水稻萌芽期抗旱指標(biāo)篩選與抗旱性綜合評(píng)價(jià)

楊瑰麗，楊美娜，李帥良，曲志恒，黃 明，陳志強(qiáng)，王 慧

(國家植物航天育種工程研究中心，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州510642)

水稻Oryza sativa L．是最主要的糧食作物之一，全世界超過一半的人口都以稻米為主食［1］．水稻生產(chǎn)的耗水量非常大，約消耗中國淡水資源的50%，我國水資源條件很難支撐傳統(tǒng)水稻的進(jìn)一步發(fā)展［2］．尤其是隨著全球氣候驟變，我國旱災(zāi)發(fā)生的頻率和范圍也在擴(kuò)大，南部和西部地區(qū)局部季節(jié)性旱災(zāi)導(dǎo)致水稻嚴(yán)重減產(chǎn)，干旱已成為制約我國水稻生產(chǎn)的重要因素［3］．培育抗旱水稻品系對(duì)于穩(wěn)定和提高水稻產(chǎn)量有重要的意義．水稻抗旱品系的培育離不開育種材料抗旱性的科學(xué)、有效評(píng)價(jià)與篩選鑒定．水稻抗旱性是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量遺傳性狀，抗旱性機(jī)制較為復(fù)雜［4-5］．國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列與抗旱性有關(guān)的形態(tài)、發(fā)育、生理與生化等方面的鑒定方法與指標(biāo)，如根系、葉片性狀、生育期、滲透調(diào)節(jié)、脫落酸含量等［6-7］．但是由于大多數(shù)指標(biāo)的測(cè)定工作量較大、周期長并且需要借助一些昂貴的儀器，成本較高．水稻萌發(fā)期形態(tài)指標(biāo)易于調(diào)查和測(cè)定、鑒定周期短，在進(jìn)行大規(guī)模水稻種質(zhì)抗旱性篩選方面具有一定的優(yōu)勢(shì)．聚乙二醇(PEG)作為滲透調(diào)節(jié)劑被廣泛用于篩選和鑒定作物的抗旱性［8-11］．Blum［12］研究表明，PEG 對(duì)篩選小麥苗期抗旱性是適用的．利用PEG在篩選小麥、花生等作物苗期抗旱性較好的品種以及耐旱性的甘薯突變體也獲得良好的效果［8，13-14］．本試驗(yàn)以粳型、秈型常規(guī)稻及空間誘變穩(wěn)定后代株系等共62 個(gè)水稻品種(系)為供試材料，通過PEG-6000 模擬干旱脅迫，研究干旱處理與對(duì)照條件下水稻萌芽期8 個(gè)形態(tài)和生理指標(biāo)的差異，以期篩選出適合于水稻萌發(fā)期的抗旱性指標(biāo)，初步篩選出具有抗旱育種潛在價(jià)值的材料，為水稻抗旱品種的評(píng)價(jià)及選育提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1．1 材料

粳型、秈型常規(guī)稻及空間誘變穩(wěn)定后代株系等共62 個(gè)水稻品種(系)．

1．2 試驗(yàn)方法

每個(gè)品種(系)選取健康飽滿種子100 粒在清水(30 ℃)中浸種1 d 后，平均分成2 份，分別整齊置于相應(yīng)處理的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽盒(長×寬×高=12 cm×12 cm×5 cm)中，盒底墊3 層濾紙．其中，干旱處理發(fā)芽盒中倒入20 mL 的150 g· L－1PEG-6000(－0.28 MPa)，對(duì)照處理發(fā)芽盒中倒入20 mL 清水．將發(fā)芽盒均勻置于培養(yǎng)箱(28 ℃、每天12 h 光照)中進(jìn)行培養(yǎng)．每隔1 d 調(diào)查發(fā)芽率;8 d 后調(diào)查芽長、最長根長、芽鞘長、根數(shù)、芽干質(zhì)量、根干質(zhì)量、根冠比．

1．3 種子萌發(fā)指數(shù)計(jì)算

根據(jù)第2、4、6、8 天的種子萌發(fā)率(n2～n8)計(jì)算種子萌發(fā)指數(shù)(GI)，計(jì)算公式為:

1．4 干旱性評(píng)價(jià)方法

統(tǒng)計(jì)前先求相對(duì)值，以便直觀地比較各個(gè)品種(系)不同測(cè)定指標(biāo)間的差異，相對(duì)值為待測(cè)指標(biāo)在干旱處理?xiàng)l件下數(shù)值與對(duì)照條件下數(shù)值之比．用SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，抗旱性評(píng)價(jià)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法，以芽長、最長根長、芽鞘長、根數(shù)、芽干質(zhì)量、根干質(zhì)量、根冠比等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)．隸屬函數(shù)值法提供了一條在多指標(biāo)測(cè)定的基礎(chǔ)上對(duì)材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法，讓待測(cè)樣品間抗旱性差異具有可比性，將它應(yīng)用于抗旱品種的選擇和評(píng)價(jià)，更具可靠性和科學(xué)性［15］．

隸屬函數(shù)值(uj)計(jì)算公式:

式中，Xj表示第j 個(gè)指標(biāo);Xmin表示第j 個(gè)指標(biāo)的最小值;Xmax表示第j 個(gè)指標(biāo)的最大值．

權(quán)重(Wj)計(jì)算公式:

式中，Pj表示第j 個(gè)綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率．綜合抗旱能力(D)計(jì)算公式:

式中，uj表示第j 個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)，Wj表示第j 個(gè)權(quán)重．

2 結(jié)果與分析

2．1 干旱脅迫對(duì)水稻萌芽期生長的影響

對(duì)所有材料萌芽期8 個(gè)抗旱指標(biāo)的平均相對(duì)值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，除根冠比(相對(duì)值為1.14)外，其他指標(biāo)所測(cè)相對(duì)值均小于1，表明干旱脅迫嚴(yán)重抑制了水稻萌發(fā)．其中，最長根長受到干旱脅迫的影響最大，其平均相對(duì)值只有0.39，而芽長的平均相對(duì)值為0.71，表明干旱脅迫對(duì)水稻萌發(fā)期的抑制主要表現(xiàn)為對(duì)根長的抑制．但根干質(zhì)量的平均相對(duì)值為0.73，比芽干質(zhì)量的平均相對(duì)值(0.67)高，且根冠比的平均相對(duì)值大于1，表明干旱脅迫對(duì)芽干質(zhì)量的積累影響更大;雖然干旱脅迫抑制根的伸長生長，但對(duì)相同部位干物質(zhì)的積累影響相對(duì)較?。?/p>

2．2 品種間單項(xiàng)指標(biāo)的差異及相關(guān)分析

在所測(cè)指標(biāo)中，除了芽干質(zhì)量品種間差異不顯著(P=0.173)外，其他單項(xiàng)指標(biāo)品種間差異均顯著(P＜0.05)．這些品種間差異較大的指標(biāo)對(duì)于同一品種的抗旱評(píng)價(jià)結(jié)果迥異，不同單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果不同，如品系W-59 的芽長最大，但其最長根長卻相對(duì)較低;品系W-29 的根冠比最大，但其最長根長值卻最?。@表明水稻種子萌發(fā)期的抗旱性為復(fù)雜的綜合性狀，利用單一抗旱指標(biāo)對(duì)水稻抗旱性強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)不夠全面．

所有指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果(表1)表明，芽長與根數(shù)、萌發(fā)指數(shù)(GI)以及根干質(zhì)量與根冠比、GI之間有極顯著的相關(guān)(P＜0.01)，根冠比與最長根長也存在顯著相關(guān)性(P＜0.05)，表明根冠比主要是受根部的影響．最長根長與根干質(zhì)量之間相關(guān)不顯著(r=0.17，P=0.03)，表明伸長生長與根系的干物質(zhì)積累沒有密切關(guān)系．

表1 水稻萌芽期抗干旱指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)1)Tab．1 Related coefficients of drought resistance indicators at rice germination stage

2．3 各抗旱指標(biāo)的綜合分析及品系抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

利用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同水稻品種(系)種子萌發(fā)期的各個(gè)單項(xiàng)抗旱指標(biāo)進(jìn)行主成分分析．因前5個(gè)新的綜合指標(biāo)(Comprehensive Index，CI)的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)接近85%(表2)．因此，選取新的綜合指標(biāo)中的前5 個(gè)代表全部的8 個(gè)指標(biāo)對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行抗旱評(píng)價(jià)．

表2 水稻萌芽期抗旱性綜合指標(biāo)CI(x)特征值和特征向量Tab．2 Characteristic values and vectors of integrated indicators of drought resistance at rice germination stage

利用主成分分析的結(jié)果分別求出62 個(gè)材料5個(gè)新的綜合指標(biāo)值;利用公式(1)，可以分別得到各個(gè)供試材料所有的綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;由公式(2)根據(jù)綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率的大小(分別為27.89%、22.89%、23.73%、11.97%、8.55%)得到各綜合指標(biāo)的權(quán)重;經(jīng)計(jì)算得5 個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.332、0.272、0.152、0.142、0.102;再由公式(3)計(jì)算得各品種(系)萌發(fā)期綜合抗旱能力(D)大?。鶕?jù)D 值對(duì)各品種(系)種子萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行強(qiáng)弱排序，其中W-39 的D 值最大(67.75%)，表明該品種(系)種子萌發(fā)期抗旱性最強(qiáng);W-55 的D 值最小為27.87%．利用動(dòng)態(tài)聚類最大距離法對(duì)D 值進(jìn)行聚類分析，將62 個(gè)水稻品種(系)的萌芽期抗旱性分為3類:1)高抗品種(系)有14 個(gè);2)中抗品種(系)有38個(gè);(3)敏感品種(系)有10 個(gè)(表3)．

表3 水稻萌芽期各品種(系)D 值及抗旱性綜合評(píng)價(jià)1)Tab．3 The D values and comprehensive appraisal of drought resistance of rice varieties(strains)during germination stage

圖1 為部分水稻品系種子萌發(fā)8 d 后的生長狀況．從圖1 可見，水稻高抗旱品種(系)W-39、W-37 和W-50 生長受干旱脅迫的影響程度較小，芽鞘長和最長根長與對(duì)照差別不明顯，對(duì)干旱脅迫表現(xiàn)出較高的抗性;中間為中抗品種(系)W-28、W-13和W-36，其生長受到干旱脅迫較大程度的抑制;敏旱品種(系)W-55、W-24 和W-32 對(duì)干旱脅迫表現(xiàn)極度敏感，芽和根的生長均受到明顯的抑制，這與表3 中的抗旱綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相符．

圖1 部分水稻品系的種子萌發(fā)后第8 天的生長狀況Fig．1 Seed germination status of some rice varieties in the 8th day

2．4 不同品種(系)種子萌發(fā)期抗旱性鑒定指標(biāo)的篩選

通過各指標(biāo)的抗旱系數(shù)與D 值的相關(guān)系數(shù)分析篩選能較好地反映不同品種(系)綜合抗旱性大小的指標(biāo)，以便用于大量水稻材料種子萌發(fā)期的抗旱性鑒定，以提高抗旱性材料的篩選效率．結(jié)果表明，用于水稻種子萌發(fā)期抗旱性綜合評(píng)價(jià)的8 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)與D 值的相關(guān)系數(shù)各不相同．芽鞘長、最長根長、根干質(zhì)量、根冠比和種子萌發(fā)指數(shù)與D 值的相關(guān)系數(shù)分別為0.47、0.67、0.78、0.66 和0.37，均達(dá)到極顯著相關(guān)性(P＜0.01);而芽長、根數(shù)和芽干質(zhì)量與D值的相關(guān)系數(shù)分別為0.23、0.16 和0.14，且均未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)．結(jié)合表1 的結(jié)果，芽鞘長與最長根長2 個(gè)指標(biāo)相對(duì)值相關(guān)不顯著，其余指標(biāo)間均有極顯著的相關(guān)，表明芽鞘長與最長根長2 個(gè)指標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，可以作為水稻萌芽期抗旱性鑒定的綜合指標(biāo)．

3 討論與結(jié)論

水稻的抗旱性是由多基因控制的復(fù)雜性狀，表現(xiàn)為逃旱性、避旱性、耐旱性和復(fù)原抗旱性等多種類型，植株水分脅迫程度容易受到環(huán)境因素的影響，使得抗旱性的鑒定存在較高難度．雖然產(chǎn)量相關(guān)性狀在水稻抗旱育種中起著重要的作用，但是產(chǎn)量性狀的遺傳力較低、構(gòu)成因素較為復(fù)雜、鑒定和評(píng)價(jià)困難、受環(huán)境因素影響大［16］，對(duì)大批量的篩選較不適宜，限制了抗旱品種的高效篩選．水稻萌發(fā)期相對(duì)于水稻生長的其他時(shí)期，其抗旱性鑒定具有歷時(shí)短、重復(fù)性強(qiáng)、容量大、受環(huán)境影響小、對(duì)植株破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，此時(shí)利用滲透調(diào)節(jié)劑模擬干旱條件進(jìn)行抗旱鑒定最適宜．

抗旱鑒定指標(biāo)獲得的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成更為直觀的、適用于評(píng)價(jià)分級(jí)的數(shù)值，以利于抗旱鑒定篩選的進(jìn)行．通過試驗(yàn)雖然可以獲得目的抗旱鑒定指標(biāo)，但是若只對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，無法正確得到抗旱性強(qiáng)的水稻品種(系)，因?yàn)橥换蛐椭仓陮?duì)干旱脅迫的響應(yīng)不同．因此，必須對(duì)抗旱指標(biāo)進(jìn)行整理以便綜合評(píng)價(jià)植株的抗旱性．本研究將各指標(biāo)測(cè)定值轉(zhuǎn)化成具有可比性的相對(duì)值進(jìn)行分析，更能體現(xiàn)抗旱性的內(nèi)涵，消除了品種間固有差異;同時(shí)結(jié)合各抗旱鑒定指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行主成分分析，剔除貢獻(xiàn)率小的指標(biāo)，利用各綜合指標(biāo)的特征向量進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，最終評(píng)估綜合抗旱能力．利用此評(píng)價(jià)方法，不僅保證了結(jié)果的可靠性，而且使各指標(biāo)統(tǒng)一為綜合抗旱能力(D)，結(jié)合聚類分析獲得抗旱等級(jí)評(píng)價(jià)．

萌發(fā)期抗旱鑒定中，一般利用萌發(fā)生長指標(biāo)作為抗旱鑒定的指標(biāo)［17］．王瑋等［18］對(duì)113 個(gè)冬小麥品種(系)進(jìn)行萌發(fā)期抗旱鑒定，發(fā)現(xiàn)芽鞘長的鑒定結(jié)果比芽長要好，認(rèn)為芽鞘長用于抗旱鑒定更好．胡頌平等［19］研究發(fā)現(xiàn)胚芽鞘長度與抗旱系數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系．王賀正等［20］認(rèn)為水稻胚芽鞘相對(duì)值在一定程度上可從側(cè)面反映其抗旱性大?。狙芯恳舶l(fā)現(xiàn)干旱脅迫處理的萌發(fā)期種子其胚芽鞘長比正常條件下的要短，且其相對(duì)值與綜合抗旱能力之間存在極顯著的相關(guān)性，因此芽鞘長可作為水稻萌芽期抗旱鑒定指標(biāo)．同時(shí)干旱處理對(duì)最長根長的影響明顯，最長根長與水稻綜合抗旱能力相關(guān)顯著．

利用水稻萌發(fā)期各指標(biāo)相對(duì)值的主成分、隸屬函數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)水稻萌芽期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，鑒定周期短、簡便易行．芽鞘長和最長根長2 個(gè)指標(biāo)的相對(duì)值與水稻萌芽期的抗旱性顯著相關(guān)，可作為萌芽期抗旱性鑒定的輔助指標(biāo)．當(dāng)然，作物抗旱性是一個(gè)綜合特征，可以發(fā)生在其生長發(fā)育的各個(gè)階段．水稻各生育時(shí)期對(duì)水分反應(yīng)不同，對(duì)干旱脅迫的抗性機(jī)制也有差異，本研究篩選的指標(biāo)是否適于其他生育階段及全生育期鑒定，有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證．

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