薏苡种质资源成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选
[汪灿1, 2, * 
, 周棱波1, 2, * , 张国兵1, 2 , 张立异1 , 徐燕1 , 高旭1 , 姜讷1 , 邵明波1, 2, * ]
, 周棱波, 张国兵]
引用本文
汪灿, 周棱波, 张国兵, 张立异, 徐燕, 高旭, 姜讷, 邵明波. 薏苡种质资源成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选. 作物学报, 2017, 43(9): 1381-1394
WANG Can, ZHOU Ling-Bo, ZHANG Guo-Bing, ZHANG Li-Yi, XU Yan, GAO Xu, JIANG Ne, SHAO Ming-Bo. Identification and Indices Screening of Drought Resistance at Adult Plant Stage in Job’s Tears Germplasm Resources. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2017, 43(9): 1381-1394
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WANG Can, ZHOU Ling-Bo, ZHANG Guo-Bing, ZHANG Li-Yi, XU Yan, GAO Xu, JIANG Ne, SHAO Ming-Bo. Identification and Indices Screening of Drought Resistance at Adult Plant Stage in Job’s Tears Germplasm Resources. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2017, 43(9): 1381-1394
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作物学报编辑部
薏苡种质资源成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选
**同等贡献(Contributed equally to the work)
第一作者联系方式: 汪灿, E-mail:wangc.1989@163.com; 周棱波, E-mail:81977709@qq.com
摘要
以50份薏苡种质为材料, 设置正常灌水和干旱胁迫2个处理, 测定株高、茎粗、分枝数、主茎节数、分蘖数、单株粒数、单株粒重、千粒重和产量, 采用抗旱性度量值(D值)、综合抗旱系数(CDC值)、加权抗旱系数(WDC)、相关分析、频次分析、主成分分析、灰色关联度分析、隶属函数分析、聚类分析和逐步回归分析相结合的方法, 对其进行成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选。结果表明, 各指标对干旱胁迫的反应及关联程度各异。6个公因子可代表薏苡抗旱性90.80%的原始数据信息量。基于D值、CDC值和WDC值的供试薏苡种质抗旱性排序相近。供试薏苡种质产量抗旱系数(Y值)与D值、CDC值和WDC值均呈极显著正相关。筛选出成株期抗旱性强的薏苡种质有yy18-1、yy03-8和粱丰薏14-2。分蘖数、单株粒重和千粒重可作为薏苡种质资源成株期抗旱性评价的直观指标。
关键词:
薏苡; 成株期; 抗旱性; 抗旱指标; 综合评价
Identification and Indices Screening of Drought Resistance at Adult Plant Stage in Job’s Tears Germplasm Resources
WANG Can1, 2, * , ZHOU Ling-Bo1, 2, * , ZHANG Guo-Bing1, 2 , ZHANG Li-Yi1 , XU Yan1 , GAO Xu1 , JIANG Ne1 , SHAO Ming-Bo1, 2, *
, ZHOU Ling-Bo, ZHANG Guo-Bing
Abstract
Drought is one of the major problems for Job’s tears production. The plant height, culm diameter, branch number, culm node number, tiller number, grain number per plant, grain weight per plant, 1000-grain weight, and yield of 50 accessions of Job’s tears germplasm were measured in normal irrigation and drought stress treatments. Drought resistance comprehensive evaluation value (D value), comprehensive drought resistance coefficient (CDC value), and weight drought resistance coefficient (WDC value) were used in correlation analysis, frequency analysis, principal component analysis, grey relational analysis, subordinate function analysis, clustering analysis, and stepwise regression analysis to identify and screen drought resistance indices at adult plant stage of tested Job’s tears germplasm. There were differences in response to drought stress and correlations between all indices. Six common factors could represent 90.80% of the original information of Job’s tears drought resistance data. The ranks of drought resistance of tested Job’s tears germplasm based on D value, CDC value, and WDC value were similar. The yield drought resistance coefficient (Y value) of tested Job’s tears germplasm had significant and positive correlation with D value, CDC value, and WDC value. Liangfengyi 14-2, yy03-8, and yy18-1 were identified as drought resistant Job’s tears germplasm at adult plant stage. Tiller number, grain weight per plant, and 1000-grain weight could be used as the intuitive identification indices for drought resistance in Job’s tears germplasm resources at adult plant stage.
Keyword:
Job’s tears; Adult plant stage; Drought resistance; Drought resistance indices; Comprehensive evaluation
薏苡(Coxi lacryma-jobi L.)是禾本科(Gramineae)薏苡属(Coix)一年生草本植物, 是传统药食兼用经济作物, 因其具有极高的营养价值和重要的药用价值, 越来越受到人们的喜爱[1, 2]。薏苡主要食用和药用部位为种仁, 是一种高蛋白质、中脂肪、中糖的绿色食品, 具有健脾利湿、除脾止泻、清热解毒等功效, 其营养堪称“ 禾本科植物之王” [3, 4]。我国是薏苡的生产大国, 主产区集中在西南和华南地区, 其中以贵州省兴仁县种植面积最大, 是全国乃至东南亚地区的薏苡加工销售集散地[5, 6]。随着全球气候的变暖和生态平衡的破坏, 干旱已成为我国乃至世界广大粮食产区农业生产长期面临的主要制约因素[7]。在我国的大多数薏苡产区, 虽然雨量充沛, 但雨量不均, 土壤保水能力较差, 具不同程度春旱和伏旱的威胁, 干旱已成为制约薏苡生产的主要限制条件[8]。因此, 对薏苡种质资源进行成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选, 对薏苡抗旱育种、抗旱资源利用及品种的生产应用与合理布局具有重要意义。作物抗旱性属于复杂的数量性状, 由多基因遗传控制, 受环境条件影响较大[9]。作物抗旱性鉴定及抗旱指标筛选需要将形态、生理、产量等指标相结合, 对各个时期进行综合评价[10]。因此, 简单有效的鉴定指标及其评价方法的合理选择是作物抗旱性鉴定的关键[11, 12]。长期以来, 国内外学者在作物抗旱性方面开展了大量研究工作, 提出了多种抗旱性鉴定方法和评价指标[13, 14, 15, 16]。近年来, 随着作物抗旱性研究的发展, 采用相关分析、频次分析、主成分分析、隶属函数分析、聚类分析、灰色关联度分析和逐步回归分析等相结合的方法综合评价, 可以避免单一指标的片面性和不稳定性, 已在绿豆[17, 18, 19]、大豆[20, 21]、胡麻[22, 23, 24]、谷子[25, 26]、高粱[27, 28]、油菜[29, 30]、棉花[31]等作物抗旱性鉴定及抗旱指标筛选上被广泛应用。目前, 关于薏苡种质资源抗旱性鉴定及抗旱指标筛选的研究鲜见报道, 仅有陈宁和钱晓刚[8]对9份薏苡种质萌发期抗旱性能的初步探索。为此, 本研究在旱棚条件下研究了50份薏苡种质的株高、茎粗、分枝数、主茎节数、分蘖数、单株粒数、单株粒重、千粒重和产量的变化, 以期为薏苡抗旱育种、抗旱机制及干旱调控缓解机制的研究提供基础材料与评价指标。
1 材料与方法
1.1 供试材料
薏苡种质50份, 包括野生种3份、国审品种2份、黔薏苡1号选系3份、黔薏苡2号选系3份、云南地方品种3份、广西地方品种5份、四川地方品种3份、盘县地方品种10份、晴隆地方品种5份、兴仁地方品种5份、正安地方品种4份、安龙地方品种4份(表1)。
1.2 试验设计
2015— 2016连续2年在贵州省旱粮研究所旱棚内进行田间试验。试验地土壤为黄壤土, 含有机质27.93 g kg-1、全氮1.45 g kg-1、全磷1.01 g kg-1、全钾14.23 g kg-1、碱解氮93.1 mg kg-1、有效磷31.33 mg kg-1、速效钾656.67 mg kg-1, pH 7.6。
设正常灌水(CK)和干旱胁迫(T) 2个处理, 3次重复, 对各处理供试材料采用随机区组排列, 小区面积10 m2 (2.5 m × 4.0 m), 行距50 cm, 穴距20 cm, 每穴留苗2株, 种植5行, 小区之间留一空行, 区组间隔60 cm, 播种行与区组走向垂直, 试验地四周播种3行保护行, 分别于2015年4月15日和2016年4月12日人工直播。播种前施总养分≥ 45%的高效复合肥(含N 14%、P2O5 16%、K2O 15%) 300 kg hm-2作为种肥。小区之间埋40 cm深的透明塑料薄膜防水。干旱胁迫处理分别于播种前和苗期灌水至田间持水量的80.0% (16.5%绝对含水量), 之后不再灌水, 使其充分受旱。对照处理按当地大田生产管理, 分别于播种前、苗期、孕穗期、抽穗期和灌浆期灌水至田间持水量的80.0% (16.5%绝对含水量), 以满足正常生长发育的水分需求。
1.3 测定项目与方法
于成熟期收获前3 d, 从每小区随机选择10株植株, 量取主茎自地面至植株顶端总苞的距离, 即为株高(plant height, PH); 用游标卡尺量取主茎中部最长节间中部的直径(不包括叶鞘), 即为茎粗(culm diameter, CD); 调查植株地上部节位叶芽萌生的能够结实的一级分枝数目, 即为分枝数(branch number, BN); 调查主茎具有的可见实际节数, 即为主茎节数(culm node number, CNN); 调查单株一级分蘖总数(包括有效分蘖和无效分蘖), 即为分蘖数(tiller number, TN)。人工脱粒后调查单株粒数(grain number per plant, GNPP), 待自然充分干燥后测定单株粒重(grain weight per plant, GWPP)、千粒重(1000-grain weight, TGW)和产量(yield, Y)。
1.4 数据处理与分析
用Microsoft Excel 2013整理数据, 用SPSS 19统计分析。以2015和2016两年的平均值作为基础数据, 参照兰巨生[32]、尹利等[33]、祁旭升等[22]、张彦军等[23]、罗俊杰等[24]的方法, 采用配对处理t检验对各指标测定值进行平均数差异显著性检测。按公式(1)和(2)分别计算单项抗旱系数(drought resistance coefficient, DC)和综合抗旱系数(comprehensive drought resistance coefficient, CDC)。式中xi和CKi分别表示干旱胁迫和正常灌水处理的指标测定值。
$DC=\frac{{{x}_{i}}}{\text{C}{{\text{K}}_{i}}}$ (1)
$CDC=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}{DC}$ (2)
针对各指标DC值, 进行简单相关分析、连续变数次数分布统计分析和主成分分析。按公式(3)、(4)和(5)分别计算因子权重系数(ω i)、各基因型各综合指标的隶属函数值[μ (xi)]和抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation value, D)。式中Pi为第i个综合指标贡献率, 表示第i个指标在所有指标中的重要程度, xi、ximax和ximin分别表示第i个综合指标及第i个综合指标的最大值和最小值。
${{\omega }_{i}}={{P}_{i}}\div \sum\limits_{i=1}^{n}{{{P}_{i}}}$ (3)
$\mu ({{x}_{i}})=\frac{{{x}_{i}}-{{x}_{imin}}}{{{x}_{imax}}-{{x}_{imin}}}$ (4)
$D=\sum\limits_{i=1}^{n}{\left[ \mu ({{x}_{i}})\times \left( {{P}_{i}}\div \sum\limits_{i=1}^{n}{{{P}_{i}}} \right) \right]}$ (5)
以各指标DC值为比较序列, D值为参考序列进行灰色关联度分析, 获得各指标DC值与D值间的关联度(γ D), 按公式(6)和(7)分别计算各指标权重系数[ω i(γ )]和加权抗旱系数(weight drought resistance coefficient, WDC)。式中γ i为各指标关联度。
${{\omega }_{i(\gamma )}}={{\gamma }_{i}}\div \sum\limits_{i=1}^{n}{{{\gamma }_{i}}}$ (6)
$WDC=\sum\limits_{i=1}^{n}{\left[ DC\times \left( {{\gamma }_{i}}\div \sum\limits_{i=1}^{n}{{{\gamma }_{i}}} \right) \right]}$ (7)
以各指标DC值为比较序列, WDC值为参考序列进行灰色关联度分析, 获得各指标DC值与WDC值间的关联度(γ WDC)。最后针对供试薏苡种质D值, 采用欧氏距离和加权配对算术平均法(weighted pair group method average, WPGMA)进行聚类分析, 划分抗旱级别, 并分别以D值、CDC值和WDC值为参考序列, 对各指标DC值进行逐步回归分析, 求取回归方程。
2 结果与分析
2.1 供试种质的代表性及其指标测定值分析
干旱胁迫对供试种质各指标测定值均有显著影响, 处理间和种质间的差异均达显著水平(表2)。种质间变异系数介于0.071~0.478之间, 说明本试验所选薏苡种质类型丰富, 所选指标对干旱胁迫反应较敏感, 干旱胁迫处理效果好, 具有较好的代表性。此外, 供试种质各指标在干旱胁迫和正常灌水处理下测定值的相关系数介于0.174~0.848之间, 进一步说明各指标对干旱胁迫反应的敏感性存在差异, 采用各指标测定值难以直接考察其抗旱性。
 | 表2 干旱胁迫和正常灌水条件下供试薏苡种质各指标测定值及其均值差异性分析 Table 2 Measured values of all indices in tested Job’ s tears germplasm under drought stress and normal irrigation and its mean variance analysis |
2.2 单项指标分析
与正常灌水处理相比, 供试种质在干旱胁迫处理后, 各指标均发生不同程度变化(表3)。同一指标各种质的DC值差异明显, 变异系数介于0.216~ 0.372之间, 但不同种质间DC值所反映的抗旱性不同, 且同一种质各指标的DC值存在较大差异, 说明各指标对干旱胁迫反应的敏感性各异。
| 表3 供试薏苡种质各指标的抗旱系数 Table 3 Drought resistance coefficients of all indices in tested Job’ s tears germplasm |
相关分析表明(表4), 各指标都至少与一个其他指标呈显著或极显著相关。其中, 产量与主茎节数、分蘖数、单株粒数、单株粒重和千粒重呈极显著正相关, 与茎粗呈显著正相关, 与株高和分枝数不相关。此外, 同一区间各指标DC值分布次数和频率相差较大(表5)。DC > 0.6的株高、茎粗、分枝数、主茎节数、分蘖数、单株粒数、单株粒重、千粒重和产量的分布频率分别为62%、62%、72%、70%、60%、66%、48%、44%和72%, 各指标对干旱胁迫的敏感性由强至弱依次为千粒重、单株粒重、分蘖数、茎粗、株高、单株粒数、主茎节数、产量和分枝数。因此, 直接采用这些指标会由于指标间信息重叠, 很难客观、准确地评价各种质的抗旱性, 从而影响抗旱鉴定结果。
| 表4 供试薏苡种质各指标抗旱系数的相关性 Table 4 Correlation coefficients between drought resistance coefficients of all indices in tested Job’ s tears germplasm |
| 表5 供试薏苡种质各指标抗旱系数在不同区间的分布 Table 5 Distributions in different DC intervals for drought resistance coefficients of all indices in tested Job’ s tears germplasm |
2.3 主成分分析
各因子特征值中前6个因子的累计贡献率达90.80%, 其特征根λ > 0.530 (表6)。因此, 抽取前6个因子, 将具有相同本质的变量归为一类, 可将原来各单项指标转换成6个新的相互独立的综合指标(分别用F1、F2、F3、F4、F5和F6表示)。F1在单株粒数上有较高载荷量, F2在分枝数、分蘖数和产量上有较高载荷量, F3在株高和单株粒重上有较高载荷量, F4在千粒重上有较高载荷量, F5在茎粗上有较高载荷量, F6在主茎节数上有较高载荷量。
| 表6 供试薏苡种质各指标主成分的特征向量及贡献率 Table 6 Eigenvectors and contribution rates of principal components of all indices in tested Job’ s tears germplasm |
2.4 供试种质抗旱性的综合评价
供试种质CDC值和WDC值分别介于0.246~0.957之间和0.244~0.956之间, 平均值分别为0.644和0.640, 变异系数分别为0.179和0.182, 根据CDC值和WDC值的大小对供试种质进行抗旱性排序, 其结果基本相同(表7)。其中, 抗旱性强的种质有yy18-1、yy03-8和粱丰薏14-2, 抗旱性弱的种质有yy19-8和yy12-7, 其余种质介于两者之间。
| 表7 供试薏苡种质抗旱性评价的CDC值、WDC值及D值 Table 7 CDC value, WDC value, and D value of drought resistance evaluation in tested Job’ s tears germplasm |
供试种质D值介于0.304~0.804之间, 平均值为0.562, 变异系数为0.178, 根据D值的大小对供试种质进行抗旱性排序, 其抗旱性强的种质有yy18-1、yy03-8和粱丰薏14-2, 抗旱性弱的种质有yy19-8和yy12-7, 其余种质介于两者之间(表7)。这与基于CDC值和WDC值的供试种质抗旱性评价结果基本吻合。
2.5 灰色关联度分析
各指标DC值与D值间的关联度大小依次为千粒重、单株粒重、单株粒数、分蘖数、茎粗、株高、分枝数、主茎节数和产量(表8)。说明各指标DC值与D值的密切程度依次为千粒重、单株粒重、单株粒数、分蘖数、茎粗、株高、分枝数、主茎节数和产量。这与各指标对干旱胁迫反应的敏感性基本吻合。
| 表8 供试薏苡种质各指标DC值与D值和WDC值的关联度及各指标权重 Table 8 Correlation degree between DC value of all indices and D value together with WDC value and indices weight in tested Job’ s tears germplasm |
各指标DC值与WDC值间的关联度大小依次为千粒重、单株粒数、单株粒重、茎粗、分蘖数、分枝数、株高、主茎节数和产量(表8)。说明各指标DC值与WDC值的密切程度依次为千粒重、单株粒数、单株粒重、茎粗、分蘖数、分枝数、株高、主茎节数和产量。这与各指标DC值与D值的密切程度基本吻合。
2.6 聚类分析及抗旱级别的划分
在λ = 10处将50份供试种质分为5类(图1)。其中第I类为高度抗旱型种质, 有yy18-1、yy03-8和粱丰薏14-2共3份, 占总数的6%; 第II类为抗旱型种质, 共20份, 占总数的40%; 第III类为中等抗旱型种质, 共19份, 占总数的38%; 第IV类为敏感型种质, 共6份, 占总数的12%; 第V类为高度敏感型种质, 有yy19-8和yy12-7共2份, 占总数的4%。
 | 图1 基于D值的供试薏苡种质抗旱性系统聚类图I、II、III、IV、V表示不同抗旱级别。代码同表1。Fig. 1 Fuzzy clustering dendrogram of drought resistance in tested Job’ s tears germplasm based on D valueI, II, III, IV, and V represent different drought resistance levels. Codes correspond with those given in Table 1. |
根据供试种质的抗旱性聚类分析及抗旱级别划分结果, 对供试种质抗旱性评价指标进行分级统计, 结果表明(表9), 除分枝数和主茎节数外, 其余指标的隶属函数值、CDC值、D值和WDC值均随抗旱级别的升高而增大。此外, CDC值、D值和WDC值在不同抗旱级别上的差异较大, 可为其他薏苡种质抗旱级别的划分提供依据。
| 表9 供试薏苡种质抗旱性评价指标的分级 Table 9 Classification of drought resistance evaluation indices in tested Job’ s tears germplasm |
3 讨论
3.1 薏苡种质资源成株期抗旱性评价方法的选择
作物抗旱性的综合评价需要选择适宜的评价指标, 多指标多方法相结合的综合评价比较可靠[34, 35, 36, 37]。对于作物抗旱性评价的方法, 大多数采用等权重的评价方法, 却忽视了各项指标的不同重要程度。本研究采用D值、CDC值和WDC值等综合评价指标, 结合单项指标抗旱系数、相关分析、频次分析、主成分分析、灰色关联度分析、隶属函数分析、聚类分析及逐步回归分析, 对薏苡种质资源成株期的抗旱性综合评价值作出评判, 消除因各指标单位不同带来的差异, 同时结合指标变异系数来确定每一个指标在抗旱性评价体系中的权重, 对与抗旱性相关密切的指标分配较高的比重, 以D值为评价指标的评价方法, 既考虑了各指标的重要性, 又考虑到各指标间的相互关系, 评价结果客观、可靠。
3.2 薏苡种质资源成株期抗旱性的鉴定
作物抗旱性鉴定的最终结果是要划分供试种质的抗旱等级, 以此来判定其抗旱能力[29]。目前, 关于薏苡种质资源成株期抗旱性鉴定的研究还未见报道。在本研究中, 针对D值, 将供试薏苡种质划分为高度抗旱型种质、抗旱型种质、中等抗旱型种质、敏感型种质和高度敏感型种质5类, 这与赵美令[38]在玉米上的研究结果基本一致。此外, 在本研究中, 鉴定出抗旱性强的种质有yy18-1、yy03-8和粱丰薏14-2, 抗旱性弱的种质有yy19-8和yy12-7, 其余种质介于两者之间。这些成株期抗旱性强的薏苡种质可为薏苡抗旱育种、抗旱机理及干旱调控缓解机制的研究提供基础材料。
3.3 薏苡种质资源成株期抗旱指标的筛选
作物的抗旱性是复杂的数量性状, 是众多因素、多种机制共同作用的结果, 最终通过各种指标在不同生育时期的一系列变化表现出来[29]。因此, 指标的合理选择是作物抗旱性鉴定的关键。目前, 国内外学者在作物成株期抗旱指标筛选方面开展了大量研究工作, 并针对不同的作物筛选出了不同的抗旱指标[19, 21, 22, 24, 25]。本研究中, 由于各指标受干旱胁迫影响的程度不同, 且各指标间存在一定程度的相关性。因此, 直接利用这些指标很难客观、准确地评价各种质的抗旱性, 从而影响抗旱性鉴定结果。各指标与D值的密切程度与各指标对干旱胁迫反应的敏感性及各指标与WDC值的密切程度基本吻合。通过逐步回归分析, 得到与D值密切相关的指标有分蘖数、单株粒重和千粒重, 且产量与分蘖数、单株粒重和千粒重呈极显著正相关。因此, 分蘖数、单株粒重和千粒重可作为薏苡种质资源成株期简单、直观的抗旱性评价指标。
4 结论
干旱胁迫对薏苡种质资源成株期各指标均有极显著影响。筛选出成株期抗旱性强的薏苡种质分别为yy18-1、yy03-8和粱丰薏14-2, 可为薏苡抗旱育种、抗旱机理及干旱调控缓解机制的研究提供基础材料。分蘖数、单株粒重和千粒重可作为薏苡种质资源成株期简单、直观的抗旱性评价指标。
The authors have declared that no competing interests exist.
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