西北地区糜子资源抗旱性鉴定评价

兰倩，金拂晓，陈凌，王海岗，Santra Dipak K，乔治军，王瑞云，

（1.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 农业基因资源研究中心/农业农村部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室/杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室，山西 太原 030031；3.内布拉斯加大学 林肯分校农艺系小宗粮豆研究与推广中心，美国 内布拉斯加州 69361）

糜子（Panicum miliaceumL.）属禾本科黍属1年生禾谷类作物，具有抗旱耐瘠的特性，适合种植于干旱少雨、土壤瘠薄的地区[1-2]。糜子在印度、俄罗斯、日本、乌克兰、土耳其等国家和中东地区都有栽培[3-4]，我国主要种植区有甘肃、内蒙古、陕西、山西、黑龙江、吉林、新疆、宁夏等省区，是干旱和半干旱地区的重要经济作物[5]。糜子是我国主要制米作物之一，脱壳之后为黄米，是西北地区主要食物，糜子籽粒中所含人体必需氨基酸含量大于小麦和玉米，营养丰富[6-7]。随着农业技术推广应用和生活水平不断提高，糜子作为我国传统粮食作物，因营养价值丰富，具有广阔发展前景。

干旱是造成粮食减产的主要原因之一。据统计，世界上1/3的可耕地都面临供水不足的状况，而其他耕地也常会受到强干旱影响而减产[8]。干旱发生频率高且持续时间长，不仅对作物光合作用、蛋白质合成等造成影响，也给生态环境、农业经济发展造成严重危害[9]，所以，利用改变作物灌溉方式、增施有机肥和培育推广抗旱作物等抗旱节水农业措施减少干旱带来的危害成为农业生产关注的热点问题。实践证明，通过加快耐旱作物的选育进而培育抗旱品种是提高干旱地区土地利用效率的最有效措施，同时也是我国农业生产应对水资源缺乏的重要策略[10]。干旱对作物不同生育阶段的影响不同，种子萌发阶段是作物对干旱环境胁迫最为敏感的时期，干旱会影响萌发期种子的萌发率和幼苗生长速度，最终影响作物产量[11]，因此，研究作物芽期和苗期抗旱性鉴定至关重要。目前，国内外已对玉米[12]、谷子[13]、小麦[14-15]、水稻[16-17]等作物的抗旱性都有深入系统研究，模拟抗旱胁迫的试验方法较多，包括土壤干旱法、高渗溶液法等，最常用的是高渗溶液法；使用的渗透介质也较多，包括甘露醇、蔗糖、PEG6000等，以PEG6000最 常 用[18]；对 抗 旱 性评价的方法包括了隶属函数法、聚类分析法和灰色关联度分析[19-21]等，大多研究认为，利用单项指标评价抗旱性不够准确，多指标相结合的评价方法更能准确反映真实的抗旱性[22]。在糜子抗旱性研究方面，王海岗等[23]对20份山西糜子种质资源进行全生育期抗旱鉴定，通过株高、穗长、茎粗、株草质量等9个性状相关性分析，发现穗质量和株草质量对抗旱性影响显著，可作为生育期抗旱性鉴定指标；程冀南等[24]通过33份内蒙古的糜子核心种质资源的抗旱鉴定，对发芽势、发芽率、根长、叶绿素含量等9个指标进行测量和分析，发现芽期利用相对发芽势、相对发芽率作为糜子抗旱性鉴定指标，具有一定的参考意义，在主成分1中，苗鲜质量、苗长和根鲜质量等指标能综合反映糜子品种的抗旱性强弱；在主成分2中，相对叶绿素含量可作为鉴定糜子苗期抗旱性的指标；刘天鹏等[25]以20%的PEG6000作为模拟干旱胁迫条件，研究56份糜子芽期的抗旱性，结果表明，糜子芽期重要的抗旱鉴定指标有贮藏物质相对转运率、相对发芽率、相对根干质量和相对芽干质量；而张盼盼等[26]使用25%的PEG6000作为模拟糜子芽期干旱胁迫条件，发现相对发芽率、相对胚根长、相对芽干质量、相对芽鞘长可作为糜子芽期抗旱鉴定指标。

本研究以40份西北地区糜子资源为试验材料，采用PEG6000模拟干旱胁迫条件，对糜子芽期和苗期9个性状的抗旱性指标进行分析，并采用隶属函数法、聚类分析法、相关性分析等评价西北地区不同糜子资源的抗旱性差异，旨在为发掘强抗旱性糜子资源、选育抗旱糜子品种和抗旱分子机理研究提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为来自西北地区的40份糜子资源，由中国农业科学院作物科学研究所资源中心谷子高粱糜子课题组提供，40份糜子资源的名称、来源如表1所示。

表1 糜子资源名称与来源Tab.1 Names and origins of broomcorn millet resources

1.2 试验方法

参照邵欢欢等[27]的方法对试验材料进行芽期和苗期抗旱性鉴定。

1.2.1 芽期抗旱性鉴定 随机挑选其中7个糜子品种进行PEG6000胁迫浓度筛选。各品种取大小一致的糜子种子用1%次氯酸钠溶液浸种消毒10 min，之后用无菌水冲洗3次，放置20粒种子在发芽床上（发芽床为直径9.4 cm、铺有2层滤纸的培养皿），将PEG6000胁迫浓度设置7个梯度，分别为：0（CK）、5%、10%、15%、20%、25%、30%，将其放入恒温等湿的环境进行发芽处理，每个处理重复3次。于第4天统计发芽势（GV）和第7天统计发芽率（GR），根据结果筛选生长情况差异最大的PEG6000胁迫浓度，使用该浓度对所有品种糜子进行芽期抗旱性鉴定，并对芽期各性状指标进行相关性分析、主成分分析、隶属函数平均值分析等抗旱综合分析。

1.2.2 苗期抗旱性鉴定 每个品种试验材料随机选取7粒种子消毒后各自播入育苗盘中，每日补充适量营养液，在25 ℃恒温光照培养箱中进行培养，待幼苗长至三叶一心时，每孔保留生长一致的幼苗5株进行胁迫处理。试验组用Hoagland营养液和筛选好浓度的PEG6000溶液模拟干旱胁迫处理4 d，后3 d只 用Hoagland营 养 液 处 理；对 照 组 用Hoagland营养液处理7 d。试验与对照营养液处理总量相同。试验结束后每孔挑选3株糜子测量苗长（SL）、根长（RL）、苗鲜质量（SFW）、根鲜质量（RFW）、苗干质量（SDW）和根干质量（RDW），用SPAD仪（TYS-B）测定叶绿素含量（CC），进行苗期抗旱性指标鉴定，并对苗期指标进行相关性分析、主成分分析、隶属函数平均值分析等抗旱综合分析。

1.2.3 指标隶属函数分析、相关性分析和主成分分析 隶属函数分析的指标有：隶属函数发芽势、隶属函数发芽率、隶属函数叶绿素，取这3个指标平均值为芽期隶属函数平均值（1）；隶属函数根长、隶属函数苗长、隶属函数根鲜质量、隶属函数苗鲜质量、隶属函数根干质量、隶属函数苗干质量，取这6个指标平均值为苗期隶属函数平均值（2）。

相关性分析的指标有：相对发芽势（RGP）、相对发芽率（RGR）、相对根长（RRL）、相对苗长（RSL）、相对根鲜质量（RRFW）、相对苗鲜质量（RSFW）、相对根干质量（RRDW）、相对苗干质量（RSDW）、相对叶绿素含量（RCC）。

主成分分析指标有：相对根长（RRL）、相对苗长（RSL）、相对根鲜质量（RRFW）、相对苗鲜质量（RSFW）、相对根干质量（RRDW）、相对苗干质量（RSDW）、相对叶绿素含量（RCC）。

1.3 数据分析

试验采用Microsoft Excel、SPSS 25.0软 件 进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 芽期和苗期不同糜子资源对干旱胁迫的响应

通过比较同一品种不同浓度PEG6000下的7个样品的发芽势和发芽率，发现在25% PEG6000浓度胁迫下糜子生长情况差异最明显，所以，将其作为筛选糜子抗旱性胁迫浓度。

从表2可以看出，干旱胁迫下发芽势、发芽率、根长、苗长、苗鲜质量、苗干质量的测量值较对照均下降。其中，发芽势和发芽率较对照下降明显，干旱胁迫后糜子发芽势较对照减少85.69百分点，发芽率较对照减少97.50百分点，是所有指标中变化幅度最大的。根长、苗长、苗鲜质量也受到了抑制，较对照分别减少0.05、1.45、0.07百分点，苗长变异系数最大，苗鲜质量和根长次之。从表2也可以看出，干旱胁迫下根干质量平均值、根鲜质量平均值与对照相比没有变化，绿素含量在干旱胁迫下平均较对照增加了0.88百分点。由此可知，干旱胁迫对糜子抑制作用表现在多个性状上，并且芽期、苗期抑制程度差异不同。

表2 PEG胁迫下40份糜子品种抗旱指标统计Tab.2 Statistical analysis of drought resistance indexes of 40 broomcorn millet varieties under PEG stress

通过成对样本t检验显示，对照与处理间t值变化范围是[-190.74，2.03]，其中，发芽势t值为-35.44，发芽率t值为-190.74，|t|值越大说明样本差异越显著，所以，PEG水分胁迫对种子发芽产生了特别明显的抑制作用。干旱胁迫下各性状指标变异系数为0.13%～6.33%，其中，发芽势变异系数变化最大，较对照变化增加了6.15百分点；其次是发芽率，较对照组变化增加3.29百分点；苗期除苗长以外，所有指标变异系数较对照都有所下降，但下降幅度不大。

综上所述，不同品种在PEG胁迫下检测性状差异明显，其中，芽期的发芽势和发芽率性状差异显著，苗期的苗长、苗鲜质量和根长性状差异明显，可作为抗旱性鉴定指标，但由于鉴定分析糜子资源抗旱性与多项指标有关，所以，不能单一指标进行评价，会导致试验结果不够准确，多指标综合鉴定分析才能使结果更加准确有力。

2.2 PEG胁迫下糜子各性状的相关性分析和主成分分析

从表3可以看出，芽期的2个指标相对发芽势和相对发芽率相关性较低，为0.12；苗期指标中相对根鲜质量与相对根干质量相关系数最大，为0.91，二者相关性最高；相对苗鲜质量与相对苗干质量相关系数为0.83，相关性次之；相对苗长与相对苗鲜质量的相关系数为0.81，相关性其次；苗期7个指标除相对叶绿素含量之外，其余指标间均呈极显著正相关关系。相关系数表明，芽期指标与苗期各指标间均无相关性或相关性极小，相对叶绿素含量与相对发芽率、相对苗鲜质量有一定相关性，与其余性状相关性均较低。检测指标间显著的相关性表明，PEG胁迫对各性状作用效果明显，但仍有局限性，除了可以利用发芽势、发芽率、苗长、苗鲜质量和根长对糜子芽期和苗期抗旱性进行评价外，还可以借助与其指标相关的其他分析方法来评价糜子抗旱性。

表3 干旱胁迫下各指标的相关性分析Tab.3 Correlation analysis of each index under drought stress

采用主成分分析法对40份糜子资源苗期7个抗旱指标相对值（相对根长、相对苗长、相对根鲜质量、相对苗鲜质量、相对根干质量、相对苗干质量、相对叶绿素含量）进行分析。由表4可知，前2个因子特征值为4.44和1.01，贡献率分别为63.38%和14.40%，累计贡献率达77.78%，根据主成分分析法累计贡献率大于70%的原则，前2个因子可作为主成分代表苗期7个抗旱指标进行抗旱等级评价。

表4 抗旱指标特征值与累计贡献率Tab.4 Eigen values and cumulative contribution of drought resistance indexes

从苗期各主成分分析结果（表5）可以看出，在因子1中，起主要作用的指标是相对苗鲜质量（0.92）、相对根干质量（0.90）、相对苗长（0.86）、相对根鲜质量（0.85）、相对苗干质量（0.83）、相对根长（0.78）；在因子2中，起主要作用的指标是相对叶绿素含量，为0.98。在相关性分析的基础上结合以上数据，表明糜子苗期幼苗生长的7个性状指标可以作为抗旱性强弱评价的主要考虑因素，且通过相对叶绿素含量表明苗期受干旱胁迫强弱会影响植物的光合作用。

表5 苗期各主成分分析Tab.5 Principal component analysis at seedling stage

2.3 40份不同品种糜子资源的芽期和苗期抗旱性评价

2.3.1 芽期抗旱性评价 对芽期隶属函数平均值和芽期综合抗旱系数进行相关性分析，从表6可以看出，二者间相关系数为0.89，呈极显著相关，表明芽期综合抗旱系数和芽期隶属函数平均值均可作为判断糜子芽期抗旱性强弱的指标。

表6 芽期和苗期指标相关性分析Tab.6 Correlation analysis between indexes in bud and seedling stage

应用隶属函数法评价抗旱性[28]，隶属函数值越大，抗旱性越强[29]。参考前人抗旱性分级标准[30]（1级，隶属函数平均值0.6～0.8，为抗旱型品种；2级，隶属函数平均值0.4～0.6，为较抗旱型品种；3级，隶属函数平均值0.2～0.4，为较不抗旱型品种；4级，隶属函数平均值小于0.2，为不抗旱型品种），对芽期隶属函数平均值进行分级（表7），结果表明，芽期抗旱品种是甘肃永登小黑糜（00002741）；较强抗旱品种是新疆黄糜子（00003056）；较不抗旱品种有青海大黄糜（00005532）和青海白圪塔糜（00007478）；不抗旱型品种有36个，占供试品种的90%。

表7 芽期隶属函数平均值分级Tab.7 Grading of the mean value of the subordinate function at bud stage

用苗期综合抗旱系数进行聚类分析综合评价结果可以看出（表8），1级抗旱品种有宁夏黄糜（00006798）；2级抗旱品种有甘肃张掖老黄糜子（00002684）和新疆黄糜子（00003056）；3级抗旱品种有8个，占供试品种的20%；4级抗旱品种有24个，占供试品种的60%；5级抗旱品种有5个，占供试品种的12.50%。

表8 苗期3项指标综合评价Tab.8 Comprehensive evaluation of three indexes at seedling stage

用苗期综合抗旱得分F值进行聚类分析综合评价，结果发现（表8），1级抗旱品种是宁夏黄糜（00006798）；2级抗旱品种是甘肃张掖老黄糜子（00002684）和新疆黄糜子（00003056）；3级和4级抗旱品种同用苗期综合抗旱系数进行的聚类分析结果一致；5级有5个，占供试品种的12.50%。因为苗期综合抗旱系数和苗期综合抗旱得分F值相关性呈极显著相关，所以，二者指标综合分析大致相同。

用苗期隶属函数平均值聚类分析综合评价发现（表8），1级抗旱品种有6个，分别是宁夏黄糜（00006798）、新疆黄糜子（00003056）、甘肃鼓鼓头糜（00007332）、甘肃张掖老黄糜子（00002684）、青海黄糜子（00005574）、甘肃广河黄糜（00003041），占供试品种的15%；2级抗旱品种有4个，分别是甘肃皋兰半脸红（00002778）、甘肃E75-30（00007889）、宁夏宁糜6号（00002651）、甘肃60天紫秆红小糜（00002878），占供试品种的10%；3～4级抗旱品种有26个，占供试品种的65%；5级抗旱品种有4个，占供试品种的10%。

综合以上评级，在苗期抗旱性评价中抗旱性最强的品种是宁夏黄糜（00006798），抗旱性较强的品种有甘肃张掖老黄糜子（00002684）、新疆黄糜子（00003056）、甘肃鼓鼓头糜（00007332）、青海黄糜子（00005574）和甘肃广河黄糜（00003041）。

2.4 40份糜子资源芽期、苗期抗旱性综合分析

在芽期抗旱鉴定评价中，从40份来自西北不同地区的糜子资源中选出1份芽期强抗旱资源甘肃永登小黑糜（00002741）；较强抗旱资源是新疆黄糜子（00003056）。在苗期抗旱鉴定评价中，从同批糜子资源中选出6份苗期具有较强抗旱性的资源：宁夏黄糜（00006798）、甘肃张掖老黄糜子（00002684）、新疆黄糜子（00003056）、甘肃鼓鼓头糜（00007332）、青海黄糜子（00005574）和甘肃广河黄糜（00003041）。通过聚类分析综合评价，新疆黄糜子（00003056）是40份糜子资源中芽期和苗期都有较强抗旱性的品种。

3 结论与讨论

干旱给农业发展带来极大的危害，目前主动应对干旱是大家关注的热点，比如科学选用抗旱作物、有效利用土壤水分、提高整地质量等都是积极主动的抗旱措施。在土壤干旱时，各种作物耗水量都会下降，其中，糜子在中度干旱时耗水降低量是作物中最少的，仅降低22.55%，而谷子为71.50%，玉米为50.31%，高粱为33.80%；严重干旱时糜子耗水降低量为62.55%；极严重干旱时糜子还能正常抽穗结实得到少量的籽粒[31]，此外，糜子能有效地利用生育后期的自然降水弥补前期遇到干旱的影响，减少产量的损失，上述都说明糜子是禾谷类作物中抗旱性较强的一种作物，既能抗土壤干旱，又抗大气干旱[32]。近年来，利用室内试验方法鉴定作物抗旱性研究有很多，如李静静等[33]在不同基因型小麦品种萌发期抗旱性鉴定中指出，在PEG6000模拟干旱胁迫下各项指标较对照组均有下降；孙瑶等[34]在棉花芽期抗旱性鉴定中发现，植株在遭受干旱时，各项指标或多或少都有下降趋势；而左凯峰等[35]在研究甘蓝型油菜苗期抗旱性鉴定中也说明了这一点，本试验中干旱胁迫条件下测量的各项指标与前人研究结论基本一致，试验结果中苗期苗长受干旱抑制最严重的结论与任毅等[36]对国内外小麦抗旱性鉴定所得到的结果相符合。抗旱性鉴定的关键是选择合适的生理指标作为抗旱鉴定指标，作物在抗旱过程不只一个因素起作用，徐银萍等[28]在研究大麦种质资源成株期抗旱鉴定中发现，作物抗旱性不能取决于某一性状或者某几个生理指标，综合所有指标分析作物抗旱性得到的结论才是准确可靠的，本试验研究结果也印证了这一点。

在模拟干旱试验中，PEG6000浓度也是抗旱试验研究的重要因素。对于同一种作物而言，研究者使用的PEG6000模拟干旱的浓度各不相同，刘天鹏等[25]以20%的PEG6000作为模拟干旱胁迫条件，对糜子芽期抗旱性进行了研究；而张盼盼等[26]使用25%的PEG6000作为模拟糜子芽期干旱胁迫条件，尽管2个试验研究作物相同，但所使用的PEG6000浓度不同，二者试验均证明相对发芽率可作为糜子芽期抗旱鉴定的指标。目前大多数研究者在作物抗旱性方面选用的PEG6000浓度在20%～25%。研究也表明，同一浓度的PEG6000对不同植物影响也不同，5%的PEG6000抑制鸭茅种子的萌发[37]，但是会促进牧草饲料作物种子的萌发[38]。这说明，用PEG6000模拟干旱条件时，可以根据不同作物的响应，选择最适宜的浓度。

本研究在25% PEG6000模拟干旱条件下，鉴定西北地区40份糜子资源的抗旱性，获得芽期抗旱和较抗旱资源2个，分别为甘肃永登小黑糜（00002741）和新疆黄糜子（00003056）；采用隶属函数法和综合抗旱系数聚类分析方法综合鉴定获得苗期抗旱资源6份，分别为宁夏黄糜（00006798）、甘肃张掖老黄糜子（00002684）、新疆黄糜子（00003056）、甘肃鼓鼓头糜（00007332）、青海黄糜子（00005574）和甘肃广河黄糜（00003041）。通过相关分析法、隶属函数法和综合抗旱系数聚类分析法等多种抗旱鉴定方法综合评价，新疆黄糜子（00003056）苗期、芽期均表现出较强的抗旱性，可以用作抗旱育种中的优异亲本材料。