焦志銀 王金萍 石燕楠 王志芳 張 靜顧 春 杜 啟 劉博成 牛敬田 呂 芃

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所/國家高粱改良中心河北分中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部特色雜糧遺傳改良與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（部省共建）/河北省雜糧研究實(shí)驗(yàn)室/國家谷子改良中心 河北石家莊 050035；2.河北省種子總站 河北石家莊 050031；3.河北省行唐縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 河北石家莊 050600）

干旱是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最重要的環(huán)境脅迫因素之一，是影響作物生長和生產(chǎn)力的重要環(huán)境因素[1-2]。干旱脅迫使細(xì)胞活性氧 （Reactive oxygen species,ROS）水平增加，導(dǎo)致膜損傷、電解質(zhì)泄漏、脂質(zhì)過氧化，影響植物生長和生理，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。 有預(yù)測表明，由于氣候變化、人口增長和全球工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求將顯著增加。 面臨干旱挑戰(zhàn)，一是需要作物適應(yīng)干旱環(huán)境， 二是培育水資源利用效率高的作物品種，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[5-7]。 不同作物品種的耐旱性差異很大， 而作物品種的抗旱性是通過性狀的遺傳變異直接或間接誘導(dǎo)的， 可以在育種中通過人工選擇改良作物的抗旱能力[8]。 因此，培育高產(chǎn)高抗旱的優(yōu)質(zhì)作物品種是一種經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的緩解當(dāng)前干旱脅迫的可行策略。

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］是一種C4 植物，是世界第五大谷類作物，也是亞洲和非洲半干旱熱帶地區(qū)重要的主食。 高粱具有耐旱、耐澇和耐鹽等特性[4,9-11]，高粱在世界范圍內(nèi)廣泛種植，可作為食物、飼料、釀造原料和能源作物[12-14]。 在我國，高粱在釀酒業(yè)中尤為重要，高粱釀造有著悠久的歷史，著名的茅臺(tái)酒和傳統(tǒng)的醋都是用高粱釀造的[15-17]。 然而，隨著全球氣候的變化， 高粱產(chǎn)區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)短期或長期干旱，這將會(huì)對(duì)高粱造成重大的產(chǎn)量損失[18]。因此，要實(shí)現(xiàn)糧食和營養(yǎng)安全， 必須對(duì)高粱的抗旱脅迫能力進(jìn)行遺傳改良。 為明確新選育和引進(jìn)的高粱種質(zhì)資源的抗干旱能力， 本研究采用150 g/L 的聚乙二醇（PEG）溶液對(duì)18 種粒用高粱品種進(jìn)行模擬干旱脅迫試驗(yàn)，研究干旱脅迫對(duì)高粱生理特性的影響，同時(shí)對(duì)不同品種的高粱抗旱能力進(jìn)行鑒定和評(píng)價(jià)， 篩選出具有較高抗旱性的高粱品種。 本研究結(jié)果可為適應(yīng)干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)高粱品種的種植及選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取了18 種高粱品種，品種名稱和類型見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

挑選籽粒飽滿的不同品種高粱種子經(jīng)過75%的無水乙醇消毒1 min，1%次氯酸鈉消毒10 min，再用無菌水沖洗4～5 遍。 培養(yǎng)皿鋪上2 層濾紙， 加入約5 mL 蒸餾水， 將消毒后的高粱種子整齊擺放后放入28℃培養(yǎng)箱萌發(fā)。待種子萌發(fā)后選取生長健康且一致的幼苗移入盛有同質(zhì)量的穴盤中，每隔2～3 d 澆一次1/2 MS 營養(yǎng)液[10]，待高粱幼苗10 日齡時(shí)開始進(jìn)行干旱脅迫處理，使用PEG6000 模擬干旱脅迫。對(duì)照組正常灌溉澆水，處理組每隔2 d 澆相同量的PEG6000，處理時(shí)長為1 周。試驗(yàn)設(shè)置3 次重復(fù)。培養(yǎng)環(huán)境光照/黑暗時(shí)間為8 h/16 h，溫度（28±2）℃。

1.3 測定指標(biāo)與方法

對(duì)幼苗進(jìn)行PEG 處理1 周時(shí)測量生長指標(biāo)。 根長： 將不同處理組高粱的根從沙中清理干凈后拉直， 用刻度尺測量， 精確到0.1 cm； 鮮重： 將高粱幼苗的地上及地下部分清理干凈， 使用萬/千分之一電子天平稱量鮮重并記錄； 干重： 將測量鮮重后的高粱樣品分別放入寫好標(biāo)記的信封里， 用烘箱烘干至恒重，然后測量并記錄；根冠比：高粱地下部分/地上部分的鮮重或干重的比值。 葉綠素?zé)晒馐褂脻h莎生物公司的Handy PEA 植物效率分析儀（PP Systems& Hansatech）根據(jù)操作指南進(jìn)行測定。 每個(gè)處理3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 和SPSS 26 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各處理組不同性狀的平均值, 并進(jìn)行方差分析、顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)不同品種高粱生理指標(biāo)的影響

由表2 可知，在150 g/L PEG 處理下，18 種不同品種高粱的各性狀指標(biāo)均發(fā)生不同程度的變化。 與正常灌溉相比，PEG 脅迫下高粱幼苗的根鮮重、地上部分鮮重、根干重和地上部分干重有明顯的下降。 相比而言， 此濃度下的PEG 溶液對(duì)各品種高粱幼苗的鮮重根冠比、干重根冠比及Fo（葉綠素初始熒光）影響并不明顯。 據(jù)統(tǒng)計(jì)可知， 根長相對(duì)值變化范圍為71%～142%， 根鮮重相對(duì)值變化范圍為34%～125%，地上鮮重相對(duì)值變化范圍為35%～101%，根干重相對(duì)值變化范圍為49%～150%，地上干重相對(duì)值變化范圍為49%～143%， 根冠比 （鮮重） 相對(duì)值變化范圍為81%～173%，根冠比（干重）相對(duì)值變化范圍為66%～168%，F(xiàn)o 相對(duì)值變化范圍為90%～115%，F(xiàn)m（最大熒光）相對(duì)值變化范圍為86%～116%，F(xiàn)v（可變熒光）相對(duì)值變化范圍為82%～122%，F(xiàn)v/Fm 相對(duì)值變化范圍為93%～105%，F(xiàn)v/Fo 相對(duì)值變化范圍為77%～122%。結(jié)果表明，高粱不同品種對(duì)干旱響應(yīng)的敏感性不同，其中根鮮重和地上鮮重指標(biāo)對(duì)干旱敏感度較強(qiáng)。

2.2 各耐旱指標(biāo)的相關(guān)性分析

對(duì)18 種高粱品種的12 個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），結(jié)果顯示各性狀指標(biāo)極顯著相關(guān)的有相對(duì)根長與相對(duì)根鮮重、相對(duì)根長與相對(duì)地上鮮重、相對(duì)根長與相對(duì)根干重、相對(duì)根鮮重與相對(duì)地上鮮重、相對(duì)根鮮重與相對(duì)根干重、 相對(duì)根鮮重與與相對(duì)地上干重、相對(duì)根鮮重與相對(duì)根冠比（鮮重）、相對(duì)地上鮮重與相對(duì)根干重、相對(duì)地上鮮重與相對(duì)地上干重、相對(duì)根干重與相對(duì)相對(duì)地上干重、 相對(duì)Fo 與相對(duì)Fv/Fm、相對(duì)Fo 與相對(duì)Fv/Fo、相對(duì)Fm 與相對(duì)Fv、相對(duì)Fm 與相對(duì)Fv/Fm、相對(duì)Fm 與相對(duì)Fv/Fo、相對(duì)Fv與相對(duì)Fv/Fm、相對(duì)Fv 與相對(duì)Fv/Fo、相對(duì)Fv/Fm 與相對(duì)Fv/Fo。 其中，相關(guān)系數(shù)最高的前三組性狀指標(biāo)依次為相對(duì)Fv/Fm 與相對(duì)Fv/Fo、 相對(duì)相對(duì)Fm 與相對(duì)Fv 及相對(duì)地上鮮重與相對(duì)地上干重，各指標(biāo)之前均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.983、0.974 和0.948。各性狀指標(biāo)顯著的有相對(duì)根長與相對(duì)地上干重、相對(duì)根干重與相對(duì)根冠比（鮮重）、相對(duì)根冠比（鮮重）與相對(duì)根冠比（干重）。 其他性狀指標(biāo)之間不顯著。

表3 干旱脅迫下不同品種高粱各性狀指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

2.3 各耐旱指標(biāo)的主成分分析及其貢獻(xiàn)率

對(duì)12 個(gè)性狀指標(biāo)做主成分分析，各因子特征值中前4 個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.871%（表4），因此本研究提取了前4 個(gè)因子。 F1 在根干重、 地上鮮重、根鮮重、Fv/Fm 和地上干重上有較高載荷量，貢獻(xiàn)率為36.004%；F2 在Fv、Fv/Fo、Fm、Fm 和根長上有較高載荷量， 貢獻(xiàn)率約占總貢獻(xiàn)率的29.74%；F3 在根冠比（干重）、根冠比（鮮重）、地上鮮重和地上干重上有較高載荷量， 貢獻(xiàn)率約占總貢獻(xiàn)率的14.617%；決定第4 主成分的主要是Fm、Fo 和根冠比（鮮重），貢獻(xiàn)率約占總貢獻(xiàn)率的10.51%。

表4 不同高粱品種各指標(biāo)主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率

2.4 不同品種高粱隸屬函數(shù)分析、 權(quán)重確定及其抗旱性綜合評(píng)價(jià)

通過隸屬函數(shù)法對(duì)18 種高粱品種的12 個(gè)生理指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)， 得出其綜合抗旱能力D 值（表5）。 供試的18 種高粱材料的D 值范圍為0.242～0.810。 各供試品種苗期抗旱性排名為28B（編號(hào)8）＞101B （編號(hào)13）＞冀鄉(xiāng)梁1 號(hào) （編號(hào)10）＞XN1 （編號(hào)2）＞IR60 （編號(hào)9）＞L407B （編號(hào)1）＞RTx430（編號(hào)17）＞R3146（編號(hào)11）＞冀鄉(xiāng)梁2 號(hào)（編號(hào)12）＞冀釀4 號(hào)（編號(hào)7）＞冀釀2 號(hào)（編號(hào)3）＞冀釀3 號(hào) （編號(hào)5 ）＞272 （編號(hào)6）＞紅纓子 （編號(hào)18）＞BTx623（編號(hào)16）＞M5（編號(hào)4）＞H01（編號(hào)14）＞冀鄉(xiāng)釀3 號(hào)（編號(hào)15）。 其中28B（編號(hào)8）和101B（編號(hào)13）抗旱性最強(qiáng)，D 值分別為為0.810 和0.808；冀鄉(xiāng)釀3 號(hào)（編號(hào)15）的抗旱性最弱，D 值為0.242；其他品種的抗旱性介于兩者之間。

表5 不同高粱品種抗旱性評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

干旱脅迫嚴(yán)重影響高粱的生長發(fā)育。 不同高粱品種間的抗旱能力存在較大差異， 不同性狀應(yīng)答干旱反應(yīng)的變化程度也不同。 高粱苗期是高粱品種抗旱性鑒定的關(guān)鍵時(shí)期，具備鑒定周期短、可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。 篩選苗期抗旱性強(qiáng)的高粱品種有利于缺水地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源的合理利用[19-20]。 本研究利用PEG 模擬干旱脅迫處理，通過12 個(gè)性狀指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值對(duì)18 種不同品種高粱幼苗期進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)。 指標(biāo)相對(duì)值指的是植物在逆境脅迫下與正常生長條件下的比值， 它能夠反映出植物響應(yīng)逆境脅迫的敏感程度[21]。本研究采取了相對(duì)值進(jìn)行分析，性狀指標(biāo)測量結(jié)果顯示，在150 g/L PEG 處理下，大部分供試高粱品種的根鮮重、地上鮮重、根干重、地上干重、根長等生長指標(biāo)表現(xiàn)出明顯降低。 這與之前高粱在干旱脅迫下生長受限的研究結(jié)果一致[22-23]。相關(guān)系數(shù)是表示數(shù)據(jù)之間相關(guān)程度的指標(biāo)， 一般情況下，相關(guān)系數(shù)越大兩者之間的相關(guān)程度越高[24]。 在本研究的12 個(gè)性狀指標(biāo)共78 對(duì)組，有18 對(duì)表現(xiàn)出極顯著相關(guān)，3 對(duì)是顯著相關(guān)關(guān)系， 其他各指標(biāo)之間為不相關(guān)。 將各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析提取主成分，根據(jù)貢獻(xiàn)率的大小可知綜合指標(biāo)的相對(duì)重要性[21]。本研究在PEG 脅迫下，決定第一成分的有根干重、地上鮮重、根鮮重、Fv/Fm 和地上干重，貢獻(xiàn)率為36.004%。植物抗旱性是受多種因素影響的復(fù)雜生物學(xué)過程，采用多指標(biāo)的綜合鑒定評(píng)價(jià)的結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。隸屬函數(shù)法的D 值綜合考慮了各指標(biāo)間的相互關(guān)系和各指標(biāo)的重要性，已被證實(shí)可應(yīng)用于高粱、水稻和小麥等作物，可以較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)高粱的抗旱性[25-28]。在PEG 脅迫下，抗旱強(qiáng)的品種編號(hào)8 和編號(hào)13 各性狀指標(biāo)受影響不大。 而抗旱性弱的編號(hào)15 的品種，遭受干旱脅迫后，其多項(xiàng)生長指標(biāo)受到嚴(yán)重影響。 這些數(shù)據(jù)表明，遭受PEG 脅迫后，根鮮重和地上鮮重在所測性狀指標(biāo)中是最敏感的。 之前有研究顯示，高粱苗期葉片長勢(shì)和根系長勢(shì)可作為抗旱性鑒定指標(biāo)[29]。結(jié)合本研究和前人的研究結(jié)果， 在高粱苗期抗旱鑒定中， 根鮮重和地上鮮重可以作為評(píng)價(jià)高粱苗期抗旱性優(yōu)先考慮的性狀指標(biāo)。 然而，高粱抗旱性受多重外在和內(nèi)在遺傳因素的影響，其抗旱機(jī)制也很復(fù)雜，使用單一類型的指標(biāo)從幼苗期這一生長時(shí)期對(duì)某一品種的高粱抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)是片面的[19-21]。 同時(shí)，本研究僅對(duì)一些基本的生理參數(shù)進(jìn)行了分析， 其內(nèi)在抗旱生理代謝機(jī)制和分子機(jī)理還有待于進(jìn)一步深入研究。 未來可利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展深入探究高粱抗旱的分子機(jī)制，挖掘抗旱相關(guān)功能基因，從而提高高粱抗旱遺傳改良效率。

3.2 結(jié)論

本研究采用主成分分析、 隸屬函數(shù)等方法，對(duì)18 種高粱品種的抗旱性進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)， 根鮮重和地上鮮重對(duì)PEG 處理模擬的干旱脅迫的反應(yīng)比其他指標(biāo)敏感， 可以作為高粱品種幼苗期耐旱能力的抗旱品種選育的參考指標(biāo)。供試材料中28B 和101B 屬于抗旱性強(qiáng)的品種，可用于高粱耐旱育種的種質(zhì)資源。但本研究的供試材料有限， 未來研究可以擴(kuò)大高粱種質(zhì)材料數(shù)量， 并深入開展高粱抗旱生理及分子機(jī)制的研究。