不同大麦品种抗旱性鉴定指标的筛选与评价

周元成，曹永立，王镇，贾志荣，姚勇，陈爱萍

（山西农业大学小麦研究所，山西 临汾 041000）

干旱是限制作物高产的主要环境因素［1⁃5］，充分挖掘和利用作物自身的抗旱性能并对其进行数据化评价［6⁃8］对作物抗旱机理研究具有重要意义。大麦是抗逆性较强的禾谷类作物［9⁃10］，苗期遭遇干旱胁迫会导致种子萌发受阻、幼苗生长减缓、幼叶相对含水量下降、保护酶活性升高等［11⁃13］；生长期干旱可造成植株矮小、分蘖数和成穗数减少、叶面积缩小且叶绿素含量降低［14⁃15］；灌浆期干旱可显著影响大麦籽粒灌浆速率，缩短灌浆时间，易形成小瘪籽粒［16⁃17］，最终造成减产。目前，针对大麦抗旱研究多集中在种子萌发、光合生理、渗透调节等形态及生理方面［18⁃21］，而利用生物统计方法进行多性状抗旱性综合评价的研究较少。隶属函数法是依据模糊数学原理对各项指标进行综合隶属度评估，该方法运算简便，结果直观，能有效克服单一性状指标评价的局限性，已广泛地应用于小麦、玉米等作物抗旱性的综合评价［22⁃26］，然而，该方法在大麦全生育期抗旱性评价上应用较少。因此，本研究以山西南部推广种植的15个大麦品种为研究对象，采用隶属函数值法综合评价其抗旱性，为大麦抗旱种质鉴定及品种筛选提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取山西南部推广种植的15个大麦品种为研究对象，包括冬青15号（DQ15）、鄂大麦8号（EM8）、鄂大麦9号（EM9）、沪麦4号（HM4）、晋大麦（啤）3号（JM3）、临大麦5号（LM5）、申麦2号（SM2）、四棱花壳（SH）、苏啤3号（SP3）、盐引2号（YY2）、杨饲麦1号（YM1）、浙皮2号（ZP2）、浙皮3号（ZP3）、浙秀12（ZX12）、驻大麦5号（ZM5）。所有材料均由山西农业大学小麦研究所大麦育种课题组提供。

1.2 试验地概况

试验于2018年10月—2019年6月在山西农业大学试验基地进行。该基地属大陆性温带干旱半干旱气候，冬寒少雪、夏热伏旱，全年无霜期210 d，平均气温12.7℃，平均日照2 079.1 h，年均降水量441.5 mm。试验地前茬未种植作物，为休闲用地，土壤为石灰性褐土。播种前土壤基础养分含量为：有机质 12.4 g·kg-1，碱解氮 35.2 mg·kg-1，速效磷 11.7 mg·kg-1，速效钾 116.4 mg·kg-1，pH 7.45。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，3次重复。每小区6行，行距20 cm，行长10 m，均于2018年10月3日播种，播种量300 kg·hm-2。每份材料分别设置水地和旱地2种栽培模式，水地处理（CK）于大麦拔节期和扬花期分别灌水1次；干旱处理组（DS）全生育期不灌水，仅依靠自然降水。其他田间管理分别与当地水、旱田栽培措施一致。

1.4 测定项目及方法

每小区随机选取10株，定株标记，在生育期内及收获后按照国家大麦区域试验记载标准调查13个农艺、经济、生理和品质相关性状。其中，农艺性状2个，包括株高（plant height，PH，cm）和单株分蘖数（tiller number，TN）；经济性状6个，包括穗长（spike length，SL，cm）、穗粒数（grain number per spike，GNS）、单株粒数（grain number per plant，GNP）、单株粒重（grain weight per plant，GWP，g）、千粒重（1 000⁃grain weight，GW，g）和产量（yield，Y，kg·hm-2），产量由样株脱粒调查后混入原小区产量，按小区面积折合计产；生理性状1个，于大麦扬花期从10株标记植株中选取5株，利用SPAD⁃502叶绿素仪（浙江托普云农科技公司）测定叶片SPAD值；品质性状4个，于收获后采用9100型谷物近红外仪（浙江托普云农科技公司）测定大麦籽粒中的水分（moisture，%）、蛋白质（protein，%）、淀粉（starch，%）和粗纤维（crude fiber，%）含量。

将各性状相对值标准化后的数据分为农艺经济和生理品质两类性状进行后续分析。

1.5 评价方法

为消除大麦品种各性状间固有的差异，采用性状相对值进行抗旱性评价。

性状相对值=（旱地性状测定值/水地性状测定值）×100%。

1.5.1 抗旱性直接鉴定 参考兰巨生等［27］的方法分别计算抗旱系数（drought resistance coefficient，DC）和抗旱指数（drought resistance index，DI）。当品种DC和DI值≥0.80时，表示该大麦品种抗旱性较强。

1.5.2 抗旱性间接鉴定 通过模糊数学中的隶属函数方法对各项测定指标进行抗旱性评价和鉴定。其中隶属函数值计算公式如下。

式中，μ（xi）为各品种第i个性状的隶属函数值，xi为某一性状指标的相对值，ximin和ximax分别为各品种第i个性状相对值的最小值和最大值。若i性状与抗旱性正相关，采用公式（1）计算；若为负相关则用公式（2）。

综合抗旱能力D值公式如下。

式中，ri为各品种第i个性状指标与抗旱系数的相关系数值。

将各大麦品种抗旱指标性状隶属函数值和综合抗旱D值分为4级进行评价。1级的隶属函数值和D值在0.7以上，属强抗旱型；2级在0.6～0.7之间，为较抗旱型；3级在0.5～0.6之间，属弱抗旱型；4级在0.5以下，为不抗旱型。

1.6 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 24.0软件对数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同大麦品种抗旱性的直接鉴定结果

抗旱系数是以水旱地种植大麦产量的比值来计算；抗旱指数是对抗旱系数的指数化改进；敏感指数反映品种对干旱环境的适应程度，与抗旱系数相反，其值越大，抗旱系数越小，代表该品种对干旱环境更敏感，抗旱性较差。表1显示，沪麦4号、晋大麦（啤）3号、临大麦5号的抗旱系数较高，而驻大麦5号、冬青15号、盐引2号的抗旱系数较低；沪麦4号、晋大麦（啤）3号、鄂大麦9号的抗旱指数较高，浙皮2号、冬青15号、盐引2号的抗旱指数较低，与抗旱系数的结果存在一定差异。

表1 不同大麦品种的抗旱性直接鉴定结果Table 1 Direct identification result of drought resistance of different barley varieties

2.2 不同大麦品种农艺经济性状的抗旱隶属函数值及综合D值分析

从表2可以看出，单株分蘖数抗旱隶属函数μ值最大的品种为鄂大麦8号、沪麦4号、临大麦5号、浙皮3号；产量μ值较大的品种为沪麦4号、晋大麦（啤）3号；千粒重μ值较高的品种为鄂大麦9号、苏啤3号。8个农艺、经济性状的抗旱隶属函数值最优的品种存在较大差异。对8个性状的综合D值进行分析，评价不同大麦品种农艺经济性状的综合抗旱性，结果（表2）表明，沪麦4号、晋大麦（啤）3号、鄂大麦9号和鄂大麦8号的D值较高；驻大麦5号、冬青15号和盐引2号的D值较低。农艺经济性状抗旱综合D值在0.5以上的品种有7个，小于0.5的品种有8个。其中，盐引2号的D值小于0.1，说明该品种农艺经济性状受外界干旱环境的影响较大。

表2 不同大麦品种农艺经济性状的隶属函数值及综合D值Table 2 Membership function value and synthetical D value of different barley varieties based on agronomy and economics traits

2.3 不同大麦品种生理品质性状的抗旱隶属函数值及综合D值分析

各生理或品质性状最大抗旱隶属函数值对应的品种存在差异（表3）。叶片SPAD抗旱隶属函数μ值最优品种是冬青15号，最差为临大麦5号；水分、蛋白质、淀粉、粗纤维含量μ值最优品种分别为临大麦5号、鄂大麦8号、鄂大麦9号和申麦2号，μ值最低的品种分别为晋大麦（啤）3号、冬青15号、驻大麦5号和苏啤3号。对生理品质的抗旱综合D值进行分析，结果（表3）表明，晋大麦（啤）3号、冬青15号、沪麦4号、申麦2号、苏啤3号、浙皮3号和驻大麦5号的综合D值较高；而四棱花壳和浙秀12的综合D值较低，且生理品质性状的抗旱综合D值要显著低于农艺经济性状，说明在品种抗旱隶属函数评价中农艺经济性状的抗旱贡献要高于生理品质性状。

表3 不同大麦品种生理品质性状的隶属函数值及综合D值Table 3 Membership function value and synthetical D value of different barley varieties based on physiology and quality traits

2.4 不同大麦品种各性状抗旱权重及总D值分析

通过对不同农艺经济、生理品质性状与抗旱系数的相关分析，并进一步以某性状相关系数占总系数的比值分析各性状的抗旱权重，结果（表4）表明，农艺经济各性状与抗旱系数间的关系表现为：产量＞单株分蘖数＞穗长＞单株粒数＞穗粒数＞千粒重＞单株粒重＞株高；生理品质各性状与抗旱系数间相关性显著低于农艺经济性状，仅蛋白质含量与抗旱性间的相关系数较高。各性状的权重与相关系数相一致。

表4 不同性状与抗旱系数的相关分析及指标权重Table 4 Correlation analysis of drought resistance coefficient and weight value of different traits

基于全部13个性状对不同大麦品种的综合D值进行分析，结果（表5）表明，沪麦4号、晋大麦（啤）3号、鄂大麦9号、苏啤3号和鄂大麦8号的综合D值较高，表明这些品种的综合抗旱性较强；而驻大麦5号、冬青15号和盐引2号的综合D值较低，表明这些品种的综合抗旱性较弱。不同大麦品种的综合D值评价与抗旱系数评价存在一定差异，如鄂大麦8号在抗旱系数评价中位于第10位，而在D值评价中位于第5位，说明该品种本身的综合抗旱能力较强，而通过产量单一性状并不能反映出品种的综合抗旱性。

表5 不同大麦品种的抗旱系数及D值Table 5 Drought resistance coefficient and synthetical D values of different barley varieties

2.5 不同大麦品种直接及间接抗旱性评价分类

根据抗旱系数、抗旱指数和D值大小，可将参试15份大麦品种划分为4大类（表6）：1～4级分别为抗旱型、较抗旱型、弱抗旱型、不抗旱型。不同抗旱统计分析方法得出的品种抗旱性结果存在差异。抗旱型品种3种方法所得结果一致，均为沪麦4号和晋大麦（啤）3号；3种方法的差异主要体现在弱抗旱型和不抗旱型大麦品种的分类，如鄂大麦8号在间接D值评价中属弱抗旱型品种，而在抗旱系数和指数评价中均属不抗旱型品种，说明抗旱性直接评价方法在筛选品种（系）时会遗漏某些关键抗旱性状的信息，而综合D值间接评价方法可更全面地评价所鉴定品种（系）的综合抗旱性。

表6 不同大麦品种直接和间接抗旱性评价Table 6 Direct and indirect drought resistance evaluation of different barley varieties

3 讨论

作物抗旱性是多基因数量性状，单一指标（产量等）的鉴定无法真实反映出品种的综合抗旱性。隶属函数法可对作物综合抗旱性进行评价，是一种较为理想的多性状综合评价方法。陈卫国等［28］采用隶属函数法对211份小麦品种资源的株高、穗长、每穗小穗数、主穗粒数、单株产量和千粒重6个产量相关性状进行综合抗旱性评价，筛选出8份高度抗旱种质，可用于小麦抗旱新品种选育。王军等［29］结合隶属函数、主成分和聚类分析通过株高、穗长、单株穗数、单株粒重和叶绿素含量对165个大麦双单倍体群体进行耐湿性综合评价，为其耐湿性育种奠定了基础。大麦作为一种耐旱作物，对其全生育期性状隶属函数D值的综合鉴定可筛选出符合育种或栽培目标的品种（系），也可通过各性状的抗旱权重系数筛选可用于抗旱鉴定的指标。本研究通过比较13个性状与大麦抗旱性的关系及抗旱隶属函数综合D值，评价了15个大麦品种的综合抗旱能力，筛选出沪麦4号、晋大麦（啤）3号和鄂大麦9号3个抗旱性较好的大麦品种。另外，通过各性状的抗旱权重值分析表明，产量、单株分蘖数、穗长、单株粒数和穗粒数与抗旱性紧密相关，为大麦抗旱种质鉴选及耐旱新品种的选育提供了理论参考。