趙吉平,周 偉,任杰成,郭鵬燕,許 瑛
(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所,山西汾陽032200;2.汾陽市氣象局,山西汾陽032200)
環(huán)境脅迫是麥類作物產(chǎn)量的重要限制性因素,其中,干旱脅迫是影響麥類作物正常生長發(fā)育的重要非生物脅迫因素。培育優(yōu)質(zhì)的抗旱小麥新種質(zhì)是保障國家糧食產(chǎn)量穩(wěn)定以及糧食安全的關(guān)鍵所在。干旱是影響小麥作物產(chǎn)量的主要限制性因素之一[1],在干旱以及半干旱地區(qū)尤為顯著。受全球氣候變化的影響,降水供給量呈現(xiàn)明顯下降趨勢,小麥全生育期干旱脅迫日漸顯著。相關(guān)研究顯示,干旱因素致糧食作物減產(chǎn)逼近糧食作物全因素減產(chǎn)量的50%[2]。灌溉雖可在短期緩解小麥作物干旱脅迫影響,但因灌溉會誘發(fā)土壤板結(jié)及土壤鹽堿化現(xiàn)象,不利于小麥種植區(qū)的長遠穩(wěn)定發(fā)展[3]。
綜合因素分析可知,選育抗旱高產(chǎn)小麥新種質(zhì)是突破小麥干旱脅迫難題的關(guān)鍵途徑。前人關(guān)于小麥抗旱性指標的篩選研究眾多,主要篩選指標歸為干旱適應(yīng)性生理指標、干旱脅迫后農(nóng)藝性狀指標兩類。此外,為避免單一抗旱性指標評估的片面性,常常進一步選用主成分分析、隸屬函數(shù)分析等方法對小麥種質(zhì)抗旱性進行綜合評價。其中,主成分分析法在小麥抗旱性綜合評價中的應(yīng)用越來越廣泛。
本研究選擇50 份山西省小麥新種質(zhì)作為供試材料,通過田間直接鑒定法分析自然干旱條件和灌水條件下小麥品種農(nóng)藝性狀,并對其抗旱性進行綜合評價,以期為小麥新種質(zhì)的推廣種植提供科學(xué)理論依據(jù)。
供試小麥品種為2016 年在山西晉城、長治和晉中試驗基地參加山西省和國家區(qū)域試驗的42 個小麥品種、山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所種質(zhì)資源中優(yōu)秀骨干品種8 份,分別為:太113、長麥5765、長9499、長8255、京麥10 號、農(nóng)大3486、長6066、CA1091、太1305、中麥4072、太315、中麥93、輪選638、長麥5973、晉太148、旱優(yōu)5 號、太831、晉太1310、長麥3897、太5293、津麥3118、長5553、晉麥79 號、晉太141、長6794、太412、中信麥88、長7080、長麥251、長麥5823、太1508、谷麥0982、晉太9923、晉麥68 號、長6904、航麥2566、長麥3909、眾麥7198、長麥6686、晉太114、嬰泊700、太512、長治6195、科遺12- 6105、潤麥2 號、長麥6697、京農(nóng)12- 79、晉太146、長麥6789 和太1411。目前,已有一大部分品種通過省審和國審[4-16]。
田間直接鑒定試驗于2016—2018 年連續(xù)2 a在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所試驗基地汾陽市進行。所有試驗田前茬均為綠豆茬口。供試材料在同一地塊分別設(shè)置水地和旱地條件下種植。水地、旱地小區(qū)之間設(shè)置3 m(含2 條觀察道1 m)隔離帶,隔離帶不澆水。試驗采用隨機區(qū)組排列,小區(qū)面積5.2 m2(2.0 m×2.6 m),2 次重復(fù)。供試材料分別于2016 年10 月8 日(水旱同日)和2017 年10 月5 日(水旱同日)播種,人工開溝播種,播量按照基本苗225.0 萬/hm2計算。旱地不澆水,采取自然雨養(yǎng)條件供給水分。2016 年10 月至2017 年6 月、2017 年10 月至2018 年6 月全生育期降水量分別為146.1,231.3 mm(數(shù)據(jù)來源于山西省汾陽市氣象局)。水地在自然雨養(yǎng)條件外,分別于2017 年4 月10 日、5 月8 日和5 月25 日,2018 年4 月12 日、5 月5 日和5 月27 日進行澆水處理,每次澆水量約為650 m3/hm2。水地除澆水外,其他管理與旱地一致。分別于2017,2018 年小麥成熟時每小區(qū)隨機采20 穗考種備用,并調(diào)查其有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量。綜合評價小麥品種的抗旱指數(shù)、隸屬函數(shù)值(U)和抗旱性綜合評價值(D)。
研究獲取的數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 2016 進行整理,并錄入SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析。各農(nóng)藝性狀指標通過SPSS 22.0 軟件進行降維處理,轉(zhuǎn)化成數(shù)量較少、相對具有獨立性的綜合性指標。在此基礎(chǔ)上獲取各個綜合指標的隸屬函數(shù)值,加權(quán)處理后獲取抗旱性綜合評價值。具體核算公式如下。
式中,Xj表示第j 個綜合指標,其中,j 取值1- n;Xmax以及Xmin分別表示第j 個綜合指標的極大值以及極小值;Pj表示第j 個綜合指標的貢獻率。
選取有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及小區(qū)產(chǎn)量等四大指標進行小麥抗旱指數(shù)的評價。結(jié)果表明,50 個小麥品種的抗旱指數(shù)存在差異性(表1)。有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及小區(qū)產(chǎn)量不同指標顯示的小麥抗旱指數(shù)亦存在不同。以小區(qū)產(chǎn)量的抗旱指數(shù)進行評估排名,長治6195 的抗旱指數(shù)最佳,前26 位次分別為:長治6195、農(nóng)大3486、太1305、中麥4072、長6794、長麥5823、太412、谷麥0982、太113、長麥251、長7080、太831、長6904、長麥3909、太1508、科遺12- 6105、長麥6686、晉麥79 號、長麥3897、長麥5765、太512、晉太148、太1411、中麥93、晉麥68 號、晉太1310(表1)。單純使用某一指標的抗旱指數(shù)評估小麥抗旱性價值不大,需要采取主成分分析法對其抗旱性加以綜合評價。
采用SPSS 22.0 軟件統(tǒng)計,對表1 中各農(nóng)藝性狀指標抗旱指數(shù)進行主成分分析,以特征值>1 為標準,最終獲取2 個主成分,如表2 所示,通過主成分矩陣分析可知,有效穗數(shù)、小區(qū)產(chǎn)量在第一主成分上有較高荷載,說明第一主成分主要反映有效穗數(shù)、小區(qū)產(chǎn)量與抗旱性的關(guān)系;穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量在第二主成分上有較高荷載,說明第二主成分主要反映穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量與抗旱性的關(guān)系。
表1 各小麥品種抗旱指數(shù)分析
表2 小麥品種主成分分析
根據(jù)隸屬函數(shù)值U 及權(quán)重W 核算得抗旱性綜合評價值D,結(jié)果表明,晉太148 抗旱性綜合評價值最高(表3)。將抗旱性綜合評價值D 進行以下劃分[19]:強抗旱,D≥0.59;抗旱,0.59>D≥0.51;中抗旱,0.51>D≥0.41;較敏感,0.41>D≥0.35;敏感,D<0.35。本研究50 個小麥品種中,抗旱品種1 個,為晉太148;中抗旱品種47 個,分別為:太1305、晉太9923、太412、長麥3897、晉麥68 號、太1508、太831、太512、晉太114、長麥5823、長麥6686、津麥3118、長7080、晉太1310、晉太141、長治6195、航麥2566、長麥3909、晉麥79 號、谷麥0982、長麥5765、太315、京農(nóng)12- 79、長麥251、太1411、太113、長6904、長9499、長8255、京麥10、長6065、CA1091、中麥4072、中麥93、輪選638、長麥5973、旱優(yōu)5 號、太5293、長5553、長6794、眾麥7198、嬰泊700、科遺12- 6105、潤麥2 號、長麥6697、晉太146、長麥6789;較敏感品種2 個,分別為:農(nóng)大3486、中信麥88。
表3 各小麥品種抗旱性綜合評價
小麥作物的抗旱性能受到多基因協(xié)同控制,不同小麥種質(zhì)間抗旱性能存在明顯差異[20]。準確鑒定小麥種質(zhì)抗旱性,可為小麥抗旱親本選育以及小麥種質(zhì)的推廣提供依據(jù)。主成分分析為目前常見抗旱性指標篩選方法,通過主成分分析,可以將具有相互關(guān)聯(lián)性的生理指標以及農(nóng)藝性狀等轉(zhuǎn)換為相互獨立性的綜合性鑒定指標。在此基礎(chǔ)上,對各指標進行加權(quán)處理,核算隸屬函數(shù)值,進而得到抗旱性綜合評價值D,并對小麥品種抗旱性加以評估。小麥抗旱性綜合評價值D 屬于無量綱純數(shù)值,獲取的小麥抗旱性具有一定的可比性。
本研究通過田間直接鑒定試驗對50 份小麥品種的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀指標加以測定,進而評估其抗旱性綜合評價值D,并對小麥品種抗旱性進行分級鑒定。張軍等[21]對抗旱指數(shù)以及抗旱性綜合評價值D 進行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,不同干旱處理條件下,抗旱指數(shù)以及抗旱性綜合評價值D 均呈現(xiàn)明顯正相關(guān)性。說明抗旱性綜合評價值D 為小麥抗旱性的優(yōu)良評價指標,說明本研究選取抗旱性綜合評價值D 作為抗旱性評價指標具有可行性。有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及小區(qū)產(chǎn)量等指標為評估小麥抗旱性的常見農(nóng)藝性狀指標。劉青松等[22]選取千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、穗數(shù)以及產(chǎn)量作為產(chǎn)量性狀分析指標,綜合分析各產(chǎn)量構(gòu)成因素,獲取了抗旱小麥品種。研究充分證實穗粒數(shù)、穗數(shù)以及產(chǎn)量等指標對于小麥抗旱性評估的有效性。本研究結(jié)果表明,50 個小麥品種的抗旱指數(shù)存在差異性,有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及小區(qū)產(chǎn)量不同指標顯示的小麥抗旱指數(shù)亦存在不同。說明單純使用某一指標的抗旱指數(shù)評估小麥抗旱性價值不大。將4 個農(nóng)藝性狀指標進行主成分分析獲得了2 個主成分。根據(jù)抗旱性綜合評價值D,獲取抗旱品種1 個、中抗旱品種47 個。說明抗旱性較高的小麥品種稀少,多數(shù)為中等抗旱及抗旱性差的品種。同時,有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及小區(qū)產(chǎn)量等4 個指標進行主成分分析評估抗旱性可行性高。與直接性抗旱性指標小區(qū)產(chǎn)量的抗旱指數(shù)相比較,抗旱指數(shù)位居前48 位的小麥品種中,與抗旱性綜合評價值前48 位重疊47 個,分別為:太113、長麥5765 、長9499、長8255 、京麥10 號、長6065 、CA1091、太1305、中麥4072 、太315 、中麥93 、長麥5973、晉太148、旱優(yōu)5 號、太831、晉太1310、長麥3897、太5293、津麥3118、長5553、晉麥79 號、晉太141、長6794 、太412 、長7080、長麥251、長麥5823、太1508、谷麥0982、晉太9923、晉麥68 號、長6904、航麥2566、長麥3909、眾麥7198、長麥6686、晉太114、嬰泊700、太512、長治6195、科遺12- 6105、潤麥2 號、長麥6697、京農(nóng)12- 79、晉太146、長麥6789、太1411。
抗旱性綜合評價值D 可有效反映小麥品種的綜合抗旱性。本研究通過該方法鑒定出1 個抗旱品種,即晉太148 以及47 個中抗旱品種。此外,結(jié)合直觀性抗旱指標小區(qū)產(chǎn)量抗旱指數(shù)值,最終獲取47 個抗旱性優(yōu)良的小麥品種,為小麥品種的選育應(yīng)用和推廣提供科學(xué)依據(jù)。對小麥種質(zhì)優(yōu)良性的評價,除抗旱性外,仍有抗寒性以及抗病性等的評估,需進一步加以鑒定,篩選整體優(yōu)良的小麥種質(zhì)。