冀北不同裸燕麥品種萌芽期抗旱性評價

王星宇，王 霞，程 靜，李默涵，馮小磊，李云霞，左文博，董占紅，葛軍勇

（張家口市農業科學院/河北省高寒作物研究所，河北 張家口 075000）

燕麥隸屬于禾本科（Poaceae）燕麥屬（AvenaL.）， 為1年生草本植物，分布于亞洲、歐洲、美洲等5個大洲的76個國家，是全球第七大栽培作物，具有極高的營養、醫療保健、飼用與生態價值，是一種糧、飼、藥多用途作物，也是對抗生態環境退化的先鋒作物[1-3]。我國種植的主要為大粒裸燕麥（Avena nuda）[4]，其種植區分布在華北、西北、西南、東北高海拔高緯度的干旱、冷涼地區，是產區人民的主要食糧與草料作物。因燕麥主要產區分布在干旱半干旱地區，降水量時空分布極不均衡，加之氣候變化帶來的干旱等自然災害發生頻次增加，季節性干旱和不定期干旱頻發，干旱成為該區域限制燕麥高產、穩產的主要逆境因子。因此，抗旱性研究成為近年來燕麥研究領域的一大熱點，諸多學者已從抗旱性鑒定與評價、水分脅迫下生理生化響應機理等方面開展了大量研究[5-8]，加深了人們對燕麥抗旱機理的認知。從國內外生產實踐來看，培育和選擇抗旱品種可能是應對干旱脅迫最有效的途徑，而大量、快速、準確地鑒定出不同燕麥種質的抗旱能力與特性對培育抗旱品種至關重要，這就需要對抗旱性的鑒定指標進行系統性研究[9-15]。

前人已在農作物抗旱鑒定方法、抗旱分子機制和燕麥品種抗旱研究方面取得一定進展[7,16-18]，但在燕麥主推品種的抗旱性方面研究較為薄弱。本研究選取12個冀北高寒區域生育期不同、表型性狀差異較大的裸燕麥主推品種及高代穩定品系，通過聚乙二醇（PEG-6000，polyethylene glycol）高滲溶液模擬干旱脅迫，在種子萌芽期測定發芽勢、發芽率等指標以及種子萌發指數、種子活力指數等抗旱性相關指數[19-21]，研究不同品系燕麥種子萌芽期對干旱脅迫的響應，進而對其抗旱性進行綜合評價，旨在為裸燕麥品種在冀北地區的栽培與選育方向提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選用的12個燕麥品種為品五（Pinwu）、壩莜 1號（Bayou 1）、壩莜 3號（Bayou 3）、壩莜 6號（Bayou 6）、壩莜8號（Bayou 8）、壩莜9號（Bayou 9）、壩莜14號（Bayou 14）、9641-6、9641-13、壩莜 18號（Bayou 18）、壩莜 19號（Bayou 19）和 200919-7-1，其中，壩莜1號為對照品種。參試所用燕麥種子均為2020年張家口市農業科學院在張北縣繁種基地繁育獲得。

1.2 試驗方法

本試驗因素有2個，即PEG-6000模擬外界干旱脅迫環境和燕麥品種。其中，干旱脅迫有6個處理：5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000梯度（m/V）和蒸餾水對照（CK）；12個燕麥品種每個處理重復3次，1個培養皿代表1次重復，共計216個培養皿。采用紙上發芽法，依據《農作物種子檢驗規程-發芽試驗》（GB/T 3543.4—1995）標準進行試驗，每個燕麥品種選取飽滿無殘缺、大小基本一致的種子，用5%的NaClO溶液浸泡燕麥種子15 min進行消毒處理，后用自來水沖洗2 min，再用蒸餾水漂洗3次，于紗布上攤開自然晾干備用。在每個培養皿上平鋪2張中性濾紙，用移液槍分別向不同培養皿中注入8 mL PEG-6000溶液，對照中注入等量的蒸餾水，用鑷子（75%乙醇消毒）將燕麥種子放置在培養皿中，每個培養皿放置燕麥種子50粒，蓋上培養皿蓋培養，放置于人工培養箱，22 ℃恒溫、相對濕度 60%～65%、每日光照 12 h（4 000 lx），培養10 d。根據前期測算同等環境時間蒸餾水蒸發量，用定量蒸餾水補充損失的水分，保持濾紙水分與PEG濃度，并從第2天開始統計發芽種子數。

1.3 測定指標及方法

試驗過程中統計發芽種子數（以胚根長度至少與種子等長、芽長不短于種子長的1/2為發芽標準），計算發芽率。從培養第2天開始調查發芽種子數，每隔24 h統計一次，分別以第5、10天的發芽率作為發芽勢（GE，germination energy）和發芽率（GR，germination rate）。培養至第10天時，從3個重復中挑選10株正常生長的幼苗，吸干表面附著水分后測定初生根、胚芽長、初生根數（NPR，number of primary root）、最長初生根長（LLPR，length of the longest primary root）、初生根總長（TLPR，total length of primary roots）、胚芽鞘長（CL，length of coleoptile）、胚芽長（SL，length of shoot）等關鍵指標。根據發芽種子數計算發芽率（GP，germination percentage）、發芽指數（GI，germination index）、種子萌發抗旱指數（PI，promptness index）等。

式中，Gt為第t天的發芽種子數，Dt為培養萌發的第t天，nd2、nd4、nd6、nd8分別為第 2、4、6、8天的種子發芽率。

1.4 數據分析

利用Excel 2016整理數據，使用SPSS 22.0進行數據的方差分析、相關性分析、主成分分析和逐步回歸分析。采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）對不同濃度PEG脅迫下各燕麥品系的萌芽期抗旱性指標進行分析，采用單因素方差分析（ANOVA）對不同濃度PEG-6000脅迫下單一品種燕麥種子萌芽期各指標間的差異進行比較（LSD法）。利用R語言進行聚類分析并制作相關圖表。

2 結果與分析

2.1 不同干旱脅迫下燕麥種子發芽率變化

發芽率代表了種子的活性，表1結果顯示，干旱脅迫處理、燕麥品種及二者的交互作用均可極顯著影響燕麥種子的發芽率（P＜0.01），表明不同燕麥品種對干旱脅迫的響應與適應策略不同。

表1 干旱脅迫對不同燕麥品種發芽率影響的方差分析結果Tab.1 Analysis of variances for germination rate of different oat varieties under drought stress

不同干旱脅迫處理下各燕麥品種隨培養時間延長發芽種子數變化如圖1所示，在中等干旱脅迫（PEG溶液為10%和15%）處理下均表現為前期快速發芽、后期種子發芽數較低的趨勢，種子發芽主要分布在第2～5天，各品種的種子發芽數表現出較為明顯的差異；而高干旱脅迫（PEG溶液為20%）種子發芽進程延緩，種子發芽主要分布在培養的第4～8天；而進一步增加干旱脅迫（PEG溶液為25%）條件下，所有品種的燕麥種子均未發現發芽情況（該濃度下種子的表現在后續的分析中不再予以考量）。

圖1 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發芽種子數的影響Fig.1 Effect of drought stress on number of germination seeds of different naked oat varieties

不同干旱脅迫處理下不同燕麥品種發芽率的多重比較結果如圖2所示，隨著PEG溶液濃度的增加，發芽率總體呈現降低趨勢。清水對照處理下，種子發芽率平均為91%，5%的PEG溶液處理下，平均發芽率降低至79%，與對照相比發芽率降低13.2%；10%和15%的PEG溶液處理下發芽率分別降至57%和44%，與對照相比發芽率分別降低37.4%和51.6%；而高度干旱脅迫處理下，平均發芽率降低至18%，僅為對照的20%，說明增加干旱脅迫強度將顯著抑制燕麥種子的發芽率，并且相比低等和高等干旱脅迫，各品種的種子發芽數以及發芽率在中等干旱脅迫處理下表現出較為明顯的差異，適宜于對種子發芽的各項指標進行分析；中等干旱脅迫處理使發芽率降低至70%以下，不同品種表現出極顯著差異（P＜0.01，圖2），10%的PEG溶液處理下，壩莜8號的發芽率僅為27%，顯著低于對照，抗干旱脅迫的能力最弱。15%的PEG溶液濃度下，壩莜6號和品五仍保持較高的發芽率，分別為64%和62%。結合高度干旱脅迫處理使發芽率綜合來看，壩莜8號、壩莜9號和9641-13的發芽率降幅最大，抗旱性較差。

圖2 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發芽率的影響Fig.2 Effect of drought stress on the germination rate of different naked oat varieties

2.2 不同干旱脅迫下燕麥種子發芽勢變化

發芽初期規定時間內正常發芽數越高，則表示種子的生活力越強，發芽出苗情況整齊一致。從表2可以看出，干旱脅迫處理極顯著影響燕麥種子的發芽勢（P＜0.01），不同燕麥品種間種子發芽勢差異極顯著（P＜0.01），干旱脅迫和品種對發芽勢的影響存在極顯著互作效應（P＜0.01），表明不同燕麥品種的發芽勢對干旱脅迫的響應與適應策略有顯著差異。

表2 干旱脅迫對不同燕麥品種發芽勢影響的方差分析結果Tab.2 Analysis of variances for germination potential of different oat varieties under drought stress

由圖3可知，隨著PEG溶液濃度的增加，燕麥種子發芽勢逐漸降低。清水對照下，平均發芽勢為50%，輕度干旱脅迫使發芽勢降至43%，降幅達14%，中度干旱脅迫處理分別使發芽勢降至32%和24%，降幅分別為36%和52%。不同燕麥品種本身的發芽勢差異較大，壩莜18號的發芽勢最高，達62%，其次是9641-13，為59%，壩莜19號和壩莜8號的發芽勢最低，與對照的39%持平。中等干旱脅迫處理使發芽勢降低至50%以下，且不同品種表現出極顯著差異（P＜0.01）。10%的PEG溶液處理下，發芽勢減少量介于2%～30%，壩莜6號的變化最小，壩莜9號的變化最大，壩莜6號的發芽勢為47%，顯著高于其他品種（P＜0.05）；200919-7-1、壩莜14號、壩莜18號、壩莜3號和品五的發芽勢僅次于壩莜6號。15%的PEG溶液處理下，壩莜6號的發芽勢顯著高于其他品種（P＜0.05）。高度干旱脅迫處理使發芽勢降低至11%以下，且不同品種間差異顯著（P＜0.05），200919-7-1、壩莜 3號、壩莜6號和品五的發芽勢顯著高于其余品種（P＜0.05），介于8%～10%；其余品種的發芽勢均在5%以下，進一步增加脅迫強度將完全消除種子發芽勢。

圖3 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發芽勢的影響Fig.3 Effect of drought stress on germination potential of different naked oat varieties

2.3 不同干旱脅迫下燕麥種子發芽指數變化

方差分析結果表明（表3），干旱脅迫處理極顯著影響燕麥種子的發芽指數（P＜0.01），不同燕麥品種間種子發芽指數差異達極顯著水平（P＜0.01），干旱脅迫和品種對發芽勢的影響存在極顯著互作效應（P＜0.01）。

表3 干旱脅迫對不同燕麥品種發芽指數影響的方差分析結果Tab.3 Analysis of variances for germination index of different oat varieties under drought stress

如圖4所示，隨干旱程度的逐漸加重，12個燕麥品種的種子發芽指數總體呈逐漸降低趨勢，不同干旱程度下不同燕麥品種間的發芽指數差異顯著。清水對照下，9641-13的發芽指數最大，為14.4，其次是品五，為13.9。多重比較結果表明，10%和15%的PEG濃度處理下，相比清水對照，發芽指數減少最多的分別是壩莜8號和9641-13，而壩莜6號減少最少，且其發芽指數（10.6）顯著高于其他品種（P＜0.05）。20%的PEG濃度處理下，發芽指數降低至4以下，9641-13，壩莜3號和壩莜6號的發芽指數在3左右，顯著高于其他品種（P＜0.05）。

圖4 干旱脅迫對不同裸燕麥品種發芽指數的影響Fig.4 Effect of drought stress on germination index of different naked oat varieties

2.4 不同干旱脅迫下燕麥種子萌發抗旱指數變化

方差分析結果表明（表4），干旱脅迫處理極顯著影響燕麥種子萌發抗旱指數（P＜0.01），不同燕麥品種間種子萌發抗旱指數差異達極顯著水平（P＜0.01），干旱脅迫和品種對種子萌發抗旱指數的影響存在極顯著互作效應（P＜0.01）。

表4 干旱脅迫對不同燕麥品種種子萌發抗旱指數影響的方差分析結果Tab.4 Analysis of variances for germination drought resistant index of different oat varieties under drought stress

從圖5可以看出，隨干旱脅迫程度的逐漸加重，12個燕麥品種的種子萌發抗旱指數均呈現出逐漸降低的趨勢，不同干旱程度下不同燕麥品種間的種子萌發抗旱指數差異顯著（P＜0.05）。清水對照下，9641-13、壩莜18號、壩莜3號和品五的種子萌發抗旱指數最高，均在1.6以上；其次是壩莜14號，為1.5，壩莜19號和壩莜8號的種子萌發抗旱指數與對照（1.2）間無顯著差異。

圖5 干旱脅迫對不同裸燕麥品種種子萌發抗旱指數的影響Fig.5 Effect of drought stress on germination drought resistant index of different naked oat varieties

中等干旱脅迫處理下，種子萌發抗旱指數減少最多的是壩莜9號，減少最少的是壩莜6號，多重比較結果表明，其種子萌發抗旱指數顯著高于其他品種（P＜0.05），其次依次是品五、壩莜18號和壩莜3號。20%的PEG濃度處理下，種子萌發抗旱指數降低至0.4以下，壩莜3號和壩莜6號的種子萌發抗旱指數在0.35左右，顯著高于其他品種（P＜0.05），其次是200919-7-1、9641-13和品五，介于0.26～0.29。

2.5 干旱脅迫下12個裸燕麥品種5個指標的聚類分析結果

以12個裸燕麥品種在中等干旱脅迫下的初生根數、最長初生根長、初生根總長、胚芽鞘長、胚芽長共5個指標作為變量，采用R語言進行聚類分析，結果如圖6所示，當以遺傳距離8為閾值，12個燕麥品種被聚為3類，類群I僅有1個品種（200919-7-1），其最長初生根、初生根總長和胚芽長度3個指標均為最長；類群II由對照壩莜1號、品五和壩莜3號組成，該類品種無論是初生根數還是其他初生根和胚芽的長度指標均比較高；類群III包括其余的壩莜18號等8個品種，該類品種占總品種的66.7%，其初生根等各項生長指標相對值并不突出。

圖6 12份燕麥品種早期生長指標聚類分析結果Fig.6 Cluster analysis results of early growth indexes of 12 oat varieties

3 結論與討論

在當今氣候變化背景下，極端干旱氣候的發生頻率增加，抗旱育種面臨前所未有的挑戰[22-25]。本研究利用廣泛使用的PEG模擬干旱脅迫對12份燕麥品種的抗旱性進行鑒定，10%和15%的PEG溶液模擬的中度干旱脅迫使得各品種種子的發芽數以及發芽率表現出較為明顯的差異。前人模擬抗旱研究大多是對單一濃度下種子的抗旱表現展開分析[26]。本研究結合輕度和高度干旱脅迫下部分品種的表現，作為種子抗旱發芽方面的依據，結果表明，5%的PEG溶液下，壩莜3號和壩莜14號繼續保持較高的發芽率，輕度干旱脅迫反而促進其發芽率增加，這可能與輕度干旱脅迫激發了種子生理和代謝強度，促進了根系生長和活力有關[27-30]。在中度干旱脅迫下，壩莜6號和品五能維持較高（60%以上）的發芽率，壩莜1號和壩莜8號的發芽率降至40%以下，說明不同品種對不同干旱脅迫程度的適應能力不同，不同燕麥品種對干旱脅迫的響應規律有待深入研究[31-32]。壩莜6號和品五在中度干旱脅迫條件下，發芽勢也維持在較高水平，可能是由于細胞在干旱脅迫下會分泌游離脯氨酸等滲透調節物質對細胞內結構進行保護，增強了種子萌芽期抗旱性[7，24，27-28，33]。重度干旱條件下，種子的發芽勢基本消失，實際生產中，如遇較大旱情，應及時澆蒙頭水以保證出苗[34]。

此外，在發芽指數方面，中等濃度10%和15%的PEG溶液處理下，發芽指數減少最多的是壩莜8號和9641-13，減少最少的均為壩莜6號，說明壩莜6號的避旱性和抗旱能力較強，在輕度至中度干旱脅迫條件下，仍能保持較高的發芽指數[8]。200919-7-1和壩莜8號對干旱脅迫較為敏感，輕度干旱則使其發芽指數顯著降低；中度干旱脅迫條件下，參試品種的發芽指數變化差異較大，能維持較高發芽指數的品種是壩莜6號和品五，但個別品種的發芽指數大幅降低，如9641-13，說明不同品種對不同程度干旱脅迫的響應大小和方向差異較大，對干旱脅迫的敏感性不同[17]。在萌發抗旱指數方面，不同燕麥品種差異顯著，除壩莜19號、壩莜8號和對照的萌發抗旱指數較低外，其余參試品種的萌發抗旱指數均在1.5左右。隨著干旱脅迫程度的增加，壩莜8號的萌發抗旱指數大幅降低，表現出較差的萌發期抗旱性。而且，隨著PEG濃度的增加，萌發抗旱指數在品種間的差異逐漸拉大，壩莜18號、壩莜6號和品五維持著較高的萌發抗旱指數，表現出較低的干旱敏感性；壩莜19號、壩莜8號和壩莜9號的萌發抗旱指數大幅降低，表現出較高的干旱敏感性。因此，燕麥生產中應選擇萌發抗旱指數高的品種，在干旱發生時增強種子萌發期抗旱能力。

同時對中等干旱脅迫下種子初生根和胚芽的生長情況進行聚類分析，結合發芽指標綜合評價以篩選出抗旱性較強的優勢裸燕麥品種。聚類分析將12個燕麥品種分為三大類，類群I的200919-7-1和類群II的對照壩莜1號、品五和壩莜3號的初生根數、最長初生根長、初生根總長、胚芽鞘長、胚芽長5個生長指標的相對值較高，屬于抗旱性品種，這與之前分析的燕麥種子發芽指數和萌發抗旱指數結果基本一致。

本試驗在模擬干旱脅迫條件下，干旱脅迫程度、燕麥品種以及二者的交互作用均顯著影響燕麥種子發芽率、發芽勢、發芽指數和萌發抗旱指數等指標。從發芽率、發芽勢、發芽指數和萌發抗旱指數以及聚類分析來看，品五和壩莜3號的抗旱性最為突出，干旱脅迫條件下仍能保證一定發芽率和發芽勢以及維持較高的發芽指數和萌發抗旱指數。壩莜6號和200919-7-1也具有較好的抗旱性，但應對不同程度的干旱表現不一致。后期須通過田間試驗進一步驗證不同品種的抗旱表現，同時應考慮測定種子萌芽期相關激素含量及基因表達情況，揭示不同品種抗旱性差異的分子機制。