高粱自交系萌發期對干旱脅迫的響應及抗旱性評價

張瑞棟 常嘉榮 陳海云 梁曉紅 劉 靜 南懷林 王頌宇 曹 雄*

(1.山西農業大學 經濟作物研究所,太原 030031;2.山西農業大學 農學院,太原 030031)

自20世紀50年代后期以來,我國降水總體偏少,干旱已經成為限制農業生產發展的主要因素,而且影響程度仍在不斷加劇[1]。我國北方地區多屬于溫帶大陸性氣候,春季風多風大、空氣干燥極易造成春旱,給農業生產帶來了極大的挑戰。種子萌發是決定作物產量的重要環節。種子快速萌發能使作物在與雜草的競爭中占據優勢,獲得更多作物生長所需的光照、營養、水分和空間,進而提高作物成苗率和產量[2]。春季干旱常導致高粱出苗質量差,嚴重影響高粱產量形成。培育萌發期抗旱品種,對高粱產業的發展具有重要意義。

高粱用途廣泛,且具有較強抗逆性,常作為旱區農業生產的首選作物[3-4]。已有研究結果表明不同高粱種質資源在應答干旱脅迫時具有明顯的多態性,說明高粱的種質資源在抗旱性方面存在豐富的遺傳變異[5-6]。然而,當前高粱的抗旱資源利用較少,其主要原因是對種質資源的鑒定和認識不足[7]。對高粱的種質資源進行萌發期抗旱性鑒定,有利于挖掘高粱的抗旱資源和培育抗旱品種[8],對提高高粱水分利用率和保障旱區糧食安全具有重要意義。

在種質資源的評價鑒定中,表型分析仍然是育種的一個重要部分[9-10]。張麗霞等[5]以干旱脅迫下的出苗率為鑒定標準,對396 份高粱進行抗旱篩選,最終篩選出4份抗旱能力較強的高粱材料。種子的萌發是由多基因控制的復雜生理過程,利用多個指標綜合評價萌發期的綜合抗性已成為研究萌發期抗逆性的重要手段[11-12]。綜合指標分析已在高粱的耐鹽[13-14]、耐堿[15]、耐低溫[16]等抗逆鑒定中得到廣泛的應用,并且收到良好的效果。吳奇等[17]利用主成分結合聚類分析的方法,對54份高粱雜交種進行萌發期抗旱性的篩選、鑒定,結果表明萌發抗旱指數、發芽率和根長等性狀可作為評價高粱品種萌發期抗旱性鑒定的主要指標。目前,關于高粱自交系萌發期的抗旱綜合鑒定的研究鮮見報道。本研究以常用的118份高粱自交系為試驗材料,利用人工氣候箱統一培養,采用PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫,測定高粱萌發期發芽率、芽長、根長、芽重和根重等指標,通過相關分析、主成分分析、聚類分析,鑒定不同高粱自交系的抗旱性,旨在篩選出萌發期抗旱性較強的種質資源,以期為高粱抗旱資源的挖掘和抗旱品種的培育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括118份來自全國的高粱自交系,材料收集于山西農業大學經濟作物研究所和沈陽農業大學高粱課題組。

1.2 試驗方法

于2022年在山西農業大學經濟作物研究所高粱生理實驗室進行。試驗采用完全隨機區組試驗設計,不同的高粱自交系為主因素,每個自交系3次重復。每個種質材料隨機選取30粒大小一致的種子,經NaHClO3浸泡5 min,用流動水沖洗,用濾紙吸干后,擺放至鋪有雙層濾紙的培養皿(直徑15 cm)中。為確定萌發期抗旱篩選最適宜的脅迫濃度,前期通過隨機選取6份高粱自交系用PEG模擬干旱進行篩選。設置4個模擬干旱脅迫水平,PEG-6000摩爾濃度分別為0.013、0.020、0.025、0.029 mol/L(80、120、150和175 g/L)對應水勢分別為-0.1、-0.2、-0.3和-0.4 MPa,以ddH2O作為對照(CK),每個培養皿中加入ddH2O或PEG溶液20 mL,25 ℃培養,第7天測定芽長和根長,通過計算不同PEG濃度下相對芽長和相對根長的變異系數確定適宜的PEG篩選濃度。以適宜的PEG濃度為鑒定標準,參照上述的發芽方法對118份高粱自交系進行抗旱性鑒定,在發芽第7天測定發芽率、芽長、根長、芽重和根重。

1.3 測定指標

1.3.1萌發指標

參照王志恒等[18]的方法,以胚根長度與種子等長且胚芽長度達到種子長度的1/2為發芽標準,在第7天測定種子的發芽率。

發芽率=第7天種子發芽數/供試種子數×100%

第7天,在每個培養皿內,隨機挑選10粒種子,用直尺測定不同處理的芽長、根長,并用分析天平分別測定芽重和根重。

1.3.2抗旱相對值

參照吳奇等[17]的方法計算抗旱相對值,抗旱相對值=PEG脅迫指標的測定值/對照測定值。計算出相對發芽率、相對芽長、相對根長、相對芽重和相對根重。

1.4 數據處理

使用Excel 2010對數據進行整理、統計,利用Origin 7.0繪制柱形圖,利用R4.2.2軟件對萌發期的抗旱相對值進行相關分析,計算不同抗旱指標相對值的相關性。利用SPSS 3.0對抗旱相對值進行主成分分析,按照主成分的權重系數,計算不同自交系的抗旱綜合得分。利用R4.2.2語言軟件對抗旱綜合得分進行聚類并繪圖。

2 結果與分析

2.1 PEG濃度的篩選

由圖1可知,隨著PEG濃度的增加,6個自交系的相對芽長和相對根長均呈下降的趨勢;隨著PEG濃度的增加相對芽長和相對根長的變異系數呈先增加后降低的趨勢,相對芽長和相對根長的變異系數均在0.025 mol/L (150 g/L)PEG處理時達到最大,分別為23.66%和24.48%,說明在0.025 mol/L下不同自交系的抗旱性差異最大。因此,選取0.025 mol/L (150 g/L)PEG-6000作為高粱萌發抗旱篩選的脅迫濃度。

不同小寫字母表示在同一濃度下不同自交系間在0.05 水平上差異顯著。

2.2 不同高粱自交系萌發期對模擬干旱脅迫的響應

由表1可知,在CK和0.025 mol/L (150 g/L)PEG-6000干旱脅迫處理下,不同高粱自交系的萌發指標均表現出差異。干旱脅迫與正常條件(CK)相比,芽重降低62.28%,降幅最大;發芽率降低13.23%,降幅最小。CK的發芽率、芽長、根長、芽重、根重變異系數分別為13.83%,18.34%,25.88%,21.57%,42.69%,干旱脅迫下變異系數依次為21.55%,30.73%、30.62%、33.17%、39.52%,除根重的變異系數降低外,其他指標的變異系數均表現增加。干旱脅迫下高粱的萌發指標均低于CK,表明干旱脅迫嚴重抑制高粱種子萌發。

表1 干旱脅迫對高粱萌發指標的影響

2.3 萌發期各指標的相關分析

由表2可知,相對芽長與相對根長、相對芽重、相對根重均呈極顯著正相關,相關系數(r)分別為0.35、0.78、0.25;相對根長與相對芽重呈極顯著正相關,r為0.25,與相對根重呈顯著正相關,r為0.23;相對芽重和相對根重呈極顯著正相關,r為0.33;相對發芽率與其他指標均未表現顯著相關。各萌發指標的抗旱相對值存在一定的相關性,表明各萌發指標相對值信息存在相互交叉。

表2 不同自交系各性狀相對值的相關系數

2.4 不同高粱自交系萌發期各抗旱指標的主成分分析

對118份高粱自交系的5個抗旱指標進行主成分分析,前2個主成分的累計貢獻率達60.55%,且特征值>1,具有主要代表性(表3)。主成分Ⅰ的貢獻率為35.81%,相對根重、相對芽重、相對根長在主成分Ⅰ的載荷較高,說明主成分Ⅰ主要反映高粱種子的發芽勢;主成分Ⅱ的貢獻率為24.74%,相對發芽率在主成分Ⅱ上的載荷較高,說明主成分Ⅱ主要反映種子的萌發率(表4)。

表3 2個主成分的特征值及貢獻率

表4 各因子的載荷系數矩陣

以標準化的抗旱相對值為X賦值(X1:相對發芽率,X2:相對芽長,X3:相對根長,X4:相對芽重,X5:相對根重)對高粱自交系的抗旱性進行綜合評價,以載荷值與特征值開方的比值為線性組合的系數,得到F1和F2的得分方程如下:

F1=0.060 5X1+0.452 0X2+0.397 0X3+

0.459 0X4+0.649 0X5

F2=0.338 0X1+0.623 0X2+0.288 0X3+

0.478 0X4-0.430 0X5

以主成分Ⅰ和主成分Ⅱ的貢獻率與累計貢獻率的比值為F1和F2的權重系數,得到F的得分方程如下:

F= 0.591F1+0.408F2

F越大則該自交系的抗旱能力越強。將標準化的抗旱相對值數據代入F的得分方程得到不同自交系的F,見表5。

表5 高粱自交系名稱、綜合因子得分及排序

2.5 不同高粱自交系萌發期抗旱性的綜合評價

由圖2可知,聚類分析將118份高粱自交系的抗旱性分為5類。第一類包含‘20LCS209’、‘20LCS150’等8個自交系,該類群的F最高為極端抗旱型自交系;第二類包含‘4126’、‘20LCS125’等31個自交系,該類群的F較大,為抗旱自交系;第三類群包含‘10036’、‘20LCS152’等41個自交系,該類群的F居中,所以該類群的抗旱性也表現為居中,為抗旱性中等的自交系;第四類包含‘20LCS167’、‘哲15B’等26個自交系,該類群的F偏低,為干旱敏感自交系;第五類群包含‘20LCS203’、‘京農2B’等的12個自交系,該類群的F最小,為干旱極端敏感自交系。

紅色代表極端抗旱型自交系、藍色代表抗旱自交系、綠色代表抗旱性中等的自交系、黃色代表干旱敏感自交系、紫色代表干旱極端敏感自交系。

2.6 不同抗旱自交系的形態指標變化

由圖3可知,極端抗旱自交系的‘20LCS150’‘20LCS209’和干旱極端敏感自交系的‘20LCS151’‘20LCS117’的萌發表型與基于主成分和聚類分析對高粱萌發期抗旱鑒定的結果一致,說明采用主成分和聚類分析對高粱萌發期抗旱鑒定的結果準確可靠。

CK,對照處理,D,干旱脅迫處理。

3 討 論

種質的萌發期抗旱性鑒定是抗旱高粱品種選育和抗旱機制研究的基礎[19-20]。聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)作為一種理想的滲透調節劑,被廣泛用于模擬干旱脅迫處理。張玉霞等[21]采用15%聚乙二醇溶液對8個飼用高粱品種萌發期的抗旱性進行鑒定,篩選出萌發期抗旱品種‘SU9002’;王平等[22]利用17.5%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫對575份高粱材料進行萌發期干旱脅迫,篩選出34份抗旱性強的高粱材料,26份干旱敏感的高粱材料。本研究從118份材料中隨機選取6個試驗材料,分別設置4個PEG濃度進行模擬干旱脅迫,測定不同濃度下不同自交系指標的變異系數,結果表明0.025 mol/L(150 g/L)PEG-6000處理下自交系的變異系數最大,這與陳冰嬬等[23]的研究結果一致,而吳奇等[17]對高粱雜交種鑒定時選擇175 g/L(0.029 mol/L)PEG,這可能是由于所選材料的抗逆性較強,而本研究最終確定篩選濃度為0.025 mol/L(150 g/L)。

高粱萌發期的抗旱性是由多基因控制的數量性狀,不同性狀對干旱的響應不同[20]。陳新等[12]對裸燕麥進行萌發期抗旱鑒定發現,種子活力指數受干旱脅迫的影響最大,可用于裸燕麥種質萌發期抗旱性的快速或初步鑒定。王藝陶等[24]對31份高粱雜交種進行萌發期抗旱鑒定,發現相對芽長、相對根長和相對萌發抗旱指數等可以作為高粱品種抗旱性篩選的重要指標。本研究結果表明,干旱脅迫對芽長影響最大,對發芽率影響最小,說明干旱脅迫主要是抑制了高粱芽的生長。張瑞棟等[16]在高粱耐低溫鑒定中也發現低溫對芽生長的影響比對萌發的影響更大,所以單用發芽率評判高粱萌發期抗旱性存在一定的局限性。采用多項指標綜合評價作物萌發期的抗旱性已被廣泛運用[25-27]。多指標綜合評價具有更準確、更全面的特點,但是如果不同指標存在顯著相關,指標信息存在相互交叉,萌發期抗旱性鑒定會受到指標選取的影響,不能得到客觀準確的評價結果[12,16]。在本研究中,相關分析表明抗旱相對值的指標之間存在相關,會對結果造成影響。主成分分析是一種降維算法,它能將多個指標轉換為少數幾個主成分,這些主成分彼此之間互不相關,且其能反映出原始數據的大部分信息。本研究中利用主成分分析將萌發指標轉化為2個主成分,這2個主成分分別代表了萌發期芽的生長情況和發芽率,基本涵蓋了種子的發芽信息,對種子的發芽可進行全面描述,而且主成分分析去除了重復信息,對結果的評價更加客觀。

抗旱鑒定是對不同作物品種的抗旱能力進行篩選、評價和歸類的過程[28]。朱世楊等[29]利用結合隸屬函數法對12個花椰菜的抗旱性進行評價;楊進文等[30]利用GGE雙標圖在主成分分析的基礎上,分析各指標性狀間的相關性及其與品種抗旱性的關系,最后利用隸屬函數與抗旱指數相結合的方法對小麥品種的抗旱性進行綜合評價。為了更準確、更簡化,本研究利用主成分計算得到不同指標相對值的權重系數,對高粱萌發期不同指標的抗旱相對值進行加權運算,得到綜合因子得分,得分越高抗旱值越高。對抗旱綜合因子得分進行聚類分析,將118份高粱自交系分為五大類,分別為極端抗旱型、抗旱型、抗旱中間型、干旱敏感型、干旱極端敏感型。驗證試驗表明該種方法較為可靠,數據的重現性較好(圖4)。

優良的種質資源是高粱育種的重要基礎,由于變異的不確定性和不同環境的差異選擇形成了豐富的種質資源。關于高粱抗旱資源鑒定方面的研究已有很多報道,吳奇等[17]對高粱的萌發期進行抗旱性鑒定,為高粱的生產布局提供了重要參考,但是其試驗材料多為雜交種,對高粱后續育種的指導意義略顯不足。陳冰嬬等[23]比較了雜交種和親本的抗旱差異,進一步明確了高粱萌發期抗旱性在雜種優勢中的表現。作物的抗旱性受多基因控制,遺傳機制復雜且不同種質材料抗旱性也存在一定差異。本研究通過抗旱鑒定,明確了118份高梁自交系不同萌發指標在干旱脅迫下的相關性及不同萌發指標受干旱的影響程度,通過主成分分析結合聚類分析,對118份高粱自交系進行鑒定分類,篩選出抗旱性較強的高粱自交系,通過驗證試驗證明本研究的抗旱篩選方法可靠。

4 結 論

0.025 mol/L(150 g/L)的PEG-6000濃度可作為高粱萌發期抗旱篩選的脅迫濃度。干旱脅迫對芽生長的影響比對發芽率的影響更大。依據萌發期抗旱性綜合表現,經主成分分析結合聚類分析,參試118份高粱自交系分為五類:極端抗旱自交系8個、抗旱自交系31個、抗旱中間型自交系41個、干旱敏感自交系26個、極端敏感自交系12個。通過發芽試驗的驗證,萌發期抗旱性突出的材料中,‘20LCS150’‘20LCS209’為極端抗旱自交系,‘20LCS151’和‘20LCS117’為干旱極端敏感自交系,數據的重現性較好。綜上,主成分分析結合聚類分析的方法可準確客觀地對高粱萌發期的抗旱性進行評價。