張 毅，楊 軻，汪軍成，姚立蓉，司二靜，馬小樂，李葆春，尚勛武，王化俊，孟亞雄

(1.省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室/甘肅省作物遺傳改良與種質創(chuàng)新重點實驗室，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學生命科學技術學院，甘肅蘭州 730070)

大麥(L.)是全球第四位的谷類作物，在我國已有數(shù)千年的種植歷史。大麥適應能力強、耐瘠、耐鹽、抗旱，被廣泛種植于我國西北及西藏地區(qū)，主要用于釀酒以及為畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)提供優(yōu)質飼料。干旱是植物生長發(fā)育過程中最主要的非生物限制因子，會引起植物生長減緩甚至死亡，最終導致減產。因此，大麥抗旱性的評價以及篩選合理的抗旱指標，對大麥抗旱新品種的選育以及栽培管理有著重要的意義。近年來，為避免單一指標對篩選抗旱性作物的不準確和片面性，研究者將不同指標結合起來對作物進行抗旱性綜合評價，利用主成分分析、灰色關聯(lián)分析、聚類分析等方法對油菜、胡麻、高粱、大豆、棉花等作物進行了抗旱性的評價以及指標的篩選。目前，大多數(shù)學者主要利用萌發(fā)期或苗期的生理以及形態(tài)指標來評價大麥抗旱性，對其成株期抗旱性的鑒定以及抗旱指標篩選研究較少。本研究通過設置正常灌水和干旱脅迫2個處理，利用綜合評價的方法對100份大麥種質材料的株高、穗長、單株生物量、分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產量進行評價與鑒定，以期能夠篩選出在成株期抗旱能力強的大麥種質材料以及與大麥抗旱性密切的相關指標，為大麥抗旱新品種的選育提供基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料共100份，均由甘肅農業(yè)大學麥類作物實驗室提供。

1.2 試驗設計

試驗于2018年、2019連續(xù)兩年在大麥生長期降水量不足40 mm的甘肅省敦煌試驗站進行，設正常灌水(CK)和干旱脅迫(T)2個處理，重復3次，隨機區(qū)組排列。試驗材料采用點播，行長 1 m，每行30粒，每個品種3行，行距0.2 m，走道寬0.3 m，保護行寬1m。干旱脅迫處理抽穗期灌水1次(灌水量120 mm)，其他生育時期不灌水；正常灌水處理為拔節(jié)期、抽穗期及灌漿期各灌水1次，每次灌水量為120 mm。

1.3 測定項目與方法

在收獲前3 d，每小區(qū)3點取樣，每點5株，測定株高(plant height，PH)、穗長(spike length，SL)、穗粒數(shù)(grain number per spike，GNS)、分蘗數(shù)(tiller number，TN)、有效分蘗(effective tiller，ET)、單株生物量(individual biomass，IB)；按小區(qū)收獲，脫粒、自然晾干后統(tǒng)計千粒重 (1 000-grain weight，TGW)和小區(qū)產量(yield，Y)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

取兩年平均值參照王玉斌等、蘭巨生等和祁旭升等的方法進行差異顯著性分析、主成分分析、簡單相關性分析和連續(xù)變數(shù)次數(shù)分布統(tǒng)計分析。相關指標及其計算公式如下：

(1)各指標抗旱系數(shù)(drought resistance coefficient，DC)

DC=干旱處理測量值/正常灌水測量值

(2)綜合抗旱系數(shù)(comprehensive drought resistance coefficient，CDC)

式中，為測定指標數(shù)；

(3)隸屬函數(shù)值

()=(-，min)/(,max-,min)

式中，表示第個因子的得分值，,min為第個因子得分值最小值，,max表示第個因子得分最大值。

(4)權重系數(shù)()

式中，表示第個因子在所有公因子中的重要程度，為各品種第個因子貢獻率。

(5)抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation value，)

參照尹 利等的方法計算D值與DC值的關聯(lián)度(γD)、加權抗旱系數(shù)(WDC)和各指標WDC值與DC值的關聯(lián)度(γWDC)。

根據(jù)100份大麥種質的CDC值、WDC值和值利用SPSS 21.0進行均值聚類分析，利用RStudio繪制圖形；分別以值、WDC值和CDC值為參考對各指標的DC值進行逐步回歸分析，并求取回歸方程。

2 結果與分析

2.1 干旱對被測指標的影響

干旱脅迫對所測定的8個指標均具有極顯著影響(表1)。供試種質材料被測指標的變異系數(shù)在0.126～0.620之間，說明本次試驗所選用的100份大麥種質材料的類型較為豐富。在干旱脅迫條件下，株高、穗長等8個農藝性狀與對照相比均顯著下降(<0.05)，下降幅度表現(xiàn)為單株生物量(55.70%)>產量(49.63%)>穗粒數(shù) (25.23%)>有效分蘗數(shù)(20.60%)>穗長 (17.78%)>分蘗數(shù)(16.89%)>株高(14.29%)>千粒重 (12.50%)，說明干旱脅迫對各指標的影響程度有所不同，采用單一指標很難反映出大麥種質資源的抗旱性。

表1 干旱脅迫和正常灌水條件下供試大麥種質各測定指標分析Table 1 Mean values of all indices in tested barley resources under drought stress and normal irrigation

2.2 抗旱系數(shù)、連續(xù)變數(shù)次數(shù)分布及相關性分析

由表2可得，供試的大麥種質在受到干旱脅迫后，各性狀DC值平均為0.48～0.87，DC值變化范圍均較大，特別是產量DC值，為0.10～ 0.99，說明干旱脅迫對大麥不同性狀的影響程度不同。不同大麥種質資源相同指標的DC值之間也存在著明顯的差異，其變異系數(shù)介于0.086～ 0.519之間，說明其不同種質資源的抗旱能力有所不同。

表2 供試大麥種質各指標抗旱系數(shù)Table 2 Drought resistance coefficients of all indices in tested barley germplasm

單株生物量和產量的DC值在0.2～0.4區(qū)間種質頻率最高，分別達到42%和27%(表3)。其余指標的DC值均在0.8～1.0區(qū)間內頻率最大，株高、穗長、單株生物量、分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產量的頻率分別為81%、77%、8%、68%、65%、50%、80%、25%，說明在干旱脅迫下，各被測指標對干旱脅迫的敏感程度表現(xiàn)為單株生物量>產量>穗粒數(shù)>有效分蘗數(shù)>分蘗數(shù)>穗長>千粒重>株高，說明單株生物量、產量、穗粒數(shù)對干旱脅迫反應敏感，可以作為評價大麥抗旱性的參考指標。

表3 供試大麥種質各指標抗旱系數(shù)的分布Table 3 Distribution of DC intervals of all indices in tested barley germplasm %

由表4可得，單株生物量、有效分蘗和穗粒數(shù)這三個指標均與其他指標顯著或極顯著相關。其中，單株生物量與其他7個指標間均呈極顯著正相關；有效分蘗與穗長有顯著相關性，與其他6個指標有極顯著相關性；穗粒數(shù)與分蘗數(shù)有顯著相關性，與其他6個指標有極顯著相關性。

表4 供試大麥種質各指標抗旱系數(shù)的相關性Table 4 Correlation coefficients among drought resistance coefficients of all indices in tested barley germplasm

2.3 供試大麥種質各指標主成分分析

由表5可知，8個農藝性狀中前4個因子的累計貢獻率達82.091%，其特征根大于0.606，說明8個農藝性狀的大部分信息可以由前4個主成分概括，將其分別命名為F、F、F和F。F在單株生物量上有較高載荷，其特征根為3.669，累計貢獻率為45.867%。F、F和F分別在分蘗數(shù)、穗長和株高上有較高載荷。

2.4 供試大麥種質資源的抗旱性評價

2.4.1 大麥CDC評價結果

按照CDC值可將100份大麥種質聚為五種類型：高度抗旱(Ⅰ)、抗旱(Ⅱ)、中等抗旱(Ⅲ)、敏感(Ⅳ)和高度敏感(Ⅴ)(圖1)，其中高度抗旱種質(CDC≥0.897)8份，占供試種質的8%，抗旱種質(0.897>CDC≥0.842)28份，中等抗旱種質(0.842>CDC≥0.789)14份，敏感種質 (0.789>CDC≥0.665)26份，高度敏感種質 (0.665>CDC≥0.565)24份，占供試種質的24%。按照CDC從大到小，8份高度抗旱種質依次是沾益紅毛小麥、LL-53、Z16、S-130、資源21-6B98-9339、BNOC168、資源160-早熟3號和IL-18。按照CDC從小到大，24份高度敏感種質依次是西-2970、ZDM5745、Z20400211W、丹青1號、美41I、08京1369、ZDM5174、ZDM1190489、EDM-5789、IL-28、ZDM5142、IL-26、GR5-419網8、BCB48、ZDM9311、鄂大麥9號、12-D347、202990189、北青88、ZDM5138、寶斗(寶雞)、沃爾菲特42、EDM5189和甘青9183-D。

表5 供試大麥種質各指標主成分的特征向量及貢獻率Table 5 Eigenvectors and contribution rates of principal components of each index of tested barley germplasm

2.4.2 大麥WDC評價結果

按照WDC值可將100份大麥種質聚為五種類型：高度抗旱(Ⅰ)、抗旱(Ⅱ)、中等抗旱(Ⅲ)、敏感(Ⅳ)和高度敏感(Ⅴ)五種類型(圖2)，其中高度抗旱種質(WDC≥0.893)8份，抗旱種質 (0.893>WDC≥0.835)29份，中等抗旱種質 (0.835>WDC≥0.793)13份，敏感種質(0.793>WDC≥0.628)40份，高度敏感種質(0.628>WDC≥0.567)10份。按照WDC從大到小，8份高度抗旱種質依次是S-130、Z16、沾益紅毛大麥、LL-53、資源21-6B98-9339、BNOC168、資源160-早熟3號和IL-18。按照WDC從小到大，10份高度敏感種質依次是ZDM9311、鄂大麥9號、12-D347、202990189、ZDM5138、北青88、寶斗(寶雞)、沃爾菲特42、EDM5189和甘青9183-D。

1～100：種質編號。下同。 1-100：No. of germplasm.The same below.

圖2 100份大麥種質基于加權抗旱系數(shù)的聚類圖

2.4.3 大麥值評價結果

按照值可將100份大麥種質聚為五種類型：高度抗旱(Ⅰ)、抗旱(Ⅱ)、中等抗旱(Ⅲ)、敏感(Ⅳ)和高度敏感(Ⅴ)五種類型(圖3)，其中高度抗旱種質(≥0.739)11份，抗旱種質(0.739>≥0.636)38份，中等抗旱種質(0.636>≥ 0.437)13份，敏感種質(0.437>≥0.255)34份，高度敏感種質(0.255>≥0.162)4份。按照值從大到小，11份高度抗旱種質依次是S-130、IL-24、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號、12-7347、揚飼麥3號、IL-18、08京222、IL-36和IL-48。按照值從小到大4份高度敏感種質依次是鄂大麥9號、沃爾菲特42、北青88和202990189。

2.4.4 大麥抗旱性綜合評價結果

利用CDC、WDC和值3種大麥抗旱鑒定方法，以同一類型中至少出現(xiàn)2次為依據(jù)，鑒定得到8份高度抗旱種質，9份高度敏感種質。8份高度抗旱種質分別為S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號、IL-18、Z16、沾益紅毛大麥和資源21-6B98-9339，其中S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號和IL-18利用3種方法鑒定結果均為高度抗旱類型。9份高度敏感種質分別為ZDM9311、鄂大麥9號、12-D347、202990189、ZDM5138、北青88、寶斗(寶雞)、沃爾菲特42、EDM5189和甘青9183-D，其中鄂大麥9號、沃爾菲特42、北青88和202990189利用3種方法鑒定結果均為高度敏感類型。

2.5 灰色關聯(lián)分析

各指標DC值與值之間的關聯(lián)度從大到小依次分別為單株生物量、穗粒數(shù)、有效分蘗、分蘗數(shù)、株高、千粒重、穗長、產量；各指標DC與WDC值間的關聯(lián)度從大到小依次分別為株高、分蘗數(shù)、千粒重、有效分蘗、穗粒數(shù)、穗長、單株生物量、產量(表6)。關聯(lián)度大則密切程度高。

圖3 100份大麥種質基于綜合評價值的聚類圖

表6 供試大麥種質各指標DC值與D值和WDC值的關聯(lián)度及各指標權重Table 6 Correlation degree between DC value of all indices and D value together with WDC value and index weight in tested barley germplasm

2.6 逐步回歸分析及抗旱性預測評價

參照王 燦等的方法，將各指標DC值作為自變量，CDC值、值和WDC值作為因變量分別進行回歸分析，得到3個回歸方程，其決定系數(shù)≈1，說明回歸方程可以很好預測供試大麥的抗旱性。由回歸方程可知，與值、WDC值密切相關的指標有單株生物量、穗粒數(shù)、分蘗數(shù)、株高、穗長和有效分蘗，說明在大麥成株期抗旱性鑒定中，這些指標可以較為準確的鑒定大麥種質的抗旱性。此外，對供試大麥種質資源的值、CDC值、WDC值和產量進行相關分析，結果表明兩兩之間均極顯著正相關。

表7 供試大麥種質抗旱性模型預測Table 7 Model prediction of drought resistance in tested barley germplasm

3 討 論

3.1 大麥種質成株期抗旱性分析方法的選擇

近年來，眾多研究者采用綜合評價的方法對作物的抗旱性進行評價。目前，利用綜合評價的方法在胡麻、小麥、水稻等作物的抗旱性研究中均取得了理想的結果?？购刀攘恐岛图訖嗫购迪禂?shù)WDC是作物抗旱性鑒定中最常用的兩個綜合評價指標。例如杜偉莉等的研究結果表明，采用抗旱隸屬度對開花期玉米進行抗旱性鑒定，可有效鑒定出在開花期抗旱性強的玉米材料；王士強等利用加權抗旱系數(shù)對參試小麥品種進行聚類分析，很好地反映出這些品種的抗旱特點。本研究測定大麥成株期的 8個指標，結合抗旱性度量值、綜合抗旱系數(shù) CDC 值和加權抗旱系數(shù) WDC 值，將三種評價方法與主成分分析、灰色關聯(lián)分析和相關分析相結合評價大麥種質資源在成熟期的抗旱性，從而使評價結果更加全面可信。但在本研究中，基于CDC值、WDC值和值對供試材料進行聚類分析的結果有一定差異，其原因可能是由于計算方式的不同及所選材料之間的差異所造成的。值計算過程是將原有的8個指標轉換為相互獨立的5個綜合指標并求得各綜合指標的權重，將權重乘以隸屬函數(shù)值求得；而WDC值是對8個指標DC值與值進行關聯(lián)分析后求得各指標權重，將權重與各材料各指標的抗旱系數(shù)相乘求得加權抗旱系數(shù)。本研究中，CDC值與WDC值的計算結果基本一致，但相關分析表明，WDC值與產量的相關性更高，因此建議利用抗旱性度量值值結合加權抗旱系數(shù) WDC 值來鑒定大麥成株期的抗旱性，從而簡化鑒定過程，這與李 龍等的研究結果一致。

3.2 大麥種質成株期抗旱性鑒定

對作物進行抗旱性鑒定的目的是獲得抗旱種質。吳 奇等利用聚類分析將54份高粱品種劃分為4種抗旱類型。張海燕等利用產量抗旱系數(shù)法對15份甘薯品種進行了抗旱等級的劃分，最終鑒定得到抗旱品種5份。本研究利用綜合抗旱系數(shù)、加權抗旱系數(shù)和抗旱性度量值分別鑒定出8、8和11份高度抗旱種質，其中S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號和IL-18利用3種方法鑒定的結果均為高度抗旱類型，Z16、沾益紅毛大麥和LL-53利用綜合抗旱系數(shù)、加權抗旱系數(shù)2種方法鑒定為高度抗旱類型，IL-24、12-7347、丹青1號、揚飼麥3號、08京222、IL-36和IL-48僅用抗旱性度量值值鑒定為高度抗旱類型。綜合3種抗旱指標結果，本研究獲得8份高度抗旱大麥種質：S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號、IL-18、Z16、沾益紅毛大麥和資源21-6B98-9339。

3.3 大麥種質資源成株期抗旱指標的篩選

植物的抗旱能力不僅由多基因控制，而且會受到許多環(huán)境因素的影響，因此很難用單一指標直接評價植物抗旱能力。在大麥抗旱性鑒定及指標篩選的研究中，前人主要在萌發(fā)期利用相關指標進行篩選，如任 毅等篩選出發(fā)芽率、發(fā)芽勢和苗高作為評價苗期大麥抗旱性強弱的指標。但作物不同時期對干旱脅迫的敏感程度有所差異，因此苗期的抗旱性很難反映出作物真實的抗旱性。趙 巖等的研究結果表明，株高、穗數(shù)、穗粒數(shù)以及產量可以有效的鑒定出小麥成熟期的抗旱性。胡雯媚等利用回歸分析得出在小麥苗期與值密切相關的指標有株高、葉面積、根長和根冠比，這些性狀可以作為評價小麥苗期抗旱性的指標性狀。本研究對成株期各指標DC值與值和WDC值進行灰色關聯(lián)分析，得到關聯(lián)程度較高的指標有單株生物量、穗粒數(shù)、有效分蘗、分蘗數(shù)和株高。利用逐步回歸分析得到與值、WDC值密切相關的指標有單株生物量、穗粒數(shù)、分蘗數(shù)、株高、穗長和有效分蘗。通過多種分析方法最后篩選出抗旱指標有單株生物量、穗粒數(shù)、分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)和株高，這與徐銀萍等的研究結果相似，因此這5個指標可作為評價大麥種質資源成株期抗旱性強弱的指標。