40份山西黍稷資源抗旱性鑒定

王楊，譚夢玉，王海崗，陳凌，王瑞云，喬治軍

（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）

干旱從古至今一直都是人類面臨的主要災害。近年來，全球水資源越來越匱乏，干旱缺水成為農業可持續發展的主要限制因素[1]，干旱對農作物產量和質量的影響也越來越受到關注，成為影響糧食安全的挑戰性課題。山西地處黃土高原東部，屬中緯度大陸性季風氣候區[2]，僅在2020年春末，山西的降雨量明顯減少，西北大部分地區遭遇了嚴重干旱，5月中下旬降水偏少，北中部和南部部分地區土壤明顯缺水[3]。黍稷（Panicum miliaceumL.）是禾本科黍屬1年生草本植物[4]，是一種早熟、耐旱的糧食和飼料作物，分布范圍較廣，亞洲、歐洲、美洲和非洲等溫暖地區都有栽培，在我國的西北、華北、西南、東北、華南以及華東等地山區都有栽培，新疆、內蒙古、黑龍江等地偶有野生狀的[5-8]。黍稷耐旱、耐寒、耐鹽堿，能適應多種類型的土壤環境，對肥力較差的砂土有較強的適應能力，常作為開荒、改造鹽堿地和沙漠的主要先鋒作物[9-12]。

干旱是主要的非生物脅迫之一,嚴重影響植物的生長發育、產量、品質及種植范圍,進而影響農業生產[13]。干旱脅迫對糧食作物影響日益嚴重，已有大量研究側重于對作物耐旱性的評價及鑒定指標體系的建立。通過對玉米品種萌發期抗旱性鑒定與評價指標研究[14]，發現可作為抗旱能力的主要鑒定指標的有4項，分別是發芽勢、發芽率、發芽指數與耐旱萌發指數，間接抗旱鑒定指標3項；王贊等[15]以20份野生鴨茅種質為材料，采用聚乙二醇（PEG）人工模擬干旱脅迫對萌發期進行抗旱性研究，結果表明，PEG脅迫下，材料的發芽勢和發芽率明顯降低，胚芽和胚根生長受阻，種質間差異明顯；郝曦煜等[16]以小豆為材料，采用PEG脅迫，研究其對苗期抗旱指標的影響，結果表明，超氧化物歧化酶（SOD）活性、脫落酸（ABA）含量、可溶性糖含量、相對電導率、超氧陰離子（O2-·）產生速率等5項指標可作為苗期抗旱性評估的衡量指標。

前人也已對黍稷的抗旱性進行了許多研究。ZHANG等[17]研究了在干旱或者水分虧缺條件下，開花至成熟期3個糜子品種葉綠素含量，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）活性及丙二醛（MDA）、超氧陰離子（O2-·）含量，結果表明，在干旱條件下，葉綠素含量、SOD、CAT活性與種子產量之間呈現正相關，POD、MDA和O2-·含量與種子產量之間呈現負相關；馮曉敏等[18]以3個黍稷品種隴糜4號、晉黍7號和5283黃為材料，采用盆栽水控技術，觀察不同水分處理下黍稷苗期的主要特征和光合參數的變化，結果發現，水分脅迫下各品種的株高、葉面積、根質量、葉綠素含量、根系活力、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及胞間二氧化碳濃度等9項指標均呈下降趨勢，且在水分脅迫條件下糜子葉片對強光的敏感性增加，干旱和光抑制對光系統Ⅱ造成的疊加傷害隨干旱加重和品種抗旱性減弱而加劇；張盼盼等[19]在PEG6000模擬干旱脅迫條件下，采用相關性分析法研究了不同糜子品種芽期的芽長、芽鞘長、胚根長、根干質量、芽干質量等5項指標的變化，對糜子芽期抗旱性指標進行了篩選，結果發現，糜子芽期抗旱性鑒定可利用相對發芽率、相對根長、相對根干質量、相對芽鞘長、相對芽長和相對芽干質量6項指標。

黍稷雖然具有強抗旱性，但不同品種間仍存在差異。PEG誘導干旱條件的效果與土壤逐漸干旱的實際情景相似，同時具有易操作、重復性好的優點[20]，因此，比較不同抗旱性評價方法在糜子抗旱性研究中的適用性;篩選出抗旱性較強的品種并進行抗旱種質創新，為系統、科學、規范地建立糜子抗旱性鑒定標準和研究體系提供科學依據。

本研究采用PEG脅迫人工模擬干旱條件，采用主成分分析、聚類分析[21]和隸屬函數等方法對黍稷進行抗旱性鑒定和評價，旨在為抗旱資源的篩選與利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料為來自山西不同地區的40份黍稷核心種質（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糜子課題組提供。

表1 40份黍稷微核心種質材料Tab.1 40 broomcorn millet microcore germplasm materials

1.2 試驗方法

試驗于2018—2019年在山西農業大學作物遺傳育種重點實驗室進行。芽期抗旱性鑒定采用PEG脅迫人工模擬干旱條件的方法，苗期抗旱性鑒定采用25% PEG6000的脅迫濃度，試驗過程同文獻[22]。

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；苗期試驗結束后，從每個育苗盤中挑選生長一致幼苗，測量苗長、根長，測定其苗鮮質量、根鮮質量、苗干質量、根干質量，用SPAD儀（TYSB）測定葉綠素含量。

1.4 數據分析

試驗采用SPSS 25.0進行數據分析及作圖。

采用主成分分析法，計算綜合得分F值。

式中，Wi表示權重，fi表示第i個因子的因子得分。

參照文獻[24]的方法計算成分得分系數，并進一步得到綜合得分。

根據隸屬函數法[23]，計算各指標的隸屬函數值，當所用指標與抗旱性呈正相關時，x（u）=；當所用指標與抗旱性呈負相關時，x（u）=。

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。

2 結果與分析

2.1 芽苗期不同黍稷品種對干旱脅迫的響應

本試驗測定了從山西省不同地區采集的40個糜子材料芽苗期的9項指標，使用PEG脅迫下和對照組的每個指標的樣本平均值進行成對樣本t檢驗（表2）。由于在第3天測定時，對照組的黍稷種子發芽，但PEG脅迫下40份種子均未發芽，說明發芽勢受到了嚴重抑制，此時發芽勢的統計并無意義，因此，在成對樣本t檢驗時未對發芽勢進行分析。PEG脅迫下的測量值除根長較對照組增大了0.071%外，其他7個指標的測量值較對照組均有所下降，發芽率下降幅度高達95.262%。說明各指標均受到PEG脅迫的抑制，其中發芽率所受抑制最為明顯。由表2可知，試驗組與對照組間的t值范圍為[-88.718，0.169]，其中，發芽率t值為-88.718，|t|與樣本差異成正比，則PEG脅迫對種子發芽明顯抑制。試驗組較對照組的P值范圍為[0.000，0.866]，且大多小于0.01，表示測試組和對照組之間有顯著差異。試驗組較對照組變異系數差值介于[-0.021，0.038]，最大值與最小值間差異大，即供試材料的9項指標對水分脅迫敏感。

表2 40個黍稷品種各抗旱指標的參數Tab.2 Parameters of drought resistance index for 40 broomcorn millet varieties

每一項指標相對值均值及其變異系數經計算，其 范 圍 分 別 為[0.027 7，1.006 8]與[0.740 6，75.521 3]，其中相對發芽率變異系數最大（75.521 3），發芽率對干旱脅迫最敏感。根據各個指標相對值的變異系數的大小，8項指標對水分脅迫的敏感性從高到低依次為：發芽率＞葉綠素含量＞根長＞苗長＞苗鮮質量＞苗干質量＞根干質量＞根鮮質量。

2.2 PEG脅迫下黍稷各指標的相關性分析

采用Pearson相關性分析對試驗組除相對發芽勢外的8個指標進行分析，由表3可知，相對發芽率與相對根干質量顯著相關，但與其他6項指標間無明顯相關；相對葉綠素含量除與相對苗鮮質量顯著相關外，與其他指標相關性都較低；其余6項指標相互間呈極顯著相關，相關性最高的是相對苗長與相對苗鮮質量，相關系數為0.893。指標間相關性多數呈顯著或極顯著，說明PEG脅迫對其作用明顯。

表3 試驗組各指標間的相關系數Tab.3 Correlation coefficients of indexes in the test group

2.3 40份黍稷品種苗期抗旱性分析

由表4可知，前2個主成分貢獻率分別為64.156%和17.826%，累計貢獻率為81.982%，大于70%，反映了PEG脅迫對黍稷種質苗期抗旱性強弱的影響，可用于進行苗期抗旱等級評價。第Ⅰ主成分中，相對苗長的相關系數最大，為0.937，其次是相對苗鮮質量，相關系數為0.910；第Ⅱ主成分中，相對葉綠素含量的相關系數最大，為0.938。因此，這3項指標可作為評價苗期抗旱性的重要指標。

表4 主成分Ⅰ和Ⅱ各指標Tab.4 Each index of principal componentⅠandⅡ

2.4 芽期抗旱性綜合分析

表5 各指標相關性分析Tab.5 Index correlation analysis

圖1 40份山西黍稷資源芽期抗旱性聚類分析Fig.1 Clustering analysis for drought resistance

2.5 苗期抗旱性綜合分析

2.6 芽期、苗期抗旱綜合分析

從圖1可以看出，芽期的極強抗旱類型和強抗旱類型各有1份資源，分別來自山西中北部和晉南地區；苗期篩選出極強抗旱類型資源共8份，強抗旱類型5份，篩選出的品種大多來自晉南包括運城、臨汾地區，部分來自晉北包括大同、朔州、忻州等地區。依據芽、苗期抗旱綜合分析，晉南地區品種抗旱性較強，其中紫稈黍（00003289）在芽、苗期均為極強抗旱類型。

3 結論與討論

黍稷是禾谷類作物中最耐旱的作物之一，受干旱脅迫時其生理結構表現出較強的適應性，其根、莖和葉的形態結構近似旱生植物，如葉面氣孔小，根莖輸導組織發達，小麥等禾谷類作物只有2行導管，黍稷有3行[26]。種子根生長迅速，地上部分只有3～4片葉時入土深度達40～50 cm，苗期高度耐旱。以往抗旱性研究多集中于小麥[27-28]、玉米[29-30]、綠豆[31-32]、水稻[33-35]等作物，對小雜糧黍稷的研究相對欠缺，嚴重束縛了其在農業生產中的高效利用。張盼盼等[20]以10份黍稷為材料，采用PEG脅迫模擬干旱，研究黍稷苗期的抗旱性，結果表明，抗旱性鑒定的有效指標為葉片內抗氧化酶系統，包括SOD、POD活性以及葉綠素含量；何繼紅等[36]以不同地區56份黍稷品種為材料，采用田間干旱脅迫法測定黍稷成株期的抗旱性，結果發現，隴糜2號與隴糜10號具有極強抗旱性；董孔軍等[37]以國內不同地區56份黍稷培育品種為材料，對黍稷育成品種苗期抗旱性分析，結果表明，植株含水量、生物學產量、單株葉面積等3項指標可作為黍稷苗期抗旱性鑒定指標；劉錦川等[38]以12個黍稷種質為材料，采用培養皿發芽及盆栽法PEG模擬干旱脅迫測定發芽期及苗期2個時期的抗旱性，結果表明，種子發芽率、發芽勢、幼苗成活率、葉片細胞膜透性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、游離脯氨酸（Pro）含量及丙二醛（MDA）含量等7項指標可作為抗旱性衡量指標。上述研究集中在苗期和成株期，本研究也涉及到苗期，與以往研究類似，通過PEG脅迫模擬干旱條件，測定不同黍稷品種的發芽率、發芽勢、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9個指標。而本研究的40份黍稷均來源于山西，多于以往研究。張盼盼等[20]研究的10份供試材料中僅有1份來源于山西，何繼紅等[36]與董孔軍等[37]研究的56份供試材料中，有12份來源于山西，而劉錦川等[38]研究的供試品種均來源于內蒙古。

植物的抗旱性是一個由多種因子協同作用的復雜性狀，應該從多個指標中篩選出極顯著相關的幾個主要抗旱指標，進行綜合性評價[39]。本研究運用主成分分析法、成對樣本t檢驗、隸屬函數法[17]等發現相對發芽率可作為評價黍稷芽期抗旱性強弱的重要指標；苗期抗旱性關鍵指標為相對苗長、相對苗鮮質量及相對葉綠素含量。這與前人的研究[5，17-19,22,36-38]成果一致。通過芽苗期抗旱分析，芽期篩選出極強抗旱類型1份，強抗旱類型1份；苗期篩選出極強抗旱類型共8個品種，強抗旱類型5個品種。綜合分析發現，來自繁峙的紫稈黍（00003289）在芽苗期均極強抗旱，總體來看，供試的40份材料中來自晉南地區的品種抗旱性較強，可以為黍稷育種中親本的選配提供優異的供體來源。