李靜靜，任永哲，白露，呂偉增，王志強，辛澤毓，林同保

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002；3.省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室，河南 鄭州 450002)

隨著全球氣候變暖和水資源緊缺的加劇，每年因干旱缺水導(dǎo)致的作物減產(chǎn)已經(jīng)超過其他非生物限制因素的總和，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，培育和篩選抗旱性強的小麥品種是應(yīng)對干旱問題的有效手段[2]，有利于保障世界糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。前人研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱滲透脅迫的增加，種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、葉綠素含量和相對含水量呈下降趨勢，超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性，丙二醛(MDA)及脯氨酸含量和相對電導(dǎo)率不同程度上升[6-7]。趙振寧等[8]研究發(fā)現(xiàn)， PEG模擬干旱脅迫處理下，大豆胚根的SOD活性、POD活性、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸及MDA含量均高于對照。說明植物在適應(yīng)干旱脅迫時會傳導(dǎo)干旱脅迫信號，調(diào)節(jié)干旱響應(yīng)相關(guān)基因的表達水平，進而引起生理生化及形態(tài)學(xué)上的改變。種子萌發(fā)期是小麥生長發(fā)育的開始階段，也是衡量小麥抗旱性強弱的重要時期[9]。小麥萌發(fā)期抗旱性對幼苗建成和后期高產(chǎn)至關(guān)重要。種子能否正常萌發(fā)直接影響小麥出苗的快慢和質(zhì)量，進而決定了基本苗數(shù)及群體結(jié)構(gòu)，并最終影響產(chǎn)量的形成[10]。因此，研究干旱對不同基因型小麥品種種子萌發(fā)的影響對于了解小麥耐旱機制及篩選耐旱小麥種質(zhì)具有重要意義。對于作物萌發(fā)期抗旱性的研究前人已有較多報道。研究表明，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長和芽長等與抗旱性密切相關(guān)[11]。吳曉鳳等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下不同菊科植物種子的相對電導(dǎo)率、MDA含量均增加，但抗性強的品種增幅較小，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均下降。王銳等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下不同基因型油菜種子在萌發(fā)期的活力指數(shù)、根長、幼苗莖干鮮質(zhì)量和千粒質(zhì)量等指標(biāo)與對照相比均下降。任毅等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同小麥品種在PEG-6000(聚乙二醇)脅迫下發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根數(shù)、根長、苗高和胚芽鞘長度值較對照均下降。前人對于不同小麥品種在萌發(fā)期的抗旱性已有一些報道[15-16]，本試驗選取了20個遺傳背景差異較大，且抗旱性可能存在較大差異的小麥品種為材料，采用主成成分分析和因子得分的統(tǒng)計學(xué)方法，測定PEG-6000模擬干旱脅迫下不同基因型小麥品種抗旱性相關(guān)指標(biāo)，研究干旱脅迫對不同基因型小麥種子萌發(fā)的影響，鑒定不同基因型小麥品種萌發(fā)期的抗旱性，為抗旱小麥品種的選用和萌發(fā)期的抗旱性鑒定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用20個不同基因型的代表性小麥品種為供試材料(表1)，以質(zhì)量分數(shù)為20% PEG-6000溶液模擬干旱條件進行萌發(fā)期抗旱性研究，試驗所用小麥品種的種子由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物水分利用與農(nóng)田生態(tài)課題組收集和保存。

1.2 試驗方法

1.2.1 培養(yǎng)方法和表型指標(biāo)測定 采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法，選用籽粒飽滿、大小均勻的小麥種子，用無菌雙蒸水(ddH2O)沖洗3次，用質(zhì)量分數(shù)為1%的次氯酸鈉消毒20 min，再用雙蒸水沖洗3～5次。將消毒后的種子均勻置于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中放入50粒種子，加入10 mL質(zhì)量分數(shù)為20%的PEG-6000進行處理，以加入等量的蒸餾水作為對照。每個處理設(shè)3次生物學(xué)重復(fù)。將所有培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中進行萌發(fā)和培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為：20 ℃，12 h光照/12 h黑暗、相對濕度為80%。每天補充相同的蒸餾水和PEG-6000溶液，并記錄萌發(fā)種子的數(shù)目。將3次重復(fù)中有1粒種子萌發(fā)時作為該處理下發(fā)芽的開始，以芽長達到種子1/2長或根長達到種子長度作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查每個處理的發(fā)芽數(shù)，連續(xù)3 d不再有種子發(fā)芽作為發(fā)芽的結(jié)束。統(tǒng)計每日發(fā)芽數(shù)、總發(fā)芽數(shù)，7 d后測量芽長、主胚根長、芽鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量并計算以下指標(biāo)：

發(fā)芽率(GR，%)=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100

發(fā)芽勢(GE，%)=日發(fā)芽種子數(shù)達最大時的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)

萌發(fā)抗旱指數(shù)=處理下發(fā)芽指數(shù)/對照下發(fā)芽指數(shù)

式中：Gt為t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)時間的發(fā)芽天數(shù)。

萌發(fā)7 d后，取對照和PEG-6000處理下的幼苗地上部各0.2 g裝入離心管中，液氮速凍后置于-80 ℃冰箱用于后期生理指標(biāo)測定；將幼苗地上部與根系去除后殘余的種子部分置于80 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱量其質(zhì)量。根據(jù)馬守才等[17]的方法計算干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率。

表1 供試小麥品種名稱Table 1 List of different genotypic wheat varieties

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量=發(fā)芽前種子干質(zhì)量-發(fā)芽后種子殘留物干質(zhì)量；

干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率=(種子貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/發(fā)芽前種子干質(zhì)量)×100%；

1.2.2 生理指標(biāo)測定方法 MDA含量測定采用雙波長硫代巴比妥酸法[18]；SOD活性采用儲鳳麗等[19]的方法測定，以每分鐘吸光度變化0.5為一個酶活性單位；CAT活性采用劉鵬程等[20]的方法測定，以每分鐘吸光度減少0.1為一個酶活性單位；POD活性測定采用李桐等[21]的方法，以每分鐘吸光度變化1為一個酶活性單位。各生理指標(biāo)重復(fù)測定3次，取平均值。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行整理分析及繪圖，利用SPSS 21.0進行差異顯著性分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型小麥萌發(fā)期抗旱性差異

2.1.1 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的影響 由表2可知，PEG-6000脅迫處理后，供試小麥品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與對照(CK)相比均有不同程度的下降。在PEG-6000脅迫下,發(fā)芽率和發(fā)芽勢均是晉麥47、石4185和周麥19的降幅最低，發(fā)芽率降低幅度依次為7.0%、5.3%和6.1%，發(fā)芽勢降低幅度依次為4.7%、1.4%和11.1%。發(fā)芽率和發(fā)芽勢降幅最大的為京冬18(54.2%、52.6%)和石家莊4號(50.7%、45.7%)，京東18和石優(yōu)20的發(fā)芽指數(shù)降幅最大，分別下降54.2%和53.5%。

2.1.2 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響 不同基因型小麥品種種子萌發(fā)抗旱指數(shù)受PEG-6000脅迫的影響如圖1所示。PEG-6000脅迫下，不同品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)在0.37～0.81之間，且品種間萌發(fā)抗旱指數(shù)存在較大差異。其中洛旱2號萌發(fā)抗旱指數(shù)為0.806，在所有供試的20個品種中最高，且與其他品種的差異均達到顯著水平，其次為晉麥47，其萌發(fā)抗旱指數(shù)為0.778。在供試品種中，京冬18、石優(yōu)20和洛旱11的萌發(fā)抗旱指數(shù)最小，分別為0.375、0.498和0.463。這說明洛旱2號和晉麥47在干旱脅迫下發(fā)芽速度快，整齊度高，而京冬18、石優(yōu)20和洛旱11則相反。

表2 PEG-600脅迫對不同小麥品種發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響Table 2 Effect of PEG stress on germination rate,germination potential and germination index of different wheat varieties

注：CK:對照；Dr:質(zhì)量分數(shù)為20% PEG-6000溶液。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)。下同。

Note: CK: control; Dr: 20% PEG-6000 solution.Values with different letters within the same column mean significant difference at 5% level.The same as below.

2.1.3 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種芽長和主胚根長的影響 在干旱條件下，不同小麥品種的芽長和主胚根長出現(xiàn)了不同程度的變化(表3)。芽長的變化范圍在0.6～1.4 cm之間；主胚根長的變化范圍在1.4～3.2 cm之間。與對照(CK)相比，PEG-6000脅迫均抑制了芽長和主胚根長的生長，且不同品種受到的影響不同。在PEG-6000脅迫下，旱選10號的芽長最長且與其他品種相比達到了顯著水平，但是西農(nóng)979的降低幅度最小。在PEG-6000脅迫下，鄭麥9023的主胚根最長且降幅最低，與其他品種相比達到了顯著水平。

圖1 干旱脅迫對不同小麥品種萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響Fig.1 Effect of drought stress on germination and drought tolerance index of different wheat varieties

表3 PEG-6000脅迫對不同小麥品種芽長和主胚根長的影響Table 3 Effects of PEG-6000 stress on bud length and primary root length of different genotypic wheat varieties

2.1.4 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種芽鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量的影響 由表4可知，與對照(CK)相比，PEG-6000脅迫后不同基因型小麥品種的芽鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量均呈下降趨勢。在PEG-6000脅迫處理下，運旱618的芽鮮質(zhì)量最大且降低幅度最小(92.7%)，與其他品種相比差異均達到顯著水平；京冬18芽鮮質(zhì)量最小，而石優(yōu)20的降低幅度最大(97.1%)。長治6406在PEG-6000脅迫后根鮮質(zhì)量最大且降低幅度最小(87.7%)，而石家莊4號降低幅度最大(93.9%)且根鮮質(zhì)量最小。

2.1.5 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種各指標(biāo)影響情況的主成分分析 對20個不同基因型小麥品種的芽長、主胚根長、芽鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)進行因子主成分分析，根據(jù)累計貢獻率大于80%的原則提取主成分，本試驗提取了3個主成分(表5和表6)，其中第1主成分的特征值為3.125，貢獻率為44.6%，在此主成分上發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)占有的載荷最大。第2主成分的特征值為1.861，貢獻率為26.6%，其中芽長和芽鮮質(zhì)量占有的載荷最大。第3主成分的特征值為1.049，貢獻率為15.0%，各因子載荷矩陣中根鮮質(zhì)量的值最大，即根鮮質(zhì)量的載荷最大。以上3個主成分的累計貢獻率為86.2%，基本包含了所測指標(biāo)的全部信息。

根據(jù)F值大小(表7)判斷小麥品種的抗旱性。F值越大，則表明抗旱性越強。其中F值前5名分別為晉麥47、運旱618、長治6406石4185和旱選10號，屬于高抗品種；F值后5名分別為鄭麥9023、鄭麥366、石家莊4號、京冬18和石優(yōu)20，屬于干旱敏感型；其他品種處于高抗和干旱敏感中間。

表4 PEG-6000脅迫對不同小麥品種芽鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量的影響Table 4 Effect of PEG-6000 stress on bud fresh quality and root fresh quality of different wheat varieties

表5 芽長、主胚根長、芽鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)各指標(biāo)主成分分析Table 5 Principal component analysis of each indicator of bud length,primary root length,bud fresh quality,root fresh quality,germination rate,germination potential and germination index

表6 芽長、主胚根長、芽鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)各因子載荷矩陣Table 6 Load matrix of each factor of bud length,primary root length,bud fresh quality,root fresh quality,germination rate,germination potential and germination index

表7 不同小麥品種F值綜合得分及抗旱性評價Table 7 Evaluation of comprehensive score F and drought tolerance of each wheat variety

2.2 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種生理指標(biāo)的影響

2.2.1 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種MDA含量、SOD活性、CAT活性和POD活性的影響 為了進一步檢驗通過表型指標(biāo)衡量不同品種萌發(fā)期抗旱性的可靠程度，根據(jù)F值排序結(jié)果，又從20個品種中各選取了抗旱性較強的晉麥47、運旱618、長治6406和抗旱性較差的京冬18、石家莊4號、鄭麥366共6個品種，對其萌發(fā)7 d后幼苗相關(guān)生理指標(biāo)和種子干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移情況進行了測定。由圖2可知，與對照相比，在PEG-6000脅迫下MDA、SOD、CAT和POD呈上升趨勢，但不同品種間的變化程度不同。京冬18、石家莊4號、鄭麥366、晉麥47、長治6406和運旱618的MDA含量分上升了165.3%、98.4%、88.7%、46.3%、88.0%和72.2%，SOD活性分別增強了58.4%、83.2%、88.8%、117.3%、90.9%和108.9%，POD活性分別增強了71.7%、80.0%、83.5%、149.0%、96.9%和98.3%，CAT活性分別增加了56.3%、77.0%、75.6%、121.6%、98.9%和127.2%。在干旱脅迫下，抗旱性較差的京冬18、石家莊4號和鄭麥366的MDA含量顯著高于抗旱性較好的晉麥47、長治6406和運旱618，而京冬18、石家莊4號和鄭麥366的SOD、POD、CAT活性則顯著低于晉麥47、長治6406和運旱618。

2.2.2 PEG-6000脅迫對不同基因型小麥品種種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率的影響 如圖3所示，與對照相比，PEG-6000脅迫顯著降低了種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率，但不同品種間降低幅度不同。京冬18、石家莊4號、鄭麥366、晉麥47、長治6406和運旱618的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量分別降低了49.8%、44.6%、41.1%、28.8%、36.2%和34.7%，干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率分別降低了52.8%、48.1%、42.9%、31.9%、34.3%和31.9%，其中京冬18、石家莊4號和鄭麥366降低幅度最大，晉麥47、運旱618和長治6406降低幅度最小。因此，晉麥47、長治6406和運旱618更有利于在干旱環(huán)境下為萌發(fā)期幼苗的生長發(fā)育提供養(yǎng)分。

3 結(jié)論與討論

在作物的不同生長發(fā)育階段，水分均起著至關(guān)重要的作用[22]。前期種子萌發(fā)情況在很大程度上決定了作物的出苗數(shù)量和植株的健壯程度，進而影響后期產(chǎn)量的形成。因此，鑒定小麥種子萌發(fā)期的抗旱性對于節(jié)約農(nóng)業(yè)用水、保障國家糧食安全具有重要意義[23-24]。然而，采用單項指標(biāo)評價小麥抗旱性具有一定的片面性。例如在本研究中，小麥萌發(fā)期不同品種在干旱情況下的芽長、主根胚長、芽鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，但同一品種測定的不同指標(biāo)變化趨勢并不一致。因此，本研究采用主成分分析和因子得分的方法對其抗旱性進行了綜合評價，根據(jù)F值的大小可以看出，抗旱性較強的品種有晉麥47、運旱618、長治6406、石4185和旱選10號，抗旱性較差的品種有京冬18、石家莊4號、石優(yōu)20、鄭麥9023和鄭麥366。

前人研究表明，干旱脅迫能造成植物發(fā)生一系列生理水平上的變化。例如，在干旱脅迫時，一方面，植物不僅能通過應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生大量的活性氧,而且也會使MDA含量大量積累，而MDA含量反映植株細胞膜脂的過氧化程度和活性氧(SOD、POD和CAT)作為氧自由基的清除劑，含量越多說明植物的抗旱性越強。另一方面，干旱脅迫抑制幼苗物質(zhì)積累的原因是抑制了種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和轉(zhuǎn)化效率，因此，干旱條件下種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率在一定程度上決定了小麥幼苗生長狀況[25-26]。為了進一步檢驗通過表型指標(biāo)衡量不同品種萌發(fā)期抗旱性的可靠程度，根據(jù)F值排序結(jié)果，又從20個品種中選取了抗旱性較強的3個和抗旱性較差的3個品種，對其萌發(fā)7 d后幼苗相關(guān)生理指標(biāo)和種子干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移情況進行了測定。結(jié)果表明，與對照相比，在PEG-6000脅迫下MDA、SOD、CAT和POD呈上升趨勢，小麥幼苗干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量顯著降低，且不同品種間存在差異，這與前人研究結(jié)果是一致的。在干旱脅迫下，F(xiàn)值較小的京冬18、石家莊4號和鄭麥366的MDA含量顯著高于其他品種，而SOD、POD、CAT活性、種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量與干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率顯著低于另外3個F值較高的品種。說明晉麥47、運旱618和長治6406比F值較小的3個品種更抗旱，證實基于形態(tài)指標(biāo)的綜合評價值法可以有效地對小麥萌發(fā)期抗旱性進行鑒定。

張龍龍等[27]以晉麥47、西農(nóng)538、西農(nóng)979、西農(nóng)558、西農(nóng)556和小偃22共6個小麥品種為材料，研究了PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫下發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽鞘長度、SOD、POD、MDA、葉綠素和相對含水量等指標(biāo)的變化，研究認為，在20% PEG-6000脅迫下品種間抗旱性表現(xiàn)為：晉麥47>西農(nóng)538>小偃22>西農(nóng)558>西農(nóng)556>西農(nóng)979；高寶云等[28]用21個抗旱性不同的小麥品種為試驗材料，在20% PEG-6000干旱脅迫下，測定了不同小麥品種的胚芽鞘、主胚根長、側(cè)根長度、發(fā)芽率和全株鮮重等指標(biāo)，抗旱性結(jié)果為：晉麥47>陜農(nóng)138>長武134>西農(nóng)979>陜旱981>小偃15>商麥1619>西農(nóng)2000>商麥5226>新洛8號>長4640>小偃216>山前>商麥8928>遠豐175>西農(nóng)928>矮抗58>小偃22>西農(nóng)889>鄭麥9023。本研究所用試驗材料與前人研究有部分重疊，這些重疊品種的抗旱性表現(xiàn)為晉麥47>西農(nóng)979>矮抗58>鄭麥9023，這與前人的研究結(jié)論是一致的。李素等[29]以48份不同抗旱性的小麥品種為試材，分別調(diào)查其在雨養(yǎng)旱地和灌溉水地的旗葉面積、穗長、穗下節(jié)長、穗葉距、旗葉相對含水量、旗葉離體失水速率、株高、單位面積穗數(shù)、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、水分利用效率等19 項指標(biāo)，試驗材料與本研究所用品種重疊部分的抗旱性結(jié)果為洛旱11>運旱618>石4185>濟麥22>晉麥47>洛旱2號>衡觀35，本試驗的研究結(jié)果與其相比存在一定的差異，推測可能是小麥抗旱性鑒定的時期不同所致?？梢?，不同品種在同一生育時期抗旱性存在顯著差異,同一品種在不同的生育時期抗旱性也存在較大差異。

小麥的抗旱機制非常復(fù)雜，往往需要通過鑒定多種抗旱相關(guān)指標(biāo)來綜合衡量其抗旱性[30]。賈壽山等[31]認為，種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的大小能夠反映作物種子抗旱性的高低。孫綠等[32]認為，發(fā)芽率、胚芽鞘長、胚根數(shù)、主胚根長和干物質(zhì)重都可以作為鑒定小麥抗旱性的抗旱指標(biāo)。然而不同的萌發(fā)指標(biāo)在干旱脅迫下的變化程度不同，說明不同性狀對干旱脅迫做出的響應(yīng)存在差異[33]。本試驗通過對20個小麥品種萌發(fā)期發(fā)芽率、發(fā)芽勢發(fā)芽指數(shù)、萌發(fā)抗旱指數(shù)、芽長、主胚根長、芽鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量8個指標(biāo)進行主成分分析綜合得分(F)和生理指標(biāo)測定認為，抗旱性較強的品種有：晉麥47、運旱618、長治6406、石4185和旱選10號，抗旱性較差的品種有：京冬18、石家莊4號石優(yōu)20、鄭麥9023和鄭麥366。研究結(jié)果可以為抗旱小麥品種的選用和萌發(fā)期抗旱鑒定提供參考。