任 毅,王 仙,張金汕,聶石輝,吳高明,耿洪偉,方伏榮
(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052;3.塔城裕民縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,新疆裕民 834800)
【研究意義】近年來,全球荒漠化加劇,自北非的撒哈拉到中國(guó)的西北和內(nèi)蒙古,現(xiàn)已形成一條長(zhǎng)達(dá)13 000 km的干旱荒漠帶,占世界荒漠面積的67%[2]。半干旱區(qū)作為全球陸地重要組成部分,在全球氣候變化背景下,直接影響旱作植物的產(chǎn)量及國(guó)計(jì)民生[3]。選育抗逆新品種是應(yīng)對(duì)外界多變環(huán)境的最有效的途徑之一[4]。隨著可用耕地面積的減少,水資源緊缺的加劇,大麥(HordeumvulagareL.)兼有釀造、食用、醫(yī)用和飼用等用途,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1]。種子萌發(fā)期既是植物生長(zhǎng)的起始階段,也是種子對(duì)水分最敏感的時(shí)期[5],還是衡量植物抗旱性強(qiáng)弱最重要的時(shí)期[6]。在水分脅迫下,種子能否正常出苗,對(duì)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要。培育抗旱性強(qiáng)的大麥新品種具有一定的現(xiàn)實(shí)意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】高滲透溶液法模擬干旱脅迫在多種作物萌發(fā)期抗旱性研究中得到廣泛應(yīng)用。披堿草和野大麥?zhǔn)歉挥薪?jīng)濟(jì)價(jià)值的確定多年生牧草,其對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),能夠改善土壤鹽堿程度,具有較高的生態(tài)價(jià)值。對(duì)二者萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行研究,抗旱性表現(xiàn)為披堿草強(qiáng)于野大麥[7]。大麥?zhǔn)强鼓嫘暂^強(qiáng)作物之一[8-9],在大麥、黑麥草、二月蘭等8種綠肥作物萌發(fā)特性研究中,大麥被認(rèn)定為中等抗旱作物[10]。采用5個(gè)不同濃度的聚乙二醇(PEG8000)水溶液對(duì)4份大麥材料種子萌發(fā)期形態(tài)生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)響應(yīng)進(jìn)行研究,指出20%PEG8000是萌發(fā)期抗旱性鑒定的最適濃度[11]。對(duì)4份大麥品種在5個(gè)濃度水平下,研究種子萌發(fā)期丙二醛、可溶性糖等7個(gè)生理生化指標(biāo)與抗旱性的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)20%PEG8000是最適鑒定濃度[12]。利用上述溶液濃度,在101份大麥材料中進(jìn)行萌發(fā)期抗旱鑒定,通過因子分析,發(fā)現(xiàn)發(fā)芽勢(shì)、根冠比和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)速率可作為萌發(fā)期抗旱性鑒定的關(guān)鍵指標(biāo)[13]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】中亞毗鄰中國(guó)新疆,沿線獨(dú)特的地理?xiàng)l件,影響著農(nóng)作物的發(fā)展與傳播。受季風(fēng)影響,表現(xiàn)出季風(fēng)-西風(fēng)干濕交替模式,氣候趨向干旱[14],適宜大麥生長(zhǎng),但目前關(guān)于中亞大麥種子萌發(fā)期抗旱性的研究相對(duì)較少。研究中亞大麥品種萌發(fā)期抗旱性篩選與鑒定?!緮M解決的關(guān)鍵問題】研究通過20%PEG8 000水溶液模擬干旱脅迫,對(duì)經(jīng)田間抗旱鑒定篩選出的12份中亞引進(jìn)大麥品種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性鑒定,觀測(cè)各形態(tài)指標(biāo)在旱脅迫下響應(yīng)的不同,篩選找到關(guān)鍵指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)抗旱性強(qiáng)的種質(zhì),為大麥抗旱育種提供理論指導(dǎo)。
供試12份大麥材料引自中亞地區(qū),其中吉爾吉斯斯坦11份,哈薩克斯坦1份。用于發(fā)芽試驗(yàn)的種子于2018年度種植于中國(guó)新疆昌吉州奇臺(tái)縣新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院奇臺(tái)麥類試驗(yàn)站,田間管理按照當(dāng)?shù)氐脑耘啻胧┻M(jìn)行。表1
表1 材料信息
Table 1 Information of materials tested in this study
編號(hào)Code名稱Name來源Origin棱型Row number皮裸性Covered/naked冬春性Growth habit1吉引2013-7-DM-005吉爾吉斯斯坦 2CS2吉引2013-7-DM-045吉爾吉斯斯坦 2CS3吉引2013-7-DM-071吉爾吉斯斯坦 4CS4吉引2013-7-DM-072吉爾吉斯斯坦 2CS5吉33吉爾吉斯斯坦4CS6吉引2013-7-DM-046吉爾吉斯斯坦 2CS7吉引2013-7-DM-051吉爾吉斯斯坦 2CS8吉引2013-7-DM-086吉爾吉斯斯坦 4CS9吉引2013-7-DM-088吉爾吉斯斯坦 4CS10吉2吉爾吉斯斯坦 2CS11吉35吉爾吉斯斯坦 4CS12哈3哈薩克斯坦 2CF
注:C代表皮大麥;S和F分別代表春性和半冬性
Note:C stand for covered; S and F stand for spring, facultative barely, respectively
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用高滲透溶液法進(jìn)行大麥種子萌發(fā)期抗旱性鑒定,利用20%PEG8000溶液作為脅迫處理溶液來模擬干旱脅迫。發(fā)芽試驗(yàn)參照鞠樂等[11]的試驗(yàn)方法。
1.2.2 指標(biāo)測(cè)定
以胚芽長(zhǎng)≥1/2種子長(zhǎng)或胚根長(zhǎng)≥種子長(zhǎng)作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)芽勢(shì)=第3 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;發(fā)芽率=第7 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;發(fā)芽指數(shù)(GI)=Σ(Gt/Dt),其中,Gt為第t日的發(fā)芽種子個(gè)數(shù),Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù);發(fā)芽第7 d,隨機(jī)挑選10株幼苗,測(cè)量根數(shù)、根長(zhǎng)、苗高和胚芽鞘長(zhǎng)度。各重復(fù)間無顯著差異,各指標(biāo)取其平均值。
某一指標(biāo)的相對(duì)值=脅迫處理的測(cè)定值/對(duì)照的測(cè)定值×100%;
綜合抗旱系數(shù)=(n個(gè)指標(biāo)的相對(duì)值之和)/n。
隸屬函數(shù)值計(jì)算:
U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),j=1、2、3……
(1)
(2)
(3)
其中,Xj為第j個(gè)指標(biāo)抗旱系數(shù)的測(cè)定值;Xjmax為第j個(gè)指標(biāo)抗旱系數(shù)的最大值;Xjmin為第j個(gè)指標(biāo)抗旱系數(shù)的最小值。若所測(cè)指標(biāo)與植物的抗旱性呈正相關(guān),則采用(1)式計(jì)算隸屬函數(shù)值,反之則用(2)式。
研究表明PEG脅迫下,參試材料各指標(biāo)均較對(duì)照呈下降趨勢(shì),大麥萌發(fā)受到不同程度的抑制。脅迫下苗高受抑制作用最嚴(yán)重,均值為3.16 cm,較對(duì)照下降62.56%。發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根數(shù)、根長(zhǎng)和胚芽鞘長(zhǎng)度均值分別是:19.53%、22.87%、18.11、5.10、3.59 cm和2.00 cm,分別較對(duì)照下降了39.22%、44.42%、41.72%、10.68%、57.26%和10.31%。脅迫下各指標(biāo)的變異系數(shù)較對(duì)照均增加,根長(zhǎng)表現(xiàn)突出,增加了323.93%。對(duì)照和脅迫各指標(biāo)之間經(jīng)配對(duì)t測(cè)驗(yàn),除胚芽鞘長(zhǎng)度外,其余指標(biāo)均呈極顯著,進(jìn)一步證實(shí)PEG處理下大麥萌發(fā)將會(huì)受到明顯抑制。表2
表2 PEG脅迫下大麥萌發(fā)期各指標(biāo)變化
Table 2 Changers of the germination indices for 12 accessions of barly under PEG stress
處理Treatment參數(shù)ParameterGP(%)GR(%)GIRNRL(cm)SH(cm)CL(cm)對(duì)照最大值Max.60.0068.0055.436.709.739.672.93Control最小值Min.14.0022.0013.864.507.186.171.95均值A(chǔ)verage32.1341.1331.095.718.408.442.23標(biāo)準(zhǔn)差SE13.7615.3313.430.620.761.100.28變異系數(shù)CV(%)42.8237.2743.2010.889.0713.0412.66PEG脅迫最大值Max.50.0056.0045.436.307.054.382.72PEG stress最小值Min.1.001.000.863.001.610.680.50均值A(chǔ)verage19.5322.8718.115.103.593.162.00標(biāo)準(zhǔn)差SE15.5516.9414.050.921.381.120.57變異系數(shù)CV(%)79.5974.0977.5817.9938.4535.3428.40較對(duì)照變化Comparison with the control均值A(chǔ)verage-12.60-18.27-12.97-0.61-4.81-5.28-0.23變異系數(shù)CV(%)36.7736.8234.397.1129.3822.3115.74t值 t value-8.22**-9.57**-10.04**-3.25**-11.93**-15.76**-1.39
GP:發(fā)芽勢(shì);GR:發(fā)芽率;GI:發(fā)芽指數(shù);RN:根數(shù);RL:根長(zhǎng);SH:苗高;CL:胚芽鞘長(zhǎng)度;t值: 處理與對(duì)照配對(duì)t檢驗(yàn);**表示t檢驗(yàn)達(dá)極顯著水平
GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length;tvalue: pairedttest between treatment and control;**indicatettest amount to significant level
從大麥萌發(fā)期各指標(biāo)相對(duì)值相關(guān)關(guān)系中發(fā)現(xiàn),相對(duì)苗高除了和相對(duì)根長(zhǎng)呈極顯著相關(guān)外,與其他指標(biāo)均無顯著相關(guān)。相對(duì)發(fā)芽指數(shù)與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)呈極顯著相關(guān),且相關(guān)系數(shù)最高為0.984。各指標(biāo)彼此之間呈顯著或極顯著相關(guān)性,提供的信息是重疊的,影響了萌發(fā)期抗旱鑒定的準(zhǔn)確性,為彌補(bǔ)單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的缺陷,進(jìn)一步運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了完善。表3
表3 PEG脅迫下各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)
Table 3 Correlation coefficients between indices under PEG stress
RGP:相對(duì)發(fā)芽勢(shì);RGR:相對(duì)發(fā)芽率;RGI:相對(duì)發(fā)芽指數(shù);RRN:相對(duì)根數(shù);RRL:相對(duì)根長(zhǎng);RSH:相對(duì)苗高;RCL:相對(duì)胚芽鞘長(zhǎng)度;*和**分別表示在0.05和0.01水平上相關(guān)顯著
RGP: relative germination potential; RGR: relative germination rate; RGI: relative germination index; RRN: relative radical number; RRL: relative radical length; RSH: relative shoot height; RCL: relative coleoptile length.*and**denote significant correlations at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively
對(duì)供試材料各指標(biāo)相對(duì)值進(jìn)行隸屬函數(shù)值的計(jì)算,并利用加權(quán)平均得到D值,根據(jù)D值大小反應(yīng)不同大麥品種萌發(fā)期抗旱性的強(qiáng)弱。參試材料綜合抗旱系數(shù)介于0.27~0.89,根據(jù)綜合抗旱系數(shù)排序,數(shù)值越大則表明抗旱性越強(qiáng),抗旱性強(qiáng)的品種為吉33,抗旱性表現(xiàn)敏感的品種為吉引2013-7-DM-088。供試材料各指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值介于0.30~0.63,根數(shù)平均隸屬函數(shù)值最大,而苗高平均隸屬函數(shù)值最小。發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和胚芽鞘長(zhǎng)度權(quán)重最高為0.17,而根數(shù)最低為0.1。按D值大小排序,變幅0.19~0.85,結(jié)果表明,吉33抗旱性表現(xiàn)最好,吉引2013-7-DM-088抗旱性表現(xiàn)最差,與綜合抗旱系數(shù)排序一致。表4
表4 不同大麥品種抗旱性綜合評(píng)價(jià)
Table 4 Comprehensive drought resistance evaluations on different barley varieties under PEG stress
品種編號(hào)Variety code綜合抗旱系數(shù)Comprehensive drought resistance coefficient隸屬函數(shù)值Subordinative function valueGPGRGIRNRLSHCLD值D value位次Rank10.440.300.190.260.800.120.140.350.29920.660.610.620.670.770.390.270.580.56530.600.380.460.470.560.200.380.890.49640.300.000.000.000.500.500.500.500.231150.891.001.000.970.770.650.420.910.85160.650.890.700.830.760.230.180.530.61270.390.110.120.110.720.320.310.510.281080.440.220.280.290.460.260.170.400.31890.270.010.210.100.440.370.180.100.1912100.580.530.420.480.490.370.270.620.467110.670.640.530.610.450.550.320.730.593120.670.480.530.520.880.410.420.820.584平均Average-0.430.420.440.630.360.300.58-權(quán)重Weight0.160.170.170.100.140.120.17-
GP:發(fā)芽勢(shì);GR:發(fā)芽率;GI:發(fā)芽指數(shù);RN:根數(shù);RL:根長(zhǎng);SH:苗高;CL:胚芽鞘長(zhǎng)度
GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length
研究表明,第1、第2主成分的特征值分別為4.835和1.181,貢獻(xiàn)率分別為69.067%和16.877%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.944%。依據(jù)因子提取原則,將7個(gè)單一指標(biāo)降維得到2個(gè)相互獨(dú)立因子?;敬砹怂鶞y(cè)指標(biāo)的全部信息,可反應(yīng)影響大麥萌發(fā)期抗旱性主導(dǎo)因素。載荷量的高低,反映主因子與各指標(biāo)的相關(guān)程度。第1主成分與發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)相關(guān)性最大,均大于0.9;第2主成分與苗高相關(guān)性最高達(dá)到0.683。2個(gè)因子可解釋85.944%的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),且丟失信息較少,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和苗高與2因子相關(guān)系數(shù)較高,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和苗高可作為大麥萌發(fā)期抗旱性鑒定的重要指標(biāo)。表5,表6
表5 所有因子特征值以及貢獻(xiàn)率
Table 5 Eigen values of all factors and their contributions
No.特征值Eigen value貢獻(xiàn)率Contribution(%)累計(jì)貢獻(xiàn)率Cumulative contribution(%)14.83569.06769.06721.18116.87785.94430.5377.67193.61440.3414.87698.4950.0570.80999.29960.0450.63999.93870.0040.062100
表6 2個(gè)主因子載荷矩陣
Table 6 Loading matrix of two factors
主因子 FactorGPGRGIRNRLSHCL因子1 Factor 10.9130.9380.9430.6730.7490.6960.856因子2 Factor 2-0.287-0.234-0.262-0.4330.5440.6830.160
GP:發(fā)芽勢(shì);GR:發(fā)芽率;GI:發(fā)芽指數(shù);RN:根數(shù);RL:根長(zhǎng);SH:苗高;CL:胚芽鞘長(zhǎng)度
GP: germination potential; GR: germination rate; GI: germination index; RN: radical number; RL: radical length; SH: shoot height; CL: coleoptile length
用各指標(biāo)相對(duì)值作為自變量,將綜合評(píng)價(jià)D值作為因變量進(jìn)行多元逐步回歸線性分析,得到最優(yōu)回歸方程:D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP,方程決定系數(shù)R2=0.992,P=0.01。7個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)中有3個(gè)對(duì)大麥萌發(fā)期抗旱性有顯著影響,分別是發(fā)芽率、苗高和發(fā)芽勢(shì)。發(fā)芽率、苗高和發(fā)芽勢(shì)可作為評(píng)價(jià)大麥萌發(fā)期抗旱性的關(guān)鍵指標(biāo)。在相同試驗(yàn)條件下,調(diào)查上述指標(biāo)并計(jì)算相對(duì)值,利用回歸方程可以有效評(píng)估大麥品種萌發(fā)期抗旱性。
種子萌發(fā)期是作物生長(zhǎng)發(fā)育的起始階段,也是最易受到逆境脅迫的關(guān)鍵時(shí)期,能否出全苗長(zhǎng)壯苗決定了全田基本苗數(shù),最終影響著產(chǎn)量的構(gòu)成。研究利用PEG-8000水溶液對(duì)大麥進(jìn)行室內(nèi)萌發(fā)期鑒定,觀測(cè)各形態(tài)指標(biāo)的變化,從而初步評(píng)價(jià)其抗旱性。該法具有實(shí)驗(yàn)周期短、不易受外界環(huán)境影響,操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),為室內(nèi)模擬大麥萌發(fā)期抗旱性鑒定方法提供了借鑒。
作物抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)量性狀,受到多種因素的協(xié)同作用。作物各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)抗旱性的貢獻(xiàn)度是不同的,鑒于作物抗旱性的復(fù)雜度,目前為止沒有哪個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)能充分代表。不能片面的利用個(gè)別指標(biāo)對(duì)其做出評(píng)判,需結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其抗旱性綜合評(píng)價(jià)。關(guān)于作物抗旱性評(píng)價(jià)方法,有采用隸屬函數(shù)[15]、主成分分析[16]、灰色關(guān)聯(lián)分析[17]和聚類分析[18]等方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),能有效彌補(bǔ)單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的不足。研究利用主成分分析法,發(fā)現(xiàn)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和苗高可作為大麥萌發(fā)期抗旱性鑒定的重要指標(biāo)。前3個(gè)指標(biāo)均和大麥萌發(fā)能力有關(guān),體現(xiàn)了發(fā)芽速度和整齊度,這與鞠樂等[13]的研究結(jié)果相類似。近年來,許多學(xué)者對(duì)萌發(fā)期抗旱性指標(biāo)的確定也提出了不同的見解。李國(guó)瑞等[4]認(rèn)為發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)是萌發(fā)期抗旱性鑒定的參考指標(biāo)。張樹林等[19]認(rèn)為萌發(fā)期抗旱性鑒定的關(guān)鍵指標(biāo)分別是芽長(zhǎng)、發(fā)芽勢(shì)、根鮮重。鞠樂等[11]將胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)、胚芽干重、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)速率作為大麥萌發(fā)期抗旱性快速鑒定重要指標(biāo)。研究篩選出的指標(biāo)與前人有相似之處。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比,PEG脅迫下胚芽鞘長(zhǎng)度無顯著變化,這與張芳等[20]的研究結(jié)果不一致,可能是材料自身遺傳特性造成的,研究所選材料均是從中亞引進(jìn)的皮大麥品種。利用線性回歸得到最優(yōu)方程D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP,為今后大麥萌發(fā)期抗旱性鑒定提供了參考,因此,僅需要調(diào)查發(fā)芽率、苗高和發(fā)芽勢(shì)即可評(píng)估相應(yīng)材料抗旱性,從而簡(jiǎn)化了室內(nèi)表型鑒定的工作。
目前作物抗旱性評(píng)價(jià)方法沒有統(tǒng)一規(guī)范,每種方法也各有利弊。研究利用隸屬函數(shù)法對(duì)12份中亞引進(jìn)大麥品種萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)吉33綜合得分最高,表明抗旱性最強(qiáng),而吉引2013-7-DM-088抗旱性最差,這與利用綜合抗旱系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果一致。經(jīng)過兩種方法的相互驗(yàn)證,上述材料排位無變化,表明評(píng)判更加客觀準(zhǔn)確,綜合評(píng)價(jià)抗旱性更具有效性。約10 500 aBP起源于西亞地區(qū)的大麥在4 500~4 000 aBP傳入中亞東部和中國(guó)西北地區(qū),可能是亞歐大陸東西方文化元素最早匯聚的地區(qū)[21]。新疆和中亞深處內(nèi)陸,受中緯度西風(fēng)的影響更大,這個(gè)區(qū)域遠(yuǎn)離海洋,除了部分高大山地以外,年降水量都在 200 mm以下[14]。新疆大麥生產(chǎn)擁有得天獨(dú)厚的歷史背景和相似的環(huán)境條件,因此,從農(nóng)作物傳播及地理環(huán)境特點(diǎn)出發(fā),引進(jìn)并利用中亞大麥抗逆品種,不僅能豐富我區(qū)大麥種質(zhì)資源,還可利用吉33構(gòu)建群體用于抗旱基因定位研究。為拓寬大麥骨干親本庫,挖掘抗旱關(guān)鍵基因具有重要意義。各生育時(shí)期抗旱性表現(xiàn)、生理生化指標(biāo)則是下一階段關(guān)注的重點(diǎn)。
研究12份不同基因型中亞引進(jìn)大麥萌發(fā)期的抗旱性,利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)鑒定吉33抗旱性最強(qiáng),吉引2013-7-DM-088抗旱性最弱。通過主成分分析和多元逐步回歸線性分析得到最優(yōu)回歸方程D=0.036+0.392GR+0.382SH+0.233GP,并篩選出發(fā)芽率、苗高和發(fā)芽勢(shì)3個(gè)鑒定指標(biāo),可作為大麥萌發(fā)期抗旱性的關(guān)鍵指標(biāo)。