60份小麦品种（系）萌发期抗旱性鉴定与综合评价

Identification and Comprehensive Evaluation of Drought Resistance of 60 Wheat Varieties（Lines） at Germination Stage

摘要

为探究小麦萌发期对干旱胁迫的响应，采用20% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，对60份小麦种质资源进行抗旱性鉴定，测定发芽率、发芽势、发芽指数和抗旱系数等指标。结果表明，干旱胁迫下，不同种质资源的发芽势和发芽率显著降低，平均降幅分别为42.59%和35.84%；不同种质资源的根长、芽长也显著降低，且不同品种间存在显著差异。通过主成分分析和综合评价值法，对不同种质资源的抗旱性进行综合评价，确定3个独立主成分作为抗旱性评价的综合指标，其累计贡献率达78.026%。基于综合评价值可知，60份小麦种质资源被划分为4个抗旱等级，其中，23份小麦种质资源被鉴定为高耐旱性品种。综上所述，该研究系统鉴定了不同小麦种质资源萌发期的抗旱性，并筛选出抗旱性强的小麦新品系。

Abstract

To explore the response of wheat to drought stress at the germination stage, in this study, 20% of PEG-6000 solution was utilized to simulate drought stress and the drought resistance of 60 wheat germplasm resources was identified. The indicators including germination percentage, germination vigor, germination index, and drought resistance coefficient were measured. The results indicated that drought stress significantly decreased the germination vigor and germination percentage of different germplasm resources(with average reductions of 42.59% and 35.84%, respectively), and also suppressed root length and bud length, with significant differences observed among different varieties. Principal component analysis and comprehensive evaluation value method were employed to conduct a comprehensive evaluation of the drought resistance of different germplasm resources, identifying three independent principal components as the comprehensive indicators for drought resistance evaluation, which accounted for a cumulative contribution rate of 78.026%. Based on the comprehensive evaluation values, the 60 materials were categorized into four drought tolerance levels, with 23 materials identified as highly drought-tolerant varieties. In conclusion, the drought resistance of different wheat germplasm resources at the germination stage was systematically evaluated in this study, and new wheat lines with strong drought resistance were selected．

Graphical abstract

关键词

小麦 / 萌发期 / 干旱胁迫 / 抗旱性 / 主成分分析

Key words

wheat / germination stage / drought stress / drought resistance / principal component analysis

全球气候变化加重了非生物胁迫对作物产量的影响。小麦（Triticum aestivum L.）作为全球粮食安全的主要作物，其生产受到干旱的严重影响^[1-2]。干旱不仅限制了小麦的地理分布，还严重影响了其产量和品质^[3-5]。因此，鉴定和评价小麦种质资源的抗旱性，培育抗旱性强的小麦品种对于小麦产业至关重要^[6-9]。

种子萌发期对于水分缺乏非常敏感，是评估作物抗旱能力的关键阶段。种子萌发过程中，生理机制主要包括维持相对含水量、有效的根部发育以及管理氧化应激的能力^[10-11]。通过聚乙二醇（PEG）模拟萌发期干旱胁迫已经在谷子^[12]、大麦^[13]、绿豆^[14]、水稻^[15]等作物广泛使用。MOHAMED等^[16]对41份不同基因型春小麦进行萌发期干旱胁迫后，发现所有性状与对照组均存在显著差异。GHAFFAR等^[17]从生理、生化、光合作用等方面综合解析了40个小麦品种的抗旱差异性适应机制。在抗旱性评价指标方面，马越等^[18]综合分析多个抗旱相关指标，基于隶属函数法结合聚类分析，综合评价了92份番茄种质资源的抗旱性，将种质资源分为抗旱、较抗旱、较敏感和敏感4类。赵少迪等^[19]采用梯度浓度PEG-6000法，利用相对发芽势、相对发芽率和相对萌发指数作为抗旱的关键指标，将110份苦荞种质划分为5个亚群。在评价方法方面，主成分分析和综合评价值法可以有效整合多维度数据，实现种质资源分级。张宇君等^[20]使用主成分分析法降维7个评价指标，构建出不同燕麦品种萌发期抗旱性评价体系。李静静等^[21]结合主成分分析和综合评价值法，评价了20个小麦品种的抗旱性。王永刚等^[22]采用主成分分析法鉴定出10个强抗旱性小麦品种，并发现8个抗旱相关指标中，芽鲜质量和芽长受到干旱胁迫的显著影响。张军等^[23]通过测定不同生育期8个强筋小麦品种的指标，结合综合抗旱能力评价值（D值），评价了萌发期抗旱性。

本研究利用20% PEG-6000模拟干旱胁迫，对60份小麦种质资源萌发期进行了抗旱性综合评价，测定了发芽势、发芽率、发芽指数和抗旱系数等10个指标，采用主成分分析和综合评价值法对小麦萌发期的抗旱性进行了综合评价，旨在全面评价小麦种质资源的抗旱性，进而鉴定不同品种的抗旱能力，为选育抗旱品种提供参考，并为干旱胁迫下的播种策略优化提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选取大小一致且籽粒饱满、无损伤的小麦种子用于萌发期抗旱性鉴定试验，所有材料均由河北省农林科学院旱作农业研究所提供（表1）。

1.2 试验设计

采用20% PEG-6000溶液模拟干旱条件，无菌水处理为对照组，每个处理设置3次重复。将种子在不同处理液中浸泡4 h，无菌水冲洗2~3次，1%次氯酸钠溶液浸泡20 min，无菌水冲洗3次，点播于含有不同处理液且垫有双层滤纸的培养皿中，每个培养皿中均匀放置25粒，将培养皿置于组培间中培养8 d，培养条件为14 h光照/8 h黑暗，昼夜温度为26 ℃/21 ℃。以胚芽长度超过种子长度的1/3或胚根超过种子长度的1/2为发芽标准，统计8 d发芽数。萌发8 d后，对每个处理每个品种每个重复随机取5株幼苗测量根长和芽长，取9株测定芽鲜质量与根鲜质量，80 ℃烘箱内烘干后测定芽干质量与根干质量，计算抗旱指标。

1.3 测定指标及方法

发芽势（GP）=第4天发芽种子数/供试种子数×100%（1）

发芽率（GR）=第8天发芽种子数/供试种子数×100%（2）

发芽指数（GI）=∑Gt/Dt（3）

式中，Gt表示第t天的发芽数，Dt表示对应的发芽天数。

种子萌发指数=1.00×（nd 2）+0.75×（nd 4）+0.50×（nd 6）+0.25×（nd 8）（4）

式中，nd 2、nd 4、nd 6、nd 8分别为第2、4、6、8天的种子萌发率。

U\left(X_j\right)=\frac{X_j-X_{min}}{X_{max}-X_{min}}(j=\mathrm{1,2},\cdots ,n)（5）

式中，U（X_j ）表示第j个综合指标的隶属函数值，X_j 为第j个综合指标值，X_max、X_min分别为第j个综合指标的最大值、最小值。

W_j=\frac{P_j}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}{P}_j}(j=\mathrm{1,2},\cdots ,n)（6）

式中，W_j 表示第j个综合指标权重，P_j 为第j个综合指标的贡献率。

\mathrm{D}={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}[U(X_j)\bullet W_j],j=\mathrm{1,2},\cdots ,n（7）

式中，D为小麦种质抗旱能力综合评价值。鉴定的相对指标值=胁迫组指标值/对照组指标值。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2019对试验数据进行处理，用SPSS 19.0软件进行相关性分析和主成分分析，用Origin绘制聚类图。

2 结果与分析

2.1 萌发期小麦抗旱相关指标分析

采用20% PEG-6000模拟干旱胁迫法，对60份小麦种质资源进行了萌发期抗旱性筛选与鉴定，结果表明（表2），干旱胁迫条件下，不同小麦种质资源所有测定指标都受到不同程度的抑制，芽鲜质量和芽长受干旱胁迫影响最大，平均值分别降低了83.37%和79.65%。发芽势、发芽率、发芽指数、根长、根鲜质量、芽干质量和根干质量分别降低了42.59%、35.84%、56.27%、47.32%、70.00%、71.10%和36.40%。与对照组相比，干旱胁迫后所有指标的变异系数均增大，变异系数增幅最大的是芽鲜质量。

2.2 小麦萌发期抗旱系数相关性

干旱胁迫下，不同小麦种质资源的相对发芽势与相对发芽率、相对发芽指数和萌发耐旱指数均呈现极显著正相关（P<0.01），与相对芽长、相对芽干质量和相对根干质量均呈显著正相关（P<0.05）；相对发芽率与相对发芽指数、相对芽长、相对芽干质量、相对根干质量和萌发耐旱指数均呈极显著正相关（P<0.01），与相对根长和相对根鲜质量呈现显著正相关（P<0.05）；相对发芽指数与相对芽长、相对芽干质量、相对根干质量和萌发耐旱指数均呈极显著正相关（P<0.01），与相对根鲜质量呈现显著正相关（P<0.05）；相对根长与相对芽长、相对芽干质量和相对根干质量均呈极显著正相关（P<0.01）；相对芽长与相对芽干质量、相对根干质量和萌发耐旱指数均呈极显著正相关（P<0.01）；相对芽干质量与相对根干质量和萌发耐旱指数均呈极显著正相关（P<0.01）。值得注意的是，萌发耐旱指数与相对发芽势、相对发芽指数、相对芽长、相对芽干质量、相对根鲜质量均呈极显著正相关，这些指标提供的抗旱信息之间存在交叉重叠现象，不能直接用于评价种质资源的抗旱性。

2.3 小麦种质资源萌发期抗旱性主成分分析

对小麦种质资源的10个抗旱性相关指标进行主成分分析，以特征值大于1，累计贡献率大于70%为阈值选择主成分（表4），确定3个独立的主成分作为评价耐旱性的综合指标，第1主成分、第2主成分和第3主成分特征值分别为4.803、1.819和1.095，累计贡献率达到了77.169%。

为判断每个主成分中的关键抗旱指标，生成了成分得分系数矩阵（表5）。其中，第1主成分中相对发芽势，萌发耐旱指数，相对发芽指数和相对发芽率贡献率最大；第2主成分中相对根长、相对芽长、相对芽干质量和相对根干质量贡献率最大；第3主成分中相对芽鲜质量和相对根鲜质量贡献率最大。综上所述，本研究选定的发芽势、发芽率、发芽指数、根长、芽长、芽鲜质量、根鲜质量、芽干质量、根干质量和萌发耐旱指数可以作为评价小麦萌发期抗旱性的评价指标。

2.4 小麦种质资源抗旱性综合评价

计算不同种质资源的隶属函数值（表6），衡麦38在U（1）中的隶属函数值最大，数值为1，表明衡麦38在综合指标1中的抗旱性最强，衡麦T203239在U（1）中隶属函数值最小，数值为0，表明衡麦T203239在综合指标1中的抗旱性最弱；衡麦Y194194在U（2）中的隶属函数值最大，数值为1，表明衡麦Y194194在综合指标2中的抗旱性最强，衡麦38在U（2）中隶属函数值最小，数值为0，表明衡麦38在综合指标2中的抗旱性最弱；衡麦T203239在U（3）中的隶属函数值最大，数值为1.278，表明衡麦T203239在综合指标3中的抗旱性最强，衡麦Z215351在U（3）中隶属函数值最小，数值为0，表明衡麦Z215351在综合指标3中的抗旱性最弱。

表6 不同小麦种质资源隶属函数值、D值及抗旱性排序

Tab.6 Membership function values，D values，and drought resistance rankings of different wheat germplasm resources

续表6 不同小麦种质资源隶属函数值、D值及抗旱性排序

从表4可以看出，第1个综合指标的贡献率为36.841%，第2个综合指标的贡献率为28.374%，第3个综合指标的贡献率为11.953%，根据各综合指标贡献率大小，计算出3个综合指标的权重分别为0.477、0.368和0.155。用综合指标评价计算不同品种小麦在干旱胁迫下的耐旱度量值（D值），并根据D值对小麦的抗旱性进行排序，其中，衡T226390的D值最大，为0.633，说明衡T226390的抗旱性在所有测试品种中最强；衡L214332的D值最小，为0.146，说明衡L214332的抗旱性在所有测试品种中最弱。

2.5 小麦种质资源耐旱性聚类分析

利用不同品种小麦综合性评价指标D值进行系统聚类分析，结果如图1所示。

60份小麦种质资源抗旱性分为较耐旱、耐旱、敏感和高敏4个级别，其中较耐旱品种23个，耐旱品种23个，敏感品种11个，高敏品种3个。较耐旱品种包括衡麦H20观128、衡麦L226195、衡麦Z225136、衡麦H224233、衡麦28、衡麦T215157、衡麦T204002、衡麦Y204169、衡麦39、衡麦164435、衡麦Z1033、衡麦L215132、衡麦Z227029、衡麦L214286、衡麦H226046、衡观35、衡麦32、衡麦Y194194、衡麦Z226157、衡麦T224294、晋麦47、衡麦S29和衡麦T226390；耐旱品种包括衡麦Z225088、衡麦Z204184、济麦22、衡麦T225507、衡麦H215025、师栾02-1、衡麦H224006、衡麦Z226133、衡麦T215114、衡麦Z215320、衡麦Z224012、衡麦36、衡麦29、衡麦38、衡麦33、衡麦J215603、衡麦Z204195、石麦22、衡麦H204017、衡麦T224172、中麦175、洛旱7号和衡麦T225398；敏感品种包括衡麦Z215220、衡麦T203239、衡麦L226149、衡麦T193209、衡麦L215121、衡麦Z215351、衡麦H20观37、衡麦Y204169、衡麦T215649、衡麦H194008和衡麦L215105；高敏感品种包括衡麦T215603、衡麦L214332和衡麦T215419。

3 结论与讨论

干旱胁迫严重影响小麦产量，选育耐旱性强的小麦新种质资源对于小麦产业和粮食安全至关重要。本研究对60份小麦种质资源进行了萌发期抗旱性鉴定与评价，研究发现发芽率、发芽势、萌发耐旱指数等指标与种质资源的耐旱性密切相关。研究发现，小麦萌发显著受到干旱胁迫的影响，王永刚等^[22]鉴定到萌发期小麦受影响最大的2个指标是芽鲜质量与芽长，干旱胁迫后与对照相比分别下降了65.56%和62.30%。本研究也观察到芽鲜质量与芽长受到的影响在所有观测指标中最为显著，分别下降了83.37%和79.65%。这一结果与前人的研究结果一致，表明这2个指标是评估小麦抗旱性的关键指标。此外，发芽势、发芽率、发芽指数等关键指标的显著下降，也进一步证实了干旱胁迫对小麦萌发的负面影响。

干旱胁迫后，所有抗旱相关指标的变异系数均增大，其中，芽鲜质量变化最显著，这表明在干旱条件下，不同小麦种质间的抗旱性呈现显著差异，更加体现出种质资源抗旱性鉴定的重要性。张军等^[23]研究发现，干旱胁迫条件下，除发芽势、发芽率和胚芽鞘长外，其余指标变异系数均大于10%，此结果与本研究结果一致，证明这些指标作为抗旱性鉴定指标的可靠性。采用单一指标难以评价作物的抗旱性，实际应用中应选取多个指标来综合评定作物的抗旱性^[24]。本研究通过对小麦种质资源的10个抗旱性相关指标进行主成分分析，确定了3个独立的主成分，他们共同解释了77.169%的总方差。

综合指标隶属函数值分析和综合指标权重的确定，为小麦种质资源抗旱性鉴定提供了方法，这不仅有助于筛选高抗旱性种质，也为小麦抗旱育种提供了新的策略。60份小麦种质资源在干旱胁迫后各种指标发生了不同变化，大多数抗旱指标之间存在显著相关性。利用主成分分析将3个独立的主成分确定为抗旱鉴定的综合指标。本研究基于综合指标评价的耐旱度量值（D值）法进行聚类分析，将不同小麦种质资源的抗旱性按照D值排序，并分为4个抗旱级别，60个品种中有23个为较耐旱品种，23个为耐旱品种，11个为敏感品种，3个为高敏感品种。这一结果有助于筛选和利用优质抗旱性小麦种质资源，对于指导小麦育种有重要意义。综上所述，本研究不仅揭示了干旱胁迫对小麦萌发的影响，而且通过综合评价体系为小麦抗旱性的评估和育种提供了新的试验依据。未来的研究应进一步验证这些指标的适用性，并探索新的抗旱性状，以增强小麦的抗旱能力。

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基金资助

河北省农林科学院现代农业科技创新专项课题(2022KJCXZX-HZS-2)

小麦核辐射生物诱变产品创制与示范（2020-2024）

山东省自然科学基金(ZR2023MC058)