李 云， 楊夢(mèng)涵， 王 健， 韓玉翠， 林小虎

(1.河北科技師范學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究中心， 河北 秦皇島 066000;2.河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院， 河北 秦皇島 066000;3.河北省作物逆境生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)， 河北 秦皇島 066000)

谷子(Setariaitalica)學(xué)名為粟，屬禾本科狗尾草屬一年生草本植物。谷子起源于中國(guó)，種植歷史悠久，是世界上最早的栽培作物之一，據(jù)考證已有 8 700 多年的栽培歷史[1]。谷子在世界上分布范圍十分廣泛，亞洲、非洲、大洋洲、南美洲以及歐洲等地均有種植。我國(guó)谷子的種植面積占糧食作物種植面積的5%，主要分布在北方的干旱半干旱地區(qū)，以河北、內(nèi)蒙古、山西為主[2]。谷子脫殼后為小米，在食品、藥用以及副產(chǎn)品等方面均具有極高的價(jià)值[3-5]。另外，谷子具有生育期短、基因組小等特點(diǎn)，是禾本科研究的模式作物[6]。

我國(guó)水資源豐富，但人均占有量少，僅為世界水平的四分之一。水資源的短缺是制約我國(guó)干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[7]，水資源在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極為重要的地位。谷子具有耐旱耐瘠、抗逆性強(qiáng)、水分利用效率高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[8-9]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源的節(jié)約要求和人們生活水平的不斷提高，谷子抗寒、抗旱、易儲(chǔ)藏和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，成為環(huán)境友好型和保健營(yíng)養(yǎng)型作物[9-10]。因此，對(duì)谷子抗旱的研究顯得極為重要。本研究選取24個(gè)國(guó)內(nèi)不同區(qū)域谷子品種，測(cè)定谷子抗旱性相關(guān)指標(biāo)并進(jìn)行比較分析，篩選出抗旱谷子品種，為抗旱谷子栽培與新品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取來(lái)自全國(guó)9個(gè)省份的24個(gè)試驗(yàn)品種(系)，其中包含7個(gè)河北省品種(系)，2個(gè)河南省品種，3個(gè)山東省品種，4個(gè)山西省品種，3個(gè)黑龍江省品種，2個(gè)內(nèi)蒙古自治區(qū)品種，1個(gè)北京市品種，1個(gè)吉林省品種，1個(gè)遼寧省品種(表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019年在河北科技師范學(xué)院生命科技實(shí)驗(yàn)站(北緯 39.70°，東經(jīng)119.15°)進(jìn)行材料種植，所收獲種子用于抗旱性鑒定。試驗(yàn)地屬于暖溫帶，半濕潤(rùn)大陸性氣候。供試土壤類型為中壤土，土壤有機(jī)質(zhì)的含量為32.63 g/kg，全氮的含量為3.24 g/kg，堿解氮的含量

表1 24個(gè)谷子品種(系)育成單位Table 1 Breeding institutions of 24 millet varieties (lines)

為121.32 mg/kg，速效磷的含量為 20.31 mg/kg，速效鉀的含量為109.28 mg/kg。播前施入15 000 kg/hm2農(nóng)家肥作為基肥，后期不進(jìn)行追肥，其他田間管理措施按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。各品種于成熟后收獲籽粒。

采用PEG模擬干旱脅迫法，使用滅菌蒸餾水配置濃度分別為0(ck)、5%、10%、15%、20%、25%的 PEG-6000梯度處理溶液。每個(gè)濃度設(shè)置3次重復(fù)，每次重復(fù)選取50粒籽粒飽滿的谷子種子，5%的次氯酸鈉消毒10 min，使用滅菌蒸餾水漂洗3次后將種子放入鋪有3層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，培養(yǎng)皿內(nèi)加入等量PEG梯度溶液(以溶液浸透濾紙為準(zhǔn))，將培養(yǎng)皿放入25 ℃的光照培養(yǎng)箱，定期向培養(yǎng)皿內(nèi)加入各設(shè)置濃度PEG溶液，ck加入滅菌蒸餾水。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及計(jì)算方法

每天記錄谷子種子發(fā)芽數(shù)量。分別于培養(yǎng)的第4天和第10天統(tǒng)計(jì)各品種發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，于第10天每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取10株測(cè)量其芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)等。各性狀指標(biāo)計(jì)算公式如下：

發(fā)芽勢(shì)(%)=(第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(第10天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(%)=(處理發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照發(fā)芽勢(shì))×100%；

相對(duì)發(fā)芽率(%)=(處理發(fā)芽率/對(duì)照發(fā)芽率)×100%；

相對(duì)胚芽長(zhǎng)(%)= (處理種子胚芽長(zhǎng)/對(duì)照種子胚芽長(zhǎng)) ×100%；

相對(duì)胚根長(zhǎng)(%)= (處理種子胚根長(zhǎng)/對(duì)照種子胚根長(zhǎng)) ×100%；

萌發(fā)指數(shù)=1×Rd 2+0.75×Rd 4+0.50×Rd 6+0.25×Rd 8，式中：Rd 2、Rd 4、Rd 6、Rd 8分別為第2天、第4天、第6天、第8天的種子發(fā)芽率。

萌發(fā)抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照種子萌發(fā)指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，采用DPS 7.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，采用IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、主成分分析與聚類分析。采用隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)性狀指標(biāo), 按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

隸屬函數(shù)值：μ(Xj) = (Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1,2,3,…,n

(1)

式中，μ(Xj)表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)值，Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值，Xmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值。

(2)

式中，Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中權(quán)重，Pj為品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

(3)

式中，D表示各品種耐旱能力的綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子品種(系)抗旱最適濃度篩選

從表2可以看出，晉谷21和嫩選18在5% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異，除濟(jì)谷22、豫谷36、龍谷38和張雜谷16在15% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異外，其余18個(gè)谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異。除晉谷21和嫩選18在5% PEG脅迫下達(dá)到極顯著差異及濟(jì)谷22、豫谷36、龍谷38、九谷23和張雜谷16在15% PEG干旱脅迫下達(dá)到極顯著差異外，其余谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下達(dá)到極顯著差異。這說(shuō)明在24個(gè)谷子品種中，大部分品種在10% PEG干旱脅迫下，發(fā)芽勢(shì)達(dá)到顯著差異。

如表3所示，除黃金苗、豫谷36、長(zhǎng)農(nóng)47和張雜谷13這4個(gè)品種在5% PEG干旱脅迫下達(dá)到顯著差異外，其余20個(gè)谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下差異顯著。除長(zhǎng)農(nóng)47和張雜谷13在5% PEG干旱脅迫下及金苗K 2和山西紅谷在15% PEG干旱脅迫下都表現(xiàn)極顯著差異外，其余谷子品種均在10% PEG干旱脅迫下達(dá)到極顯著差異。說(shuō)明24個(gè)谷子品種中大部分谷子品種在10% PEG干旱脅迫下，發(fā)芽率達(dá)到顯著差異。

綜上所述，在10% PEG干旱脅迫下，谷子的發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)均較對(duì)照有較大差異，抗旱表現(xiàn)明顯，確定篩選適宜谷子抗旱鑒定的PEG干旱脅迫濃度為10%，故對(duì)此濃度下24個(gè)谷子品種(系)的抗旱相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2.2 10% PEG模擬干旱脅迫對(duì)谷子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)的影響

如表4所示，同一性狀不同品種(系)間，變異系數(shù)變幅為7.79%～118.88%，萌發(fā)抗旱指數(shù)的變異系數(shù)最大，說(shuō)明不同品種間萌發(fā)抗旱指數(shù)的差異最大；相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率的變異系數(shù)都很小，說(shuō)明10% PEG處理對(duì)發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的影響在不同品種間的差異最小。黃金苗的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)最高，為95.45%，鄭18-1678的相對(duì)發(fā)芽率最低，為72.04%。24個(gè)谷子品種中，嫩選15的相對(duì)發(fā)芽率最高，為90.00%，晉谷21最低，為70.00%。張雜谷26的相對(duì)胚芽長(zhǎng)最高，為105.56%，山西紅谷最低，為54.87%。相對(duì)胚根長(zhǎng)以冀科1號(hào)最高(97.48%)，黃金苗最低(53.92%)。萌發(fā)抗旱指數(shù)可以反映種子萌發(fā)的速度，除了濟(jì)谷22、張雜谷16、豫谷36、冀谷39、山西紅谷、嫩選15、張雜谷26外，其余品種的萌發(fā)抗旱指數(shù)都低于0.50，以冀谷39的萌發(fā)抗旱指數(shù)最高，為1.62，說(shuō)明高抗旱性品種較少。

表2 PEG脅迫下不同谷子品種發(fā)芽勢(shì)比較Table 2 Comparison of germination potential among different millet varieties under PEG stress

2.3 10% PEG脅迫下各性狀的主成分分析

對(duì)10% PEG模擬干旱脅迫下各性狀進(jìn)行主成分分析(表5)，得出特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。根據(jù)特征值大于1的原則，提取3個(gè)主要成分，3個(gè)主要成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.528%，能有效反映各數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，符合主成分的分析要求。如表5所示，主成分1的特征值為1.756，貢獻(xiàn)率為35.127%，反映了PEG脅迫下5個(gè)性狀35.127%的主要信息；主成分2的特征值為1.406，貢獻(xiàn)率為28.120%，反映了PEG脅迫下5個(gè)性狀28.120的主要信息；主成分3的特征值為1.014，貢獻(xiàn)率為20.281%，反映了PEG脅迫下5個(gè)性狀20.281%的主要信息。

由表5可知，主成分1與相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和萌發(fā)抗旱指數(shù)均呈正相關(guān)，載荷值分別為0.384、0.335和0.493，與相對(duì)胚芽長(zhǎng)和相對(duì)胚根長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，載荷值為-0.169和-0.194，載荷值以萌發(fā)抗旱指數(shù)最大，說(shuō)明主成分1與萌發(fā)抗旱指數(shù)的關(guān)系最為密切；主成分2與萌發(fā)抗旱指數(shù)為負(fù)相關(guān)，載荷值為-0.104，其余均為正相關(guān)，載荷值以相對(duì)胚芽長(zhǎng)最大，為0.514，萌發(fā)抗旱指數(shù)最小，為-0.104；主成分3與相對(duì)發(fā)芽率和相對(duì)胚根長(zhǎng)呈正相關(guān)，載荷值為0.526和0.588，與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)胚芽長(zhǎng)和萌發(fā)抗旱指數(shù)為負(fù)相關(guān)，載荷值為-0.324、-0.492和-0.126，載荷值以相對(duì)胚根長(zhǎng)最大，相對(duì)胚芽長(zhǎng)最低。

表3 PEG脅迫下不同谷子品種發(fā)芽率比較Table 3 Comparison of germination rate among different millet varieties under PEG stress

2.4 不同谷子品種(系)萌發(fā)期耐旱綜合評(píng)價(jià)

采用隸屬函數(shù)法對(duì)谷子抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)主成分的貢獻(xiàn)率，利用公式(2)計(jì)算出3個(gè)主成分的權(quán)重分別為0.656、0.337和0.243。F1～F3為3個(gè)主成分的綜合得分值，再通過公式(1)計(jì)算出綜合性狀指標(biāo)的隸屬函數(shù)值μ(X1)～μ(X3)，根據(jù)權(quán)重和隸屬函數(shù)值利用公式(3)計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)D值，得出24個(gè)谷子品種的排名(表6)。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)D值將24個(gè)谷子品種進(jìn)行排序，依次為濟(jì)谷22、山西紅谷、冀谷39、張雜谷16、嫩選15、冀科1號(hào)、張雜谷26、金苗K 2、九谷23、濟(jì)谷28、豫谷36、冀谷41、嫩選18、龍谷38、濟(jì)谷27、17-6520、中谷2號(hào)、長(zhǎng)農(nóng)47、黃金苗、晉谷21、長(zhǎng)農(nóng)35、鄭18-1678、張雜谷13、朝谷58。

2.5 不同谷子品種(系)萌發(fā)期耐旱性聚類分析

根據(jù)各品種的綜合得分D值進(jìn)行聚類分析，如圖1所示。在歐式距離為5.0時(shí)，將24個(gè)品種(系)劃分為5個(gè)類型：6個(gè)強(qiáng)耐旱品種D值為0.798～0.915(1～6名)，依次為濟(jì)谷22、山西紅谷、張雜谷16、冀谷39、冀科1號(hào)和嫩選15。3個(gè)耐旱品種D值為0.613～0.707(7～9名)，依次為張雜谷26、金苗K 2和九谷23。5個(gè)中間型品種D值為0.468～0.520(10～14名)，依次為豫谷36、濟(jì)谷28、冀谷41、龍谷38和嫩選18。5個(gè)敏感型品種D值為0.386～0.433(15～19名)，依次為中谷2號(hào)、17-6520、濟(jì)谷27、長(zhǎng)農(nóng)47和黃金苗。5個(gè)極不耐旱型品種D值為0.183～0.284(20～24名)，依次為晉谷21、長(zhǎng)農(nóng)35、鄭18-1678、張雜谷13和朝谷58。其中6個(gè)強(qiáng)耐旱品種和3個(gè)耐旱品種可以作為一定干旱條件下谷子種植的候選品種，后續(xù)將于田間干旱條件下種植，并進(jìn)行品種的產(chǎn)量和其他重要農(nóng)藝性狀的比較，以此篩選出可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)的品種(系)。

表4 10% PEG脅迫下不同谷子品種的耐旱相關(guān)指標(biāo)Table 4 Drought tolerance indexes of different millet varieties under PEG stress

表5 PEG 干旱脅迫下各性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of alltraits under PEG Drought stress

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中衡量農(nóng)作物抗旱性強(qiáng)弱的重要生育時(shí)期[10]，萌發(fā)期耐旱性強(qiáng)的品種與一般品種相比，其苗期發(fā)芽率高、成苗好且生長(zhǎng)較快，作物萌發(fā)期抗旱鑒定為后期生長(zhǎng)奠定較好的基礎(chǔ)[11-12]。谷子是典型的耐旱型作物，通過對(duì)谷子萌芽期的耐旱性鑒定可以對(duì)谷子耐旱性早期鑒定及耐旱品種早期選擇。結(jié)果表明，隨著PEG濃度的增加，谷子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均受到不同程度的抑制作用。劉桂紅等[13]研究滲透脅迫條件下，谷子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、胚根和胚芽均受到不同程度的抑制和高汝勇等[14]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下谷子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長(zhǎng)、苗高、鮮質(zhì)量、活力指數(shù)可作為谷子萌發(fā)期抗旱性的鑒定指標(biāo)，且均隨干旱脅迫增加產(chǎn)生明顯的作用，本試驗(yàn)與以上研究結(jié)果一致。

另外，作物的抗旱性受多個(gè)因素共同影響，在其生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段有不同的表現(xiàn)，在谷子抗旱性研究中應(yīng)結(jié)合多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，避免分析單個(gè)或幾個(gè)性狀所帶來(lái)的局限性[15]。本試驗(yàn)測(cè)定谷子萌發(fā)期的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)芽長(zhǎng)和萌發(fā)抗旱指數(shù)等5種性狀，通過主成分分析和隸屬函數(shù)法相結(jié)合，綜合篩選出強(qiáng)耐旱類型品種，使得篩選的萌發(fā)期抗旱性品種可靠。在測(cè)定的24個(gè)谷子品種中濟(jì)谷22、山西紅谷、張雜谷16、冀谷39、冀科1號(hào)和嫩選15耐旱性強(qiáng)，晉谷21、長(zhǎng)農(nóng)35、鄭18-1678、張雜谷13和朝谷58耐旱性弱。但是，作物萌發(fā)期鑒定結(jié)果只能作為衡量作物抗旱性強(qiáng)弱的一個(gè)方面，不能概括作物苗期和全生育期抗旱鑒定結(jié)果，后續(xù)可與全生育期抗旱鑒定結(jié)果相結(jié)合為谷子抗旱品種選擇和抗旱新品種選育提供更全面的材料基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

表6 各品種(系)的綜合性狀指標(biāo)、隸屬函數(shù)值及綜合耐旱指數(shù)D值Table 6 D-value of comprehensive trait indexes,membership function value,comprehensive drought tolerance indexes in different varities(lines)

圖1 不同谷子品種(系)耐旱指數(shù)聚類分析 Fig.1 Cluster analysis of drought tolerance index of different foxtail millet varieties (lines)