聚乙二醇模拟干旱胁迫下油葵种质资源萌发期抗旱性评价

王兴珍 卯旭辉 贾秀苹 梁根生

摘要 以55份油葵种质资源为材料，采用浓度为20%的聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫，以清水为对照，研究干旱胁迫下不同油葵种质资源萌发期抗旱特性的差异。结果表明，20% PEG-6000 胁迫下，不同资源的相对发芽势、相对发芽率、相对胚芽长、相对胚根长、相对胚根数、相对鲜重6个指标表现并不一致，抗旱性评价需要进行多指标的综合考虑。采用隶属函数值和抗旱指标权重相结合的抗旱性度量值进行抗旱性评价，55个品种的D值在0.368～0.730，差异明显。并采用系统聚类分析的组间连接（平方欧式距离）法对品种综合能力D值进行聚类分析，将55份材料分为 3 类：TK3303、PR2301和FK01为第Ⅰ类（属强抗旱类型），占供试材料的 5.45%;九洋918为第Ⅱ类（属中等类型）;其余品种为第Ⅲ类（属弱抗旱类型）。TK3303、PR2301和FK01可作为今后油葵抗旱育种的优异种质资源。

关键词 油葵;种质资源;种子萌发;抗旱性

中图分类号 S 565.5  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）20-0040-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.011

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evaluation of Drought Resistance of Oil Sunflower Germplasm Resources at Germination Stage under Polyethylene Glycol Simulated Drought Stress

WANG Xing-zhen， MAO Xu-hui， JIA Xiu-ping  et al

（Crop Research Institute， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou， Gansu 730070）

Abstract 55 oil sunflower germplasms were used as materials to study the difference of drought resistance characteristics of different oil sunflower germplasms at germination stage under drought stress by simulating drought stress with 20% polyethylene glycol （PEG-6000） and water as control. The results indicated that under 20% PEG-6000 stress， the relative germination potential， relative germination rate， relative germ length， relative radicle length， relative radicle number and relative fresh weight of different resources were inconsistent， and drought resistance evaluation needed comprehensive consideration of multiple indicators.The drought resistance measurement value combining the membership function value and the drought resistance index weight was used to evaluate the drought resistance. The D values of 55 varieties were between 0.306 and 0.730， and the difference was obvious.The inter-group connection （squared euclidean distance） method of hierarchical cluster analysis was used to cluster the D value of comprehensive ability of cultivars. The 55 cultivars were divided into 3 categories： TK3303， PR2301 and FK01 were the first category （strong drought resistance type）， which accounted for 5.45% of the tested materials;Jiuyang 918 was classified as type II （medium type）;the rest were classified as type III （weak drought resistance type）.TK3303， PR2301 and FK01 could be used as excellent germplasm resources for drought resistance breeding of oil sunflower in the future.

Key words Oil sunflower;Germplasm resources;Seed germination;Drought resistance

基金项目 国家现代农业产业技术体系资助（CARS-14-2-22）;甘肃省青年科技基金計划（21JR1RA357）。

作者简介 王兴珍（1987—），女，甘肃白银人，助理研究员，硕士，从事向日葵遗传育种研究。*通信作者，副研究员，从事高产向日葵育种研究。

收稿日期 2021-03-02

随着全球气候变暖，干旱已成为世界农业生产长期面临的主要制约因素，据估计，因干旱造成的农业损失相当于其他不良因子造成的损失总和[1]。目前，全世界遭受水土流失的耕地面积约2.5×109 hm2[2]，严重影响了农作物的生长，制约了农业经济的发展[3]。在干旱胁迫下，植物会开启生理生化、分子等的一系列变化，进而引起代谢紊乱，影响植物正常生长[4-5]。

油葵（Helianthus annuus L.）属菊科（Compositae）向日葵属（Helianthus），一年生草本油料作物。油葵适合我国新疆、甘肃、内蒙古、黑龙江、山东、河北等相对干旱、盐碱性大的地区大面积播种[6]。这些地区是我国主要的干旱和半干旱地区。因此，干旱也成了限制油葵产量提高的重要非生物胁迫因素。种子萌发期是作物第一生长发育阶段，是胁迫的敏感期，易受外界环境干扰。干旱胁迫直接影响种子发芽出苗，进而影响后期生长发育，最终造成作物产量、质量的下降[7]。

利用聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫已成为不同作物种子萌发期抗旱性研究的重要手段[8]。胡树平等[9]从群体结构与个体功能协同方面，对向日葵品种（系）的抗旱性、密度和播期对产质量的影响、氮磷钾需肥规律、减源疏库对向日葵产质量的影响等进行了较为系统的研究。温蕊等[10]利用 PEG 溶液模拟干旱胁迫，对 18 个向日葵资源材料种子萌发期进行抗旱性研究。杨旭东等[11]以6份不同的向日葵自交系种子为材料，利用不同浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，研究种子萌发期干旱胁迫对不同基因型向日葵种子萌发的影响。综上，虽然均采用PEG溶液进行模拟干旱胁迫试验，但不同的植物种子萌发期对干旱胁迫的耐受程度不同。因此，依据生产实际开展不同植物种子萌发期干旱胁迫的耐受试验，对指导生产意义重大。

近年来，研究者针对向日葵芽期、苗期、穗期、成熟期等主要生育期筛选了一批抗旱鉴定指标，包括萌发胁迫指数、苗期反复干旱成活率、抗旱系数、抗旱指数等[11-13]。在苗期、本田期进行抗旱鉴定易受环境影响，耗时长、工作量大、指标测定复杂，而芽期鉴定较为方便快捷、条件可控、短时内可进行大批量鉴定，因此针对芽期抗旱鉴定的研究较多。前人利用相关性分析、主成分分析、隶属函数综合分析等方法提出了较多的鉴定指标，如相对胚根长、相对芽长、相对芽干重、相对发芽率、儲藏物质转运速率、胚芽鞘长、根系活力和β-淀粉酶活力等，但不同研究者提出的鉴定指标并不完全相同[14-15]。该研究为确定不同油葵种质资源的抗旱性，筛选出具有较强抗旱能力的油葵种质资源，采用20%的PEG-6000 模拟干旱胁迫并测定 55个种质资源的萌发特性，建立科学高效的抗旱鉴定方法，筛选优质抗旱育种材料，并进一步筛选具备广适性的优质抗旱向日葵品种。同时，建立油葵种质资源萌发期抗旱鉴定方法和评价指标，以期为筛选萌发期抗旱种质资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

参试材料及来源见表 1。

1.2 试验方法

选取均匀一致、无病虫害的健康种子，用1%的次氯酸钠溶液浸种消毒10 min，无菌水冲洗3次，室温下水分平衡15 h，待用。发芽试验参照农作物种子检验相关国家标准[12]及杨旭东等[1 13]的方法进行。 每个培养皿中放置 3层滤纸作为发芽床，在每个培养皿中整齐摆放50粒种子，分别选用25 mL 质量浓度为0（对照）及 20%的 PEG-6000模拟正常及干旱胁迫条件，每个处理设置 3次重复，置于人工智能气候培养箱中，温度设置为恒温25 ℃，进行 3 d 暗处理，之后设定光照周期为 12 h/12 h（光期/暗期）、光强为 2 500 lx进行培养。为保持胁迫浓度，每天定时更换20% PEG-6000溶液和无菌水。种子发芽期间，每天观察种子萌发情况并记录发芽粒数，直至第10天发芽试验结束。种子发芽标准：胚根突破种皮2 mm为发芽种子。

干旱发芽试验（CT）：采用20%的PEG-6000（以下简称PEG）溶液作为培养试剂，其他处理同标准发芽试验。

1.3 测定内容及方法

参照杨旭东等[11-13]的方法在供试材料培养至第 1 粒种子萌发（鉴定发芽标准为胚根长 2 mm）开始，每天在同一时间调查记录每个培养皿中的发芽种子数，持续记录7 d后计算发芽势（GE，%）、发芽率（GR，%）和发芽指数（GI）。第 7 天调查发芽率完毕后，从每个培养皿中随机选取 20株长势相当的幼苗进行形态指标测定，测量种子的胚芽长（SL，mm）、胚根长度（GL，mm）、胚根数（GN）和鲜重（FW，g）等性状，求其平均作为各项性状指标的代表值。

1.4 数据统计分析

利用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 12.0进行材料间各指标的差异性检验。参照Mahesh等[ 1 14]的方法，采用隶属函数和抗旱指标权重相结合的方法对抗旱性进行综合评价，分析中涉及的计算公式如下：

发芽势（GE）=前 3 d内的发芽数/供试种子数×100

发芽率（GR）=第 7 天发芽总数/供试种子数×100

发芽指数（GI）=Σ（DG/DT）

式中，DG为逐日发芽数，DT为相应DG的发芽天数。

相对发芽势（RGE）、相对发芽率（RGR）、相对发芽指数（RGI）、相对胚芽长（RGL）、相对胚根长（RRL）、胚根数（RRN）和相对鲜重（RRFW）按照“相对性状指标（%）= 渗透胁迫处理下各性状测定值/对照各性状测定值 ×100”进行计算。

抗旱系数=干旱胁迫下指标的均值/对照指标的均值

综合抗旱系数=所有测定指标抗旱系数的加权平均值

隶属函数值 μ（x）=（PI-PImin）/（PImax-PImin）

抗旱性量度值D=ni=1[U（x）×|ri|÷ni=1|ri|]

式中，PI、PImin、PImax 为各性状抗旱指数的值、最小值、最大值;ri为各性状抗旱指数与平均抗旱指数的相关系数，|ri|÷n|ri|为指数权数，表示第i個指标在所有指标中的重要程度。

2 结果与分析

2.1 PEG 胁迫对不同油葵品种发芽势和发芽率的影响

由表 2 可看出，在20%PEG-6000的胁迫处理下，萌发期 PEG-6000 处理后油葵的生长受到了不同程度地抑制，对各项指标的抑制程度也不同。鲜重、胚芽长、发芽率降低幅度较大，对干旱胁迫的反应较敏感;而主胚根长、胚根数降低幅度较小，表明干旱胁迫下，营养物质优先向根中转移。进一步分析处理与对照的变异系数发现，6 个性状处理中，发芽势、发芽率、胚根数、鲜重的变异系数明显大于对照，表明萌发期的干旱胁迫增大了种质间差异。依据同一指标不同种质的胁迫系数平均值将各指标对干旱逆境的敏感程度排序如下：鲜重 >胚芽长 > 发芽率>胚根数> 主胚根长> 发芽势。从各项指标干旱胁迫系数看，同一种质不同指标或同一指标不同种质的干旱胁迫系数变化幅度和指标抗旱系数的变异都较大，很难直接用某一指标胁迫系数来判断种质的抗旱性。因此需要进行多指标综合分析才能较准确地把握种质的抗旱性。

2.2 主成分分析筛选苗期抗旱性综合评价指标

该试验中，球形检验显著性测验值为 0.000，小于 0.05，说明变量之间存在相关性;KMO 检验统计量为 0.235，说明变量之间的偏相关性较强，适合做因子分析。对干旱胁迫下测得的数据经主成分分析，选取特征值 > 1 的 4个主成分，得到如表 3所示的结果。由表3可看出，前4个主成分的累计方差贡献率达89.890%，表明前4个主成分反映了70个油葵种质的6个抗旱性描述指标89.890% 的信息，因此选用前4个主成分描述变异（表3）。

根据各成分得分系数，获得主成分函数如下：

第一主成分F1：F1=0.137X1+0.731X2+0.750X3+0.726X4+0.332X5+0.083X6。根据累计贡献率和特征向量在生物学中的意义可见，第1主成分主要支配胚根数、主胚根长和胚芽长，说明胚根数、主胚根长、胚芽长对第 1 主成分贡献较大，可初步判断第1主成分反映的是油葵种质在干旱胁迫下根部及胚芽的生长情况。

第二主成分F2：F2 =-0.765X1-0.334X2+0.435X3+0.050X4+0.698X5+0.195X6。可见第 2主成分主要支配主胚根长、胚芽长、发芽率和发芽势，且主胚根长、胚芽长、发芽率和发芽势在0.01水平上显著相关，故称第 2 主成分为发芽势。说明在干旱条件下，油葵种质的发芽势是比较明显的抗旱指标。

第三主成分F3：F3=0.498X1-0.464X2+0.465X3-0.656X4-0.077X5+0.067X6。可见第3 主成分中载荷较高的性状主要支配鲜重、主胚根长，这 2个性状皆与植株地上部生长与地下部生长状况有关，说明在干旱条件下，植株地上部与地下部的变化是比较明显的抗旱指标。

第四主成分F4：F4=-0.036X1-0.033X2-0.127X3+0.005X4-0.2316X5+0.963X6。可见第4主成分主要支配发芽势，更进一步说明在干旱条件下，发芽势是非常重要的抗旱指标。

由上述4个函数可看出，植株根部生长情况、鲜重和发芽势可解释干旱胁迫下油葵苗期生长情况，因此这3个指标可作为油葵苗期抗旱性鉴定评价的综合指标。

2.3 油葵萌发期抗旱性综合评价

种子发芽过程是一个极复杂的生理生化过程，而 PEG 胁迫下影响种子萌发的因素很多。从以上结果看，各材料不同抗旱指标间的表现趋势并不一致，说明作物的抗旱性不能仅通过单一指标研究。因此，评价抗旱性需要进行多指标综合考虑。该研究依据相对发芽势、相对发芽率、相对胚芽长、相对胚根长、相对胚根数和鲜重等指标为依据，求得隶属函数值，再根据其权重求得加权抗旱系数，使用加权隶属函数法求得萌发期抗旱能力D值。通过D值对不同油葵种质资源种子萌发期的抗旱性进行综合评价（表 4），可以挑选出抗旱性最优的油葵种质。一般而言，D值越大，表明其抗旱能力越强。由表4可看出，D值的变化范围为 0.306～0.730，TK3303 和PR2301的抗性最强，D值达0.730;其次为FK0 D值为0.728;九洋918抗旱性居第3位，D值为0.654;这4个材料对干旱胁迫反应较迟钝，为油葵萌发期抗旱性强的种质。F53的抗性最差，D值为0.306。

2.4 油葵综合抗旱能力D值的聚类分析

采用系统聚类分析的组间连接（平方欧式距离）法对品种综合能力D值进行聚类分析（图 1），在 L1处可将55个油葵种质资源聚为 3 类：TK3303、PR2301和FK01为第Ⅰ类（属强抗旱类型），占供试材料的 5.45%;九洋918为第Ⅱ类（属中等类型）;其余品种为第Ⅲ类（属弱抗旱类型）。TK3303、PR2301和FK01可作为今后油葵抗旱育种的优异种质资源。

3 讨论

油葵属于双子叶油料作物，针对其萌发期抗旱性鉴定筛选的研究，目前尚无统一的抗旱性指标。该研究以相对发芽势、相对发芽率、相对胚芽长、相对胚根长、相对胚根数及鲜重等指标进行分析。

植物抗旱性是复杂的数量性状，受多基因共同控制，与植物类型、基因型和环境因子等性状密切相关。同时，植物在受到干旱胁迫时，抵御适应干旱的途径和方式也多种多样。已有的研究表明，单一指标具有片面性，不能作为鉴定品种（系）抗旱性的指标[16]。近年来学者们常利用综合评价法进行鉴定筛选，其中最常用的是隶属函数和抗旱指标权重相结合的方法对抗旱性进行综合评价。这种方法考虑了不同指标的权重，消除了品种（系）间固有差异，真实反映其抗旱性，还能定量地鉴定出每个材料的抗旱能力，已在多种作物抗旱性鉴定中应用[1 17-18]。该试验研究了20%PEG-6000对不同油葵品种种子萌发期生理生化指标的影响，但关于不同油葵品种种子萌发期在大田试验中相关指标的研究以及指标性状与抗旱性关系方面还需要进一步探讨和研究。

4 结论

该研究结果表明，20% PEG-6000溶液模拟中度干旱胁迫处理不同程度地抑制了供试材料的生长。其中，根部及胚芽的抑制程度最高，且 PEG-6000 胁迫处理加大了不同品种间的差异。各测定性状的抗旱系数分布显示，鲜重在供试材料间的差异较大。前人研究认为，胚根数和胚根长是萌发期评价抗旱性较好的指标，并且油葵萌芽期发芽率、发芽势和鲜重等指标均能用来评价品种抗旱性[19-21]。该研究发现，20% PEG-6000 胁迫抑制了油葵种子萌发和幼芽发育，但各指标敏感程度不同，依次为鲜重 >胚芽长 > 发芽率>胚根数> 主胚根长> 发芽势。可见，渗透胁迫对胚芽的抑制作用大于胚根，与王赞等[22] 的研究结果相一致。该研究发现，不同油葵品种萌发期抗旱指标表现趋势并不一致，表明油葵抗旱性与油葵基因型有关。这一点，与其他作物上的研究相一致[23-24]。该研究采用隶属函数值和抗旱指标权重相结合计算抗旱性度量值D，并采用系统聚类分析的组间连接（平方欧式距离）法对品种综合能力D值进行聚类分析，可分为 3 类：TK3303、PR2301和FK01为第Ⅰ类（属强抗旱类型），占供试材料的 5.45%;九洋918为第Ⅱ类（属中等类型）;其余品种为第Ⅲ类（属弱抗旱类型）。TK3303、PR2301和FK01可作为今后油葵抗旱育种的优异种质资源。

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