模拟干旱条件下冬小麦品种萌发期抗旱性评价

孙 绿，李玉刚，王圣健，刘亚东，王志英，刘 丹，李娜娜，赵长星，盖红梅

1.青岛农业大学农学与植物保护学院，山东省旱作农业技术重点实验室， 山东 青岛 266109；2.青岛市农业科学研究院， 山东 青岛 266100；3.山东省农作物种质资源中心， 山东 济南 250100)

小麦是我国重要的粮食作物。据统计世界上70%的小麦播种面积分布于干旱和半干旱地区[[1]。我国小麦主要种植于北方，在小麦生育期间降水少，尤其在播种期间常常会遇到土壤干旱，甚至长时间没有降水的问题。种子萌发是小麦生长发育的起始阶段，与田间出苗和幼苗长势有密切的关系[2]。在降水稀少、土壤墒情不足的条件下，小麦种子萌发及出苗会受到严重抑制，导致田间缺苗断垄，影响基本苗数量和植株生长，易造成田间群体数量和质量下降，最终引起减产[3]。关于干旱胁迫对小麦影响的研究多集中于苗期和生育后期的生长发育、生理生化特性、产量、品质等方面，而对小麦种子萌发期抗旱性的研究相对较少[2]，且所评价的供试材料较少。发芽率[4]、初生根数[5-6]、胚芽鞘长度[6-7]、主胚根长[7-8]等指标均可作为小麦萌发期抗旱性评价指标，但仅凭单一指标不能全面评价品种抗旱性[9]，目前灰色关联法[10]、主成分分析法[11]和隶属函数法[12]等多用于作物多指标抗旱性评价中。王兰芬等[12]采用隶属函数法对113份绿豆种质进行了芽期抗旱性综合评价；李国瑞等[13]采用隶属函数法对西南地区小麦品种萌发期抗旱性进行了综合评价，都有较好的评价效果。

本研究采用-0.50 MPa的PEG-6000溶液模拟干旱，选用了119份我国冬小麦种质，着重对部分黄淮冬麦区和小部分北部冬麦区近期选育的小麦品种(系)进行萌发期抗旱性状测定，通过抗旱系数和隶属函数法相结合的方法，对供试材料的抗旱性进行综合评价，以期筛选出萌发期抗旱性强的品种(系)，为小麦抗旱研究和生产提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料119份，其中以黄淮冬麦区近期育成品种为主，包含部分北部冬麦区品种和少量老品种，详细品种名称信息在结果分析部分列出。

1.2 试验设计

每个供试品种(系)挑选600粒大小一致，长势饱满的种子，用0.1%的升汞消毒10 min，用蒸馏水反复清洗5遍置于滤纸上晾干。用经过75%酒精消毒后的镊子将种子腹股沟向下放在铺好两层滤纸的发芽盒(10 cm×10 cm×5 cm)中，每盒100粒并且将种子整齐摆好。每个品种(系)设置两个处理，3次重复。其中，对照中加入12 ml蒸馏水，干旱处理中加入12 ml -0.50 MPa 19.6% PEG-6000水溶液。将发芽盒盖子盖好放入人工气候培养箱中培养，培养条件为20℃恒温，每天12 h光照。

1.3 调查性状

将供试材料按1.2的方法培养至第8 d，调查供试材料的发芽数(以胚芽鞘长大于等于1/2种子长或胚根长大于等于种子长为发芽标准)，计算发芽率。每个处理随机挑选5株幼苗，测量主胚根长、胚芽鞘长、胚根数、干物质重等性状。

抗旱系数=PEG胁迫下指标的平均值/对照指标的平均值。

综合抗旱系数=品种所有测定指标抗旱系数的加权平均值。

1.4 数据统计分析

1.4.1 抗旱系数分布图绘制方法 采用R软件的ggplot2包绘制各抗旱系数的估计密度曲线，其密度估计值由density函数计算得到。

1.4.2 采用隶属函数法计算D值 采用加权隶属函数法对119份小麦的抗旱性进行综合评价。公式如下：

U(Xj)=[Xij-Xjmin]/[Xjmax-Xjmin]，j=1、2、3……

1.4.3 UPGMA聚类图绘制 利用DPS和SAS9.3进行数据处理和分析，利用DPS进行UPGMA聚类分析绘制聚类分析图。

2 结果与分析

2.1 小麦萌发期PEG胁迫对不同种质生长发育的影响

由表1可以看出，在19.6% PEG-6000处理下，5个性状均值分别比对照下降了77.3%、40.0%、30.7%、16.7%和78.0%，下降最大的性状指标是干物质重、发芽率，其次为胚芽鞘长，表明萌发期PEG-6000处理不同程度地抑制了小麦的生长，且对各指标影响不同。对处理和对照的变异系数进行了分析，发现5个性状处理的变异系数均大于对照，表明萌发期干旱胁迫与对照相比增大了品种间的差异。

表1 PEG-600模拟干旱胁迫对小麦萌发期生长的影响

图1结果表明，不同性状的抗旱系数分布存在很大差异。其中，干物质重抗旱系数与其它性状差异最大，其在所有供试材料的值均低于0.5，绝大多数供试材料的抗旱系数约为0.1，只有极少数材料的抗旱系数大于0.25，表明在小麦萌发期的PEG-6000模拟抗旱处理，大大减少了供试材料的生物量，少部分抗旱系数大于0.25的材料可能为此期比较抗旱的种质。发芽率的抗旱系数最大值为0.75，绝大部分材料的抗旱系数约为0.13，抗旱系数在0.25～0.50之间的材料也较多，也表明干旱胁迫处理对供试材料的发芽率有明显抑制。胚芽鞘长和胚根数的抗旱系数分布较为相似，大部分材料的抗旱系数接近0.75。主胚根长在不同材料间的分布范围比较广，多数材料的抗旱系数约为0.8，但有相当一部分材料的抗旱系数大于1，表明，PEG-6000胁迫处理促进了这部分材料胚根的伸长，如果在土壤中，则这些根能够吸收土壤更深层次水分。不同品种(系)不同性状的抗旱系数不尽相同，无法用单一指标来全面评价小麦的抗旱性。

图1供试材料在不同性状的抗旱系数分布

Fig.1 Drought resistant coefficient distribution of five traits of tested wheat lines

注：CL，胚芽鞘长；DW，干物质重；GR，发芽率；RL，主胚根长；RN，胚根数

Note：CL， coleoptile length； DW, dry matter weight； GR, germination rate； RL, main radicle length； RN, radicle number

2.2 小麦萌发期抗旱性综合评价

根据各指标的抗旱系数求出隶属函数值，再依据各指标的权重求出加权抗旱系数，利用加权隶属函数法求出萌发期抗旱能力综合评价值(D)。D值与胚芽鞘长、主根数、主胚根长、干物质重、发芽率的隶属函数值呈极显著正相关，相关系数为分别为0.864、0.626、0.733、0.789和0.816(表2)，说明D值可全面评价小麦萌发期抗旱性，且D值越大抗旱性越强。D值的变化范围为0.010～0.864(见表3)，胚芽鞘长与D值相关系数最高。D>0.6的材料有洛夫林13、汶农14、中国春、漯麦8号、轮选987、泰山22、山农17、泰农18、烟航选2号、中育6号、鲁麦14、泰农6258、泰农2987等13份材料，0.5

表2 D值与各指标隶属函数值相关分析

表3 119份小麦种质在萌发期19.6%PEG-6000胁迫下的抗旱性综合评价

表3续

品种Variety综合抗旱系数ComprehensivedroughtresistantcoefficientD值Dvalue品种Variety综合抗旱系数ComprehensivedroughtresistantcoefficientD值Dvalue品种Variety综合抗旱系数ComprehensivedroughtresistantcoefficientD值Dvalue山农22Shannong220.5970.525烟农999Yannong9990.4910.405淮麦29Huaimai290.3520.252鲁麦13Lumai130.5720.5225182-360.5020.401小罂粟Xiaoyingsu0.3240.235山农23Shannong230.5840.519藁麦2018Gaomai20180.4910.395普冰04-446Pubing04-4460.3250.232冀麦5265Jimai52650.5630.518鲁麦21Lumai210.4570.389鑫289Xin2890.3420.226旱5363Han53630.6130.516中优206Zhongyou2060.4610.388周麦18Zhoumai180.3580.224烟农26号Yannong260.5710.514烟农0428Yannong04280.4640.388淮麦26Huaimai260.3300.217济麦22Jimai220.5960.512新麦26Xinmai260.4850.386晋麦61Jinmai610.3290.209农大5182Nongda51820.5810.511农大5057Nongda50570.4850.383良星99Liangxing990.3230.206青农2号Qingnong20.5810.508中麦155Zhongmai1550.4490.379百农AK58BainongAK580.2920.205皖麦38Wanmai380.5430.507豫农416Yunong4160.4750.379淮麦33Huaimai330.2990.200淮麦18Huaimai180.5660.503周麦9号Zhoumai90.4180.377周麦26Zhoumai260.3000.190鑫296Xin2960.5790.503烟农5158Yannong51580.4440.376周麦16Zhoumai160.2320.126小偃6号Xiaoyan60.5840.501郑麦366Zhengmai3660.4860.375农大3753Nongda37530.1890.069农大3338Nongda33380.6300.498青丰1号Qingfeng10.4550.375农大211Nongda2110.1310.010晋麦72Jinmai720.5590.498豫麦34Yumai340.4670.373

2.3 聚类分析

基于小麦萌发期的发芽率(GR)、主根数(RN)、主胚根长(RL)、胚芽鞘长(CL)和干物质重(DW)的抗旱系数，对供试材料进行了欧氏距离(UPGMA)聚类分析(图2)。结果表明，在遗传距离为0.82处，供试材料可分为两类，一类为萌发期抗旱种质，另一类为萌发期干旱敏感种质。在遗传距离约为0.45处，可把第一类分为三个亚群，亚群I为萌发期强抗旱种质，包括中育6号、泰农6258、山农17、鲁麦14、泰农2987、漯麦8号、轮选987、泰山22、中国春、洛夫林13、汶农14、泰农18、烟航选2 号等13份种质；亚群II为萌发期抗旱种质，包括淮麦18、青农2号、烟农19、烟农21、济麦21、烟农836、鑫麦296、临麦6号、济麦22、淮麦20、济麦20、蚰包、白蚰包、鲁麦13、烟农2415、小偃6号、冀麦585、晋麦56、旱5363、农大5182、5133、5182-100等45份种质；亚群III为农大3338，单独成为一支，为萌发期抗旱性较强的品种。在遗传距离约为0.42处，可以将第二类分为四个亚群，亚群IV为萌发期中度抗旱种质，包括晋麦61、鑫289、良星99、淮麦29、淮麦26、淮麦31、淮麦33、农林89、农林10号、矮抗58、周麦22、周麦26、周麦27等13份种质；亚群V为萌发期干旱较为敏感种质，包括临汾125、周99233、农大5181、囤麦378、新麦26、洲元9369、Abbodanza等28份种质；亚群VI为萌发期干旱敏感种质，包括皖麦41、济麦23、郑引4号、烟农15、鲁麦18、3097等17份种质；亚群VII为萌发期干旱高度敏感种质，包括周麦16、农大3753、农大211。其中抗旱型和中度抗旱型的品种较多，分别占供试小麦品种数量的72.3%,高度抗旱和高度敏感的较少。UPGMA聚类结果与D值评价结果比较吻合。

图2 119份小麦材料抗旱系数UPGMA聚类分析

Fig.2 Cluster analysis of 119 wheat cultivars based on drought resistance coefficient with UPGMA

3 结论与讨论

在我国北方冬麦区和黄淮冬麦区，小麦生长期间常常出现少雨甚至长时间无雨的情况，尤其在小麦播种时期遭遇干旱，会导致小麦缺苗断垄，严重影响小麦的产量。不同品种小麦在不同生育期抗旱性并不相同，种子萌发期是植物生命历程的起点，是作物适应干旱胁迫最为关键时期，其萌发率高低、幼苗生长、萌发期生理进程皆关乎植物后期生育状况[14-15]，目前关于小麦品种抗旱性评价多集中于苗期至生育后期[16-18]，萌发期抗旱研究较少，且评价种质材料数量较少[2,9]。试验结果表明，在19.6%PEG-6000溶液模拟干旱胁迫下，模拟干旱处理不同程度地抑制了供试材料的生长，其中对发芽率和干物质重的抑制程度最高，而且PEG-6000胁迫液处理增加了不同品种间的差异。各性状的抗旱系数分布分析显示，主胚根长在材料间的差异很大，胁迫处理促进了部分材料的主胚根长伸长。评价结果显示：农大3338，泰农18，汶农14，轮选987，蚰包，泰农6258，烟航选2号，山农17，旱5363，漯麦8号，泰农2987，中育6号，小偃6号，洛夫林13，郑麦366，济麦22，农大5133等24个品种都在抗旱大类，且有些是综合评价为强抗旱的种质，这部分材料应重点利用。

小麦萌发期抗旱指标的筛选，对于较为准确地评价一份材料的抗旱性具有重要意义。Farshadfar等[19]认为发芽率可作为小麦萌发期抗旱性鉴定指标。王玮等[6]、钱雪娅等[10]认为，胚芽鞘长是小麦萌发期抗旱性评价较好的指标。周桂莲等[8]认为抗旱性强的品种根系发达，根长较长。仅凭单一指标不能全面评价品种抗旱性[9]。如何根据作物多个抗旱性指标对供试材料的抗旱性进行更加准确的评价，也是众多学者的研究课题。目前灰色关联度法[5,16,20]、主成分分析法[2,21]、隶属函数法[9,12]等方法常被用于作物多指标的抗旱性综合评价。其中隶属函数法在作物抗旱性评价方面具有较好的效果。王兰芬等[12]采用隶属函数法对113份绿豆种质进行了芽期抗旱性综合评价；李国瑞等[9]应用隶属函数法在西南地区41个小麦品种中挑选出了蜀万8号和锦麦等5个强抗旱性品种。本试验综合选用了发芽率、胚芽鞘长、主胚根长、胚根数、干物质重等5个指标，应用加权隶属函数法和D值对5个指标进行了综合评价。并通过UPGMA聚类，将供试材料分为高度抗旱、抗旱、中度抗旱、中间类型、中度敏感、敏感、高度敏感等7个类群。UPGMA聚类分析与D值的排序有较高的吻合度。但仅用D值排序，虽然能得到供试材料的抗旱综合评价值，却无法得到供试材料之间的遗传关系，不容易对抗旱级别进行划分；仅用UPGMA聚类分析，虽然能较好地体现了供试材料在抗旱性方面的遗传关系，对供试材料进行分类，却无法明确哪一类抗旱，哪一类敏感。只有将两者有机地结合使用，才能较为全面地对供试材料进行抗旱级别划分和抗旱性评价。因此，在开展作物抗旱性评价时，建议将隶属函数法和UPGMA方法结合使用。

本试验采用PEG-6000模拟干旱并采用加权隶属函数法对119份冬小麦品种萌发期抗旱性进行了综合评价，并通过聚类分析和加权隶属函数法相结合对其抗旱性进行了分类，最终筛选出了洛夫林13、汶农14、中国春、漯麦8号、轮选987、泰山22、山农17、泰农18、烟航选2号、中育6号、鲁麦14、泰农6258和泰农2987共13份萌发期具有较强抗旱性的材料，为小麦育种和生产提供参考。

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