小麥種質資源萌發(fā)吸脹期耐濕性評價及篩選

鄭文寅，黃園園，胡澤林，周賀杰，汪 輝，張夢祺

(安徽農業(yè)大學農學院，安徽合肥 230036)

濕害是指土壤水分在達到飽和時對作物正常發(fā)育所產生的危害，世界上大約10%的耕地面積常常受到漬濕危害[1]。長江中下游麥區(qū)是我國重要的小麥主產區(qū)，溫光資源豐富，是中國增產潛力較高的小麥主產區(qū)[2]，但濕害常有發(fā)生。近年來，隨著該區(qū)稻茬免耕種植模式的推廣，田間土壤質地黏重且透氣性差，排水困難，地下水位高[3]，如果播種期雨水偏多，就會形成濕害并影響稻茬麥的播種質量，導致難以一播全苗、苗齊和苗壯，進而影響小麥后期群體和最終產量。目前小麥相關濕害研究主要集中在生育中后期(如孕穗期、揚花期和灌漿期等)表型鑒定以及生理生化機制和內源激素及其酶活性變化等方面[4-6]，而影響播種質量的耐濕性相關研究較少。

衡量作物播種質量的重要指標是田間成苗率，由種子萌發(fā)能力決定。而種子的萌發(fā)分為吸脹、萌動、發(fā)芽和成苗四個階段[7]，每個階段對水分脅迫的響應各不相同。目前在種子發(fā)芽期進行耐性(抗性)鑒定是評價作物耐性(抗性)的方法之一。王林海等[8]、許 晶等[9]就以發(fā)芽期和苗期以相對成苗率作為主要指標分別來鑒定芝麻和油菜的耐漬性。Zou等[10]研究認為，油菜在發(fā)芽期和苗期的耐漬性與成熟期的耐漬性一致，而且在發(fā)芽期篩選耐漬性更有效。蔡博偉等在小麥芽苗期進行人工模擬漬害處理，以發(fā)芽率、單株質量、根系質量計算單株漬害指數和根系漬害指數，進而評價芽苗期不同小麥品種(系) 的抗?jié)n能力，并篩選出28個耐漬強的品種(系)[11]。近年來對小麥芽苗期的耐濕性研究較少，尤其是小麥萌發(fā)第一階段的吸脹期耐濕性鑒定尚未見報道。

作物耐濕性是一個很復雜的數量性狀，這給其鑒定和評價帶來了一定的困難。有研究者認為，單一指標對耐濕性的評價比較片面，難以與實際情況相吻合[12]，因此不同學者采取不同的評價方法進行耐濕性鑒定。聚類、逐步判別、主成分分析等多元統(tǒng)計法已成功應用于大豆、甘薯、油菜、大麥等作物的耐濕性鑒定，其結果均能較好地反映各基因型對濕害的耐性[13-16]。本研究以反映質膜透性、種子活力等生理和形態(tài)指標進行小麥種質資源吸脹期耐濕性綜合評價，以期建立一種新的篩選和鑒定指標和評價方法，為萌發(fā)吸脹期耐濕小麥種質資源的篩選和品種改良提供理論 依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為安徽省小麥產業(yè)體系各試驗站展示品種，包括安科157等159份材料，均于成熟期收獲并脫粒、曬干。室內貯藏3個月以完成后熟作用后密閉貯藏于低溫種子貯藏柜中備用。

1.2 試驗方法

每個小麥品種隨機選取150粒種子(3次重復，每重復50粒)，裝入50 mL離心管中，注滿蒸餾水并密閉，于20 ℃條件下進行1 d、3 d、5 d、7 d淹水缺氧處理以模擬播種季節(jié)的田間漬水情況。用HI98303數字電導儀分別測定不同漬水時間小麥籽粒浸泡液電導率。將淹水缺氧處理后的種子用蒸餾水沖洗2～3次置于發(fā)芽盒中進行標準發(fā)芽試驗(發(fā)芽條件為恒溫20 ℃，光照12 h，黑夜12 h)，于第7 天統(tǒng)計成苗率，并隨機選取10株幼苗測定根長、莖長、鮮重，并計算相對電導率、相對根長、相對莖長、相對鮮重、相對成苗率、相對活力指數和相對濕害率等指標。

種子浸泡液相對電導率=處理的種子電導率/對應種子重量；

相對根長=(處理根長/對照根長)×100%；

相對莖長=(處理莖長/對照莖長)×100%；

相對鮮重=(處理鮮重/對照鮮重)×100%；

相對成苗率=(處理成苗率/對照成苗率)×100%；

相對簡化活力指數=(處理成苗率×處理莖長)/(對照成苗率×對照莖長)；

相對濕害率=(對照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100%

1.3 綜合評價耐漬性

依據文獻資料[17-18]所述，計算綜合評價指標的隸屬函數值、權重以及耐濕性綜合評價值。

1.3.1 基于主成分分析得到的綜合指標

對7個單項指標進行主成分分析，便于將多個彼此相關的指標轉換為少數幾個彼此獨立的綜合指標(Zj)[19]。

1.3.2 動態(tài)聚類分析

參照顧世梁[18]的方法進行動態(tài)聚類分析，把距離近的點歸為一類，距離遠的點歸為另一類。

1.3.3 隸屬函數值

由于原始數據存在量綱及數量大小的不同，因此需要對數據進行標準化處理，目的在于消除量綱，使數據具有客觀可比性。

yij=(xij-minj)/(maxxj-minj)

(2)

yij=1-(xij-minj)/(maxj-minj)

(3)

公式中，xij為第i個材料第j個指標的原始數據；yij為標準化后的數據即第i個材料第j個指標的隸屬函數值；maxj、minj分別為第j個指標原始數據的最大值和最小值。當某一指標與耐濕性呈正相關時用公式2求隸屬函數值，呈負相關時用公式3求隸屬函數值。

1.3.4 綜合評價

1.4 數據統(tǒng)計分析

運用Excel、DPS軟件、MATLAB軟件，進行數據統(tǒng)計、隸屬函數法、相關分析、主成分分析、方差分析、動態(tài)聚類分析等統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 耐濕性鑒定的漬水時間篩選

159份小麥材料分別在吸脹期進行1 d、3 d、5 d和7 d的漬水處理后，由于漬水7 d后95%的小麥品種不能恢復發(fā)芽生長，因此只分析1 d、3 d和5 d的漬水處理數據(表1)。從表1來看，隨著漬水時間的延長，不同小麥品種的平均相對電導率和相對濕害率不斷增加，相對成苗率、相對鮮重、相對莖長、相對根長、相對活力指數不斷下降。不同指標的變異系數在相同時間漬水處理下表現不同，且隨著漬水時間的延長，各指標變異系數的變化趨勢存在差異，說明不同指標對漬水脅迫的反應不同。

表1 159份小麥材料吸脹期不同漬水處理結果比較Table 1 Comparison of the results of waterlogging at seed imbibition stage in 159 wheat materials

2.2 小麥耐濕評價指標間的相關分析

相關分析(表2)表明，相對濕害率與種子浸泡液相對電導率呈極顯著正相關，與相對成苗率、相對鮮重等五個指標呈極顯著負相關。相對成苗率與相對鮮重、相對芽長、相對根長、相對活力指數呈極顯著正相關。種子浸泡液相對電導率與相對濕害率呈極顯著正相關，與其他指標呈負相關。相對活力指數與相對成苗率、相對鮮重、相對芽長、相對根長都呈極顯著正相關，而與種子浸泡液相對電導率呈極顯著負相關。其中，相對活力指數與相對成苗率的相關系數最大，為0.97。此外，從7個指標間的相關系數看，所有指標之間的相關性均達到極顯著水平，這說明7個指標提供的耐濕性信息之間存在交叉重疊的現象，因此有必要用主成分分析法把多個指標轉換成少數獨立的綜合指標，以準確評價小麥耐濕性。

表2 小麥各耐濕指標的相關性Table 2 Correlation of the indices of wheat waterlogging tolerance

2.3 小麥耐濕指標的主成分綜合評價

通過主成分分析，共選取前3個主成分作為耐濕性鑒定的綜合指標。其中，第1主成分的特征值為4.99，貢獻率為71.24%；第2主成分的特征值為0.97，貢獻率為13.89%；第3主成分的特征值是0.50，貢獻率為7.11%。這三個主成分的累計貢獻率達92.24%，說明這3個綜合指標基本上可以反映7個觀測指標的信息(表3)。

依據7個測定指標的特征向量(表4)，通過以下三個公式計算出每個材料的三個主成分(Z1～Z3)值(表5)。在第1主成分中，相對活力指數和相對成苗率的特征向量值比較大，故第一主成分可以簡單概括為活力因子；在第2主成分中，相對鮮重、相對莖長特征向量比較大，可以簡單概括為生長因子；在第3主成分中，種子浸泡液相對電導率特征向量最大，可以概括為細胞膜穩(wěn)定性 因子。

Z1=-0.336 5X1+0.409 9X2+0.291 8X3+0.376 3X4+0.396 7X5+0.408 1X6- 0.409 9X7

Z2=-0.312 1X1-0.391 9X2+0.534 8X3+0.325 6X4+0.237 3X5-0.383 4X6+ 0.391 9X7

Z3=0.649 2X1+0.093 3X2+0.719 6X3-0.141 1X4-0.126 5X5+0.086 3X6- 0.093 3X7

2.4 小麥耐濕性的綜合評價

進一步進行三維空間動態(tài)聚類分析，將小麥159份種質資源劃分為高度耐濕型、中度耐濕型和不耐濕型3類(圖1)。在三種類型中，高耐濕型材料46個(綠色)，占供試材料的28.9%；中度耐濕型有66個(藍色)，占供試材料的41.5%；不耐濕型有47個(紅色)，占供試材料的29.6%。同時，借鑒佟漢文[19]和周廣生[20]的方法，計算出159個小麥品種的耐濕性綜合評價值(D值)(表5)。從表5可知，供試材料的耐濕性D值變化幅度較大，為0.92～0.08，顯示出這批材料的耐濕性基因型較豐富。結合圖1可知， 標為綠色、藍色和紅色的材料的平均D值分別為0.79、0.63和0.34，但這3類材料的D值極差之間存在交叉重疊現象，因此須分別計算各自95%的置信區(qū)間[21]。結果表明，這3種類型的D值置信區(qū)間分別為>0.72、0.72～0.52和<0.52。結合圖1和表5，可將D值大于0.72且在圖1中綠色部分的品種歸為高耐濕種質，包括周麥27、煙農19、泰農19、淮麥22、明麥1號等42個品種；而將D值小于0.52的品種歸為不耐濕種質，包括渦麥66、寧麥21、保麥5號、徐麥9158、揚麥13等53個品種(表5)。

表3 各主成分的特征值和貢獻率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of each principal component

表4 主成分分析得到的特征向量Table 4 Eigenvectors from principal component analysis

表5 小麥耐濕性綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation results of wheat waterlogging tolerance

(續(xù)表5 Continued table 5)

(續(xù)表5 Continued table 5)

3 討 論

在長江流域的麥-稻兩熟連作區(qū)，種植小麥的土壤為稻田土，其質地黏重，排水能力差。在播種季節(jié)遇雨則易積水，造成種子播后漬水悶種而死亡，從而造成缺苗斷壟。生產上，種植戶常采用增大播種量的方式來彌補這種損失，但這一做法既浪費了大量種子，還存在一定的風險，并不可取，而種植吸脹期耐濕害的小麥品種則是更經濟高效的措施。因此，本研究采用發(fā)芽吸脹期漬水缺氧處理，以模擬小麥播種初期的這種田間濕害。結果發(fā)現小麥這一階段的耐濕性存在著較大的變異，當濕害5 d時，種子浸泡液相對電導率、相對鮮重等的變異程度均超過50%，可見小麥吸脹期耐濕性有較大的遺傳改良空間，因而明確這一時期耐濕性評價指標，進而準確、客觀評價小麥種質資源的吸脹期耐濕性對后續(xù)遺傳改良十分重要。

不同的學者分別從生理生化、形態(tài)等方面對作物的耐濕性進行研究，并提出了各種耐濕性評價指標。陳 潔等[22]對甘藍型油菜的耐濕性鑒定的研究中，將露白后的種子密閉水淹12 h后，恢復正常生長6 d，發(fā)現相對活力指數可以作為評價油菜的恢復生長能力。王林海等[8]對發(fā)芽期芝麻的耐濕性研究認為，漬水9 h是評價芝麻發(fā)芽期耐濕性的最適時間，而相對芽長、相對根長、相對成苗率、死亡率和相對活力指數等5個指標可以用來評價芝麻發(fā)芽期耐濕性。本研究是對吸脹期小麥進行耐濕性鑒定，除了借鑒前人研究中的相對芽長等指標外，為了使評價指標體系更完善還加入了種子浸泡液相對電導率這一生理指標。結果發(fā)現隨著漬水時間的延長，小麥的相對成苗率、相對活力指數、根長等都在減少，且與相對濕害率呈顯著負相關，這與前人的研究基本一致[15,23-24]。而反映細胞膜穩(wěn)定性的種子浸泡液相對電導率這一生理指標則表現不同，隨著濕害時間的增加，其值也在增加，且與相對濕害呈顯著正相關。在主成分分析中，將7個單一指標轉化為3個綜合指標，分別為以相對活力指數為主的活力因子、以相對鮮重為主的生長因子以及以相對電導率為主的細胞膜穩(wěn)定性因子，分別反映了小麥吸脹期耐濕性的不同方面，這比任何單一指標能更準確、直觀地反映不同種質資源的耐濕性。

對于作物的耐濕性評價方法，周廣生等[20]的研究是運用了聚類分析來評價12個小麥品種的耐濕性，林一波等[26]則是通過單一指標的聚類分析來評價50個小麥品種耐濕性。但這些方法都有一定局限性，且只能評價較少的品種。在本研究中，為評價159份小麥品種的耐濕性，采用了動態(tài)聚類分析方法[16]。這一方法屬于大樣本聚類法，更適用于種質資源篩選的大樣本分類分析。本研究以主成分分析得到的3個綜合指標作為動態(tài)聚類分析的三維空間進行聚類，并將耐濕性直觀地劃分為3個等級。為更好綜合評價供試材料的耐濕性差異，本研究通過提取的3個綜合指標的貢獻率來計算各個綜合指標的權重，并計算出各小麥品種的綜合評價值(D)，通過D值的大小對不同小麥品種的耐濕性進行綜合評價。結果表明，動態(tài)聚類的結果與綜合評價D值的結果基本一致，因此在主成分分析基礎上的動態(tài)聚類分析和隸屬函數法都可做為客觀、準確 、科學地評價小麥吸脹期耐漬性的方法。