干旱脅迫對青稞種子萌發(fā)期的影響及抗旱性評價

彭玉琳，曾凡茹，東 強，次旦卓嘎，2，莫銀超，昌 西

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原作物分子育種實驗室，西藏林芝 860000； 2.日喀則市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，西藏日喀則 857000)

青稞在植物學(xué)上屬于栽培大麥的變種[1]，大麥因其抗旱和抗鹽、抗堿能力比其他禾谷類作物突出，適應(yīng)性廣，再加上兼具食用、飼用、釀造以及醫(yī)藥等多種用途，成為世界性的重要作物之一[2]。其播種面積和產(chǎn)量僅次于小麥、玉米和水稻，居禾谷類作物的第4位。在我國大麥的種植面積和總產(chǎn)量居于水稻、小麥、玉米和粟之后占第5位[3]。隨著啤酒工業(yè)的發(fā)展和人們對大麥的營養(yǎng)保健價值日益重視，全球?qū)Υ篼湹男枨笠搽S之迅速增加，特別是對于用于不同用途的大麥品質(zhì)及其特性的要求，因此，全球大麥的育種研究又進(jìn)入了一個嶄新的階段。我國從“七五”計劃開始，就將“大麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗新品種選育技術(shù)研究”列為國家攻關(guān)課題，并取得了豐碩的成果。與其他作物相比大麥具有更加廣泛的生態(tài)適應(yīng)性，被認(rèn)為是最適宜進(jìn)行抗旱研究的試驗材料[4-5]。

隨著全球水資源匱乏的加劇，我國乃至世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期面臨著干旱的制約[6]。由于降水減少和氣溫升高，干旱已經(jīng)成為農(nóng)作物生產(chǎn)和最終全球糧食安全最重要的限制因素[7]。干旱被認(rèn)為是一種主要的威脅，限制種子萌發(fā)、植物生長和作物產(chǎn)量最嚴(yán)重的非生物脅迫之一[8-9]，水分脅迫是由降雨量不足導(dǎo)致土壤干燥引起的。高溫、大氣濕度低、缺水是造成干旱的主要原因[10]。植物的抗旱能力，被定義為在缺水時期的生存和生長能力，需要生物機(jī)制在干旱事件中保護(hù)、維持和支持植物，或者完全避免干旱。這些機(jī)制可能因植物種類或發(fā)育階段的不同而不同，一個階段的抗旱性不一定與另一個階段的抗旱性相關(guān)[11-12]。在糧食作物生產(chǎn)中，階段性的干旱脅迫會導(dǎo)致作物在形態(tài)建成和生殖生長期間發(fā)育不完全。發(fā)芽和幼苗發(fā)育階段是大麥[13]和其他大多數(shù)作物對這些條件最敏感的時期，發(fā)育早期的干旱脅迫會延遲種子萌發(fā)，降低萌發(fā)率[13-14]。本試驗以70份青稞為材料，利用PEG模擬干旱脅迫對種子萌發(fā)期耐旱指標(biāo)進(jìn)行綜合鑒定，以明確大麥材料間的抗旱性，并篩選出抗旱性較強的材料。選擇和利用準(zhǔn)確又簡單的抗旱性鑒定指標(biāo)是抗旱育種工作順利開展的前提。因此，篩選大麥抗旱指標(biāo)，對大麥抗旱品種選育、抗旱機(jī)制及干旱調(diào)控機(jī)制的研究均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年10—12月在西藏農(nóng)牧學(xué)院高原作物遺傳育種實驗室內(nèi)進(jìn)行。選用70份青稞作為供試材料，其中5份來源于青海、四川甘孜州1份、64份來自西藏自治區(qū)，試驗材料名稱及來源見表1。

表1 供試青稞材料名稱及來源

1.2 試驗方法

選取籽粒大小均勻且飽滿的青稞種子，用0.1%濃度的高錳酸鉀溶液消毒30 min，撈出后用純水反復(fù)沖洗4～5次，將種子置于墊有2層濾紙的發(fā)芽盒(12 cm×12 cm)中，每個盒內(nèi)放入20粒種子，加入15 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 19.2%(以預(yù)處理結(jié)果確定篩選此濃度) 的PEG-6000進(jìn)行干旱脅迫處理，以加入等量純水作為對照，每個處理3次重復(fù)。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(光照/黑暗=12 h/12 h，晝夜溫度25 ℃/20 ℃)。每3 d補充1次溶液，以胚根伸出達(dá)種子50%作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。

每日觀察種子生長情況，第7天隨機(jī)取10株測量芽長、根長、芽鮮質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量。按公式(1)～(12)計算發(fā)芽勢(germination，簡稱GE)、發(fā)芽率(germination rate，簡稱GR)、發(fā)芽指數(shù)(germination index，簡稱GI)、相對發(fā)芽率(relative germination rate，簡稱RGR)、相對發(fā)芽勢(relative germination，簡稱RGE)、相對發(fā)芽指數(shù)(relative germination index，簡稱RGI)、相對芽長(relative bud length，簡稱RBL)、相對主胚根長(relative root length，簡稱RRL)、相對芽鮮質(zhì)量(relative bud fresh weight，簡稱RBFW)、相對芽干質(zhì)量(relative bud dry weight，簡稱RBDW)、相對根鮮質(zhì)量(relative root fresh weight，簡稱RRFW)、相對根干質(zhì)量(relative root dry weight，簡稱RRDW)。

GE=第3天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

(1)

GR=第7天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

(2)

GI=∑Gt/Dt。

(3)

式中：Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；

RGR=處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率×100%；

(4)

RGE=處理組發(fā)芽勢/對照組發(fā)芽勢×100%；

(5)

GRI=處理組發(fā)芽指數(shù)/對照組發(fā)芽指數(shù)×100%；

(6)

RBL=處理組芽長/對照組芽長×100%；

(7)

RRL=處理組主胚根長/對照組主胚根長×100%；

(8)

RBFW=處理組芽鮮質(zhì)量/對照組芽鮮質(zhì)量×100%；

(9)

RBDW=處理組芽干質(zhì)量/對照組芽干質(zhì)量×100%；

(10)

RRFW=處理組根鮮質(zhì)量/對照組根鮮質(zhì)量×100%；

(11)

RRDW=處理組根干質(zhì)量/對照組根干質(zhì)量×100%。

(12)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 22進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用R 4.0.5作圖。抗旱性綜合評價采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法，因其可對品種的多個性狀指標(biāo)進(jìn)行綜合分析進(jìn)而對品種作出全面評價[15]。各項指標(biāo)隸屬函數(shù)值采用公式如下[16-19]：

式中：X(μ)為性狀指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；X為某一性狀指標(biāo)的測定值；Xmax和Xmin為該指標(biāo)的最大測定值和最小測定值。最終根據(jù)每份材料各項指標(biāo)的隸屬函數(shù)值累加，采用公式計算性狀指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值作為其綜合評價值：

式中：Xij為i種類j指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)；n為計算指標(biāo)總數(shù)。

最終根據(jù)平均值綜合評價其萌發(fā)期抗旱性強弱，平均值越大，抗旱性越強；反之，抗旱性越弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下萌發(fā)期性狀指標(biāo)的變異分析

在處理條件下，70份供試材料萌發(fā)期的各項指標(biāo)均受到抑制。由表2可知，相對于對照，干旱脅迫下發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽鮮質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、芽長、根長等的平均值分別下降了3.91%、2.45%、6.00、0.84 g、0.63 g、0.05 g、0.05 g、7.45 cm、9.94 cm；其中受干旱影響最大的指標(biāo)為根長，干旱脅迫下平均值較對照減少 9.94 cm，變異系數(shù)下降38.65%，可見干旱脅迫下青稞種子的正常生長發(fā)育受到一定程度的影響，其中根長可作為青稞萌發(fā)期判定抗旱能力的重要指標(biāo)性狀。

表2 干旱脅迫條件下青稞各指標(biāo)的變異分析

2.2 PEG脅迫對青稞萌發(fā)期發(fā)芽勢、發(fā)芽率及其發(fā)芽指數(shù)的影響

從圖1可看出，CK組發(fā)芽勢(GE)與發(fā)芽率(GR)數(shù)據(jù)很集中，中位數(shù)均在100%，而PEG干旱脅迫處理下，GE與GR中位數(shù)均低于100%，數(shù)據(jù)不集中且出現(xiàn)的異常值的數(shù)值較CK組的小；發(fā)芽指數(shù)(GI)在CK處理下結(jié)果明顯大于干旱處理的數(shù)值，發(fā)芽指數(shù)大部分均處于15以上，PEG處理下大部分在10左右，最小數(shù)值為3.43；最終發(fā)現(xiàn)PEG主要通過延長萌發(fā)時間從而使GE、GR、GI受到干旱脅迫時，數(shù)值都將會降低，其中GI尤為明顯。

2.3 PEG脅迫對青稞萌發(fā)期幼苗特性的影響

由圖2可見，干旱脅迫對青稞幼苗性狀存在抑制，芽鮮質(zhì)量(BFW)在CK處理下最大值達(dá)到 1.94 g，最小值為0.80 g，而PEG處理下最大值為0.69 g，最小值為0.11 g，CK處理下數(shù)值明顯大于PEG脅迫結(jié)果；芽干質(zhì)量(BDW)結(jié)果受到BFW的影響，最終得出數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出CK處理下數(shù)值明顯大于干旱處理下的數(shù)值，結(jié)果表明，干旱脅迫嚴(yán)重影響青稞萌發(fā)期幼苗的生物量；芽長(BL)在PEG處理下最大值接近CK處理下最小值，干旱脅迫抑制了幼苗的生長。

2.4 PEG脅迫對青稞萌發(fā)期根部特性的影響

從圖3可看出，根鮮質(zhì)量(RFW)在CK下數(shù)據(jù)集中在0.90 g左右，PEG干旱處理下數(shù)據(jù)集中在0.30 g左右，二者平均值相差0.63 g；根干質(zhì)量(RDW)在CK處理下數(shù)據(jù)集中在0.10 g左右，PEG干旱處理下數(shù)據(jù)集中在0.05 g左右，二者平均值相差0.05 g；根長(RL) 在CK處理下數(shù)據(jù)集中14 cm左右，PEG干旱處理下數(shù)據(jù)集中在4.00 cm左右，二者平均值相差9.94 cm，根長對照與干旱處理下二者數(shù)據(jù)相差較大，根部特征可作為評價干旱的指標(biāo)，而根長可作為干旱評價的重要指標(biāo)。

2.5 70份青稞材料萌發(fā)期抗旱性綜合性評價

多因素綜合作用影響種子萌發(fā)期的抗旱性，用單個指標(biāo)不足以反映不同材料的抗旱能力，單一指標(biāo)所得結(jié)果具有片面性且每個指標(biāo)表示出來的結(jié)果也不完全一致，因此，需要進(jìn)行多項指標(biāo)綜合評價，以提高植物抗旱性評價的準(zhǔn)確性和可靠性[20-21]。本次研究運用隸屬函數(shù)法對70份青稞材料的RGE、RGR、RGI、RBFW、RRFE、RBDW、RRDW、RRL、RBL9個指標(biāo)進(jìn)行了綜合性評價。由表3可知，70份青稞材料萌發(fā)期9個抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)綜合評價值的結(jié)果為QK-9>QK-14>QK-12>QK-19>QK-10>QK-11>QK-20>QK-6>QK-13>QK-18>QK-61>QK-17>QK-65>QK-8>QK-16>QK-66>QK-57>QK-15>QK-5>QK-3>QK-2>QK-50>QK-54>QK-59>QK-24>QK-56>QK-62>QK-33>QK-58>QK-70>QK-52>QK-68>QK-32>QK-63>QK-40>QK-51>QK-22>QK-60>QK-46>QK-49>QK-55>QK-48>QK-67>QK-44>QK-26>QK-35>QK-37>QK-69>QK-23>QK-29>QK-27>QK-36>QK-38>QK-53>QK-42>QK-64>QK-31>QK-41>QK-45>QK-28>QK-43>QK-39>QK-25>QK-34>QK-21>QK-30>QK-4>QK-47>QK-7>QK-1。

2.6 聚類分析

根據(jù)隸屬函數(shù)綜合評價值可以對不同青稞材料進(jìn)行抗旱排序比較，將隸屬函數(shù)綜合評價值作出圓形的聚類圖，還可對不同材料進(jìn)行分類說明；從圖4可看出，70份青稞材料的抗旱性可分為3類，第1類強抗旱材料包括QK-8、QK-16、QK-66、QK-57、QK-15、QK-19、QK-10、QK-12、QK-9、QK-14、QK-13、QK-6、QK-11、QK-20、QK-17、QK-65、QK-18、QK-61；第2類中度抗旱材料包括QK-5、QK-3、QK-2、QK-50、QK-54、QK-56、QK-59、QK-24、QK-52、QK-68、QK-32、QK-63、QK-62、QK-33、QK-58、QK-70、QK-40、QK-51、QK-46、QK-22、QK-60、QK-26、QK-35、QK-67、QK-44、QK-49、QK-55、QK-48；第3類敏感材料包括QK-53、QK-38、QK-36、QK-27、QK-69、QK-37、QK-29、QK-23、QK-41、QK-31、QK-45、QK-64、QK-42、QK-21、QK-34、QK-25、QK-43、QK-28、QK-39、QK-47、QK-4、QK-30、QK-7、QK-1。

3 討論與結(jié)論

作物抗旱研究，首要任務(wù)便是對作物的耐旱性做出鑒定及評價，由于鑒定的目的和要求不同，采用鑒定的方法也有所不同，鑒定方法以人工模擬鑒定法、田間直接鑒定法、實驗室鑒定法為主。田間直接鑒定法是將鑒定品種種植于灌水和干旱2種處理條件下，干旱處理即在作物整個生長發(fā)育過程中僅靠自然降水供給水分需求，灌水處理是在自然降水的基礎(chǔ)上再進(jìn)行灌溉 3～6 次，作為非脅迫處理。人工模擬鑒定法是將鑒定品種種植在一些可人為控制水分、光照和溫度等環(huán)境條件的抗旱池、生長箱或人工氣候室等可人工控制的輔助設(shè)施中。實驗室鑒定法是通過使用不同濃度的高滲溶液(如蔗糖、甘露醇、PEG-6000等)模擬干旱環(huán)境，使作物產(chǎn)生一系列脅迫反應(yīng)，用正常營養(yǎng)液處理的種子或幼苗作為對照，測定一些和抗旱相關(guān)的形態(tài)指標(biāo)來鑒定作物品種在生長發(fā)育前期過程中的抗旱特性。

表3 70份青稞材料9個抗旱指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評價

表3(續(xù))

萌發(fā)期主要采用實驗室鑒定法，在眾多研究中，使用聚乙二醇(PEG)在種子階段進(jìn)行誘導(dǎo)滲透脅迫，PEG溶液用于鑒定在逆境和非逆境條件下都表現(xiàn)良好的材料[22-26]，主要調(diào)查發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)等指標(biāo)來比較不同材料的萌發(fā)能力，脅迫條件下高的發(fā)芽率、發(fā)芽勢等對作物的生長至關(guān)重要。在植物生命周期的各個階段中，種子萌發(fā)、幼苗出苗和建立是植物生存和生長的關(guān)鍵過程[19]。但干旱脅迫下將會影響植物的發(fā)芽率和早期幼苗生長[27]。在水分缺乏條件下，發(fā)芽率、芽和根的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量顯著降低[28]。

本研究結(jié)果表明，PEG脅迫下青稞萌發(fā)期GE、GR、GI、RFW、BFW、RDW、BDW、RL、BL這9個指標(biāo)中RL變異程度較大，所有指標(biāo)均會受到抑制作用，PEG模擬干旱脅迫明顯抑制青稞種子萌發(fā)生長。對70份青稞材料的抗旱指標(biāo)進(jìn)行了隸屬函數(shù)分析以及聚類分析，結(jié)果顯示，可將70份青稞材料分為3類，強抗旱材料包括藏青311、ZDM4953、喜拉10號、北青5號、ZDM5103、ZDM4701、藏青2000、ZDM4714、ZDM5074、ZDM4940、ZDM5030、ZDM4739、ZDM4377、農(nóng)家品種2、藏青148、ZDM4812、昆侖13號、ZDM4585這18份材料；中度抗旱材料包括北青3號、ZDM4985、ZDM4890、ZDM5036、農(nóng)家品種13、ZDM4780、山青24、康青1號、農(nóng)家品種14、ZYM493、區(qū)試841、農(nóng)家品種15、ZDM4941、曲水柏林、農(nóng)家品種5、地方品種3、藏青690、冬青17號、ZYM1867、昆侖8號、ZDM4584、日喀則11、喜拉11號、農(nóng)家品種12、藏青85、農(nóng)家品種10、農(nóng)家品種6、地方品種2這28份材料；敏感材料包括農(nóng)家品種8、B1勾芒紫、農(nóng)家品種3、喜拉22、ZDM4817、農(nóng)家品種7、B5-1-冬絨勾芒、ZDM4699、B4冬對芒、北青4號、ZDM4733、農(nóng)家品種9、農(nóng)家品種11、農(nóng)家品種4、ZDM4447、ZDM4384、ZDM5140、藏青3179、隆子縣黑青稞4、B7、藏青80、舍么、哲魯瑪、農(nóng)家品種1這24份材料。不同種質(zhì)材料的抗旱性具有差異性，但完整的評價需要結(jié)合實驗室苗期、抽穗期、孕穗期、成熟期等以及田間的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，這樣才能使所得最終結(jié)果更加準(zhǔn)確，更好推廣應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。