40份山西黍稷資源抗旱性鑒定

王楊，譚夢玉，王海崗，陳凌，王瑞云，喬治軍

（1.山西農業(yè)大學農學院，山西 太谷 030801；2.山西農業(yè)大學 農業(yè)基因資源研究中心/農業(yè)農村部黃土高原作物基因資源與種質創(chuàng)制重點實驗室/雜糧種質資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點實驗室，山西 太原 030031）

干旱從古至今一直都是人類面臨的主要災害。近年來，全球水資源越來越匱乏，干旱缺水成為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素[1]，干旱對農作物產量和質量的影響也越來越受到關注，成為影響糧食安全的挑戰(zhàn)性課題。山西地處黃土高原東部，屬中緯度大陸性季風氣候區(qū)[2]，僅在2020年春末，山西的降雨量明顯減少，西北大部分地區(qū)遭遇了嚴重干旱，5月中下旬降水偏少，北中部和南部部分地區(qū)土壤明顯缺水[3]。黍稷（Panicum miliaceumL.）是禾本科黍屬1年生草本植物[4]，是一種早熟、耐旱的糧食和飼料作物，分布范圍較廣，亞洲、歐洲、美洲和非洲等溫暖地區(qū)都有栽培，在我國的西北、華北、西南、東北、華南以及華東等地山區(qū)都有栽培，新疆、內蒙古、黑龍江等地偶有野生狀的[5-8]。黍稷耐旱、耐寒、耐鹽堿，能適應多種類型的土壤環(huán)境，對肥力較差的砂土有較強的適應能力，常作為開荒、改造鹽堿地和沙漠的主要先鋒作物[9-12]。

干旱是主要的非生物脅迫之一,嚴重影響植物的生長發(fā)育、產量、品質及種植范圍,進而影響農業(yè)生產[13]。干旱脅迫對糧食作物影響日益嚴重，已有大量研究側重于對作物耐旱性的評價及鑒定指標體系的建立。通過對玉米品種萌發(fā)期抗旱性鑒定與評價指標研究[14]，發(fā)現可作為抗旱能力的主要鑒定指標的有4項，分別是發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數與耐旱萌發(fā)指數，間接抗旱鑒定指標3項；王贊等[15]以20份野生鴨茅種質為材料，采用聚乙二醇（PEG）人工模擬干旱脅迫對萌發(fā)期進行抗旱性研究，結果表明，PEG脅迫下，材料的發(fā)芽勢和發(fā)芽率明顯降低，胚芽和胚根生長受阻，種質間差異明顯；郝曦煜等[16]以小豆為材料，采用PEG脅迫，研究其對苗期抗旱指標的影響，結果表明，超氧化物歧化酶（SOD）活性、脫落酸（ABA）含量、可溶性糖含量、相對電導率、超氧陰離子（O2-·）產生速率等5項指標可作為苗期抗旱性評估的衡量指標。

前人也已對黍稷的抗旱性進行了許多研究。ZHANG等[17]研究了在干旱或者水分虧缺條件下，開花至成熟期3個糜子品種葉綠素含量，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）活性及丙二醛（MDA）、超氧陰離子（O2-·）含量，結果表明，在干旱條件下，葉綠素含量、SOD、CAT活性與種子產量之間呈現正相關，POD、MDA和O2-·含量與種子產量之間呈現負相關；馮曉敏等[18]以3個黍稷品種隴糜4號、晉黍7號和5283黃為材料，采用盆栽水控技術，觀察不同水分處理下黍稷苗期的主要特征和光合參數的變化，結果發(fā)現，水分脅迫下各品種的株高、葉面積、根質量、葉綠素含量、根系活力、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及胞間二氧化碳濃度等9項指標均呈下降趨勢，且在水分脅迫條件下糜子葉片對強光的敏感性增加，干旱和光抑制對光系統(tǒng)Ⅱ造成的疊加傷害隨干旱加重和品種抗旱性減弱而加?。粡埮闻蔚萚19]在PEG6000模擬干旱脅迫條件下，采用相關性分析法研究了不同糜子品種芽期的芽長、芽鞘長、胚根長、根干質量、芽干質量等5項指標的變化，對糜子芽期抗旱性指標進行了篩選，結果發(fā)現，糜子芽期抗旱性鑒定可利用相對發(fā)芽率、相對根長、相對根干質量、相對芽鞘長、相對芽長和相對芽干質量6項指標。

黍稷雖然具有強抗旱性，但不同品種間仍存在差異。PEG誘導干旱條件的效果與土壤逐漸干旱的實際情景相似，同時具有易操作、重復性好的優(yōu)點[20]，因此，比較不同抗旱性評價方法在糜子抗旱性研究中的適用性;篩選出抗旱性較強的品種并進行抗旱種質創(chuàng)新，為系統(tǒng)、科學、規(guī)范地建立糜子抗旱性鑒定標準和研究體系提供科學依據。

本研究采用PEG脅迫人工模擬干旱條件，采用主成分分析、聚類分析[21]和隸屬函數等方法對黍稷進行抗旱性鑒定和評價，旨在為抗旱資源的篩選與利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料為來自山西不同地區(qū)的40份黍稷核心種質（表1），由中國農業(yè)科學院作物科學研究所資源中心谷子高粱糜子課題組提供。

表1 40份黍稷微核心種質材料Tab.1 40 broomcorn millet microcore germplasm materials

1.2 試驗方法

試驗于2018—2019年在山西農業(yè)大學作物遺傳育種重點實驗室進行。芽期抗旱性鑒定采用PEG脅迫人工模擬干旱條件的方法，苗期抗旱性鑒定采用25% PEG6000的脅迫濃度，試驗過程同文獻[22]。

1.3 測定項目及方法

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、發(fā)芽率，計算種子的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率；苗期試驗結束后，從每個育苗盤中挑選生長一致幼苗，測量苗長、根長，測定其苗鮮質量、根鮮質量、苗干質量、根干質量，用SPAD儀（TYSB）測定葉綠素含量。

1.4 數據分析

試驗采用SPSS 25.0進行數據分析及作圖。

采用主成分分析法，計算綜合得分F值。

式中，Wi表示權重，fi表示第i個因子的因子得分。

參照文獻[24]的方法計算成分得分系數，并進一步得到綜合得分。

根據隸屬函數法[23]，計算各指標的隸屬函數值，當所用指標與抗旱性呈正相關時，x（u）=；當所用指標與抗旱性呈負相關時，x（u）=。

其中，Xij表示第i個品種第j個指標的相對值，Xmax為品種測定最大值，Xmin為品種測定最小值。

2 結果與分析

2.1 芽苗期不同黍稷品種對干旱脅迫的響應

本試驗測定了從山西省不同地區(qū)采集的40個糜子材料芽苗期的9項指標，使用PEG脅迫下和對照組的每個指標的樣本平均值進行成對樣本t檢驗（表2）。由于在第3天測定時，對照組的黍稷種子發(fā)芽，但PEG脅迫下40份種子均未發(fā)芽，說明發(fā)芽勢受到了嚴重抑制，此時發(fā)芽勢的統(tǒng)計并無意義，因此，在成對樣本t檢驗時未對發(fā)芽勢進行分析。PEG脅迫下的測量值除根長較對照組增大了0.071%外，其他7個指標的測量值較對照組均有所下降，發(fā)芽率下降幅度高達95.262%。說明各指標均受到PEG脅迫的抑制，其中發(fā)芽率所受抑制最為明顯。由表2可知，試驗組與對照組間的t值范圍為[-88.718，0.169]，其中，發(fā)芽率t值為-88.718，|t|與樣本差異成正比，則PEG脅迫對種子發(fā)芽明顯抑制。試驗組較對照組的P值范圍為[0.000，0.866]，且大多小于0.01，表示測試組和對照組之間有顯著差異。試驗組較對照組變異系數差值介于[-0.021，0.038]，最大值與最小值間差異大，即供試材料的9項指標對水分脅迫敏感。

表2 40個黍稷品種各抗旱指標的參數Tab.2 Parameters of drought resistance index for 40 broomcorn millet varieties

每一項指標相對值均值及其變異系數經計算，其 范 圍 分 別 為[0.027 7，1.006 8]與[0.740 6，75.521 3]，其中相對發(fā)芽率變異系數最大（75.521 3），發(fā)芽率對干旱脅迫最敏感。根據各個指標相對值的變異系數的大小，8項指標對水分脅迫的敏感性從高到低依次為：發(fā)芽率＞葉綠素含量＞根長＞苗長＞苗鮮質量＞苗干質量＞根干質量＞根鮮質量。

2.2 PEG脅迫下黍稷各指標的相關性分析

采用Pearson相關性分析對試驗組除相對發(fā)芽勢外的8個指標進行分析，由表3可知，相對發(fā)芽率與相對根干質量顯著相關，但與其他6項指標間無明顯相關；相對葉綠素含量除與相對苗鮮質量顯著相關外，與其他指標相關性都較低；其余6項指標相互間呈極顯著相關，相關性最高的是相對苗長與相對苗鮮質量，相關系數為0.893。指標間相關性多數呈顯著或極顯著，說明PEG脅迫對其作用明顯。

表3 試驗組各指標間的相關系數Tab.3 Correlation coefficients of indexes in the test group

2.3 40份黍稷品種苗期抗旱性分析

由表4可知，前2個主成分貢獻率分別為64.156%和17.826%，累計貢獻率為81.982%，大于70%，反映了PEG脅迫對黍稷種質苗期抗旱性強弱的影響，可用于進行苗期抗旱等級評價。第Ⅰ主成分中，相對苗長的相關系數最大，為0.937，其次是相對苗鮮質量，相關系數為0.910；第Ⅱ主成分中，相對葉綠素含量的相關系數最大，為0.938。因此，這3項指標可作為評價苗期抗旱性的重要指標。

表4 主成分Ⅰ和Ⅱ各指標Tab.4 Each index of principal componentⅠandⅡ

2.4 芽期抗旱性綜合分析

表5 各指標相關性分析Tab.5 Index correlation analysis

圖1 40份山西黍稷資源芽期抗旱性聚類分析Fig.1 Clustering analysis for drought resistance

2.5 苗期抗旱性綜合分析

2.6 芽期、苗期抗旱綜合分析

從圖1可以看出，芽期的極強抗旱類型和強抗旱類型各有1份資源，分別來自山西中北部和晉南地區(qū)；苗期篩選出極強抗旱類型資源共8份，強抗旱類型5份，篩選出的品種大多來自晉南包括運城、臨汾地區(qū)，部分來自晉北包括大同、朔州、忻州等地區(qū)。依據芽、苗期抗旱綜合分析，晉南地區(qū)品種抗旱性較強，其中紫稈黍（00003289）在芽、苗期均為極強抗旱類型。

3 結論與討論

黍稷是禾谷類作物中最耐旱的作物之一，受干旱脅迫時其生理結構表現出較強的適應性，其根、莖和葉的形態(tài)結構近似旱生植物，如葉面氣孔小，根莖輸導組織發(fā)達，小麥等禾谷類作物只有2行導管，黍稷有3行[26]。種子根生長迅速，地上部分只有3～4片葉時入土深度達40～50 cm，苗期高度耐旱。以往抗旱性研究多集中于小麥[27-28]、玉米[29-30]、綠豆[31-32]、水稻[33-35]等作物，對小雜糧黍稷的研究相對欠缺，嚴重束縛了其在農業(yè)生產中的高效利用。張盼盼等[20]以10份黍稷為材料，采用PEG脅迫模擬干旱，研究黍稷苗期的抗旱性，結果表明，抗旱性鑒定的有效指標為葉片內抗氧化酶系統(tǒng)，包括SOD、POD活性以及葉綠素含量；何繼紅等[36]以不同地區(qū)56份黍稷品種為材料，采用田間干旱脅迫法測定黍稷成株期的抗旱性，結果發(fā)現，隴糜2號與隴糜10號具有極強抗旱性；董孔軍等[37]以國內不同地區(qū)56份黍稷培育品種為材料，對黍稷育成品種苗期抗旱性分析，結果表明，植株含水量、生物學產量、單株葉面積等3項指標可作為黍稷苗期抗旱性鑒定指標；劉錦川等[38]以12個黍稷種質為材料，采用培養(yǎng)皿發(fā)芽及盆栽法PEG模擬干旱脅迫測定發(fā)芽期及苗期2個時期的抗旱性，結果表明，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、幼苗成活率、葉片細胞膜透性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、游離脯氨酸（Pro）含量及丙二醛（MDA）含量等7項指標可作為抗旱性衡量指標。上述研究集中在苗期和成株期，本研究也涉及到苗期，與以往研究類似，通過PEG脅迫模擬干旱條件，測定不同黍稷品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長、苗長、根鮮質量、苗鮮質量、根干質量、苗干質量及葉綠素含量等9個指標。而本研究的40份黍稷均來源于山西，多于以往研究。張盼盼等[20]研究的10份供試材料中僅有1份來源于山西，何繼紅等[36]與董孔軍等[37]研究的56份供試材料中，有12份來源于山西，而劉錦川等[38]研究的供試品種均來源于內蒙古。

植物的抗旱性是一個由多種因子協同作用的復雜性狀，應該從多個指標中篩選出極顯著相關的幾個主要抗旱指標，進行綜合性評價[39]。本研究運用主成分分析法、成對樣本t檢驗、隸屬函數法[17]等發(fā)現相對發(fā)芽率可作為評價黍稷芽期抗旱性強弱的重要指標；苗期抗旱性關鍵指標為相對苗長、相對苗鮮質量及相對葉綠素含量。這與前人的研究[5，17-19,22,36-38]成果一致。通過芽苗期抗旱分析，芽期篩選出極強抗旱類型1份，強抗旱類型1份；苗期篩選出極強抗旱類型共8個品種，強抗旱類型5個品種。綜合分析發(fā)現，來自繁峙的紫稈黍（00003289）在芽苗期均極強抗旱，總體來看，供試的40份材料中來自晉南地區(qū)的品種抗旱性較強，可以為黍稷育種中親本的選配提供優(yōu)異的供體來源。