藜麥種質資源萌發期抗旱性綜合評價及抗旱指標篩選

王 洋, 杜會石, 鮑慶晗

(1.吉林師范大學吉林省植物資源科學與綠色生產重點實驗室,吉林四平 136000;2.吉林師范大學旅游與地理科學學院,吉林四平 136000)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)是原產于南美洲安第斯高原的一種糧食作物,至今已有幾千年的種植歷史[1]。藜麥籽粒富含高品質蛋白質及多種維生素,氨基酸配比均衡,營養價值極高,被聯合國糧農組織列為21世紀世界糧食安全和人類營養最有前途的作物之一[2]。同時藜麥具有耐鹽堿[3-5]、抗旱[6-8]、耐低溫[4-5,9]等多種抗逆性,適應性強,被認為是世界許多地區有發展前景的替代作物。

藜麥的耐旱性使其灌溉用水比谷物少一半以上,可以在我國干旱、半干旱地區大面積種植[10]。同時藜麥也可在其他地區的邊際土地上種植,不會與現有主糧爭奪土地,因此發展潛力巨大[11-12]。我國目前的藜麥品種多為從國外引進未經選育的半野生種,只有甘肅省農業科學院選育的隴藜1號等少數幾個藜麥品種通過審定,遠遠不能滿足國內不同地區的種植需求。研究表明,藜麥的耐旱性取決于其營養生長階段,萌發階段耐旱能力較弱,因此營養生長階段是進行藜麥抗旱性材料篩選的關鍵時期[4-5]。適度干旱能夠促進藜麥種子萌發[13-14],隨著干旱脅迫的增強,種子萌發及生長指標均有所下降[15-17],且不同品種間抗旱性存在顯著差異[16-18]。以上研究多集中在不同干旱脅迫處理對藜麥種子萌發的影響和少量藜麥品系的抗旱性評價,而對藜麥種質資源的抗旱性分類及其鑒定指標篩選尚未見報道。筆者所在課題組通過前期田間試驗,鑒選出在生長發育、農藝性狀、產量等方面綜合表現較好的23份藜麥種質。在前期鑒選的基礎上,本研究利用25%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,對藜麥抗旱性進行綜合評價,進而篩選出耐旱的藜麥種質資源和抗旱指標,旨在為藜麥品種選育和抗旱機制研究提供評價指標和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試藜麥種質材料共23份,其中LL-1由甘肅省農業科學院提供,其余均由中國農業科學院作物科學研究所提供,相關信息詳見表1。挑選大小均勻、飽滿的藜麥種子備用。

表1 供試藜麥種質材料地理來源、編號及千粒質量

1.2 試驗設計

試驗設對照、干旱脅迫2個處理,每個處理重復3次,于2020年4月在吉林師范大學植物生理實驗室進行。將備用的種子經10%次氯酸鈉溶液消毒15 min,用去離子水反復沖洗3次,濾紙將表面水分吸干后,均勻放置在鋪有雙層濾紙的培養皿中,每個培養皿中30粒。在對照的培養皿中加入蒸餾水10 mL,干旱脅迫的培養皿中加入25%的PEG-6000溶液10 mL。將培養皿放置在人工氣候培養箱中,設置溫度為(25±1) ℃,濕度為(60±5)%,每天光—暗周期為 12 h—12 h,光照度為 200 μmol/(m2·s)。試驗期間每天更換濾紙,同時補充適量蒸餾水和PEG-6000溶液,以保證培養環境恒定。

1.3 測定指標和方法

試驗期間,每隔24 h觀察記錄種子發芽情況(以露白為準)。計算發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數。在試驗第8天,從各個重復隨機取出5株藜麥芽苗,測定芽長、根長、鮮質量,計算根芽比。

發芽勢=(第4天種子發芽數/供試種子數)×100%;

發芽率=(第8天種子發芽數/供試種子數)×100%;

發芽指數=∑Gt/Dt,式中Gt為第t天的發芽數,Dt為第t天;

活力指數=發芽指數×胚芽長度。

1.4 數據分析及評價方法

參考王焱等的方法[19-21]對數據進行分析。

根據對照和干旱脅迫下各指標的測定值,利用公式(1)(2)分別計算抗旱系數(DC)、綜合抗旱系數(CDC)。

DC=某一指標在干旱脅迫下測定值的平均值/對照測定值;

(1)

(2)

根據DC值,進行相關分析和主成分分析,分別按公式(3)、公式(4)、公式(5)計算各主成分的權重(Wj)、隸屬函數值[μ(Xj)]、抗旱性綜合評價值(D),式中Vj表示第j個主成分的貢獻率;Xj、Xmin、Xmax分別表示第j個指標的測定值和第j個指標的最小值與最大值：

(3)

(4)

(5)

以各指標DC值為比較序列,D值為參考序列進行灰色關聯分析,獲得二者間的關聯度。按公式(6)、公式(7)分別計算各性狀指標權重系數[ωj(γ)]和加權抗旱系數(WDC),式中γj表示各指標的關聯度。

(6)

(7)

根據各藜麥種質D值進行聚類分析,劃分抗旱等級。分別以D值、CDC值、WDC值為參考序列,對各指標DC值進行逐步回歸分析,得到逐步回歸方程。

2 結果與分析

2.1 藜麥種質材料各單項指標及相關性分析

供試藜麥種質各單項指標測定值和抗旱系數DC值見表2。與對照相比,發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數在干旱脅迫處理后差異極顯著(P<0.01)。發芽勢、發芽率的抗旱系數平均值分別達到0.821、0.840,表明供試藜麥種質普遍具有抗旱性。 不同種質各指標間變異系數變化范圍為0.072～0.546,說明本試驗中各性狀對干旱脅迫反應的敏感性差異較大,所選藜麥種質類型較豐富。2個處理各單項指標相關系數最小值為0.115,最大值為0.653,區間跨度較大,表明干旱脅迫對各指標產生了不同程度的影響。不同種質或不同指標間的DC值變異系數(0.160～0.530)差異明顯,僅利用某一單一指標不能準確評價藜麥的抗旱性。

供試藜麥種質材料各指標抗旱系數的相關性見表3。各單項指標都至少與其他1個指標呈顯著(P<0.05)相關。除根芽比以外,發芽勢和發芽率均與其他6個指標呈極顯著(P<0.01)相關,而二者的相關系數為0.967,表明二者之間所表現的藜麥種子萌發信息中有96.7%是相同的,在各指標相關性中最高。其他指標間也同樣存在不同程度的信息重復現象。為了全面評價不同指標對藜麥抗旱性的貢獻,進行其他多元統計分析。

表3 供試藜麥種質材料各指標抗旱系數的相關性

2.2 藜麥種質材料抗旱指標的主成分分析

對8個單項指標的DC值進行主成分分析(表4)。前3個主成分累計貢獻率基本代表了供試種質材料各指標92.093%的信息,可用于藜麥抗旱性的分析,其余成分忽略不計。主成分1的特征值為5.191,貢獻率為64.884%,因子權重為0.704;主成分2的特征值為1.553,貢獻率為19.406%,因子權重為0.211;主成分3的特征值為0.624,貢獻率為7.802%,因子權重為0.085。

表4 供試藜麥種質各指標主成分及貢獻率

2.3 藜麥種質材料的綜合抗旱性評價

供試藜麥種質CDC值與WDC值的范圍、平均值及變異系數均相近(表5),表明二者所代表的信息基本相同,抗旱性排在前4位的種質均為S1、16ND-3、LL-1、K2,其他種質的抗旱性排序也基本一致。D值作為主要的抗旱性綜合評價值,介于0.138～0.825之間,平均值為0.541,變異系數為36.604%。依據D值大小,抗旱性排在前4位的依然是LL-1、S1、16ND-3、K2,但先后順序與WDC值、CDC值排序有所不同。

2.4 灰色關聯分析

灰色關聯分析可通過不同指標的關聯性大小,對目標值的影響進行反映。供試藜麥種質各單項指標DC值與D值、WDC值的關聯度及排序見表6。結果顯示D值的關聯度排序依次為根長、活力指數、發芽率、發芽勢、鮮質量、芽長、發芽指數、根芽比;WDC值的關聯度排序依次為根長、活力指數、發芽指數、根芽比、發芽率、鮮質量、發芽勢、芽長。WDC值的關聯度是對D值關聯度的輔助性評價,二者排序前2位的指標均為根長和活力指數,其他指標的排序也相差不大。

表6 供試藜麥種質各單項指標DC值與D值和

2.5 聚類分析及抗旱級別劃分

利用D值進行聚類分析(圖1),在歐氏距離5處,可將23份藜麥種質材料劃分為3類：第Ⅰ類為強抗旱型,共5份,分別為LL-1、S1、16ND-3、K2、D2, 占種質材料的21.74%; 第Ⅱ類為中等抗旱型,共11份,分別為Z2、Z1、E5、ZK5、16ND-4、H2、F2、Z27、Z4、D3、A4,占種質材料的47.83%;第Ⅲ類為弱抗旱型,共7份,分別為F1、L3、F4、SL1、ZK2、ZK1、H4,占種質材料的30.43%。根據聚類結果計算強抗旱型、中等抗旱型、弱抗旱型藜麥種質材料的D值、WDC值、CDC值的平均值,分別為0.901、0.696、0.422(表7)。

表7 供試藜麥種質基于聚類結果的3種抗旱性評價值分析

2.6 回歸模型建立及鑒定指標篩選

供試藜麥種質抗旱預測模型見表8。以D值為因變量的方程為D=-0.19+0.141X6+0.232X4+0.156X2+0.312X8+0.035X7+0.129X1+0.179X3+0.164X5;以CDC值為因變量的方程為CDC=0.034+0.131X6+0.125X7+0.106X2+0.368X4+0.14X8+0.165X1;以WDC值為因變量的方程為WDC=0.035+0.142X6+0.109X7+0.109X2+0.367X4+0.141X8+0.166X1。3個模型方程的確定系數R2均為1,F檢驗差異極顯著(P<0.01),說明引入回歸方程的變量是顯著的,各模型建立的回歸方程較好,可對供試藜麥種質的抗旱性指標進行預測,判斷所測種質抗旱性的強弱。根據回歸方程(1),在藜麥種質萌發期抗旱性評價中,根長與D值的相關系數顯著且最大,首先被引入方程,活力指數與發芽率次之,分別在第2位和第3位被引入方程。CDC值與WDC值相近,因此方程(2)、方程(3)各指標的引入順序與系數也相近,但前3位的自變量與方程(1)稍有不同,分別為根長、根芽比、發芽率。

表8 藜麥種質抗旱性模型預測

3 討論與結論

抗旱性評價方法的選擇直接影響作物抗旱能力評價的準確性[22]。不同種質材料不同指標之間具有差異性,因此難以用單一指標來對抗旱性進行判斷[23]。本研究采用萌發時期具有代表性的8個萌發和生長指標,對其DC值進行標準化處理后進行相關性分析,每個指標都至少與其他1個指標顯著相關。經主成分分析轉換成3個彼此獨立的綜合指標。在此基礎上,利用隸屬函數法計算出D值,從而對供試藜麥的抗旱性做出評價,CDC值、WDC值的評價結果與其基本一致,該方法已在小麥[24]、玉米[25]、油菜[26]、大麥[27]等作物抗旱性評價中廣泛應用。此外,本研究利用D值結合聚類分析、逐步回歸分析、灰色關聯分析等方法對藜麥萌發期進行抗旱等級分類和抗旱指標篩選,這與常巍等對苜蓿[28]、田春艷等對甘蔗[29]的抗旱性綜合評價所采用的方法相近。因此,本研究所采用的方法可以對藜麥等作物的抗旱性進行準確的綜合評價。

種子萌發期對干旱的響應,關系到植株能否在干旱環境中生存及生長,發芽率、發芽勢等能夠反映出種子的萌發能力[30-31],根長、鮮質量等則體現種子中所貯藏有機物的轉化情況[17]。本研究中,強抗旱型藜麥種質的發芽勢、發芽率DC值均在0.8以上,表明其對水分的利用率較高,25%的PEG-6000溶液模擬的干旱脅迫未對種子萌發產生顯著影響,這與其他對藜麥萌發期抗旱性研究的結果[15,17]一致。此外與對照相比,干旱脅迫對6個材料的根長有2.75%～41.22%的促進作用,而相對應的鮮質量不僅沒有增加,反而只有對照的44.17%～64.53%,在表型上呈現出細而長的胚根。羅永忠等對新疆大葉苜蓿的研究也有相同發現[32]。根延長而生物量降低,這是種子萌發期響應干旱脅迫的具體表現。

作物抗旱性評價的目的是劃分供試種質材料的抗旱等級[33-34],以此篩選出具有較強抗旱能力的種質資源。本研究依據D值,對供試藜麥抗旱性進行排序,CDC值、WDC值的排序與之基本相同。趙愉風等在對豌豆的耐旱性研究中也有類似報道[35]。進一步利用D值進行聚類分析,可將23份藜麥種質分為3個等級,其中強抗旱型5個,中等抗旱型11個,弱抗旱型7個。種質材料LL-1、S1、16ND-3、K2、D2為強抗旱型,可為藜麥抗旱育種及種質創新提供理論依據。

不同植物品種或不同種質資源間抗旱性差異較大,且抗旱機制也不相同,從而使得干旱脅迫條件下某一具體指標的反應也不盡相同[4-5],因此篩選出合理的指標是對作物抗旱性準確評價的關鍵。本研究利用灰色關聯度分析,同時結合D值為因變量的逐步回歸方程,綜合篩選出根長、活力指數、發芽率3項指標可對藜麥種子萌發期的抗旱性進行科學有效的評價,這與王炎等對苜蓿[19]、高雪芹等對沙蘆草[36]萌發期抗旱指標篩選的結果一致。