*通讯作者(Corresponding authors): 周宇飞, E-mail: zhouyufei2002@aliyun.com; 黄瑞冬, E-mail: r_huang@126.com, Tel: 024-88487135
第一作者联系方式:E-mail:597912452@qq.com, Tel: 18842343657
萌发期是高粱表现抗旱性的关键阶段之一。选用54份高粱品种(组合)为供试材料, 采用人工气候箱培养, 以水势为-0.4 MPa的PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫环境, 萌发10 d后测定发芽势、发芽率、萌发抗旱指数等8个萌发性状。基于主成分分析的综合因子得分函数能够对萌发期高粱品种的抗旱性综合评定, 各品种(组合)综合因子得分( Y值)经聚类分析后, 将54份高粱品种(组合)按萌发期抗旱性的强弱分为4大类, 13218A×20982R是一个抗旱性极强的杂交组合, 吉杂133等13个品种(组合)为抗旱品种(组合), 苏马克等23个品种为干旱敏感品种, 辽杂35等17个品种为高度干旱敏感品种。萌发抗旱指数、发芽率和根长等性状可作为高粱品种萌发期抗旱性鉴定的主要指标。
Germination is a key stage showing drought resistance in sorghum. The present study was conducted to investigate the responses of 54 different sorghum cultivars (hybrid combinations) to drought stress during germination and screen sorghum cultivars suitable for growing in arid environment. PEG-6000 (-0.4 MPa) was used to simulate the typical drought stress environment in artificial climate chamber. Eight parameters including germination potential, germination rate, germination drought resistance index were measured. The results indicated that the comprehensive factor score functions were suitable for the comprehensive assessment of drought resistance during germination of sorghum cultivars based on principal component analysis (PCA). Based on comprehensive factor scores ( Y-value), 54 sorghum cultivars (hybridized combinations) were clustered into four groups, in which 13218A×20982R was the highest drought resistant hybrid, 13 cultivars (hybridized combinations) were drought resistant, e.g. Jiza 133, 23 cultivars were drought sensitive, e.g. Sumac, and 17 cultivars were highly drought sensitive, e.g. Liaoza 35. Results of PCA showed that germination drought resistance index, germination rate and root length can be used to screen a large number of sorghum cultivars with drought resistance.
近年来, 随着全球气候的变化水资源供需矛盾加剧, 干旱已经成为农业中常见的问题。其对粮食产量、品质和效益的影响在将来亦有增加的趋势[1]。因此, 提高作物的抗旱性是保证粮食高产、稳产的必要措施。高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]是我国最早栽培的禾谷类作物之一, 在干旱和半干旱地区分布较广, 具有食用、酿造和饲用等多种使用价值[2, 3]。与其他作物相比, 虽然高粱具有较强的抗旱能力[4, 5, 6], 但其生长受干旱影响较大。在干旱环境中, 选择抗旱性更高的作物品种是创建优良栽培群体的重要途径[7, 8], 鉴于此, 抗旱性已成为高粱逆境生理研究的重要内容之一。
干旱条件下, 作物出苗情况的优劣依赖于种子的发芽速度及整齐度, 这与种子在低水分条件下的发芽能力密切相关[9, 10]。由于北方地区春季多风少雨, 种子在萌发阶段极易受到干旱的干扰, 为此, 许多学者都很注重萌发期抗旱性的研究。裴帅帅等[11]认为用单一的性状或生理指标不能对萌发期的抗旱机制进行综合评价。陈新等[12]研究表明, 利用主成分分析的方法能消除各鉴定指标间信息重叠的干扰, 可有效评价裸燕麦萌发期的抗旱性。这种综合分析抗逆性的方法在高粱的耐盐碱研究中已得到应用[13, 14]。近年来, 已广泛使用PEG溶液模拟干旱环境进行萌发试验[15, 16]。种子的发芽率、发芽势、萌发抗旱指数是玉米[17]、小麦[18]、水稻[19]等作物萌发期抗旱性评定的常用指标, 具有一定的可靠性, 也可以运用到高粱萌发期抗旱性的鉴定中, 但是不同作物萌发期抗旱性的主要鉴定指标仍存在一定差异[12, 17, 20, 21, 22]。萌发期是作物生长的关键时期, 对作物群体数量和结构具有重要的决定作用。然而, 到目前为止, 基于不同基因型试材、综合鉴定高粱萌发期抗旱性的研究并不多见。对于高粱萌发期抗旱能力有针对性和系统性的研究, 必将有助于促进高粱抗旱机制的了解。本试验在人工气候条件下模拟干旱处理, 考察具有不同遗传背景的高粱品种(组合)在萌发期对干旱胁迫的响应, 以期筛选和鉴定出抗旱能力更强的种质资源, 并为高粱抗旱新品种选育提供理论依据。
选用高粱材料共54份, 来自全国9家高粱育种单位。具体品种名称、保存单位及父母本等信息见附表1。
2014年在沈阳农业大学高粱生理实验室进行试验。预备试验, 随机选取每个高粱品种(组合) 25粒饱满、大小一致的种子, 经7%的NaClO溶液(有效氯含量≥ 5.2%, 国药集团化学试剂有限公司生产)消毒10 min, 蒸馏水冲洗5次, 用滤纸吸干, 放入直径15 cm培养皿(铺有双层滤纸)。于RXZ-1000B型人工气候箱培养, 箱内光照/黑暗为12 h/12 h, 温度为28℃/25℃, 湿度为60%, 光照强度为134 μ mol m-2 s-1, 连续培养10 d, 各处理3次重复。以PEG-6000水溶液模拟干旱环境, 设置4个干旱胁迫水平, PEG-6000质量浓度分别为80、120、150和175 g L-1(对应水势分别为-0.1、-0.2、-0.3和-0.4 MPa), 以蒸馏水作为对照, 每个培养皿中加入8 mL胁迫液或蒸馏水。从种子培养之日起作为起始期(0 d), 每隔2 d补充适量蒸馏水, 且在2、4、6、8和10 d调查种子发芽数。通过预备试验观察到在水势为-0.4 MPa时, 不同高粱品种(组合)间及处理与对照间的发芽性状存在较大差异, 所以选择175 g L-1的PEG-6000水溶液作为正式试验的干旱胁迫浓度。
正式试验的人工培养条件和调查过程与预备试验相同, 每品种(组合)各处理条件下3次重复。在试验结束时, 从各处理随机取高粱幼苗5株, 测定芽长、根长、芽干重、根干重、籽粒干重, 计算干物质转运率[23]。为消除试验材料间的差异, 采用各项测定指标的相对值来反映对干旱的响应。
发芽势(GP) = 4 d发芽种子数/供试种子数× 100%, 相对发芽势 = (处理发芽势/对照发芽势)× 100%; 发芽率(GR) = 10 d发芽种子数/供试种子数× 100%。
相对发芽率 = (处理发芽率/对照发芽率)× 100%; 种子萌发抗旱指数(DGRI) = 干旱种子萌发指数/对照种子萌发指数; 萌发指数 = 1.00nd2+ 0.75nd4+ 0.50nd6+ 0.25nd8, 其中, nd2、nd4、nd6、nd8分别为2、4、6、8 d的种子发芽率。
干物质转运率 = (芽干重+根干重)/ (芽干重+根干重+籽粒干重)× 100%, 相对干物质转运率 = (处理干物质转运率/对照干物质转运率)× 100%。
应用Microsoft Excel 2007整理数据, SPSS18.0进行方差分析、相关分析及聚类分析。
在水势为-0.4 MPa的干旱胁迫下, 不同高粱品种的萌发指标表现出不同程度的下降(表1)。发芽势相对值变化范围为0.33~1.35, 发芽率相对值在0.69~1.58之间, 萌发指数的相对值在0.47~1.22之间, 芽长的相对值在0.39~1.01之间, 根长的相对值在0.42~1.42之间, 芽干重的相对值在0.44~1.18之间, 根干重的相对值在0.49~2.16之间, 干物质转运率的相对值为0.40~1.34。
部分品种的发芽率、发芽势和萌发抗旱指数大于对照, 如杂交组合1335A× TY3560R、13218A× 20982R和吉杂99、吉杂124等11个品种。其中杂交组合13218A× 20982R的发芽率、发芽势和萌发抗旱指数的相对值显著高于其他品种, 对干旱条件不敏感, 而龙杂11的发芽率、发芽势和萌发抗旱指数的观测值下降幅度最大, 分别为0.33、0.69和0.47, 说明受干旱胁迫的影响较大。L470A× LZ1050R和13218A× 20982R在芽长、根长、芽干重几个指标上的相对值都比较大, 其余大部分品种这3个指标的相对值大多都处于0.65~0.85之间, 说明干旱胁迫使发芽迟缓、根系生长缓慢; 吉杂90、辽杂12和龙杂9号在这3个指标上的相对值都很低, 说明受到干旱胁迫的影响较大, 对干旱环境极为敏感; 大部分高粱品种根干重的相对值都大于1, 可见高粱根生物积累量受到干旱条件的激发反而呈上升趋势。种子萌发过程中的营养转化会使种子的重量逐渐减小, 干旱胁迫会降低营养物质转化的速率, 干物质转运率是一个能够反映种子营养物质转化速率与效率的指标, 白杂11的干物质转运率的相对值最高, 为1.34, 辽杂11的干物质转运率最低, 为0.40。
由表2可知, 大部分萌发性状间的相关性都已达到显著或极显著的水平。相对发芽势与相对萌发抗旱指数的相关系数为0.853, 相对芽长与相对芽干重的相关系数为0.815。相对芽干重和相对干物质转运率之间与相对根干重之间的关系也达到极显著水平, 分别为0.794和0.751。相对发芽率和相对发芽势之间与相对萌发抗旱指数之间的相关性也较高, 分别为0.746和0.732。
表3表明前3个主成分贡献率分别为62.04%、16.07%、9.20%, 累计贡献率达87.31%, 考虑到累计贡献率大于80%的原则, 说明这3个主成分已足以反映该数据的信息, 符合主成分分析的要求。
第I主成分的特征根λ 1= 4.96, 贡献率为62.04%, 在得分函数Y1中第I主成分上X3、X7和X4的系数较大, 说明在第I主成分上有较大的载荷, 反映了相对萌发抗旱指数、相对根干重和相对芽长的综合指标。第II主成分的特征根λ 2= 1.29, 贡献率为16.07%, 在得分函数Y2上X2和X1的系数较大, 分别为0.511和0.403, 说明在第II主成分上发芽率和发芽势具有较高的载荷, 反映了在干旱胁迫下各品种的萌发状况。第III主成分的贡献率为9.20%, 相对根长在第III主成分的载荷较大, 反映了干旱胁迫下根部的生长情况。
根据主成分分析得出2个矩阵(表4和表5), 由此可得出因子得分函数公式。
Y1= 0.157X1+0.131X2+0.178X3+0.173X4+0.112X5
+0.164X6+0.176X7+0.166X8
Y2= 0.403X1+0.511X2+0.261X3-0.200X4-0.253X5-0.339X6-0.105X7-0.239X8
Y3= -0.071X1+0.257X2-0.165X3-0.158X4+1.020 X5-0.355X6+0.102X7+0.240X8
单一的Y1、Y2或Y3并不能对高粱品种的抗旱性作出综合评价, 而由Y1、Y2和Y3可以得到综合因子得分函数, 即Y = 0.71Y1+0.18Y2+0.11Y3。
综合因子得分(Y)的结果能够对不同品种高粱抗旱能力作出综合性评价, Y值越大, 代表着该品种抗旱能力越强。由表6可知, 13218A× 20982R的Y值最大, 说明它在众多品种(组合)中抗旱性最好, 1335A× TY3560R和L407A× LZ1050R分别位居第2和第3, 抗旱能力较高; 锦杂93、辽杂12、龙杂11分别居后3位, 属于干旱敏感品种。
根据表6得出的Y值进行聚类分析, 利用系统分类的组内联接法, 根据欧式距离> 5的标准, 将54个高粱品种分为4大类(图1)。
第I类群只包含13218A× 20982R一个组合, 该组合的抗旱指标大于其他品种(组合), 位于抗旱能力排序的第一位, 是具有高抗旱能力的杂交组合。
第II类群包含吉杂133、晋杂102、川糯粱15、泸糯3号、吉杂305、白杂8号、意大利、HL8、L470A× 1181R、吉杂99、吉杂124、L470A× LZ1050R和1335A× TY3560R这13个品种(组合), 这些品种抗旱指标的相对值都比较大, 说明这些品种在萌发期对干旱胁迫有不敏感的特性, 属于抗旱品种。
第III类群包含苏马克、沈杂5号、特雷利、龙杂9号、赤杂24、敖杂1号、白杂11、吉杂123、晋杂18、川糯粱2号、泸糯12、罗马、丽欧、赤杂28、非洲白、吉杂127、贝利、凯勒、晋杂101、泸糯13、戴尔、泸州红1号、考利共23个品种, 这些品种的一些抗旱指标容易受到干旱条件的影响, 所以属于干旱敏感品种。
第IV类群的品种包括辽杂35、葫梁1号、龙杂12、辽杂21、锦杂105、龙杂13、辽杂10号、锦杂106、辽杂19、辽杂12、锦杂93、锦杂103、四杂29、吉杂90和龙杂11, 这些品种抗旱指标受干旱条件影响较大, 说明对干旱条件非常敏感, 属于高度敏感品种。
植物的抗旱性是一个复杂的综合性状, 在植物生长发育的各个阶段表现出抗旱机制也有所不同。萌发期是作物群体数量建成的关键时期, 作物在萌发期极易受到干旱环境的影响, 所以在萌发期筛选出具有抗旱能力的品种对于干旱地区农业生产具有重要意义[24]。PEG作为一种理想的渗透调节剂, 在栽培基质中可以降低水势且能保持稳定的渗透压, 经常被用来模拟干旱环境进行发芽试验[15]。
近年来对高粱抗旱性的研究多集中于生长和生理特性方面[25, 26, 27], 而对高粱萌发期抗旱性的系统研究并不多见。本研究的试验材料, 涉及全国主要高粱育种单位选育的高粱品种、杂交组合及部分甜高粱品种, 遗传背景较为丰富, 对不同材料的应用具有一定的借鉴作用。虽然试验材料来自不同生产地区, 受遗传背景影响在萌发期的表现可能会存在一定差异, 但本试验以人工气候箱控制相同的培养条件, 应用PEG在一致的低渗透压下(-0.4 MPa)对不同来源高粱品种萌发特性的研究, 减少或避免了由于品种栽培环境差异对观测结果所产生的偏差。同时, 正式试验前还进行了预备试验, 对干旱水平的控制及试验材料的观测均不少于6次重复, 保证了试验结果的可靠性。
本研究发现, 萌发期干旱胁迫下, 除根干重外, 大部分品种(组合)的萌发指标都有不同程度的降低, 说明干旱胁迫对高粱的萌发生长造成了消极的影响。但也有一些品种(组合)对于干旱的敏感度较低, 甚至干旱激发了高粱的某些萌发状态, 表现为相对值大于1, 如吉杂99、吉杂124等品种和组合1335A× TY3560R、13218A× 20982R的萌发指标都大于对照, 这与前人研究的一定程度的干旱可以提高种子发芽率和幼苗活力的观点较为相似[17, 18, 19]。干旱条件下, 作物生长需要更加庞大的根系以便吸收和利用土壤中的水分[28]; 一定程度的干旱胁迫可以促进作物根系的生长, 这是作物在一定程度上适应干旱环境的表现[29, 30], 本试验中大部分高粱品种(组合)根部生物积累量高于对照就证明了此观点。
作物的抗旱性是一个与环境因素密切相关的复杂的数量性状。不同作物萌发期的抗旱性研究都已表明, 种子的发芽率和萌发抗旱指数等指标在鉴定作物抗旱性方面已经得到了广泛的应用, 并能够充分反映作物种子的抗旱能力[29, 31]。但任何单项指标都不能有效、准确地评价其抗旱性。所以, 必须同时观测多个指标, 在综合分析的基础上对试验材料抗旱能力进行有效、准确的评定。陈新等[12]研究表明, 萌发期裸燕麦的种子活力指数与抗旱性关系密切, 可作为其抗旱性鉴定的主要指标。赫福霞等[17]和徐蕊等[22]认为种子萌发抗旱指数可作为鉴定玉米萌发期抗旱性的可靠指标, 发芽势、发芽率等指标与其显著相关。刘桂红等[20]在谷子萌发期的抗旱性研究中发现, 发芽势、发芽率、幼芽长度、侧根数和根长均可作为抗旱鉴定的主要指标; 安永平等[21]研究认为, 干旱胁迫下水稻种子的幼苗成活率和萌发胁迫指数可作为鉴定抗旱性的有效评价指标。前人对不同作物萌发期抗旱性的主要鉴定指标提出了不同的观点, 可见这些指标在不同作物抗旱性鉴定中的作用存在一定差异, 对不同作物抗旱性的鉴定需要不同的指标。本试验中, 通过主成分分析将8个抗旱指标归类成三大成分因子, 相对萌发抗旱指数、相对发芽率和相对根长又分别为各成分因子上最大的载荷, 可以作为高粱品种抗旱性鉴定的主要指标, 基于主成分分析的结果得出每个品种(组合)的因子得分, 对高粱萌发期的抗旱性综合评价。从排序和聚类分析的结果上来看, 与试验过程中的表现(表1)也较为一致, 说明能够对不同高粱品种萌发期的抗旱性作出有效、准确的评定。
作物抗旱性受自身遗传因素和环境条件的影响, 有些品种全生育期的抗旱性是一致的, 有些品种则存在着所处生育时期的差异, 即萌发期抗旱不等于中后期也抗旱, 但对于旱粮作物高粱来说, 萌发期抗旱性是非常重要的, 可以保证出苗率和合理群体的建立。我们对部分试验品种生育中后期的抗旱性进行了鉴定, 发现吉杂305在不同生育时期均属于抗旱性较高的品种, 而辽杂35、吉杂127、锦杂103在不同生育时期均属于抗旱性较弱的品种, 同时发现锦杂106生育后期的抗旱能力高于萌发期。本试验仅研究了对不同高粱品种(组合)萌发期的抗旱性, 而对不同干旱胁迫水平以及不同生育时期部分材料抗旱性的差异仍有待从形态、生理和分子水平深入研究。
54个高粱品种(组合)按照抗旱能力的强弱分为4大类, 13218A× 20982R是一个抗旱性极强的杂交组合, 吉杂133等13个品种(组合)为抗旱品种(组合), 苏马克等23个品种为干旱敏感品种, 辽杂35等17个品种为干旱高敏感型品种。高粱品种的萌发抗旱指数、发芽率和根长等指标可用作抗旱性鉴定的筛选依据。
The authors have declared that no competing interests exist.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|
[30] |
|
[31] |
|