張立坤，宛 濤*，張曉明，徐振朋，王曉棟,3

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.烏蘭察布市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)草原勘察規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

一直以來國家致力于改善干旱半干旱地區(qū)環(huán)境條件，但受水分條件限制，能夠選擇種植優(yōu)良抗逆性強(qiáng)的牧草種類有限。內(nèi)蒙古西部及西北部地區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，水分成為影響牧草實(shí)現(xiàn)最大程度的增產(chǎn)的主要因素之一。因此在旱作條件下培育與引進(jìn)優(yōu)質(zhì)抗旱牧草品種成為飼草提高產(chǎn)量的有效途徑之一。燕麥根據(jù)其有無外稃可分為帶稃型和裸粒型兩大類，飼用燕麥(AvenasativaL.)又稱為皮燕麥，作為優(yōu)良飼用麥類是家畜的主要飼料來源之一，其籽粒和鮮干草均可作為優(yōu)良飼料〔1-4〕。本研究以產(chǎn)量、品質(zhì)等方面表現(xiàn)較好的飼用燕麥品種為供試材料，采用濃度為15%的聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG-6000)人工模擬干旱脅迫對7個(gè)飼用燕麥品種進(jìn)行處理，測定不同燕麥品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)，利用主成分分析及加權(quán)隸屬函數(shù)法對供試品種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性綜合比較，從而為飼用燕麥萌發(fā)期抗旱性鑒定評價(jià)及旱作條件下指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

供試材料為2018年采收的7個(gè)飼用燕麥品種，均由烏蘭察布市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院提供。

表1 供試材料信息表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 材料處理

試驗(yàn)采用紙上發(fā)芽法，每品種選取大小一致、籽粒飽滿的種子，用2%NaClO消毒浸種5min，消毒后用蒸餾水漂洗3次的種子晾干，置于2層浸透15% PEG-6000溶液濾紙的培養(yǎng)皿中，以蒸餾水為對照，每個(gè)培養(yǎng)皿中放置50粒種子，在相對濕度為60%、25℃恒溫條件下培養(yǎng)，每個(gè)處理3次重復(fù)。每天17∶00對每個(gè)培養(yǎng)皿滴加等量蒸餾水，以浸透濾紙并稍有剩余為宜，保持滲透梯度不變；每2d換1次發(fā)芽床，試驗(yàn)共進(jìn)行12d。

1.2.2 種子萌發(fā)指標(biāo)測定方法

培養(yǎng)第2d開始，每24h統(tǒng)計(jì)1次發(fā)芽種子數(shù)。以胚根至少與種子等長、芽長不短于種子長的1/2作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。培養(yǎng)至第12d時(shí)，從各培養(yǎng)皿中隨機(jī)挑選10株正常生長的幼苗，吸干幼苗表面附著水測量其胚根長度，胚芽長度，并結(jié)束對種子萌發(fā)情況的觀測〔5〕。計(jì)算發(fā)芽率(germination rate，GR)、發(fā)芽勢(germination energy，GE)、發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)、種子萌發(fā)指數(shù)(promptness index，PI)和種子活力指數(shù)(vigour index，VI)。計(jì)算公式如下:

發(fā)芽率(GR)=(前12d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

(1)

發(fā)芽勢(GE)=(前5d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

(2)

發(fā)芽指數(shù)(GI)=Σ(Gt/Dt)

(3)

種子萌發(fā)指數(shù)(PI)=1.0nd3+0.8nd5+0.6nd7+0.4nd9+0.2nd11

(4)

活力指數(shù)(VI)=PI×Sx。

(5)

式中：Gt為第td的發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽試驗(yàn)的第t d；nd3、nd5、nd7、nd9、nd11分別為第3、5、7、9、11d的種子萌發(fā)率〔6〕；Sx為第12d幼苗平均鮮重。

為了消除品種間種子活力所帶來的差異，依據(jù)下式計(jì)算相對發(fā)芽率(X1)、相對發(fā)芽勢(X2)、相對發(fā)芽指數(shù)(X3)、相對種子萌發(fā)指數(shù)(即種子萌發(fā)抗旱指數(shù))(X4)、相對活力指數(shù)(即種子活力抗旱指數(shù))(X5)、相對胚根長(X6)、相對胚芽長(X7)及相對鮮重(X8)。鑒定指標(biāo)相對值=脅迫處理組值/對照組值。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異性分析，抗旱性采用加權(quán)隸屬函數(shù)法〔7〕進(jìn)行綜合評價(jià)。

加權(quán)隸屬函數(shù)法相關(guān)公式如下：

(6)

μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)(j=1,2,3)

(7)

(8)

式中：Wj為綜合指標(biāo)j的權(quán)重，Pj為綜合指標(biāo)j的貢獻(xiàn)率，μ(Xj)為各品種Xj的隸屬函數(shù)值，Xj為各品種綜合指標(biāo)j的值，Xjmin、Xjmax分別為各品種中Xj的最大值和最小值，D為各品種的抗旱性綜合評價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同燕麥品種萌發(fā)指標(biāo)的影響

如圖1所示，在對照和干旱脅迫2種處理下，不同燕麥品種間各指標(biāo)均差異顯著(P<0.05)；除鮮重外，發(fā)芽率、發(fā)芽勢等指標(biāo)脅迫值明顯低于對照，說明這些性狀在干旱脅迫下均受到了不同程度的抑制。干旱脅迫下壩莜6號和貝勒的發(fā)芽率顯著高于其它5個(gè)品種(P<0.05)，壩莜6號的發(fā)芽率最高，冀張燕4號最低；定燕2號和Haywire發(fā)芽率的降低幅度較大，均達(dá)到75.0%以上。從發(fā)芽勢看，蒙飼草2號的發(fā)芽勢在干旱脅迫下顯著高于其他品種(P<0.05)，發(fā)芽勢均達(dá)到最高，冀張燕4號最低，且降低幅度最大達(dá)到100.0%。從發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)看，貝勒和蒙飼草2號在2種處理下均最高，冀張燕4號最低，除壩莜6號外，其他6個(gè)品種的發(fā)芽指數(shù)降低幅度均在80.0%以上，冀張燕4號與Haywire的種子萌發(fā)指數(shù)降低幅度均在90.0%以上。2種處理下定燕2號的胚根長和胚芽長最長，除冀張燕4號外，干旱脅迫對其它品種的胚根長和胚芽長影響不大，降低幅度均在50%以下。干旱脅迫下定燕2號、蒙飼草2號和貝勒鮮重增大，其它品種均有不同程度的下降。一般而言，各指標(biāo)降低幅度越大，該燕麥品種抗旱性越差。從以上結(jié)果看，各材料在各指標(biāo)間的表現(xiàn)趨勢并不一致，說明植物的抗旱性需綜合考慮，不能僅通過單一指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

圖1 對照與15% PEG處理下不同燕麥品種發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、種子萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長及鮮重的對比圖

由表2可知，在PEG干旱脅迫下，除相對胚根長和相對胚芽長無顯著差異(P>0.05)外，不同燕麥品種間相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢等指標(biāo)均差異顯著(P<0.05)。變異系數(shù)越大則變異程度越大，說明該鑒定指標(biāo)對干旱脅迫越敏感，反之則受影響越小。相對發(fā)芽勢等8個(gè)指標(biāo)的相對值在不同品種中的變異程度不一致，如相對發(fā)芽勢的變異系數(shù)最大，因而在品種之間的差異最大，表明在干旱脅迫下相對發(fā)芽勢最為敏感；相對胚芽長的變異系數(shù)最小，說明胚芽長對干旱脅迫最不敏感，其指標(biāo)受干旱脅迫影響最小?；诟麒b定指標(biāo)相對值變異系數(shù)的大小，相對發(fā)芽勢等8個(gè)鑒定指標(biāo)對干旱脅迫的敏感程度由大到小依次為：相對發(fā)芽勢>相對活力指數(shù)>相對種子萌發(fā)指數(shù)>相對發(fā)芽率>相對發(fā)芽指數(shù)>相對胚根長>相對鮮重>相對胚芽長。其中，萌發(fā)指標(biāo)對干旱脅迫最為敏感，而生長指標(biāo)敏感程度次之。

表2 供試燕麥品種萌發(fā)期8個(gè)鑒定指標(biāo)的相對值

注：同列不同小寫字母表示在5%水平差異顯著。

2.2 不同燕麥品種萌發(fā)期抗旱性綜合指標(biāo)比較

2.2.1 抗旱性評價(jià)綜合指標(biāo)的篩選

通過表2亦可以反映出，對單一指標(biāo)的相對值進(jìn)行抗旱性比較，不同燕麥品種有不同的排序，如品種壩莜6號的相對發(fā)芽率最高，而相對發(fā)芽勢為蒙飼草2號品種最高，結(jié)果存在很大差異。利用雙Pearson簡單相關(guān)系數(shù)法對干旱脅迫下相對發(fā)芽勢等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析可知，除相對鮮重外，其它指標(biāo)間均呈現(xiàn)正相關(guān)，多個(gè)指標(biāo)間相關(guān)性達(dá)到了顯著(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)。相對萌發(fā)指數(shù)與相對發(fā)芽指數(shù)相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)到0.984**和0.909**。相對發(fā)芽率與相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)和相對萌發(fā)指數(shù)極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.788**、0.542**和0.694**。相對活力指數(shù)與相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對胚芽長也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.504**、0.865**和0.533**。相關(guān)性分析結(jié)果表明，各指標(biāo)之間都存在一定的相關(guān)性，使得信息發(fā)生重疊。因此，所篩選的綜合指標(biāo)中應(yīng)選擇沒有信息重疊，彼此獨(dú)立，能有效代表所有單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)。

對相對發(fā)芽勢等8個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表3所示。第一主成分貢獻(xiàn)率為48.212%，第二、三主成分貢獻(xiàn)率分別為16.622%和15.923%。根據(jù)特征值大于1以及累積貢獻(xiàn)率大于80%的原則，選取前3個(gè)主成分作為綜合指標(biāo)，可有效反映相對發(fā)芽勢等8個(gè)評價(jià)指標(biāo)全部信息的80.756%。因此用這3個(gè)綜合指標(biāo)說明影響飼用燕麥品種抗旱性，這樣由原來8個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)就可以轉(zhuǎn)化為3個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，其余作為觀察誤差可忽略不計(jì)。

表3 三個(gè)主成分的系數(shù)、特征值、方差貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

根據(jù)各品種的前3個(gè)主成分得分系數(shù)矩陣進(jìn)行繪圖(圖2)。各項(xiàng)指標(biāo)由于不同的得分系數(shù)而分布在不同的空間位置，相對發(fā)芽勢等8個(gè)測定指標(biāo)均不落在原點(diǎn)和坐標(biāo)軸上，說明這8個(gè)指標(biāo)與這3個(gè)坐標(biāo)軸所對應(yīng)的因子都有關(guān)系。其中相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)和相對萌發(fā)抗旱指數(shù)之間的歐式距離較近，可概括為萌發(fā)因子，說明他們之間在干旱脅迫下具有相似的響應(yīng)。同樣，相對胚根長、相對胚芽長和相對鮮重的歐式距離較近，可概括為生長因子，故3個(gè)指標(biāo)在干旱處理下具有相似的響應(yīng)。相對發(fā)芽勢距離2類相對較遠(yuǎn)，也可概括為萌發(fā)因子。由此看出，在鑒定飼用燕麥品種萌發(fā)期抗旱性時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考察種子萌發(fā)指標(biāo)。

圖2 對不同抗旱指標(biāo)構(gòu)成影響的3個(gè)主成分散點(diǎn)圖

2.2.2 抗旱性綜合指標(biāo)比較

特征向量表示各性狀對綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)大小，根據(jù)主成分分析的結(jié)果，選3個(gè)主成分中較大的特征向量：相對種子萌發(fā)指數(shù)、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對鮮重、相對胚芽長、相對胚根長和相對發(fā)芽勢7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，根據(jù)各指標(biāo)的相對值(表2)及主成分分析中PC1、PC2和PC3這3個(gè)綜合指標(biāo)的系數(shù)(表3)，可得到每個(gè)品種的綜合指標(biāo)值Xj(j=1，2，3)，然后依據(jù)公式(7)和(8)分別求出每個(gè)品種綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值μ(Xj)和每個(gè)品種的抗旱性綜合評價(jià)值(D值)，如表4所示。依據(jù)D值大小排序，抗旱性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋贺惱?、壩?號、定燕2號、蒙飼草2號、蒙燕1號、冀張燕4號和Haywire。飼用燕麥品種貝勒抗旱性綜合評價(jià)值最高，D值為0.710，抗旱性最好，品種Haywire的抗旱性最差，D值為0.103。

表4 不同燕麥品種綜合指標(biāo)值、隸屬函數(shù)值、D 值及抗旱性排序

2.3 不同燕麥品種萌發(fā)期抗旱性聚類分析

為了綜合評判不同燕麥品種的抗旱性，采用主成分因子得分系數(shù)和隸屬函數(shù)加權(quán)平均值(D)2種方式對不同燕麥品種的抗旱性進(jìn)行聚類。由圖3可知，壩莜6號和貝勒的歐式距離較近，說明干旱脅迫下2個(gè)品種表現(xiàn)相似，可聚為一類；歐式距離較近的蒙飼草2號、定燕2號和蒙燕1號3個(gè)品種聚為一類，其中蒙飼草2號在第二因子得分負(fù)方向偏離較大，主要由于蒙飼草2號的生長指標(biāo)值較其它2個(gè)品種均較?。患綇堁嗪虷aywire距離較近，在干旱脅迫下各指標(biāo)表現(xiàn)相似，因此將2個(gè)品種聚為一類。

圖3 基于主成分因子得分系數(shù)燕麥品種三維散點(diǎn)圖

由圖4可知，7個(gè)飼用燕麥品種根據(jù)D值進(jìn)行模糊聚類分析后分為3類：第一類為貝勒和壩莜6號；第二類包括定燕2號、蒙飼草2號和蒙燕1號；第三類包括冀張燕4號和Haywire，與主成分因子得分系數(shù)聚類分析結(jié)果一致。綜合不同品種的指標(biāo)相對值及隸屬函數(shù)加權(quán)平均值(D)后評定認(rèn)為，抗旱性較好的是貝勒和壩莜6號，其次為定燕2號、蒙飼草2號和蒙燕1號，較差的品種是冀張燕4號和Haywire。

圖4 基于D值燕麥品種聚類分析結(jié)果

3 討論

3.1 干旱脅迫對不同燕麥品種萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)是進(jìn)行植物抗旱性研究的重要時(shí)期，不同植物對干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)理不同。李培英等利用PEG模擬干旱條件對29份偃麥草種子的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對種子萌發(fā)及胚芽和胚根的生長發(fā)育有抑制作用〔8〕。張宇君等對燕麥種子的研究發(fā)現(xiàn)，-0.2MPa和-0.4MPa PEG-6000處理對種子萌發(fā)和幼苗生長具有促進(jìn)作用〔9〕。本試驗(yàn)結(jié)果表明：在15% PEG-6000干旱脅迫下，除鮮重外，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、種子萌發(fā)抗旱指數(shù)、胚根長、胚芽長均小于對照，具有顯著的抑制作用。這可能是不同供試材料生長時(shí)期及培養(yǎng)環(huán)境不同，對同一評價(jià)指標(biāo)表現(xiàn)存在差異，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果不同。不同干旱程度下燕麥品種的適應(yīng)性不同，輕度或中度水分脅迫可能會促進(jìn)種子萌發(fā)。根據(jù)各鑒定指標(biāo)相對值的變異系數(shù)大小可知，對干旱脅迫表現(xiàn)較為敏感是發(fā)芽勢、活力指數(shù)和種子萌發(fā)指數(shù)。這一點(diǎn)與陳新等在裸燕麥萌發(fā)時(shí)期抗旱性鑒定與評價(jià)中的研究結(jié)果一致〔7〕，其原因可能是不同禾本科材料在干旱脅迫下會表現(xiàn)出一定的綜合特征，具體原因有待進(jìn)一步探究。

3.2 抗旱性綜合比較及抗旱品種的篩選

不同鑒定指標(biāo)對干旱脅迫的表現(xiàn)性狀不同，用單一指標(biāo)難以準(zhǔn)確評定其抗旱性，需綜合多個(gè)指標(biāo)以彌補(bǔ)單一指標(biāo)對評定結(jié)果的差異性；而部分指標(biāo)間具有相關(guān)性，信息覆蓋度高。利用主成分分析在不損失或很少損失原有信息的基礎(chǔ)上，將多個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為信息涵蓋量高，彼此獨(dú)立的幾個(gè)綜合評價(jià)指標(biāo)，再利用隸屬函數(shù)加權(quán)平均法綜合評價(jià)，這樣使得結(jié)果具有科學(xué)性和可靠性〔10〕。有研究發(fā)現(xiàn)，對燕麥葉、穗鮮干重進(jìn)行隸屬函數(shù)法分析，可以將不同燕麥品種抗旱性排序及分類〔11〕。隸屬函數(shù)加權(quán)平均法可以用于玉米品種的抗旱性分級評價(jià)，其抗旱性評價(jià)與田間干旱鑒定結(jié)果一致〔12〕。本研究用各指標(biāo)的相對值進(jìn)行比較，以消除種子活力帶來的差異性，利用主成分分析將8個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個(gè)綜合指標(biāo)，對7個(gè)飼用燕麥品種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱綜合評價(jià)與排序。由于指標(biāo)之間單位不同，采用加權(quán)隸屬函數(shù)消除可不同指標(biāo)間單位的差異提高可比度。植物的抗旱性由不同性狀決定，由于植物抗旱性鑒定指標(biāo)較多，本文僅利用相對發(fā)芽勢等8項(xiàng)指標(biāo)對萌發(fā)期飼用燕麥進(jìn)行了抗旱性比較，很可能因?yàn)樵u價(jià)體系不夠全面而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，供試材料的抗旱性在其他生育期及栽培實(shí)踐中還需進(jìn)一步檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

在15% PEG-6000脅迫下，除鮮重外，發(fā)芽勢、發(fā)芽率等其它7項(xiàng)指標(biāo)均受到不同程度的抑制，與品種的抗旱性表現(xiàn)為正相關(guān)；相對發(fā)芽勢等8個(gè)抗旱性評價(jià)指標(biāo)分別隸屬于3個(gè)主成分，代表了全部數(shù)據(jù)80.76%的信息量，其中以萌發(fā)指標(biāo)對干旱脅迫抗旱性的貢獻(xiàn)率最大；飼用燕麥萌發(fā)期抗旱性以萌發(fā)因子為主，生長因子為輔；在抗旱性綜合指標(biāo)值的模糊聚類下，將7個(gè)飼用燕麥品種分為3類，以貝勒和壩莜6號的抗旱性綜合指標(biāo)值最高，抗旱性最強(qiáng)，可用于旱地種植。