冀北不同裸燕麦品种萌芽期抗旱性评价

王星宇，王 霞，程 静，李默涵，冯小磊，李云霞，左文博，董占红，葛军勇

（张家口市农业科学院/河北省高寒作物研究所，河北 张家口 075000）

燕麦隶属于禾本科（Poaceae）燕麦属（AvenaL.）， 为1年生草本植物，分布于亚洲、欧洲、美洲等5个大洲的76个国家，是全球第七大栽培作物，具有极高的营养、医疗保健、饲用与生态价值，是一种粮、饲、药多用途作物，也是对抗生态环境退化的先锋作物[1-3]。我国种植的主要为大粒裸燕麦（Avena nuda）[4]，其种植区分布在华北、西北、西南、东北高海拔高纬度的干旱、冷凉地区，是产区人民的主要食粮与草料作物。因燕麦主要产区分布在干旱半干旱地区，降水量时空分布极不均衡，加之气候变化带来的干旱等自然灾害发生频次增加，季节性干旱和不定期干旱频发，干旱成为该区域限制燕麦高产、稳产的主要逆境因子。因此，抗旱性研究成为近年来燕麦研究领域的一大热点，诸多学者已从抗旱性鉴定与评价、水分胁迫下生理生化响应机理等方面开展了大量研究[5-8]，加深了人们对燕麦抗旱机理的认知。从国内外生产实践来看，培育和选择抗旱品种可能是应对干旱胁迫最有效的途径，而大量、快速、准确地鉴定出不同燕麦种质的抗旱能力与特性对培育抗旱品种至关重要，这就需要对抗旱性的鉴定指标进行系统性研究[9-15]。

前人已在农作物抗旱鉴定方法、抗旱分子机制和燕麦品种抗旱研究方面取得一定进展[7,16-18]，但在燕麦主推品种的抗旱性方面研究较为薄弱。本研究选取12个冀北高寒区域生育期不同、表型性状差异较大的裸燕麦主推品种及高代稳定品系，通过聚乙二醇（PEG-6000，polyethylene glycol）高渗溶液模拟干旱胁迫，在种子萌芽期测定发芽势、发芽率等指标以及种子萌发指数、种子活力指数等抗旱性相关指数[19-21]，研究不同品系燕麦种子萌芽期对干旱胁迫的响应，进而对其抗旱性进行综合评价，旨在为裸燕麦品种在冀北地区的栽培与选育方向提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验选用的12个燕麦品种为品五（Pinwu）、坝莜 1号（Bayou 1）、坝莜 3号（Bayou 3）、坝莜 6号（Bayou 6）、坝莜8号（Bayou 8）、坝莜9号（Bayou 9）、坝莜14号（Bayou 14）、9641-6、9641-13、坝莜 18号（Bayou 18）、坝莜 19号（Bayou 19）和 200919-7-1，其中，坝莜1号为对照品种。参试所用燕麦种子均为2020年张家口市农业科学院在张北县繁种基地繁育获得。

1.2 试验方法

本试验因素有2个，即PEG-6000模拟外界干旱胁迫环境和燕麦品种。其中，干旱胁迫有6个处理：5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000梯度（m/V）和蒸馏水对照（CK）；12个燕麦品种每个处理重复3次，1个培养皿代表1次重复，共计216个培养皿。采用纸上发芽法，依据《农作物种子检验规程-发芽试验》（GB/T 3543.4—1995）标准进行试验，每个燕麦品种选取饱满无残缺、大小基本一致的种子，用5%的NaClO溶液浸泡燕麦种子15 min进行消毒处理，后用自来水冲洗2 min，再用蒸馏水漂洗3次，于纱布上摊开自然晾干备用。在每个培养皿上平铺2张中性滤纸，用移液枪分别向不同培养皿中注入8 mL PEG-6000溶液，对照中注入等量的蒸馏水，用镊子（75%乙醇消毒）将燕麦种子放置在培养皿中，每个培养皿放置燕麦种子50粒，盖上培养皿盖培养，放置于人工培养箱，22 ℃恒温、相对湿度 60%～65%、每日光照 12 h（4 000 lx），培养10 d。根据前期测算同等环境时间蒸馏水蒸发量，用定量蒸馏水补充损失的水分，保持滤纸水分与PEG浓度，并从第2天开始统计发芽种子数。

1.3 测定指标及方法

试验过程中统计发芽种子数（以胚根长度至少与种子等长、芽长不短于种子长的1/2为发芽标准），计算发芽率。从培养第2天开始调查发芽种子数，每隔24 h统计一次，分别以第5、10天的发芽率作为发芽势（GE，germination energy）和发芽率（GR，germination rate）。培养至第10天时，从3个重复中挑选10株正常生长的幼苗，吸干表面附着水分后测定初生根、胚芽长、初生根数（NPR，number of primary root）、最长初生根长（LLPR，length of the longest primary root）、初生根总长（TLPR，total length of primary roots）、胚芽鞘长（CL，length of coleoptile）、胚芽长（SL，length of shoot）等关键指标。根据发芽种子数计算发芽率（GP，germination percentage）、发芽指数（GI，germination index）、种子萌发抗旱指数（PI，promptness index）等。

式中，Gt为第t天的发芽种子数，Dt为培养萌发的第t天，nd2、nd4、nd6、nd8分别为第 2、4、6、8天的种子发芽率。

1.4 数据分析

利用Excel 2016整理数据，使用SPSS 22.0进行数据的方差分析、相关性分析、主成分分析和逐步回归分析。采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）对不同浓度PEG胁迫下各燕麦品系的萌芽期抗旱性指标进行分析，采用单因素方差分析（ANOVA）对不同浓度PEG-6000胁迫下单一品种燕麦种子萌芽期各指标间的差异进行比较（LSD法）。利用R语言进行聚类分析并制作相关图表。

2 结果与分析

2.1 不同干旱胁迫下燕麦种子发芽率变化

发芽率代表了种子的活性，表1结果显示，干旱胁迫处理、燕麦品种及二者的交互作用均可极显著影响燕麦种子的发芽率（P＜0.01），表明不同燕麦品种对干旱胁迫的响应与适应策略不同。

表1 干旱胁迫对不同燕麦品种发芽率影响的方差分析结果Tab.1 Analysis of variances for germination rate of different oat varieties under drought stress

不同干旱胁迫处理下各燕麦品种随培养时间延长发芽种子数变化如图1所示，在中等干旱胁迫（PEG溶液为10%和15%）处理下均表现为前期快速发芽、后期种子发芽数较低的趋势，种子发芽主要分布在第2～5天，各品种的种子发芽数表现出较为明显的差异；而高干旱胁迫（PEG溶液为20%）种子发芽进程延缓，种子发芽主要分布在培养的第4～8天；而进一步增加干旱胁迫（PEG溶液为25%）条件下，所有品种的燕麦种子均未发现发芽情况（该浓度下种子的表现在后续的分析中不再予以考量）。

图1 干旱胁迫对不同裸燕麦品种发芽种子数的影响Fig.1 Effect of drought stress on number of germination seeds of different naked oat varieties

不同干旱胁迫处理下不同燕麦品种发芽率的多重比较结果如图2所示，随着PEG溶液浓度的增加，发芽率总体呈现降低趋势。清水对照处理下，种子发芽率平均为91%，5%的PEG溶液处理下，平均发芽率降低至79%，与对照相比发芽率降低13.2%；10%和15%的PEG溶液处理下发芽率分别降至57%和44%，与对照相比发芽率分别降低37.4%和51.6%；而高度干旱胁迫处理下，平均发芽率降低至18%，仅为对照的20%，说明增加干旱胁迫强度将显著抑制燕麦种子的发芽率，并且相比低等和高等干旱胁迫，各品种的种子发芽数以及发芽率在中等干旱胁迫处理下表现出较为明显的差异，适宜于对种子发芽的各项指标进行分析；中等干旱胁迫处理使发芽率降低至70%以下，不同品种表现出极显著差异（P＜0.01，图2），10%的PEG溶液处理下，坝莜8号的发芽率仅为27%，显著低于对照，抗干旱胁迫的能力最弱。15%的PEG溶液浓度下，坝莜6号和品五仍保持较高的发芽率，分别为64%和62%。结合高度干旱胁迫处理使发芽率综合来看，坝莜8号、坝莜9号和9641-13的发芽率降幅最大，抗旱性较差。

图2 干旱胁迫对不同裸燕麦品种发芽率的影响Fig.2 Effect of drought stress on the germination rate of different naked oat varieties

2.2 不同干旱胁迫下燕麦种子发芽势变化

发芽初期规定时间内正常发芽数越高，则表示种子的生活力越强，发芽出苗情况整齐一致。从表2可以看出，干旱胁迫处理极显著影响燕麦种子的发芽势（P＜0.01），不同燕麦品种间种子发芽势差异极显著（P＜0.01），干旱胁迫和品种对发芽势的影响存在极显著互作效应（P＜0.01），表明不同燕麦品种的发芽势对干旱胁迫的响应与适应策略有显著差异。

表2 干旱胁迫对不同燕麦品种发芽势影响的方差分析结果Tab.2 Analysis of variances for germination potential of different oat varieties under drought stress

由图3可知，随着PEG溶液浓度的增加，燕麦种子发芽势逐渐降低。清水对照下，平均发芽势为50%，轻度干旱胁迫使发芽势降至43%，降幅达14%，中度干旱胁迫处理分别使发芽势降至32%和24%，降幅分别为36%和52%。不同燕麦品种本身的发芽势差异较大，坝莜18号的发芽势最高，达62%，其次是9641-13，为59%，坝莜19号和坝莜8号的发芽势最低，与对照的39%持平。中等干旱胁迫处理使发芽势降低至50%以下，且不同品种表现出极显著差异（P＜0.01）。10%的PEG溶液处理下，发芽势减少量介于2%～30%，坝莜6号的变化最小，坝莜9号的变化最大，坝莜6号的发芽势为47%，显著高于其他品种（P＜0.05）；200919-7-1、坝莜14号、坝莜18号、坝莜3号和品五的发芽势仅次于坝莜6号。15%的PEG溶液处理下，坝莜6号的发芽势显著高于其他品种（P＜0.05）。高度干旱胁迫处理使发芽势降低至11%以下，且不同品种间差异显著（P＜0.05），200919-7-1、坝莜 3号、坝莜6号和品五的发芽势显著高于其余品种（P＜0.05），介于8%～10%；其余品种的发芽势均在5%以下，进一步增加胁迫强度将完全消除种子发芽势。

图3 干旱胁迫对不同裸燕麦品种发芽势的影响Fig.3 Effect of drought stress on germination potential of different naked oat varieties

2.3 不同干旱胁迫下燕麦种子发芽指数变化

方差分析结果表明（表3），干旱胁迫处理极显著影响燕麦种子的发芽指数（P＜0.01），不同燕麦品种间种子发芽指数差异达极显著水平（P＜0.01），干旱胁迫和品种对发芽势的影响存在极显著互作效应（P＜0.01）。

表3 干旱胁迫对不同燕麦品种发芽指数影响的方差分析结果Tab.3 Analysis of variances for germination index of different oat varieties under drought stress

如图4所示，随干旱程度的逐渐加重，12个燕麦品种的种子发芽指数总体呈逐渐降低趋势，不同干旱程度下不同燕麦品种间的发芽指数差异显著。清水对照下，9641-13的发芽指数最大，为14.4，其次是品五，为13.9。多重比较结果表明，10%和15%的PEG浓度处理下，相比清水对照，发芽指数减少最多的分别是坝莜8号和9641-13，而坝莜6号减少最少，且其发芽指数（10.6）显著高于其他品种（P＜0.05）。20%的PEG浓度处理下，发芽指数降低至4以下，9641-13，坝莜3号和坝莜6号的发芽指数在3左右，显著高于其他品种（P＜0.05）。

图4 干旱胁迫对不同裸燕麦品种发芽指数的影响Fig.4 Effect of drought stress on germination index of different naked oat varieties

2.4 不同干旱胁迫下燕麦种子萌发抗旱指数变化

方差分析结果表明（表4），干旱胁迫处理极显著影响燕麦种子萌发抗旱指数（P＜0.01），不同燕麦品种间种子萌发抗旱指数差异达极显著水平（P＜0.01），干旱胁迫和品种对种子萌发抗旱指数的影响存在极显著互作效应（P＜0.01）。

表4 干旱胁迫对不同燕麦品种种子萌发抗旱指数影响的方差分析结果Tab.4 Analysis of variances for germination drought resistant index of different oat varieties under drought stress

从图5可以看出，随干旱胁迫程度的逐渐加重，12个燕麦品种的种子萌发抗旱指数均呈现出逐渐降低的趋势，不同干旱程度下不同燕麦品种间的种子萌发抗旱指数差异显著（P＜0.05）。清水对照下，9641-13、坝莜18号、坝莜3号和品五的种子萌发抗旱指数最高，均在1.6以上；其次是坝莜14号，为1.5，坝莜19号和坝莜8号的种子萌发抗旱指数与对照（1.2）间无显著差异。

图5 干旱胁迫对不同裸燕麦品种种子萌发抗旱指数的影响Fig.5 Effect of drought stress on germination drought resistant index of different naked oat varieties

中等干旱胁迫处理下，种子萌发抗旱指数减少最多的是坝莜9号，减少最少的是坝莜6号，多重比较结果表明，其种子萌发抗旱指数显著高于其他品种（P＜0.05），其次依次是品五、坝莜18号和坝莜3号。20%的PEG浓度处理下，种子萌发抗旱指数降低至0.4以下，坝莜3号和坝莜6号的种子萌发抗旱指数在0.35左右，显著高于其他品种（P＜0.05），其次是200919-7-1、9641-13和品五，介于0.26～0.29。

2.5 干旱胁迫下12个裸燕麦品种5个指标的聚类分析结果

以12个裸燕麦品种在中等干旱胁迫下的初生根数、最长初生根长、初生根总长、胚芽鞘长、胚芽长共5个指标作为变量，采用R语言进行聚类分析，结果如图6所示，当以遗传距离8为阈值，12个燕麦品种被聚为3类，类群I仅有1个品种（200919-7-1），其最长初生根、初生根总长和胚芽长度3个指标均为最长；类群II由对照坝莜1号、品五和坝莜3号组成，该类品种无论是初生根数还是其他初生根和胚芽的长度指标均比较高；类群III包括其余的坝莜18号等8个品种，该类品种占总品种的66.7%，其初生根等各项生长指标相对值并不突出。

图6 12份燕麦品种早期生长指标聚类分析结果Fig.6 Cluster analysis results of early growth indexes of 12 oat varieties

3 结论与讨论

在当今气候变化背景下，极端干旱气候的发生频率增加，抗旱育种面临前所未有的挑战[22-25]。本研究利用广泛使用的PEG模拟干旱胁迫对12份燕麦品种的抗旱性进行鉴定，10%和15%的PEG溶液模拟的中度干旱胁迫使得各品种种子的发芽数以及发芽率表现出较为明显的差异。前人模拟抗旱研究大多是对单一浓度下种子的抗旱表现展开分析[26]。本研究结合轻度和高度干旱胁迫下部分品种的表现，作为种子抗旱发芽方面的依据，结果表明，5%的PEG溶液下，坝莜3号和坝莜14号继续保持较高的发芽率，轻度干旱胁迫反而促进其发芽率增加，这可能与轻度干旱胁迫激发了种子生理和代谢强度，促进了根系生长和活力有关[27-30]。在中度干旱胁迫下，坝莜6号和品五能维持较高（60%以上）的发芽率，坝莜1号和坝莜8号的发芽率降至40%以下，说明不同品种对不同干旱胁迫程度的适应能力不同，不同燕麦品种对干旱胁迫的响应规律有待深入研究[31-32]。坝莜6号和品五在中度干旱胁迫条件下，发芽势也维持在较高水平，可能是由于细胞在干旱胁迫下会分泌游离脯氨酸等渗透调节物质对细胞内结构进行保护，增强了种子萌芽期抗旱性[7，24，27-28，33]。重度干旱条件下，种子的发芽势基本消失，实际生产中，如遇较大旱情，应及时浇蒙头水以保证出苗[34]。

此外，在发芽指数方面，中等浓度10%和15%的PEG溶液处理下，发芽指数减少最多的是坝莜8号和9641-13，减少最少的均为坝莜6号，说明坝莜6号的避旱性和抗旱能力较强，在轻度至中度干旱胁迫条件下，仍能保持较高的发芽指数[8]。200919-7-1和坝莜8号对干旱胁迫较为敏感，轻度干旱则使其发芽指数显著降低；中度干旱胁迫条件下，参试品种的发芽指数变化差异较大，能维持较高发芽指数的品种是坝莜6号和品五，但个别品种的发芽指数大幅降低，如9641-13，说明不同品种对不同程度干旱胁迫的响应大小和方向差异较大，对干旱胁迫的敏感性不同[17]。在萌发抗旱指数方面，不同燕麦品种差异显著，除坝莜19号、坝莜8号和对照的萌发抗旱指数较低外，其余参试品种的萌发抗旱指数均在1.5左右。随着干旱胁迫程度的增加，坝莜8号的萌发抗旱指数大幅降低，表现出较差的萌发期抗旱性。而且，随着PEG浓度的增加，萌发抗旱指数在品种间的差异逐渐拉大，坝莜18号、坝莜6号和品五维持着较高的萌发抗旱指数，表现出较低的干旱敏感性；坝莜19号、坝莜8号和坝莜9号的萌发抗旱指数大幅降低，表现出较高的干旱敏感性。因此，燕麦生产中应选择萌发抗旱指数高的品种，在干旱发生时增强种子萌发期抗旱能力。

同时对中等干旱胁迫下种子初生根和胚芽的生长情况进行聚类分析，结合发芽指标综合评价以筛选出抗旱性较强的优势裸燕麦品种。聚类分析将12个燕麦品种分为三大类，类群I的200919-7-1和类群II的对照坝莜1号、品五和坝莜3号的初生根数、最长初生根长、初生根总长、胚芽鞘长、胚芽长5个生长指标的相对值较高，属于抗旱性品种，这与之前分析的燕麦种子发芽指数和萌发抗旱指数结果基本一致。

本试验在模拟干旱胁迫条件下，干旱胁迫程度、燕麦品种以及二者的交互作用均显著影响燕麦种子发芽率、发芽势、发芽指数和萌发抗旱指数等指标。从发芽率、发芽势、发芽指数和萌发抗旱指数以及聚类分析来看，品五和坝莜3号的抗旱性最为突出，干旱胁迫条件下仍能保证一定发芽率和发芽势以及维持较高的发芽指数和萌发抗旱指数。坝莜6号和200919-7-1也具有较好的抗旱性，但应对不同程度的干旱表现不一致。后期须通过田间试验进一步验证不同品种的抗旱表现，同时应考虑测定种子萌芽期相关激素含量及基因表达情况，揭示不同品种抗旱性差异的分子机制。