不同粒用高粱品种苗期抗旱性鉴定试验

焦志银 王金萍 石燕楠 王志芳 张 静顾 春 杜 启 刘博成 牛敬田 吕 芃

（1.河北省农林科学院谷子研究所/国家高粱改良中心河北分中心/农业农村部特色杂粮遗传改良与利用重点实验室（部省共建）/河北省杂粮研究实验室/国家谷子改良中心 河北石家庄 050035；2.河北省种子总站 河北石家庄 050031；3.河北省行唐县农业技术推广中心 河北石家庄 050600）

干旱是限制农业生产的最重要的环境胁迫因素之一，是影响作物生长和生产力的重要环境因素[1-2]。干旱胁迫使细胞活性氧 （Reactive oxygen species,ROS）水平增加，导致膜损伤、电解质泄漏、脂质过氧化，影响植物生长和生理，严重时可导致植物细胞死亡，造成严重的经济损失[3-4]。 有预测表明，由于气候变化、人口增长和全球工农业的发展，人们对水资源的需求将显著增加。 面临干旱挑战，一是需要作物适应干旱环境， 二是培育水资源利用效率高的作物品种，以实现可持续的农业生产[5-7]。 不同作物品种的耐旱性差异很大， 而作物品种的抗旱性是通过性状的遗传变异直接或间接诱导的， 可以在育种中通过人工选择改良作物的抗旱能力[8]。 因此，培育高产高抗旱的优质作物品种是一种经济和可持续的缓解当前干旱胁迫的可行策略。

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］是一种C4 植物，是世界第五大谷类作物，也是亚洲和非洲半干旱热带地区重要的主食。 高粱具有耐旱、耐涝和耐盐等特性[4,9-11]，高粱在世界范围内广泛种植，可作为食物、饲料、酿造原料和能源作物[12-14]。 在我国，高粱在酿酒业中尤为重要，高粱酿造有着悠久的历史，著名的茅台酒和传统的醋都是用高粱酿造的[15-17]。 然而，随着全球气候的变化， 高粱产区可能会出现短期或长期干旱，这将会对高粱造成重大的产量损失[18]。因此，要实现粮食和营养安全， 必须对高粱的抗旱胁迫能力进行遗传改良。 为明确新选育和引进的高粱种质资源的抗干旱能力， 本研究采用150 g/L 的聚乙二醇（PEG）溶液对18 种粒用高粱品种进行模拟干旱胁迫试验，研究干旱胁迫对高粱生理特性的影响，同时对不同品种的高粱抗旱能力进行鉴定和评价， 筛选出具有较高抗旱性的高粱品种。 本研究结果可为适应干旱地区和半干旱地区高粱品种的种植及选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选取了18 种高粱品种，品种名称和类型见表1。

1.2 试验方法

挑选籽粒饱满的不同品种高粱种子经过75%的无水乙醇消毒1 min，1%次氯酸钠消毒10 min，再用无菌水冲洗4～5 遍。 培养皿铺上2 层滤纸， 加入约5 mL 蒸馏水， 将消毒后的高粱种子整齐摆放后放入28℃培养箱萌发。待种子萌发后选取生长健康且一致的幼苗移入盛有同质量的穴盘中，每隔2～3 d 浇一次1/2 MS 营养液[10]，待高粱幼苗10 日龄时开始进行干旱胁迫处理，使用PEG6000 模拟干旱胁迫。对照组正常灌溉浇水，处理组每隔2 d 浇相同量的PEG6000，处理时长为1 周。试验设置3 次重复。培养环境光照/黑暗时间为8 h/16 h，温度（28±2）℃。

1.3 测定指标与方法

对幼苗进行PEG 处理1 周时测量生长指标。 根长： 将不同处理组高粱的根从沙中清理干净后拉直， 用刻度尺测量， 精确到0.1 cm； 鲜重： 将高粱幼苗的地上及地下部分清理干净， 使用万/千分之一电子天平称量鲜重并记录； 干重： 将测量鲜重后的高粱样品分别放入写好标记的信封里， 用烘箱烘干至恒重，然后测量并记录；根冠比：高粱地下部分/地上部分的鲜重或干重的比值。 叶绿素荧光使用汉莎生物公司的Handy PEA 植物效率分析仪（PP Systems& Hansatech）根据操作指南进行测定。 每个处理3 个生物学重复。

1.4 数据分析

采用Excel 2016 和SPSS 26 软件进行统计分析，计算各处理组不同性状的平均值, 并进行方差分析、显著性分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同品种高粱生理指标的影响

由表2 可知，在150 g/L PEG 处理下，18 种不同品种高粱的各性状指标均发生不同程度的变化。 与正常灌溉相比，PEG 胁迫下高粱幼苗的根鲜重、地上部分鲜重、根干重和地上部分干重有明显的下降。 相比而言， 此浓度下的PEG 溶液对各品种高粱幼苗的鲜重根冠比、干重根冠比及Fo（叶绿素初始荧光）影响并不明显。 据统计可知， 根长相对值变化范围为71%～142%， 根鲜重相对值变化范围为34%～125%，地上鲜重相对值变化范围为35%～101%，根干重相对值变化范围为49%～150%，地上干重相对值变化范围为49%～143%， 根冠比 （鲜重） 相对值变化范围为81%～173%，根冠比（干重）相对值变化范围为66%～168%，Fo 相对值变化范围为90%～115%，Fm（最大荧光）相对值变化范围为86%～116%，Fv（可变荧光）相对值变化范围为82%～122%，Fv/Fm 相对值变化范围为93%～105%，Fv/Fo 相对值变化范围为77%～122%。结果表明，高粱不同品种对干旱响应的敏感性不同，其中根鲜重和地上鲜重指标对干旱敏感度较强。

2.2 各耐旱指标的相关性分析

对18 种高粱品种的12 个生理指标进行相关性分析（表3），结果显示各性状指标极显著相关的有相对根长与相对根鲜重、相对根长与相对地上鲜重、相对根长与相对根干重、相对根鲜重与相对地上鲜重、相对根鲜重与相对根干重、 相对根鲜重与与相对地上干重、相对根鲜重与相对根冠比（鲜重）、相对地上鲜重与相对根干重、相对地上鲜重与相对地上干重、相对根干重与相对相对地上干重、 相对Fo 与相对Fv/Fm、相对Fo 与相对Fv/Fo、相对Fm 与相对Fv、相对Fm 与相对Fv/Fm、相对Fm 与相对Fv/Fo、相对Fv与相对Fv/Fm、相对Fv 与相对Fv/Fo、相对Fv/Fm 与相对Fv/Fo。 其中，相关系数最高的前三组性状指标依次为相对Fv/Fm 与相对Fv/Fo、 相对相对Fm 与相对Fv 及相对地上鲜重与相对地上干重，各指标之前均为正相关，相关系数分别为0.983、0.974 和0.948。各性状指标显著的有相对根长与相对地上干重、相对根干重与相对根冠比（鲜重）、相对根冠比（鲜重）与相对根冠比（干重）。 其他性状指标之间不显著。

表3 干旱胁迫下不同品种高粱各性状指标之间的相关性分析

2.3 各耐旱指标的主成分分析及其贡献率

对12 个性状指标做主成分分析，各因子特征值中前4 个因子的累计贡献率达到90.871%（表4），因此本研究提取了前4 个因子。 F1 在根干重、 地上鲜重、根鲜重、Fv/Fm 和地上干重上有较高载荷量，贡献率为36.004%；F2 在Fv、Fv/Fo、Fm、Fm 和根长上有较高载荷量， 贡献率约占总贡献率的29.74%；F3 在根冠比（干重）、根冠比（鲜重）、地上鲜重和地上干重上有较高载荷量， 贡献率约占总贡献率的14.617%；决定第4 主成分的主要是Fm、Fo 和根冠比（鲜重），贡献率约占总贡献率的10.51%。

表4 不同高粱品种各指标主成分的特征向量及贡献率

2.4 不同品种高粱隶属函数分析、 权重确定及其抗旱性综合评价

通过隶属函数法对18 种高粱品种的12 个生理指标的相对值进行了综合性评价， 得出其综合抗旱能力D 值（表5）。 供试的18 种高粱材料的D 值范围为0.242～0.810。 各供试品种苗期抗旱性排名为28B（编号8）＞101B （编号13）＞冀乡梁1 号 （编号10）＞XN1 （编号2）＞IR60 （编号9）＞L407B （编号1）＞RTx430（编号17）＞R3146（编号11）＞冀乡梁2 号（编号12）＞冀酿4 号（编号7）＞冀酿2 号（编号3）＞冀酿3 号 （编号5 ）＞272 （编号6）＞红缨子 （编号18）＞BTx623（编号16）＞M5（编号4）＞H01（编号14）＞冀乡酿3 号（编号15）。 其中28B（编号8）和101B（编号13）抗旱性最强，D 值分别为为0.810 和0.808；冀乡酿3 号（编号15）的抗旱性最弱，D 值为0.242；其他品种的抗旱性介于两者之间。

表5 不同高粱品种抗旱性评价

3 讨论与结论

3.1 讨论

干旱胁迫严重影响高粱的生长发育。 不同高粱品种间的抗旱能力存在较大差异， 不同性状应答干旱反应的变化程度也不同。 高粱苗期是高粱品种抗旱性鉴定的关键时期，具备鉴定周期短、可重复性高等优点。 筛选苗期抗旱性强的高粱品种有利于缺水地区的农业发展和水资源的合理利用[19-20]。 本研究利用PEG 模拟干旱胁迫处理，通过12 个性状指标的平均隶属函数值对18 种不同品种高粱幼苗期进行抗旱性综合评价。 指标相对值指的是植物在逆境胁迫下与正常生长条件下的比值， 它能够反映出植物响应逆境胁迫的敏感程度[21]。本研究采取了相对值进行分析，性状指标测量结果显示，在150 g/L PEG 处理下，大部分供试高粱品种的根鲜重、地上鲜重、根干重、地上干重、根长等生长指标表现出明显降低。 这与之前高粱在干旱胁迫下生长受限的研究结果一致[22-23]。相关系数是表示数据之间相关程度的指标， 一般情况下，相关系数越大两者之间的相关程度越高[24]。 在本研究的12 个性状指标共78 对组，有18 对表现出极显著相关，3 对是显著相关关系， 其他各指标之间为不相关。 将各指标数据进一步分析提取主成分，根据贡献率的大小可知综合指标的相对重要性[21]。本研究在PEG 胁迫下，决定第一成分的有根干重、地上鲜重、根鲜重、Fv/Fm 和地上干重，贡献率为36.004%。植物抗旱性是受多种因素影响的复杂生物学过程，采用多指标的综合鉴定评价的结果更加客观准确。隶属函数法的D 值综合考虑了各指标间的相互关系和各指标的重要性，已被证实可应用于高粱、水稻和小麦等作物，可以较准确的评价高粱的抗旱性[25-28]。在PEG 胁迫下，抗旱强的品种编号8 和编号13 各性状指标受影响不大。 而抗旱性弱的编号15 的品种，遭受干旱胁迫后，其多项生长指标受到严重影响。 这些数据表明，遭受PEG 胁迫后，根鲜重和地上鲜重在所测性状指标中是最敏感的。 之前有研究显示，高粱苗期叶片长势和根系长势可作为抗旱性鉴定指标[29]。结合本研究和前人的研究结果， 在高粱苗期抗旱鉴定中， 根鲜重和地上鲜重可以作为评价高粱苗期抗旱性优先考虑的性状指标。 然而，高粱抗旱性受多重外在和内在遗传因素的影响，其抗旱机制也很复杂，使用单一类型的指标从幼苗期这一生长时期对某一品种的高粱抗旱性进行评价是片面的[19-21]。 同时，本研究仅对一些基本的生理参数进行了分析， 其内在抗旱生理代谢机制和分子机理还有待于进一步深入研究。 未来可利用现代分子生物学技术的发展深入探究高粱抗旱的分子机制，挖掘抗旱相关功能基因，从而提高高粱抗旱遗传改良效率。

3.2 结论

本研究采用主成分分析、 隶属函数等方法，对18 种高粱品种的抗旱性进行评估发现， 根鲜重和地上鲜重对PEG 处理模拟的干旱胁迫的反应比其他指标敏感， 可以作为高粱品种幼苗期耐旱能力的抗旱品种选育的参考指标。供试材料中28B 和101B 属于抗旱性强的品种，可用于高粱耐旱育种的种质资源。但本研究的供试材料有限， 未来研究可以扩大高粱种质材料数量， 并深入开展高粱抗旱生理及分子机制的研究。