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绿肥是农业生产的纯天然有机肥源，具有养分供给、地力培肥、环境保护等重要作用[1-2]。种植利用绿肥是我国实施轮作休耕、耕地质量提升、化肥有机替代等国家行动的关键技术内容。然而，在西北旱地[3]、华北农田[4]、南方稻田[5]等绿肥主要种植区域的实际生产中，播种时干旱环境是影响绿肥种子正常萌发和绿肥生长的关键限制因素之一。同时，近年来伴随气候变化影响的加剧，播种时的季节性干旱愈发凸显[6]。绿肥种质资源抗旱性评价是挖掘利用优异抗旱种质资源和选育抗旱绿肥新品种，进而适应干旱环境的科学基础。因此，开展不同绿肥种质资源萌发期抗旱性评价，对于有效保障干旱环境中绿肥作物正常出苗和生长具有重要意义。
利用高分子聚合物聚乙二醇6000(polyethylene glycol 6000，PEG-6000) 进行模拟干旱胁迫是研究作物种子萌发期抗旱性研究的重要手段[4,6-7]。目前利基于PEG-6000干旱模拟进行绿肥作物抗旱性研究也已有报道，但主要集中在不同作物品种[5,8]和不同作物种类[4,9]间的比较研究，关于同类绿肥作物不同种质资源的研究相对较少[3,6]，箭筈豌豆是典型的豆科绿肥作物，其具有生物量大、产种量高、早发速生等优良特性[1,10]，同时也是优良的牧草原料[11]，在世界和我国各地广泛种植。上述绿肥种质资源抗旱性研究报道主要基于不同鉴定指标隶属函数值算数平均得到的抗旱性综合评价指数进行抗旱性评价。然而，在大田作物[12]和牧草[7]上抗旱性研究发现，由于不同抗旱性指标存在信息叠加及抗旱敏感性不同等问题，对直接鉴定指标进行降维处理和加权平均进行抗旱性综合评价更为合理。基于这些抗旱性综合评价方法的箭筈豌豆种质资源萌发期抗旱能力评价并未涉及。
本研究通过设置不同PEG-6000干旱胁迫模拟浓度，综合运用方差分析、相关分析、主成分分析、隶属函数、聚类分析、逐步归回等方法，对从国家绿肥种质资源库选择14份代表性箭筈豌豆种质资源进行种子萌发期抗旱性系统评价，以期为开展箭筈豌豆种质资源抗旱性研究和抗旱新品种选育提供材料基础，同时也可为箭筈豌豆优异抗旱资源有效应用提供依据。
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依据箭筈豌豆种质资源来源地地理分布，选择代表性箭筈豌豆种质资源14份，资源种子来自中国农业科学院农业资源与农业区划研究所国家绿肥种质资源库，供试资源基本信息如表1所示。
表 1 供试箭筈豌豆种质资源代码、编号、名称及来源地
Table 1. Codes, IDs, names and origins of tested germplasm resources of common vetch (Vicia sativa L.) used in this study
代码
Code库编号
Seed band ID国家统一编号
Country ID保存单位编号
Preservation organization ID资源名称
Germplasm resources name来源地
Place of origin1 I7A00072 00000127 中箭003 Zhongjian 003 751 宁夏农林科学院
Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences2 I7A00225 00000136 中箭012 Zhongjian 012 师宗箭豌
Shizong common vetch湖南省农业科学院
Hunan Academy of Agricultural Sciences3 I7A00226 00000138 中箭014 Zhongjian 014 黑皮74-1
Heipi 74-1甘肃省西北畜牧兽医研究所
Northwest Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine of Gansu Province4 I7A00079 00000139 中箭015 Zhongjian 015 7401 江苏省徐州市农业科学院
Xuzhou Academy of Agricultural Sciences of Jiangsu Province5 I7A00086 00000148 中箭024 Zhongjian 024 苏箭4号
Sujian No. 4江苏省农业科学院
Jiangsu Academy of Agricultural Sciences6 I7A00094 00000162 中箭038 Zhongjian 038 756 湖北省农业科学院
Hubei Academy of Agricultural Sciences7 I7A00103 00000176 中箭052 Zhongjian 052 救荒野豌豆
Jiuhuang vetch广东省中山植物园
Zhongshan Botanical Garden of Guangdong Province8 I7A00237 00000182 中箭058 Zhongjian 058 759 湖北省沙洋农场
Shayang farm of Hubei Province9 I7A00108 00000183 中箭059 Zhongjian 059 早熟箭豌
Early matured common vetch陕西省延安市农业科学研究所
Yan'an Agricultural Science Research Institute of Shaanxi Province10 I7A00128 00000214 中箭090 Zhongjian 090 卡尔格夫
Kargev河南省农业科学院
Henan Academy of Agricultural Sciences11 I7A00249 00000216 中箭092 Zhongjian 092 野豌豆
Vetch甘肃省张掖市
Zhangye City of Gansu Province12 I7A00606 00000939 中箭120 Zhongjian 120 红旗头
Red flag head甘肃省农业科学院
Gansu Academy of Agricultural Sciences13 I7A00608 00000942 中箭123 Zhongjian 123 麻色箭豌
Hemp colored common vetch山西省右玉县
Youyu County of Shanxi Province14 I7A00662 00000944 中箭125 Zhongjian 125 黑龙江箭豌
Heilongjiang common vetch黑龙江省农业科学院
Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences -
试验采用聚乙二醇溶液 (PEG-6000) 模拟干旱胁迫，根据预备试验浓度梯度结果，选择设置2.5%、5%、10%、15% 4个不同浓度，以蒸馏水为试验对照，3次重复。
选取30粒健康饱满、大小均一的种子，经10%H2O2溶液浸泡5分钟、蒸馏水冲洗干净后，在蒸馏水中浸泡1小时，然后将种子置于双层湿润滤纸作发芽床的培养皿中，干旱胁迫处理和对照分别加入10 mL PEG溶液和蒸馏水。各试验处理培养皿置于25℃培养箱中黑暗培养8天。
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试验期间每天定时记录种子发芽数，试验结束时，在每个培养皿中随机选取5粒代表性的发芽种子，测量其胚根、胚芽的长度及鲜重，计算发芽率、发芽势、发芽指数 [13]、种子萌发指数 [14]、胚根长/胚芽长、胚根重/胚芽重、活力指数[15]和以上各单项指标抗旱系数[7]等指标。具体计算公式如下：
发芽率 (%) = 正常发芽种子数/供试种子数 × 100
发芽势 (%) = 前4天发芽种子数/供试种子数 × 100
发芽指数 = ∑(Gt/Dt)
种子萌发指数 = (1.00)Rd2 + (0.75)Rd4 + (0.5) Rd6 + (0.25) Rd8
胚根长/胚芽长 = 胚根长度/胚芽长度
胚根重/胚芽重 = 胚根鲜重/胚芽鲜重
活力指数 = 发芽指数 × 幼苗鲜重
抗旱系数 = PEG胁迫指标值/对照指标值
式中：Rd2、Rd4、Rd6、Rd分别为第2、4、6、8天的种子发芽率,Gt为时间t日的发芽数，Dt为相应的发芽天数。
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采用模糊数学隶属函数法对供试箭筈豌豆种质资源进行抗旱性评价[7]。具体计算公式如下：
$ {Z}_{j}=\sum\limits _{i=0}^{n}\{{{\left[\right(X}_{i}-{\bar X}}_{i})/{S}_{i}] \cdot {a}_{j}\}, (i=1, 2, 3, \cdots,11;j=1, 2, 3); $ $ \mathrm{\mu }\left({z}_{J}\right)=\left({z}_{J}-{z}_{j\;\min}\right)/\left({Z}_{j\;\max}-{Z}_{j\;\min}\right); $ $ {{W}_{j}=P}_{j}\bigg/\sum\limits _{i=1}^{m}{P}_{j}; $ $ D=\sum\limits _{j=1}^{m}\mu \left[\left({Z}_{j}\right)\cdot {W}_{j}\right] $ 式中：Zj为各供试种质资源综合指标值；Xi、
${\bar{{\rm{X}}}}_{\rm{i}}$ 、Si分别为各种质资源在指标i上的鉴定值、平均值、标准差；aj为综合指标j的主成分因子载荷值；μ(Zj) 为各品种综合指标值Zj的隶属函数值，Zj max和Zj min分别为各种质资源综合指标值Zj中的最大值和最小值；Wj为综合指标j的权重，Pj为综合指标j的方差贡献率；D为各品种的抗旱性综合评价指数。 -
采用Excel 2013进行数据整理、计算和表格制作，采用SPSS 13.0 进行方差分析、相关性分析和逐步回归分析，采用Origin 2018进行主成分分析及作图。
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PEG模拟干旱对供试箭筈豌豆种质资源各测试指标均有显著影响 (表2)，与对照处理相比，干旱处理下胚根/胚芽比显著增加，其他鉴定指标均显著降低 (表3)，说明在本试验中PEG处理能有效模拟干旱胁迫对供试种质资源的影响；各鉴定指标在不同种质资源间均有显著差异 (表2)，各资源间变异系数为11.40%～48.71%(表3)，说明供试种质资源种子萌发特性有较大变异。
表 2 种质资源和胁迫浓度及其交互作用对种子萌发指标影响的方差分析
Table 2. Analysis of variance (P-values) of germplasm, PEG stress and their interaction on seed germination indicators
指标 Indicator 变异来源 Source of variation 种质资源 Germplasm resource (G) 干旱胁迫 PEG stress (D) 种质资源 × 干旱胁迫G × D 发芽率 Germinationrate < 0.001 < 0.001 < 0.001 发芽势 Germination potential < 0.001 < 0.001 < 0.001 种子萌发指数 Seed germination index < 0.001 < 0.001 < 0.001 发芽指数 Germination index < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根长 Radicle length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽长 Embryo length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根重 Radicle weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽重 Embryo weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根长/胚芽长 Radicle length/Embryo length 0.034 < 0.001 < 0.001 胚根重/胚芽重 Radicle weight/Embryo weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 活力指数 Vigorous index < 0.001 < 0.001 < 0.001 表 3 不同抗旱胁迫处理下供试箭筈豌豆种质资源种子发芽和胚发育情况分析
Table 3. Seed germination and embryo development of germplasmresources of common vetch under different PEG stress treatments in this study
指标
IndicatorPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
AverageCV
(%)指标
IndicatorPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
AverageCV
(%)发芽率 (%)
Germination rate0.0 93.41 a 11.40 胚根重 (g)
Radicle weight0.0 0.07 a 16.38 2.5 91.83 ab 11.51 2.5 0.05 b 13.71 5.0 89.92 ab 12.97 5.0 0.04 c 13.38 10.0 88.81 b 15.62 10.0 0.03 d 24.57 15.0 72.78 c 23.13 15.0 0.02 e 18.71 发芽势 (%)
Germination potential0.0 89.29 a 14.75 胚芽重 (g)
Embryo weight0.0 0.08 a 21.30 2.5 85.71 a 15.70 2.5 0.07 a 20.60 5.0 79.76 b 18.46 5.0 0.06 b 15.00 10.0 69.68 c 24.71 10.0 0.04 c 30.01 15.0 35.32 d 48.10 15.0 0.02 c 26.82 种子萌发指数
Seed germination index0.0 0.85 a 13.72 胚根长/胚芽长
Radicle length/Embryo length0.0 1.45 b 17.44 2.5 0.79 b 15.55 2.5 1.05 c 35.09 5.0 0.74 c 16.88 5.0 1.10 c 37.04 10.0 0.66 d 20.39 10.0 1.75 b 31.33 15.0 0.41 e 32.41 15.0 2.66 a 30.44 发芽指数
Germination index0.0 12.55 a 14.15 胚根重/胚芽重
Radicle weight/Embryo weight0.0 0.92 b 19.06 2.5 11.47 b 16.66 2.5 0.71 c 16.70 5.0 10.56 c 17.74 5.0 0.69 c 19.08 10.0 9.52 d 20.46 10.0 0.97 b 25.95 15.0 6.48 e 29.18 15.0 1.23 a 23.93 胚根长 (cm)
Radicle length0.0 8.06 a 27.35 活力指数
Vigorous index0.0 1.79 a 20.67 2.5 5.99 b 37.68 2.5 1.41 b 25.34 5.0 5.32 c 33.91 5.0 1.06 c 25.30 10.0 5.22 c 30.91 10.0 0.67 d 38.94 15.0 4.80 c 30.34 15.0 0.29 e 42.99 胚芽长 (cm)
Embryo length0.0 5.82 a 23.68 2.5 6.11 a 21.17 5.0 5.16 b 19.28 10.0 3.48 c 31.63 15.0 2.20 c 48.71 注（Note）：同一指标不同处理平均值后小写字母不同表示达到 5% 显著水平 Average values followed by different lower case letters for the same indicator of different treatments means significantly different at 5% level. -
种质资源和干旱胁迫对不同鉴定指标的抗旱系数均有显著影响 (表4)，说明各指标抗旱系数能敏感反映供试资源对模拟干旱胁迫的响应；在同一干旱胁迫浓度下，不同供试种质资源间各指标抗旱系数有明显差异 (表5)，其变异系数变化范围为10.20%～46.56%，且不同指标下供试种质资源间抗旱系数的变异系数存在明显差异 (表5)，说明不同种质资源对干旱胁迫响应存在明显差异，且不同鉴定指标抗旱系数对干旱胁迫响应的敏感度不同，各单个测定指标均难以全面反映箭筈豌豆资源的抗旱性。
表 4 种质资源和胁迫浓度及其交互作用对种子萌发指标抗旱系数影响的方差分析
Table 4. Analysis of variance (P-values) of germplasm, PEG stress and their interaction on drought-resistance index(DRI) of seed germination indicators
各指标抗旱系数
DRI of each indicator变异来源 Source of variation 种质资源 Germplasm resource (G) 干旱胁迫 PEG stress (D) G × D 发芽率 Germinationrate < 0.001 < 0.001 0.228 发芽势 Germination potential < 0.001 < 0.001 0.014 种子萌发指数 Seed germination index < 0.001 < 0.001 0.137 发芽指数 Germination index < 0.001 < 0.001 0.263 胚根长 Radicle length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽长 Embryo length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根重 Radicle weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽重 Embryo weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根长/胚芽长 Radicle length/Embryo length 0.003 < 0.001 0.030 胚根重/胚芽重 Radicle weight/Embryo weight < 0.001 < 0.001 0.002 活力指数 Vigorous index < 0.001 < 0.001 0.016 表 5 不同抗旱胁迫处理下供试箭筈豌豆种质资源各发芽指标抗旱系数
Table 5. Drought-resistance index (DRI) of each germination indicator of common vetch germplasms under different PEG stress treatments in this study
抗旱系数
DRIPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
Average valueCV
(%)抗旱系数
DRIPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
Average valueCV
(%)发芽率 (GR)
Germination rate2.5 0.99 a 11.36 胚根重 (RW)
Radicle weight2.5 0.75 a 26.41 5.0 0.97 a 10.20 5.0 0.59 b 22.41 10.0 0.95 a 11.85 10.0 0.49 c 37.20 15.0 0.79 b 21.09 15.0 0.34 d 27.72 发芽势
Germination potential2.5 0.92 a 13.98 胚芽重 (EW)
Embryo weight2.5 0.97 a 19.40 5.0 0.86 b 14.76 5.0 0.81 b 22.56 10.0 0.75 c 22.21 10.0 0.47 c 30.58 15.0 0.38 d 46.26 15.0 0.28 d 36.55 种子萌发指数
Seed germination index2.5 0.94 a 13.73 RL/EL 2.5 0.74 c 25.66 5.0 0.87 b 12.50 5.0 0.78 c 29.54 10.0 0.78 c 15.64 10.0 1.29 b 41.30 15.0 0.50 d 29.83 15.0 1.96 a 34.45 发芽指数
Germination index2.5 0.93 a 14.50 RW/EW 2.5 0.79 c 17.35 5.0 0.85 b 12.76 5.0 0.78 c 26.39 10.0 0.76 c 15.91 10.0 1.11 b 33.50 15.0 0.52 d 26.02 15.0 1.38 a 22.16 胚根长 (RL)
Radicle length2.5 0.80 a 25.03 活力指数
Vigorous index.2.5 0.81 a 23.25 5.0 0.71 b 30.00 5.0 0.61 b 22.35 10.0 0.71 b 37.32 10.0 0.37 c 32.78 15.0 0.64 c 29.64 15.0 0.17 d 46.56 胚芽长 (EL)
Embryo length2.5 1.08 a 23.92 5.0 0.90 b 22.55 10.0 0.60 c 27.70 15.0 0.38 c 37.99 注（Note）：GR—Germination rate; GP—Germination potential; SGI—Seed germination index; GI—Germination index; RL—Radicle length; EL—Embryo length; RW—Radicle weight; EW—Embryo weight; VI—Vigorous index; 同一指标不同处理平均值后小写字母不同表示达到 5% 显著水平 Average values followed by different lower case letters for the same indicator of different treatments means significantly different at 5% level. 相关分析表明 (表6)，除胚根长与胚根长/胚芽长、胚根长与胚根重/胚芽重之间无显著相关关系外，其他不同指标间均呈显著或极显著相关关系，且相关系数范围为0.182～0.956，说明不同指标间均存在不同程度抗旱信息叠加，直接应用于抗旱评价难以客观反映种质资源的抗旱性。
表 6 供试箭筈豌豆种质资源11个指标抗旱系数间相关性分析
Table 6. Correlation analysis among 12 drought-resistance index (DRI) of 11 common vetch germplasm resourcesat germination stage
标抗旱系数DRI RL EL RW EW GR GP SGI GI RL/EL RW/EW 活力指数VI 胚根长RL – 0.376** 0.645** 0.445** 0.212** 0.318** 0.251** 0.241** 0.022 –0.031 0.417** 胚芽长EL – 0.708** 0.890** 0.491** 0.698** 0.680** 0.678** –0.574** –0.557** 0.817** 胚根重RW – 0.752** 0.309** 0.541** 0.470** 0.460** –0.296** –0.182* 0.701** 胚芽重EW – 0.493** 0.743** 0.708** 0.702** –0.535** –0.635** 0.890** 发芽率GR – 0.799** 0.883** 0.897** –0.379** –0.394** 0.629** 发芽势GP – 0.956** 0.933** –0.533** –0.575** 0.828** 种子萌发指数SGI – 0.994** –0.527** –0.582** 0.833** 发芽指数GI – –0.519** –0.568** 0.832** RL/EL – 0.620** –0.507** RW/EW – –0.567** 活力指数VI – 注（Note）：RL—Radicle length; EL—Embryo length; RW—Radicle weight; EW—Embryo weight; GR—Germinationrate; GP—Germination potential; SGI—Seed germination index; GI—Germination index; VI—Vigorous index; *—P < 0.05;**—P < 0.01. -
通过主成分分析，各指标抗旱系数降维为三个相互独立的综合指标 (表7)，其三个指标累计贡献率为85.9%，第一主成分在发芽率、发芽指数、种子萌发指数、发芽势等指标上有较高载荷，第二主成分在胚根重、胚根长、胚芽重和胚芽长等指标上有较高荷载，第三主成分在胚根长/胚芽长、胚根重/胚芽重等有较高荷载。
表 7 供试箭筈豌豆资源各指标抗旱系数主成分的因子载荷、特征根、贡献率及因子权重
Table 7. Factor loading, eigenvalue, variance contribution rate and factor weight of principalcomponents of drought-resistance index of different indicators for 14 commonvetch germplasm resources
抗旱系数 Drought-resistance index 第一主成分 PC1 第二主成分 PC2 第三主成分 PC3 发芽率 Germinationrate 0.128 0.857 –0.179 发芽势 Germination potential 0.383 0.586 0.602 种子萌发指数 Seed germination index 0.199 0.888 0.215 发芽指数 Germination index 0.401 0.637 0.595 胚根长Radicle length 0.928 0.097 0.111 胚芽长 Embryo length 0.796 0.326 0.382 胚根重 Radicle weight 0.896 0.232 0.354 胚芽重 Embryo weight 0.912 0.221 0.338 胚根长/胚芽长 Radicle length/Embryo length 0.240 –0.035 –0.836 胚根重/胚芽重 Radicle weight/Embryo weight –0.331 –0.014 –0.807 活力指数 Vigorous index 0.611 0.552 0.462 特征根 Eigenvalue 4.627 2.845 贡献率Variance contribution rate(%) 38.56 23.712 23.064 累计贡献率 Accumulated contribution rate(%) 38.56 62.272 85.913 因子权重 Factor weight 0.4519 0.2779 0.2703 -
基于模糊数学隶属函数法，计算得到供试箭筈豌豆种质资源3个综合指标的隶属函数值和抗旱性综合评价指数D值 (表8)，14份箭筈豌豆种质资源的D值平均数为0.420，变异系数为50.6%，其中9号资源综合抗旱性最强，D值为0.989，其次是14号和2号，D值分别为0.695和0.523,10号资源抗旱性最弱，D值为0.152。说明供试箭筈豌豆资源抗旱性有较大差异。
表 8 供试箭筈豌豆资源主成分指标隶属函数值、抗旱性综合评价指数 (D值) 及抗旱性排序
Table 8. Subordinate function value, drought-resistance comprehensive evaluation index (D value) anddrought-resistance rank of principal components for drought-resistance coefficients of differentindicators for 14 common vetch germplasm resources
资源代码
Germplasm code隶属函数值 Subordinate function value D值
D value排序
Rank第一主成分 PC1 第二主成分 PC2 第三主成分 PC3 1 0.166 0.319 0.180 0.212 13 2 0.425 0.680 0.524 0.523 3 3 0.253 0.406 0.300 0.308 10 4 0.360 0.528 0.381 0.412 6 5 0.211 0.409 0.255 0.278 11 6 0.302 0.504 0.478 0.405 7 7 0.285 0.199 0.326 0.272 12 8 0.263 0.640 0.212 0.354 9 9 1.000 0.960 1.000 0.989 1 10 0.145 0.029 0.292 0.152 14 11 0.354 0.407 0.529 0.416 5 12 0.432 0.581 0.461 0.481 4 13 0.298 0.493 0.426 0.387 8 14 0.609 0.915 0.612 0.695 2 平均值 Average 0.420 变异系数 CV (%) 50.6 -
在λ=4处将14份供试箭筈豌豆资源分为4类 (图1)，其中，第1类为强抗旱资源，包含9号资源1份，占总供试资源数量的7.1%；第2类为较强抗旱资源，包含14号资源1份，占总供试资源数量的7.1%；第3类为中等抗旱资源，包含第2、4、6、8、11、12和13等7份资源，占总供试资源数量的50.0%；第4类为弱抗旱资源，包含1、3、5、7和10等5份资源，占总供试资源数量的35.8%。同时，根据以上抗旱性聚类等级划分结合抗旱性综合评价指数D值，计算得到4类资源，按照抗旱性由强到弱的顺序D值平均分别为0.989、0.695、0.426和0.245，说明基于聚类分析的抗旱性级别高低与基于D值的抗旱性大小排序结果基本一致。
图 1 供试箭筈豌豆资源抗旱性聚类分析图
Figure 1. Fuzzy clustering dendrogram of drought resistance for 14 common vetch germplasm resources
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以抗旱性综合评价指数D值为因变量，各鉴定指标抗旱系数为自变量，通过逐步回归分析建立回归方程D = 1.31X1 + 0.566X2 + 0.183X3 – 1.068 (R2 = 0.991,P < 0.001，X1、X2、X3分别表示发芽指数、胚根重和胚根长抗旱系数)。说明基于发芽指数、胚根重和胚根长抗旱系数3项指标可以准确预测箭筈豌豆抗旱能力，是评价鉴定箭筈豌豆种质资源萌发期抗旱性的有效测定指标。
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前人有关绿肥抗旱性研究主要集中在不同种类和品种之间[4-5,8-9]，对不同资源抗旱性评价研究尚不多见[3,6]。本研究选择来源地不同的14份箭筈豌豆种质资源，在PEG-6000模拟干旱胁迫不同浓度条件下，明确了供试箭筈豌豆资源对萌发期干旱胁迫的响应特征。一方面，本研究所选箭筈豌豆资源在抗旱性方面表现出较大变异，不同资源间各单项鉴定指标存在显著差异，基于抗旱性综合评价指数D值的排序结果和基于聚类分析的抗旱性类型划分结果均验证了这一结果，说明本研究所选箭筈豌豆资源具有一定代表性。另一方面，研究中PEG-6000可以较好模拟干旱胁迫，结果表明，除了在高浓度条件下 (10%和15%) 因胚芽较胚根受干旱胁迫抑制更强[6]，胚根/胚芽比显著增加外，大部分鉴定指标 (如，发芽率、发芽势等) 均随浓度增加显著下降，前人关于紫云英、黑麦草等绿肥作物抗旱性研究的结果也表现出类似规律[6,16]。同时，由于不同资源和鉴定指标对干旱胁迫的响应敏感度不同[6]，本研究与其他大多数研究设置单一胁迫浓度不同[4-5,8-9]，本研究设置的多个胁迫浓度可为开展种质资源抗旱综合评价提供更为完整抗旱特征信息。
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选择合理、可靠的抗旱指标是客观评价作物种质资源抗旱性的重要基础[12]。不同抗旱指标，如相对发芽率、活力指数、发芽指数等，被广泛应用于种子萌发期抗旱性评价研究中[6,9]，本研究采用了应用较为广泛的11项指标作为抗旱性基础评价指标。然而，单一指标往往因其对干旱胁迫响应的敏感性不同或不同种质资源自身萌发性状不同而难以直接用于抗旱性评价[17]，本研究中14份箭筈豌豆种质资源在对照处理时的各测定指标下的变异系数为11.40%～48.71%，且不同指标在干旱胁迫是不同种质资源间的响应变异差异明显。因而，基于相互独立且标准一致的鉴定指标进而建立综合抗旱指标可客观评价不同种质资源萌发期抗旱特性[7]。本研究通过抗旱系数计算消除了不同资源自身萌发特性的差异，进而通过主成分降维筛选3个相互独立且代表性较强的抗旱性评价综合指数，分别反映种子发芽、胚发育和胚根胚芽相对敏感性的互补抗旱信息。然后通过隶属函数法将各综合指数转化为0～1之间的纯数后指标聚合为抗旱性综合评价指数D值。基于D值的抗旱性评价在其他作物中较多应用[7,12,18]，但尚未应用于绿肥作物评价,本研究基于聚类分析对不同资源分类的结果与基于D值的排序结果相一致，表明该评价方法和评价指标的可靠性。同时，基于逐步回归的结果也表明，发芽指数、胚根重和胚根长抗旱系数是综合评价抗旱性的关键鉴定指标。此类研究在其他绿肥抗旱性研究中并未涉及[4,6,9]，这些指标可以潜在的用于预测箭筈豌豆种质资源抗旱性，对于进行资源抗旱性快速评价具有重要意义。
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筛选优异抗旱资源，对于发掘利用抗旱性种质资源和抗旱新品种选育具有重要意义[19]。总体上，本研究筛选得到2份箭筈豌豆高抗旱资源 (资源代码分别为9和14)，获得资源可为萌发期干旱环境中抗旱资源的生产应用提供重要选择，但在实际应用中应同时注重资源养分、生物量、生育期等其他绿肥性状的适用性[10]。同时获得资源也可潜在用于高抗箭筈豌豆品种选育。另外，从本研究结果也可以看出，尽管选取了不同来源地的代表性箭筈豌豆资源14份，不同的抗旱指标及抗旱特性也表现出较大变异，但从抗旱性聚类结果可以看到，供试大部分种质资源属于中低抗资源，高抗资源相对缺乏。虽然根据本研究不能定论我国高抗旱性箭筈豌豆资源储备情况，但也表明进一步大范围开展箭筈豌豆资源抗旱性鉴定的重要性，同时对于国外相关抗旱性资源的引进工作也有一定借鉴意义。
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供试资源对PEG-6000模拟干旱胁迫响应敏感，且各资源萌发期抗旱性能差异显著。基于抗旱系数指标，结合主成分分析、隶属函数分析和聚类分析法可较好评价箭筈豌豆资源抗旱特性。发芽指数、胚根重和胚根长抗旱系数是评价箭筈豌豆资源萌发期抗旱性的关键指标。根据模拟试验结果初步确定9号和14号箭筈豌豆萌发期抗旱性较强。
箭筈豌豆种质资源萌发期抗旱指标筛选及抗旱性评价
Screening of drought resistance index and drought resistance evaluation of common vetch (Vicia sativa L.) germplasms to drought stress at germination stage
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摘要:
【目的】 萌发期干旱影响绿肥作物箭筈豌豆 (Vicia sativa L.) 的生产。筛选关键、敏感性抗旱评价指标，开展不同箭筈豌豆萌发期抗旱性评价，以利于挖掘抗旱种质和开展抗旱性品种选育。 【方法】 选择分布于箭筈豌豆主要种植区的14份代表性箭筈豌豆种质资源为研究对象，以蒸馏水处理为试验对照，分别设置2.5%、5%、10%和15% 4个不同PEG-6000(高分子聚合物聚乙二醇6000) 模拟干旱浓度处理，测定和计算发芽率、发芽势、发芽指数、种子萌发指数、胚根长、胚芽长、胚根重、胚芽重、胚根长/胚芽长比值、胚根重/胚芽重比值和活力指数等11项指标及其相应抗旱系数。 【结果】 4个PEG胁迫浓度不同程度地降低了供试箭筈豌豆各测试指标及其抗旱系数 (P < 0.05)，14个种质资源的测试指标变异系数为11.40%～48.71%，抗旱系数的变异系数为10.20%～46.56%。大多数测试指标抗旱系数间存在显著或极显著相关关系，相关系数变化范围为0.182～0.956。基于主成分分析方法，各指标抗旱系数降维为三个相互独立的主成分综合指标，三个主成分综合指标累计贡献率为85.9%。基于模糊数学隶属函数方法，各资源抗旱性综合评价指数 (D值) 平均数为0.420，变异系数为50.6%，9号编码D值最高，10号编码D值最低。基于聚类分析方法，14份箭筈豌豆资源可根据抗旱特性不同聚为4类，抗旱等级划分与不同等级D值大小相一致，9号资源为强抗旱资源，14号资源为较强抗旱资源，中等与弱抗旱资源占总资源量85.8%。基于逐步回归方法，抗旱性综合评价指数D值与各鉴定指标抗旱系数的回归关系为D = 1.31X1 + 0.566X2 + 0.183X3–1.068 (R2 = 0.991, P < 0.001, X1、X2、X3分别表示发芽指数、胚根重和胚根长抗旱系数)。 【结论】 抗旱性综合评价指数D值是表征萌发期抗旱特性的有效指标，发芽指数、胚根重和胚根长抗旱系数可以解释99.1%的不同资源抗旱性变异，鉴定获得2份萌发期抗旱性较强箭筈豌豆资源，85%以上的供试箭筈豌豆资源为中等或弱抗旱性种质资源，选择抗旱性种质资源是箭筈豌豆高效生产的重要方面。 Abstract:【Objectives】 Common vetch (Vicia sativa L.) production is easily influenced by the drought at germination stage. Screening critical and sensitive drought-resistant indicators and assessing the drought-resistant capacity of common vetch germplasms are important for the identification of drought-resistant germplasms, which is beneficial to drought resistant breeding. 【Methods】 Fourteen common vetch germplasms were collected from the dominant common vetch planting regions. PEG-6000 concentrations of 2.5%, 5%, 10% and 15% were prepared to simulate drought stress, with distilled water treatment as control. The indicators such as germination rate (GR), germination potential (GP), germination index (GI), seed germination index (SGI), radicle length (RL), embryo length (RL), radicle weight (RW), embryo weight (EW), ratio of radicle length to embryo length (RL/EL), ratio of radicle weight to embryo weight (RW/EW), vigour index (VI) and their drought-resistant indexes (DRI) were measured and calculated. 【Results】 All the fourstress treatments significantly decreased the values of tested indicators and drought-resistant coefficients of all tested germplasms, with the CV ranging from 11.40% to 48.71% for indicators and from 10.20% to 46.56% for drought-resistant coefficients. Most measured indicators showed significant or extremely significant correlation interactively with the r values of 0.182 to 0.956. Based on the principal component analysis (PCA), the DRI of the measured indicators were reduced to three independent integrated indicators, which three contributed 85.9% of cumulative variance. According to fuzzy mathematics membership function, the average drought resistance comprehensive evaluation index (D value) of the tested germplasms was 0.420 with the CV of 50.6%, with the maximum of D value in germplasm of code 9 and the minimum in code 10. The 14 tested germplasms were clustered into four drought resistance grades, and the grade of each germplasm was in accordance with its D value, with the strongest drought resistant in germplasm of code 9, the least drought resistant in code 14, and the moderate and weak drought resistant in 85.8% of the germplasms. By the method of stepwise regression, the relationship between D value and drought-resistant coefficients of indicators was D = 1.31X1 + 0.566X2 + 0.183X3 – 1.068 (R2 = 0.991, p < 0.001, X1, X2 and X3 represented DRI for germination index, embryo weight and embryo length respectively). 【Conclusions】 The drought resistance comprehensive evaluation index (D value) is an effective index to indicate the drought resistance characteristics at germination stage. The drought-resistant coefficients of germination index, embryo weight and embryo length could explain 99.1% of drought resistance variation of different germplasms. Two common vetch germplasms with high drought resistance were identified. More than 85% of the tested germplasms fall into moderate and weak drought resistance at germination stage, so choosing drought resistant germplasm is very important for the efficient production of common vetch. -
Key words:
- common vetch /
- germplasm /
- germination stage /
- drought-resistant index /
- membership function
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图 1 供试箭筈豌豆资源抗旱性聚类分析图
Figure 1. Fuzzy clustering dendrogram of drought resistance for 14 common vetch germplasm resources
表 1 供试箭筈豌豆种质资源代码、编号、名称及来源地
Table 1. Codes, IDs, names and origins of tested germplasm resources of common vetch (Vicia sativa L.) used in this study
代码
Code库编号
Seed band ID国家统一编号
Country ID保存单位编号
Preservation organization ID资源名称
Germplasm resources name来源地
Place of origin1 I7A00072 00000127 中箭003 Zhongjian 003 751 宁夏农林科学院
Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences2 I7A00225 00000136 中箭012 Zhongjian 012 师宗箭豌
Shizong common vetch湖南省农业科学院
Hunan Academy of Agricultural Sciences3 I7A00226 00000138 中箭014 Zhongjian 014 黑皮74-1
Heipi 74-1甘肃省西北畜牧兽医研究所
Northwest Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine of Gansu Province4 I7A00079 00000139 中箭015 Zhongjian 015 7401 江苏省徐州市农业科学院
Xuzhou Academy of Agricultural Sciences of Jiangsu Province5 I7A00086 00000148 中箭024 Zhongjian 024 苏箭4号
Sujian No. 4江苏省农业科学院
Jiangsu Academy of Agricultural Sciences6 I7A00094 00000162 中箭038 Zhongjian 038 756 湖北省农业科学院
Hubei Academy of Agricultural Sciences7 I7A00103 00000176 中箭052 Zhongjian 052 救荒野豌豆
Jiuhuang vetch广东省中山植物园
Zhongshan Botanical Garden of Guangdong Province8 I7A00237 00000182 中箭058 Zhongjian 058 759 湖北省沙洋农场
Shayang farm of Hubei Province9 I7A00108 00000183 中箭059 Zhongjian 059 早熟箭豌
Early matured common vetch陕西省延安市农业科学研究所
Yan'an Agricultural Science Research Institute of Shaanxi Province10 I7A00128 00000214 中箭090 Zhongjian 090 卡尔格夫
Kargev河南省农业科学院
Henan Academy of Agricultural Sciences11 I7A00249 00000216 中箭092 Zhongjian 092 野豌豆
Vetch甘肃省张掖市
Zhangye City of Gansu Province12 I7A00606 00000939 中箭120 Zhongjian 120 红旗头
Red flag head甘肃省农业科学院
Gansu Academy of Agricultural Sciences13 I7A00608 00000942 中箭123 Zhongjian 123 麻色箭豌
Hemp colored common vetch山西省右玉县
Youyu County of Shanxi Province14 I7A00662 00000944 中箭125 Zhongjian 125 黑龙江箭豌
Heilongjiang common vetch黑龙江省农业科学院
Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences
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表 2 种质资源和胁迫浓度及其交互作用对种子萌发指标影响的方差分析
Table 2. Analysis of variance (P-values) of germplasm, PEG stress and their interaction on seed germination indicators
指标 Indicator 变异来源 Source of variation 种质资源 Germplasm resource (G) 干旱胁迫 PEG stress (D) 种质资源 × 干旱胁迫G × D 发芽率 Germinationrate < 0.001 < 0.001 < 0.001 发芽势 Germination potential < 0.001 < 0.001 < 0.001 种子萌发指数 Seed germination index < 0.001 < 0.001 < 0.001 发芽指数 Germination index < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根长 Radicle length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽长 Embryo length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根重 Radicle weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽重 Embryo weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根长/胚芽长 Radicle length/Embryo length 0.034 < 0.001 < 0.001 胚根重/胚芽重 Radicle weight/Embryo weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 活力指数 Vigorous index < 0.001 < 0.001 < 0.001
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表 3 不同抗旱胁迫处理下供试箭筈豌豆种质资源种子发芽和胚发育情况分析
Table 3. Seed germination and embryo development of germplasmresources of common vetch under different PEG stress treatments in this study
指标
IndicatorPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
AverageCV
(%)指标
IndicatorPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
AverageCV
(%)发芽率 (%)
Germination rate0.0 93.41 a 11.40 胚根重 (g)
Radicle weight0.0 0.07 a 16.38 2.5 91.83 ab 11.51 2.5 0.05 b 13.71 5.0 89.92 ab 12.97 5.0 0.04 c 13.38 10.0 88.81 b 15.62 10.0 0.03 d 24.57 15.0 72.78 c 23.13 15.0 0.02 e 18.71 发芽势 (%)
Germination potential0.0 89.29 a 14.75 胚芽重 (g)
Embryo weight0.0 0.08 a 21.30 2.5 85.71 a 15.70 2.5 0.07 a 20.60 5.0 79.76 b 18.46 5.0 0.06 b 15.00 10.0 69.68 c 24.71 10.0 0.04 c 30.01 15.0 35.32 d 48.10 15.0 0.02 c 26.82 种子萌发指数
Seed germination index0.0 0.85 a 13.72 胚根长/胚芽长
Radicle length/Embryo length0.0 1.45 b 17.44 2.5 0.79 b 15.55 2.5 1.05 c 35.09 5.0 0.74 c 16.88 5.0 1.10 c 37.04 10.0 0.66 d 20.39 10.0 1.75 b 31.33 15.0 0.41 e 32.41 15.0 2.66 a 30.44 发芽指数
Germination index0.0 12.55 a 14.15 胚根重/胚芽重
Radicle weight/Embryo weight0.0 0.92 b 19.06 2.5 11.47 b 16.66 2.5 0.71 c 16.70 5.0 10.56 c 17.74 5.0 0.69 c 19.08 10.0 9.52 d 20.46 10.0 0.97 b 25.95 15.0 6.48 e 29.18 15.0 1.23 a 23.93 胚根长 (cm)
Radicle length0.0 8.06 a 27.35 活力指数
Vigorous index0.0 1.79 a 20.67 2.5 5.99 b 37.68 2.5 1.41 b 25.34 5.0 5.32 c 33.91 5.0 1.06 c 25.30 10.0 5.22 c 30.91 10.0 0.67 d 38.94 15.0 4.80 c 30.34 15.0 0.29 e 42.99 胚芽长 (cm)
Embryo length0.0 5.82 a 23.68 2.5 6.11 a 21.17 5.0 5.16 b 19.28 10.0 3.48 c 31.63 15.0 2.20 c 48.71 注（Note）：同一指标不同处理平均值后小写字母不同表示达到 5% 显著水平 Average values followed by different lower case letters for the same indicator of different treatments means significantly different at 5% level.
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表 4 种质资源和胁迫浓度及其交互作用对种子萌发指标抗旱系数影响的方差分析
Table 4. Analysis of variance (P-values) of germplasm, PEG stress and their interaction on drought-resistance index(DRI) of seed germination indicators
各指标抗旱系数
DRI of each indicator变异来源 Source of variation 种质资源 Germplasm resource (G) 干旱胁迫 PEG stress (D) G × D 发芽率 Germinationrate < 0.001 < 0.001 0.228 发芽势 Germination potential < 0.001 < 0.001 0.014 种子萌发指数 Seed germination index < 0.001 < 0.001 0.137 发芽指数 Germination index < 0.001 < 0.001 0.263 胚根长 Radicle length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽长 Embryo length < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根重 Radicle weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚芽重 Embryo weight < 0.001 < 0.001 < 0.001 胚根长/胚芽长 Radicle length/Embryo length 0.003 < 0.001 0.030 胚根重/胚芽重 Radicle weight/Embryo weight < 0.001 < 0.001 0.002 活力指数 Vigorous index < 0.001 < 0.001 0.016
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表 5 不同抗旱胁迫处理下供试箭筈豌豆种质资源各发芽指标抗旱系数
Table 5. Drought-resistance index (DRI) of each germination indicator of common vetch germplasms under different PEG stress treatments in this study
抗旱系数
DRIPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
Average valueCV
(%)抗旱系数
DRIPEG胁迫 (%)
PEG stress平均值
Average valueCV
(%)发芽率 (GR)
Germination rate2.5 0.99 a 11.36 胚根重 (RW)
Radicle weight2.5 0.75 a 26.41 5.0 0.97 a 10.20 5.0 0.59 b 22.41 10.0 0.95 a 11.85 10.0 0.49 c 37.20 15.0 0.79 b 21.09 15.0 0.34 d 27.72 发芽势
Germination potential2.5 0.92 a 13.98 胚芽重 (EW)
Embryo weight2.5 0.97 a 19.40 5.0 0.86 b 14.76 5.0 0.81 b 22.56 10.0 0.75 c 22.21 10.0 0.47 c 30.58 15.0 0.38 d 46.26 15.0 0.28 d 36.55 种子萌发指数
Seed germination index2.5 0.94 a 13.73 RL/EL 2.5 0.74 c 25.66 5.0 0.87 b 12.50 5.0 0.78 c 29.54 10.0 0.78 c 15.64 10.0 1.29 b 41.30 15.0 0.50 d 29.83 15.0 1.96 a 34.45 发芽指数
Germination index2.5 0.93 a 14.50 RW/EW 2.5 0.79 c 17.35 5.0 0.85 b 12.76 5.0 0.78 c 26.39 10.0 0.76 c 15.91 10.0 1.11 b 33.50 15.0 0.52 d 26.02 15.0 1.38 a 22.16 胚根长 (RL)
Radicle length2.5 0.80 a 25.03 活力指数
Vigorous index.2.5 0.81 a 23.25 5.0 0.71 b 30.00 5.0 0.61 b 22.35 10.0 0.71 b 37.32 10.0 0.37 c 32.78 15.0 0.64 c 29.64 15.0 0.17 d 46.56 胚芽长 (EL)
Embryo length2.5 1.08 a 23.92 5.0 0.90 b 22.55 10.0 0.60 c 27.70 15.0 0.38 c 37.99 注（Note）：GR—Germination rate; GP—Germination potential; SGI—Seed germination index; GI—Germination index; RL—Radicle length; EL—Embryo length; RW—Radicle weight; EW—Embryo weight; VI—Vigorous index; 同一指标不同处理平均值后小写字母不同表示达到 5% 显著水平 Average values followed by different lower case letters for the same indicator of different treatments means significantly different at 5% level.
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表 6 供试箭筈豌豆种质资源11个指标抗旱系数间相关性分析
Table 6. Correlation analysis among 12 drought-resistance index (DRI) of 11 common vetch germplasm resourcesat germination stage
标抗旱系数DRI RL EL RW EW GR GP SGI GI RL/EL RW/EW 活力指数VI 胚根长RL – 0.376** 0.645** 0.445** 0.212** 0.318** 0.251** 0.241** 0.022 –0.031 0.417** 胚芽长EL – 0.708** 0.890** 0.491** 0.698** 0.680** 0.678** –0.574** –0.557** 0.817** 胚根重RW – 0.752** 0.309** 0.541** 0.470** 0.460** –0.296** –0.182* 0.701** 胚芽重EW – 0.493** 0.743** 0.708** 0.702** –0.535** –0.635** 0.890** 发芽率GR – 0.799** 0.883** 0.897** –0.379** –0.394** 0.629** 发芽势GP – 0.956** 0.933** –0.533** –0.575** 0.828** 种子萌发指数SGI – 0.994** –0.527** –0.582** 0.833** 发芽指数GI – –0.519** –0.568** 0.832** RL/EL – 0.620** –0.507** RW/EW – –0.567** 活力指数VI – 注（Note）：RL—Radicle length; EL—Embryo length; RW—Radicle weight; EW—Embryo weight; GR—Germinationrate; GP—Germination potential; SGI—Seed germination index; GI—Germination index; VI—Vigorous index; *—P < 0.05;**—P < 0.01.
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表 7 供试箭筈豌豆资源各指标抗旱系数主成分的因子载荷、特征根、贡献率及因子权重
Table 7. Factor loading, eigenvalue, variance contribution rate and factor weight of principalcomponents of drought-resistance index of different indicators for 14 commonvetch germplasm resources
抗旱系数 Drought-resistance index 第一主成分 PC1 第二主成分 PC2 第三主成分 PC3 发芽率 Germinationrate 0.128 0.857 –0.179 发芽势 Germination potential 0.383 0.586 0.602 种子萌发指数 Seed germination index 0.199 0.888 0.215 发芽指数 Germination index 0.401 0.637 0.595 胚根长Radicle length 0.928 0.097 0.111 胚芽长 Embryo length 0.796 0.326 0.382 胚根重 Radicle weight 0.896 0.232 0.354 胚芽重 Embryo weight 0.912 0.221 0.338 胚根长/胚芽长 Radicle length/Embryo length 0.240 –0.035 –0.836 胚根重/胚芽重 Radicle weight/Embryo weight –0.331 –0.014 –0.807 活力指数 Vigorous index 0.611 0.552 0.462 特征根 Eigenvalue 4.627 2.845 贡献率Variance contribution rate(%) 38.56 23.712 23.064 累计贡献率 Accumulated contribution rate(%) 38.56 62.272 85.913 因子权重 Factor weight 0.4519 0.2779 0.2703
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表 8 供试箭筈豌豆资源主成分指标隶属函数值、抗旱性综合评价指数 (D值) 及抗旱性排序
Table 8. Subordinate function value, drought-resistance comprehensive evaluation index (D value) anddrought-resistance rank of principal components for drought-resistance coefficients of differentindicators for 14 common vetch germplasm resources
资源代码
Germplasm code隶属函数值 Subordinate function value D值
D value排序
Rank第一主成分 PC1 第二主成分 PC2 第三主成分 PC3 1 0.166 0.319 0.180 0.212 13 2 0.425 0.680 0.524 0.523 3 3 0.253 0.406 0.300 0.308 10 4 0.360 0.528 0.381 0.412 6 5 0.211 0.409 0.255 0.278 11 6 0.302 0.504 0.478 0.405 7 7 0.285 0.199 0.326 0.272 12 8 0.263 0.640 0.212 0.354 9 9 1.000 0.960 1.000 0.989 1 10 0.145 0.029 0.292 0.152 14 11 0.354 0.407 0.529 0.416 5 12 0.432 0.581 0.461 0.481 4 13 0.298 0.493 0.426 0.387 8 14 0.609 0.915 0.612 0.695 2 平均值 Average 0.420 变异系数 CV (%) 50.6
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