30份大麦种质资源的苗期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

徐银萍 潘永东 张廷红 刘梅金 任诚 姚元虎 贾延春 陈文庆 赵锋 包奇军 火克仓 牛小霞

摘要：在西北內陆地区，干旱是影响大麦生长发育的重要非生物胁迫因素，鉴定大麦资源的抗旱性，确定抗旱指标，筛选抗旱种质，培育抗旱品种具有重要意义。以30份大麦种质为材料，设置正常供水和反复干旱胁迫2个处理，在旱棚内进行盆栽试验，测定干旱对株高、根长、叶长、地上部鲜重、根鲜重、地上部干重、根干重和总干重的影响;采用抗旱性度量值（D值）、综合抗旱系数（CDC值）、加权抗旱系数（WDC）、频次分析、相关分析、主成分分析、灰色关联度分析、隶属函数分析、聚类分析和逐步回归分析相结合的方法，对其进行苗期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选。结果显示干旱胁迫对各指标均有极显著影响。频次分析表明，各指标对干旱胁迫反应的敏感程度依次为根长、根干重、总干重、地上部鲜重、地上干重、叶长、根鲜重和株高;相关分析表明，总干重与根干重、地上部干重、叶长和根长呈极显著正相关，与地上部鲜重呈显著正相关，与株高和根鲜重呈不显著正相关;主成分分析表明，4个主成分可代表大麦种质资源抗旱性83.583%的原始数据信息量。基于D值、CDC值和WDC值的供试大麦种质抗旱性排序相近。灰色关联度分析表明，各指标DC值与D值间的关联度大小依次为株高、地上部干重、总干重、叶长、地上部鲜重、根长、根干重、根鲜重，与各指标DC值与WDC值关联度大小排序基本吻合。根据D值进行聚类分析，可将供试大麦种质划分为5个抗旱级别，其中1级2份、2级13份、3级6份、4级7份、5级2份。除根鲜重、地上部干重、根干重和总干重外，其余指标的隶属函数值、CDC值、D值和WDC值均随抗旱级别的升高而增大。逐步回归分析表明，与D值密切相关的指标有株高和总干重。苗期抗旱性强的大麦种质资源材料有西藏25和NEVADA，可作为大麦抗旱育种、抗旱机理及干旱调控缓解机制研究的材料。株高和总干重可作为评价大麦种质资源苗期抗旱性鉴定的性状指标。

关键词：大麦（Hordeum vulgare L.）;苗期抗旱性;抗旱指标;综合评价

中图分类号：S512.3      文献标志码：A        文章编号：1001-1463（2021）09-0056-12

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.09.013

Drought Resistance Identification and Drought Resistance Indices Screening of 30 Barley Germplasm Resources at Seedling Stage

XU Yinping 1， PAN Yongdong 1， ZHANG Tinghong 1， LIU Meijin 2， REN Cheng 1， YAO Yuanhu 1，  JIA Yanchun 1， CHEN Wenqing 1， ZHAO Feng 1， BAO Qijun 1， HUO Kecang 1， NIU Xiaoxia 1

（1. Institute of Industrial Crops and Malting Barley， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China;2. Agricultural Science Research Institute of Gannan Tibetan Autonomous Prefecture in Gansu Province， Hezuo Gansu 747000， China）

Abstract：Drought is the important abiotic stress factor for barley production in the northwestern hinterland. It is of great significance to identify drought resistance of barley resources， determine drought resistance index， screen drought resistance germplasm and cultivate drought resistance cultivars. The effects of the plant height，root length，leaf length，shoot fresh weight，root fresh weight，shoot dry weight，root dry weight and total dry weight of thirty barley germplasms were measured at the normal water supply and repeated drought treatments in pot experiments in rainprotection shed. Drought resistance comprehensive evaluation value （D value）， comprehensive drought resistance coefficient （CDC value）， weight drought resistance coefficient （WDC value）， correlation analysis， frequency analysis， principal component analysis， grey relational analysis， subordinate function analysis， clustering analysis， and stepwise regression analysis were used to identify the drought resistance and screen drought resistance indices of tested barley germplasms at seedling stage. The results showed that drought stress had significant effects on all indices. Frequency analysis showed that the sensitive degrees of all indices response to drought stress in turn for root length， root dry weight， total dry weight， shoot fresh weight， shoot dry weight， leaf length， root fresh weight and plant height. Correlation analysis showed that the total dry weight was significantly and positively correlated with root dry weight， shoot dry weight， leaf length， root length and shoot fresh weight， but not with plant height and root fresh weight. Principal component analysis showed that 4 principal components could represent 83.583% of the original data information of barley drought resistance. The ranks of drought resistance of tested barley germplasms based on the D value， CDC value， and WDC value were similar. Grey relational analysis showed that the correlation degree between DC value of all indices and D value in turn for plant height， shoot dry weight， total dry weight， leaf length， shoot fresh weight， root length， root dry weight and root fresh weight， which was basically consistent with the order of correlation degree between DC value and WDC value.According to D value clustering analysis， tested barley germplasms were divided into 5 drought resistance grades， 2 belonged to grade 1， 13 belonged to grade 2， 6 belonged to grade 3， 7 belonged to grade 4， and  2 belonged to grade 5. The subordinate function values of tested indices except for root fresh weight， shoot dry weight， root dry weight and total dry weight， CDC value， D value， and WDC value were increased with increase of drought resistance grades. Stepwise regression analysis showed that the plant height and total dry weight were closely related to the D value. Xizang 25 and NEVADA were identified as drought resistance barley germplasms at seedling stage， which could be used as materials for the researches on cultivar breeding， mechanism， and regulation and alleviation mechanism of drought resistance in barley. The plant height and total dry weight could be used as the simple and intuitive identification indices of drought resistance in barley germplasm resources at seedling stage.

Key words：Hordeum vulgare L.;Drought resistance at seedling stage;Drought resistance indexes; Comprehensive evaluation

大麦（Hordeum vulgare L.）又称牟麦、饭麦、赤膊麦，属一年生禾本科作物，是世界上最古老的粮食作物之一[1 - 4 ]，对人类文明的产生与发展起到了十分重要的作用，其营养丰富，生育期短、抗逆性强、适应性广、丰产性好，具有食用、饲用、酿酒及医药等广泛的用途，在我国西北内陆旱地常年种植近13.33万hm2。干旱是影响该区大麦生产的重要非生物胁迫因素，因此，进行大麦种质资源苗期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选，对大麦抗旱育种、抗旱机理及干旱调控缓解机制的研究具有重要意义。作物抗旱性鉴定及抗旱指标筛选是开展作物抗旱性研究首先要解决的关键技术，需要将不同指标相结合，对各个时期进行综合评价[5 - 7 ]。国内外学者采用伤害系数、抗旱系数、抗旱指数等直接评价方法，以隶属函数、平均抗旱系数、加权抗旱系数（WDC）、抗旱性度量值（D值）等综合评价方法分别对玉米、油菜、水稻、绿豆、菜豆、薏苡等作物的苗期抗旱性进行了研究[8 - 14 ]，提出了不同作物在苗期的抗旱性鉴定指标和判断标准，筛选出了大批抗旱种质资源。

近年来，多位学者主要从形态指标、生理指标、生长发育指标、生化指标等多个角度研究了大麦生长前期的抗旱性。鞠乐等[15 - 17 ]采用模拟干旱胁迫方法研究了大麦种子萌发期抗旱性鉴定指标，确定发芽势等9项指标作为抗旱性鉴定形态指标，胚根长等4项指标作为抗旱性鉴定生长发育指标，过氧化氢酶等3项酶活性作为抗旱性鉴定生化指标。蒋花[18 ]采用渗透胁迫模拟干旱的方法，研究了大麦前期生长状况与生理指标的变化，表明发芽率、耐旱系数等5项指标均随着渗透胁迫浓度的增加而减小，这与鞠乐等[15 ]的研究结果一致;脯氨酸等3项酶活性和相对电导率随着渗透胁迫的增加而增加，相对含水量、叶绿素的含量随着渗透胁迫的增加而下降，这也与鞠乐等[17 ]的研究结果一致，并指出发芽率等10项指标可作为评价不同大麦品种幼苗期的抗旱性鉴定指标。惠宏斌[19 ]采用盆栽称重控制土壤含水量的方法模拟大麦田间受到的土壤干旱胁迫，结果表明根系活力和根活性吸收面积能够在一定胁迫范围内存在一定程度的补偿效应，而且根系可以顺利接受土壤干旱的初级信号并通过植物体内一系列次级信号转导网络启动各种应对干旱胁迫的响应机制。汪军成等[20 ]采用温室模拟干旱胁迫-复水法测定了20份大麦种质材料苗期的生理生化等指标，表明叶片含水量、相对电导率等6项指标与干旱胁迫压力呈正相关，而叶片相对含水量、株高与干旱胁迫压力呈负相关;以采用欧式距离法综合分析结果为依据，将20份种质材料划分为相对抗旱、中等抗旱、相对敏感3个抗旱等级。本研究采用反复干旱胁迫法，在旱棚内进行盆栽试验，利用综合评价法对30份大麦种质幼苗的株高、根长、叶长、地上部鲜重、根鲜重、地上部干重、根干重和总干重进行鉴定与评价，以期筛选出苗期抗旱性强的大麦种质及易测定的与大麦种质抗旱性密切相关的指標，为大麦抗旱育种、抗旱机理及干旱调控缓解机制的研究提供基础材料。

1   材料与方法

1.1   试验材料

供试大麦种质共30份，包括美国引进10份、西藏引进4份、甘肃甘南州1份及甘肃省农业科学院选育的品种7份、新品系8份（表1）。

1.2   试验方法

试验于2018年与2019年在甘肃省农业科学院旱棚内进行。在花盆内（盆高30 cm、内径30 cm）装入20 cm厚的中等肥力水平的耕层土壤。土壤取自试验地耕层20 cm，含有机质26.7 g/kg、碱解氮81.3 mg/kg、有效磷11.2 mg/kg、速效钾197.0 mg/kg，pH 8.3。每盆施磷酸二铵2 g、尿素3 g作为基肥一次施入，并浇水至田间土壤最大持水量的75%～80%。从供试大麦种质中选取大小均匀一致、饱满的种子温水浸种，选择30粒发芽良好的种子均匀点播于花盆中，播种后覆土2 cm。试验随机区组设计，设置正常供水（CK）和反复干旱（T）2个处理，3次重复。从播种之日起至第1次复水期间采用称重法控水，每天傍晚称重1次，并补充水分，保持每盆的土壤含水量基本稳定，以确保幼苗正常生长及试验处理的一致性。第1次干旱—复水处理：待幼苗长至4～5叶期时停止供水，土壤绝对含水量降至田间土壤最大持水量的25%～30%时复水至田间持水量的75%～80%。第2次干旱—复水处理：第1次复水后不再供水，土壤绝对含水量降至田间土壤最大持水量的25%～30%时，复水至田间土壤最大持水量的75%～80%。

1.3   测定项目与方法

于第2次复水72 h后，每盆随机选择20株植株，洗净后将根系剪下与幼苗分开。量取主茎自地面至植株顶端的距离，即为株高;主茎中部最大叶片基部至叶尖的长度，即为叶长;主根的长度，即为根长。分别称取幼苗和根系鲜物质重量，即为地上鲜重（SFW）和根鲜重（RFW）;将幼苗和根系晾干，于60 ℃下烘干后分别称重，即为地上干重（SDW）和根干重（RDW）;地上干重和根干重之和为总干重（TDW）。

1.4   数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013整理数据并用SPSS18软件进行统计分析。以2 a数据的平均值作为基础数据，参照汪灿等[14， 21 - 22 ]、兰巨生[23 ]、祁旭升等[24 - 25 ]、张彦军等[26 ]、罗俊杰等[27 ]的方法，采用配对处理t检验对各指标测定值进行平均数差异显著性检测。按公式（1）和（2）分别计算单项抗旱系数（DC）和综合抗旱系数（CDC）。式中xi和CKi分别表示反复干旱胁迫和正常灌水处理的指标测定值。

针对各指标DC值，进行简单相关分析、连续变数次数分布统计分析和主成分分析。按公式（3）、（4）和（5）分别计算因子权重系数（ωi）、各基因型各综合指标的隶属函数值[μ（xi）]和抗旱性度量值（D）。式中Pi为第i个综合指标贡献率，表示第i个指标在所有指标中的重要程度，xi、ximax和ximin分别表示第i个综合指标及第i个综合指标的最大值和最小值。

以各指标DC值为比较序列，D值为参考序列进行灰色关联度分析，获得各指标DC值与D值间的关联度（γD），按公式（6）和（7）分别计算各指标权重系数[ωi （γ）]和加权抗旱系数（WDC）。式中γi为各指标关联度。

以各指标DC值为比较序列，WDC值为参考序列进行灰色关联度分析，获得各指标DC值与WDC值间的关联度（γWDC）。最后针对供试大麦种质D值，采用欧氏距离和加权配对算术平均法（WPGMA）进行聚类分析，划分抗旱级别，并分别以D值、CDC值和WDC值为参考序列，对各指标DC值进行逐步回归分析，求取回归方程。

2   结果与分析

2.1   供试种质的代表性及其指标测定值分析

试验结果表明，干旱胁迫对供试种质各指标测定值均有显著影响，处理间和种质间差异均达显著水平（表2、表3）。种质间变异系数为0.066～0.735，说明试验所选大麦种质基因类型丰富，干旱胁迫处理效果好，所选测定指标对干旱胁迫反应较敏感，具有较好的代表性。此外，供试种质各指标在反复干旱和正常供水处理下的测定值相关系数为0.467～0.887，进一步说明各测定指标对干旱胁迫反应的敏感性存在差异，采用各指标测定值很难直接鉴定大麦种质资源的抗旱性。

2.2   单项指标分析

与正常供水处理相比，在反复干旱胁迫处理后，供试种质资源各指标均发生不同程度变化（表4）。同一指标各种质的DC值差异明显，变异系数在0.108～0.492，但不同种质间DC值所反映的抗旱性不同，且同一种质各指标的DC值存在较大差异，说明各指标对干旱胁迫反应的敏感性各异。频次分析表明，同一区间各指标DC值分布次数和频率相差较大（表5）。DC > 0.6的株高、根长、叶长、地上鲜重、根鲜重、地上干重、根干重、总干重的分布频率分别为93%、97%、93%、40%、87%、94%、43%、84%，即各指标对干旱胁迫反应的敏感性依次为地上鲜重、根干重、总干重、根鲜重、株高、叶长、地上干重和根长。相关分析表标。

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（本文责编：郑立龙）

收稿日期：2021 - 06 - 22

基金项目：甘肃省农业科学院农业科技自主创新专项现代生物育种项目（2019GAAS08）;  甘肃省2020年祁连山国家公园试点项目“肃南县高山草原健康评价方法研究”。

作者简介：徐银萍（1978 — ），女，甘肃民勤人，副研究员，硕士，主要从事大麦青稞种质资源鉴定评价及新品种选育工作。联系电话： （0）13919785369。Email：xuyinping7810@163.com。

通信作者：张廷红（1967— ），女，甘肃靖远人，副研究员，主要从事大麦青稞新品种选育与高效栽培技术等方面的研究工作。联系电话：  （0）13669325112。 Email：514014460@qq.com。