高粱自交系萌发期对干旱胁迫的响应及抗旱性评价

张瑞栋 常嘉荣 陈海云 梁晓红 刘 静 南怀林 王颂宇 曹 雄*

(1.山西农业大学 经济作物研究所,太原 030031;2.山西农业大学 农学院,太原 030031)

自20世纪50年代后期以来,我国降水总体偏少,干旱已经成为限制农业生产发展的主要因素,而且影响程度仍在不断加剧[1]。我国北方地区多属于温带大陆性气候,春季风多风大、空气干燥极易造成春旱,给农业生产带来了极大的挑战。种子萌发是决定作物产量的重要环节。种子快速萌发能使作物在与杂草的竞争中占据优势,获得更多作物生长所需的光照、营养、水分和空间,进而提高作物成苗率和产量[2]。春季干旱常导致高粱出苗质量差,严重影响高粱产量形成。培育萌发期抗旱品种,对高粱产业的发展具有重要意义。

高粱用途广泛,且具有较强抗逆性,常作为旱区农业生产的首选作物[3-4]。已有研究结果表明不同高粱种质资源在应答干旱胁迫时具有明显的多态性,说明高粱的种质资源在抗旱性方面存在丰富的遗传变异[5-6]。然而,当前高粱的抗旱资源利用较少,其主要原因是对种质资源的鉴定和认识不足[7]。对高粱的种质资源进行萌发期抗旱性鉴定,有利于挖掘高粱的抗旱资源和培育抗旱品种[8],对提高高粱水分利用率和保障旱区粮食安全具有重要意义。

在种质资源的评价鉴定中,表型分析仍然是育种的一个重要部分[9-10]。张丽霞等[5]以干旱胁迫下的出苗率为鉴定标准,对396 份高粱进行抗旱筛选,最终筛选出4份抗旱能力较强的高粱材料。种子的萌发是由多基因控制的复杂生理过程,利用多个指标综合评价萌发期的综合抗性已成为研究萌发期抗逆性的重要手段[11-12]。综合指标分析已在高粱的耐盐[13-14]、耐碱[15]、耐低温[16]等抗逆鉴定中得到广泛的应用,并且收到良好的效果。吴奇等[17]利用主成分结合聚类分析的方法,对54份高粱杂交种进行萌发期抗旱性的筛选、鉴定,结果表明萌发抗旱指数、发芽率和根长等性状可作为评价高粱品种萌发期抗旱性鉴定的主要指标。目前,关于高粱自交系萌发期的抗旱综合鉴定的研究鲜见报道。本研究以常用的118份高粱自交系为试验材料,利用人工气候箱统一培养,采用PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫,测定高粱萌发期发芽率、芽长、根长、芽重和根重等指标,通过相关分析、主成分分析、聚类分析,鉴定不同高粱自交系的抗旱性,旨在筛选出萌发期抗旱性较强的种质资源,以期为高粱抗旱资源的挖掘和抗旱品种的培育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料包括118份来自全国的高粱自交系,材料收集于山西农业大学经济作物研究所和沈阳农业大学高粱课题组。

1.2 试验方法

于2022年在山西农业大学经济作物研究所高粱生理实验室进行。试验采用完全随机区组试验设计,不同的高粱自交系为主因素,每个自交系3次重复。每个种质材料随机选取30粒大小一致的种子,经NaHClO3浸泡5 min,用流动水冲洗,用滤纸吸干后,摆放至铺有双层滤纸的培养皿(直径15 cm)中。为确定萌发期抗旱筛选最适宜的胁迫浓度,前期通过随机选取6份高粱自交系用PEG模拟干旱进行筛选。设置4个模拟干旱胁迫水平,PEG-6000摩尔浓度分别为0.013、0.020、0.025、0.029 mol/L(80、120、150和175 g/L)对应水势分别为-0.1、-0.2、-0.3和-0.4 MPa,以ddH2O作为对照(CK),每个培养皿中加入ddH2O或PEG溶液20 mL,25 ℃培养,第7天测定芽长和根长,通过计算不同PEG浓度下相对芽长和相对根长的变异系数确定适宜的PEG筛选浓度。以适宜的PEG浓度为鉴定标准,参照上述的发芽方法对118份高粱自交系进行抗旱性鉴定,在发芽第7天测定发芽率、芽长、根长、芽重和根重。

1.3 测定指标

1.3.1萌发指标

参照王志恒等[18]的方法,以胚根长度与种子等长且胚芽长度达到种子长度的1/2为发芽标准,在第7天测定种子的发芽率。

发芽率=第7天种子发芽数/供试种子数×100%

第7天,在每个培养皿内,随机挑选10粒种子,用直尺测定不同处理的芽长、根长,并用分析天平分别测定芽重和根重。

1.3.2抗旱相对值

参照吴奇等[17]的方法计算抗旱相对值,抗旱相对值=PEG胁迫指标的测定值/对照测定值。计算出相对发芽率、相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重。

1.4 数据处理

使用Excel 2010对数据进行整理、统计,利用Origin 7.0绘制柱形图,利用R4.2.2软件对萌发期的抗旱相对值进行相关分析,计算不同抗旱指标相对值的相关性。利用SPSS 3.0对抗旱相对值进行主成分分析,按照主成分的权重系数,计算不同自交系的抗旱综合得分。利用R4.2.2语言软件对抗旱综合得分进行聚类并绘图。

2 结果与分析

2.1 PEG浓度的筛选

由图1可知,随着PEG浓度的增加,6个自交系的相对芽长和相对根长均呈下降的趋势;随着PEG浓度的增加相对芽长和相对根长的变异系数呈先增加后降低的趋势,相对芽长和相对根长的变异系数均在0.025 mol/L (150 g/L)PEG处理时达到最大,分别为23.66%和24.48%,说明在0.025 mol/L下不同自交系的抗旱性差异最大。因此,选取0.025 mol/L (150 g/L)PEG-6000作为高粱萌发抗旱筛选的胁迫浓度。

不同小写字母表示在同一浓度下不同自交系间在0.05 水平上差异显著。

2.2 不同高粱自交系萌发期对模拟干旱胁迫的响应

由表1可知,在CK和0.025 mol/L (150 g/L)PEG-6000干旱胁迫处理下,不同高粱自交系的萌发指标均表现出差异。干旱胁迫与正常条件(CK)相比,芽重降低62.28%,降幅最大;发芽率降低13.23%,降幅最小。CK的发芽率、芽长、根长、芽重、根重变异系数分别为13.83%,18.34%,25.88%,21.57%,42.69%,干旱胁迫下变异系数依次为21.55%,30.73%、30.62%、33.17%、39.52%,除根重的变异系数降低外,其他指标的变异系数均表现增加。干旱胁迫下高粱的萌发指标均低于CK,表明干旱胁迫严重抑制高粱种子萌发。

表1 干旱胁迫对高粱萌发指标的影响

2.3 萌发期各指标的相关分析

由表2可知,相对芽长与相对根长、相对芽重、相对根重均呈极显著正相关,相关系数(r)分别为0.35、0.78、0.25;相对根长与相对芽重呈极显著正相关,r为0.25,与相对根重呈显著正相关,r为0.23;相对芽重和相对根重呈极显著正相关,r为0.33;相对发芽率与其他指标均未表现显著相关。各萌发指标的抗旱相对值存在一定的相关性,表明各萌发指标相对值信息存在相互交叉。

表2 不同自交系各性状相对值的相关系数

2.4 不同高粱自交系萌发期各抗旱指标的主成分分析

对118份高粱自交系的5个抗旱指标进行主成分分析,前2个主成分的累计贡献率达60.55%,且特征值>1,具有主要代表性(表3)。主成分Ⅰ的贡献率为35.81%,相对根重、相对芽重、相对根长在主成分Ⅰ的载荷较高,说明主成分Ⅰ主要反映高粱种子的发芽势;主成分Ⅱ的贡献率为24.74%,相对发芽率在主成分Ⅱ上的载荷较高,说明主成分Ⅱ主要反映种子的萌发率(表4)。

表3 2个主成分的特征值及贡献率

表4 各因子的载荷系数矩阵

以标准化的抗旱相对值为X赋值(X1:相对发芽率,X2:相对芽长,X3:相对根长,X4:相对芽重,X5:相对根重)对高粱自交系的抗旱性进行综合评价,以载荷值与特征值开方的比值为线性组合的系数,得到F1和F2的得分方程如下:

F1=0.060 5X1+0.452 0X2+0.397 0X3+

0.459 0X4+0.649 0X5

F2=0.338 0X1+0.623 0X2+0.288 0X3+

0.478 0X4-0.430 0X5

以主成分Ⅰ和主成分Ⅱ的贡献率与累计贡献率的比值为F1和F2的权重系数,得到F的得分方程如下:

F= 0.591F1+0.408F2

F越大则该自交系的抗旱能力越强。将标准化的抗旱相对值数据代入F的得分方程得到不同自交系的F,见表5。

表5 高粱自交系名称、综合因子得分及排序

2.5 不同高粱自交系萌发期抗旱性的综合评价

由图2可知,聚类分析将118份高粱自交系的抗旱性分为5类。第一类包含‘20LCS209’、‘20LCS150’等8个自交系,该类群的F最高为极端抗旱型自交系;第二类包含‘4126’、‘20LCS125’等31个自交系,该类群的F较大,为抗旱自交系;第三类群包含‘10036’、‘20LCS152’等41个自交系,该类群的F居中,所以该类群的抗旱性也表现为居中,为抗旱性中等的自交系;第四类包含‘20LCS167’、‘哲15B’等26个自交系,该类群的F偏低,为干旱敏感自交系;第五类群包含‘20LCS203’、‘京农2B’等的12个自交系,该类群的F最小,为干旱极端敏感自交系。

红色代表极端抗旱型自交系、蓝色代表抗旱自交系、绿色代表抗旱性中等的自交系、黄色代表干旱敏感自交系、紫色代表干旱极端敏感自交系。

2.6 不同抗旱自交系的形态指标变化

由图3可知,极端抗旱自交系的‘20LCS150’‘20LCS209’和干旱极端敏感自交系的‘20LCS151’‘20LCS117’的萌发表型与基于主成分和聚类分析对高粱萌发期抗旱鉴定的结果一致,说明采用主成分和聚类分析对高粱萌发期抗旱鉴定的结果准确可靠。

CK,对照处理,D,干旱胁迫处理。

3 讨 论

种质的萌发期抗旱性鉴定是抗旱高粱品种选育和抗旱机制研究的基础[19-20]。聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)作为一种理想的渗透调节剂,被广泛用于模拟干旱胁迫处理。张玉霞等[21]采用15%聚乙二醇溶液对8个饲用高粱品种萌发期的抗旱性进行鉴定,筛选出萌发期抗旱品种‘SU9002’;王平等[22]利用17.5%的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫对575份高粱材料进行萌发期干旱胁迫,筛选出34份抗旱性强的高粱材料,26份干旱敏感的高粱材料。本研究从118份材料中随机选取6个试验材料,分别设置4个PEG浓度进行模拟干旱胁迫,测定不同浓度下不同自交系指标的变异系数,结果表明0.025 mol/L(150 g/L)PEG-6000处理下自交系的变异系数最大,这与陈冰嬬等[23]的研究结果一致,而吴奇等[17]对高粱杂交种鉴定时选择175 g/L(0.029 mol/L)PEG,这可能是由于所选材料的抗逆性较强,而本研究最终确定筛选浓度为0.025 mol/L(150 g/L)。

高粱萌发期的抗旱性是由多基因控制的数量性状,不同性状对干旱的响应不同[20]。陈新等[12]对裸燕麦进行萌发期抗旱鉴定发现,种子活力指数受干旱胁迫的影响最大,可用于裸燕麦种质萌发期抗旱性的快速或初步鉴定。王艺陶等[24]对31份高粱杂交种进行萌发期抗旱鉴定,发现相对芽长、相对根长和相对萌发抗旱指数等可以作为高粱品种抗旱性筛选的重要指标。本研究结果表明,干旱胁迫对芽长影响最大,对发芽率影响最小,说明干旱胁迫主要是抑制了高粱芽的生长。张瑞栋等[16]在高粱耐低温鉴定中也发现低温对芽生长的影响比对萌发的影响更大,所以单用发芽率评判高粱萌发期抗旱性存在一定的局限性。采用多项指标综合评价作物萌发期的抗旱性已被广泛运用[25-27]。多指标综合评价具有更准确、更全面的特点,但是如果不同指标存在显著相关,指标信息存在相互交叉,萌发期抗旱性鉴定会受到指标选取的影响,不能得到客观准确的评价结果[12,16]。在本研究中,相关分析表明抗旱相对值的指标之间存在相关,会对结果造成影响。主成分分析是一种降维算法,它能将多个指标转换为少数几个主成分,这些主成分彼此之间互不相关,且其能反映出原始数据的大部分信息。本研究中利用主成分分析将萌发指标转化为2个主成分,这2个主成分分别代表了萌发期芽的生长情况和发芽率,基本涵盖了种子的发芽信息,对种子的发芽可进行全面描述,而且主成分分析去除了重复信息,对结果的评价更加客观。

抗旱鉴定是对不同作物品种的抗旱能力进行筛选、评价和归类的过程[28]。朱世杨等[29]利用结合隶属函数法对12个花椰菜的抗旱性进行评价;杨进文等[30]利用GGE双标图在主成分分析的基础上,分析各指标性状间的相关性及其与品种抗旱性的关系,最后利用隶属函数与抗旱指数相结合的方法对小麦品种的抗旱性进行综合评价。为了更准确、更简化,本研究利用主成分计算得到不同指标相对值的权重系数,对高粱萌发期不同指标的抗旱相对值进行加权运算,得到综合因子得分,得分越高抗旱值越高。对抗旱综合因子得分进行聚类分析,将118份高粱自交系分为五大类,分别为极端抗旱型、抗旱型、抗旱中间型、干旱敏感型、干旱极端敏感型。验证试验表明该种方法较为可靠,数据的重现性较好(图4)。

优良的种质资源是高粱育种的重要基础,由于变异的不确定性和不同环境的差异选择形成了丰富的种质资源。关于高粱抗旱资源鉴定方面的研究已有很多报道,吴奇等[17]对高粱的萌发期进行抗旱性鉴定,为高粱的生产布局提供了重要参考,但是其试验材料多为杂交种,对高粱后续育种的指导意义略显不足。陈冰嬬等[23]比较了杂交种和亲本的抗旱差异,进一步明确了高粱萌发期抗旱性在杂种优势中的表现。作物的抗旱性受多基因控制,遗传机制复杂且不同种质材料抗旱性也存在一定差异。本研究通过抗旱鉴定,明确了118份高梁自交系不同萌发指标在干旱胁迫下的相关性及不同萌发指标受干旱的影响程度,通过主成分分析结合聚类分析,对118份高粱自交系进行鉴定分类,筛选出抗旱性较强的高粱自交系,通过验证试验证明本研究的抗旱筛选方法可靠。

4 结 论

0.025 mol/L(150 g/L)的PEG-6000浓度可作为高粱萌发期抗旱筛选的胁迫浓度。干旱胁迫对芽生长的影响比对发芽率的影响更大。依据萌发期抗旱性综合表现,经主成分分析结合聚类分析,参试118份高粱自交系分为五类:极端抗旱自交系8个、抗旱自交系31个、抗旱中间型自交系41个、干旱敏感自交系26个、极端敏感自交系12个。通过发芽试验的验证,萌发期抗旱性突出的材料中,‘20LCS150’‘20LCS209’为极端抗旱自交系,‘20LCS151’和‘20LCS117’为干旱极端敏感自交系,数据的重现性较好。综上,主成分分析结合聚类分析的方法可准确客观地对高粱萌发期的抗旱性进行评价。