150份青稞種質(zhì)資源成株期耐旱性鑒定

李 潔

(1.青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院/青海省青稞遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家麥類(lèi)改良中心青海青稞分中心,西寧 810016;

2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,成都 611130)

青稞(HordeumvulgareL.var.Hook.f)屬于禾本科大麥屬[1],在中國(guó)多種植于青藏高原地區(qū),是該地區(qū)主要的糧食作物之一[2]。具有生育期短、耐寒、耐旱、耐瘠薄的優(yōu)點(diǎn),是在海拔2 800 m 以上地區(qū)可以正常成熟的飼料和糧食作物。目前青稞產(chǎn)業(yè)已成為青海省農(nóng)牧業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)及特色產(chǎn)業(yè)之一,在青海的播種面積逐漸擴(kuò)大,近10 a在青海省的種植面積占當(dāng)年糧食作物播種總面積的比重基本穩(wěn)定在20%左右[3],至2019 年種植面積已經(jīng)達(dá)到63.85×103hm2。因此,提高青稞的品質(zhì)及產(chǎn)量,對(duì)發(fā)展相關(guān)省份,尤其是青海省的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì),擴(kuò)大糧食生產(chǎn)具有重大意義。干旱是導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低的最主要原因之一,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。在青海,青稞多種植于無(wú)灌溉設(shè)施的區(qū)域,完全依靠自然降水,而青海省常年干旱少雨,尤其春季在小麥、青稞等麥類(lèi)作物出苗分蘗及夏季開(kāi)花灌漿時(shí)降水稀少,降低最終穗數(shù)的形成、縮短籽粒灌漿時(shí)間最終影響產(chǎn)量。如何有效利用更多干旱的土地進(jìn)行生產(chǎn)也是青稞育種遇到的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。因此,鑒定青稞種質(zhì)資源的耐旱性,有效利用青稞因長(zhǎng)期環(huán)境選擇而培育的自身耐旱遺傳潛力,為青稞耐旱遺傳育種研究及品種選育具有重要意義。

目前對(duì)大麥[6]、小麥[7-9]、玉米[10]、高粱[11]、棉花[12]等作物的抗旱性評(píng)價(jià)方法研究較多,徐銀萍等[6]利用抗旱度量值、綜合抗旱系數(shù)、加權(quán)抗旱系數(shù)等分析方法對(duì)30份大麥種質(zhì)資源進(jìn)行成株期抗旱評(píng)價(jià),確定抗旱度量值為最適宜的抗旱鑒定指標(biāo),并篩選出5個(gè)成株期抗旱性強(qiáng)的大麥資源。鞠樂(lè)等[13]利用隸屬函數(shù)法對(duì)101份大麥資源進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性鑒定,篩選出2個(gè)抗旱性極強(qiáng)的材料以及2個(gè)抗旱性極弱的材料。張毅等[14]利用PEG-6000模擬干旱脅迫,對(duì)3個(gè)青稞品種的發(fā)芽率、苗(牙)長(zhǎng)、根(胚)鮮質(zhì)量、發(fā)芽指數(shù)等萌發(fā)特性及抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。李潔等[15]同樣利用PEG-6000模擬干旱脅迫,對(duì)280 份青稞種質(zhì)資源的13個(gè)性狀進(jìn)行分析,通過(guò)主成分分析,結(jié)合耐旱系數(shù)以及聚類(lèi)分析相結(jié)合的方法,對(duì)青稞苗期耐旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出9份強(qiáng)耐旱種質(zhì)資源。在青海地區(qū)青稞成株期的耐旱評(píng)價(jià)研究鮮見(jiàn)報(bào)道,為使現(xiàn)有的耐旱資源為后期生產(chǎn)和特定目的育種所用,本研究以150份青稞種質(zhì)資源為研究對(duì)象,綜合運(yùn)用目前常用于耐旱性評(píng)價(jià)的方法,耐旱性綜合評(píng)價(jià)、綜合耐旱系數(shù)和加權(quán)耐旱系數(shù)相結(jié)合對(duì)青稞成株期的主穗長(zhǎng)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、主穗穗數(shù)、株高、有效穗數(shù)7個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期為青稞種質(zhì)耐旱資源的評(píng)價(jià)和篩選以及耐旱機(jī)理研究提供基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試青稞種質(zhì)資源為青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院青稞育種課題組培育和收集的150份骨干種質(zhì)(表1)。

表1 測(cè)試種質(zhì)詳情T(mén)able 1 Details of tested germplasm

(續(xù)表1 Continued table 1)

1.2 試驗(yàn)方法

2019年和2020年在青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行田間試驗(yàn)。該區(qū)海拔2 320 m,年均氣溫5.7 ℃,年降水量361.5 mm,為干旱、半干旱區(qū)。生長(zhǎng)季209 d 以上,0 ℃以上積溫2 722.9 ℃。土質(zhì)為栗鈣土,p H 8.12,含有機(jī)質(zhì)20.28 g·kg-1、全氮1.17 g·kg-1、全磷2.18 g·kg-1、全 鉀22.5 g·kg-1、速 效 氮69 mg·kg-1、速 效 磷65 mg·kg-1、速 效229 mg·kg-1。

分 別 于2019-04-05 與2020-03-31 以 手 鋤 開(kāi)溝撒播,播種量150 kg·hm-2。采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置兩種水分處理:正常處理(CK)和干旱脅迫處理(T),重復(fù)3 次,行距20 cm,種植10 行,區(qū)組間隔60 cm,試驗(yàn)地四周播種10 行保護(hù)行。播前施含氮46%的尿素30 kg·hm-2、磷酸二銨112.5 kg·hm-2,作為基肥播種前一次性施入。播種時(shí)選擇大小色澤一致、飽滿(mǎn)、種皮完好的種子,干旱脅迫處理(T)材料種植在試驗(yàn)地旱棚中,脅迫處理水分控制指標(biāo)結(jié)合青稞耐旱特性并參考汪燦等[16]試驗(yàn)方法,分別于播種前和拔節(jié)期灌水至田間持水量的55.0%左右,其他時(shí)期不再灌水。對(duì)照正常大田生產(chǎn)管理,于播種前、拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期進(jìn)行灌水,灌水至田間持水量的55.0%,其他時(shí)期依靠自然降水。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

在成株期成熟前3 d,從每小區(qū)隨機(jī)拔取9株,測(cè)量主穗長(zhǎng)和株高,調(diào)查主穗穗數(shù)、有效穗數(shù),人工脫粒后統(tǒng)計(jì)單株粒數(shù)、待自然干燥后測(cè)定單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

以2019年和2020年數(shù)據(jù)的平均值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),用EXCEL 2010、SPSS 23.0等統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)150份青稞種質(zhì)資源的耐旱相關(guān)性狀進(jìn)行表型分析、主成分分析、相關(guān)性分析以及聚類(lèi)分析,參照周廣生等[17]、袁闖等[11]和徐銀萍等[6]利用的評(píng)價(jià)方法,對(duì)青稞種質(zhì)資源的耐旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算綜合耐旱系數(shù)(CDC)、耐旱性綜合評(píng)價(jià)(D),D值為參考序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,得到兩者之間關(guān)聯(lián)度(γD),并計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[ωi(γ)]以及加權(quán)耐旱系數(shù)(WDC)。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種處理下青稞種質(zhì)資源成株期農(nóng)藝性狀

由表2可以看出,兩種水分處理下,脅迫處理的各指標(biāo)最大值、最小值以及平均值均低于正常水分處理,且差異均達(dá)到顯著水平。各處理變異系數(shù)為0.124～0.437,說(shuō)明受試青稞種質(zhì)資源各個(gè)性狀的多態(tài)性較高、差異明顯,具有代表性。在脅迫處理下,單株粒數(shù)的變異系數(shù)最大,單株粒質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)最小,說(shuō)明水分對(duì)單株粒質(zhì)量和單株粒數(shù)的影響最大。從兩種處理的相關(guān)系數(shù)看,各指標(biāo)對(duì)脅迫處理的反應(yīng)不一致,直接使用單項(xiàng)指標(biāo)鑒定青稞的耐旱性具有較大的局限性[8,14]。

表2 兩種處理下供試青稞種質(zhì)資源測(cè)定各指標(biāo)基礎(chǔ)分析Table 2 Basic analysis of each index of tested hulless barley germplasm resources under two treatments

2.2 青稞種質(zhì)資源各農(nóng)藝性狀耐旱系數(shù)

由表3可知,與正常水分處理相比,干旱脅迫處理下各指標(biāo)均有所變化,各項(xiàng)指標(biāo)耐旱系數(shù)小于1.0,同一種質(zhì)不同指標(biāo)耐旱系數(shù)變化明顯。由表3可見(jiàn),DC>0.4的主穗長(zhǎng)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、主穗穗數(shù)、株高、有效穗數(shù)的分布頻率分別為100%、0%、0%、98.67%、100%、98.00%、12.07%,各指標(biāo)耐旱性敏感程度順序?yàn)橹魉胨霐?shù)<主穗長(zhǎng)<株高<單株粒質(zhì)量<千粒質(zhì)量<單株粒數(shù)<有效穗數(shù)。

表3 供試青稞種質(zhì)資源各指標(biāo)耐旱系數(shù)分布Table 3 Distribution of drought tolerance coefficient of tested hulless barley germplasm resources

表4結(jié)果顯示,各性狀間存在著較為復(fù)雜的相關(guān)性,其中主穗長(zhǎng)與單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、主穗穗數(shù)、有效穗數(shù)呈極顯著相關(guān);單株粒數(shù)與千粒質(zhì)量外的其余指標(biāo)均呈極顯著相關(guān);單株粒質(zhì)量與所有指標(biāo)呈極顯著相關(guān);千粒質(zhì)量與單株粒質(zhì)量和株高呈極顯著相關(guān),與有效穗數(shù)呈負(fù)相關(guān);主穗穗數(shù)與千粒質(zhì)量外的指標(biāo)均呈極顯著相關(guān);進(jìn)一步說(shuō)明,各指標(biāo)中所攜帶信息存在重疊,直接使用會(huì)影響青稞種質(zhì)資源耐旱性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。t

2.3 青稞種質(zhì)資源各農(nóng)藝性狀耐旱系數(shù)的主成分分析

為綜合評(píng)價(jià)青稞種質(zhì)資源成株期的耐旱性,對(duì)所測(cè)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表5)。前4個(gè)綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率分別為46.46%、17.13%、14.22%、10.45%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)88.26%。這樣就將所選的7個(gè)指標(biāo)簡(jiǎn)化為4個(gè)新的綜合指標(biāo),可替代之前指標(biāo)的大部分信息。通過(guò)分析4個(gè)主成分,第1 主成分在單株粒數(shù)和單株粒質(zhì)量的因子載荷系數(shù)較大;第2 主成分在千粒質(zhì)量和株高的因子載荷系數(shù)較大;第3 主成分在主穗長(zhǎng)、主穗穗數(shù)的因子載荷系數(shù)較大,第4 主成分在千粒質(zhì)量的載荷系數(shù)最大。綜上說(shuō)明,這些指標(biāo)均可歸為生物產(chǎn)量,這類(lèi)指標(biāo)與青稞種質(zhì)資源成株期的耐旱性有著直接聯(lián)系,因此,可將這類(lèi)指標(biāo)作為鑒定青稞種質(zhì)資源成株期耐旱性的參考指標(biāo)。

表5 青稞種質(zhì)資源各指標(biāo)主成分特征向量和貢獻(xiàn)率Table 5 Feature vectors and contribution rates of principal components

2.4 不同評(píng)價(jià)方式對(duì)供試青稞種質(zhì)資源的綜合耐旱性評(píng)價(jià)

由于供試資源較多,選取極端材料進(jìn)行說(shuō)明,由表6 可知,CDC為0.326～0.641,以該值對(duì)150個(gè)青稞種質(zhì)資源的耐旱性強(qiáng)弱進(jìn)行排序,排名靠前的24、109、15 為耐旱性強(qiáng)的材料,274、128、127 為耐旱性弱的材料;D值為0.046～0.528,其中24、12、15 為耐旱性強(qiáng)的材料,274、128、218為耐旱性弱的材料;WDC為0.326～0.647,24、109、15為對(duì)干旱相對(duì)不敏感的材料,274、128、218 為對(duì)干旱較為敏感的材料。利用CDC值、D值和WDC值對(duì)供試資源耐旱性的評(píng)價(jià)結(jié)果中,耐旱性強(qiáng)的和耐旱性弱的材料各取前10份進(jìn)行對(duì)比,分別有7份和10份材料是重合的,但排名略有差異,其評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。

表6 利用CDC 值、D 值、WDC 值評(píng)價(jià)耐旱性強(qiáng)和耐旱性弱的前十種資源列表Table 6 List of top 10 resources with strong drought tolerance and weak drought tolerance evaluated by CDC value,D value and WDC value

2.5 各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度分析

表7結(jié)果顯示,青稞種質(zhì)資源各性狀CDC值與D值的關(guān)聯(lián)度從大到小依次為主穗穗數(shù)、單株粒質(zhì)量、主穗長(zhǎng)、單株粒數(shù)、千粒質(zhì)量、株高、有效穗數(shù);各性狀CDC值與WDC值的關(guān)聯(lián)度從大到小依次為主穗穗數(shù)、單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)、主穗長(zhǎng)、株高、有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量,這與各性狀CDC值與D值之前的關(guān)聯(lián)度略有差異,但對(duì)D值與CDC值和WDC值的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),關(guān)聯(lián)度均在0.95以上(表8),說(shuō)明他們有密切相關(guān)性,根據(jù)袁闖等[11]對(duì)甜高粱、徐銀萍等[6]對(duì)大麥、汪燦等[16]對(duì)薏苡的分析,最終選擇D值為最佳評(píng)價(jià)方法,以其他兩種值為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。

表7 青稞種質(zhì)資源各性狀CDC 值與D 值和WDC 值的相關(guān)性與權(quán)重系數(shù)Table 7 Correlation degree and weight coefficient of CDC value,D value and WDC value of each trait of hulless barley germplasm

2.6 聚類(lèi)分析及青稞種質(zhì)資源的耐旱性劃分

根據(jù)計(jì)算得到的D值,將150份青稞種質(zhì)資源利用系統(tǒng)聚類(lèi)平均聯(lián)結(jié)法進(jìn)行聚類(lèi)分析,在歐式距離為10時(shí),可將其分為4大類(lèi)(圖1),第Ⅰ類(lèi)包含62個(gè)青稞種質(zhì)品種(系),該組分D值為0.142～0.299,此類(lèi)青稞資源耐旱性較差;第Ⅱ類(lèi)包含76 個(gè)青稞種質(zhì)品種(系),該組分D值為0.308～0.464,此類(lèi)品種(系)具有一定的耐旱性;第Ⅲ類(lèi)包含5個(gè)青稞種質(zhì)品種(系),該組分D值為0.487～0.528,此類(lèi)青稞種質(zhì)資源(品種)耐旱性最佳;第Ⅳ類(lèi)包含7個(gè)青稞種質(zhì)品種(系),該組分D值為0.046～0.120,此類(lèi)品種(系)的耐旱性最弱,對(duì)干旱最敏感。各耐旱等級(jí)材料數(shù)目分別占總數(shù)的41.33%、50.67%、3.33%和4.67%。

圖1 青稞種質(zhì)D 值聚類(lèi)分析圖Fig.1 Cluster analysis of D value of hulless barley germplasm

以參試材料各表型性狀及D值,構(gòu)建線性回歸方程用于干旱種質(zhì)的篩選與鑒定[18],構(gòu)建方程為Y=-0.527+0.350X1+0.160X2+0.240X3+0.271X4+0.344X5+0.065X6+0.060X7,其中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別代表主穗長(zhǎng)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、主穗穗數(shù)、株高、有效穗數(shù),Y表示D值。該回歸方程的相關(guān)系數(shù)r=0.999,決定系數(shù)R2=0.998,表明這7個(gè)自變量可決定總變異的99.8%。表8顯示,7個(gè)性狀與D值的相關(guān)性研究結(jié)果表明,7個(gè)表型性狀與D值均呈極顯著相關(guān),該方程可用于耐旱青稞種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)。

表8 D 值、CDC 值 和WDC 值 的 關(guān) 聯(lián) 度Table 8 Correlation degree between D value and CDC value,and WDC value

3 討論

干旱對(duì)青稞產(chǎn)量的影響目前已經(jīng)是青藏高原地區(qū)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要障礙之一,因此如何有效利用其自身的耐旱遺傳潛力,選育出更適應(yīng)干旱環(huán)境的品種或?qū)⒊蔀橥黄圃撜系K的有效手段。作物的耐旱是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程,會(huì)引起多種生理生化反應(yīng),最終導(dǎo)致多種與產(chǎn)量相關(guān)的指標(biāo)發(fā)生變化,因此單一指標(biāo)的評(píng)價(jià)方式并不能合理、有效地對(duì)其耐旱性進(jìn)行評(píng)價(jià),選擇多指標(biāo)以及多種評(píng)價(jià)方式相結(jié)合成為眾多科技工作者的選擇。

本研究綜合隸屬函數(shù)、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析等分析手段計(jì)算出各種質(zhì)的D值、CDC值和WDC值,對(duì)150份青稞種質(zhì)資源的耐旱性進(jìn)行鑒定,在每種鑒定方法排名前十的高耐旱型種質(zhì)中,有7份種質(zhì)是重復(fù)的,分別為24、12、15、14、109、7、111,這7份材料可作為重要的耐旱資源,在后期的耐旱品種的選育與耐旱機(jī)理研究中加以利用。相關(guān)性分析表明D值與CDC值和WDC值之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),這與徐銀萍等[6]和袁闖等[11]的研究結(jié)果一致。

目前,鑒定麥類(lèi)作物的耐旱性指標(biāo)分為形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)以及產(chǎn)量指標(biāo),但研究表明產(chǎn)量指標(biāo)相對(duì)最為重要,也是眾多研究選用的主要指標(biāo)[6-7,19-20],如陳衛(wèi)國(guó)等[7]對(duì)干旱處理下小麥的株高、穗長(zhǎng)、每穗小穗數(shù)、主穗粒數(shù)、單株產(chǎn)量和千粒質(zhì)量等進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,徐銀萍等[6]對(duì)大麥種質(zhì)資源成株期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選,從8 個(gè)指標(biāo)中篩選出株高、穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒質(zhì)量5 個(gè)指標(biāo)可有效鑒定大麥資源的抗旱性。由于青稞成株期耐旱性鑒定評(píng)價(jià)及指標(biāo)篩選鮮有報(bào)道,根據(jù)之前對(duì)麥類(lèi)作物的研究結(jié)果,本研究選取青稞成株期的主穗長(zhǎng)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、主穗穗數(shù)、株高、有效穗數(shù)7個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)的指標(biāo),結(jié)合主成分分析,將7個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成4個(gè)新的綜合指標(biāo),這些指標(biāo)可歸為單株產(chǎn)量,根據(jù)各指標(biāo)與D值的相關(guān)性可確定為主穗穗數(shù)、單株粒質(zhì)量、主穗長(zhǎng)和單株粒數(shù),這4 個(gè)指標(biāo)與青稞成株期耐旱性有直接聯(lián)系,篩選出的指標(biāo)與徐銀萍等[6]對(duì)大麥耐旱性鑒定指標(biāo)篩選的5個(gè)指標(biāo)中單株粒質(zhì)量、主穗長(zhǎng)、單株粒數(shù)等3個(gè)指標(biāo)重疊,說(shuō)明本試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性較高。另一個(gè)指標(biāo)不相同的原因可能是2個(gè)試驗(yàn)所考察的指標(biāo)不全相同。因此篩選出的4個(gè)指標(biāo)可作為鑒定青稞成株期耐旱性的參考指標(biāo),這與陳衛(wèi)國(guó)等[7]研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

利用耐旱性綜合評(píng)價(jià)、綜合耐旱系數(shù)和加權(quán)耐旱系數(shù)綜合對(duì)150份青稞種質(zhì)資源進(jìn)行耐旱性評(píng)價(jià),共鑒定出7份高度耐旱青稞種質(zhì)資源,分別為24、12、15、14、109、7、111,從7 個(gè)單向指標(biāo)中篩選出主穗穗數(shù)、單株粒質(zhì)量、主穗長(zhǎng)和單株粒數(shù)4 個(gè)指標(biāo),可以作為青稞成株期耐旱性簡(jiǎn)單且較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)指標(biāo)。