模擬干旱條件下冬小麥品種萌發(fā)期抗旱性評價

孫 綠，李玉剛，王圣健，劉亞東，王志英，劉 丹，李娜娜，趙長星，蓋紅梅

1.青島農業(yè)大學農學與植物保護學院，山東省旱作農業(yè)技術重點實驗室， 山東 青島 266109；2.青島市農業(yè)科學研究院， 山東 青島 266100；3.山東省農作物種質資源中心， 山東 濟南 250100)

小麥是我國重要的糧食作物。據統(tǒng)計世界上70%的小麥播種面積分布于干旱和半干旱地區(qū)[[1]。我國小麥主要種植于北方，在小麥生育期間降水少，尤其在播種期間常常會遇到土壤干旱，甚至長時間沒有降水的問題。種子萌發(fā)是小麥生長發(fā)育的起始階段，與田間出苗和幼苗長勢有密切的關系[2]。在降水稀少、土壤墑情不足的條件下，小麥種子萌發(fā)及出苗會受到嚴重抑制，導致田間缺苗斷壟，影響基本苗數量和植株生長，易造成田間群體數量和質量下降，最終引起減產[3]。關于干旱脅迫對小麥影響的研究多集中于苗期和生育后期的生長發(fā)育、生理生化特性、產量、品質等方面，而對小麥種子萌發(fā)期抗旱性的研究相對較少[2]，且所評價的供試材料較少。發(fā)芽率[4]、初生根數[5-6]、胚芽鞘長度[6-7]、主胚根長[7-8]等指標均可作為小麥萌發(fā)期抗旱性評價指標，但僅憑單一指標不能全面評價品種抗旱性[9]，目前灰色關聯(lián)法[10]、主成分分析法[11]和隸屬函數法[12]等多用于作物多指標抗旱性評價中。王蘭芬等[12]采用隸屬函數法對113份綠豆種質進行了芽期抗旱性綜合評價；李國瑞等[13]采用隸屬函數法對西南地區(qū)小麥品種萌發(fā)期抗旱性進行了綜合評價，都有較好的評價效果。

本研究采用-0.50 MPa的PEG-6000溶液模擬干旱，選用了119份我國冬小麥種質，著重對部分黃淮冬麥區(qū)和小部分北部冬麥區(qū)近期選育的小麥品種(系)進行萌發(fā)期抗旱性狀測定，通過抗旱系數和隸屬函數法相結合的方法，對供試材料的抗旱性進行綜合評價，以期篩選出萌發(fā)期抗旱性強的品種(系)，為小麥抗旱研究和生產提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料119份，其中以黃淮冬麥區(qū)近期育成品種為主，包含部分北部冬麥區(qū)品種和少量老品種，詳細品種名稱信息在結果分析部分列出。

1.2 試驗設計

每個供試品種(系)挑選600粒大小一致，長勢飽滿的種子，用0.1%的升汞消毒10 min，用蒸餾水反復清洗5遍置于濾紙上晾干。用經過75%酒精消毒后的鑷子將種子腹股溝向下放在鋪好兩層濾紙的發(fā)芽盒(10 cm×10 cm×5 cm)中，每盒100粒并且將種子整齊擺好。每個品種(系)設置兩個處理，3次重復。其中，對照中加入12 ml蒸餾水，干旱處理中加入12 ml -0.50 MPa 19.6% PEG-6000水溶液。將發(fā)芽盒蓋子蓋好放入人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為20℃恒溫，每天12 h光照。

1.3 調查性狀

將供試材料按1.2的方法培養(yǎng)至第8 d，調查供試材料的發(fā)芽數(以胚芽鞘長大于等于1/2種子長或胚根長大于等于種子長為發(fā)芽標準)，計算發(fā)芽率。每個處理隨機挑選5株幼苗，測量主胚根長、胚芽鞘長、胚根數、干物質重等性狀。

抗旱系數=PEG脅迫下指標的平均值/對照指標的平均值。

綜合抗旱系數=品種所有測定指標抗旱系數的加權平均值。

1.4 數據統(tǒng)計分析

1.4.1 抗旱系數分布圖繪制方法 采用R軟件的ggplot2包繪制各抗旱系數的估計密度曲線，其密度估計值由density函數計算得到。

1.4.2 采用隸屬函數法計算D值 采用加權隸屬函數法對119份小麥的抗旱性進行綜合評價。公式如下：

U(Xj)=[Xij-Xjmin]/[Xjmax-Xjmin]，j=1、2、3……

1.4.3 UPGMA聚類圖繪制 利用DPS和SAS9.3進行數據處理和分析，利用DPS進行UPGMA聚類分析繪制聚類分析圖。

2 結果與分析

2.1 小麥萌發(fā)期PEG脅迫對不同種質生長發(fā)育的影響

由表1可以看出，在19.6% PEG-6000處理下，5個性狀均值分別比對照下降了77.3%、40.0%、30.7%、16.7%和78.0%，下降最大的性狀指標是干物質重、發(fā)芽率，其次為胚芽鞘長，表明萌發(fā)期PEG-6000處理不同程度地抑制了小麥的生長，且對各指標影響不同。對處理和對照的變異系數進行了分析，發(fā)現5個性狀處理的變異系數均大于對照，表明萌發(fā)期干旱脅迫與對照相比增大了品種間的差異。

表1 PEG-600模擬干旱脅迫對小麥萌發(fā)期生長的影響

圖1結果表明，不同性狀的抗旱系數分布存在很大差異。其中，干物質重抗旱系數與其它性狀差異最大，其在所有供試材料的值均低于0.5，絕大多數供試材料的抗旱系數約為0.1，只有極少數材料的抗旱系數大于0.25，表明在小麥萌發(fā)期的PEG-6000模擬抗旱處理，大大減少了供試材料的生物量，少部分抗旱系數大于0.25的材料可能為此期比較抗旱的種質。發(fā)芽率的抗旱系數最大值為0.75，絕大部分材料的抗旱系數約為0.13，抗旱系數在0.25～0.50之間的材料也較多，也表明干旱脅迫處理對供試材料的發(fā)芽率有明顯抑制。胚芽鞘長和胚根數的抗旱系數分布較為相似，大部分材料的抗旱系數接近0.75。主胚根長在不同材料間的分布范圍比較廣，多數材料的抗旱系數約為0.8，但有相當一部分材料的抗旱系數大于1，表明，PEG-6000脅迫處理促進了這部分材料胚根的伸長，如果在土壤中，則這些根能夠吸收土壤更深層次水分。不同品種(系)不同性狀的抗旱系數不盡相同，無法用單一指標來全面評價小麥的抗旱性。

圖1供試材料在不同性狀的抗旱系數分布

Fig.1 Drought resistant coefficient distribution of five traits of tested wheat lines

注：CL，胚芽鞘長；DW，干物質重；GR，發(fā)芽率；RL，主胚根長；RN，胚根數

Note：CL， coleoptile length； DW, dry matter weight； GR, germination rate； RL, main radicle length； RN, radicle number

2.2 小麥萌發(fā)期抗旱性綜合評價

根據各指標的抗旱系數求出隸屬函數值，再依據各指標的權重求出加權抗旱系數，利用加權隸屬函數法求出萌發(fā)期抗旱能力綜合評價值(D)。D值與胚芽鞘長、主根數、主胚根長、干物質重、發(fā)芽率的隸屬函數值呈極顯著正相關，相關系數為分別為0.864、0.626、0.733、0.789和0.816(表2)，說明D值可全面評價小麥萌發(fā)期抗旱性，且D值越大抗旱性越強。D值的變化范圍為0.010～0.864(見表3)，胚芽鞘長與D值相關系數最高。D>0.6的材料有洛夫林13、汶農14、中國春、漯麥8號、輪選987、泰山22、山農17、泰農18、煙航選2號、中育6號、魯麥14、泰農6258、泰農2987等13份材料，0.5

表2 D值與各指標隸屬函數值相關分析

表3 119份小麥種質在萌發(fā)期19.6%PEG-6000脅迫下的抗旱性綜合評價

表3續(xù)

品種Variety綜合抗旱系數ComprehensivedroughtresistantcoefficientD值Dvalue品種Variety綜合抗旱系數ComprehensivedroughtresistantcoefficientD值Dvalue品種Variety綜合抗旱系數ComprehensivedroughtresistantcoefficientD值Dvalue山農22Shannong220.5970.525煙農999Yannong9990.4910.405淮麥29Huaimai290.3520.252魯麥13Lumai130.5720.5225182-360.5020.401小罌粟Xiaoyingsu0.3240.235山農23Shannong230.5840.519藁麥2018Gaomai20180.4910.395普冰04-446Pubing04-4460.3250.232冀麥5265Jimai52650.5630.518魯麥21Lumai210.4570.389鑫289Xin2890.3420.226旱5363Han53630.6130.516中優(yōu)206Zhongyou2060.4610.388周麥18Zhoumai180.3580.224煙農26號Yannong260.5710.514煙農0428Yannong04280.4640.388淮麥26Huaimai260.3300.217濟麥22Jimai220.5960.512新麥26Xinmai260.4850.386晉麥61Jinmai610.3290.209農大5182Nongda51820.5810.511農大5057Nongda50570.4850.383良星99Liangxing990.3230.206青農2號Qingnong20.5810.508中麥155Zhongmai1550.4490.379百農AK58BainongAK580.2920.205皖麥38Wanmai380.5430.507豫農416Yunong4160.4750.379淮麥33Huaimai330.2990.200淮麥18Huaimai180.5660.503周麥9號Zhoumai90.4180.377周麥26Zhoumai260.3000.190鑫296Xin2960.5790.503煙農5158Yannong51580.4440.376周麥16Zhoumai160.2320.126小偃6號Xiaoyan60.5840.501鄭麥366Zhengmai3660.4860.375農大3753Nongda37530.1890.069農大3338Nongda33380.6300.498青豐1號Qingfeng10.4550.375農大211Nongda2110.1310.010晉麥72Jinmai720.5590.498豫麥34Yumai340.4670.373

2.3 聚類分析

基于小麥萌發(fā)期的發(fā)芽率(GR)、主根數(RN)、主胚根長(RL)、胚芽鞘長(CL)和干物質重(DW)的抗旱系數，對供試材料進行了歐氏距離(UPGMA)聚類分析(圖2)。結果表明，在遺傳距離為0.82處，供試材料可分為兩類，一類為萌發(fā)期抗旱種質，另一類為萌發(fā)期干旱敏感種質。在遺傳距離約為0.45處，可把第一類分為三個亞群，亞群I為萌發(fā)期強抗旱種質，包括中育6號、泰農6258、山農17、魯麥14、泰農2987、漯麥8號、輪選987、泰山22、中國春、洛夫林13、汶農14、泰農18、煙航選2 號等13份種質；亞群II為萌發(fā)期抗旱種質，包括淮麥18、青農2號、煙農19、煙農21、濟麥21、煙農836、鑫麥296、臨麥6號、濟麥22、淮麥20、濟麥20、蚰包、白蚰包、魯麥13、煙農2415、小偃6號、冀麥585、晉麥56、旱5363、農大5182、5133、5182-100等45份種質；亞群III為農大3338，單獨成為一支，為萌發(fā)期抗旱性較強的品種。在遺傳距離約為0.42處，可以將第二類分為四個亞群，亞群IV為萌發(fā)期中度抗旱種質，包括晉麥61、鑫289、良星99、淮麥29、淮麥26、淮麥31、淮麥33、農林89、農林10號、矮抗58、周麥22、周麥26、周麥27等13份種質；亞群V為萌發(fā)期干旱較為敏感種質，包括臨汾125、周99233、農大5181、囤麥378、新麥26、洲元9369、Abbodanza等28份種質；亞群VI為萌發(fā)期干旱敏感種質，包括皖麥41、濟麥23、鄭引4號、煙農15、魯麥18、3097等17份種質；亞群VII為萌發(fā)期干旱高度敏感種質，包括周麥16、農大3753、農大211。其中抗旱型和中度抗旱型的品種較多，分別占供試小麥品種數量的72.3%,高度抗旱和高度敏感的較少。UPGMA聚類結果與D值評價結果比較吻合。

圖2 119份小麥材料抗旱系數UPGMA聚類分析

Fig.2 Cluster analysis of 119 wheat cultivars based on drought resistance coefficient with UPGMA

3 結論與討論

在我國北方冬麥區(qū)和黃淮冬麥區(qū)，小麥生長期間常常出現少雨甚至長時間無雨的情況，尤其在小麥播種時期遭遇干旱，會導致小麥缺苗斷壟，嚴重影響小麥的產量。不同品種小麥在不同生育期抗旱性并不相同，種子萌發(fā)期是植物生命歷程的起點，是作物適應干旱脅迫最為關鍵時期，其萌發(fā)率高低、幼苗生長、萌發(fā)期生理進程皆關乎植物后期生育狀況[14-15]，目前關于小麥品種抗旱性評價多集中于苗期至生育后期[16-18]，萌發(fā)期抗旱研究較少，且評價種質材料數量較少[2,9]。試驗結果表明，在19.6%PEG-6000溶液模擬干旱脅迫下，模擬干旱處理不同程度地抑制了供試材料的生長，其中對發(fā)芽率和干物質重的抑制程度最高，而且PEG-6000脅迫液處理增加了不同品種間的差異。各性狀的抗旱系數分布分析顯示，主胚根長在材料間的差異很大，脅迫處理促進了部分材料的主胚根長伸長。評價結果顯示：農大3338，泰農18，汶農14，輪選987，蚰包，泰農6258，煙航選2號，山農17，旱5363，漯麥8號，泰農2987，中育6號，小偃6號，洛夫林13，鄭麥366，濟麥22，農大5133等24個品種都在抗旱大類，且有些是綜合評價為強抗旱的種質，這部分材料應重點利用。

小麥萌發(fā)期抗旱指標的篩選，對于較為準確地評價一份材料的抗旱性具有重要意義。Farshadfar等[19]認為發(fā)芽率可作為小麥萌發(fā)期抗旱性鑒定指標。王瑋等[6]、錢雪婭等[10]認為，胚芽鞘長是小麥萌發(fā)期抗旱性評價較好的指標。周桂蓮等[8]認為抗旱性強的品種根系發(fā)達，根長較長。僅憑單一指標不能全面評價品種抗旱性[9]。如何根據作物多個抗旱性指標對供試材料的抗旱性進行更加準確的評價，也是眾多學者的研究課題。目前灰色關聯(lián)度法[5,16,20]、主成分分析法[2,21]、隸屬函數法[9,12]等方法常被用于作物多指標的抗旱性綜合評價。其中隸屬函數法在作物抗旱性評價方面具有較好的效果。王蘭芬等[12]采用隸屬函數法對113份綠豆種質進行了芽期抗旱性綜合評價；李國瑞等[9]應用隸屬函數法在西南地區(qū)41個小麥品種中挑選出了蜀萬8號和錦麥等5個強抗旱性品種。本試驗綜合選用了發(fā)芽率、胚芽鞘長、主胚根長、胚根數、干物質重等5個指標，應用加權隸屬函數法和D值對5個指標進行了綜合評價。并通過UPGMA聚類，將供試材料分為高度抗旱、抗旱、中度抗旱、中間類型、中度敏感、敏感、高度敏感等7個類群。UPGMA聚類分析與D值的排序有較高的吻合度。但僅用D值排序，雖然能得到供試材料的抗旱綜合評價值，卻無法得到供試材料之間的遺傳關系，不容易對抗旱級別進行劃分；僅用UPGMA聚類分析，雖然能較好地體現了供試材料在抗旱性方面的遺傳關系，對供試材料進行分類，卻無法明確哪一類抗旱，哪一類敏感。只有將兩者有機地結合使用，才能較為全面地對供試材料進行抗旱級別劃分和抗旱性評價。因此，在開展作物抗旱性評價時，建議將隸屬函數法和UPGMA方法結合使用。

本試驗采用PEG-6000模擬干旱并采用加權隸屬函數法對119份冬小麥品種萌發(fā)期抗旱性進行了綜合評價，并通過聚類分析和加權隸屬函數法相結合對其抗旱性進行了分類，最終篩選出了洛夫林13、汶農14、中國春、漯麥8號、輪選987、泰山22、山農17、泰農18、煙航選2號、中育6號、魯麥14、泰農6258和泰農2987共13份萌發(fā)期具有較強抗旱性的材料，為小麥育種和生產提供參考。

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