PEG-6000 模擬干旱脅迫對黑小麥種子萌發特性的影響

吳秀寧，敬樊，張軍，王新軍，于浩世

(1 商洛學院健康管理學院，陜西 商洛 726000；2 商洛市農業科學研究所，陜西 商洛 726000；3 商洛學院生物醫藥與食品工程學院，陜西 商洛 726000)

小麥是世界上主要的糧食作物，是全球約40%人口的主要糧食[1]。在我國，小麥是第三大糧食作物[2]。水分是限制作物生長發育的主要因素，在全球變暖和水資源緊缺的背景下，每年因干旱缺水導致的作物減產已超過其他非生物因素的總和[3]。種子萌發期是小麥生長發育的起始階段，也是對外界逆境較為敏感的階段，在土壤墑情不足、降水稀少的情況下，小麥種子萌發及出苗會受到嚴重抑制，導致產量下降[4]。培育和篩選抗旱性強的品種是應對干旱逆境的有效途徑[1]。

小麥抗旱性是一個復雜的生物學性狀，是多種因素共同作用的結果[5]。利用PEG 高滲溶液模擬干旱已成為研究小麥萌發期抗旱性的重要方法，并篩選出發芽勢、發芽率、胚根長等多個指標[6-8]。在分析方法上，多采用隸屬函數法綜合評價品種抗旱性[4，6-7]，這為后續研究提供了較好的借鑒。黑小麥是普通小麥的重要組成部分，因其含有豐富的營養物質和特殊的保健功效而被人們關注[9]。目前有關黑小麥的研究多集中在品種選育[2，10]和營養加工[2，11-12]等方面。有關小麥抗旱性研究已有大量報道[4，6，8，13]，這為后續研究提供了較好的借鑒和參考。本研究以在陜西有一定種植面積的7 份黑小麥品種為材料，PEG-6000 模擬干旱脅迫，測定其萌發指標，隸屬函數綜合評價供試材料抗旱性，以期為黑小麥品種選用和萌發期抗旱性鑒定提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年在商洛學院進行。供試黑小麥品種為珍選1 號(ZX1)、珍選2 號(ZX2)、西黑88(XH88)、楊紫1 號(YZ1)、秦紫1 號(QZ1)、秦紫2號(QZ2)、黑優1 號(HY1)。黑優1 號為商洛學院旱地小麥育種團隊選育，其余材料種子由商洛市秦嶺植物良種繁育中心收集和保存。

1.2 試驗設計

設4 個PEG-6000 濃度進行預試驗，分別為10%、15%、20%和25%，篩選出用于抗旱性鑒定的PEG-6000 適宜濃度為15%，蒸餾水作為對照。參考翟福勤等[14]的方法，精選大小基本一致的黑小麥種子，利用10 mol/L NaClO 溶液消毒1 min，經自來水沖洗，蒸餾水浸泡24 h 進行催芽。挑選露白種子，腹溝朝下，放置于鋪有雙層濾紙的培養皿內，每個培養皿放入30 粒小麥種子，加入10 mL 對應溶液。將培養皿置于恒溫培養箱中(25±2)℃培養，3次重復。

1.3 測定指標與方法

以胚根長≥種子長或胚芽長≥0.5 倍種子長作為發芽標準。第3 天測定發芽勢，第7 天測定發芽率。隨后每個培養皿挑選長勢一致的幼苗，測定最大主胚根長和芽長。按照根、種子、芽分開，用濾紙包裹后105 ℃烘箱中殺青10 min，70 ℃烘12 h，稱取干質量。計算發芽勢、發芽率、根冠比、貯藏物質轉運率，計算各項指標的抗旱系數。

發芽勢＝第3 天發芽種子數/供試種子總數×100%

發芽率＝第7 天發芽種子數/供試種子總數×100%

貯藏物質轉運率＝(芽＋根)干質量/(芽＋根＋種子)干質量×100%[6]

抗旱系數＝干旱測定值/對照測定值[8]

綜合抗旱系數＝品種所有測定指標抗旱系數的平均值[6]。

1.4 抗旱性評價

以供試品種不同指標的抗旱系數為依據，利用加權隸屬函數法進行綜合評價。隸屬函數參考文獻[15]計算。

1.5 數據分析

采用Excel 2003 進行數據整理，采用SPSS 18進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對黑小麥發芽勢和發芽率的影響

由表1 可知，干旱脅迫后黑小麥種子發芽勢出現下降。干旱脅迫后，秦紫2 號、西黑88 和黑優1號發芽勢較對照極顯著下降，降幅依次為26.39%、23.29%和18.67%；楊紫1 號發芽勢顯著下降，降幅為13.16%；珍選1 號發芽勢降幅最小，為3.66%；其余2 個品種發芽勢降幅介于7.14%～9.88%之間。

發芽率在干旱脅迫后較對照均有不同程度下降(表1)。干旱脅迫后，西黑88 發芽率極顯著低于對照，降幅為17.57%；秦紫2 號和黑優1 號發芽率顯著低于對照，降幅為17.33%和16.25%；珍選1 號發芽率降幅最小，為4.55%；其余品種發芽率降幅介于6.98%～7.69%之間。

表1 干旱脅迫下的黑小麥種子發芽勢和發芽率Table 1 Seed germination potential and germination percentage of black-grain wheat under drought stress %

2.2 干旱脅迫對黑小麥主胚根長和芽長的影響

由表2 可知，干旱脅迫后黑小麥種子主胚根長均低于對照。干旱脅迫下，秦紫2 號、黑優1 號和珍選2 號主胚根長顯著下降，降幅分別為47.87%、36.61%和35.85%；西黑88 主胚根長降幅最小，為6.12%；其余品種主胚根長降幅介于15.08%～28.07%之間。

干旱脅迫后黑小麥種子芽長較對照均有所下降(表2)。干旱脅迫下，秦紫2 號和黑優1 號芽長顯著低于對照，降幅為46.88%和37.26%；珍選1 號和珍選2 號芽長降幅較小，分別為2.78%和4.93%；其余品種芽長降幅介于14.25%～33.72%之間。

表2 干旱脅迫下的黑小麥種子主胚根長和芽長變化Table 2 Changes of main radicle length and bud length of black-grain wheat under drought stress

2.3 干旱脅迫對黑小麥根干質量和芽干質量的影響

由表3 可知，供試黑小麥品種根干質量在干旱脅迫后均下降。干旱脅迫下，秦紫2 號根干質量降幅最大，為64.38%，顯著低于對照；珍選1 號和秦紫1 號根干質量降幅較小，依次為5.08%和8.71%；其余品種根干質量降幅介于24.10%～36.17%之間。

干旱脅迫后黑小麥芽干質量出現下降(表3)。干旱脅迫下，西黑88 芽干質量降幅最大，為36.96%；其次為黑優1 號，降幅為36.07%；秦紫1號芽干質量降幅最小，為11.54%；其余品種芽干質量降幅介于20.93%～35.96%之間。

表3 干旱脅迫下的黑小麥種子根干質量和芽干質量變化Table 3 Changes of root and bud dry weight of black-grain wheat under drought stress

2.4 干旱脅迫對黑小麥根冠比和貯藏物質轉運率的影響

由表4 可知，干旱脅迫后黑小麥根冠比呈上升或下降趨勢。干旱脅迫下，珍選1 號、珍選2 號、楊紫1 號、秦紫1 號和黑優1 號根冠比較對照有不同程度增加，珍選1 號根冠比增幅最大，為26.67%；黑優1 號增幅最小，為2.56%。西黑88 和秦紫2 號根冠比則下降，降幅分別為3.23%和52.27%，且秦紫2 號根冠比在處理間呈統計學顯著性。

干旱脅迫后，除珍選1 號外，其余供試黑小麥種子貯藏物質轉運率均較對照呈下降趨勢(表4)。干旱脅迫下，秦紫2 號貯藏物質轉運率降幅最大，為40.58%，顯著低于對照；秦紫1 號降幅最小，為3.28%，其余品種降幅介于14.87%～23.62%。珍選1 號貯藏物質轉運率則較對照增加11.20%。

表4 干旱脅迫下的黑小麥種子根冠比和貯藏物質轉運率變化Table 4 Changs of root-shoot ratio and storage substance transport rate of black-grain wheat under drought stress

2.5 干旱脅迫下黑小麥萌發指標間相關性分析

基于供試品種的抗旱系數，進行萌發指標間的相關性分析(表5)。發芽勢與發芽率、芽長、根干質量、貯藏物質轉運率極顯著正相關。發芽率與芽長極顯著正相關，與根干質量、貯藏物質轉運率顯著正相關。芽長與根干質量、貯藏物質轉運率顯著正相關。根干質量與貯藏物質轉運率極顯著正相關。

表5 黑小麥萌發指標間相關性分析Table 5 Correlation analysis of germination indexes of black-grain wheat

2.6 黑小麥萌發期抗旱性綜合評價

由表6 可知，除芽干質量權重較小外，其余7 個指標均占有較大權重。以單個萌發指標的權重及對應隸屬函數值，加權求得抗旱性綜合評價值(D值)。根據D值進行聚類分析，供試黑小麥品種萌發期抗旱性可劃分為3 類。珍選1 號、秦紫1 號和珍選2 號為一類，屬強抗旱型；楊紫1 號、西黑88 和黑優1 號為一類，屬中等抗旱型；秦紫2 號為一類，屬弱抗旱型。

3 討論

普通小麥中，籽粒顏色為紫色、藍色、藍紫色和紫黑色的小麥統稱為黑小麥[2]。黑小麥籽粒Ca、Zn、Se 和Mn 含量均遠高于普通白粒小麥[13，16]，具有較好的保健功效。隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，黑小麥越來越受到人們關注。開展黑小麥抗旱性品種篩選，可為黑小麥品種選用和區域作物布局提供參考。

種子萌發期是作物生命歷程的起點[17]，萌發進程與作物后期生長發育密切相關。安欣慧等[6]研究表明，PEG-6000 模擬干旱脅迫后，普通小麥發芽勢、發芽率、芽長、貯藏物質轉運率等均受到抑制，表現為干旱脅迫后黑小麥發芽勢、發芽率、主胚根長、芽長、根干質量、芽干質量和貯藏物質轉運率較對照均有不同程度下降，但降幅存在差異，說明不同性狀指標對干旱脅迫響應存在差異[18]。根冠比在干旱脅迫后上升，這和王志恒等[19]研究結果基本一致。這表明干旱對地上部的抑制強于對根系的抑制程度。此外，根冠比和貯藏物質轉運率在干旱脅迫后也占有較大權重，可將其作為黑小麥萌發期干旱鑒定的指標。

多個指標可從不同角度反映作物抗旱性，隸屬函數法可綜合多個指標，得到的D值是介于[0，1]區間上的無量綱的純數，使品種間抗逆性具有可比性[20]。張軍等[21]通過隸屬函數分析，篩選出晉麥47 和小偃22 為強抗旱型品種。本研究中，基于D值和聚類分析，將供試黑小麥品種分為3 類，其中珍選1 號、秦紫1 號和珍選2 號為強抗旱型。而作物抗旱性是一個復雜的生物學性狀，供試品種在其他生育階段的抗旱性以及其遭受干旱脅迫后和產量品質的關系，還需進一步研究。

4 結論

在濃度為15%的PEG-6000 干旱脅迫下，黑小麥發芽勢、發芽率、主胚根長、芽長、根干質量、芽干質量和貯藏物質轉運率有不同程度下降，根冠比上升。變幅因品種而異，除芽干質量外，秦紫2 號在其余指標間變幅均呈統計學顯著性。發芽勢、發芽率、主胚根長、芽長、根干質量、根冠比和貯藏物質轉運率在干旱脅迫后占有較大權重，可作為黑小麥萌發期干旱鑒定的指標。基于D值和聚類分析，可將供試黑小麥品種分為3 類，珍選1 號、秦紫1 號和珍選2 號為強抗旱型，楊紫1 號、西黑88 和黑優1 號為中等抗旱型，秦紫2 號為弱抗旱型。