不同谷子品种萌发期对干旱胁迫生理响应的变化及抗旱指标筛选

王振华,刘鑫,余爱丽,成锴,李会霞,田岗,王玉文,陈新霞,张鹏,刘红

(山西农业大学谷子研究所， 山西 长治 046011)

谷子是起源于我国的一种特色作物，为禾本科狗尾草属一年生作物，具有抗旱耐瘠、水肥利用率高、适应性广、抗逆性强等特点[1]，但不同谷子品种之间的抗旱性差异显著，因此有效的抗旱性鉴定和抗旱性筛选对提高田间栽培管理、抗旱基因挖掘及选育抗旱、优质、高产的谷子新品种具有重要意义[2]。由于作物在不同时期抵抗干旱的内在机制不同，故对作物抗旱性的鉴定又分为不同生育时期的抗旱性鉴定，包括萌发期抗旱性鉴定、苗期抗旱性鉴定、开花期抗旱性鉴定、灌浆期抗旱性鉴定和整个生育期抗旱性鉴定等[3]。作物萌发期直接关系到后期植株密度以及最终的产量形成[4]，因而萌发期抗旱性鉴定尤为重要[5]，且可以在实验室内进行，具有条件易控制、可操作性强、实验周期较短等优点，现已许多农作物上开展了萌发期抗旱性鉴定的研究[6-9]。萌芽期抗旱性鉴定通常采用聚乙二醇(PEG)模拟干旱胁迫[10]。PEG常用作干旱胁迫的渗透胁迫剂，一方面施用于植物不会产生毒害作用，其自身不容易自由地通过植物的细胞壁，所以不会引起种子内有机物质的增加，另一方面不同浓度的聚乙二醇试剂也可有效地控制或减缓种子对水分的吸收速率，达到预期的干旱效果[11]。抗旱性指标可以反映农作物抗旱性，因此选择与农作物抗旱相关性高的鉴定指标是抗旱鉴定过程中的关键环节[12]，但目前农作物的相关抗旱性鉴定具体指标仍存在异议[13]。很多研究表明，相对发芽势和相对发芽率是作物萌发期抗旱性鉴定的重要指标[14]。

植物在干旱逆境下，其体内的保护酶活性会增加，维持植物正常生长，因此可以通过测定谷子内的酶活性来表现其抗旱性[15]。目前，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxisome,POD)和过氧化氢酶(catalase,CAT)是研究较为广泛的3种与抗旱性有关的酶。研究发现，施用PEG后，SOD活性会随着干旱胁迫程度的增加而有显著上升的趋势，同时POD与CAT的变化均呈先上升后下降的趋势[1,16]。李长明等[17]研究表明，干旱胁迫条件下，水稻抗旱性与其叶片中的SOD活性有关，品种的抗旱性强，其SOD活性随着土壤水分的降低而升高。朱永波等[18]发现，在干旱胁迫下农作物的抗旱性与其POD活性密切相关，抗旱性强的农作物其POD活性也较高。目前，关于谷子形态、生理指标与抗旱性关系以及抗旱性的鉴定的研究报道已经有很多[19-21]，但有关对谷子萌发期抗旱性鉴定指标的选择及生理特征变化情况还存在异议。本研究采用PEG溶液对15个谷子品种模拟干旱胁迫，并在其萌发期进行抗旱性鉴定。通过对萌发抗旱指数、活力抗旱指数、相对发芽率、相对发芽势、相对芽长和相对根长6个相关指标的测定，对不同品种的抗旱性强弱进行了分析，同时调查了各品种在干旱胁迫条件下SOD、POD和CAT活性的变化情况，以期筛选出萌芽期抗旱性较好的品种，为谷子田间栽培及抗旱育种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所选用的15个谷子品种分别为长谷1501、晋谷21号、长生07、陇谷10号、济谷20号、黄金苗、沁黄2号、豫谷18号、晋谷40号、晋谷56号、长农35号、长生13、郑谷16号、冀谷18号、豫谷17号，均由山西省农业科学院谷子研究所杂优课题组提供。

1.2 培养条件的筛选

试验于2018年10月至12月在山西省农业科学院(现山西农业大学)谷子研究所人工气候室内进行，以聚乙二醇溶液(PEG-6000，平均分子量6000)为渗透介质模拟干旱水分胁迫。为了筛选出合适的PEG浓度模拟干旱胁迫条件，首先选取分别为16%、18%、20%和22%浓度进行预试验。

1.3 相关指标的测定

在PEG模拟干旱胁迫的条件下，测定谷子种子发芽特性的相关性指标，包括萌发抗旱指数、活力抗旱指数、相对发芽率、相对发芽势、相对芽长和相对根长等，并对这6个相关指标进行耐旱性评价，并调查了各品种的SOD、POD和CAT活性变化情况。

在无菌条件下，直径为11 cm的培养皿内铺3层定性滤纸，然后分别加入8 mL浓度为 20%的PEG-6000溶液。各品种选取400粒均匀饱满的种子，用0.1% HgCl2溶液对试验种子消毒5 min，再用纯净水冲洗干净并将其自然风干备用；每个培养皿中均匀放置 100粒种子，其中干旱胁迫处理重复3次，另一组以蒸馏水处理作为对照，置于恒温25 ℃，相对湿度60%～65%的人工气候室内暗培养。

每天定时调查各品种谷子的萌发种子个数，并且在培养的第6 d准确测量各品种谷子萌发种子的胚芽长、胚根长。第2、4、6、8 d的种子萌发率，分别记为nd2、nd4、nd6、nd8，具体各项调查指标的计算公式如下[22-23]。

萌发指数(PI)=1.00nd2+0.75nd4+0.50nd6+0.25nd8

萌发抗旱指数=干旱胁迫下种子萌发指数/对照种子萌发指数

活力指数(VI)=PI×Sx,其中Sx为第6天胚芽平均长度

活力抗旱指数=干旱胁迫下种子活力指数/对照种活力指数

相对发芽势=(处理种子发芽势/对照种子发芽势)×100%

相对发芽率=(处理种子发芽率/对照种子发芽率)×100%

相对胚芽长=(处理种子胚芽长/对照种子胚芽长)×100%

相对胚根长=(处理种子胚根长/对照种子胚根长)×100%

1.4 酶活性测定

各品种谷子在6 d后结束培养，从各处理萌发谷种的胚根中均取样0.1 g，冰浴研磨并提取酶原液，测定各品种的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)；具体方法为SOD采用氮蓝四唑光化还原抑制法测定；POD采用愈创木酚比色法测定；CAT用比色法测定[15]。

1.5 数据处理

数据的整理及图表绘制在MS Excel 2007软件中进行，部分数据应用SPSS24.0软件进行相关性分析及聚类分析，对各品种谷子萌发期的抗旱指标及相关酶的变化情况进行评价鉴定。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫条件对不同谷子发芽率的影响

各品种发芽率变化如图1所示，在20%PEG胁迫条件下，不同品种谷子的发芽率差异较大，抗性表现明显，确定筛选适宜谷子抗旱鉴定的PEG质量浓度为20%，在此浓度下对15个谷子品种进行模拟干旱胁迫。

图1 各品种发芽率Fig.1 Germination rate of different millet varieties

2.2 干旱胁迫条件对不同谷子品种萌发抗旱指数的影响

2.2.1各品种的萌发抗旱指数 评价种子萌芽期抗旱性的主要指标是萌发抗旱指数[6]，本研究也着重调查了该指标。由表1可见，各谷子品种的萌发抗旱指数处于0.144 7～0.521 7之间，其大小顺序为陇谷10号>长生07>晋谷21号>黄金苗>晋谷40号>长农35号>豫谷18号>长谷1501>沁黄2号>冀谷18号>豫谷17号>晋谷56号>郑谷16号>济谷20号>长生13。表明在种子萌发期抗旱性最强的是陇谷10号，而最不抗旱的是长生13。

表1 PEG干旱胁迫下各品种的相关指标Table 1 Related index of different millet varieties under drought stress

2.2.2萌发抗旱指数的聚类分析 为了更好的了解各品种鉴定关系，对15个谷子品种在PEG干旱胁迫下的萌发抗旱指数进行聚类分析(图2)，15个谷子品种分为3大类：Ⅰ类具有较高的萌发抗旱指数，包括陇谷10、长生07、晋谷21号；Ⅱ类为萌发抗旱指数一般的品种，包括长谷1501、沁黄2号、冀谷18号、豫谷17号、豫谷18号、晋谷56号、郑谷16号、晋谷40号、长农35号、黄金苗；Ⅲ类品种萌发抗旱指数较低，济谷20号、长生13。结合萌发抗旱指数的大小分析发现，萌发抗旱指数较高的3个品种抗旱性较好，反之亦然。

图2 各品种谷子萌发抗旱指数聚类分析情况Fig.2 Cluster analysis of sprout index of drought resistance of different millet varieties

2.3 干旱胁迫条件下对不同谷子品种活力抗旱指数的影响

本研究中各谷子品种的活力抗旱指数位于0.082 0～0.412 7之间，活力抗旱指数最高的是陇谷10号，而最低的是长生13(表1)。以活力抗旱指数为基础对各品种谷子进行聚类分析，其结果如图3所示。15个品种大体分为3大类，Ⅰ类为抗旱性强的品种，包括陇谷10号、长生07、晋谷21号；Ⅱ类为抗旱性一般的10个品种，包括黄金苗、晋谷40号、晋谷56号、长谷1501、冀谷18号、沁黄2号、豫谷18号、郑谷16号、豫谷17号、长农35号；Ⅲ类为抗旱性较弱的2个品种，包括济谷20号、长生13。与萌发抗旱指数聚类分析主要的不同是长农35号的分类地位略有不同，但大体分类基本一致。这再次表明，陇谷10号、长生07、晋谷21号抗旱性较好，而济谷20号、长生13抗旱性较差。这一结果与萌发抗旱指数的聚类分析的结果基本一致，说明活力抗旱指数与萌发抗旱指数应该有较高的相关性。

图3 各品种谷子活力抗旱指数聚类分析Fig.3 Cluster analysis of vigor index of drought resistance of different millet varieties

2.4 抗旱相关指标相关性分析和抗旱性鉴定指标的评价筛选

为了解萌发期各指标对抗旱性的参考价值，本研究对15个谷子品种在20%PEG浓度干旱胁迫条件下的6个抗旱性指标(萌发抗旱指数、活力抗旱指数、相对胚芽长、相对胚根长、相对发芽势、相对发芽率)进行了相关性分析，结果(表2)表明，萌发抗旱指数与活力抗旱指数、相对发芽势、相对发芽率之间均达到了极显著正相关，均能作为不同品种谷子种子萌芽期抗旱性鉴定和评价的指标。而与相对胚芽长和相对胚根长相关性不显著，因此只能将其作为参考指标选用。

表2 干旱胁迫下各谷子品种相关性状的相关系数情况Table 2 Correlation coefficient of all traits of different millet varieties under drought stress

本研究依据萌发抗旱指数与其他5个抗旱性指标的相关系数对其进行了聚类分析，更进一步深入分析了这6个抗旱性鉴定指标之间的关系。结果将5个指标分为3类(图4)，Ⅰ类是与萌发抗旱指数的相关系数高的指标，包括活力抗旱指数和相对发芽率，相关系数分别为0.976(P<0.01)和0.945(P<0.01)，因为萌发抗旱指数是评价种子萌发期抗旱性的主要指标，所以上述两个指标均可以作为萌芽期抗旱鉴定的首要指标；Ⅱ类是与萌发抗旱指数的相关系数较高的指标，包括相对发芽势，其相关系数为0.756(P<0.01)，可以将其作为萌芽期抗旱鉴定的次级指标；Ⅲ类是与萌发抗旱指数的相关系数低的指标，包括相对胚芽长和相对胚根长，它们的相关系数分别为0.34和0.176，只可以作为萌芽期抗旱鉴定的参考指标。

注:SIODR—萌发抗旱指数；VIODR—活力抗旱指数；RPL—相对胚芽长；RRL—相对胚根长；RGV—相对发芽势；RGR—相对发芽率。Note: SIODR— Sprout index of drought resistance; VIODR—Vigor index of drought resistance; RPL— Relative plumule length; RRL—Relative radicle length; RGV—Relative germination vigor; RGR—Relative germination rate.图4 谷子萌芽期抗旱相关指标与萌发抗旱指数间相关系数聚类分析Fig.4 Cluster analysis of sprout index of drought resistance and other drought resistance indexes

2.5 干旱胁迫对SOD、POD和CAT的活性的影响

2.5.1SOD活性的变化 在干旱胁迫下各品种谷子的SOD均有显著升高(图5)，升高程度因品种不同而异；其中SOD活性在抗旱性强的3个品种中值最大，分别是晋谷21号为142.95 U·g-1、长生07为159.68 U·g-1、陇谷10号为141.99 U·g-1；3品种与对照(CK)差值分别是85.97、106.66、75.49 U·g-1，其中长生07升高值在所有品种中最大。在干旱胁迫条件下抗旱性较弱的品种SOD活性值最小，分别是长生13号为98.80 U·g-1，济谷20为96.65 U·g-1，它们与对照(CK)差值分别是39.22、31.66 U·g-1，其中济谷20升高值在所有品种中最小。在SOD活性升高值中，抗旱性较强的3个品种平均增幅为155.19%；抗旱性中等的10个品种平均增幅为94.54%；抗旱性较弱的2个品种平均增幅为57.67%。

注：*表示与CK处理相比差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: * indicates significant difference at the P<0.05 level compared with CK.图5 干旱胁迫对各品种谷子萌发期的SOD活性影响情况Fig.5 Effect of PEG stress on SOD activity of different millet varieties during germination

干旱胁迫下各品种的SOD活性值与萌发抗旱指数的相关系数为0.857(P<0.01；SOD活性较对照(CK)的升高值与萌发抗旱指数的相关系数为0.706(P<0.01)；两者均显著正相关，表明萌发抗旱指数越大，在干旱条件下SOD活性就越大，其与对照组的差值也越大。

2.5.2POD活性的变化 在干旱胁迫条件下各品种POD活性中(图6)，沁黄2号值最大(182.89 U·g-1)，陇谷10号值最小(120.78 U·g-1)。在干旱胁迫下各品种谷子的POD活性均有升高，升高程度因品种不同而异，其中黄金苗升高值最大(53.56 U·g-1)，长生07升高值最小(1.33 U·g-1)。虽然各品种POD活性均有所升高，但其升高值因品种而变化较大，并且以各品种萌发抗旱指数为标准其升高变化不规律，与萌发抗旱指数的相关性不显著，仍需进一步研究。

2.5.3CAT活性的变化 在干旱胁迫条件下各品种CAT活性含量显著增加(图7)，豫谷17号含量最高(106.21 U·g-1)，长生07号含量最低(56.54 U·g-1)。在干旱胁迫下各品种谷子的CAT活性均有升高，升高程度因品种不同而异，其中晋谷56号升高值最大(38.84 U·g-1)，济谷20号升高值最小(7.54 U·g-1)。虽然各品种CAT活性均有所升高，但其升高值因品种而变化较大，并且以各品种萌发抗旱指数为标准其升高变化不规律，与萌发抗旱指数的相关性不显著，仍需进一步研究。

注：*表示与CK处理相比差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: * indicates significant difference at the P<0.05 level compared with CK.图6 干旱胁迫对各品种谷子萌发期的POD活性影响Fig.6 Effect of PEG stress on POD activity of different millet varieties during germination

注：*表示与CK处理相比差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: * indicates significant difference at the P<0.05 level compared with CK.图7 干旱胁迫对各品种谷子萌发期的CAT活性影响情况Fig.7 Effect of PEG stress on CAT activity of different millet varieties during germination

3 讨论

作物的抗旱性能在其生长发育的不同阶段有不同的表现，究其原因是受多基因、多重因素相互影响所造成的[24]。在谷子的抗旱性研究中应要结合多种指标对其进行综合的评价，因为在谷子的生育期内各个与抗旱性相关联的性状都可能会对整个植株的抗旱性有一定的作用，这样可避免只分析单个或几个性状指标所带来的局限性，能够准确并全面地反映出各品种的抗旱性能[1]。本研究利用6个抗旱性鉴定指标结合SOD、POD和CAT活性的变化情况来评价不同品种谷子的抗旱性，力求能筛选出综合评价其抗旱性的指标。

用PEG渗透势模拟种子萌发期干旱环境来鉴定萌发期抗旱性是一种常用的手段，其关键是要筛选出合适的PEG浓度。本研究结果预备试验表明，PEG浓度越大种子萌发率越低，最后筛选出适宜的PEG质量浓度为20%，这与先前的报道相一致[10,25-26]。在PEG质量浓度为20%的条件下，对15个谷子品种的研究调查结果显示，以萌发抗旱指数为标准指标情况下，陇谷10号、长生07、晋谷21号的抗旱性较强，可为谷子抗旱新品种选育提供基础材料。在调查的6个抗旱性指标中，萌发抗旱指数、活力抗旱指数、相对发芽率和相对发芽势均可作为谷子萌发期抗旱性鉴定的可靠指标，这与先前的研究结果相基本一致[10]。适度干旱有利于根系的生长[21]，但也有研究表明，随着干旱程度的加深会造成胚芽的生物量过小，所以种子萌发期较高的胚根胚芽比并不一定能表示其抗旱性强弱程度[27-28]，结合本研究结果表明，相对胚芽长和相对胚根长只可作为萌芽期抗旱鉴定参考指标。但也有研究表明，相对胚根长能可作为谷子芽期耐旱性的鉴定指标[1]，而其能否作为抗旱性鉴定的可靠指标还需进一步深入研究。

作物抗旱性生理的变化本质上是一种相互交叉的错综复杂的过程[1]。通过酶活性可以鉴定谷子的抗旱性，抗旱性较强的品种在干旱条件下SOD活性值也较高，与本研究结果一致。另外，干旱胁迫下各品种的SOD活性值与萌发抗旱指数为正相关；萌发抗旱指数越大，在干旱条件下SOD活性就越大，其与对照组的差值也越大。这说明在干旱条件下SOD酶含量有可能成为鉴定谷子抗旱性的重要酶之一。

有研究表明，POD和CAT这两种酶的活性在干旱胁迫条件下与农作物品种的抗旱性密切相关，耐旱性强的品种中POD和CAT通常能维持较高的酶活性[18]。也有结果表明，在干旱条件下POD和CAT活性的变化基本呈先上升后下降的趋势[1,16]。而许冰霞等[29]研究表明，干旱条件下谷子POD和CAT活性呈下降趋势。可见，不同的作物在干旱胁迫下其抗氧化保护性物质表现不一致。本研究结果表明，在干旱胁迫下各品种谷子的POD和CAT活性均有升高，升高程度因品种不同而异，并且以各品种萌发抗旱指数为标准其升高变化不规律，与萌发抗旱指数的相关性不显著。

种子萌发是农作物生长发育过程中的关键阶段，也是衡量农作物抗旱性强弱的重要生育时期[30]。萌发期耐旱性强的品种可有效减少干旱胁迫条件下对种子和幼苗的危害，较一般品种其苗期发芽率高、成苗好且生长较快，为后期生长奠定了较好的基础。因此，突显出对谷子育种材料进行抗旱性鉴定和改良重要性；在选育过程中着重选育抗旱性较强的谷子新品种对我国北方干旱及半干旱地区谷子产业化发展有重要意义。有研究表明，谷子全生育期抗旱性与萌发期抗旱性鉴定结果有所不同[3]，可以将作物萌芽期抗旱性与其全生育期抗旱性的分析结果相结合，从而作为抗旱性材料选取的依据，能够更加准确全面的分析谷子的抗旱性，同时也可以完善谷子抗旱性鉴定体系，为谷子种植生产提供科学指导。

综上所述表明，在15个谷子品种中，陇谷10号、长生07、晋谷21号在萌发期抗旱性较强；济谷20号、长生13抗旱性较弱。各品种谷子萌发期在干旱胁迫条件下SOD、POD和CAT活性均有所提高，其中SOD活性在抗旱性较好的品种中活性也较高，反之亦然；SOD活性升高值与萌发抗旱指数相关性显著。在相关的六个抗旱性指标中，以萌发抗旱指数作为谷子抗旱的标准指标，而活力抗旱指数和相对发芽率则可作为首要指标，相对发芽势可作为萌发期抗旱性鉴定的次级指标，相对胚芽长和相对胚根长可作为萌芽期抗旱性鉴定的参考指标。