西北地區糜子資源抗旱性鑒定評價

蘭倩，金拂曉，陳凌，王海崗，Santra Dipak K，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.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）

糜子（Panicum miliaceumL.）屬禾本科黍屬1年生禾谷類作物，具有抗旱耐瘠的特性，適合種植于干旱少雨、土壤瘠薄的地區[1-2]。糜子在印度、俄羅斯、日本、烏克蘭、土耳其等國家和中東地區都有栽培[3-4]，我國主要種植區有甘肅、內蒙古、陜西、山西、黑龍江、吉林、新疆、寧夏等省區，是干旱和半干旱地區的重要經濟作物[5]。糜子是我國主要制米作物之一，脫殼之后為黃米，是西北地區主要食物，糜子籽粒中所含人體必需氨基酸含量大于小麥和玉米，營養豐富[6-7]。隨著農業技術推廣應用和生活水平不斷提高，糜子作為我國傳統糧食作物，因營養價值豐富，具有廣闊發展前景。

干旱是造成糧食減產的主要原因之一。據統計，世界上1/3的可耕地都面臨供水不足的狀況，而其他耕地也常會受到強干旱影響而減產[8]。干旱發生頻率高且持續時間長，不僅對作物光合作用、蛋白質合成等造成影響，也給生態環境、農業經濟發展造成嚴重危害[9]，所以，利用改變作物灌溉方式、增施有機肥和培育推廣抗旱作物等抗旱節水農業措施減少干旱帶來的危害成為農業生產關注的熱點問題。實踐證明，通過加快耐旱作物的選育進而培育抗旱品種是提高干旱地區土地利用效率的最有效措施，同時也是我國農業生產應對水資源缺乏的重要策略[10]。干旱對作物不同生育階段的影響不同，種子萌發階段是作物對干旱環境脅迫最為敏感的時期，干旱會影響萌發期種子的萌發率和幼苗生長速度，最終影響作物產量[11]，因此，研究作物芽期和苗期抗旱性鑒定至關重要。目前，國內外已對玉米[12]、谷子[13]、小麥[14-15]、水稻[16-17]等作物的抗旱性都有深入系統研究，模擬抗旱脅迫的試驗方法較多，包括土壤干旱法、高滲溶液法等，最常用的是高滲溶液法；使用的滲透介質也較多，包括甘露醇、蔗糖、PEG6000等，以PEG6000最 常 用[18]；對 抗 旱 性評價的方法包括了隸屬函數法、聚類分析法和灰色關聯度分析[19-21]等，大多研究認為，利用單項指標評價抗旱性不夠準確，多指標相結合的評價方法更能準確反映真實的抗旱性[22]。在糜子抗旱性研究方面，王海崗等[23]對20份山西糜子種質資源進行全生育期抗旱鑒定，通過株高、穗長、莖粗、株草質量等9個性狀相關性分析，發現穗質量和株草質量對抗旱性影響顯著，可作為生育期抗旱性鑒定指標；程冀南等[24]通過33份內蒙古的糜子核心種質資源的抗旱鑒定，對發芽勢、發芽率、根長、葉綠素含量等9個指標進行測量和分析，發現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，在主成分1中，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；在主成分2中，相對葉綠素含量可作為鑒定糜子苗期抗旱性的指標；劉天鵬等[25]以20%的PEG6000作為模擬干旱脅迫條件，研究56份糜子芽期的抗旱性，結果表明，糜子芽期重要的抗旱鑒定指標有貯藏物質相對轉運率、相對發芽率、相對根干質量和相對芽干質量；而張盼盼等[26]使用25%的PEG6000作為模擬糜子芽期干旱脅迫條件，發現相對發芽率、相對胚根長、相對芽干質量、相對芽鞘長可作為糜子芽期抗旱鑒定指標。

本研究以40份西北地區糜子資源為試驗材料，采用PEG6000模擬干旱脅迫條件，對糜子芽期和苗期9個性狀的抗旱性指標進行分析，并采用隸屬函數法、聚類分析法、相關性分析等評價西北地區不同糜子資源的抗旱性差異，旨在為發掘強抗旱性糜子資源、選育抗旱糜子品種和抗旱分子機理研究提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為來自西北地區的40份糜子資源，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，40份糜子資源的名稱、來源如表1所示。

表1 糜子資源名稱與來源Tab.1 Names and origins of broomcorn millet resources

1.2 試驗方法

參照邵歡歡等[27]的方法對試驗材料進行芽期和苗期抗旱性鑒定。

1.2.1 芽期抗旱性鑒定 隨機挑選其中7個糜子品種進行PEG6000脅迫濃度篩選。各品種取大小一致的糜子種子用1%次氯酸鈉溶液浸種消毒10 min，之后用無菌水沖洗3次，放置20粒種子在發芽床上（發芽床為直徑9.4 cm、鋪有2層濾紙的培養皿），將PEG6000脅迫濃度設置7個梯度，分別為：0（CK）、5%、10%、15%、20%、25%、30%，將其放入恒溫等濕的環境進行發芽處理，每個處理重復3次。于第4天統計發芽勢（GV）和第7天統計發芽率（GR），根據結果篩選生長情況差異最大的PEG6000脅迫濃度，使用該濃度對所有品種糜子進行芽期抗旱性鑒定，并對芽期各性狀指標進行相關性分析、主成分分析、隸屬函數平均值分析等抗旱綜合分析。

1.2.2 苗期抗旱性鑒定 每個品種試驗材料隨機選取7粒種子消毒后各自播入育苗盤中，每日補充適量營養液，在25 ℃恒溫光照培養箱中進行培養，待幼苗長至三葉一心時，每孔保留生長一致的幼苗5株進行脅迫處理。試驗組用Hoagland營養液和篩選好濃度的PEG6000溶液模擬干旱脅迫處理4 d，后3 d只 用Hoagland營 養 液 處 理；對 照 組 用Hoagland營養液處理7 d。試驗與對照營養液處理總量相同。試驗結束后每孔挑選3株糜子測量苗長（SL）、根長（RL）、苗鮮質量（SFW）、根鮮質量（RFW）、苗干質量（SDW）和根干質量（RDW），用SPAD儀（TYS-B）測定葉綠素含量（CC），進行苗期抗旱性指標鑒定，并對苗期指標進行相關性分析、主成分分析、隸屬函數平均值分析等抗旱綜合分析。

1.2.3 指標隸屬函數分析、相關性分析和主成分分析 隸屬函數分析的指標有：隸屬函數發芽勢、隸屬函數發芽率、隸屬函數葉綠素，取這3個指標平均值為芽期隸屬函數平均值（1）；隸屬函數根長、隸屬函數苗長、隸屬函數根鮮質量、隸屬函數苗鮮質量、隸屬函數根干質量、隸屬函數苗干質量，取這6個指標平均值為苗期隸屬函數平均值（2）。

相關性分析的指標有：相對發芽勢（RGP）、相對發芽率（RGR）、相對根長（RRL）、相對苗長（RSL）、相對根鮮質量（RRFW）、相對苗鮮質量（RSFW）、相對根干質量（RRDW）、相對苗干質量（RSDW）、相對葉綠素含量（RCC）。

主成分分析指標有：相對根長（RRL）、相對苗長（RSL）、相對根鮮質量（RRFW）、相對苗鮮質量（RSFW）、相對根干質量（RRDW）、相對苗干質量（RSDW）、相對葉綠素含量（RCC）。

1.3 數據分析

試驗采用Microsoft Excel、SPSS 25.0軟 件 進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 芽期和苗期不同糜子資源對干旱脅迫的響應

通過比較同一品種不同濃度PEG6000下的7個樣品的發芽勢和發芽率，發現在25% PEG6000濃度脅迫下糜子生長情況差異最明顯，所以，將其作為篩選糜子抗旱性脅迫濃度。

從表2可以看出，干旱脅迫下發芽勢、發芽率、根長、苗長、苗鮮質量、苗干質量的測量值較對照均下降。其中，發芽勢和發芽率較對照下降明顯，干旱脅迫后糜子發芽勢較對照減少85.69百分點，發芽率較對照減少97.50百分點，是所有指標中變化幅度最大的。根長、苗長、苗鮮質量也受到了抑制，較對照分別減少0.05、1.45、0.07百分點，苗長變異系數最大，苗鮮質量和根長次之。從表2也可以看出，干旱脅迫下根干質量平均值、根鮮質量平均值與對照相比沒有變化，綠素含量在干旱脅迫下平均較對照增加了0.88百分點。由此可知，干旱脅迫對糜子抑制作用表現在多個性狀上，并且芽期、苗期抑制程度差異不同。

表2 PEG脅迫下40份糜子品種抗旱指標統計Tab.2 Statistical analysis of drought resistance indexes of 40 broomcorn millet varieties under PEG stress

通過成對樣本t檢驗顯示，對照與處理間t值變化范圍是[-190.74，2.03]，其中，發芽勢t值為-35.44，發芽率t值為-190.74，|t|值越大說明樣本差異越顯著，所以，PEG水分脅迫對種子發芽產生了特別明顯的抑制作用。干旱脅迫下各性狀指標變異系數為0.13%～6.33%，其中，發芽勢變異系數變化最大，較對照變化增加了6.15百分點；其次是發芽率，較對照組變化增加3.29百分點；苗期除苗長以外，所有指標變異系數較對照都有所下降，但下降幅度不大。

綜上所述，不同品種在PEG脅迫下檢測性狀差異明顯，其中，芽期的發芽勢和發芽率性狀差異顯著，苗期的苗長、苗鮮質量和根長性狀差異明顯，可作為抗旱性鑒定指標，但由于鑒定分析糜子資源抗旱性與多項指標有關，所以，不能單一指標進行評價，會導致試驗結果不夠準確，多指標綜合鑒定分析才能使結果更加準確有力。

2.2 PEG脅迫下糜子各性狀的相關性分析和主成分分析

從表3可以看出，芽期的2個指標相對發芽勢和相對發芽率相關性較低，為0.12；苗期指標中相對根鮮質量與相對根干質量相關系數最大，為0.91，二者相關性最高；相對苗鮮質量與相對苗干質量相關系數為0.83，相關性次之；相對苗長與相對苗鮮質量的相關系數為0.81，相關性其次；苗期7個指標除相對葉綠素含量之外，其余指標間均呈極顯著正相關關系。相關系數表明，芽期指標與苗期各指標間均無相關性或相關性極小，相對葉綠素含量與相對發芽率、相對苗鮮質量有一定相關性，與其余性狀相關性均較低。檢測指標間顯著的相關性表明，PEG脅迫對各性狀作用效果明顯，但仍有局限性，除了可以利用發芽勢、發芽率、苗長、苗鮮質量和根長對糜子芽期和苗期抗旱性進行評價外，還可以借助與其指標相關的其他分析方法來評價糜子抗旱性。

表3 干旱脅迫下各指標的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of each index under drought stress

采用主成分分析法對40份糜子資源苗期7個抗旱指標相對值（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、相對葉綠素含量）進行分析。由表4可知，前2個因子特征值為4.44和1.01，貢獻率分別為63.38%和14.40%，累計貢獻率達77.78%，根據主成分分析法累計貢獻率大于70%的原則，前2個因子可作為主成分代表苗期7個抗旱指標進行抗旱等級評價。

表4 抗旱指標特征值與累計貢獻率Tab.4 Eigen values and cumulative contribution of drought resistance indexes

從苗期各主成分分析結果（表5）可以看出，在因子1中，起主要作用的指標是相對苗鮮質量（0.92）、相對根干質量（0.90）、相對苗長（0.86）、相對根鮮質量（0.85）、相對苗干質量（0.83）、相對根長（0.78）；在因子2中，起主要作用的指標是相對葉綠素含量，為0.98。在相關性分析的基礎上結合以上數據，表明糜子苗期幼苗生長的7個性狀指標可以作為抗旱性強弱評價的主要考慮因素，且通過相對葉綠素含量表明苗期受干旱脅迫強弱會影響植物的光合作用。

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

2.3 40份不同品種糜子資源的芽期和苗期抗旱性評價

2.3.1 芽期抗旱性評價 對芽期隸屬函數平均值和芽期綜合抗旱系數進行相關性分析，從表6可以看出，二者間相關系數為0.89，呈極顯著相關，表明芽期綜合抗旱系數和芽期隸屬函數平均值均可作為判斷糜子芽期抗旱性強弱的指標。

表6 芽期和苗期指標相關性分析Tab.6 Correlation analysis between indexes in bud and seedling stage

應用隸屬函數法評價抗旱性[28]，隸屬函數值越大，抗旱性越強[29]。參考前人抗旱性分級標準[30]（1級，隸屬函數平均值0.6～0.8，為抗旱型品種；2級，隸屬函數平均值0.4～0.6，為較抗旱型品種；3級，隸屬函數平均值0.2～0.4，為較不抗旱型品種；4級，隸屬函數平均值小于0.2，為不抗旱型品種），對芽期隸屬函數平均值進行分級（表7），結果表明，芽期抗旱品種是甘肅永登小黑糜（00002741）；較強抗旱品種是新疆黃糜子（00003056）；較不抗旱品種有青海大黃糜（00005532）和青海白圪塔糜（00007478）；不抗旱型品種有36個，占供試品種的90%。

表7 芽期隸屬函數平均值分級Tab.7 Grading of the mean value of the subordinate function at bud stage

用苗期綜合抗旱系數進行聚類分析綜合評價結果可以看出（表8），1級抗旱品種有寧夏黃糜（00006798）；2級抗旱品種有甘肅張掖老黃糜子（00002684）和新疆黃糜子（00003056）；3級抗旱品種有8個，占供試品種的20%；4級抗旱品種有24個，占供試品種的60%；5級抗旱品種有5個，占供試品種的12.50%。

表8 苗期3項指標綜合評價Tab.8 Comprehensive evaluation of three indexes at seedling stage

用苗期綜合抗旱得分F值進行聚類分析綜合評價，結果發現（表8），1級抗旱品種是寧夏黃糜（00006798）；2級抗旱品種是甘肅張掖老黃糜子（00002684）和新疆黃糜子（00003056）；3級和4級抗旱品種同用苗期綜合抗旱系數進行的聚類分析結果一致；5級有5個，占供試品種的12.50%。因為苗期綜合抗旱系數和苗期綜合抗旱得分F值相關性呈極顯著相關，所以，二者指標綜合分析大致相同。

用苗期隸屬函數平均值聚類分析綜合評價發現（表8），1級抗旱品種有6個，分別是寧夏黃糜（00006798）、新疆黃糜子（00003056）、甘肅鼓鼓頭糜（00007332）、甘肅張掖老黃糜子（00002684）、青海黃糜子（00005574）、甘肅廣河黃糜（00003041），占供試品種的15%；2級抗旱品種有4個，分別是甘肅皋蘭半臉紅（00002778）、甘肅E75-30（00007889）、寧夏寧糜6號（00002651）、甘肅60天紫稈紅小糜（00002878），占供試品種的10%；3～4級抗旱品種有26個，占供試品種的65%；5級抗旱品種有4個，占供試品種的10%。

綜合以上評級，在苗期抗旱性評價中抗旱性最強的品種是寧夏黃糜（00006798），抗旱性較強的品種有甘肅張掖老黃糜子（00002684）、新疆黃糜子（00003056）、甘肅鼓鼓頭糜（00007332）、青海黃糜子（00005574）和甘肅廣河黃糜（00003041）。

2.4 40份糜子資源芽期、苗期抗旱性綜合分析

在芽期抗旱鑒定評價中，從40份來自西北不同地區的糜子資源中選出1份芽期強抗旱資源甘肅永登小黑糜（00002741）；較強抗旱資源是新疆黃糜子（00003056）。在苗期抗旱鑒定評價中，從同批糜子資源中選出6份苗期具有較強抗旱性的資源：寧夏黃糜（00006798）、甘肅張掖老黃糜子（00002684）、新疆黃糜子（00003056）、甘肅鼓鼓頭糜（00007332）、青海黃糜子（00005574）和甘肅廣河黃糜（00003041）。通過聚類分析綜合評價，新疆黃糜子（00003056）是40份糜子資源中芽期和苗期都有較強抗旱性的品種。

3 結論與討論

干旱給農業發展帶來極大的危害，目前主動應對干旱是大家關注的熱點，比如科學選用抗旱作物、有效利用土壤水分、提高整地質量等都是積極主動的抗旱措施。在土壤干旱時，各種作物耗水量都會下降，其中，糜子在中度干旱時耗水降低量是作物中最少的，僅降低22.55%，而谷子為71.50%，玉米為50.31%，高粱為33.80%；嚴重干旱時糜子耗水降低量為62.55%；極嚴重干旱時糜子還能正常抽穗結實得到少量的籽粒[31]，此外，糜子能有效地利用生育后期的自然降水彌補前期遇到干旱的影響，減少產量的損失，上述都說明糜子是禾谷類作物中抗旱性較強的一種作物，既能抗土壤干旱，又抗大氣干旱[32]。近年來，利用室內試驗方法鑒定作物抗旱性研究有很多，如李靜靜等[33]在不同基因型小麥品種萌發期抗旱性鑒定中指出，在PEG6000模擬干旱脅迫下各項指標較對照組均有下降；孫瑤等[34]在棉花芽期抗旱性鑒定中發現，植株在遭受干旱時，各項指標或多或少都有下降趨勢；而左凱峰等[35]在研究甘藍型油菜苗期抗旱性鑒定中也說明了這一點，本試驗中干旱脅迫條件下測量的各項指標與前人研究結論基本一致，試驗結果中苗期苗長受干旱抑制最嚴重的結論與任毅等[36]對國內外小麥抗旱性鑒定所得到的結果相符合。抗旱性鑒定的關鍵是選擇合適的生理指標作為抗旱鑒定指標，作物在抗旱過程不只一個因素起作用，徐銀萍等[28]在研究大麥種質資源成株期抗旱鑒定中發現，作物抗旱性不能取決于某一性狀或者某幾個生理指標，綜合所有指標分析作物抗旱性得到的結論才是準確可靠的，本試驗研究結果也印證了這一點。

在模擬干旱試驗中，PEG6000濃度也是抗旱試驗研究的重要因素。對于同一種作物而言，研究者使用的PEG6000模擬干旱的濃度各不相同，劉天鵬等[25]以20%的PEG6000作為模擬干旱脅迫條件，對糜子芽期抗旱性進行了研究；而張盼盼等[26]使用25%的PEG6000作為模擬糜子芽期干旱脅迫條件，盡管2個試驗研究作物相同，但所使用的PEG6000濃度不同，二者試驗均證明相對發芽率可作為糜子芽期抗旱鑒定的指標。目前大多數研究者在作物抗旱性方面選用的PEG6000濃度在20%～25%。研究也表明，同一濃度的PEG6000對不同植物影響也不同，5%的PEG6000抑制鴨茅種子的萌發[37]，但是會促進牧草飼料作物種子的萌發[38]。這說明，用PEG6000模擬干旱條件時，可以根據不同作物的響應，選擇最適宜的濃度。

本研究在25% PEG6000模擬干旱條件下，鑒定西北地區40份糜子資源的抗旱性，獲得芽期抗旱和較抗旱資源2個，分別為甘肅永登小黑糜（00002741）和新疆黃糜子（00003056）；采用隸屬函數法和綜合抗旱系數聚類分析方法綜合鑒定獲得苗期抗旱資源6份，分別為寧夏黃糜（00006798）、甘肅張掖老黃糜子（00002684）、新疆黃糜子（00003056）、甘肅鼓鼓頭糜（00007332）、青海黃糜子（00005574）和甘肅廣河黃糜（00003041）。通過相關分析法、隸屬函數法和綜合抗旱系數聚類分析法等多種抗旱鑒定方法綜合評價，新疆黃糜子（00003056）苗期、芽期均表現出較強的抗旱性，可以用作抗旱育種中的優異親本材料。