王 洋, 杜會石, 鮑慶晗

(1.吉林師范大學(xué)吉林省植物資源科學(xué)與綠色生產(chǎn)重點實驗室,吉林四平 136000;2.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,吉林四平 136000)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)是原產(chǎn)于南美洲安第斯高原的一種糧食作物,至今已有幾千年的種植歷史[1]。藜麥籽粒富含高品質(zhì)蛋白質(zhì)及多種維生素,氨基酸配比均衡,營養(yǎng)價值極高,被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為21世紀(jì)世界糧食安全和人類營養(yǎng)最有前途的作物之一[2]。同時藜麥具有耐鹽堿[3-5]、抗旱[6-8]、耐低溫[4-5,9]等多種抗逆性,適應(yīng)性強(qiáng),被認(rèn)為是世界許多地區(qū)有發(fā)展前景的替代作物。

藜麥的耐旱性使其灌溉用水比谷物少一半以上,可以在我國干旱、半干旱地區(qū)大面積種植[10]。同時藜麥也可在其他地區(qū)的邊際土地上種植,不會與現(xiàn)有主糧爭奪土地,因此發(fā)展?jié)摿薮骩11-12]。我國目前的藜麥品種多為從國外引進(jìn)未經(jīng)選育的半野生種,只有甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的隴藜1號等少數(shù)幾個藜麥品種通過審定,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)不同地區(qū)的種植需求。研究表明,藜麥的耐旱性取決于其營養(yǎng)生長階段,萌發(fā)階段耐旱能力較弱,因此營養(yǎng)生長階段是進(jìn)行藜麥抗旱性材料篩選的關(guān)鍵時期[4-5]。適度干旱能夠促進(jìn)藜麥種子萌發(fā)[13-14],隨著干旱脅迫的增強(qiáng),種子萌發(fā)及生長指標(biāo)均有所下降[15-17],且不同品種間抗旱性存在顯著差異[16-18]。以上研究多集中在不同干旱脅迫處理對藜麥種子萌發(fā)的影響和少量藜麥品系的抗旱性評價,而對藜麥種質(zhì)資源的抗旱性分類及其鑒定指標(biāo)篩選尚未見報道。筆者所在課題組通過前期田間試驗,鑒選出在生長發(fā)育、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量等方面綜合表現(xiàn)較好的23份藜麥種質(zhì)。在前期鑒選的基礎(chǔ)上,本研究利用25%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,對藜麥抗旱性進(jìn)行綜合評價,進(jìn)而篩選出耐旱的藜麥種質(zhì)資源和抗旱指標(biāo),旨在為藜麥品種選育和抗旱機(jī)制研究提供評價指標(biāo)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試藜麥種質(zhì)材料共23份,其中LL-1由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供,其余均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供,相關(guān)信息詳見表1。挑選大小均勻、飽滿的藜麥種子備用。

表1 供試藜麥種質(zhì)材料地理來源、編號及千粒質(zhì)量

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)對照、干旱脅迫2個處理,每個處理重復(fù)3次,于2020年4月在吉林師范大學(xué)植物生理實驗室進(jìn)行。將備用的種子經(jīng)10%次氯酸鈉溶液消毒15 min,用去離子水反復(fù)沖洗3次,濾紙將表面水分吸干后,均勻放置在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中,每個培養(yǎng)皿中30粒。在對照的培養(yǎng)皿中加入蒸餾水10 mL,干旱脅迫的培養(yǎng)皿中加入25%的PEG-6000溶液10 mL。將培養(yǎng)皿放置在人工氣候培養(yǎng)箱中,設(shè)置溫度為(25±1) ℃,濕度為(60±5)%,每天光—暗周期為 12 h—12 h,光照度為 200 μmol/(m2·s)。試驗期間每天更換濾紙,同時補(bǔ)充適量蒸餾水和PEG-6000溶液,以保證培養(yǎng)環(huán)境恒定。

1.3 測定指標(biāo)和方法

試驗期間,每隔24 h觀察記錄種子發(fā)芽情況(以露白為準(zhǔn))。計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)。在試驗第8天,從各個重復(fù)隨機(jī)取出5株藜麥芽苗,測定芽長、根長、鮮質(zhì)量,計算根芽比。

發(fā)芽勢=(第4天種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率=(第8天種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt,式中Gt為第t天的發(fā)芽數(shù),Dt為第t天;

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×胚芽長度。

1.4 數(shù)據(jù)分析及評價方法

參考王焱等的方法[19-21]對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

根據(jù)對照和干旱脅迫下各指標(biāo)的測定值,利用公式(1)(2)分別計算抗旱系數(shù)(DC)、綜合抗旱系數(shù)(CDC)。

DC=某一指標(biāo)在干旱脅迫下測定值的平均值/對照測定值;

(1)

(2)

根據(jù)DC值,進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析,分別按公式(3)、公式(4)、公式(5)計算各主成分的權(quán)重(Wj)、隸屬函數(shù)值[μ(Xj)]、抗旱性綜合評價值(D),式中Vj表示第j個主成分的貢獻(xiàn)率;Xj、Xmin、Xmax分別表示第j個指標(biāo)的測定值和第j個指標(biāo)的最小值與最大值：

(3)

(4)

(5)

以各指標(biāo)DC值為比較序列,D值為參考序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,獲得二者間的關(guān)聯(lián)度。按公式(6)、公式(7)分別計算各性狀指標(biāo)權(quán)重系數(shù)[ωj(γ)]和加權(quán)抗旱系數(shù)(WDC),式中γj表示各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

(6)

(7)

根據(jù)各藜麥種質(zhì)D值進(jìn)行聚類分析,劃分抗旱等級。分別以D值、CDC值、WDC值為參考序列,對各指標(biāo)DC值進(jìn)行逐步回歸分析,得到逐步回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 藜麥種質(zhì)材料各單項指標(biāo)及相關(guān)性分析

供試藜麥種質(zhì)各單項指標(biāo)測定值和抗旱系數(shù)DC值見表2。與對照相比,發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在干旱脅迫處理后差異極顯著(P<0.01)。發(fā)芽勢、發(fā)芽率的抗旱系數(shù)平均值分別達(dá)到0.821、0.840,表明供試藜麥種質(zhì)普遍具有抗旱性。 不同種質(zhì)各指標(biāo)間變異系數(shù)變化范圍為0.072～0.546,說明本試驗中各性狀對干旱脅迫反應(yīng)的敏感性差異較大,所選藜麥種質(zhì)類型較豐富。2個處理各單項指標(biāo)相關(guān)系數(shù)最小值為0.115,最大值為0.653,區(qū)間跨度較大,表明干旱脅迫對各指標(biāo)產(chǎn)生了不同程度的影響。不同種質(zhì)或不同指標(biāo)間的DC值變異系數(shù)(0.160～0.530)差異明顯,僅利用某一單一指標(biāo)不能準(zhǔn)確評價藜麥的抗旱性。

供試藜麥種質(zhì)材料各指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)性見表3。各單項指標(biāo)都至少與其他1個指標(biāo)呈顯著(P<0.05)相關(guān)。除根芽比以外,發(fā)芽勢和發(fā)芽率均與其他6個指標(biāo)呈極顯著(P<0.01)相關(guān),而二者的相關(guān)系數(shù)為0.967,表明二者之間所表現(xiàn)的藜麥種子萌發(fā)信息中有96.7%是相同的,在各指標(biāo)相關(guān)性中最高。其他指標(biāo)間也同樣存在不同程度的信息重復(fù)現(xiàn)象。為了全面評價不同指標(biāo)對藜麥抗旱性的貢獻(xiàn),進(jìn)行其他多元統(tǒng)計分析。

表3 供試藜麥種質(zhì)材料各指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)性

2.2 藜麥種質(zhì)材料抗旱指標(biāo)的主成分分析

對8個單項指標(biāo)的DC值進(jìn)行主成分分析(表4)。前3個主成分累計貢獻(xiàn)率基本代表了供試種質(zhì)材料各指標(biāo)92.093%的信息,可用于藜麥抗旱性的分析,其余成分忽略不計。主成分1的特征值為5.191,貢獻(xiàn)率為64.884%,因子權(quán)重為0.704;主成分2的特征值為1.553,貢獻(xiàn)率為19.406%,因子權(quán)重為0.211;主成分3的特征值為0.624,貢獻(xiàn)率為7.802%,因子權(quán)重為0.085。

表4 供試藜麥種質(zhì)各指標(biāo)主成分及貢獻(xiàn)率

2.3 藜麥種質(zhì)材料的綜合抗旱性評價

供試藜麥種質(zhì)CDC值與WDC值的范圍、平均值及變異系數(shù)均相近(表5),表明二者所代表的信息基本相同,抗旱性排在前4位的種質(zhì)均為S1、16ND-3、LL-1、K2,其他種質(zhì)的抗旱性排序也基本一致。D值作為主要的抗旱性綜合評價值,介于0.138～0.825之間,平均值為0.541,變異系數(shù)為36.604%。依據(jù)D值大小,抗旱性排在前4位的依然是LL-1、S1、16ND-3、K2,但先后順序與WDC值、CDC值排序有所不同。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析可通過不同指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性大小,對目標(biāo)值的影響進(jìn)行反映。供試藜麥種質(zhì)各單項指標(biāo)DC值與D值、WDC值的關(guān)聯(lián)度及排序見表6。結(jié)果顯示D值的關(guān)聯(lián)度排序依次為根長、活力指數(shù)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、鮮質(zhì)量、芽長、發(fā)芽指數(shù)、根芽比;WDC值的關(guān)聯(lián)度排序依次為根長、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、根芽比、發(fā)芽率、鮮質(zhì)量、發(fā)芽勢、芽長。WDC值的關(guān)聯(lián)度是對D值關(guān)聯(lián)度的輔助性評價,二者排序前2位的指標(biāo)均為根長和活力指數(shù),其他指標(biāo)的排序也相差不大。

表6 供試藜麥種質(zhì)各單項指標(biāo)DC值與D值和

2.5 聚類分析及抗旱級別劃分

利用D值進(jìn)行聚類分析(圖1),在歐氏距離5處,可將23份藜麥種質(zhì)材料劃分為3類：第Ⅰ類為強(qiáng)抗旱型,共5份,分別為LL-1、S1、16ND-3、K2、D2, 占種質(zhì)材料的21.74%; 第Ⅱ類為中等抗旱型,共11份,分別為Z2、Z1、E5、ZK5、16ND-4、H2、F2、Z27、Z4、D3、A4,占種質(zhì)材料的47.83%;第Ⅲ類為弱抗旱型,共7份,分別為F1、L3、F4、SL1、ZK2、ZK1、H4,占種質(zhì)材料的30.43%。根據(jù)聚類結(jié)果計算強(qiáng)抗旱型、中等抗旱型、弱抗旱型藜麥種質(zhì)材料的D值、WDC值、CDC值的平均值,分別為0.901、0.696、0.422(表7)。

表7 供試藜麥種質(zhì)基于聚類結(jié)果的3種抗旱性評價值分析

2.6 回歸模型建立及鑒定指標(biāo)篩選

供試藜麥種質(zhì)抗旱預(yù)測模型見表8。以D值為因變量的方程為D=-0.19+0.141X6+0.232X4+0.156X2+0.312X8+0.035X7+0.129X1+0.179X3+0.164X5;以CDC值為因變量的方程為CDC=0.034+0.131X6+0.125X7+0.106X2+0.368X4+0.14X8+0.165X1;以WDC值為因變量的方程為WDC=0.035+0.142X6+0.109X7+0.109X2+0.367X4+0.141X8+0.166X1。3個模型方程的確定系數(shù)R2均為1,F檢驗差異極顯著(P<0.01),說明引入回歸方程的變量是顯著的,各模型建立的回歸方程較好,可對供試藜麥種質(zhì)的抗旱性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測,判斷所測種質(zhì)抗旱性的強(qiáng)弱。根據(jù)回歸方程(1),在藜麥種質(zhì)萌發(fā)期抗旱性評價中,根長與D值的相關(guān)系數(shù)顯著且最大,首先被引入方程,活力指數(shù)與發(fā)芽率次之,分別在第2位和第3位被引入方程。CDC值與WDC值相近,因此方程(2)、方程(3)各指標(biāo)的引入順序與系數(shù)也相近,但前3位的自變量與方程(1)稍有不同,分別為根長、根芽比、發(fā)芽率。

表8 藜麥種質(zhì)抗旱性模型預(yù)測

3 討論與結(jié)論

抗旱性評價方法的選擇直接影響作物抗旱能力評價的準(zhǔn)確性[22]。不同種質(zhì)材料不同指標(biāo)之間具有差異性,因此難以用單一指標(biāo)來對抗旱性進(jìn)行判斷[23]。本研究采用萌發(fā)時期具有代表性的8個萌發(fā)和生長指標(biāo),對其DC值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行相關(guān)性分析,每個指標(biāo)都至少與其他1個指標(biāo)顯著相關(guān)。經(jīng)主成分分析轉(zhuǎn)換成3個彼此獨立的綜合指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,利用隸屬函數(shù)法計算出D值,從而對供試藜麥的抗旱性做出評價,CDC值、WDC值的評價結(jié)果與其基本一致,該方法已在小麥[24]、玉米[25]、油菜[26]、大麥[27]等作物抗旱性評價中廣泛應(yīng)用。此外,本研究利用D值結(jié)合聚類分析、逐步回歸分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法對藜麥萌發(fā)期進(jìn)行抗旱等級分類和抗旱指標(biāo)篩選,這與常巍等對苜蓿[28]、田春艷等對甘蔗[29]的抗旱性綜合評價所采用的方法相近。因此,本研究所采用的方法可以對藜麥等作物的抗旱性進(jìn)行準(zhǔn)確的綜合評價。

種子萌發(fā)期對干旱的響應(yīng),關(guān)系到植株能否在干旱環(huán)境中生存及生長,發(fā)芽率、發(fā)芽勢等能夠反映出種子的萌發(fā)能力[30-31],根長、鮮質(zhì)量等則體現(xiàn)種子中所貯藏有機(jī)物的轉(zhuǎn)化情況[17]。本研究中,強(qiáng)抗旱型藜麥種質(zhì)的發(fā)芽勢、發(fā)芽率DC值均在0.8以上,表明其對水分的利用率較高,25%的PEG-6000溶液模擬的干旱脅迫未對種子萌發(fā)產(chǎn)生顯著影響,這與其他對藜麥萌發(fā)期抗旱性研究的結(jié)果[15,17]一致。此外與對照相比,干旱脅迫對6個材料的根長有2.75%～41.22%的促進(jìn)作用,而相對應(yīng)的鮮質(zhì)量不僅沒有增加,反而只有對照的44.17%～64.53%,在表型上呈現(xiàn)出細(xì)而長的胚根。羅永忠等對新疆大葉苜蓿的研究也有相同發(fā)現(xiàn)[32]。根延長而生物量降低,這是種子萌發(fā)期響應(yīng)干旱脅迫的具體表現(xiàn)。

作物抗旱性評價的目的是劃分供試種質(zhì)材料的抗旱等級[33-34],以此篩選出具有較強(qiáng)抗旱能力的種質(zhì)資源。本研究依據(jù)D值,對供試藜麥抗旱性進(jìn)行排序,CDC值、WDC值的排序與之基本相同。趙愉風(fēng)等在對豌豆的耐旱性研究中也有類似報道[35]。進(jìn)一步利用D值進(jìn)行聚類分析,可將23份藜麥種質(zhì)分為3個等級,其中強(qiáng)抗旱型5個,中等抗旱型11個,弱抗旱型7個。種質(zhì)材料LL-1、S1、16ND-3、K2、D2為強(qiáng)抗旱型,可為藜麥抗旱育種及種質(zhì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

不同植物品種或不同種質(zhì)資源間抗旱性差異較大,且抗旱機(jī)制也不相同,從而使得干旱脅迫條件下某一具體指標(biāo)的反應(yīng)也不盡相同[4-5],因此篩選出合理的指標(biāo)是對作物抗旱性準(zhǔn)確評價的關(guān)鍵。本研究利用灰色關(guān)聯(lián)度分析,同時結(jié)合D值為因變量的逐步回歸方程,綜合篩選出根長、活力指數(shù)、發(fā)芽率3項指標(biāo)可對藜麥種子萌發(fā)期的抗旱性進(jìn)行科學(xué)有效的評價,這與王炎等對苜蓿[19]、高雪芹等對沙蘆草[36]萌發(fā)期抗旱指標(biāo)篩選的結(jié)果一致。