7個谷子雜交種及其親本的抗旱性分析

李會霞， 鄭植尹， 田崗， 劉鑫， 王玉文， 劉紅， 史關燕

(1. 山西省農(nóng)業(yè)科學院谷子研究所，山西 長治 046011；2.青海大學農(nóng)牧學院，西寧 810016；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，山西 汾陽 032200)

近年來，干旱問題日趨嚴重，成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙。我國干旱半干旱區(qū)面積占國土總面積的一半以上，其中以黃土高原為中心的旱作農(nóng)田面積約占我國耕地面積的56.8%[1]。研究抗旱農(nóng)業(yè)對保障我國糧食安全具有重要意義。要緩解干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的威脅，除了節(jié)水灌溉、抗旱栽培以外，通過選育抗旱品種來提高作物的抗旱能力是一種行之有效的措施。谷子是我國北方的主要雜糧作物之一，雖然耐旱性強，水分利用率高[2]，但近年來日趨嚴重的干旱狀況，也嚴重影響了谷子的產(chǎn)量。干旱脅迫會影響作物的生理生化進程和器官建成，對作物造成傷害[3]。王永麗等[4]研究表明，谷子拔節(jié)期干旱對農(nóng)藝性狀影響最持久，灌漿期干旱對產(chǎn)量影響最嚴重。在干旱脅迫下，谷子形態(tài)特征會出現(xiàn)變化。因此，研究干旱協(xié)迫下谷子農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的變化情況將為選育抗旱谷子品種提供理論依據(jù)，從而可以降低因干旱導致谷子減產(chǎn)的風險，保證谷子生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)性和豐產(chǎn)性。

許多學者圍繞作物抗旱性鑒定做了大量工作，取得了一定研究進展。蘭巨生等[5]在1990年就提出了作物抗旱指數(shù)的概念，并詳細介紹了其統(tǒng)計方法。袁志偉等[6]提出需要對作物全生育期抗旱性進行鑒定，除了需將生長發(fā)育、形態(tài)指標、生理生化指標、產(chǎn)量指標結合起來進行評價，還需綜合評定各生育時期的抗旱性，以期提高抗旱鑒定的準確性和科學性。王紹新等[7]采用抗旱指數(shù)法，對12個玉米雜交種進行了抗旱性評價；張丹等[8]利用抗旱生理性狀對玉米親本及雜交種的抗旱性進行比較研究。植株體內(nèi)維持一定的水分含量是植株進行一切生命活動的基礎。有研究表明，植株的保水力，可以說明植株的抗旱能力[9]。關于植株的保水能力，在葉片上研究居多，葉片保水力，可以說明葉片的抗脫水能力[10-11]。谷子品種的抗旱性狀篩選和品種抗旱性鑒定多在苗期進行，全生育期鑒定報道較少[12-13]，張文英等[14]對谷子全生育期抗旱指標進行篩選，得出相對根冠比、相對單穗粒重和灌漿期光合速率、蒸騰速率、葉片相對含水量等, 可以作為谷子抗旱性鑒定指標的良好參數(shù)。許多研究者用Chionoy提出的抗旱系數(shù)來衡量作物的抗旱性，但該指標只能說明作物的穩(wěn)產(chǎn)性，而不能說明其高產(chǎn)性，不能為育種者提供高產(chǎn)抗旱基因型數(shù)據(jù)。因此，蘭巨生等[5]提出了抗旱指數(shù)的概念，用所有品種旱地產(chǎn)量的平均數(shù)作為“環(huán)境指數(shù)”，它的意義在于說明某品種在該環(huán)境下所具有的水平。栗雨勤等[16]也闡述了抗旱指數(shù)的科學性、可行性和實用性。本研究測量了7個谷子雜交種及其親本植株放置暗箱中12 h后的相對含水量，旨在說明不同品種植株的保水能力，討論不同品種在不同發(fā)育時期的抗旱性；并對試驗材料進行了不同時期的根冠比調(diào)查，并在收獲后計產(chǎn)，計算抗旱指數(shù)。通過這些抗旱指標的調(diào)查分析，以期對抗旱谷子雜交種的選育及推廣提出指導性建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年，在山西省農(nóng)業(yè)科學院谷子研究所種植了由該所于2017年鑒選的15個優(yōu)勢組合。2018年8—9月，山西省長治地區(qū)天氣嚴重干旱，在降雨量不足100 mm的情況下，有7個組合表現(xiàn)優(yōu)良，抗旱性較好，分別為：長雜谷281(谷3 A×K4，H1)、長雜谷466(谷3 A×K34，H2)、長雜谷481(谷3 A×K650，H3)、長雜谷2922(晉29 A×M22，H4)、17-400(51 A×K154，H5)、長雜谷333(51 A×K410，H6)、17-338(51 A×K391，H7)。2018年冬，選取該7個優(yōu)勢組合以及K4(R1)、K34(R2)、K650(R3)、M22(R4)、K154(R5)、K410(R6)、K391(R7)7個父本和谷3 A(A1)、晉29 A(A2)、51 A(A3)、EMS-1 A(A4)4個母本，共18個材料在海南省進行抗旱鑒定試驗，7個優(yōu)勢組合的7個父本均為山西省農(nóng)業(yè)科學院谷子研究所選育的抗除草劑材料，母本均屬高度雄性不育系，用其5%～10%的自交結實來繁殖不育系種子，其中谷3 A、51 A屬中晚熟不育系，晉29 A為中早熟不育系，EMS-1 A為新選中晚熟不育系，正在進行組合測配。

1.2 試驗設計

抗旱鑒定試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學院海南繁育種植基地開展，因為海南省冬季少雨，通過澆水量不同很容易進行干旱對照試驗。試驗采取裂區(qū)設計，主區(qū)為旱作區(qū)和正常澆水區(qū)(對照)，次區(qū)為18個試驗材料，2次重復，共72個小區(qū)，小區(qū)面積12 m2，4行區(qū)，行距0.3 m，行長10 m，株距0.07 m，留苗密度46.5萬株·hm-2。旱作區(qū)分別在播種后、拔節(jié)期、盛花期澆水3次，每次澆水量104.2 m3·hm-2；正常澆水區(qū)管理同常規(guī)大田，間隔10 d澆水一次，每次澆水量104.2 m3·hm-2，保證整個生育期不受干旱影響。

1.3 檢測指標及方法

分別在拔節(jié)期、抽穗前期、盛花期、成熟期，每小區(qū)隨機選取10株，挖出苗后流動水洗凈根部土粒，稱10株鮮重；分別放置暗箱12 h后再次稱重，隨后晾曬至干透后分別稱根干重和地上部分干重，然后按下面所列公式檢測10株鮮重、12 h后相對含水量(relative water content，RWC)、干重、根重、冠重、根冠比(root top ratio, R/T)等指標，收獲后小區(qū)計產(chǎn)，計算抗旱系數(shù)(desiccation coefficient, DC)、抗旱指數(shù)(desiccation index, DI)。相對含水量(RWC)采用張憲政等[17]的方法，產(chǎn)量的抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)采用文獻[5,18-19]的方法。相關計算公式為：

根冠比(R/T)=根干重/地上部分干重

相對含水量(RWC)=(放置12 h的苗重-干重)/(鮮重-干重)

抗旱系數(shù)(DC)=脅迫產(chǎn)量/對照產(chǎn)量；

抗旱指數(shù)(DI)=DC×脅迫產(chǎn)量/所有品種脅迫處理的平均產(chǎn)量

本研究抗旱級別采用王紹新等[7]的分類方法：抗旱指數(shù)≤0.60為極弱(HS)，0.601～0.800為弱(S)，0.801～1.000為中等(MR)，1.001～1.190為強(R)，≥1.200為極強(HR)。

因不育系(母本)沒有產(chǎn)量數(shù)據(jù)，對4個不育系的總生物量進行比較，成熟后將母本植株連根挖出，洗凈根部土粒，晾曬至干透，按小區(qū)稱重，測定總生物量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖，采用新復極差法(SSR法)對平均數(shù)進行比較。

2 結果與分析

2.1 雜交種及親本保水力分析

各品種離土植株在暗箱中放置12 h后，計算其相對含水量，結果(表1)可知，在拔節(jié)期、抽穗前期和盛花期3個時期干旱脅迫中的雜交種植株RWC平均值分別為61.37%、48.39%和46.34%，顯著低于對照的平均值(分別為67.45%、56.52%和53.84%)，說明在水分脅迫下，植株的RWC有降低趨勢，這和葛體達等[20]對玉米的研究一致。雜交種在水分脅迫下，拔節(jié)期RWC較高的有H2、H5和H6，顯著高于其他品種；抽穗前期，RWC較高的有H2、H4、H5和H6；盛花期RWC較高的有H2、H4、H6和H7。雜交種在正常澆水情況下，拔節(jié)期RWC較高的同樣為H2、H5和H6；抽穗前期，除H4外，其它雜交種均較高，且6個品種間無顯著差異；盛花期，H1、H2、H3、H5和H6的RWC均較高，且之間無顯著差異。綜上，干旱條件下，保水力最高的為H2，其次是H5和H6。

三個生長時期7個父本的RWC結果可看出，干旱脅迫條件下，拔節(jié)期RWC較高的父本有R1、R2、R5和R6；抽穗前期，父本R2、R5、R6和R7的RWC較高；盛花期R1和R2的RWC顯著高于其他品種，R5和R6的RWC也較高?？梢姡琑2、R5和R6在3個生長時期的RWC均處于較高水平。7個父本3個時期對照的RWC結果可看出，R3品種的RWC均顯著低于其他6個父本，其他6個父本的RWC總體均較高。

干旱脅迫條件下，拔節(jié)期，母本A4的RWC最高，均顯著高于其他3個母本；抽穗前期，A4和A2的RWC最高，均顯著高于其他2個母本，A4和A2之間沒有顯著性差異；盛花期，A4、A1、A3的RWC較高，A4的RWC顯著高于A2，與A1和A3無顯著差異。對照條件下，拔節(jié)期和抽穗前期的RWC最高的分別是A1和A2，盛花期，4個母本間無顯著差異。與對照相比，干旱脅迫條件下每個時期4個母本的平均RWC均較CK顯著下降，僅A4的RWC較高，對干旱脅迫的適應能力可能較好。

表1 谷子植株離土12 h后的相對含水量Table 1 Relative water content of millet plant after 12 h dug out from soil (%)

2.2 雜交種及親本根冠比的比較

根冠比(R/T)是指植株地下部分與地上部分干重的比值，根冠比越大說明根系越發(fā)達，可在一定程度上說明品種的抗旱性。表2為7個雜交種及親本在3個時期的根冠比結果，可見，干旱脅迫下的R/T值普遍大于對照，比較3個時期的R/T平均值，可看出不管干旱處理還是對照條件下，隨著生育期的延長，不同品種的R/T值均有增大趨勢。在水分脅迫下，R/T平均值最大的雜交種為H5，其次為H6和H1，其平均值分別為0.223、0.218和0.217；在對照中，H5、H1和H6的R/T平均值也處于較高水平。7個父本在水分脅迫條件下，R/T平均值較大的有R4、R5和R3，其平均值分別為0.229、0.217和0.210，對照的R/T平均值最高的為R5，其次是R6、R4和R3。4個母本在水分脅迫下R/T平均值最大的為A1，其次為A2和A3，其平均值分別為0.265、0.213和0.213。對照中，R/T平均值最大的也是A1，其次是A3。雜交種與其父本、母本在R/T平均值上存在不顯著的正相關關系，相關系數(shù)分別為0.443 1和0.619 1。

R/T值在干旱脅迫與對照條件下的差值(D)，反映品種對干旱的適應能力[21]，值越小，適應能力越強。由圖1可知，不同品種在3個生育時期的D值呈規(guī)律性變化。雜交種在拔節(jié)期的D值變化幅度為0.010～0.033，抽穗前期的變化幅度為0.019～0.047，在盛花期變化幅度為0.014～0.080，說明隨著生育期的延長，干旱脅迫對地上部的影響越來越明顯。3個時期D值變化幅度均最小的為H2，D值平均值為0.015；其次是H1和H5，D值平均值為0.031和0.032。D值平均值最大的是H4，為0.053。說明長雜谷466、長雜谷281和17-400對干旱的適應能力較強，對干旱的適應能力最差的為長雜谷2922。

圖1 不同品種谷子3個生育時期的干旱和對照的根冠比差值(D)Fig.1 Difference value (D) of R/T between treatments of drought stress and CK in different varieties of millet at three growth stages

7個父本品種中，不同發(fā)育階段的D值幅度最小的是R2，其次是R6和R5。父本的D值幅度基本與其雜交種的D值幅度相一致，呈顯著正相關關系，相關系數(shù)為0.818 5，說明雜交種對干旱的適應能力與其父本有很大的關系。

母本中D值幅度最小的是A3，其次是A4，D值平均值分別為0.026和0.036。母本的D值幅度與其雜交種的D值的相關系數(shù)為-0.099 2，二者間沒有相關性，可能因母本數(shù)量較少，試驗誤差較大造成。

2.3 雜交種及親本產(chǎn)量性狀的抗旱性分析

不同雜交種和父本的產(chǎn)量性狀抗旱性結果見表3?？芍?，干旱脅迫下雜交種產(chǎn)量最高的為H2，其次是H1、H5、H3和H6，但沒有顯著性差異，產(chǎn)量最低的為H4，與其它雜交種均有顯著性差異。對照中，產(chǎn)量最低的也是H4，與其它雜交處均有顯著性差異。在干旱脅迫下產(chǎn)量最高的父本是R2，但7個父本產(chǎn)量均無顯著差異；對照中，父本產(chǎn)量最高的也是R2，其次為R4，R2與其余5個父本均存在顯著性差異。

表2 雜交種及親本在3個生育時期各品種的根冠比值(R/T)Table 2 R/T ratio of hybrid plants and their parents in three growth stages

雜交種的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)間相關系數(shù)為0.852，表明二者之間存在顯著的相關關系。抗旱系數(shù)較高的雜交種從高到低依次為H5、H2、H1、H6，抗旱指數(shù)較高的雜交種從高到低依次為H2、H5、H1、H6，可見二者之間存在一定的關系。因抗旱指數(shù)增加了環(huán)境指數(shù)[5]，更具有可比性?？购抵笖?shù)最高的雜交種為H2(長雜谷466)，抗旱指數(shù)為1.019，抗旱級別為強；抗旱級別中等的雜交種有3個，分別為H5(17-400)、H1(長雜谷281)、H6(長雜谷333)，抗旱指數(shù)分別為0.892、0.886和0.828。抗旱級別為極弱的雜交種有1個，為H4(長雜谷2922)，抗旱指數(shù)為0.528。7個父本抗旱級別最高的為中等，分別為R2(K34，長雜谷466父本)和R6(K410，長雜谷333父本)，抗旱指數(shù)分別為0.831和0.845。其他品種的抗旱級別均為弱。

表3 不同谷子雜交種和父本品種的抗旱性Table 3 Drought resistance of different millet hybrids and male varieties

4個不育系(母本)在總生物量(干重)性狀上進行了的抗旱性比較(表4)?？梢?，不論干旱脅迫還是對照中，4個母本在總生物量上較高的均為A3和A4，與A1和A2存在顯著差異。A3和A4的抗旱系數(shù)不是最高，但抗旱指數(shù)均較高，抗旱級別均為強，A1的抗旱級別為中等，A2的抗旱級別為極弱。

雜交種與父本的產(chǎn)量抗旱指數(shù)的相關系數(shù)為0.667 3，存在不顯著的正相關，與母本的相關系數(shù)為-0.274 3，不存在相關性。說明雜交種產(chǎn)量的抗旱性可能更多取決于父母本抗旱性的特殊配合力。

表4 不育系(母本)的抗旱性Table 4 Drought resistance of sterile lines (female parent)

3 討論

劉勝群等[9]研究表明，葉片和根系的保水能力，可以很好地表征作物的抗旱性差異。Dedio[22]認為，離體葉片水分損失率可以反應品種的抗旱性。本研究通過將植株在暗箱中放置12 h后的相對含水量來考察保水性，可能存在一定的局限性，但能在一定程度上反映品種的保水力，進而反映品種的抗旱性能。本研究發(fā)現(xiàn)，保水力較好的雜交種有長雜谷466、17-400和長雜谷333，其小區(qū)產(chǎn)量的抗旱指數(shù)相應也較高，分別為1.019、0.892和0.828；抗旱指數(shù)最低的雜交種為長雜谷2922，抗旱指數(shù)為0.528，其植株保水力也較差，對照12 h后的相對含水量最低，為 54.55%，與其他6個雜交種差異顯著。水分脅迫下，雜交種與父本的相對含水量存在顯著正相關性。然而，與母本沒有相關性，可能因為母本太少，或者因雜交種的保水力存在較高的特殊配合力。

本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，雜交種H5(17-400)的R/T平均值較大，其次為H6(長雜谷333)和H1(長雜谷281)，這3個雜交種的小區(qū)產(chǎn)量的抗旱指數(shù)均偏高，抗旱級別為中等。而抗旱級別為強的H2(長雜谷466)在干旱脅迫下的R/T平均值僅為0.191，為7個雜交種中最小值。雜交種長雜谷2922的產(chǎn)量的抗旱指數(shù)為0.528，抗旱級別極弱，而其R/T平均值為0.204，居中等水平。可見，僅根據(jù)R/T值判斷品種的抗旱性可能會存在一定的偏差。D值一定程度上反映品種的抗旱能力[21]。因此，為了矯正僅用R/T值來判斷品種抗旱性的偏差，可以輔以D值的分析來綜合判斷品種對干旱的適應能力。3個生長時期中D值幅度最小的是H2(長雜谷466)，其次是H1(長雜谷281)和H5(17-400)；再根據(jù)產(chǎn)量的抗旱指數(shù)來分析，H2的抗旱級別為強，H5和H1的抗旱級別中等，說明D值越小，品種適應干旱能力可能會越強；長雜谷2922的D值最大，其對干旱的適應能力較差，也與抗旱指數(shù)表現(xiàn)一致。

陳國秋[23]通過對10個谷子品種進行抗旱鑒定，發(fā)現(xiàn)籽粒產(chǎn)量及其抗旱指數(shù)與株高、谷草產(chǎn)量、出谷率成正比。本研究發(fā)現(xiàn)，谷子相對含水量、根冠比差值、產(chǎn)量性狀的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)，可以用來評價7個谷子雜交種及其親本的抗旱性，且以產(chǎn)量的抗旱指數(shù)為單一的抗旱指標更為直接有效。在干旱脅迫下長勢較好的品種在大田生產(chǎn)中也有較好的表現(xiàn)，而且抗旱品種苗期的生長勢好，這對谷子在干旱時期的安全生長至關重要。如，2017—2018年，在國家西北區(qū)中晚熟組聯(lián)合試驗中，長雜谷466的產(chǎn)量達到5 590.5 kg·hm-2，較長農(nóng)35增產(chǎn)15.41%，居兩年參試品種第1位。

抗旱雜交種選育中，可通過親本的抗旱性來預測雜交種的抗旱性。綜合本研究結果可看出，長雜谷466的抗旱性較好，抗旱級別為強，保水力較高，根冠比差值最小，對干旱的適應能力較強，是干旱條件下較理想的雜交種。其父本K34的保水力較高、根冠比差值也小，抗旱指數(shù)較高，所以長雜谷466的高抗旱性源自于其父本的高抗旱性。其次，抗旱性較好的雜交種還有17-400、長雜谷281、長雜谷333，其父本的保水力、根冠比均較高，根冠比差值也小，抗旱性也較高。因此，在抗旱雜交種的選育過程中，應加強親本的抗旱性研究，有了強抗旱親本，才有可能選育出抗旱性強的雜交種。本研究參試的雜交種和親本中沒有抗旱級別為極強級別的，所以還要加強抗旱種質資源的創(chuàng)制和篩選研究，為適應越來越干旱的氣候儲備抗旱谷子品種。