及葉綠素含量9個指標進行測量和分析，將33 份品種進行抗旱性鑒定及評價，篩選出強抗旱性品種。結果顯示，PEG 脅迫下測量值較對照組均下降，說明PEG 脅迫對各指標具有抑制作用，芽期利用相對發芽勢、相對發芽率作為糜子抗旱性鑒定指標，具有一定的參考意義。本試驗芽期鑒定結果顯示，強抗旱品種較少，可能是預試驗選擇材料的代表性不夠導致PEG 濃度過高，同時也說明了糜子芽期對PEG 模擬干旱脅迫更加敏感。苗期采用主成分分析法進行鑒定，增加了作物抗旱性這種復雜的數量性狀采用單一指標鑒定的準確性，結果表明，在第1 主成分中，糜子幼苗生長狀況如苗鮮質量、苗長和根鮮質量等指標能綜合反映糜子品種的抗旱性強弱；在第2 主成分中，相對葉綠素含量可作為鑒定糜子苗期抗旱性的指標。通過對芽苗期的抗旱性鑒定，發現有芽期強抗旱性品種（2 種）和苗期強抗旱性品種（6 種）。綜合芽苗期抗旱性鑒定，發現只有烏克蘭黍（00006438）在芽苗期都存在強抗旱性。