王永剛，張勝軍，劉亞麗，樊艷星，郭彩琴，馬艷明

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所,烏魯木齊 8300912; 2.新疆伊犁哈薩克自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆伊寧 835011)

0 引 言

【研究意義】每年因干旱導(dǎo)致的農(nóng)作物減產(chǎn)要超過(guò)其他限制因素的總和[1]。小麥(TriticumaestivumL.)是我國(guó)最主要的一種糧食作物[2]。篩選和培育抗旱性強(qiáng)的小麥品種是解決其應(yīng)對(duì)干旱的重要途經(jīng)之一[3-4]。新疆屬于干旱和半干旱地區(qū)，有秋冬連旱的現(xiàn)象，影響冬小麥的種子萌發(fā)，直接影響其基本苗數(shù)[5]。小麥種子萌發(fā)期相較其它生長(zhǎng)階段更易遭受干旱影響，較強(qiáng)的萌發(fā)期抗旱性，是干旱脅迫下保證小麥幼苗生長(zhǎng)和后期高產(chǎn)的關(guān)鍵。鑒定和評(píng)價(jià)新疆冬小麥種質(zhì)資源的抗旱性，篩選出強(qiáng)抗旱性的小麥品種，對(duì)小麥抗旱性育種具有重意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有作物抗旱性鑒定與篩選研究，包括作物的種類、形態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育等，得出一些有效鑒定作物耐旱性的方法與指標(biāo)[6-9]。小麥抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)性狀[10-11]。僅憑單一指標(biāo)很難準(zhǔn)確地判斷其抗旱性。采用模糊隸屬函數(shù)值、灰度關(guān)聯(lián)、主成分分析、聚類分析等方法進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)[12]。其中，主成分分析是對(duì)各個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)性估算，該法已廣泛用于各種作物種子萌發(fā)期抗旱性評(píng)價(jià)分析[13-14]。孫綠等[15]對(duì)黃淮地區(qū)119份冬小麥品種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性評(píng)價(jià)和鑒定，利用加權(quán)隸屬函數(shù)法結(jié)合聚類分析，篩選出13份強(qiáng)抗旱的小麥種質(zhì)；李國(guó)瑞等[16]對(duì)41份西南麥區(qū)小麥品種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性分析，篩選出5個(gè)抗旱性強(qiáng)的小麥品種。張芳等[17]通過(guò)加權(quán)隸屬函數(shù)法結(jié)合分子標(biāo)記檢測(cè)，從83份新疆冬小麥品種中篩選出5份具有強(qiáng)抗旱性的小麥品種?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】選育抗旱性強(qiáng)的品種是抵御干旱、保證產(chǎn)量的有效途徑。小麥萌發(fā)期干旱將會(huì)導(dǎo)致大面積缺苗，直接影響到小麥生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展。從新疆冬小麥品種資源中鑒定篩選出萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)的品種用于生產(chǎn)，是直接有效的方法。雖然前人對(duì)不同區(qū)域的小麥萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行了許多相關(guān)研究報(bào)道，但是不同區(qū)域的小麥種質(zhì)抗旱性存在一定差異，目前，對(duì)新疆冬小麥種質(zhì)萌發(fā)期抗旱性的綜合評(píng)價(jià)分析較少，涉及品種數(shù)不全，限制了新疆優(yōu)異抗旱性小麥種質(zhì)資源的有效利用。研究鑒定與篩選新疆冬小麥品種資源萌發(fā)期耐旱性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以新疆冬小麥地方品種和選育品種為材料，在萌發(fā)期利用PEG-6000模擬干旱條件，測(cè)定芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、胚芽鞘長(zhǎng)等8個(gè)指標(biāo)，計(jì)算隸屬函數(shù)值、權(quán)重值和耐旱綜合評(píng)價(jià)D值，對(duì)新疆冬小麥品種資源的萌發(fā)期耐旱性進(jìn)行聚類分級(jí)，篩選出萌發(fā)期耐旱性較強(qiáng)的品種，為新疆冬小麥耐旱品種選育提供資源材料及參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材 料

采用188個(gè)新疆冬小麥品種資源，其中地方品種134個(gè)，育成品種54個(gè)，均為新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所收集保存的材料，試驗(yàn)采用2015年10月種植，2016年7月收獲的自花授粉種子。表1

表1 參試新疆冬小麥品種名稱

續(xù)表1 參試新疆冬小麥品種名稱

續(xù)表1 參試新疆冬小麥品種名稱

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種子萌發(fā)期抗旱性鑒定參照文獻(xiàn)[18-19]方法。選擇籽粒飽滿、大小一致、完整無(wú)破損、無(wú)蟲(chóng)蛀、無(wú)缺陷的50粒小麥種子，先用去離子水沖洗3遍，發(fā)芽盒里放入2層發(fā)芽紙，加入20 mL去離子水或者20%PEG，均勻擺入小麥種，加蓋后放入培養(yǎng)箱，20℃條件下培養(yǎng)，每隔1 d調(diào)查種子發(fā)芽率(即2、4、6、8 d各調(diào)查1次)，以芽長(zhǎng)達(dá)種子長(zhǎng)一半，根長(zhǎng)與種子等長(zhǎng)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，第8 d停止培養(yǎng)，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，隨機(jī)挑選 10 株幼苗調(diào)查芽長(zhǎng)(SL，shoot length) 、根長(zhǎng)(RL，root length)、芽鮮重(SFW，shoot fresh weight) 與根鮮重 (RFW，root fresh weight)，芽干重(SDW，shoot dry weight)與根干重(RDW，root dry weight)是鮮重測(cè)完后，把幼苗放在烘箱100℃，殺青20 min，80℃烘干至恒重，分別稱量根干重、地上部干重，計(jì)算相對(duì)根長(zhǎng)(RRL，relative root length) 、相對(duì)芽長(zhǎng)(RSL，relative shoot length) 、鮮重根冠比(RSR，rootshoot ratio) 、相對(duì)根冠比(RRSR， relative rootshoot ratio) 、相對(duì)芽鮮重(RSFW，relative shoot fresh weight) 和相對(duì)根鮮重(RRFW，relative root fresh weight)。各指標(biāo)的相對(duì)值(%)=PEG處理指標(biāo)值/對(duì)照指標(biāo)值×100%。

1.2.2 耐旱性綜合評(píng)價(jià)

參照小麥萌發(fā)期耐鹽性[20-23]方法評(píng)價(jià)，計(jì)算綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值、權(quán)重值和耐旱綜合評(píng)價(jià)D值。

隸屬函數(shù)值：

(1)

式中，U(Xij)為第i個(gè)材料第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij為第i個(gè)材料第j個(gè)綜合指標(biāo)值，Xjmax為該綜合指標(biāo)的最大值，Xjmin為該綜合指標(biāo)的最小值。

權(quán)重值：

(2)

式中，Wj值表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度；Pj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；綜合指標(biāo)和貢獻(xiàn)率由主成分分析法獲得。

綜合評(píng)價(jià)值：

(3)

式中，D為各材料在旱脅迫條件下用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)的耐旱度量值，Xij為第i個(gè)材料第j個(gè)綜合指標(biāo)值，Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度。D是純數(shù)值，其范圍為[0，1]，使材料之間的耐旱性具有可比性[24]，D值越大，耐旱性越強(qiáng)。

采用K-均值聚類法對(duì)D值聚類，設(shè)置聚類數(shù)目為5，即D值被分為5類，從大到小依次對(duì)應(yīng)高耐(HT)、耐旱(T)、中耐(MT)、敏感(S)、高感(HS)5個(gè)耐旱類別。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2009和IBM SPSS Statistics 23軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆冬小麥地方品種萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)

研究表明，除了鮮重根冠比外，其他7個(gè)測(cè)定指標(biāo)均受到不同程度的抑制，旱脅迫顯著影響了新疆冬小麥地方品種的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。其中，受影響最大的2個(gè)指標(biāo)是芽鮮重和芽長(zhǎng)，均值分別為0.31 mg和55.87 cm，較對(duì)照分別下降了65.56%和62.30%。根長(zhǎng)、根鮮重、芽干重、鮮重根冠比、根干重、胚芽鞘長(zhǎng)均值較對(duì)照分別下降了56.07%、50.68%、50.00%、46.99%、16.67%和11.84%。與對(duì)照相比，旱脅迫條件下8個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)均增大，其中變異系數(shù)增幅最大是芽長(zhǎng)。表2

2.2 新疆冬小麥育成品種萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)

研究表明，除了鮮重根冠比外，其他7個(gè)測(cè)定指標(biāo)均受到不同程度的抑制。其中，受旱脅迫影響最大的是芽鮮重和芽長(zhǎng)，均值分別為0.37 mg和52.21 cm，較對(duì)照分別下降了62.24%和57.10%。與對(duì)照相比，旱脅迫條件下8個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)均增大，其中變異系數(shù)增幅最大是芽長(zhǎng)。不同類型小麥品種旱脅迫下各指標(biāo)的均值和變異系數(shù)的變化趨勢(shì)相同，但地方品種的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重、根鮮重和根冠比受旱脅迫影響程度大于育成品種。表3

表3 20%PEG脅迫下育成品種萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)的比較Table 3 Indices comparison of winter modern cultivars treated with 20% PEG solution during germination stage

2.3 耐旱性指標(biāo)的相關(guān)性

研究表明，相對(duì)根冠比與相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)胚芽鞘長(zhǎng)、相對(duì)芽鮮重、相對(duì)芽干重均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與相對(duì)根干重呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)根長(zhǎng)呈不顯著負(fù)相關(guān)；相對(duì)芽長(zhǎng)與相對(duì)胚芽鞘長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)等6個(gè)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)；相對(duì)胚芽鞘長(zhǎng)與相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)芽鮮重、相對(duì)根鮮重、相對(duì)芽干重4個(gè)指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)根干重呈顯著正相關(guān)；相對(duì)根長(zhǎng)與相對(duì)芽鮮重、相對(duì)根鮮重、相對(duì)芽干重、相對(duì)根干重呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)根冠比呈不顯著負(fù)相關(guān)；相對(duì)芽鮮重與相對(duì)根鮮重、相對(duì)芽干重、相對(duì)根干重呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān)；相對(duì)根鮮重與相對(duì)芽干重、相對(duì)根干重、相對(duì)根冠比呈極顯著正相關(guān)；相對(duì)芽干重與相對(duì)根干重呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān)；相對(duì)根干重與相對(duì)根冠比呈顯著正相關(guān)。除個(gè)別指標(biāo)間無(wú)相關(guān)性外，多數(shù)指標(biāo)間均存在較大的相關(guān)性，多個(gè)指標(biāo)提供的耐旱信息交叉重疊，不能用來(lái)直接評(píng)價(jià)品種的萌發(fā)期耐旱性。表4

表4 20%PEG脅迫下188個(gè)小麥品種萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficients between drought-tolerance indices of 188 wheat varieties treated with 20% PEG solution during germination stage

2.4 萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)的主成分

研究表明，對(duì)188份新疆冬小麥品種萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)，以累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%為原則選擇主成分，確定4個(gè)獨(dú)立的主成分作為耐旱性鑒定綜合指標(biāo)。

確定各主成分中起主要作用的單指標(biāo)是：第1主成分是相對(duì)芽鮮重、相對(duì)芽長(zhǎng)和相對(duì)胚芽鞘長(zhǎng)，第2主成分是相對(duì)胚芽鞘長(zhǎng)和相對(duì)根長(zhǎng)，第3主成分是相對(duì)根鮮重和相對(duì)根冠比，第4主成分是相對(duì)根干重。表5

表5 各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

2.5 新疆冬小麥品種萌發(fā)期耐旱性綜合評(píng)價(jià)

研究表明，萌發(fā)期4個(gè)主成分的權(quán)重值依次為0.396、0.243、0.210、0.151。供試材料的耐旱性分為高耐、耐旱、中耐、敏感、高感5個(gè)級(jí)別，每個(gè)耐旱級(jí)別材料的份數(shù)依次為10、42、53、56、27，分別占供試材料的5.32%、22.34%、28.19%、29.79%和14.36%。134個(gè)地方品種中有7個(gè)高耐品種，分別是來(lái)自烏魯木齊市的白冬麥、伽師縣的哈熱克、莎車縣的白穗早熟冬麥、澤普縣的黑穗麥、鄯善縣的紅冬麥、和靜縣的紅冬麥及尉犁縣的尉力小麥。54個(gè)審定品種中僅有3個(gè)高耐品種，分別是伊農(nóng)1號(hào)、伊農(nóng)16號(hào)和伊農(nóng)20號(hào)，均為伊犁地區(qū)選育的品種；表現(xiàn)為耐旱級(jí)別的品種有18個(gè)，包括北疆地區(qū)生產(chǎn)上大面積種植的新冬18號(hào)和南疆喀什地區(qū)大面積種植的新冬20號(hào)；中耐級(jí)別的品種有11個(gè)、敏感級(jí)別的品種18個(gè)，高感級(jí)別的品種34個(gè)。表6，表7

表6 20%PEG脅迫下小麥萌發(fā)期耐旱性指標(biāo)的得分系數(shù)

表7 54個(gè)新疆冬小麥育成品種的萌發(fā)期耐旱性分級(jí)

3 討 論

3.1 小麥萌發(fā)期抗旱性鑒定指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法選擇

按照作物生長(zhǎng)環(huán)境不同，抗旱性鑒定方法可分為田間直接鑒定法、土壤干旱脅迫鑒定法、高滲溶液法與大氣干旱法等幾種。高滲溶液法一般用于作物萌發(fā)期和苗期抗旱性鑒定[25-26]。作物抗旱性的鑒定指標(biāo)包括形態(tài)指標(biāo)、生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)、生理生化指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[27]。由于作物抗旱性具有非常復(fù)雜的作用機(jī)制，受自身與環(huán)境影響較大，用單項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)作物的抗旱性具有一定局限性，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多使用綜合指標(biāo)法來(lái)評(píng)價(jià)作物的抗旱性，并且該方法也被廣泛地用于小麥萌發(fā)期抗旱性指標(biāo)的綜合分析當(dāng)中。

3.2 旱脅迫對(duì)小麥萌發(fā)期測(cè)定指標(biāo)的影響

李靜靜等[28]研究發(fā)現(xiàn)，小麥經(jīng)過(guò)旱脅迫后，其芽長(zhǎng)、主胚根長(zhǎng)、芽鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)相關(guān)指標(biāo)均受到抑制；張軍等[29]也同樣發(fā)現(xiàn)干旱處理后，小麥發(fā)芽率、胚芽鞘長(zhǎng)度、芽長(zhǎng)、主胚根長(zhǎng)和儲(chǔ)藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率均受到抑制，且不同品種降幅不同。研究使用聚乙二醇法模擬干旱壞境對(duì)134個(gè)新疆冬小麥地方品種和54個(gè)育成品種萌發(fā)期的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、胚芽鞘長(zhǎng)、芽鮮重、根鮮重、芽干重、根干重和鮮重根冠8個(gè)不同指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地方品種和育成品種中，除了鮮重根冠比外，其他7個(gè)測(cè)定指標(biāo)均受到不同程度的抑制。干旱脅迫對(duì)小麥萌發(fā)期種子的生長(zhǎng)發(fā)育造成了嚴(yán)重影響。

3.3 小麥萌發(fā)期抗旱性綜合評(píng)價(jià)

采用單一指標(biāo)不能準(zhǔn)確有效判斷其抗旱性，應(yīng)選用多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)作物的抗旱性[30]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥萌發(fā)期抗旱性各個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)發(fā)生重疊，不易選出合適的關(guān)鍵指標(biāo)。選用主成分分析法將8個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成4個(gè)獨(dú)立的綜合指標(biāo)，作為鑒定新疆冬小麥萌發(fā)期耐旱性的綜合指標(biāo)，簡(jiǎn)化綜合評(píng)價(jià)工作。上述得到的綜合指標(biāo)與前人結(jié)果存在一定差異。安欣慧等[30]對(duì)北方麥區(qū)30個(gè)小麥品種萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行鑒定與評(píng)價(jià)，采用主成分分析法將貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率、初生根數(shù)、主胚根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)指數(shù)、發(fā)芽率等7個(gè)單項(xiàng)生理指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2個(gè)獨(dú)立的綜合指標(biāo)進(jìn)行后期抗旱性類型的劃分。張樹(shù)林等[31]采用主成分分析方法，將52個(gè)小麥新品系的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、根鮮重、芽鮮重、芽干重、根干重、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率等8個(gè)單個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個(gè)綜合指標(biāo)用于對(duì)所有供試材料的抗旱性鑒定。造成這些指標(biāo)的不同可能源于前人研究的抗旱材料類型不同，品種數(shù)量有限，且來(lái)源地具有差異等。

主成分分析獲得的4個(gè)綜合指標(biāo)，分析其貢獻(xiàn)率，確定權(quán)重，有效地避免了人為主觀確定耐旱綜合指標(biāo)的重要性；最后計(jì)算獲得耐旱性綜合評(píng)價(jià)D值，并通過(guò)K-均值聚類法對(duì)供試材料進(jìn)行耐旱性分級(jí)，鑒定篩選出表現(xiàn)為高耐旱的品種有10個(gè)，占總數(shù)的5.32%。按照不同類型來(lái)看，地方品種和育成品種占比分別為3.7%和1.6%，地方品種的占比最高，而目前新疆生產(chǎn)實(shí)踐中多以育成品種為主。新疆小麥的主栽品種以地方品種為主[32-33]。滴灌技術(shù)被廣泛用于小麥種植當(dāng)中，緩解了干旱對(duì)小麥造成的嚴(yán)重危害[34]。小麥的育種資源不斷豐富，更加適宜于生產(chǎn)的育成品種增多，逐步替代了地方品種，成為新疆的主栽品種[17]。

4 結(jié) 論

新疆冬小麥地方品種的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重、根鮮重和根冠比受旱脅迫影響程度大于育成品種，多數(shù)抗旱指標(biāo)間均存在較大的相關(guān)性，經(jīng)主成分分析確定了4個(gè)獨(dú)立的主成分作為耐旱性鑒定綜合指標(biāo)。利用綜合評(píng)價(jià)值將所有材料分為5個(gè)耐旱性級(jí)別，134個(gè)地方品種中有7個(gè)高耐品種，54個(gè)育成品種中有3個(gè)高耐品種、18個(gè)耐旱品種，3個(gè)高耐品種均為伊犁地區(qū)選育的品種；18個(gè)耐旱品種中包括北疆地區(qū)的主栽品種新冬18號(hào)和南疆喀什地區(qū)的主栽品種新冬20號(hào)。篩選出的10份強(qiáng)耐旱小麥品種。