PEG-6000模擬干旱脅迫對青稞種子萌發(fā)的影響

彭玉琳， 夏天意， 鄒云陽， 王 浩， 白瑪?shù)录?昌 西

(西藏農(nóng)牧學院高原作物分子育種實驗室， 西藏 林芝 860000)

干旱是影響植物生長與生產(chǎn)力最重要的非生物逆境脅迫因子之一，全球每年因干旱導致農(nóng)作物減產(chǎn)占全部農(nóng)業(yè)災(zāi)害的60%以上[1]，我國糧食生產(chǎn)也面臨著干旱脅迫的嚴重威脅，篩選或培育耐旱作物迫在眉睫。青稞是適應(yīng)了高原生態(tài)條件的特殊大麥，其對干旱、低溫、強輻射等因子具有較強耐受性，因而在高原地區(qū)被廣泛種植和使用，其中以西藏地區(qū)最具代表性。但是西藏大部分農(nóng)區(qū)屬于干旱與半干旱氣候區(qū)，且田高水低，灌溉條件差，偏僻農(nóng)區(qū)主要靠自然降雨。隨著氣候條件的不斷變化，階段性干旱脅迫的改變，病蟲害的加劇，青稞材料抗性逐漸減弱，甚至無抗性，極大地阻礙了西藏青稞的種植和持續(xù)發(fā)展。因此，研究青稞抗旱性的遺傳規(guī)律，抗旱性指標的有效選擇、抗旱性鑒定的方法以及篩選強抗旱性種質(zhì)資源等，將成為青稞生產(chǎn)高效發(fā)展的重要手段。在抗旱性鑒定中，萌發(fā)期是作物受干旱影響較大的時期之一，因此，本研究采用PEG-6000模擬干旱脅迫，對20個青稞種質(zhì)材料進行萌發(fā)期干旱脅迫處理，旨在篩選青稞抗旱材料，為育種工作和提高西藏農(nóng)業(yè)水分利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

20份供試材料來自青藏高原幾個主要青稞種植區(qū)域，詳見表1。

表1 供試青稞材料名稱及來源Table 1 Names and origins of the tested highland barley materials

1.2 試驗方法

取籽粒飽滿，大小均勻，無蟲害、無破損的青稞種子，用0.1%高錳酸鉀溶液浸泡30 min進行消毒處理，撈出后用純水反復(fù)沖洗5次，吸干種子表面水分，用事先消過毒的鑷子將種子置于墊有2層濾紙的發(fā)芽盒(12 cm×12 cm)中，每個發(fā)芽盒中放入20粒種子，加入15 mL 質(zhì)量分數(shù)為 17% 的PEG-6000進行處理，以加入等量的純水作為對照，每個處理3次重復(fù)。將發(fā)芽盒放入培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)條件為:前3 d均無光照，晝夜時長12 h/12 h，晝夜溫度25 ℃/20 ℃；后4 d前12 h有光照,后12 h無光照，晝夜溫度與前3 d相同。每3 d補充一次溶液，以種子露白作為發(fā)芽標準，每日觀察種子發(fā)芽生長情況。統(tǒng)計每日的發(fā)芽數(shù)、總發(fā)芽數(shù)，7 d后測量芽長、主胚根長、芽干重和根干重并計算以下指標：

發(fā)芽率(%)=(第7天正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=[(規(guī)定時間內(nèi)(3 d)正常發(fā)芽的種子/供試種子總數(shù))]×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt，

式中：Gt為第t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22軟件進行相關(guān)性分析、主成分分析、綜合評價及聚類分析；進行以上分析時采用數(shù)據(jù)相對值計算。

相對值(%)=(PEG干旱脅迫下各性狀平均值/對照各性狀平均值)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫與正常條件下青稞萌發(fā)期生長狀況

不同基因型青稞在PEG干旱脅迫與正常條件下生長狀況具有一定的差異性。PC-4材料在干旱脅迫下發(fā)芽勢和發(fā)芽率比正常條件下的高，即高滲溶液處理促進了該材料種子生長。而PC-17，PC-18，PC-19，PC-20這4個材料的發(fā)芽勢和發(fā)芽率與正常條件相近，說明這些材料從發(fā)芽勢和發(fā)芽率的角度看具有一定的抗旱優(yōu)勢，其他大部分基因型的發(fā)芽勢與發(fā)芽率都受到不同程度的影響；20份供試材料的芽長和根長都受到干旱脅迫的抑制作用(表2)。

表2 20份青稞材料干旱脅迫與正常條件下萌發(fā)期的生長狀況Table 2 Comparison of the growth of 20 highland barley materials under drought stress and normal conditions during germination

2.2 干旱脅迫下不同萌發(fā)指標的相關(guān)性分析

本試驗考察了青稞萌發(fā)期7個性狀指標，運用皮爾遜相關(guān)性系數(shù)法對PEG脅迫下的7個指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，發(fā)芽勢與發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)(表3)，發(fā)芽勢與芽長、芽干重呈負相關(guān)，與發(fā)芽指數(shù)均呈正相關(guān)；發(fā)芽率，與發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān)；芽長與芽干重呈極顯著正相關(guān)，與根長呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；根長與芽干重、根干重呈顯著正相關(guān)，與發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān)。

表3 青稞萌發(fā)期性狀相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of germination characteristic of highland barley

2.3 主成分分析

現(xiàn)已有馬鈴薯[2-3]、藜麥[4]、玉米[5]、菜豆[6]、冬棗[7]、化橘紅[8]等物種用主成分分析的方法進行分析研究。從表4可以看出，主成分分析提取了3個主成分，第一主成分貢獻率為38.215%，特征值為2.675，發(fā)芽勢、根長、發(fā)芽指數(shù)在第一主成分上有較高的荷載，說明其第一主成分的抗旱能力主要由發(fā)芽勢、根長、發(fā)芽指數(shù)決定；第二主成分貢獻率是28.989%，累積貢獻率67.204%，特征值為2.029，發(fā)芽勢和發(fā)芽率在第二主成分上有較高的荷載，說明第二主成分的抗旱能力主要是由發(fā)芽勢和發(fā)芽率決定；第三主成分貢獻率是13.954%，累積貢獻率為81.158%，特征值為0.997；相對根干重在第三主成分上有較高的荷載，說明第三主成分的抗旱能力主要是由根干重決定。可見3個主成分別包含了20份材料7個指標的81.158%數(shù)據(jù)信息，并且對這20份材料做出評價時，可將發(fā)芽率、發(fā)芽勢與根部特征作為評定指標。

表4 各指標主成分分析Table 4 Principal component analysis of each index

設(shè)發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長、芽干重、根干重、發(fā)芽指數(shù)的數(shù)據(jù)依次為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7。根據(jù)成分矩陣和特征值可得主成分表達式：

Y1=0.38X1+0.34X2+0.34X3+0.48X4+0.34X5+0.33X6+0.40X7

Y2=0.52X1+0.56X2-0.41X3-0.23X4-0.41X5-0.12X6+0.11X7

Y3=0.02X1-0.03X2-0.20X3+0.21X4-0.28X5+0.77X6-0.48X7

根據(jù)以上結(jié)果，以3個主成分對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)之前的方差貢獻率作為權(quán)重，將各青稞材料主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進行線性加權(quán)求和，計算出各份材料的綜合得分，綜合得分越高表示該份材料抗旱性越好。20份青稞材料在各主成分下的得分、綜合得分及排名結(jié)果見表5。由表5得知，20份青稞材料綜合抗旱性由強到弱依次為：PC-4、PC-20、PC-19、PC-17、PC-10、PC-15、PC-8、PC-12、PC-18、PC-9、PC-13、PC-14、PC-16、PC-11、PC-6、PC-5、PC-1、PC-2、PC-7、PC-3；第一主成分、第二主成分和第三主成分值都偏高的材料有PC-4、PC-10、PC-17、PC-18、PC-19、PC-20，故綜合評分也較高，具有較強的抗旱性。

表5 主成分綜合評價結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation results of principal component

2.4 聚類分析

試驗對20份不同材料青稞抗旱性進行聚類分析，采用組間聯(lián)接和Euclidean距離連接得到20份青稞材料的系統(tǒng)聚類圖(圖1)，由圖1可看出，在閾值為8時可將供試材料分為三大類，第一類為高度抗旱材料PC-4；第二類為中度抗旱材料，包括：PC-20、PC-17、PC-8、PC-10、PC-19、PC-12、PC-18、PC-14、PC-15、PC-13、PC-16、PC-9、PC-11；第三類為敏感材料，包括PC-7、PC-2、PC-5、PC-6、PC-1、PC-3。

圖1 20份青稞種質(zhì)指標系統(tǒng)聚類分析Fig.1 Cluster analysis of indexes in 20 highland barley germplasms

3 討論與結(jié)論

作物在不同生長發(fā)育階段，水分起著至關(guān)重要的作用，且水被認為是調(diào)節(jié)作物萌發(fā)最重要的環(huán)境信號，是種子吸脹過程和發(fā)芽的起始因子，能直接或間接地參與發(fā)芽代謝過程[9]。青稞種子萌發(fā)情況在很大程度上決定了其出苗數(shù)量以及健壯程度，對其在逆境環(huán)境中的生長發(fā)育起著決定性作用，進而影響后期產(chǎn)量的形成[10]。鑒定青稞種子萌發(fā)期的抗旱性對于篩選出適用于西藏地區(qū)綜合耐旱性優(yōu)良的種質(zhì)資源，為西藏青稞耐旱遺傳研究及品種選育等相關(guān)工作提供理論依據(jù)，也有利于農(nóng)業(yè)用水的節(jié)約、國家糧食的安全保障[11-12]。因此，干旱脅迫下青稞品種萌發(fā)特性可以有效評價其抗旱性。

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)等指標能夠反映品種的優(yōu)劣[13-15]，本試驗對20份青稞材料萌發(fā)期的7個主要指標(發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長、芽干重、根干重、發(fā)芽指數(shù))進行了分析，結(jié)果表明，干旱脅迫下對大部分材料的發(fā)芽勢與發(fā)芽率具有抑制作用，少部分材料干旱條件下與對照條件下差異較小，且干旱脅迫下青稞材料的芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)均受到影響。

對青稞萌發(fā)特性進行科學合理的評價，避免對各項指標片面性評價則需要進行綜合分析。本試驗運用統(tǒng)計學的方法對農(nóng)作物多項農(nóng)藝性狀指標進行綜合評價，主成分分析法通過無量綱化處理，把7個變量降維成3個相互獨立的綜合變量，使得綜合評價更加科學準確[16-17]，再通過主成分和聚類分析對青稞種質(zhì)資源進行綜合評價，對研究材料進行等級劃分和適應(yīng)性評價，根據(jù)綜合得分以及系統(tǒng)聚類圖可看出，20份青稞種質(zhì)資源中篩選出1份綜合抗旱性較強的青稞材料，13份綜合抗旱性較好的材料?？购敌跃C合排序結(jié)果為：ZDM 4714>ZDM 4721>ZDM 4699>藏青148(2)>ZYM 1867(2)>舍么>ZDM 4813>ZDM 4733>藏青80>北青6號>地方品種1>昆侖10號>地方品種2>昆侖8號>ZDM 4941>ZDM 4953>ZDM 5074>ZDM 4739>ZDM 4812>藏青311。

綜上所述，種子萌發(fā)可用于評價不同植物種子抗旱性的強弱，并篩選出耐旱適應(yīng)性植物[18]，PEG干旱脅迫下可篩選出抗旱性青稞種質(zhì)資源，但萌發(fā)期抗旱性的品種選育也只能作為青稞品種初步選擇的依據(jù)，不能完全反映青稞種質(zhì)資源的好壞程度，還需要結(jié)合大田試驗篩選出抗旱品種，是目前迫切解決的問題之一。