三個小麥新品種萌發(fā)期和幼苗期抗旱性的綜合評價

張龍龍，楊明明，董劍，趙萬春，高翔，陳冬陽

（西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌712100）

三個小麥新品種萌發(fā)期和幼苗期抗旱性的綜合評價

張龍龍，楊明明，董劍，趙萬春，高翔，陳冬陽

（西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌712100）

為了鑒定西農(nóng)538、西農(nóng)556和西農(nóng)558三個小麥新品種的抗旱特性，以抗旱性不同的三個生產(chǎn)上大面積推廣的小麥品種晉麥47、小偃22和西農(nóng)979為對照，通過在不同梯度的滲透脅迫（5%，10%，15%，20%PEG－6000）處理下，測定這6個品種在萌發(fā)期和幼苗期的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽鞘長、超氧化物歧化酶活性（SOD）、過氧化物酶（CAT）等指標，運用相關分析、主成分分析、模擬隸屬函數(shù)等方法對這6個品種的抗旱性進行綜合評價。結(jié)果表明：（1）在不同梯度的滲透脅迫處理下，各單項指標對不同品種抗旱性的影響不同，各指標間存在不同程度的相關性。（2）通過主成分分析，5%和10%PEG脅迫下將12個單項指標轉(zhuǎn)化為4個相互獨立的綜合指標，15%和20% PEG脅迫下將12個單項指標轉(zhuǎn)化為3個相互獨立的綜合指標，4種脅迫梯度下其累計貢獻率依次達到了92.61%、92.96%、88.74%和93.12%。（3）通過抗旱性綜合評價值（D值），將這6個小麥品種分為三類：西農(nóng)538與對照品種晉麥47為強抗旱型；西農(nóng)558與對照品種小偃22為中等抗旱型；西農(nóng)556與對照品種西農(nóng)979為弱抗旱型。

小麥；萌發(fā)期；幼苗期；PEG脅迫；抗旱性

小麥是我國三大主要糧食作物之一，在我國糧食生產(chǎn)、糧食安全及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著全球氣候驟變，旱災發(fā)生的頻率和范圍也在擴大，據(jù)統(tǒng)計，世界性干旱導致的減產(chǎn)可超過其它因素所造成的減產(chǎn)的總和［1－2］。近40年來，中國因干旱缺水而少產(chǎn)糧食近1億t［3］。干旱已成為制約我國小麥生產(chǎn)的重要因素［4－8］。因此，加強對小麥品種的鑒定、篩選來培育抗旱性小麥，對保障我國糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

近年來，國內(nèi)外學者就小麥抗旱性的鑒定評價進行了廣泛的研究，提出了一系列與抗旱性有關的形態(tài)、生理與生化等方面的鑒定方法與指標［9－13］。但是由于大多數(shù)指標的測定工作量較大、周期長而且需要借助一些昂貴的儀器，成本較高［14］。而小麥萌發(fā)期和幼苗期形態(tài)指標易于調(diào)查和測定，鑒定周期短，在進行小麥品種抗旱鑒定方面具有一定的優(yōu)勢。常用的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有蔗糖、甘露醇、聚乙二醇6000（PEG－6000）等［15－18］，其中，PEG－6000溶液模擬干旱脅迫具有操作簡便、穩(wěn)定性強、重復性好等優(yōu)點而被人們廣泛使用［19－23］。Blum［24］和景蕊蓮［25］等研究認為，PEG－6000適合對小麥萌發(fā)期及幼苗期抗旱性鑒定篩選。

本研究以西農(nóng)538、西農(nóng)556和西農(nóng)558為材料，以晉麥47、小偃22和西農(nóng)979為對照，通過PEG模擬干旱脅迫，分析干旱脅迫對不同小麥品種萌發(fā)期及幼苗期的影響，采用抗旱指數(shù)和隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法，綜合分析供試材料萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性，旨在為小麥抗旱育種提供親本材料，同時為小麥品種的早期抗旱性鑒定提供更多理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種西農(nóng)538、西農(nóng)556和西農(nóng)558是由西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院最新選育的品種，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應性廣等特點。對照品種晉麥47、小偃22和西農(nóng)979都是生產(chǎn)上大面積推廣種植的品種，且抗旱能力具有典型的代表性［26－27］。6個品種均由西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院品質(zhì)改良實驗室提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 各品種萌發(fā)期指標測定將待試各品種選取大小一致、均勻度好、無破損、籽粒飽滿度較好的種子1 500粒，置于40℃的烘箱中烘8 h后取出，經(jīng)0.1%KMnO4消毒10 min后，用蒸餾水沖洗干凈，分為15份，每份100粒，單層濾紙做發(fā)芽床，置于培養(yǎng)皿中。每個培養(yǎng)皿加蒸餾水15ml，光照培養(yǎng)24 h左右至種子萌動，取出種子用吸水紙吸干表面水分。然后設置5個不同梯度（0，5%，10%，15%，20% PEG－6000），3次重復。0梯度PEG－6000直接用蒸餾水，作為對照，各濃度溶液分別取15 ml置于20℃條件下的人工氣候箱中。3 d和7 d后統(tǒng)計種子發(fā)芽數(shù)（以芽長超過種子1／2為發(fā)芽標準），第7天測定胚芽鞘長。

發(fā)芽率＝發(fā)芽總數(shù)／供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢＝第三天的發(fā)芽種子數(shù)／供試種子數(shù)× 100%

1.2.2 各品種幼苗期指標測定在人工氣候箱中培養(yǎng)小麥，待小麥長至兩葉一心期時開始進行脅迫處理。處理加不同梯度（5%，10%，15%，20%）的PEG－6000脅迫營養(yǎng)液，對照繼續(xù)加營養(yǎng)液培養(yǎng)，脅迫處理72 h后，隨機抽取植株進行抗旱指標的測定；每個指標設對照和處理，各三次重復，測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，過氧化物酶活性（POD），過氧化氫酶（CAT）活性，丙二醛含量（MDA），脯氨酸含量（Pro），可溶性蛋白含量，葉綠素含量，細胞質(zhì)膜相對透性，相對含水量等指標。

鑒定指標與測定方法［28－29］：超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用過氧化氫法測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定；脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮顯色法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G－250比色法測定；葉綠素含量采用Arnon法測定；細胞質(zhì)膜相對透性用相對電導率表示，相對電導率采用電導儀（DDS－307）測定；相對含水量采用烘干稱重法。以上每個指標每個處理測定3次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel2007和SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析。采用相關分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和標準差系數(shù)賦予權重法進行抗旱性綜合評價。即通過主成分分析將所測12項單項指標的抗旱指數(shù)轉(zhuǎn)化成幾個個數(shù)較少且相互獨立的綜合指標，求出各供試品種的綜合指標對應的隸屬函數(shù)值，然后進行加權，最后得到各品種抗旱性的綜合評價值。

抗旱指數(shù)計算公式為［30］：

抗旱指數(shù)＝抗旱系數(shù)×脅迫測定值／所有品種脅迫平均值（1）

抗旱系數(shù)＝脅迫測定值／對照測定值（2）

各綜合指標的隸屬函數(shù)值U（Xj）的計算公式為［31－32］：

式中，Xj表示第j個綜合指標，Xmin和Xmax表示第j個綜合指標的最小值和最大值。

各綜合指標的權重（Wj）的計算公式為［31－32］：

式中，Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的權重，Pj是每個供試品種第j個綜合指標的貢獻率。

各小麥品種抗旱性綜合評價值D的計算公式為［3132］：

式中，D為各供試品種在不同脅迫梯度下用綜合評價指標所得出的抗旱性綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各小麥品種萌發(fā)期及幼苗期在不同干旱脅迫梯度下的響應差異及相關分析

根據(jù)公式（1）和公式（2）計算出每個品種在4個滲透脅迫梯度下的抗旱指數(shù)，如表1所示，各小麥品種隨著滲透脅迫梯度的增加，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、葉綠素含量和相對含水量呈下降趨勢，SOD活性、POD活性、CAT活性、丙二醛含量、脯氨酸含量和相對電導率不同程度上升。而胚芽鞘長和可溶性蛋白含量在各品種間的變化各不相同。可見，用任一單項指標評價小麥的抗旱性都具有片面性，必須用多個指標進行綜合評價。利用SPSS軟件對不同指標之間的抗旱指數(shù)進行相關分析可看出（表2），這12個指標之間存在著一定的相關性，這使得它們所提供的信息發(fā)生了重疊。因此，還需采用主成分分析法對這些指標進行綜合分析。

表1 PEG處理下不同小麥品種生理指標變化Table 1 Physiological indexes of wheat cultivars under different PEG treatments

表2 不同小麥品種各項指標的相關系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrixes of various index of different wheat cultivars

2.2 12個單項指標的抗旱指數(shù)的主成分分析

利用SPSS軟件對這6個小麥品種的12個單項指標的抗旱指數(shù)進行主成分分析（表3），特征根值在1.000以上的PEG脅迫梯度5%和10%有4個，15%和20%有3個，在5%PEG脅迫下，前4個主成分貢獻率依次為：38.35%、24.32%、17.08%和12.86%，累計貢獻率達到92.61%。10%PEG脅迫下，前4個主成分貢獻率依次為：39.32%、25.03%、19.05%和9.56%，累計貢獻率達到92.96%。15% PEG脅迫下，前3個主成分貢獻率依次為：52.37%、20.70%和15.67%，累計貢獻率達到88.74%。20% PEG脅迫下，前3個主成分貢獻率依次為：58.96%、20.36%和13.80%，累計貢獻率達到93.12%。表明在5%和10%PEG脅迫下，前4個主成分分別包含了12個單項指標92.61%和92.96%的信息。在15%和20%PEG脅迫下，前3個主成分分別包含了12個單項指標88.74%和93.12%的信息。這樣就把原來的12個單項指標轉(zhuǎn)化成了3個或4個彼此獨立的綜合指標，同時根據(jù)各主成分的貢獻率大小就可知道它們的相對重要性。

2.3 不同小麥品種抗旱性綜合性評價

根據(jù)得出的各主成分的綜合指標值，按照公式（3）分別求出6個品種在4個不同梯度下的隸屬函數(shù)值U（Xj）。再根據(jù)各主成分的貢獻率按照公式（4）分別求出6個品種在4個不同梯度下的權重Wj。最后根據(jù)得出的隸屬函數(shù)值U（Xj）和權重（Wj）按照公式（5）分別求出6個品種在4個不同梯度下的抗旱性綜合評價值D（表4）。根據(jù)D值的大小可看出，在5%PEG脅迫梯度下，6個小麥品種抗旱能力從強到弱依次是：晉麥47＞小偃22＞西農(nóng)538＞西農(nóng)558＞西農(nóng)556＞西農(nóng)979。在10%PEG脅迫梯度下，6個小麥品種抗旱能力從強到弱依次是：西農(nóng)538＞小偃22＞晉麥47＞西農(nóng)558＞西農(nóng)979＞西農(nóng)556。在15%和20%PEG脅迫梯度下，6個小麥品種抗旱能力從強到弱的次序是一致的，依次是：晉麥47＞西農(nóng)538＞小偃22＞西農(nóng)558＞西農(nóng)556＞西農(nóng)979，說明隨著抗旱脅迫梯度的加大，各品種的抗旱能力趨于穩(wěn)定。綜合4個脅迫梯度的D值，6個小麥品種的抗旱性可分為三類：西農(nóng)538與對照品種晉麥47為一類，屬于強抗旱型；西農(nóng)558與對照品種小偃22為一類，屬于中等抗旱型；西農(nóng)556與對照品種西農(nóng)979為一類，屬于弱抗旱型。

表3 PEG脅迫下不同小麥品種的主成分分析結(jié)果Table 3 Principal component analysis of wheat cultivars in different concentrations of PEG

表4 不同小麥品種抗旱性綜合評價結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation of drought resistance of wheat cultivars

3 討論

小麥萌發(fā)期和幼苗期是其生長發(fā)育的初始階段，該階段的抗旱能力直接關系到小麥的成苗與后期產(chǎn)量。本試驗采用PEG模擬干旱脅迫，分析了供試品種在萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性，抗旱指數(shù)是評價作物抗旱性的一個重要參數(shù)，在抗旱鑒定中被廣泛應用［33］。本研究也將其作為不同指標考察的基本依據(jù)。作物的抗旱性不但是一個受多種因素影響的復雜數(shù)量性狀，而且不同品種的抗旱機制也不盡相同，從而使得不同品種在干旱脅迫條件下對某一具體指標的反應也不盡相同。因而用單一指標很難全面準確地反映作物品種抗旱性的強弱，應該用多種指標來綜合評價作物的抗逆適應性。對于本試驗所測定的12個單項指標與抗旱性的關系與前人［34－36］的研究基本一致，都表現(xiàn)出隨著滲透脅迫梯度的增加，各品種發(fā)芽勢、發(fā)芽率、葉綠素含量和相對含水量呈下降趨勢，SOD、POD和CAT活性，丙二醛及脯氨酸含量和相對電導率不同程度上升。而胚芽鞘長和可溶性蛋白含量在各品種間的變化各不相同。但評價作物抗逆性的指標較多，指標間又存在不同程度的相關性，采用隸屬函數(shù)法直接利用這些指標來評價作物的抗逆性也存在一定的局限性。主成分分析法可將原來較多的指標轉(zhuǎn)換成指標數(shù)量較少且相互獨立的綜合指標。本研究采用主成分和隸屬函數(shù)分析將12個抗旱相關指標轉(zhuǎn)化為3個（15%和20%PEG脅迫下）或4個（5%和10%PEG脅迫下）彼此獨立的綜合指標（主成分），進而計算供試品種3個或4個主成分的綜合指標值［Cl（Xj）］及隸屬函數(shù)值［U（Xj）］；同時結(jié)合各綜合指標貢獻率大小計算權重，得到品種抗旱性綜合評價值（D值），用于評價供試品種抗旱性，由于D值無量綱，使得不同品種抗旱性差異具有可比性，可客觀、準確地評價小麥抗旱性，而且主成分分析方法利用了各指標間內(nèi)在的深層次的聯(lián)系，克服了信息的重疊與指標的相關性，可以利用數(shù)據(jù)本身得到各綜合指標的權重（Wj），從而避免了人為確定權重的主觀性。二者相結(jié)合可客觀、準確地評價小麥的抗旱性，為小麥抗旱遺傳改良和相關研究提供了科學方法［37］。依據(jù)該方法，隨著脅迫梯度從5%增加到20%，各品種的抗旱能力趨于穩(wěn)定。綜合這4個脅迫梯度的D值，6個小麥品種的抗旱性可分為三類：西農(nóng)538與對照品種晉麥47和小偃22的D值較為接近，屬于強抗旱型；西農(nóng)558的D值介于對照品種小偃22和西農(nóng)979之間，屬于中等抗旱型；西農(nóng)556與對照品種西農(nóng)979的D值較為接近，屬于弱抗旱型。結(jié)合西農(nóng)538在生產(chǎn)上具有分蘗力強，成穗率高，抗干熱風，綜合抗性突出，成熟黃亮等優(yōu)良特性［38］，可作為小麥早期抗旱育種的親本材料加以利用。由于作物抗旱性是一個非常復雜的現(xiàn)象，對植物抗旱性的鑒定不能局限在某一時期，采用多個時期、多指標相結(jié)合的綜合評價方法才會準確對抗旱品種進行篩選評價。由于本研究只是分析了這些品種在萌發(fā)期和幼苗期抗旱性，并且本試驗僅就6個小麥品種進行了研究，因此，對于在其它時期和自然條件下的抗旱性表現(xiàn)以及此結(jié)果能否適用于其它小麥品種抗旱性評價有待進一步探討研究。

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Comprehensive evaluation of drought resistance of three new wheat cultivars at germination and seedling stage

ZHANG Long-long，YANG Ming-ming，DONG Jian，ZHAO Wan-chun，GAO Xiang，CHEN Dong-yang
（College of Agronomy，Northwest A＆F University，Yangling Shaanxi 712100，China）

In order to identify the drought resistance of three new wheat cultivars Xinong 538，Xinong 556 and Xinong 558，three wheat cultivars Jinmai 47，Xiaoyan 22 and Xinong 979 with different drought resistance and large area of promotion were taken as control.The experiment was conducted under four PEG－6000 treatments（5%，10%，15% and 20%）for six wheat cultivars.12 indices（germination rate，germination potential，coleoptile length，SOD，CAT，etc.）was investigated during germination and seedling stage.The comprehensive evaluation for wheat drought resistance was conducted by correlation analysis，principal component analysis and subordinate function analysis.The results indicated that there existed different degree of correlation among these indices and these indices had different effects on the drought resistance of the varieties.By principal component analysis，12 indices was transformed to three（under 15% and 20%PEG－6000）or four（under5%and 10%PEG－6000）independent and synthesized indices，and the accumulative contribution rate were 92.61%%，92.96%，88.74%and 93.12%for stress treatments of 5%，10%，15% and 20%，respectively.According to the synthetic evaluation value（D），six wheat cultivars were divided into three groups，in which“Xinong 538”and“Jinmai 47”belonged to the high drought resistance group，“Xinong 558”and“Xiaoyan 22”belonged to the medium drought resistance group，and“Xinong 556”and“Xinong 979”belonged to the low drought resistance group.

wheat；germination stage；seedling stage；PEG stress；drought resistance

S512.1；S322.4

A

1000-7601（2016）06-0228-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.35

2016-01-19

“十二五”農(nóng)村領域國家科技計劃課題（2011AA100501）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系研究項目（CARS－3－2－47）

張龍龍（1990—），男，甘肅合水人，碩士，主要從事小麥抗旱遺傳育種。E-mail：zllt2013＠163.com。

高翔（1960—），男，陜西乾縣人，教授，博士生導師，主要從事小麥遺傳育種原理與方法及小麥新品種選育。E-mail：gx＠nwsuaf.edu.cn。