PEG脅迫下谷子品種(系)萌發(fā)期耐旱性鑒定及評價(jià)

李 云， 楊夢涵， 王 健， 韓玉翠， 林小虎

(1.河北科技師范學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究中心， 河北 秦皇島 066000;2.河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院， 河北 秦皇島 066000;3.河北省作物逆境生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)， 河北 秦皇島 066000)

谷子(Setariaitalica)學(xué)名為粟，屬禾本科狗尾草屬一年生草本植物。谷子起源于中國，種植歷史悠久，是世界上最早的栽培作物之一，據(jù)考證已有 8 700 多年的栽培歷史[1]。谷子在世界上分布范圍十分廣泛，亞洲、非洲、大洋洲、南美洲以及歐洲等地均有種植。我國谷子的種植面積占糧食作物種植面積的5%，主要分布在北方的干旱半干旱地區(qū)，以河北、內(nèi)蒙古、山西為主[2]。谷子脫殼后為小米，在食品、藥用以及副產(chǎn)品等方面均具有極高的價(jià)值[3-5]。另外，谷子具有生育期短、基因組小等特點(diǎn)，是禾本科研究的模式作物[6]。

我國水資源豐富，但人均占有量少，僅為世界水平的四分之一。水資源的短缺是制約我國干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[7]，水資源在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極為重要的地位。谷子具有耐旱耐瘠、抗逆性強(qiáng)、水分利用效率高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[8-9]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的節(jié)約要求和人們生活水平的不斷提高，谷子抗寒、抗旱、易儲(chǔ)藏和營養(yǎng)價(jià)值高等優(yōu)勢逐漸凸顯，成為環(huán)境友好型和保健營養(yǎng)型作物[9-10]。因此，對谷子抗旱的研究顯得極為重要。本研究選取24個(gè)國內(nèi)不同區(qū)域谷子品種，測定谷子抗旱性相關(guān)指標(biāo)并進(jìn)行比較分析，篩選出抗旱谷子品種，為抗旱谷子栽培與新品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取來自全國9個(gè)省份的24個(gè)試驗(yàn)品種(系)，其中包含7個(gè)河北省品種(系)，2個(gè)河南省品種，3個(gè)山東省品種，4個(gè)山西省品種，3個(gè)黑龍江省品種，2個(gè)內(nèi)蒙古自治區(qū)品種，1個(gè)北京市品種，1個(gè)吉林省品種，1個(gè)遼寧省品種(表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019年在河北科技師范學(xué)院生命科技實(shí)驗(yàn)站(北緯 39.70°，東經(jīng)119.15°)進(jìn)行材料種植，所收獲種子用于抗旱性鑒定。試驗(yàn)地屬于暖溫帶，半濕潤大陸性氣候。供試土壤類型為中壤土，土壤有機(jī)質(zhì)的含量為32.63 g/kg，全氮的含量為3.24 g/kg，堿解氮的含量

表1 24個(gè)谷子品種(系)育成單位Table 1 Breeding institutions of 24 millet varieties (lines)

為121.32 mg/kg，速效磷的含量為 20.31 mg/kg，速效鉀的含量為109.28 mg/kg。播前施入15 000 kg/hm2農(nóng)家肥作為基肥，后期不進(jìn)行追肥，其他田間管理措施按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。各品種于成熟后收獲籽粒。

采用PEG模擬干旱脅迫法，使用滅菌蒸餾水配置濃度分別為0(ck)、5%、10%、15%、20%、25%的 PEG-6000梯度處理溶液。每個(gè)濃度設(shè)置3次重復(fù)，每次重復(fù)選取50粒籽粒飽滿的谷子種子，5%的次氯酸鈉消毒10 min，使用滅菌蒸餾水漂洗3次后將種子放入鋪有3層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，培養(yǎng)皿內(nèi)加入等量PEG梯度溶液(以溶液浸透濾紙為準(zhǔn))，將培養(yǎng)皿放入25 ℃的光照培養(yǎng)箱，定期向培養(yǎng)皿內(nèi)加入各設(shè)置濃度PEG溶液，ck加入滅菌蒸餾水。

1.3 測定指標(biāo)及計(jì)算方法

每天記錄谷子種子發(fā)芽數(shù)量。分別于培養(yǎng)的第4天和第10天統(tǒng)計(jì)各品種發(fā)芽勢和發(fā)芽率，于第10天每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取10株測量其芽長、根長等。各性狀指標(biāo)計(jì)算公式如下：

發(fā)芽勢(%)=(第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(第10天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

相對發(fā)芽勢(%)=(處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢)×100%；

相對發(fā)芽率(%)=(處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率)×100%；

相對胚芽長(%)= (處理種子胚芽長/對照種子胚芽長) ×100%；

相對胚根長(%)= (處理種子胚根長/對照種子胚根長) ×100%；

萌發(fā)指數(shù)=1×Rd 2+0.75×Rd 4+0.50×Rd 6+0.25×Rd 8，式中：Rd 2、Rd 4、Rd 6、Rd 8分別為第2天、第4天、第6天、第8天的種子發(fā)芽率。

萌發(fā)抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對照種子萌發(fā)指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，采用DPS 7.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，采用IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、主成分分析與聚類分析。采用隸屬函數(shù)綜合評價(jià)性狀指標(biāo), 按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

隸屬函數(shù)值：μ(Xj) = (Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1,2,3,…,n

(1)

式中，μ(Xj)表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)值，Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值，Xmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值。

(2)

式中，Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中權(quán)重，Pj為品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

(3)

式中，D表示各品種耐旱能力的綜合評價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子品種(系)抗旱最適濃度篩選

從表2可以看出，晉谷21和嫩選18在5% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異，除濟(jì)谷22、豫谷36、龍谷38和張雜谷16在15% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異外，其余18個(gè)谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異。除晉谷21和嫩選18在5% PEG脅迫下達(dá)到極顯著差異及濟(jì)谷22、豫谷36、龍谷38、九谷23和張雜谷16在15% PEG干旱脅迫下達(dá)到極顯著差異外，其余谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下達(dá)到極顯著差異。這說明在24個(gè)谷子品種中，大部分品種在10% PEG干旱脅迫下，發(fā)芽勢達(dá)到顯著差異。

如表3所示，除黃金苗、豫谷36、長農(nóng)47和張雜谷13這4個(gè)品種在5% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異外，其余20個(gè)谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下差異顯著。除長農(nóng)47和張雜谷13在5% PEG干旱脅迫下及金苗K 2和山西紅谷在15% PEG干旱脅迫下都表現(xiàn)極顯著差異外，其余谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下達(dá)到極顯著差異。說明24個(gè)谷子品種中大部分谷子品種在10% PEG干旱脅迫下，發(fā)芽率達(dá)到顯著差異。

綜上所述，在10% PEG干旱脅迫下，谷子的發(fā)芽率與發(fā)芽勢均較對照有較大差異，抗旱表現(xiàn)明顯，確定篩選適宜谷子抗旱鑒定的PEG干旱脅迫濃度為10%，故對此濃度下24個(gè)谷子品種(系)的抗旱相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析和評價(jià)。

2.2 10% PEG模擬干旱脅迫對谷子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)的影響

如表4所示，同一性狀不同品種(系)間，變異系數(shù)變幅為7.79%～118.88%，萌發(fā)抗旱指數(shù)的變異系數(shù)最大，說明不同品種間萌發(fā)抗旱指數(shù)的差異最大；相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率的變異系數(shù)都很小，說明10% PEG處理對發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響在不同品種間的差異最小。黃金苗的相對發(fā)芽勢最高，為95.45%，鄭18-1678的相對發(fā)芽率最低，為72.04%。24個(gè)谷子品種中，嫩選15的相對發(fā)芽率最高，為90.00%，晉谷21最低，為70.00%。張雜谷26的相對胚芽長最高，為105.56%，山西紅谷最低，為54.87%。相對胚根長以冀科1號最高(97.48%)，黃金苗最低(53.92%)。萌發(fā)抗旱指數(shù)可以反映種子萌發(fā)的速度，除了濟(jì)谷22、張雜谷16、豫谷36、冀谷39、山西紅谷、嫩選15、張雜谷26外，其余品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)都低于0.50，以冀谷39的萌發(fā)抗旱指數(shù)最高，為1.62，說明高抗旱性品種較少。

表2 PEG脅迫下不同谷子品種發(fā)芽勢比較Table 2 Comparison of germination potential among different millet varieties under PEG stress

2.3 10% PEG脅迫下各性狀的主成分分析

對10% PEG模擬干旱脅迫下各性狀進(jìn)行主成分分析(表5)，得出特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。根據(jù)特征值大于1的原則，提取3個(gè)主要成分，3個(gè)主要成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.528%，能有效反映各數(shù)據(jù)的變化趨勢，符合主成分的分析要求。如表5所示，主成分1的特征值為1.756，貢獻(xiàn)率為35.127%，反映了PEG脅迫下5個(gè)性狀35.127%的主要信息；主成分2的特征值為1.406，貢獻(xiàn)率為28.120%，反映了PEG脅迫下5個(gè)性狀28.120的主要信息；主成分3的特征值為1.014，貢獻(xiàn)率為20.281%，反映了PEG脅迫下5個(gè)性狀20.281%的主要信息。

由表5可知，主成分1與相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢和萌發(fā)抗旱指數(shù)均呈正相關(guān)，載荷值分別為0.384、0.335和0.493，與相對胚芽長和相對胚根長呈負(fù)相關(guān)，載荷值為-0.169和-0.194，載荷值以萌發(fā)抗旱指數(shù)最大，說明主成分1與萌發(fā)抗旱指數(shù)的關(guān)系最為密切；主成分2與萌發(fā)抗旱指數(shù)為負(fù)相關(guān)，載荷值為-0.104，其余均為正相關(guān)，載荷值以相對胚芽長最大，為0.514，萌發(fā)抗旱指數(shù)最小，為-0.104；主成分3與相對發(fā)芽率和相對胚根長呈正相關(guān)，載荷值為0.526和0.588，與相對發(fā)芽勢、相對胚芽長和萌發(fā)抗旱指數(shù)為負(fù)相關(guān)，載荷值為-0.324、-0.492和-0.126，載荷值以相對胚根長最大，相對胚芽長最低。

表3 PEG脅迫下不同谷子品種發(fā)芽率比較Table 3 Comparison of germination rate among different millet varieties under PEG stress

2.4 不同谷子品種(系)萌發(fā)期耐旱綜合評價(jià)

采用隸屬函數(shù)法對谷子抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)。根據(jù)主成分的貢獻(xiàn)率，利用公式(2)計(jì)算出3個(gè)主成分的權(quán)重分別為0.656、0.337和0.243。F1～F3為3個(gè)主成分的綜合得分值，再通過公式(1)計(jì)算出綜合性狀指標(biāo)的隸屬函數(shù)值μ(X1)～μ(X3)，根據(jù)權(quán)重和隸屬函數(shù)值利用公式(3)計(jì)算出綜合評價(jià)D值，得出24個(gè)谷子品種的排名(表6)。

根據(jù)綜合評價(jià)D值將24個(gè)谷子品種進(jìn)行排序，依次為濟(jì)谷22、山西紅谷、冀谷39、張雜谷16、嫩選15、冀科1號、張雜谷26、金苗K 2、九谷23、濟(jì)谷28、豫谷36、冀谷41、嫩選18、龍谷38、濟(jì)谷27、17-6520、中谷2號、長農(nóng)47、黃金苗、晉谷21、長農(nóng)35、鄭18-1678、張雜谷13、朝谷58。

2.5 不同谷子品種(系)萌發(fā)期耐旱性聚類分析

根據(jù)各品種的綜合得分D值進(jìn)行聚類分析，如圖1所示。在歐式距離為5.0時(shí)，將24個(gè)品種(系)劃分為5個(gè)類型：6個(gè)強(qiáng)耐旱品種D值為0.798～0.915(1～6名)，依次為濟(jì)谷22、山西紅谷、張雜谷16、冀谷39、冀科1號和嫩選15。3個(gè)耐旱品種D值為0.613～0.707(7～9名)，依次為張雜谷26、金苗K 2和九谷23。5個(gè)中間型品種D值為0.468～0.520(10～14名)，依次為豫谷36、濟(jì)谷28、冀谷41、龍谷38和嫩選18。5個(gè)敏感型品種D值為0.386～0.433(15～19名)，依次為中谷2號、17-6520、濟(jì)谷27、長農(nóng)47和黃金苗。5個(gè)極不耐旱型品種D值為0.183～0.284(20～24名)，依次為晉谷21、長農(nóng)35、鄭18-1678、張雜谷13和朝谷58。其中6個(gè)強(qiáng)耐旱品種和3個(gè)耐旱品種可以作為一定干旱條件下谷子種植的候選品種，后續(xù)將于田間干旱條件下種植，并進(jìn)行品種的產(chǎn)量和其他重要農(nóng)藝性狀的比較，以此篩選出可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)的品種(系)。

表4 10% PEG脅迫下不同谷子品種的耐旱相關(guān)指標(biāo)Table 4 Drought tolerance indexes of different millet varieties under PEG stress

表5 PEG 干旱脅迫下各性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of alltraits under PEG Drought stress

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)是農(nóng)作物生長發(fā)育過程中衡量農(nóng)作物抗旱性強(qiáng)弱的重要生育時(shí)期[10]，萌發(fā)期耐旱性強(qiáng)的品種與一般品種相比，其苗期發(fā)芽率高、成苗好且生長較快，作物萌發(fā)期抗旱鑒定為后期生長奠定較好的基礎(chǔ)[11-12]。谷子是典型的耐旱型作物，通過對谷子萌芽期的耐旱性鑒定可以對谷子耐旱性早期鑒定及耐旱品種早期選擇。結(jié)果表明，隨著PEG濃度的增加，谷子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長和芽長均受到不同程度的抑制作用。劉桂紅等[13]研究滲透脅迫條件下，谷子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚根和胚芽均受到不同程度的抑制和高汝勇等[14]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下谷子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、苗高、鮮質(zhì)量、活力指數(shù)可作為谷子萌發(fā)期抗旱性的鑒定指標(biāo)，且均隨干旱脅迫增加產(chǎn)生明顯的作用，本試驗(yàn)與以上研究結(jié)果一致。

另外，作物的抗旱性受多個(gè)因素共同影響，在其生長發(fā)育的不同階段有不同的表現(xiàn)，在谷子抗旱性研究中應(yīng)結(jié)合多項(xiàng)指標(biāo)對其進(jìn)行綜合評價(jià)，避免分析單個(gè)或幾個(gè)性狀所帶來的局限性[15]。本試驗(yàn)測定谷子萌發(fā)期的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根長、相對芽長和萌發(fā)抗旱指數(shù)等5種性狀，通過主成分分析和隸屬函數(shù)法相結(jié)合，綜合篩選出強(qiáng)耐旱類型品種，使得篩選的萌發(fā)期抗旱性品種可靠。在測定的24個(gè)谷子品種中濟(jì)谷22、山西紅谷、張雜谷16、冀谷39、冀科1號和嫩選15耐旱性強(qiáng)，晉谷21、長農(nóng)35、鄭18-1678、張雜谷13和朝谷58耐旱性弱。但是，作物萌發(fā)期鑒定結(jié)果只能作為衡量作物抗旱性強(qiáng)弱的一個(gè)方面，不能概括作物苗期和全生育期抗旱鑒定結(jié)果，后續(xù)可與全生育期抗旱鑒定結(jié)果相結(jié)合為谷子抗旱品種選擇和抗旱新品種選育提供更全面的材料基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

表6 各品種(系)的綜合性狀指標(biāo)、隸屬函數(shù)值及綜合耐旱指數(shù)D值Table 6 D-value of comprehensive trait indexes,membership function value,comprehensive drought tolerance indexes in different varities(lines)

圖1 不同谷子品種(系)耐旱指數(shù)聚類分析 Fig.1 Cluster analysis of drought tolerance index of different foxtail millet varieties (lines)