王志恒，徐中伟，周吴艳，杨秀柳，胡 韩，李成虎，马维亮，魏玉清**

(1.国家民族事务委员会生态系统模型及应用重点试验室/北方民族大学生物科学与工程学院 银川 750021；2.宁夏回族自治区海原县农业技术推广服务中心 中卫 755299；3.宁夏农林科学院 银川 750000)

藜麦(Chenopodium quinoaWilld.)是苋科(Amaranthaceae)藜属(ChenopodiumL.)一年生双子叶植物，是原产于南美洲的一种粮食作物，具有非常高的营养价值。在南美洲大陆具有几千年的栽培历史[1]。藜麦籽粒中蛋白质和植物活性物质含量较高，氨基酸比例协调，有“粮食之母” “黄金谷物” “神圣的食物”等称号，受到国内外专家学者以及消费者的广泛关注[2-3]。我国藜麦种植近年来呈现快速增长的态势，山西、吉林、青海、甘肃、河北等地开始较大面积地种植藜麦[4]。随着传统玉米(Zea maysL.)等粮食种植面积的政策性调减，藜麦迎来了重要的发展契机；特别是藜麦能够在低温[5-6]、干旱[7-8]和盐碱[9-10]条件下生长，具有较强的抗逆性；将会在我国北方干旱地区以及盐渍化土壤等边际性土地表现出极大的优势。因此，研究藜麦种子萌发阶段对干旱和盐胁迫的响应在生产上具有重要的指导意义。

种子萌发阶段是植物一生中抗逆性最敏感的时期之一。植物种子萌发阶段的抗逆性是一个极其复杂的生理现象，植物对不同的逆境会产生不同的生理生化响应。关于植物的抗旱与耐盐的相关性，前人[11-13]做了大量研究，杨帆[11]在甜高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]萌发期，用100 mmol⋅L-1NaCl和等渗甘露醇模拟研究甜高梁盐害率和旱害率的隶属函数值，结果表明，甜高粱萌发期的抗盐性与抗旱性存在一定的正相关关系，抗盐强的品种一般抗旱性也强；但刘卓[12]研究苜蓿(Medicago sativaL.)发现，不同苜蓿品种表现的抗旱性与耐盐性的相关性不同；蒋锦鹏[13]采用隶属函数法对野生狼尾草[Pennisetum alopecuroides(L.) Spreng.]萌发期和幼苗生长期的多个指标进行抗旱、耐盐性评价，研究发现狼尾草的抗旱性与耐盐性之间无明显相关性。由此可见，同一植物不同品种之间抗旱性和耐盐性有可能完全不同。因此，比较研究同种植物在干旱胁迫和盐胁迫下响应变化，更利于植物抗旱、耐盐品种的选育及抗逆基因挖掘。

藜麦作为公认抗逆性强的作物之一，其对干旱和盐胁迫响应研究受到广泛重视。Schabes 等[14]发现，随着盐胁迫浓度的增加，藜麦的发芽率整体呈下降趋势。刘晓青[15]使用不同浓度的NaCl 处理4 个藜麦品种，随着NaCl 浓度的增加，藜麦种子的相对盐害率不断升高，发芽受抑制作用显著增强。温日宇等[16]探究了不同浓度PEG-6000 溶液对藜麦种子发芽的影响发现，随着PEG-6000 浓度的升高，藜麦种子的发芽率、发芽势、下胚轴长和根长都呈现逐渐降低的趋势。宿婧等[17]研究却表明，适宜质量浓度的PEG-6000 溶液能促进种子萌发，干旱条件能促进藜麦种子中游离氨基酸含量的增加。以上研究多是关注单因素胁迫，而对于藜麦萌发期抗旱性、耐盐性综合评价及其主要评价指标的研究较少。

本文采用PEG-6000 和NaCl 分别模拟干旱胁迫和盐胁迫处理，对5 个藜麦品种种子萌发阶段抗旱耐盐性指标进行了研究，并利用主成分分析方法综合评价藜麦的抗旱性和耐盐性，选择抗旱性和耐盐性的主要评价指标，为中低产田开发作物种植的筛选提供理论和数据支持。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试的藜麦种子由宁夏农林科学院马维亮研究员提供，品种名称见表1。

1.2 试验处理

试验于2019年3月在北方民族大学植物生理生态实验室进行。设置5 个PEG-6000(购自北京索莱宝科技有限公司)梯度，分别为蒸馏水处理(无胁迫对照)、-0.15 MPa、-0.30 MPa、-0.45 MPa、-0.60MPa，PEG-6000 胁迫溶液的配置参考Michel 等[18]的方法；设置4 个NaCl 浓度梯度，分别为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%；共计9 个处理。挑选饱满、色泽和大小基本一致的藜麦种子经10%的NaClO3溶液消毒20 min 后用无菌水冲洗至干净无味，用滤纸吸干种子表面水分后，铺在放有双层滤纸的培养皿中，每个培养皿准确摆放30 粒种子，加入10 mL 处理液。每个处理重复3次，将所有培养皿置于12 h(25℃)光照/12 h(20℃)黑暗的人工气候培养箱中进行萌发试验，试验期间每天更换培养基质，以保证培养环境的恒定。

1.3 测定指标与方法

试验过程中，每隔12 h 观察记录种子萌发情况，以胚根伸出种皮2 mm 为萌发标准，记录种子萌发个数后计算发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，为了消除不同品种间差异，采用各指标的相对值来反映对胁迫的响应[19]。

式中：Gt为t天内发芽的种子数，t为相应的萌发天数。

式中：S为平均幼苗长度。

7 d 后结束萌发，从每个处理中随机选出10 株幼苗，用数字式游标卡尺测量长度，用电子分析天平测量幼苗鲜重和干重。测干重前先105℃烘2 h 杀青，后80℃烘至恒重，含水量=(鲜重-干重)/鲜重×100%，相对长度=(处理长度/对照长度)×100%，相对鲜重=(处理鲜重/对照鲜重)×100%，相对干重=(处理干重/对照干重)×100%，相对含水量=(处理含水量/ 对照含水量)×100%。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003 进行数据统计处理，SPSS Statistic 21.0 进行主成分分析和相关性分析，GraphPad Prism 5.0 进行作图，图表中参数的数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 干旱和盐胁迫对藜麦种子发芽率动态变化的影响

由图1可知，干旱和盐胁迫均可影响藜麦种子发芽进程。除‘HTH-01’外，PEG-6000 渗透势低于-0.45 MPa 时，干旱胁迫均对不同品种的藜麦萌发具有抑制作用，延长了萌发的起始时间，到达发芽高峰期的时间也推迟；对于‘HTH-01’，随着干旱胁迫的增强，萌发的起始时间和到达发芽高峰期时间均推迟。不同浓度的NaCl 胁迫均可延长萌发的起始时间(图1)，当NaCl 浓度超过0.8%时，盐胁迫明显影响‘陇藜4 号’‘HTH-y605’‘南非2 号’的萌发进程；NaCl 浓度为1.6%时，可推迟‘HTH-01’达到发芽高峰期的时间，但对‘陇藜1 号’的影响不大。同时从图1可以看出，高浓度的NaCl 处理后，藜麦种子虽然 能够萌发，但萌发后会出现死苗现象。

图1 干旱和盐胁迫对不同藜麦品种(系)萌发进程的影响Fig.1 Effects of drought and salt stresses on germination of different quinoa varieties (lines)

2.2 干旱和盐胁迫对藜麦种子萌发指标的影响

2.2.1 干旱胁迫对藜麦种子萌发指标的影响

由图2可以看出，干旱胁迫下，与CK 相比，随着渗透势的降低，‘陇藜4 号’‘HTH-y605’‘南非2 号’相对发芽率呈先升高后下降趋势，-0.60 MPa 的PEG-6000 处理下‘陇藜4 号’‘HTH-y605’‘南非2 号’相对发芽率和相对发芽势显著低于CK 处理(P＜0.05)；‘陇藜1 号’的相对发芽率随着渗透势的降低无显著变化，相对发芽势随着渗透势的降低整体呈现下降趋势，-0.60 MPa 的PEG-6000 处理的相对发芽势显著低于CK 处理(P＜0.05)。而对于相对发芽指数来说，‘陇藜4 号’随着渗透势的降低呈先升高后下降趋势，‘HTH-y605’‘HTH-01’‘陇藜1 号’随着渗透势的降低整体呈现下降趋势。‘HTH-y605’的相对活力指数随着渗透势的降低呈下降趋势，其余品种则随着渗透势的降低呈先升高后下降趋势，在-0.15 MPa 的PEG-6000 处理下达最高值。

2.2.2 盐胁迫对藜麦种子萌发指标的影响

图2 干旱和盐胁迫对不同藜麦品种(系)萌发指标的影响Fig.2 Effects of drought and salt stresses on germination indices of different quinoa varieties (lines)

‘陇藜4号’萌发指标对盐胁迫的敏感明显高于其余品种(图2)，并且随着盐浓度的增高相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数和相对活力指数呈逐渐下降趋势；‘HTH-y605’的相对发芽率、相对发芽势和相对发芽指数随着盐浓度的增加呈先升高后下降趋势，在0.4%的NaCl 处理下达最高值，相对活力指数则呈逐渐下降趋势；‘南非2号’的相对发芽率整 体大致为下降趋势，1.6%的NaCl 处理的相对发芽率显著低于CK 处理(P＜0.05)，但其相对发芽势和相对发芽指数无显著下降；随着盐浓度的增加，‘HTH-01’相对发芽率、相对发芽势和相对发芽指数变化不明显，相对活力指数呈先升高后下降趋势，在0.4%的NaCl 处理下达最高值；‘陇藜1 号’的的相对发芽率、相对发芽势和相对发芽指数随着盐浓度的增加变化不明显，其相对活力指数随着盐浓度的增加呈下降趋势。

2.3 干旱和盐胁迫对藜麦早期幼苗生长指标的影响

2.3.1 干旱胁迫对藜麦种子生长指标的影响

由图3和图4可知，‘陇藜4 号’的相对长度随着渗透势的降低逐渐减少；‘HTH-y605’‘南非2 号’‘HTH-01’和‘陇藜1 号’的相对长度随着渗透势的降低呈先增大后减小趋势，均在-0.15 MPa 的PEG-6000 处理下达最大值。藜麦早期幼苗的相对鲜重和相对含水量随着渗透势的降低逐渐减少，从图3可以看出，‘HTH-y605’的降幅明显高于其他品种；不同品种藜麦早期幼苗的相对干重随着渗透势的降低呈先增大后减小趋势，均在-0.30 MPa 的PEG- 6000 处理下达最大值。

2.3.2 盐胁迫对藜麦种子生长指标的影响

图3 干旱和盐胁迫对不同藜麦品种(系)早期幼苗生长指标的影响Fig.3 Effects of drought and salt stresses on growth indices of early seedlings of different quinoa varieties (lines)

图4 干旱和盐胁迫对不同藜麦品种(系)早期幼苗生长的影响Fig.4 Effects of drought and salt stresses on growth of early seedlings of different quinoa varieties (lines)

由图3和图4可知，‘HTH-y605’和‘陇藜1 号’的相对长度随着盐浓度的增加逐渐减少；‘陇藜 4号’‘南非2 号’和‘HTH-01’的相对长度随着盐浓度的增加呈先增大后减小趋势，均在0.4%的NaCl 处理 下达最大值。‘南非2 号’的相对干重随着盐浓度的增加逐渐减少，‘陇藜4 号’‘HTH-y605’‘HTH-01’和‘陇藜1 号’的相对干重随着盐浓度的增加呈先增大后减小趋势，‘陇藜4 号’‘HTH-y605’和‘陇藜1 号’在0.4%的NaCl 处理下达最大值，‘HTH-01’在0.8%的NaCl处理下达最大值。所有品种的幼苗相对鲜重和相对含水量均随NaCl 浓度增加先升高后降低，‘南非2号’在1.2%处理下达最大值，‘陇藜4 号’和‘陇藜1 号’在 0.4%的 NaCl 处理下达最大值，‘HTH-y605’和‘HTH-01’在0.4%和0.8%的NaCl 处理下达最大值，两者间差异不显著。

2.4 藜麦萌发期抗旱性、耐盐性主成分分析

主成分分析能够消除测定指标之间信息重叠带来的干扰，从而综合分析植物的抗逆性。表2表明前2 个主成分累计贡献率达88.47%，考虑到累计贡献率高于85%的原则，所以提取前2 个主成分替代8个指标来评价藜麦萌发期抗旱性。前3 个主成分累计贡献率达85.21%，所以提取前3 个主成分替代8个指标来评价藜麦萌发期耐盐性。

表3为藜麦萌发期抗旱性主成分分析的2 个主成分及耐盐性主成分分析的3 个主成分与其8 个指标之间的相关系数(载荷矩阵)，其数值反映了指标对主成分负荷相对大小和作用的方向，绝对值越大，说明关系越密切。抗旱性主成分分析中，第Ⅰ主成分贡献率为76.17%，在第Ⅰ主成分中X5和X6的系数较大，说明相对长度和相对鲜重在第Ⅰ主成分有较大载荷，反映了干旱胁迫下藜麦早期幼苗的生长状况；第Ⅱ主成分贡献率为12.30%，相对发芽率和相对发芽势在第Ⅱ主成分的载荷较大，反映了干旱胁迫下藜麦的萌发状况。耐盐性主成分分析第Ⅰ主成分贡献率为45.23%，在第Ⅰ主成分相对长度和相对鲜重的载荷较大，反映了盐胁迫下藜麦早期幼苗的生长状况；第Ⅱ主成分贡献率为23.92%，相对发芽率和相对含水量在第Ⅱ主成分具有较大载荷；第Ⅲ主成分贡献率为16.05%，在第Ⅲ主成分X3和X4的载荷较大，反映了种子萌发时的综合指标。

表2 藜麦萌发期抗旱性、耐盐性主成分分析的特征根及贡献率Table2 Characteristic roots and contribution rates of principal components analysis of drought tolerance and salt tolerance in germination of quinoa

表3 藜麦萌发期抗旱性、耐盐性主成分分析的各因子载荷矩阵Table3 Factor loading matrix of principal component analysis of drought tolerance and salt tolerance of quinoa during germination

结合2 个主成分中每个指标所对应的系数(特征向量)，参照林海明等[20]的方法，以特征向量为权重根据主成分的计算公式分别构建藜麦萌发期抗旱性、耐盐性的主成分函数表达式，分别可得：

抗旱性：

耐盐性：

单一的Y1、Y2和Y3并不能对藜麦萌发期的抗旱性和耐盐性做出综合评价，以每个主成分所对应的特征值(主成分分析中矩阵正交化之后所对应特征向量对于整个矩阵的贡献程度)占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型，抗旱性：Y=0.861Y1+0.139Y2，耐盐性：Y=0.531Y1+ 0.281Y2+0.188Y3。根据主成分的线性组合以及综合得分公式，求得5 种藜麦抗旱性、耐盐性的主成分得分和综合得分，结果如表4所示。5 种藜麦萌发期抗旱性从强到弱依次为：‘南非2 号’＞‘HTH-01’＞‘陇藜4 号’＞‘陇藜1 号’＞‘HTH-y605’；5 种藜麦萌发期耐盐性从强到弱依次为：‘HTH-01’＞‘HTH-y605’＞‘陇藜4 号’＞‘陇藜1 号’＞‘南非2 号’。

2.5 对藜麦种子萌发期抗旱性与耐盐性的相关性分析

通过对藜麦萌发期抗旱性与耐盐性的主成分综合得分值进行相关性分析，其结果为：藜麦萌发期的抗旱性与耐盐性的主成分综合得分值相关系数为0.14，表明藜麦萌发期的抗旱性与耐盐性之间无明显相关性。

表4 藜麦各品种(系)综合因子得分(Y值)及抗逆性的排序Table4 Ranking of comprehensive factor score (Yvalue) and stress resistance of quinoa varieties (lines)

3 讨论与结论

种子萌发期对干旱和盐环境响应的研究关系到藜麦能否在边际性土地进行规模化种植。而发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数是评价种子萌发的常用指标，反映出种子的萌发能力[21-22]。植物从种子转化到幼苗过程中所需的物质及能量是由种子中贮藏的有机物提供，因此在种子萌发过程中幼苗长度、鲜重、干重等指标能体现出植物种苗转化状况[23]。干旱和盐胁迫对植物体均能造成渗透胁迫效应，除此之外，盐胁迫可造成植物体内离子平衡失调、有毒物质积累等影响，从而抑制植物生长发育。胁迫条件下植物的发芽率及外部形态是受胁迫影响的直接表现，胁迫越大，出苗率越低，从而影响后期发育以及产量[24]。在本研究中，不同胁迫对藜麦的发芽率、发芽势和发芽指数影响不大，却明显抑制活力指数，这可能是由于在种子萌发时的吸胀吸水阶段主要是物理过程，藜麦种子内的可水合的物质含量较高，导致其种皮的渗透势较低，利于其从环境中进行吸水作用，在细胞水合后很短时间内生理活动便启动，很快出现萌发完成的标志物胚根出现，而胁迫明显抑制其伸长，因此胁迫对藜麦种子发芽率、发芽势和发芽指数的影响不大，但显著抑制活力指数。

植物的抗逆性作为与环境因素密切相关的数量性状，不能够单一的使用某个指标进行综合评价[19]。对于植物抗逆性的研究，主成分分析已在甜高粱[19，25]、谷子(Setaria italicaBeauv)[26]、燕麦(Avena sativaL.)[27-28]等植物抗逆性的综合评价中得到广泛运用，此方法可以消除各指标信息重叠的干扰进行综合分析，从而对试验材料的抗逆性进行有效、准确的评定。吴奇等[19]和孙璐等[25]认为发芽率和根长可作为高粱萌发期抗旱性和耐盐性的可靠指标，并通过综合因子得分函数进行抗逆性排序。陈新等[27]认为种子活力指数是燕麦萌发期抗旱性鉴定的优选指标，而陶金等[28]研究表明发芽指数和发芽率是燕麦萌发期耐盐性的主要评价指标。前人对作物的抗旱性与耐盐性主要鉴定指标提出不同的观点，对不同的植物抗旱性与耐盐性的评价可能需要不同的指标进行鉴定。在本研究中，对藜麦萌发期抗旱性综合评价中，通过主成分分析将8 个指标归类为2 个成分因子，各成分分别以相对长度和相对发芽率负荷量最大，即可作为藜麦萌发期抗旱性主要鉴定指标；对藜麦萌发期耐盐性综合评价中，通过主成分分析将8 个指标归类为3 个成分因子，相对长度、相对发芽率和相对发芽指数分别为各成分因子上最大的载荷，可以作为藜麦萌发期耐盐性主要鉴定指标。

植物在生长发育过程中会遇到不同的胁迫环境，因此在漫长的进化过程中植物会形成各种抗逆机制，从而更好地抵抗或适应胁迫环境[13]。植物的抗旱性和耐盐性是一个复杂的过程，不同的生长发育阶段植物的抗旱性与耐盐性具有很大差别[29]。樊海燕[30]对披碱草(Elymus dahuricusTurcz.) 与野大麦[Hordeum brevisubulatum( Trin.) Link]杂种‘BC1F3’萌发期的抗旱性与耐盐性分别进行了研究，认为8种供试材料抗旱性与耐盐性并无明显关联，例如披碱草的抗旱性排名第2，而其耐盐性排名第8。本研究采用主成分分析的综合因子得分函数对藜麦萌发期抗旱性与耐盐性进行排序发现，‘陇藜4 号’的抗旱性最强，而其耐盐性最差，‘HTH-y605’的抗旱性与耐盐性均比较强。对藜麦的抗旱性与耐盐性进行相关性分析，结果显示藜麦萌发期的抗旱性与耐盐性之间无明显相关性。这与吴晓凤等[31]在10 种菊科(Asteraceae)植物以及董梅[32]在几种柴达木地区主要树种抗旱性与耐盐性比较的研究结果一致。