水稻種子萌發期耐旱性鑒定及優異品種篩選

摘 要：【目的】分析水稻早期耐旱性鑒定指標，篩選水稻耐旱種質資源。

【方法】采用0%、15%、20%的PEG-6000溶液，鑒定31份水稻品種萌發期的抗旱性。

【結果】不同水稻品種的根長、芽長、根數和發芽率隨PEG濃度增加呈下降趨勢，20% PEG為水稻萌發期耐旱性鑒定濃度。將31份水稻品種劃分為3大類群：第 Ⅰ 類群為萌發期抗旱型較優品種，共4份；第 Ⅱ 類群為萌發期抗旱型中等品種，共14份；第 Ⅲ 類群為萌發期抗旱型差品種，共13份。利用主成分分析法僅提取1個綜合因子，累計貢獻率為74.689%，其相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率均與平均總隸屬函數值呈極顯著正相關，4個性狀為萌發期抗旱性鑒定指標。

【結論】篩選出萌發期耐旱性強的4份水稻材料23H25、23H5、23H20和23H16。

關鍵詞：水稻；萌發期；PEG-6000；耐旱性

中圖分類號：S511 ""文獻標志碼：A

文章編號：1001-4330（2025）01-0095-08

收稿日期（Received）：

2024-07-30

基金項目：

新疆維吾爾自治區科技支疆項目（2022E02062）；國家水稻產業技術體系烏魯木齊綜合試驗站（CARS-01-75）

作者簡介：

杜孝敬（1993-），男，河南商丘人，助理研究員，碩士，研究方向為稻種資源及水稻栽培，（E-mail）dxjixj@163.com

通信作者：

李冬（1982-），男，陜西商洛人，副研究員，碩士，研究方向為水稻遺傳育種及栽培，（E-mail）ld1995789@sina.com

王奉斌（1968-），男，江西萍鄉人，研究員，碩士，研究方向為水稻遺傳育種及栽培，（E-mail）xjnkywfb@163.com

0 前 言

【研究意義】干旱脅迫是造成農作物經濟損失在非生物脅迫的重要因素［1］。水稻（Oryza sativa L.）是我國主要的糧食作物之一，全國約60%的人口以稻米為食［2］。2022年我國水稻種植面積達2.945×107 hm2［3］。在水資源短缺的情況下，對現有保存的豐富水稻種質資源開展抗旱性鑒定評價與創新利用，篩選并培育節水抗旱水稻品種是緩解干旱脅迫的有效策略［4］。【前人研究進展】PEG-6000 作為一種滲透調節劑，能控制水勢和模擬真實土壤的水分缺失［5］，通過調節溶液滲透壓限制水分進入種子，致使細胞、組織失水，抑制種子萌發［6］，被廣泛用于各類植物萌發期耐旱種質資源的鑒定和篩選。劉翔等［7］認為甘藍型油菜的成苗率可作為芽期抗旱性的鑒定指標；侯森等［8］根據芽期耐旱性將44份谷子品種分為5個等級，并篩選出1級抗旱資源17份；魏良迪等［9］對山西40個主栽小麥品種通過PEG對芽期7個表型性狀分析，篩選出抗旱性強品種21個。【本研究切入點】前人通過測定不同濃度PEG下水稻萌發期形態和生理指標的變化，對其抗旱機理的研究并篩選抗旱水稻品種的報道較多［10］，但這些文獻報道以內陸省份居多［11］，而有關新疆干旱半干旱稻區萌發期抗旱性綜合評價鮮有報道［12］。需分析水稻早期耐旱性鑒定指標，篩選水稻耐旱種質資源。【擬解決的關鍵問題】利用引進區外31份水稻資源為研究對象，采用PEG-6000模擬干旱脅迫，利用主成分分析法、平均總隸屬函數法結合系統聚類分析的方法對水稻萌發期耐旱性綜合評價，篩選和鑒定萌發期抗旱性強的水稻品種，為新疆水稻種質創新利用、節水栽培、培育新品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2023年在新疆農業科學院核技術生物技術研究所水稻遺傳育種重點實驗室進行，選用核生所最新培育和引進的31份粳稻資源作為材料。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用隨機區組試驗設計，選取大小一致且籽粒飽滿的50粒種子。種子先在50℃恒溫培養箱中72 h以打破休眠，然后用5%次氯酸鈉溶液浸泡種子1 h，并用蒸餾水沖洗3次，最后放入墊有2 層濾紙、直徑為9 cm培養皿中。加入15 mL不同濃度排盡氣泡的15%和20% PEG-6000 溶液，對照處理加入15 mL 蒸餾水，每個處理3次重復。28℃溫度條件下，培養皿加蓋置于晝/夜周期為14 h/10 h 的恒溫人工氣候箱中培養。每24 h 觀察培養皿內液體體積的變化并酌量添加溶液或水，保持培養皿內液體體積的恒定。

1.2.2 測定指標

第10 d調查種子發芽率，發芽以胚根或胚芽達種子長的1/2 為標準。第14 d調查種子芽長、根長和根數，每個重復隨機取10 粒萌發期種子調查幼根數，使用直尺測量幼芽長度和幼根長度。

發芽率（%）=（培養第10 d發芽種子數/供試種子總數）×100%；

相對發芽率（%）=處理發芽率/對照發芽率×100%；

相對芽長=脅迫的芽長/對照的芽長×100%；

相對根長=脅迫的根長/對照的根長×100%；

相對根數=脅迫的根數/對照的根數×100%；

變異系數=標準差/平均值×100%。

1.3 數據處理

使用Excel 2010整理數據，計算各處理性狀平均數和相對指標值等，采用SPSS 26.0 對數據進行方差、主成分和Spearman 相關性分析，采用Origin 2022進行聚類分析。采用平均總隸屬函數法綜合評價水稻萌發期的耐旱性。

（1）U（Xij）=（Xij-Xmin）/（Xmax-Xmin）.

（2）Xi=∑U（Xij）/n.

公式（1）中，U（Xij）為某種質某一指標的隸屬函數值，Xij 為某種質的某一指標測量值，Xmax、Xmin 為該指標的最大值與最小值。

公式（2）中，Xi為i 品種的平均總隸屬函數值，總性狀數用n 表示，Xi的數值大小與其耐旱性呈正相關。

根據相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率4個指標的總隸屬值的大小，耐旱等級的劃分標準［13］：1級為高抗（HR），Xi≥0.8；2級為抗（R），0.6≤Xilt;0.8；3級為中抗（MR），0.4≤Xilt;0.6；4級為敏感（S），0.2≤Xilt;0.4；5級為高度敏感（HS），Xilt;0.2。

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫對水稻種子萌發及表型特征的影響

研究表明，不同水稻品種萌發期的根長、芽長、根數、發芽率均隨PEG濃度增加呈下降趨勢，15% PEG和20% PEG處理的值均小于對照CK處理。PEG-6000濃度為15%時，種子的芽長、根長、根數、發芽率變幅分別為0～7.65 cm、0～10.40 cm、0～7.5個、0%～100%，均值分別為4.89 cm、6.34 cm、3.51個、91.18%，較對照CK處理分別降低27.98%、19.44%、25.79%和6.99%。PEG-6000濃度在20%時，種子的芽長、根長、根數、發芽率變幅分別為0～5.65 cm、0～9.50 cm、0～6.15個、0%～100%，均值分別為1.54 cm、3.08 cm、1.81 個、49.89%，較對照CK處理分別降低了77.32%、60.86%、61.73%和48.28%。圖1

2.2 PEG脅迫對各性狀相對值的描述統計

研究表明，15%PEG時，變異系數依次為相對根長（50.53%）＞相對芽長（48.83%）＞相對根數（45.41%）＞相對發芽率（18.70%）；20%PEG時，變異系數依次為相對芽長（105.48%）＞相對根長（87.47%）＞相對根數（70.62%）＞相對發芽率（67.61%）。相對根長在15%PEG和20%PEG的最大值分別為178.57%和146.15%，其中15%PEG脅迫后有4份材料根長顯著增長，至20%PEG脅迫后僅有2份材料顯著增長。20% PEG處理下各性狀指標變異系數均高于15% PEG，品種間抗旱性差異明顯增加，因此，選擇20%的PEG-6000溶液作為萌發期耐旱性鑒定的處理濃度。表1

2.3 20% PEG 脅迫下各性狀指標的聚類分析

研究表明，31 份水稻材料通過聚類分析分為3大類群。第 Ⅰ 類群4份材料，占總材料數的12.90%，芽長平均值為4.85 cm，根長平均值為4.31 cm，根數平均值為4.66 條，發芽率平均值為79.17%，該類群屬于萌發期抗旱型較優品種；第 Ⅱ 類群14份材料，占總材料的45.16%，芽長平均值為1.78 cm，根長平均值為4.90 cm，根數平均值為2.14 條，發芽率平均值為71.67%，該類群屬于萌發期抗旱型中等品種；第 Ⅲ 類群13份材料，占總材料的41.94%，芽長平均值為0.27 cm，根長平均值為0.73 cm，根數平均值為0.58 條，發芽率平均值為17.44%，該類群屬于萌發期抗旱型差品種。圖2

2.4 20% PEG 脅迫下各性狀指標的主成分

研究表明，按照特征值大于1的原則，僅提取1個公因子。第1主成分特征值（PC1）為2.988，其成分貢獻率為74.689%，在特征向量中，相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率在PC1上均有較高的載荷，分別為0.877、0.807、0.935和0.833，PC1可作為萌發因子。因此，相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率可確定為水稻種質萌發期耐旱性鑒定的綜合評價指標。表2

2.5 抗旱性綜合評價

研究表明，31份水稻品種的平均總隸屬函數值在0～0.779，其中0.6≤平均總隸屬函數值lt;0.8的抗旱材料5份，分別為23H25、23H5、23H20、23H16和23H19，占供試種質的16.13%，除23H19外，其他4個材料均為第Ⅰ類群；0.4≤平均總隸屬函數值lt;0.6的中抗材料12份，占供試種質的38.71%；0.2≤平均總隸屬函數值lt;0.4的敏感材料4份，占供試種質的12.90%；平均總隸屬函數值lt;0.2的高度敏感材料10份，占供試種質的32.26%，其中有6份材料的平均總隸屬函數值均為0。表3

2.6 20% PEG 脅迫下各性狀指標的相關性

研究表明，各鑒定指標之間均呈極顯著正相關，其中相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率均與平均總隸屬函數值呈現極顯著正相關，其相關程度依次為相對芽長（0.944）、相對根數（0.926）、相對根長（0.871）、相對發芽率（0.828）。圖3

3 討 論3.1

目前由于水稻品種、類型和培養方法的不同，尚未有統一的PEG-6000 溶液濃度標準，使用15%［14］、20%［13］、25%［10］PEG濃度在水稻萌發期進行耐旱性鑒定的研究均有報道。研究發現15% PEG處理下水稻品種之間的差異不明顯，且多數品種的發芽率為100%，無法篩選區分不同耐旱能力的材料，而20% PEG處理下明顯抑制了水稻種子的萌發及胚根的生長，且不同品種受到的抑制程度不一致。由此，研究將20%作為水稻萌發期抗旱性鑒定的最適PEG濃度，這與多數學者［12， 13， 15］研究結論一致。此外，試驗發現不同水稻品種的根長、芽長、根數、發芽率基本隨PEG濃度的增加呈下降的趨勢，在低濃度PEG 脅迫下抑制幼芽生長，促進幼根伸長，而高濃度PEG脅迫下嚴重抑制幼根生長［16］。

3.2 前人在水稻萌發期抗旱鑒定篩選中對各指標的選擇也不盡相同，袁杰等［12］認為相對發芽率、相對幼芽長度和相對幼根長度可作為水稻芽期抗旱性鑒定的關鍵指標；張娟偉等［17］通過主成分分析法確定相對發芽勢、相對芽長、活力指數、萌發耐旱指數為耐旱評價指標；敬禮恒等［18］認為相對發芽率、相對芽長、相對根長、相對根芽干重、萌發耐旱指數作為耐旱性鑒定綜合指標較好；楊瑰麗等［19］研究表明，芽鞘長和根長與水稻萌芽期綜合抗旱能力極顯著相關；研究通過主成分分析發現，所測定的相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率在僅有的第一主成分上均有較高的載荷，分別為0.877、0.807、0.935和0.833，且4個性狀均與平均總隸屬函數值呈極顯著正相關，認為4個性狀適合用于水稻萌發期抗旱鑒定指標。3.3

全面、準確地研究作物逆境脅迫，可采用平均總隸屬函數法和系統聚類法的綜合分析來增強鑒定結果的可靠性［20-21］。研究參考前人平均總隸屬函數值的大小評價水稻芽期耐旱性，其平均總隸屬函數值在0～0.779，其中0.6≤平均總隸屬函數值lt;0.8的抗旱材料5份，同時引入聚類分析方法，綜合評價出芽期抗旱性強的品種為23H25、23H5、23H20、23H16。后續還將深入開展全生育期田間試驗進一步驗證［22］。

4 結 論

20%PEG-6000為水稻萌發期干旱脅迫的最佳濃度，以相對芽長、相對根長、相對根數、相對發芽率作為評價萌發期耐旱性的關鍵指標。篩選出萌發期耐旱性強的4份水稻材料23H25、23H5、23H20和23H16。

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Identification of drought tolerance and selection of excellent

varieties of rice seeds at germination stage

DU Xiaojing1，2， HOU Tianyu2， LI Dong1， LYU Yuping1， YUAN Jie2，

ZHANG Yanhong2， ZHAO Zhiqiang2，Buhaliqiemu Abulizi2，WANG Fengbin1， 2

（1. Research Institute of Grain Crops，Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091，China;2. Xinjiang Key Laboratory of Crop Biotechnology / Institute of Nuclear Technology and Biotechnology， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091，China）

Abstract：【Objective】 To explore the identification index of early drought tolerance of rice and to screen the germplasm resources of rice drought tolerance.

【Methods】 The drought resistance of 31 rice varieties during germination was identified by 0%， 15% and 20% PEG-6000 solution.

【Results】 The root length， bud length， root number and germination rate of different rice varieties decreased with the increase of PEG concentration， and 20% PEG was determined as the identification concentration of drought tolerance of rice during germination. The 31 varieties were divided into three categories by systematic cluster analysis： the first category was best drought-resistant variety at germination stage， with 4 cultivars; the second group consisted of 14 medium drought-resistant varieties during germination， the third group consisted of 13 varieties with poor drought resistance during germination. Only one comprehensive factor was extracted by principal component analysis， and the cumulative contribution rate was 74.689%. The relative shoot length， relative root length， relative root number and relative germination rate were significantly positively correlated with the average total membership function value. These four traits were identified as drought resistance identification indicators at germination stage.

【Conclusion】" Four rice materials 23H25， 23H5， 23H20 and 23H16 with strong drought tolerance during germination have been selected by means of average total membership function and cluster analysis.

Key words：rice; germination stage; PEG-6000; drought tolerance

Fund projects：Science and Technology Assisting Xinjiang Project of Xinjiang Uyghur Autonomous Region （2022E02062）；Urumqi Comprehensive Experimental Station of National Rice Industry Technology System（CARS-01-75）

Correspondence author： LI Dong（1982-）， male， from Shangluo，Shaanxi，master， associate research fellow， research direction： rice genetics， breeding and cultivation techniques， （E-mail）ld1995789@sina.com

WANG Fengbin（1968-）， male， from Pingxiang，Jiangxi，master， researcher， research direction：rice genetics， breeding and cultivation techniques， （E-mail）xjnkywfb@163.com