100份大麥種質(zhì)資源成株期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選

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(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)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(yīng)能力強(qiáng)、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(zhì)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(huì)引起植物生長減緩甚至死亡，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。因此，大麥抗旱性的評(píng)價(jià)以及篩選合理的抗旱指標(biāo)，對(duì)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(biāo)對(duì)篩選抗旱性作物的不準(zhǔn)確和片面性，研究者將不同指標(biāo)結(jié)合起來對(duì)作物進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，利用主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)分析、聚類分析等方法對(duì)油菜、胡麻、高粱、大豆、棉花等作物進(jìn)行了抗旱性的評(píng)價(jià)以及指標(biāo)的篩選。目前，大多數(shù)學(xué)者主要利用萌發(fā)期或苗期的生理以及形態(tài)指標(biāo)來評(píng)價(jià)大麥抗旱性，對(duì)其成株期抗旱性的鑒定以及抗旱指標(biāo)篩選研究較少。本研究通過設(shè)置正常灌水和干旱脅迫2個(gè)處理，利用綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)100份大麥種質(zhì)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(chǎn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與鑒定，以期能夠篩選出在成株期抗旱能力強(qiáng)的大麥種質(zhì)材料以及與大麥抗旱性密切的相關(guān)指標(biāo)，為大麥抗旱新品種的選育提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料共100份，均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)麥類作物實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(yàn)站進(jìn)行，設(shè)正常灌水(CK)和干旱脅迫(T)2個(gè)處理，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)材料采用點(diǎn)播，行長 1 m，每行30粒，每個(gè)品種3行，行距0.2 m，走道寬0.3 m，保護(hù)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(shí)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(cè)定項(xiàng)目與方法

在收獲前3 d，每小區(qū)3點(diǎn)取樣，每點(diǎn)5株，測(cè)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(jì)千粒重 (1 000-grain weight，TGW)和小區(qū)產(chǎn)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(jìn)行差異顯著性分析、主成分分析、簡單相關(guān)性分析和連續(xù)變數(shù)次數(shù)分布統(tǒng)計(jì)分析。相關(guān)指標(biāo)及其計(jì)算公式如下：

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

DC=干旱處理測(cè)量值/正常灌水測(cè)量值

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

式中，為測(cè)定指標(biāo)數(shù)；

(3)隸屬函數(shù)值

()=(-，min)/(,max-,min)

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

(4)權(quán)重系數(shù)()

式中，表示第個(gè)因子在所有公因子中的重要程度，為各品種第個(gè)因子貢獻(xiàn)率。

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

參照尹 利等的方法計(jì)算D值與DC值的關(guān)聯(lián)度(γD)、加權(quán)抗旱系數(shù)(WDC)和各指標(biāo)WDC值與DC值的關(guān)聯(lián)度(γWDC)。

根據(jù)100份大麥種質(zhì)的CDC值、WDC值和值利用SPSS 21.0進(jìn)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(duì)各指標(biāo)的DC值進(jìn)行逐步回歸分析，并求取回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對(duì)被測(cè)指標(biāo)的影響

干旱脅迫對(duì)所測(cè)定的8個(gè)指標(biāo)均具有極顯著影響(表1)。供試種質(zhì)材料被測(cè)指標(biāo)的變異系數(shù)在0.126～0.620之間，說明本次試驗(yàn)所選用的100份大麥種質(zhì)材料的類型較為豐富。在干旱脅迫條件下，株高、穗長等8個(gè)農(nóng)藝性狀與對(duì)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(chǎn)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(duì)各指標(biāo)的影響程度有所不同，采用單一指標(biāo)很難反映出大麥種質(zhì)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(zhì)各測(cè)定指標(biāo)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(guān)性分析

由表2可得，供試的大麥種質(zhì)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(chǎn)量DC值，為0.10～ 0.99，說明干旱脅迫對(duì)大麥不同性狀的影響程度不同。不同大麥種質(zhì)資源相同指標(biāo)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(zhì)資源的抗旱能力有所不同。

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

單株生物量和產(chǎn)量的DC值在0.2～0.4區(qū)間種質(zhì)頻率最高，分別達(dá)到42%和27%(表3)。其余指標(biāo)的DC值均在0.8～1.0區(qū)間內(nèi)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(chǎn)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(cè)指標(biāo)對(duì)干旱脅迫的敏感程度表現(xiàn)為單株生物量>產(chǎn)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(chǎn)量、穗粒數(shù)對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感，可以作為評(píng)價(jià)大麥抗旱性的參考指標(biāo)。

表3 供試大麥種質(zhì)各指標(biāo)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(gè)指標(biāo)均與其他指標(biāo)顯著或極顯著相關(guān)。其中，單株生物量與其他7個(gè)指標(biāo)間均呈極顯著正相關(guān)；有效分蘗與穗長有顯著相關(guān)性，與其他6個(gè)指標(biāo)有極顯著相關(guān)性；穗粒數(shù)與分蘗數(shù)有顯著相關(guān)性，與其他6個(gè)指標(biāo)有極顯著相關(guān)性。

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

2.3 供試大麥種質(zhì)各指標(biāo)主成分分析

由表5可知，8個(gè)農(nóng)藝性狀中前4個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82.091%，其特征根大于0.606，說明8個(gè)農(nóng)藝性狀的大部分信息可以由前4個(gè)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(jì)貢獻(xiàn)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(zhì)資源的抗旱性評(píng)價(jià)

2.4.1 大麥CDC評(píng)價(jià)結(jié)果

按照CDC值可將100份大麥種質(zhì)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(zhì)(CDC≥0.897)8份，占供試種質(zhì)的8%，抗旱種質(zhì)(0.897>CDC≥0.842)28份，中等抗旱種質(zhì)(0.842>CDC≥0.789)14份，敏感種質(zhì) (0.789>CDC≥0.665)26份，高度敏感種質(zhì) (0.665>CDC≥0.565)24份，占供試種質(zhì)的24%。按照CDC從大到小，8份高度抗旱種質(zhì)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(hào)和IL-18。按照CDC從小到大，24份高度敏感種質(zhì)依次是西-2970、ZDM5745、Z20400211W、丹青1號(hào)、美41I、08京1369、ZDM5174、ZDM1190489、EDM-5789、IL-28、ZDM5142、IL-26、GR5-419網(wǎng)8、BCB48、ZDM9311、鄂大麥9號(hào)、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(zhì)各指標(biāo)主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率Table 5 Eigenvectors and contribution rates of principal components of each index of tested barley germplasm

2.4.2 大麥WDC評(píng)價(jià)結(jié)果

按照WDC值可將100份大麥種質(zhì)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(zhì)(WDC≥0.893)8份，抗旱種質(zhì) (0.893>WDC≥0.835)29份，中等抗旱種質(zhì) (0.835>WDC≥0.793)13份，敏感種質(zhì)(0.793>WDC≥0.628)40份，高度敏感種質(zhì)(0.628>WDC≥0.567)10份。按照WDC從大到小，8份高度抗旱種質(zhì)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(hào)和IL-18。按照WDC從小到大，10份高度敏感種質(zhì)依次是ZDM9311、鄂大麥9號(hào)、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(zhì)編號(hào)。下同。 1-100：No. of germplasm.The same below.

圖2 100份大麥種質(zhì)基于加權(quán)抗旱系數(shù)的聚類圖

2.4.3 大麥值評(píng)價(jià)結(jié)果

按照值可將100份大麥種質(zhì)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(zhì)(≥0.739)11份，抗旱種質(zhì)(0.739>≥0.636)38份，中等抗旱種質(zhì)(0.636>≥ 0.437)13份，敏感種質(zhì)(0.437>≥0.255)34份，高度敏感種質(zhì)(0.255>≥0.162)4份。按照值從大到小，11份高度抗旱種質(zhì)依次是S-130、IL-24、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號(hào)、12-7347、揚(yáng)飼麥3號(hào)、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(zhì)依次是鄂大麥9號(hào)、沃爾菲特42、北青88和202990189。

2.4.4 大麥抗旱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)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(zhì)，9份高度敏感種質(zhì)。8份高度抗旱種質(zhì)分別為S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號(hào)、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(hào)和IL-18利用3種方法鑒定結(jié)果均為高度抗旱類型。9份高度敏感種質(zhì)分別為ZDM9311、鄂大麥9號(hào)、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(hào)、沃爾菲特42、北青88和202990189利用3種方法鑒定結(jié)果均為高度敏感類型。

2.5 灰色關(guān)聯(lián)分析

各指標(biāo)DC值與值之間的關(guān)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(chǎn)量；各指標(biāo)DC與WDC值間的關(guān)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(chǎn)量(表6)。關(guān)聯(lián)度大則密切程度高。

圖3 100份大麥種質(zhì)基于綜合評(píng)價(jià)值的聚類圖

表6 供試大麥種質(zhì)各指標(biāo)DC值與D值和WDC值的關(guān)聯(lián)度及各指標(biāo)權(quán)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(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

參照王 燦等的方法，將各指標(biāo)DC值作為自變量，CDC值、值和WDC值作為因變量分別進(jìn)行回歸分析，得到3個(gè)回歸方程，其決定系數(shù)≈1，說明回歸方程可以很好預(yù)測(cè)供試大麥的抗旱性。由回歸方程可知，與值、WDC值密切相關(guān)的指標(biāo)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(biāo)可以較為準(zhǔn)確的鑒定大麥種質(zhì)的抗旱性。此外，對(duì)供試大麥種質(zhì)資源的值、CDC值、WDC值和產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明兩兩之間均極顯著正相關(guān)。

表7 供試大麥種質(zhì)抗旱性模型預(yù)測(cè)Table 7 Model prediction of drought resistance in tested barley germplasm

3 討 論

3.1 大麥種質(zhì)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(píng)價(jià)的方法對(duì)作物的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，利用綜合評(píng)價(jià)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(jié)果?？购刀攘恐岛图訖?quán)抗旱系數(shù)WDC是作物抗旱性鑒定中最常用的兩個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。例如杜偉莉等的研究結(jié)果表明，采用抗旱隸屬度對(duì)開花期玉米進(jìn)行抗旱性鑒定，可有效鑒定出在開花期抗旱性強(qiáng)的玉米材料；王士強(qiáng)等利用加權(quán)抗旱系數(shù)對(duì)參試小麥品種進(jìn)行聚類分析，很好地反映出這些品種的抗旱特點(diǎn)。本研究測(cè)定大麥成株期的 8個(gè)指標(biāo)，結(jié)合抗旱性度量值、綜合抗旱系數(shù) CDC 值和加權(quán)抗旱系數(shù) WDC 值，將三種評(píng)價(jià)方法與主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)分析和相關(guān)分析相結(jié)合評(píng)價(jià)大麥種質(zhì)資源在成熟期的抗旱性，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面可信。但在本研究中，基于CDC值、WDC值和值對(duì)供試材料進(jìn)行聚類分析的結(jié)果有一定差異，其原因可能是由于計(jì)算方式的不同及所選材料之間的差異所造成的。值計(jì)算過程是將原有的8個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)立的5個(gè)綜合指標(biāo)并求得各綜合指標(biāo)的權(quán)重，將權(quán)重乘以隸屬函數(shù)值求得；而WDC值是對(duì)8個(gè)指標(biāo)DC值與值進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析后求得各指標(biāo)權(quán)重，將權(quán)重與各材料各指標(biāo)的抗旱系數(shù)相乘求得加權(quán)抗旱系數(shù)。本研究中，CDC值與WDC值的計(jì)算結(jié)果基本一致，但相關(guān)分析表明，WDC值與產(chǎn)量的相關(guān)性更高，因此建議利用抗旱性度量值值結(jié)合加權(quán)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(jié)果一致。

3.2 大麥種質(zhì)成株期抗旱性鑒定

對(duì)作物進(jìn)行抗旱性鑒定的目的是獲得抗旱種質(zhì)。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(chǎn)量抗旱系數(shù)法對(duì)15份甘薯品種進(jìn)行了抗旱等級(jí)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(quán)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(zhì)，其中S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號(hào)和IL-18利用3種方法鑒定的結(jié)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(quán)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(hào)、揚(yáng)飼麥3號(hào)、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(biāo)結(jié)果，本研究獲得8份高度抗旱大麥種質(zhì)：S-130、BNOC168、LL-53、資源160-早熟3號(hào)、IL-18、Z16、沾益紅毛大麥和資源21-6B98-9339。

3.3 大麥種質(zhì)資源成株期抗旱指標(biāo)的篩選

植物的抗旱能力不僅由多基因控制，而且會(huì)受到許多環(huán)境因素的影響，因此很難用單一指標(biāo)直接評(píng)價(jià)植物抗旱能力。在大麥抗旱性鑒定及指標(biāo)篩選的研究中，前人主要在萌發(fā)期利用相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行篩選，如任 毅等篩選出發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和苗高作為評(píng)價(jià)苗期大麥抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)。但作物不同時(shí)期對(duì)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(shí)的抗旱性。趙 巖等的研究結(jié)果表明，株高、穗數(shù)、穗粒數(shù)以及產(chǎn)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(guān)的指標(biāo)有株高、葉面積、根長和根冠比，這些性狀可以作為評(píng)價(jià)小麥苗期抗旱性的指標(biāo)性狀。本研究對(duì)成株期各指標(biāo)DC值與值和WDC值進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到關(guān)聯(lián)程度較高的指標(biāo)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(guān)的指標(biāo)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(biāo)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(jié)果相似，因此這5個(gè)指標(biāo)可作為評(píng)價(jià)大麥種質(zhì)資源成株期抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)。