模擬干旱脅迫下黍稷資源抗旱性評價

邢 媛 ，賈馥翠 ，陳 凌 ，王海崗 ，王計平 ，喬治軍 ，王瑞云

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)基因資源研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室/雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點實驗室，山西太原 030031）

干旱是農(nóng)作物減產(chǎn)的重要原因之一。全球的干旱半干旱地區(qū)相對于陸地面積的占比高達35%，涉及到全球60 多個國家和地區(qū)[1]。干旱影響植物的正常生長和發(fā)育，進而導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)嚴重[2]，在所有非生物對農(nóng)作物造成的損失中，干旱脅迫占首位[3]。農(nóng)作物具有抵御和適應(yīng)干旱環(huán)境的能力，但是不同農(nóng)作物間及作物的不同品種之間的抗旱能力和抗旱機制存在著顯著差異[4]。隨著全球溫室效應(yīng)的不斷影響，溫室氣體濃度的增加促使地球表面溫度加快上升，進而導(dǎo)致土地干旱程度加重、沙漠化面積增大，這對農(nóng)作物的生產(chǎn)將造成很大的影響，而選育抗旱品種是緩解干旱的有效策略[5]。

黍稷是起源于我國的古老作物，抗旱耐瘠，營養(yǎng)豐富[6]。黍稷適應(yīng)土壤能力強，在多數(shù)土壤中均能正常生長[7]。黍稷種子吸收25%自身干質(zhì)量的水分就可發(fā)芽，而小麥和玉米分別需要44% 和45%。當黍稷苗期遭遇高溫干旱，葉片會卷縮成筒狀，氣孔閉合，水分蒸發(fā)量減少，推遲或停止生長，呈萎蔫狀以適應(yīng)干旱和減少失水造成的危害。不同農(nóng)作物間及作物的不同品種之間的抗旱能力和抗旱機制具有很大的差異。此前，人們關(guān)于黍稷抗旱性的研究層次遠不如其他主要糧食作物如玉米、水稻、大豆、小麥等。山侖等[8]比較了黍稷、谷子、高粱和玉米在各個時期的抗旱性，結(jié)果顯示，幾種作物在芽的生長階段對水分脅迫的敏感度最高；王綸等[9]研究表明，黍稷資源的抗旱性在每個個體中都表現(xiàn)出比較大的差異[10]；張盼盼等[11]用模擬干旱脅迫的方法，對黍稷芽期抗旱性的指標進行鑒定，篩選出芽期抗旱性指標為相對根長、相對芽長、相對發(fā)芽率、相對芽鞘長和相對芽干質(zhì)量。張美俊等[12]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫抑制糜子種子萌發(fā)活力，降低了萌發(fā)速度和發(fā)芽率。王海茹等[13]研究認為，在干旱脅迫的情況下，適當?shù)脑鍪┑士梢蕴岣呙缙谑蝠⒌娜~綠素含量和根系活力，增加根系總表面積、總體積與總根長，降低根系丙二醛含量，在一定程度上緩解干旱脅迫的影響。李鵬等[14]研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下，耐低磷品種、磷中間型品種植株相對吸磷量均顯著高于磷敏感型品種。李占成等[15]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫條件下糜子種子的相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照，各種鹽對糜子種子發(fā)芽抑制作用由大到小為NaCl、Na2SO4、MgCl2。閆江艷等[16]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下引起2個黍稷品種各項生理指標及復(fù)水條件下變化幅度不同，2 個品種根系活力均明顯下降，但抗旱性強的隴糜4號根系活力下降幅度明顯低于抗旱性弱的晉黍7號。不同植物的萌發(fā)特性及干旱脅迫下的反應(yīng)都有自身的特點，尚無統(tǒng)一的評價方法和體系。在實際生產(chǎn)過程中，輕度干旱與重度干旱對不同作物種子萌發(fā)具有不同的影響，表明種子的活力及綜合性的抗旱評價至關(guān)重要。目前，干旱對黍稷種子活力影響、抗旱性指標篩選及抗旱性評價研究較少。

本研究以東北地區(qū)35 份黍稷資源為試驗材料，在PEG 脅迫的干旱條件下，綜合分析黍稷在干旱脅迫下2 個重要的生長發(fā)育時期的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、苗長、苗鮮質(zhì)量、苗干質(zhì)量、葉綠素含量，進而對比它們之間的抗旱性差異，建立抗旱性評價體系，旨在篩選出黍稷抗旱資源。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究所用的35份北方黍稷種質(zhì)資源材料包含黑龍江19份、吉林10份、遼寧6份（表1）。

表1 參試品種及來源Tab.1 The test varieties and their origin

1.2 試驗方法

從35 份黍稷品種中分別選取180 粒飽滿種子，用0.3%的高錳酸鉀溶液消毒15 min，再用無菌水沖洗5 遍。試驗設(shè)置濃度25%的PEG-6000（D）和正常供水（CK）2 個處理，每個處理3 次重復(fù)，每個重復(fù)30 粒種子，每個培養(yǎng)皿為1 次重復(fù)。在每個無菌培養(yǎng)皿中放入2 層濾紙，放入30 粒消毒充分的黍稷種子，其中3 個培養(yǎng)皿中加入5 mL 配制好的PEG 溶液進行干旱脅迫，剩余3 個培養(yǎng)皿正常供水作為對照組，最后將不同處理的培養(yǎng)皿隨機放入25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱（光照∶黑暗=12∶12）中進行種子萌發(fā)試驗。為保持脅迫濃度相對穩(wěn)定，發(fā)芽期間每4 d 更換濾紙和PEG 脅迫溶液。

1.3 測定指標

在種子萌發(fā)階段分別統(tǒng)計不同處理下各處理組的發(fā)芽勢（I1）、發(fā)芽率（I2），計算種子的相對發(fā)芽勢（I1′）、相對發(fā)芽率（I2′）；在苗期試驗結(jié)束后，每個育苗盤中挑選生長一致幼苗，測量其根長（C1）、苗長（C2），并測定根鮮質(zhì)量（C3）、苗鮮質(zhì)量（C4）、根干質(zhì)量（C5）、苗干質(zhì)量（C6）、葉綠素含量（C7）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 25.0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黍稷芽、苗期對干旱脅迫的響應(yīng)

PEG-6000 脅迫對不同品種黍稷種子萌發(fā)的影響如表2 所示。

表2 不同品種黍稷芽、苗期PEG 脅迫較對照組的差值Tab.2 The difference of PEG stress between different varieties of broomcorn millet at bud and seedling stages compared with the control group

續(xù)表2 不同品種黍稷芽、苗期PEG 脅迫較對照組的差值Tab.2（Continued） The difference of PEG stress between different varieties of broomcorn millet at bud and seedling stages compared with the control group

從表2 可以看出，與對照組相比，PEG 脅迫下9 個指標數(shù)值均有所下降，其中，發(fā)芽勢和發(fā)芽率下降的尤為明顯，分別下降93.007%和94.449%，可見各指標均受PEG 脅迫的抑制，其中，發(fā)芽勢和發(fā)芽率受抑制較明顯。從表3 可以看出，通過成對樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，CK 與PEG 脅迫間t值變化范圍為［-0.234，-76.479］，說明35 份黍稷種質(zhì)資源中參與測試的品種彼此之間差異較大，性狀變化明顯，有助于抗旱性檢測。其中，發(fā)芽勢和發(fā)芽率的t值分別為-51.423 和-76.479，t值的絕對值越大表明材料間差異越顯著，所以，PEG 干旱脅迫對種子芽期的生長形成明顯抑制。P值多數(shù)小于0.05，表明CK與處理間差異顯著。測定PEG 脅迫材料苗期各性狀衡量指標，得出其變異系數(shù)介于0.171～0.664，CK 組 變異 系 數(shù) 為0.154～0.612，試驗 組 和CK 變異系數(shù)相差0.017～0.051，跨度較大，表明試驗中35 份材料的每項指標對PEG 脅迫較為敏感，具有代表性。

表3 25%PEG-6000 脅迫下35 份黍稷品種各抗旱指標統(tǒng)計分析Tab.3 Statistical analysis of drought resistance indexes of 35 broomcorn millet varieties under 25% PEG-6000 stress

2.2 PEG 脅迫下黍稷各指標的相關(guān)性分析

對PEG 脅迫下的芽期與苗期的9 項相對值指標進行Pearson 相關(guān)性分析可知（表4），芽期的相對發(fā)芽勢（I1′）和相對發(fā)芽率（I2′）與苗期的7 個指標之間相關(guān)性均不顯著，與相對葉綠素含量呈正相關(guān)，與其余6 個指標呈負相關(guān)；苗期7 個指標兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)，相對苗鮮質(zhì)量（C4′）與相對苗干質(zhì)量（C6′）相關(guān)系數(shù)最大，為0.934，二者相關(guān)性最高；相對苗長（C2′）和相對苗鮮質(zhì)量（C4′）間的相關(guān)系數(shù)為0.897，相關(guān)性次之；相對根干質(zhì)量（C5′）與相對根長（C1′）和相對根鮮質(zhì)量（C3′）間的相關(guān)系數(shù)分別為0.474 和0.823。通過數(shù)據(jù)可以得出，苗期各項指標結(jié)果與芽期各項指標結(jié)果間無相關(guān)性，相對葉綠素含量與苗期及芽期階段的相關(guān)性均較低。綜上所述，多數(shù)指標間都呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，說明在PEG 脅迫下對黍稷的相對值作用效果明顯，但是直接利用這些指標對黍稷做出抗旱性評價太過單一不夠準確，為了得到更為準確的結(jié)果，采用主成分分析法對黍稷的抗旱性進行綜合性評價。

表4 干旱脅迫下各指標的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficients of each index under drought stress

2.3 黍稷苗期抗旱性分析

用主成分分析法對苗期相關(guān)抗旱性指標的相對值進行分析，篩選出可用于黍稷苗期抗旱性鑒定的主要指標。由表5 可知，將特征值大于1 的指標納入主成分，獲得2 個主成分。前2 個主成分貢獻率分別為66.776%和14.907%，累計貢獻率為81.683%（符合主成分分析累計貢獻率大于80%的要求），說明前2個主因子所包含的要素信息量可以反映出9 個抗旱性指標原始特征參數(shù)的大部分信息，因此，9 個抗旱性指標可用前2 個主成分因子表示。

表5 主成分分析中各主成分的特征值及貢獻率Tab.5 Eigenvalues and contribution rates of each principal component in principal component analysis

由于因子載荷陣是不唯一的，所以對因子載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)，使因子載荷陣結(jié)構(gòu)簡化，運用方差最大法得到各主成分的因子載荷矩陣（表6）：決定第1 主成分主要為相對苗長（0.939）和相對苗鮮質(zhì)量（0.950）2 個指標，說明黍稷苗期生長情況可以作為評價抗旱性的主要指標，決定第2 主成分的主要為相對葉綠素含量（0.946），說明黍稷的抗旱性強弱能夠影響植株光合作用。根據(jù)主成分分析結(jié)果，相對苗鮮質(zhì)量、相對苗長和相對葉綠素含量3 個指標與主成分相關(guān)且在主成分中相關(guān)系數(shù)較大，可以作為評價黍稷抗旱性的重要指標。

表6 各主成分的因子載荷矩陣Tab.6 Factor load matrix of each principal component

參照寶力格等[17]的方法計算成分得分系數(shù)，并進一步得到綜合得分計算公式：F=0.594 93F1+0.143 24F2。

根據(jù)公式計算得出所有黍稷資源苗期抗旱性綜合得分（F）進行排序（表7），并使用沃德聯(lián)接對35 份黍稷材料進行聚類分析（圖1）。

表7 黍稷種質(zhì)資源苗期抗旱性排序Tab.7 Ranking of drought resistance of broomcorn millet germplasm resources at seedling stages

圖1 35 份黍稷品種的苗期抗旱性聚類Fig.1 Cluster analysis of drought resistance of 35 broomcorn millet varieties at seedling stage

由圖1 可知，供試材料可以劃歸5 個類群。第1類群包括2 個品種（5.7%），F(xiàn) 值在3.495～3.647，基本不受PEG 脅迫影響，可以認定為苗期極強抗旱材 料。第2 類 群 包 括3 個 品 種（8.6%），F(xiàn) 值 在1.832～2.217，PEG 干旱脅迫下受到的影響很小，可以認定為苗期強抗旱材料。第3 類群一共包括8 個品種（22.9%），苗期綜合得分F 值在1.739～2.195，在PEG 干旱脅迫下受到的影響較小，可以認定為苗期中度抗旱材料。第4 類群共包括11 個品種（31.4%），苗期綜合得分F 值為1.408～1.696，在PEG 干旱脅迫下受到的影響比較嚴重，可以認定為苗期極不抗旱材料。第5 類群共包括11 個品種（31.4%），F(xiàn) 值在0.747～1.375，PEG 脅迫下幾乎失去抗旱能力，可以認定為苗期極不抗旱材料。根據(jù)上述方法及分析結(jié)果，得到苗期強抗旱材料5 種，分別是千溝黃糜子（00005708）、大白黍（00000440）、Jan-55（00000281）、西北天糜子（黍）（00004230）、熟谷（00001987）。

3 結(jié)論與討論

作物種類決定干旱脅迫帶來的影響[18]，干旱可能對某一作物的某一指標影響較明顯，但另一作物對對應(yīng)指標卻影響甚微[19]。近年來，關(guān)于黍稷基因元件解析、種質(zhì)資源遺傳多樣性評價[20]、營養(yǎng)價值評估[21]、生態(tài)栽培區(qū)劃[22]、生物和非生物脅迫等方面[23]已有許多研究。此前研究中不乏關(guān)于黍稷抗旱性鑒定，主要集中在萌芽和幼苗期，如劉天鵬等[24]采用反復(fù)干旱法對全國56 份黍稷品種進行芽期抗旱性鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對根干質(zhì)量、相對芽干質(zhì)量、相對發(fā)芽率、相對貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率可用來評估芽期抗旱性；張盼盼[25]以小宗糧豆研究中心40 份黍稷資源為材料，采用PEG-6000 模擬干旱脅迫，篩選出芽期抗旱性指標為相對根長、相對芽長、相對芽干質(zhì)量、相對發(fā)芽率和相對芽鞘長，用以鑒定抗旱程度；邵歡歡等[26]以230 份黍稷資源為材料，采用相關(guān)性分析，篩選出相對葉綠素含量、相對苗鮮質(zhì)量和相對苗長用以鑒定苗期抗旱性。本試驗選取黍稷芽期和苗期共9 個指標，覆蓋了能反映生長狀況的指標，采用相關(guān)性分析找到生育時期呈現(xiàn)顯著水平的抗旱指標，其中，相對苗鮮質(zhì)量、相對苗長和相對葉綠素含量在主成分中相關(guān)系數(shù)較大，可以作為評價黍稷抗旱性的重要指標，這與前人研究結(jié)果基本相符。

PEG 引發(fā)是近20 a 來興起的一項種子處理技術(shù)，其主要功能是減緩萌發(fā)初期水分進入種子的速率，減輕種子吸脹過程中膜系統(tǒng)的損傷，有利于受損膜系統(tǒng)的修復(fù)[27]。PEG 被廣泛應(yīng)用于種子引發(fā)和模擬干旱試驗，本試驗通過對PGE 干旱脅迫與正常供水情況下進行相關(guān)性分析,得出全生育時期的9 個指標間絕大多數(shù)呈顯著或極顯著水平，其中，相對苗鮮質(zhì)量與相對苗干質(zhì)量的相關(guān)性最高，芽期各指標與苗期各種指標間均相關(guān)性不顯著，相對葉綠素含量與苗期及芽期相關(guān)性均較低。本試驗將黍稷抗旱性這一主觀的、模糊的評價方法，在數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上作了定量表達，這在黍稷的抗旱性研究中具有重要的意義[28]。此前已有研究表明，通過PEG 模擬干旱脅迫法可測定和比較不同種子的耐旱能力[29]。但也有結(jié)果表明，PEG 脅迫會延緩種子的萌發(fā)[30]，這可能是由于種子類型不同所致，有待進一步的研究。通過計算得出所有黍稷資源苗期抗旱性綜合得分（F）并采用聚類分析對抗旱性進行綜合分析，得出苗期強抗旱以上的品種有5 種，分別是千溝黃糜子（00005708）、大白黍（00000440）、Jan-55（00000281）、西北天糜子（黍）（00004230）、熟谷（00001987），可用于后續(xù)抗旱基因發(fā)掘和抗旱品種選育。