彭玉琳,曾凡茹,東 強(qiáng),次旦卓嘎,2,莫銀超,昌 西
(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原作物分子育種實(shí)驗(yàn)室,西藏林芝 860000; 2.日喀則市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,西藏日喀則 857000)
青稞在植物學(xué)上屬于栽培大麥的變種[1],大麥因其抗旱和抗鹽、抗堿能力比其他禾谷類(lèi)作物突出,適應(yīng)性廣,再加上兼具食用、飼用、釀造以及醫(yī)藥等多種用途,成為世界性的重要作物之一[2]。其播種面積和產(chǎn)量?jī)H次于小麥、玉米和水稻,居禾谷類(lèi)作物的第4位。在我國(guó)大麥的種植面積和總產(chǎn)量居于水稻、小麥、玉米和粟之后占第5位[3]。隨著啤酒工業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)大麥的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值日益重視,全球?qū)Υ篼湹男枨笠搽S之迅速增加,特別是對(duì)于用于不同用途的大麥品質(zhì)及其特性的要求,因此,全球大麥的育種研究又進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。我國(guó)從“七五”計(jì)劃開(kāi)始,就將“大麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗新品種選育技術(shù)研究”列為國(guó)家攻關(guān)課題,并取得了豐碩的成果。與其他作物相比大麥具有更加廣泛的生態(tài)適應(yīng)性,被認(rèn)為是最適宜進(jìn)行抗旱研究的試驗(yàn)材料[4-5]。
隨著全球水資源匱乏的加劇,我國(guó)乃至世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期面臨著干旱的制約[6]。由于降水減少和氣溫升高,干旱已經(jīng)成為農(nóng)作物生產(chǎn)和最終全球糧食安全最重要的限制因素[7]。干旱被認(rèn)為是一種主要的威脅,限制種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量最嚴(yán)重的非生物脅迫之一[8-9],水分脅迫是由降雨量不足導(dǎo)致土壤干燥引起的。高溫、大氣濕度低、缺水是造成干旱的主要原因[10]。植物的抗旱能力,被定義為在缺水時(shí)期的生存和生長(zhǎng)能力,需要生物機(jī)制在干旱事件中保護(hù)、維持和支持植物,或者完全避免干旱。這些機(jī)制可能因植物種類(lèi)或發(fā)育階段的不同而不同,一個(gè)階段的抗旱性不一定與另一個(gè)階段的抗旱性相關(guān)[11-12]。在糧食作物生產(chǎn)中,階段性的干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致作物在形態(tài)建成和生殖生長(zhǎng)期間發(fā)育不完全。發(fā)芽和幼苗發(fā)育階段是大麥[13]和其他大多數(shù)作物對(duì)這些條件最敏感的時(shí)期,發(fā)育早期的干旱脅迫會(huì)延遲種子萌發(fā),降低萌發(fā)率[13-14]。本試驗(yàn)以70份青稞為材料,利用PEG模擬干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)期耐旱指標(biāo)進(jìn)行綜合鑒定,以明確大麥材料間的抗旱性,并篩選出抗旱性較強(qiáng)的材料。選擇和利用準(zhǔn)確又簡(jiǎn)單的抗旱性鑒定指標(biāo)是抗旱育種工作順利開(kāi)展的前提。因此,篩選大麥抗旱指標(biāo),對(duì)大麥抗旱品種選育、抗旱機(jī)制及干旱調(diào)控機(jī)制的研究均具有重要意義。
試驗(yàn)于2021年10—12月在西藏農(nóng)牧學(xué)院高原作物遺傳育種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。選用70份青稞作為供試材料,其中5份來(lái)源于青海、四川甘孜州1份、64份來(lái)自西藏自治區(qū),試驗(yàn)材料名稱(chēng)及來(lái)源見(jiàn)表1。
表1 供試青稞材料名稱(chēng)及來(lái)源
選取籽粒大小均勻且飽滿(mǎn)的青稞種子,用0.1%濃度的高錳酸鉀溶液消毒30 min,撈出后用純水反復(fù)沖洗4~5次,將種子置于墊有2層濾紙的發(fā)芽盒(12 cm×12 cm)中,每個(gè)盒內(nèi)放入20粒種子,加入15 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 19.2%(以預(yù)處理結(jié)果確定篩選此濃度) 的PEG-6000進(jìn)行干旱脅迫處理,以加入等量純水作為對(duì)照,每個(gè)處理3次重復(fù)。培養(yǎng)條件為:前3 d均無(wú)光照(晝夜時(shí)長(zhǎng)12 h/12 h,晝夜溫度25 ℃/20 ℃);后4 d(光照/黑暗=12 h/12 h,晝夜溫度25 ℃/20 ℃)。每3 d補(bǔ)充1次溶液,以胚根伸出達(dá)種子50%作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。
每日觀察種子生長(zhǎng)情況,第7天隨機(jī)取10株測(cè)量芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量。按公式(1)~(12)計(jì)算發(fā)芽勢(shì)(germination,簡(jiǎn)稱(chēng)GE)、發(fā)芽率(germination rate,簡(jiǎn)稱(chēng)GR)、發(fā)芽指數(shù)(germination index,簡(jiǎn)稱(chēng)GI)、相對(duì)發(fā)芽率(relative germination rate,簡(jiǎn)稱(chēng)RGR)、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(relative germination,簡(jiǎn)稱(chēng)RGE)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)(relative germination index,簡(jiǎn)稱(chēng)RGI)、相對(duì)芽長(zhǎng)(relative bud length,簡(jiǎn)稱(chēng)RBL)、相對(duì)主胚根長(zhǎng)(relative root length,簡(jiǎn)稱(chēng)RRL)、相對(duì)芽鮮質(zhì)量(relative bud fresh weight,簡(jiǎn)稱(chēng)RBFW)、相對(duì)芽干質(zhì)量(relative bud dry weight,簡(jiǎn)稱(chēng)RBDW)、相對(duì)根鮮質(zhì)量(relative root fresh weight,簡(jiǎn)稱(chēng)RRFW)、相對(duì)根干質(zhì)量(relative root dry weight,簡(jiǎn)稱(chēng)RRDW)。
GE=第3天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%;
(1)
GR=第7天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%;
(2)
GI=∑Gt/Dt。
(3)
式中:Gt為第t天的發(fā)芽數(shù);Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);
RGR=處理組發(fā)芽率/對(duì)照組發(fā)芽率×100%;
(4)
RGE=處理組發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照組發(fā)芽勢(shì)×100%;
(5)
GRI=處理組發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照組發(fā)芽指數(shù)×100%;
(6)
RBL=處理組芽長(zhǎng)/對(duì)照組芽長(zhǎng)×100%;
(7)
RRL=處理組主胚根長(zhǎng)/對(duì)照組主胚根長(zhǎng)×100%;
(8)
RBFW=處理組芽鮮質(zhì)量/對(duì)照組芽鮮質(zhì)量×100%;
(9)
RBDW=處理組芽干質(zhì)量/對(duì)照組芽干質(zhì)量×100%;
(10)
RRFW=處理組根鮮質(zhì)量/對(duì)照組根鮮質(zhì)量×100%;
(11)
RRDW=處理組根干質(zhì)量/對(duì)照組根干質(zhì)量×100%。
(12)
采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,采用SPSS 22進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用R 4.0.5作圖。抗旱性綜合評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法,因其可對(duì)品種的多個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行綜合分析進(jìn)而對(duì)品種作出全面評(píng)價(jià)[15]。各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值采用公式如下[16-19]:
式中:X(μ)為性狀指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;X為某一性狀指標(biāo)的測(cè)定值;Xmax和Xmin為該指標(biāo)的最大測(cè)定值和最小測(cè)定值。最終根據(jù)每份材料各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值累加,采用公式計(jì)算性狀指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值作為其綜合評(píng)價(jià)值:
式中:Xij為i種類(lèi)j指標(biāo)的平均隸屬函數(shù);n為計(jì)算指標(biāo)總數(shù)。
最終根據(jù)平均值綜合評(píng)價(jià)其萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)弱,平均值越大,抗旱性越強(qiáng);反之,抗旱性越弱。
在處理?xiàng)l件下,70份供試材料萌發(fā)期的各項(xiàng)指標(biāo)均受到抑制。由表2可知,相對(duì)于對(duì)照,干旱脅迫下發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽鮮質(zhì)量、芽干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)等的平均值分別下降了3.91%、2.45%、6.00、0.84 g、0.63 g、0.05 g、0.05 g、7.45 cm、9.94 cm;其中受干旱影響最大的指標(biāo)為根長(zhǎng),干旱脅迫下平均值較對(duì)照減少 9.94 cm,變異系數(shù)下降38.65%,可見(jiàn)干旱脅迫下青稞種子的正常生長(zhǎng)發(fā)育受到一定程度的影響,其中根長(zhǎng)可作為青稞萌發(fā)期判定抗旱能力的重要指標(biāo)性狀。
表2 干旱脅迫條件下青稞各指標(biāo)的變異分析
從圖1可看出,CK組發(fā)芽勢(shì)(GE)與發(fā)芽率(GR)數(shù)據(jù)很集中,中位數(shù)均在100%,而PEG干旱脅迫處理下,GE與GR中位數(shù)均低于100%,數(shù)據(jù)不集中且出現(xiàn)的異常值的數(shù)值較CK組的??;發(fā)芽指數(shù)(GI)在CK處理下結(jié)果明顯大于干旱處理的數(shù)值,發(fā)芽指數(shù)大部分均處于15以上,PEG處理下大部分在10左右,最小數(shù)值為3.43;最終發(fā)現(xiàn)PEG主要通過(guò)延長(zhǎng)萌發(fā)時(shí)間從而使GE、GR、GI受到干旱脅迫時(shí),數(shù)值都將會(huì)降低,其中GI尤為明顯。
由圖2可見(jiàn),干旱脅迫對(duì)青稞幼苗性狀存在抑制,芽鮮質(zhì)量(BFW)在CK處理下最大值達(dá)到 1.94 g,最小值為0.80 g,而PEG處理下最大值為0.69 g,最小值為0.11 g,CK處理下數(shù)值明顯大于PEG脅迫結(jié)果;芽干質(zhì)量(BDW)結(jié)果受到BFW的影響,最終得出數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出CK處理下數(shù)值明顯大于干旱處理下的數(shù)值,結(jié)果表明,干旱脅迫嚴(yán)重影響青稞萌發(fā)期幼苗的生物量;芽長(zhǎng)(BL)在PEG處理下最大值接近CK處理下最小值,干旱脅迫抑制了幼苗的生長(zhǎng)。
從圖3可看出,根鮮質(zhì)量(RFW)在CK下數(shù)據(jù)集中在0.90 g左右,PEG干旱處理下數(shù)據(jù)集中在0.30 g左右,二者平均值相差0.63 g;根干質(zhì)量(RDW)在CK處理下數(shù)據(jù)集中在0.10 g左右,PEG干旱處理下數(shù)據(jù)集中在0.05 g左右,二者平均值相差0.05 g;根長(zhǎng)(RL) 在CK處理下數(shù)據(jù)集中14 cm左右,PEG干旱處理下數(shù)據(jù)集中在4.00 cm左右,二者平均值相差9.94 cm,根長(zhǎng)對(duì)照與干旱處理下二者數(shù)據(jù)相差較大,根部特征可作為評(píng)價(jià)干旱的指標(biāo),而根長(zhǎng)可作為干旱評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。
多因素綜合作用影響種子萌發(fā)期的抗旱性,用單個(gè)指標(biāo)不足以反映不同材料的抗旱能力,單一指標(biāo)所得結(jié)果具有片面性且每個(gè)指標(biāo)表示出來(lái)的結(jié)果也不完全一致,因此,需要進(jìn)行多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià),以提高植物抗旱性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性[20-21]。本次研究運(yùn)用隸屬函數(shù)法對(duì)70份青稞材料的RGE、RGR、RGI、RBFW、RRFE、RBDW、RRDW、RRL、RBL9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)。由表3可知,70份青稞材料萌發(fā)期9個(gè)抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值的結(jié)果為QK-9>QK-14>QK-12>QK-19>QK-10>QK-11>QK-20>QK-6>QK-13>QK-18>QK-61>QK-17>QK-65>QK-8>QK-16>QK-66>QK-57>QK-15>QK-5>QK-3>QK-2>QK-50>QK-54>QK-59>QK-24>QK-56>QK-62>QK-33>QK-58>QK-70>QK-52>QK-68>QK-32>QK-63>QK-40>QK-51>QK-22>QK-60>QK-46>QK-49>QK-55>QK-48>QK-67>QK-44>QK-26>QK-35>QK-37>QK-69>QK-23>QK-29>QK-27>QK-36>QK-38>QK-53>QK-42>QK-64>QK-31>QK-41>QK-45>QK-28>QK-43>QK-39>QK-25>QK-34>QK-21>QK-30>QK-4>QK-47>QK-7>QK-1。
根據(jù)隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值可以對(duì)不同青稞材料進(jìn)行抗旱排序比較,將隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值作出圓形的聚類(lèi)圖,還可對(duì)不同材料進(jìn)行分類(lèi)說(shuō)明;從圖4可看出,70份青稞材料的抗旱性可分為3類(lèi),第1類(lèi)強(qiáng)抗旱材料包括QK-8、QK-16、QK-66、QK-57、QK-15、QK-19、QK-10、QK-12、QK-9、QK-14、QK-13、QK-6、QK-11、QK-20、QK-17、QK-65、QK-18、QK-61;第2類(lèi)中度抗旱材料包括QK-5、QK-3、QK-2、QK-50、QK-54、QK-56、QK-59、QK-24、QK-52、QK-68、QK-32、QK-63、QK-62、QK-33、QK-58、QK-70、QK-40、QK-51、QK-46、QK-22、QK-60、QK-26、QK-35、QK-67、QK-44、QK-49、QK-55、QK-48;第3類(lèi)敏感材料包括QK-53、QK-38、QK-36、QK-27、QK-69、QK-37、QK-29、QK-23、QK-41、QK-31、QK-45、QK-64、QK-42、QK-21、QK-34、QK-25、QK-43、QK-28、QK-39、QK-47、QK-4、QK-30、QK-7、QK-1。
作物抗旱研究,首要任務(wù)便是對(duì)作物的耐旱性做出鑒定及評(píng)價(jià),由于鑒定的目的和要求不同,采用鑒定的方法也有所不同,鑒定方法以人工模擬鑒定法、田間直接鑒定法、實(shí)驗(yàn)室鑒定法為主。田間直接鑒定法是將鑒定品種種植于灌水和干旱2種處理?xiàng)l件下,干旱處理即在作物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中僅靠自然降水供給水分需求,灌水處理是在自然降水的基礎(chǔ)上再進(jìn)行灌溉 3~6 次,作為非脅迫處理。人工模擬鑒定法是將鑒定品種種植在一些可人為控制水分、光照和溫度等環(huán)境條件的抗旱池、生長(zhǎng)箱或人工氣候室等可人工控制的輔助設(shè)施中。實(shí)驗(yàn)室鑒定法是通過(guò)使用不同濃度的高滲溶液(如蔗糖、甘露醇、PEG-6000等)模擬干旱環(huán)境,使作物產(chǎn)生一系列脅迫反應(yīng),用正常營(yíng)養(yǎng)液處理的種子或幼苗作為對(duì)照,測(cè)定一些和抗旱相關(guān)的形態(tài)指標(biāo)來(lái)鑒定作物品種在生長(zhǎng)發(fā)育前期過(guò)程中的抗旱特性。
表3 70份青稞材料9個(gè)抗旱指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)
表3(續(xù))
萌發(fā)期主要采用實(shí)驗(yàn)室鑒定法,在眾多研究中,使用聚乙二醇(PEG)在種子階段進(jìn)行誘導(dǎo)滲透脅迫,PEG溶液用于鑒定在逆境和非逆境條件下都表現(xiàn)良好的材料[22-26],主要調(diào)查發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)等指標(biāo)來(lái)比較不同材料的萌發(fā)能力,脅迫條件下高的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)等對(duì)作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要。在植物生命周期的各個(gè)階段中,種子萌發(fā)、幼苗出苗和建立是植物生存和生長(zhǎng)的關(guān)鍵過(guò)程[19]。但干旱脅迫下將會(huì)影響植物的發(fā)芽率和早期幼苗生長(zhǎng)[27]。在水分缺乏條件下,發(fā)芽率、芽和根的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量顯著降低[28]。
本研究結(jié)果表明,PEG脅迫下青稞萌發(fā)期GE、GR、GI、RFW、BFW、RDW、BDW、RL、BL這9個(gè)指標(biāo)中RL變異程度較大,所有指標(biāo)均會(huì)受到抑制作用,PEG模擬干旱脅迫明顯抑制青稞種子萌發(fā)生長(zhǎng)。對(duì)70份青稞材料的抗旱指標(biāo)進(jìn)行了隸屬函數(shù)分析以及聚類(lèi)分析,結(jié)果顯示,可將70份青稞材料分為3類(lèi),強(qiáng)抗旱材料包括藏青311、ZDM4953、喜拉10號(hào)、北青5號(hào)、ZDM5103、ZDM4701、藏青2000、ZDM4714、ZDM5074、ZDM4940、ZDM5030、ZDM4739、ZDM4377、農(nóng)家品種2、藏青148、ZDM4812、昆侖13號(hào)、ZDM4585這18份材料;中度抗旱材料包括北青3號(hào)、ZDM4985、ZDM4890、ZDM5036、農(nóng)家品種13、ZDM4780、山青24、康青1號(hào)、農(nóng)家品種14、ZYM493、區(qū)試841、農(nóng)家品種15、ZDM4941、曲水柏林、農(nóng)家品種5、地方品種3、藏青690、冬青17號(hào)、ZYM1867、昆侖8號(hào)、ZDM4584、日喀則11、喜拉11號(hào)、農(nóng)家品種12、藏青85、農(nóng)家品種10、農(nóng)家品種6、地方品種2這28份材料;敏感材料包括農(nóng)家品種8、B1勾芒紫、農(nóng)家品種3、喜拉22、ZDM4817、農(nóng)家品種7、B5-1-冬絨勾芒、ZDM4699、B4冬對(duì)芒、北青4號(hào)、ZDM4733、農(nóng)家品種9、農(nóng)家品種11、農(nóng)家品種4、ZDM4447、ZDM4384、ZDM5140、藏青3179、隆子縣黑青稞4、B7、藏青80、舍么、哲魯瑪、農(nóng)家品種1這24份材料。不同種質(zhì)材料的抗旱性具有差異性,但完整的評(píng)價(jià)需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室苗期、抽穗期、孕穗期、成熟期等以及田間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,這樣才能使所得最終結(jié)果更加準(zhǔn)確,更好推廣應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。