中亚大麦品种萌发期抗旱性筛选与鉴定

任 毅，王 仙，张金汕，聂石辉，吴高明，耿洪伟，方伏荣

(1. 新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业大学农学院/新疆农业大学生物技术重点实验室，乌鲁木齐 830052；3.塔城裕民县农业技术推广站，新疆裕民 834800)

0 引 言

【研究意义】近年来，全球荒漠化加剧，自北非的撒哈拉到中国的西北和内蒙古，现已形成一条长达13 000 km的干旱荒漠带,占世界荒漠面积的67%[2]。半干旱区作为全球陆地重要组成部分，在全球气候变化背景下，直接影响旱作植物的产量及国计民生[3]。选育抗逆新品种是应对外界多变环境的最有效的途径之一[4]。随着可用耕地面积的减少，水资源紧缺的加剧，大麦(HordeumvulagareL.)兼有酿造、食用、医用和饲用等用途，在农业生产和国民经济中占有重要地位[1]。种子萌发期既是植物生长的起始阶段，也是种子对水分最敏感的时期[5]，还是衡量植物抗旱性强弱最重要的时期[6]。在水分胁迫下，种子能否正常出苗，对作物高产稳产至关重要。培育抗旱性强的大麦新品种具有一定的现实意义。【前人研究进展】高渗透溶液法模拟干旱胁迫在多种作物萌发期抗旱性研究中得到广泛应用。披碱草和野大麦是富有经济价值的确定多年生牧草，其对环境适应性强，能够改善土壤盐碱程度，具有较高的生态价值。对二者萌发期抗旱性进行研究，抗旱性表现为披碱草强于野大麦[7]。大麦是抗逆性较强作物之一[8-9]，在大麦、黑麦草、二月兰等8种绿肥作物萌发特性研究中，大麦被认定为中等抗旱作物[10]。采用5个不同浓度的聚乙二醇(PEG8000)水溶液对4份大麦材料种子萌发期形态生长发育指标响应进行研究，指出20%PEG8000是萌发期抗旱性鉴定的最适浓度[11]。对4份大麦品种在5个浓度水平下，研究种子萌发期丙二醛、可溶性糖等7个生理生化指标与抗旱性的关系，发现20%PEG8000是最适鉴定浓度[12]。利用上述溶液浓度，在101份大麦材料中进行萌发期抗旱鉴定，通过因子分析，发现发芽势、根冠比和物质转运速率可作为萌发期抗旱性鉴定的关键指标[13]。【本研究切入点】中亚毗邻中国新疆，沿线独特的地理条件，影响着农作物的发展与传播。受季风影响，表现出季风-西风干湿交替模式，气候趋向干旱[14]，适宜大麦生长，但目前关于中亚大麦种子萌发期抗旱性的研究相对较少。研究中亚大麦品种萌发期抗旱性筛选与鉴定。【拟解决的关键问题】研究通过20%PEG8 000水溶液模拟干旱胁迫，对经田间抗旱鉴定筛选出的12份中亚引进大麦品种进行萌发期抗旱性鉴定，观测各形态指标在旱胁迫下响应的不同，筛选找到关键指标，综合评价抗旱性强的种质，为大麦抗旱育种提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试12份大麦材料引自中亚地区，其中吉尔吉斯斯坦11份，哈萨克斯坦1份。用于发芽试验的种子于2018年度种植于中国新疆昌吉州奇台县新疆农业科学院奇台麦类试验站，田间管理按照当地的栽培措施进行。表1

表1 材料信息
Table 1 Information of materials tested in this study

编号Code名称Name来源Origin棱型Row number皮裸性Covered/naked冬春性Growth habit1吉引2013-7-DM-005吉尔吉斯斯坦 2CS2吉引2013-7-DM-045吉尔吉斯斯坦 2CS3吉引2013-7-DM-071吉尔吉斯斯坦 4CS4吉引2013-7-DM-072吉尔吉斯斯坦 2CS5吉33吉尔吉斯斯坦4CS6吉引2013-7-DM-046吉尔吉斯斯坦 2CS7吉引2013-7-DM-051吉尔吉斯斯坦 2CS8吉引2013-7-DM-086吉尔吉斯斯坦 4CS9吉引2013-7-DM-088吉尔吉斯斯坦 4CS10吉2吉尔吉斯斯坦 2CS11吉35吉尔吉斯斯坦 4CS12哈3哈萨克斯坦 2CF

注:C代表皮大麦；S和F分别代表春性和半冬性

Note:C stand for covered; S and F stand for spring, facultative barely, respectively

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用高渗透溶液法进行大麦种子萌发期抗旱性鉴定，利用20%PEG8000溶液作为胁迫处理溶液来模拟干旱胁迫。发芽试验参照鞠乐等[11]的试验方法。

1.2.2 指标测定

以胚芽长≥1/2种子长或胚根长≥种子长作为发芽标准。发芽势=第3 d发芽种子数/供试种子数×100%；发芽率=第7 d发芽种子数/供试种子数×100%；发芽指数(GI)=Σ(Gt/Dt)，其中，Gt为第t日的发芽种子个数，Dt为相应的发芽日数；发芽第7 d，随机挑选10株幼苗，测量根数、根长、苗高和胚芽鞘长度。各重复间无显著差异，各指标取其平均值。

1.3 数据处理

某一指标的相对值=胁迫处理的测定值/对照的测定值×100%；

综合抗旱系数=(n个指标的相对值之和)/n。

隶属函数值计算：

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

(1)

(2)

(3)

其中，Xj为第j个指标抗旱系数的测定值；Xjmax为第j个指标抗旱系数的最大值；Xjmin为第j个指标抗旱系数的最小值。若所测指标与植物的抗旱性呈正相关，则采用(1)式计算隶属函数值，反之则用(2)式。

2 结果与分析

2.1 大麦种子萌发对干旱胁迫的响应差异

研究表明PEG胁迫下，参试材料各指标均较对照呈下降趋势，大麦萌发受到不同程度的抑制。胁迫下苗高受抑制作用最严重，均值为3.16 cm，较对照下降62.56%。发芽势、发芽率、发芽指数、根数、根长和胚芽鞘长度均值分别是：19.53%、22.87%、18.11、5.10、3.59 cm和2.00 cm，分别较对照下降了39.22%、44.42%、41.72%、10.68%、57.26%和10.31%。胁迫下各指标的变异系数较对照均增加，根长表现突出，增加了323.93%。对照和胁迫各指标之间经配对t测验，除胚芽鞘长度外，其余指标均呈极显著，进一步证实PEG处理下大麦萌发将会受到明显抑制。表2

表2 PEG胁迫下大麦萌发期各指标变化
Table 2 Changers of the germination indices for 12 accessions of barly under PEG stress

处理Treatment参数ParameterGP(%)GR(%)GIRNRL(cm)SH(cm)CL(cm)对照最大值Max.60.0068.0055.436.709.739.672.93Control最小值Min.14.0022.0013.864.507.186.171.95均值Average32.1341.1331.095.718.408.442.23标准差SE13.7615.3313.430.620.761.100.28变异系数CV(%)42.8237.2743.2010.889.0713.0412.66PEG胁迫最大值Max.50.0056.0045.436.307.054.382.72PEG stress最小值Min.1.001.000.863.001.610.680.50均值Average19.5322.8718.115.103.593.162.00标准差SE15.5516.9414.050.921.381.120.57变异系数CV(%)79.5974.0977.5817.9938.4535.3428.40较对照变化Comparison with the control均值Average-12.60-18.27-12.97-0.61-4.81-5.28-0.23变异系数CV(%)36.7736.8234.397.1129.3822.3115.74t值 t value-8.22**-9.57**-10.04**-3.25**-11.93**-15.76**-1.39

GP:发芽势;GR:发芽率;GI:发芽指数；RN:根数;RL:根长;SH:苗高;CL:胚芽鞘长度;t值: 处理与对照配对t检验;**表示t检验达极显著水平

GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length;tvalue: pairedttest between treatment and control;**indicatettest amount to significant level

2.2 各指标相对值相关性

从大麦萌发期各指标相对值相关关系中发现，相对苗高除了和相对根长呈极显著相关外，与其他指标均无显著相关。相对发芽指数与相对发芽势呈极显著相关，且相关系数最高为0.984。各指标彼此之间呈显著或极显著相关性，提供的信息是重叠的，影响了萌发期抗旱鉴定的准确性，为弥补单一指标评价的缺陷，进一步运用多元统计方法进行了完善。表3

表3 PEG胁迫下各指标相关系数
Table 3 Correlation coefficients between indices under PEG stress

RGP:相对发芽势;RGR:相对发芽率;RGI:相对发芽指数;RRN:相对根数;RRL:相对根长;RSH:相对苗高;RCL:相对胚芽鞘长度;*和**分别表示在0.05和0.01水平上相关显著

RGP: relative germination potential; RGR: relative germination rate; RGI: relative germination index; RRN: relative radical number; RRL: relative radical length; RSH: relative shoot height; RCL: relative coleoptile length.*and**denote significant correlations at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively

2.3 不同大麦品种萌发期抗旱性综合评价

对供试材料各指标相对值进行隶属函数值的计算，并利用加权平均得到D值，根据D值大小反应不同大麦品种萌发期抗旱性的强弱。参试材料综合抗旱系数介于0.27～0.89，根据综合抗旱系数排序，数值越大则表明抗旱性越强，抗旱性强的品种为吉33，抗旱性表现敏感的品种为吉引2013-7-DM-088。供试材料各指标平均隶属函数值介于0.30～0.63，根数平均隶属函数值最大，而苗高平均隶属函数值最小。发芽率、发芽指数和胚芽鞘长度权重最高为0.17，而根数最低为0.1。按D值大小排序，变幅0.19～0.85，结果表明，吉33抗旱性表现最好，吉引2013-7-DM-088抗旱性表现最差，与综合抗旱系数排序一致。表4

表4 不同大麦品种抗旱性综合评价
Table 4 Comprehensive drought resistance evaluations on different barley varieties under PEG stress

品种编号Variety code综合抗旱系数Comprehensive drought resistance coefficient隶属函数值Subordinative function valueGPGRGIRNRLSHCLD值D value位次Rank10.440.300.190.260.800.120.140.350.29920.660.610.620.670.770.390.270.580.56530.600.380.460.470.560.200.380.890.49640.300.000.000.000.500.500.500.500.231150.891.001.000.970.770.650.420.910.85160.650.890.700.830.760.230.180.530.61270.390.110.120.110.720.320.310.510.281080.440.220.280.290.460.260.170.400.31890.270.010.210.100.440.370.180.100.1912100.580.530.420.480.490.370.270.620.467110.670.640.530.610.450.550.320.730.593120.670.480.530.520.880.410.420.820.584平均Average-0.430.420.440.630.360.300.58-权重Weight0.160.170.170.100.140.120.17-

GP:发芽势;GR:发芽率;GI:发芽指数；RN:根数;RL:根长;SH:苗高;CL:胚芽鞘长度

GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length

2.4 主成分分析

研究表明，第1、第2主成分的特征值分别为4.835和1.181，贡献率分别为69.067%和16.877%，累计贡献率达到85.944%。依据因子提取原则，将7个单一指标降维得到2个相互独立因子。基本代表了所测指标的全部信息，可反应影响大麦萌发期抗旱性主导因素。载荷量的高低，反映主因子与各指标的相关程度。第1主成分与发芽势、发芽率和发芽指数相关性最大，均大于0.9；第2主成分与苗高相关性最高达到0.683。2个因子可解释85.944%的数据变化趋势，且丢失信息较少，发芽势、发芽率、发芽指数和苗高与2因子相关系数较高，发芽势、发芽率、发芽指数和苗高可作为大麦萌发期抗旱性鉴定的重要指标。表5，表6

表5 所有因子特征值以及贡献率
Table 5 Eigen values of all factors and their contributions

No.特征值Eigen value贡献率Contribution(%)累计贡献率Cumulative contribution(%)14.83569.06769.06721.18116.87785.94430.5377.67193.61440.3414.87698.4950.0570.80999.29960.0450.63999.93870.0040.062100

表6 2个主因子载荷矩阵
Table 6 Loading matrix of two factors

主因子 FactorGPGRGIRNRLSHCL因子1 Factor 10.9130.9380.9430.6730.7490.6960.856因子2 Factor 2-0.287-0.234-0.262-0.4330.5440.6830.160

GP:发芽势;GR:发芽率;GI:发芽指数；RN:根数;RL:根长;SH:苗高;CL:胚芽鞘长度

GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length

2.5 回归模型建立及鉴定指标筛选

用各指标相对值作为自变量，将综合评价D值作为因变量进行多元逐步回归线性分析，得到最优回归方程：D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP，方程决定系数R2=0.992，P=0.01。7个单项指标中有3个对大麦萌发期抗旱性有显著影响，分别是发芽率、苗高和发芽势。发芽率、苗高和发芽势可作为评价大麦萌发期抗旱性的关键指标。在相同试验条件下，调查上述指标并计算相对值，利用回归方程可以有效评估大麦品种萌发期抗旱性。

3 讨 论

种子萌发期是作物生长发育的起始阶段，也是最易受到逆境胁迫的关键时期，能否出全苗长壮苗决定了全田基本苗数，最终影响着产量的构成。研究利用PEG-8000水溶液对大麦进行室内萌发期鉴定，观测各形态指标的变化，从而初步评价其抗旱性。该法具有实验周期短、不易受外界环境影响，操作简便等优点，为室内模拟大麦萌发期抗旱性鉴定方法提供了借鉴。

作物抗旱性是一个复杂的数量性状，受到多种因素的协同作用。作物各单项指标对抗旱性的贡献度是不同的，鉴于作物抗旱性的复杂度，目前为止没有哪个单项指标能充分代表。不能片面的利用个别指标对其做出评判，需结合统计方法对其抗旱性综合评价。关于作物抗旱性评价方法，有采用隶属函数[15]、主成分分析[16]、灰色关联分析[17]和聚类分析[18]等方法进行综合评价，能有效弥补单一指标评价的不足。研究利用主成分分析法，发现发芽势、发芽率、发芽指数和苗高可作为大麦萌发期抗旱性鉴定的重要指标。前3个指标均和大麦萌发能力有关，体现了发芽速度和整齐度，这与鞠乐等[13]的研究结果相类似。近年来，许多学者对萌发期抗旱性指标的确定也提出了不同的见解。李国瑞等[4]认为发芽率和发芽指数是萌发期抗旱性鉴定的参考指标。张树林等[19]认为萌发期抗旱性鉴定的关键指标分别是芽长、发芽势、根鲜重。鞠乐等[11]将胚根长、胚芽长、胚芽干重、物质转运速率作为大麦萌发期抗旱性快速鉴定重要指标。研究筛选出的指标与前人有相似之处。同时还发现，与对照相比，PEG胁迫下胚芽鞘长度无显著变化，这与张芳等[20]的研究结果不一致，可能是材料自身遗传特性造成的，研究所选材料均是从中亚引进的皮大麦品种。利用线性回归得到最优方程D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP，为今后大麦萌发期抗旱性鉴定提供了参考，因此,仅需要调查发芽率、苗高和发芽势即可评估相应材料抗旱性，从而简化了室内表型鉴定的工作。

目前作物抗旱性评价方法没有统一规范，每种方法也各有利弊。研究利用隶属函数法对12份中亚引进大麦品种萌发期抗旱性进行综合评价，发现吉33综合得分最高，表明抗旱性最强，而吉引2013-7-DM-088抗旱性最差，这与利用综合抗旱系数进行评价的结果一致。经过两种方法的相互验证，上述材料排位无变化，表明评判更加客观准确，综合评价抗旱性更具有效性。约10 500 aBP起源于西亚地区的大麦在4 500～4 000 aBP传入中亚东部和中国西北地区，可能是亚欧大陆东西方文化元素最早汇聚的地区[21]。新疆和中亚深处内陆，受中纬度西风的影响更大，这个区域远离海洋，除了部分高大山地以外，年降水量都在 200 mm以下[14]。新疆大麦生产拥有得天独厚的历史背景和相似的环境条件，因此,从农作物传播及地理环境特点出发，引进并利用中亚大麦抗逆品种，不仅能丰富我区大麦种质资源，还可利用吉33构建群体用于抗旱基因定位研究。为拓宽大麦骨干亲本库，挖掘抗旱关键基因具有重要意义。各生育时期抗旱性表现、生理生化指标则是下一阶段关注的重点。

4 结 论

研究12份不同基因型中亚引进大麦萌发期的抗旱性，利用隶属函数法综合评价鉴定吉33抗旱性最强，吉引2013-7-DM-088抗旱性最弱。通过主成分分析和多元逐步回归线性分析得到最优回归方程D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP，并筛选出发芽率、苗高和发芽势3个鉴定指标，可作为大麦萌发期抗旱性的关键指标。