黑龍江早熟區大豆芽期耐低溫種質資源鑒定與篩選

趙星棋, 郭 泰, 王志新, 鄭 偉, 李燦東, 徐杰飛, 王象然, 郭美玲, 張振宇, 趙建有

(1.黑龍江省農業科學院佳木斯分院/三江平原主要作物育種栽培重點實驗室/國家大豆產業技術體系佳木斯綜合試驗站, 黑龍江 佳木斯 154007;2.黑龍江省農業科學院, 哈爾濱 150086)

黑龍江省作為我國大豆種植面積最大的省份,為保障國家大豆生產安全發揮了重要作用。近年來,黑龍江省大豆種植地域北移趨勢明顯,早熟品種已成省內大豆品種主流,但由于地理區位因素,北部早熟區初春極易出現低溫冷害,導致大豆播種后生長受阻[1]。

針對大豆進行低溫脅迫的相關試驗后,普遍發現低溫對大豆苗期、花期性狀和最終產量有顯著影響[2-3]。低溫氣候往往伴隨陰雨弱光照等不良氣候條件,多種負向因素累加導致大豆的出苗緩慢,幼苗成活率降低[4]。除大豆表型性狀外,經人工測定發現,低溫脅迫還會引起葉綠素含量和相關酶活性變化[5]。鑒于低溫對大豆生長的多方面影響,研究者也引用了多項指標來進行耐低溫大豆種質篩選[6-9]。本研究以目前黑龍江早熟區主要推廣的大豆品種和待審試驗的大豆品種為研究對象,通過記錄各品種在不同環境下的發芽數,測定各自的發芽率、發芽勢和發芽指數,并結合隸屬函數法建立分析模型,從中篩選出在芽期具有優異耐冷性的大豆品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選擇適宜黑龍江省種植的已審定推廣或處于試驗階段的大豆品種。參試材料共33份,各品種種源均為2021年秋季收獲所得,具體種質名稱及編號如表1所示。

表1 試驗種質名稱及編號

1.2 試驗設計

試驗共分兩組:低溫組和對照組,大豆發芽所用設備為“一恒MGC 800 H”人工氣候箱。低溫脅迫組和對照組分別設置溫度為6 ℃和20 ℃,3次重復,試驗用種應保證籽粒飽滿、無病蟲害。試驗前用1%次氯酸鈉溶液對種子進行消毒,再用蒸餾水漂洗3次,消毒后每份種質挑選40粒置于各培養皿中。培養皿內種子上下兩層各鋪一張滅菌濾紙,用蒸餾水將濾紙潤濕,先放入20 ℃氣候箱中常溫吸脹12 h,后取出換水,低溫組轉入6 ℃氣候箱中培養,對照組繼續以20 ℃常溫培養。此后分別于第2天、第4天、第6天統計各培養皿發芽數量。以胚根突破種皮1 mm為種子發芽標準,氣候箱培養時間為6 d。

1.3 試驗評價指標

根據試驗期間記錄數據并計算各種質的發芽勢、發芽率、發芽指數,計算公式分別為:

發芽勢/%=(前4 d內種子發芽數/供試種子數)×100%;

發芽率/%=(前6 d內種子發芽數/供試種子數)×100%;

發芽指數=∑Gt/Dt,

式中,Gt為各階段(2 d、4 d、6 d)的發芽數,Dt為發芽日數。

1.4 數據分析方法

采用Excel和SPSS軟件對試驗數據進行整理分析,對試驗評價指標進行兩配對樣本非參數檢驗,以探究各試驗組別指標是否具有差異性。

1.5 試驗評價方法

采用隸屬函數法對試驗品種耐低溫性進行綜合評定,計算公式為:

μ(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin),

式中,Xj代表j評價指標測定值,Xmax代表參試材料中j評價指標的最大值,Xmin代表參試材料中j評價指標的最小值,隸屬函數值越大,表示該試驗品種的耐低溫性越強。

2 結果分析

2.1 發芽勢

由圖1可知,供試33份種質有6份發芽勢達到100%,僅克山1號未達到90%。從低溫組發芽勢看,總體明顯低于對照組,且各種質之間差異性較大。從各品種兩組數據對比發現,克豆52的對照組和低溫組發芽勢差異性最小,兩組數據相差42.5%,而東生23差異性最大,兩組數據相差88.3%。

圖1 試驗種質發芽勢

2.2 發芽率

由圖2可知,供試品種在對照組的發芽率均值波動性不強,但在低溫組的差異性表現極為明顯。低溫情況下,克豆52發芽率最高,達90.8%,且較對照組差異最小。克山1號發芽率最低,僅為15.8%。龍墾330的兩組數值相差最大,其對照組發芽率比低溫組高80.0%。

圖2 試驗種質發芽率

2.3 發芽指數

由圖3可知,各供試種質在該項指標上的兩組數值差值較小。其中合農144在低溫條件下發芽指數最高,達17.6,克山1最低,為2.1。對照組與低溫組差值方面,克豆52相差最小(14.8),東生17相差最大(25.2)。

圖3 試驗種質發芽指數

2.4 兩配對樣本非參數檢驗

對兩個試驗組別進行兩配對樣本非參數檢驗[10],是為驗證兩組數據之間各指標是否存在顯著差異。如表2所示,通過描述性統計分析,從直觀上看,供試種質在低溫脅迫處理前后具有明顯差異,低溫組發芽勢、發芽率、發芽指數平均值均低于對照組。

表2 描述性統計分析結果

選擇威爾科克森檢驗和符號檢驗方法對上述三項指標進行兩配對樣本檢驗,分析結果如表3、表4。

表3 威爾科克森檢驗統計量

表4 符號檢驗統計量

基于兩種檢驗方法的統計分析結果顯示:三項指標差異均達極顯著水平,試驗種質經過低溫處理后,發芽勢、發芽率和發芽指數均與對照組存在系統性差異,說明該三項指標可作為試驗品種在芽期是否具備耐低溫特性的評判依據。

2.5 試驗種質耐低溫性綜合評定

從表5可以看出,各種質間各項發芽指標隸屬函數值差異仍然較大。從發芽勢看,克豆52和合農144隸屬函數值達0.9以上,其次為龍達3號(0.84)。發芽率方面,隸屬函數值最高的仍為克豆52,其次為合農95和合農144,均為0.90。發芽指數隸屬函數值最高的種質為合農144,達1.00,其次為克豆52(0.96)。從平均結果看,克豆52的隸屬函數值最高(0.99),合農144次之(0.95),第3位是龍達3號(0.83)。上述種質綜合評價數值均明顯高于其他種質,其中克豆52有兩項指標隸屬函數值居第一位,且平均數值最高,說明其芽期耐低溫特性最強。

表5 低溫脅迫下種質發芽指標隸屬函數值

將試驗種質的耐低溫特性進行更加細化的系統性分類,可使用聚類分析法來進行分組[11]。以各種質的隸屬函數值為依據,采用分層聚類分析方法,其結果如圖4。

圖4 試驗種質發芽指標平均隸屬函數值聚類分析

根據圖4顯示的聚類分析結果,結合顧增輝和宋劍陶[12]對大豆芽期耐冷性等級的分類方法,可將試驗種質分為耐冷型、低溫敏感型和中間型三類。合農144、克豆52、佳豆52、龍達3號為第1類,該類種質芽期耐低溫特性強,在低溫脅迫條件下具備明顯的生長優勢;黑科88、金源73、沃豆5、鑫科4、東生17、金杉3號、九研17、克山1、龍墾330、東生23為第3類,該類種質耐低溫特性弱,相關發芽指標數值偏低,為低溫敏感型種質;其余品種為第2類,該類種質具備一定的芽期耐低溫能力,但與第1類品種相比缺乏優勢。

3 討 論

黑龍江省早熟大豆產區地處高寒區,作物生長季易出現階段性低溫天氣,因氣候變化造成的低溫冷害是限制該地區大豆生產力提升的主要農業氣象災害[13]。對早熟大豆品種進行低溫脅迫處理后,發現不同種質的芽期表現不盡相同,大多數種質自身具備一定的耐低溫能力,但也有部分種質在低溫環境下發芽數嚴重下降。由于氣象災害難防難控,要想使早熟大豆種植區總產量穩中有升,選擇耐低溫性強的大豆種質是一種有效的解決方法。

植物耐低溫性屬于較為復雜的一種綜合性狀,由多種因素共同作用[14]。低溫脅迫下種子萌發時間延長、萌發數降低、發芽指標顯著下降,這與多位學者的研究結論相一致[15-17]。通過進一步的比對分析,發現對照組的各種質發芽數相近的情況下,低溫脅迫下各種質的種子萌發速率、萌發數量等方面均存在顯著差異。試驗品種受低溫影響后,前期發芽數明顯下降,但部分品種在后期隨時間的增加,萌發數量逐漸增多。也有部分種質并未出現回轉跡象,最終萌發率低于20%。總體來看,評價大豆種質的耐低溫特性應針對多項指標進行綜合評判,并結合系統性的分類方法歸類出具備不同耐低溫能力的大豆種質。

4 結 論

以上試驗過程驗證了發芽勢、發芽率、發芽指數作為大豆種質芽期耐冷評價指標的可行性,并通過隸屬函數值的計算以及聚類分析篩選出了3類耐低溫類型種質:以合農144、克豆52為代表的耐冷型種質,以克豆44、昊疆40等為代表的中間耐冷型種質以及低溫敏感型種質。通過本次大豆種質鑒定與篩選,能夠為黑龍江省早熟區耐低溫大豆品種的選擇方向提供參考,也能為后期針對該地區的耐冷大豆品種選育提供親本篩選依據。