黑龙江早熟区大豆芽期耐低温种质资源鉴定与筛选

赵星棋, 郭 泰, 王志新, 郑 伟, 李灿东, 徐杰飞, 王象然, 郭美玲, 张振宇, 赵建有

(1.黑龙江省农业科学院佳木斯分院/三江平原主要作物育种栽培重点实验室/国家大豆产业技术体系佳木斯综合试验站, 黑龙江 佳木斯 154007;2.黑龙江省农业科学院, 哈尔滨 150086)

黑龙江省作为我国大豆种植面积最大的省份,为保障国家大豆生产安全发挥了重要作用。近年来,黑龙江省大豆种植地域北移趋势明显,早熟品种已成省内大豆品种主流,但由于地理区位因素,北部早熟区初春极易出现低温冷害,导致大豆播种后生长受阻[1]。

针对大豆进行低温胁迫的相关试验后,普遍发现低温对大豆苗期、花期性状和最终产量有显著影响[2-3]。低温气候往往伴随阴雨弱光照等不良气候条件,多种负向因素累加导致大豆的出苗缓慢,幼苗成活率降低[4]。除大豆表型性状外,经人工测定发现,低温胁迫还会引起叶绿素含量和相关酶活性变化[5]。鉴于低温对大豆生长的多方面影响,研究者也引用了多项指标来进行耐低温大豆种质筛选[6-9]。本研究以目前黑龙江早熟区主要推广的大豆品种和待审试验的大豆品种为研究对象,通过记录各品种在不同环境下的发芽数,测定各自的发芽率、发芽势和发芽指数,并结合隶属函数法建立分析模型,从中筛选出在芽期具有优异耐冷性的大豆品种。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选择适宜黑龙江省种植的已审定推广或处于试验阶段的大豆品种。参试材料共33份,各品种种源均为2021年秋季收获所得,具体种质名称及编号如表1所示。

表1 试验种质名称及编号

1.2 试验设计

试验共分两组:低温组和对照组,大豆发芽所用设备为“一恒MGC 800 H”人工气候箱。低温胁迫组和对照组分别设置温度为6 ℃和20 ℃,3次重复,试验用种应保证籽粒饱满、无病虫害。试验前用1%次氯酸钠溶液对种子进行消毒,再用蒸馏水漂洗3次,消毒后每份种质挑选40粒置于各培养皿中。培养皿内种子上下两层各铺一张灭菌滤纸,用蒸馏水将滤纸润湿,先放入20 ℃气候箱中常温吸胀12 h,后取出换水,低温组转入6 ℃气候箱中培养,对照组继续以20 ℃常温培养。此后分别于第2天、第4天、第6天统计各培养皿发芽数量。以胚根突破种皮1 mm为种子发芽标准,气候箱培养时间为6 d。

1.3 试验评价指标

根据试验期间记录数据并计算各种质的发芽势、发芽率、发芽指数,计算公式分别为:

发芽势/%=(前4 d内种子发芽数/供试种子数)×100%;

发芽率/%=(前6 d内种子发芽数/供试种子数)×100%;

发芽指数=∑Gt/Dt,

式中,Gt为各阶段(2 d、4 d、6 d)的发芽数,Dt为发芽日数。

1.4 数据分析方法

采用Excel和SPSS软件对试验数据进行整理分析,对试验评价指标进行两配对样本非参数检验,以探究各试验组别指标是否具有差异性。

1.5 试验评价方法

采用隶属函数法对试验品种耐低温性进行综合评定,计算公式为:

μ(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin),

式中,Xj代表j评价指标测定值,Xmax代表参试材料中j评价指标的最大值,Xmin代表参试材料中j评价指标的最小值,隶属函数值越大,表示该试验品种的耐低温性越强。

2 结果分析

2.1 发芽势

由图1可知,供试33份种质有6份发芽势达到100%,仅克山1号未达到90%。从低温组发芽势看,总体明显低于对照组,且各种质之间差异性较大。从各品种两组数据对比发现,克豆52的对照组和低温组发芽势差异性最小,两组数据相差42.5%,而东生23差异性最大,两组数据相差88.3%。

图1 试验种质发芽势

2.2 发芽率

由图2可知,供试品种在对照组的发芽率均值波动性不强,但在低温组的差异性表现极为明显。低温情况下,克豆52发芽率最高,达90.8%,且较对照组差异最小。克山1号发芽率最低,仅为15.8%。龙垦330的两组数值相差最大,其对照组发芽率比低温组高80.0%。

图2 试验种质发芽率

2.3 发芽指数

由图3可知,各供试种质在该项指标上的两组数值差值较小。其中合农144在低温条件下发芽指数最高,达17.6,克山1最低,为2.1。对照组与低温组差值方面,克豆52相差最小(14.8),东生17相差最大(25.2)。

图3 试验种质发芽指数

2.4 两配对样本非参数检验

对两个试验组别进行两配对样本非参数检验[10],是为验证两组数据之间各指标是否存在显著差异。如表2所示,通过描述性统计分析,从直观上看,供试种质在低温胁迫处理前后具有明显差异,低温组发芽势、发芽率、发芽指数平均值均低于对照组。

表2 描述性统计分析结果

选择威尔科克森检验和符号检验方法对上述三项指标进行两配对样本检验,分析结果如表3、表4。

表3 威尔科克森检验统计量

表4 符号检验统计量

基于两种检验方法的统计分析结果显示:三项指标差异均达极显著水平,试验种质经过低温处理后,发芽势、发芽率和发芽指数均与对照组存在系统性差异,说明该三项指标可作为试验品种在芽期是否具备耐低温特性的评判依据。

2.5 试验种质耐低温性综合评定

从表5可以看出,各种质间各项发芽指标隶属函数值差异仍然较大。从发芽势看,克豆52和合农144隶属函数值达0.9以上,其次为龙达3号(0.84)。发芽率方面,隶属函数值最高的仍为克豆52,其次为合农95和合农144,均为0.90。发芽指数隶属函数值最高的种质为合农144,达1.00,其次为克豆52(0.96)。从平均结果看,克豆52的隶属函数值最高(0.99),合农144次之(0.95),第3位是龙达3号(0.83)。上述种质综合评价数值均明显高于其他种质,其中克豆52有两项指标隶属函数值居第一位,且平均数值最高,说明其芽期耐低温特性最强。

表5 低温胁迫下种质发芽指标隶属函数值

将试验种质的耐低温特性进行更加细化的系统性分类,可使用聚类分析法来进行分组[11]。以各种质的隶属函数值为依据,采用分层聚类分析方法,其结果如图4。

图4 试验种质发芽指标平均隶属函数值聚类分析

根据图4显示的聚类分析结果,结合顾增辉和宋剑陶[12]对大豆芽期耐冷性等级的分类方法,可将试验种质分为耐冷型、低温敏感型和中间型三类。合农144、克豆52、佳豆52、龙达3号为第1类,该类种质芽期耐低温特性强,在低温胁迫条件下具备明显的生长优势;黑科88、金源73、沃豆5、鑫科4、东生17、金杉3号、九研17、克山1、龙垦330、东生23为第3类,该类种质耐低温特性弱,相关发芽指标数值偏低,为低温敏感型种质;其余品种为第2类,该类种质具备一定的芽期耐低温能力,但与第1类品种相比缺乏优势。

3 讨 论

黑龙江省早熟大豆产区地处高寒区,作物生长季易出现阶段性低温天气,因气候变化造成的低温冷害是限制该地区大豆生产力提升的主要农业气象灾害[13]。对早熟大豆品种进行低温胁迫处理后,发现不同种质的芽期表现不尽相同,大多数种质自身具备一定的耐低温能力,但也有部分种质在低温环境下发芽数严重下降。由于气象灾害难防难控,要想使早熟大豆种植区总产量稳中有升,选择耐低温性强的大豆种质是一种有效的解决方法。

植物耐低温性属于较为复杂的一种综合性状,由多种因素共同作用[14]。低温胁迫下种子萌发时间延长、萌发数降低、发芽指标显著下降,这与多位学者的研究结论相一致[15-17]。通过进一步的比对分析,发现对照组的各种质发芽数相近的情况下,低温胁迫下各种质的种子萌发速率、萌发数量等方面均存在显著差异。试验品种受低温影响后,前期发芽数明显下降,但部分品种在后期随时间的增加,萌发数量逐渐增多。也有部分种质并未出现回转迹象,最终萌发率低于20%。总体来看,评价大豆种质的耐低温特性应针对多项指标进行综合评判,并结合系统性的分类方法归类出具备不同耐低温能力的大豆种质。

4 结 论

以上试验过程验证了发芽势、发芽率、发芽指数作为大豆种质芽期耐冷评价指标的可行性,并通过隶属函数值的计算以及聚类分析筛选出了3类耐低温类型种质:以合农144、克豆52为代表的耐冷型种质,以克豆44、昊疆40等为代表的中间耐冷型种质以及低温敏感型种质。通过本次大豆种质鉴定与筛选,能够为黑龙江省早熟区耐低温大豆品种的选择方向提供参考,也能为后期针对该地区的耐冷大豆品种选育提供亲本筛选依据。