不同谷子品種(系)萌發期對干旱脅迫的響應及抗旱性評價

鞠樂 陳培育 牛銀亭 陰志剛 強學蘭 強學杰 李君霞

摘要：為研究谷子種子萌發期抗旱性機制，建立抗旱性評價體系，以10份谷子種質資源為試驗材料，采用 PEG-6000 溶液模擬干旱脅迫，依據變異系數來確定比較適宜的谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定條件。利用方差分析、相關性分析、主成分分析及關聯度分析等多種方法綜合分析與抗旱性相關的10個指標；采用隸屬函數法對參試谷子種質資源進行抗旱性等級劃分。結果表明，隨著PEG濃度的增加，對供試品種（系）的生長發育抑制作用增強，在20% PEG-6000干旱脅迫下，所有供試材料的相對根長、相對鞘長、相對芽長、相對根干質量、相對芽干質量均小于1。20% PEG-6000模擬干旱脅迫是比較合適的谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定濃度。相對根長、相對根干質量、相對物質轉運速率可以作為谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定的主要指標。采用隸屬函數評價法，將10份谷子品種（系）分為4個等級，K325為抗旱型品種，滄718為較抗旱型品種，滄14-365、中谷5為中間型品種，K4099、豫谷35、濟谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098為干旱較敏感型品種。

關鍵詞：谷子；萌發期；干旱脅迫；抗旱性；鑒定指標

中圖分類號：S515.01? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）23-0040-07

干旱是影響農作物生長發育及其產量、品質的主要限制性因素之一，我國干旱及半干旱地區面積占全國國土總面積的一半，干旱及半干旱的耕地占全國耕地總面積的38%左右，因干旱而造成的糧食減產量每年達到總災害糧食損失量的一半［1］。我國是水資源緊缺大國，不斷提高農作物抗旱能力已成為當前我國急需解決的重要課題［2］。谷子是我國最古老的農作物之一，兼具糧用和飼用作用，具有耐瘠薄、抗旱性強、適應性強等特點，為保障我國糧食安全發揮了重要作用［3］。作物種子萌發期對水分較為敏感，也是整個生育期內較為脆弱的階段，影響出苗率及后期的產量品質，萌發期是鑒定作物抗旱性的重要時期，因而在萌發期進行抗旱性鑒定是抗旱性新品種培育過程中的重要手段［1］。綜上所述，研究谷子種子萌發期的抗旱性機制是谷子育種及大田生產所面臨的關鍵性問題［2］。

目前，已報道多種農作物關于種子萌發期抗旱性鑒定等方面的研究，主要是因為種子萌發期抗旱性鑒定試驗可以在實驗室內進行，具有可操作性強、條件穩定且容易控制、試驗周期短等突出特點［1］。目前，關于谷子種子萌發期抗旱性機制、評價方法、抗旱性鑒定指標等方面的研究報道相對較多，但關于谷子種子萌發期抗旱性評價體系尚未達成一致。李云等的研究表明，10%聚乙二醇（PEG-6000）可以作為谷子種子萌發期抗旱性鑒定條件［4］。熊雪等的研究表明，可以將發芽勢、發芽率、胚根長、胚芽長、鮮質量等指標的相對值及抗旱指數等指標作為抗旱性評價指標［5］。代小冬等研究認為，可以將發芽勢、發芽率、胚芽長、胚根長等指標的相對值及活力抗旱指數等指標作為抗旱性鑒定指標［6］。本研究采用PEG-6000溶液進行干旱脅迫處理，根據各測定指標變異系數確定適宜的抗旱性鑒定濃度；對10份谷子品種（系）的相對發芽勢、相對發芽率、相對根長等10個指標采用相關性分析、主成分分析、灰色關聯度分析等多種方法進行比較分析，以期篩選出抗旱性鑒定指標，建立抗旱性評價體系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的10份谷子種質為K325、K4099、豫谷35、滄14-365、滄718、濟谷21、衡2011123、冀谷40、中谷5、宛谷098。供試材料來源于河南省農業科學院糧食作物研究所。

1.2 試驗設計

本研究采用PEG-6000［0、5%、10%、15%、20%（質量體積比）］溶液模擬干旱脅迫。本試驗自2022年10月起至2023年1月在南陽市農業科學院六樓實驗室內進行。

發芽試驗參照GB/T 3543.4—1995《農作物種子檢驗規程 發芽試驗》，略有改動。種子清洗干凈后用0.4%高錳酸鉀消毒1.5 h，再用蒸餾水沖洗4次。在經75%乙醇消毒過的12 cm×12 cm×6 cm發芽盒內鋪上2層濾紙，加入10 mL PEG-6000溶液，排空氣泡，選取50粒籽粒飽滿的種子均勻擺放在濾紙上。3次重復。將發芽盒放置于25 ℃恒溫人工氣候培養箱，進行暗培養，3 d后進行光照培養，每天光照16 h，濕度為55%，8 d后終止發芽試驗。

1.3 測定指標與方法

分別于2、4、6、8 d調查種子發芽率，第4天統計發芽勢。萌發指數（PI）、萌發抗旱指數計算方法參照代小冬等的研究［6］。8 d時，分別從每個發芽盒內隨機選取20株幼苗，測其根長、芽鞘長、芽長，然后將材料放入烘箱中，溫度調至105 ℃殺青約 30 min，然后溫度調至80 ℃繼續烘干至恒質量，測其根干質量、芽干質量，并計算出根冠比、物質轉運速率。各指標的相對值計為抗旱系數。

根冠比=胚根干質量／胚芽干質量；

物質轉運速率=（胚根干質量+胚芽干質量）/（胚根干質量+胚芽干質量+籽粒干質量）×100%；

相對值=（脅迫處理的指標值/對照的指標值）×100%。

1.4 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理，DPS v7.05進行數據分析。抗旱性評價采用標準差系數賦予權重法、隸屬函數法等進行抗旱性綜合評價，因子權重值、隸屬函數值計算方法參照樊瑀等的研究［1］。

2 結果與分析

2.1 PEG-6000模擬干旱脅迫對谷子種子萌發的影響

參試谷子種質的各指標對不同程度干旱脅迫的敏感性存在差異。由表1可知，除相對根長品種（系）間、相對鞘長品種（系）與PEG濃度互作、根冠比PEG濃度間、相對根冠比PEG濃度間外，其他各指標在品種（系）間、PEG濃度間、品種（系）與PEG濃度互作均存在顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）差異。由表2可知，20% PEG-6000干旱脅迫下，所有品種（系）的相對根長、相對鞘長、相對芽長、相對根干質量、相對芽干質量均小于1，這表明在重度干旱脅迫下參試品種幼苗生長均受到明顯抑制作用。在不同PEG-6000濃度條件下，芽干質量、相對芽干質量這2個指標在5% PEG-6000干旱脅迫下的變異系數（18.43%、12.85%）較大。根長、相對根長、相對鞘長、相對芽長、相對物質轉運速率等5個指標在10% PEG-6000干旱脅迫下的變異系數（26.57%、27.63%、8.69%、10.22%、9.91%）較大。鞘長、相對發芽率這2個指標在15% PEG-6000干旱脅迫下的變異系數（7.41%、12.82%）最大。發芽勢、發芽率、萌發指數、芽長、根干質量、根冠比、物質轉運速率、相對發芽勢、萌發抗旱指數、相對根干質量、相對根冠比等11個指標在20% PEG-6000干旱脅迫下的變異系數（19.98%、12.46%、16.97%、12.11%、20.57%、18.55%、14.60%、18.35%、14.47%、15.36%、20.32%）較大。可以看出，參試谷子種質間20個指標中有11個指標在20%PEG-6000干旱脅迫下變異系數較大，由此可以推測，用20% PEG-6000模擬干旱脅迫是比較合適的谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定條件。

2.2 20% PEG-6000干旱脅迫下各指標間相關性分析

為消除參試谷子種質遺傳背景差異，本研究采用各項指標抗旱系數（表3）進行指標間的相關性分析。由表4可知，相對鞘長與其他指標之間不存在顯著相關關系，其他指標間存在顯著或極顯著相關關系，例如相對發芽勢與相對發芽率、萌發抗旱指數呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.900 0、0.820 0。相對發芽率與萌發抗旱指數極顯著正相關，相關系數為0.910 0。相對根長與相對根干質量、相對根冠比、相對物質轉運速率顯著或極顯著正相關，相關系數分別為0.910 0、0.660 0、0.840 0。

2.3 20% PEG-6000干旱脅迫下各項指標的主成分分析

由表5可知，各指標主成分分析主因子數為3，累計貢獻率達到92.62%。因子1的貢獻率為35.66%，相對根長、相對根干質量、相對根冠比、相對物質轉運速率在該因子中起主要作用，主要反映根系生長、地上地下營養物質分配積累情況。因子2貢獻率為32.99%，主要是由相對發芽勢、相對發芽率、相對鞘長及萌發抗旱指數等指標決定，可以反映出谷子種子的萌發情況。因子3貢獻率為23.97%，主要是由相對芽長、相對芽干質量等指標決定，可以反映出谷子幼苗地上部分的生長情況。

2.4 參試谷子種質的抗旱性評價

2.4.1 加權隸屬函數值排序 由表6可知，所有供試品種（系）的加權隸屬函數值在0.218 3～0.882 4之間，平均值為0.453 2，變異系數為44.42%。根據抗旱性分級標準，K325為抗旱型品種（隸屬函數值在0.8以上），滄718為較抗旱品種（隸屬函數值在0.6～0.8之間），滄14-365、中谷5為中間型品種（隸屬函數值在0.4～0.6之間），K4099、豫谷35、濟谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098為干旱較敏感型品種（隸屬函數值在0.2～0.4之間）。供試品種（系）抗旱性強弱順序為K325（0.882 4）>滄718（0.688 7）>滄14-365（0.506 8）>中谷5（0.504 6）>衡2011123（0.385 5）>K4099（0.381 0）>冀谷40（0.359 7）>豫谷35（0.318 7）>宛谷098（0.286 4）>濟谷21（0.218 3）。比較加權隸屬函數值或表3中的加權抗旱系數發現，表6中的供試材料抗旱性強弱排序與表3中相似。

2.4.2 抗旱性鑒定指標的篩選 由表7可知，相對根長、相對根干質量、相對物質轉運速率與加權隸屬函數值呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.96、0.89、0.84；相對發芽率與加權隸屬函數值呈顯著正相關關系，相關系數為0.63。各項指標的抗旱系數與加權隸屬函數值之間的關聯度表現為相對根長（0.523 6）>相對根干質量（0.452 2）>相對發芽勢（0.426 4）>相對根冠比（0.383 7）>相對發芽率（0.380 4）>萌發抗旱指數（0.356 3）>相對物質轉運速率（0.339 1）>相對鞘長（0.281 1）>相對芽長（0.276 8）>相對芽干質量（0.243 1）。由此可以推測，相對物質轉運速率、相對根長、相對根干質量等指標可以作為谷子種質萌發期抗旱性鑒定的主要指標。

3 討論

3.1 干旱脅迫對谷子種子萌發的影響

谷子具有耐旱、耐瘠薄、適應性強等特點，在種子萌發期對水分環境比較敏感，可以認為是整個生命周期中對水分最為敏感的時期［7］。研究者大多采用PEG作為萌發期干旱脅迫的滲透脅迫劑模擬干旱脅迫，一方面是因為PEG分子質量較大不易通過細胞壁，不會對植物產生毒害作用，另一方面是因為PEG溶液可以降低種子對水分的吸收速率，從而達到模擬干旱脅迫的效果［8］。本研究采用不同濃度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，結果表明，參試谷子種質的各指標對不同程度干旱脅迫的敏感性存在顯著差異，輕度干旱脅迫對部分谷子種質幼苗的生長發育有促進作用，但隨著干旱脅迫程度的增加，對谷子幼苗的抑制作用增強。只有在20% PEG-6000干旱脅迫下，大部分參試谷子種質的相對發芽勢、相對發芽率小于1； 所有供試材料的相對根長、相對鞘長、相對芽長、相對根干質量、相對芽干質量均小于1，表明在重度干旱脅迫（20% PEG-6000）下所有參試品種幼苗生長發育均受到明顯抑制。供試谷子種質間20個指標中有2個指標在5% PEG-6000干旱脅迫下變異系數較大，5個指標在10% PEG-6000干旱脅迫下變異系數較大，2個指標在15% PEG-6000干旱脅迫下變異系數較大，11個指標在20% PEG-6000干旱脅迫下變異系數較大。綜上所述，初步推測用20% PEG-6000模擬干旱脅迫是比較合適的谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定條件。高汝勇等的研究表明，隨著PEG濃度的不斷增加，對種子發芽率、發芽指數、根長、苗高、鮮質量、活力指數等指標的影響越明顯［9］；劉桂紅等的研究表明，在干旱脅迫條件下谷子幼苗的生長發育受到明顯的抑制作用，種子發芽勢和發芽率降低［10］；李云等的研究表明，隨著PEG濃度的不斷增加，谷子幼苗的生長發育受到明顯的抑制作用，根長和芽長呈顯著下降趨勢，種子發芽勢和發芽率降低［4］。本研究結果與之基本一致。但是，秦嶺等研究認為，供試材料在滲透勢為-0.5 MPa時，萌發耐旱指數差異顯著，因此，以滲透勢為-0.5 MPa的PEG-6000溶液作為鑒定谷子萌發期抗旱性的濃度［11］；李云等研究認為，因大部分參試谷子品種的發芽勢和發芽率在10% PEG-6000干旱脅迫下差異顯著，從而確定谷子萌發期抗旱性鑒定的最適宜濃度為10% PEG-6000［4］，本研究結果與之有差異，可能是因為其所依據的參考指標比較單一。

3.2 谷子種子萌發期抗旱性評價方法及抗旱性鑒定指標的篩選

作物抗旱性受其基因型、生長發育階段、水分脅迫程度等多方面因素的影響，是由多基因控制的數量遺傳性狀［1，12］。谷子生長周期比較短，在谷子種質資源利用或種植之前，進行抗旱性鑒定以篩選抗旱性品種，對于谷子引種示范或新品種選育都具有重要意義，確立抗旱性評價體系已成為此過程中的關鍵性問題［13-14］。目前，關于谷子種子萌發期抗旱性評價體系尚未達成一致。樊瑀等的研究表明，芽干質量、根鮮質量、根長等指標的相對值可以作為谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定指標［1］。代小冬等的研究表明，發芽勢、發芽率等指標的相對值可以作為谷子種子萌芽期抗旱性鑒定的關鍵性指標，活力抗旱指數為主要指標，胚芽長、胚根長等指標的相對值為次要指標［6］。秦嶺等的研究表明，可以采用萌發耐旱指數（相對發芽率）進行谷子種質資源萌發期抗旱性評價，萌發耐旱指數與相對發芽勢顯著相關，相對發芽勢可以作為抗旱性的鑒定指標［11］。高汝勇等用模糊隸屬函數對12份供試谷子材料進行了綜合評價，結果表明，赤谷16是強抗旱型品種，晉谷46為干旱敏感型品種［9］。孟慶立等采用主成分分析、模糊聚類分析等方法對16個谷子品種進行抗旱性綜合評價［15］。本研究采用隸屬函數法對10份谷子品種（系）進行抗旱性綜合評價，將其分為4個等級（抗旱型、較抗旱型、中間型、干旱較敏感型），K325為抗旱型品種，K4099、豫谷35、濟谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098為干旱較敏感型品種。并對10份谷子品種（系）的相對發芽勢、相對發芽率、相對根長等10個指標采用相關性分析、灰色關聯度分析、主成分分析等多種方法進行全面性分析。各指標主成分分析主因子數為3，累計貢獻率達到92.62%，其中，因子1貢獻率為35.66%，相對根長、相對根干質量、相對根冠比、相對物質轉運速率在該因子中起主要作用。相對根長、相對根干質量、相對物質轉運速率與加權隸屬函數值呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.96、0.89、0.84；相對發芽率與加權隸屬函數值呈顯著正相關關系，相關系數為0.63。各項指標的抗旱系數與加權隸屬函數值之間的關聯度大小表現為相對根長（0.523 6）>相對根干質量（0.452 2）>相對發芽勢（0.426 4）>相對根冠比（0.383 7）>相對發芽率（0.380 4）>萌發抗旱指數（0.356 3）>相對物質轉運速率[JP3]（0.339 1）>相對鞘長（0.281 1）>相對芽長（0.276 8）>相對芽干質量（0.243 1）。綜合以上分析結果，初步推測相對根長、相對根干質量、相對物質轉運速率可以作為谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定的主要指標。

4 結論

本研究表明，隨著PEG-6000濃度的增加，對供試品種（系）的生長發育抑制作用增強，在20% PEG-6000干旱脅迫下，所有供試材料的相對根長、相對鞘長、相對芽長、相對根干質量、相對芽干質量均小于1。依據供試谷子種質間20個指標中有11個指標在20% PEG-6000干旱脅迫下變異系數較大，推測用20% PEG-6000是比較合適的谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定條件。通過相關性分析、因子分析、灰色關聯度分析等方法綜合分析10個與抗旱性相關的指標，推測相對根長、相對根干質量、相對物質轉運速率可以作為谷子種質資源萌發期抗旱性鑒定的主要指標。采用隸屬函數評價法，將10份谷子品種（系）分為4個等級，其中K325為抗旱型品種，滄718為較抗旱型品種，滄14-365、中谷5為中間型品種，K4099、豫谷35、濟谷21、衡2011123、冀谷40、宛谷098為干旱較敏感型品種。

參考文獻：

［1］樊 瑀，董淑琦，原向陽，等. 谷子種質資源萌發期抗旱性綜合評價及抗旱指標篩選［J］. 中國農業大學學報，2022，27（6）：42-54.

［2］李 平，謝淑芹，方璐斌，等. 干旱脅迫下不同褪黑素濃度處理下谷子種子萌發特性［J］. 山西農業大學學報（自然科學版），2022，42（5）：76-83.

［3］趙晉鋒，余愛麗，李顏方，等. 谷子SiCBL3對非生物脅迫響應特征分析［J］. 中國農業科技導報，2022，24（11）：68-75.

［4］李 云，楊夢涵，王 健，等. PEG脅迫下谷子品種（系）萌發期耐旱性鑒定及評價［J］. 種子，2022，41（4）：29-35，43.

［5］熊 雪，郎萬鑫，王春芳，等. 不同谷子品種萌發期抗旱性綜合評價［J］. 江蘇農業科學，2021，49（23）：93-97.

［6］代小冬，楊育峰，朱燦燦，等. 谷子萌芽期對干旱脅迫的響應及抗旱性評價［J］. 華北農學報，2015，30（4）：139-144.

［7］陳燕妮，劉 飛. 干旱脅迫對‘大同34號谷子種子萌發和幼苗生長發育的影響［J］. 中國農學通報，2016，32（15）：55-58.

［8］王振華，劉 鑫，余愛麗，等. 不同谷子品種萌發期對干旱脅迫生理響應的變化及抗旱指標篩選［J］. 中國農業科技導報，2020，22（12）：39-49.

［9］高汝勇，時麗冉，崔興國，等. 谷子品種抗旱性評價［J］. 河南農業科學，2013，42（12）：28-32.

［10］劉桂紅，王 玨，杜金哲，等. 谷子萌芽期抗旱性鑒定研究［J］. 中國農學通報，2013，29（3）：86-91. [HJ2mm]

［11］秦 嶺，楊延兵，管延安，等. 不同生態區主要育成谷子品種芽期耐旱性鑒定［J］. 植物遺傳資源學報，2013，14（1）：146-151.

［12］王紫彤，周倩怡，田 潔.? 干旱脅迫下大蒜葉綠素合成基因家族鑒定分析［Ｊ］. 植物資源與環境學報，２０２２，３１（３）：５４－６４，７４.

［13］張文英，智 慧，柳斌輝，等. 谷子全生育期抗旱性鑒定及抗旱指標篩選［J］. 植物遺傳資源學報，2010，11（5）：560-565.

［14］顧鵬鵬，馬鑫磊，姚 銳，等. 谷子HSP90基因家族鑒定及干旱脅迫下表達分析［J］. 江蘇農業科學，2022，50（6）：45-52.

［15］孟慶立，關周博，馮佰利，等. 谷子抗旱相關性狀的主成分與模糊聚類分析［J］. 中國農業科學，2009，42（8）：2667-2675.