樊 仙，全怡吉，楊紹林，李如丹，鄧 軍，張躍彬

（云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 開遠(yuǎn) 661699）

0 引言

甘蔗是中國最主要、種植面積最大的糖料作物，全國85%以上的甘蔗種植在旱坡地[1]，干旱是影響甘蔗穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的重要因素，其抑制甘蔗生長發(fā)育，從而影響產(chǎn)量[2]。甘蔗品種因干旱減產(chǎn)，中度干旱減產(chǎn)幅度可達(dá)17%～52%[3]。未來30年，季節(jié)性和區(qū)域性連續(xù)干旱發(fā)生頻率可能提高[4]。冬春季節(jié)是甘蔗種植季，云南多發(fā)生冬春干旱，直接影響甘蔗萌芽與出苗，而幼苗的生長發(fā)育直接影響甘蔗產(chǎn)量。選育抗旱性強(qiáng)的甘蔗新品種是減少干旱威脅、提高水資源利用效率并保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)有效途徑[5]。耐旱品種篩選是提高抗旱甘蔗品種選育效率的前提，因此，準(zhǔn)確、合理地評價和鑒定品種抗旱性是甘蔗抗旱育種的關(guān)鍵，為進(jìn)一步選育高產(chǎn)抗旱新品種奠定基礎(chǔ)，是非常迫切和必要的。

干旱脅迫下，甘蔗通過產(chǎn)生一系列的生理生化變化，來減輕干旱的傷害[6]，表現(xiàn)出一系列的避旱性特征及生理差異。在干旱條件下植物葉片中的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD) 和過氧化物酶(Peroxidase, POD)快速降低[7-9]，質(zhì)膜透性(Plasma membrane permeability, PMP) 和丙二醛含量(Malondialdehyde,MDA)增高[10-11]，葉片細(xì)胞的膜系統(tǒng)因外界不良因素的影響而受損。邊芯等[12]研究得出持綠性甘蔗細(xì)莖野生種通過SOD、POD等酶活性變化減輕干旱的傷害，降低對干旱的敏感性。高三基等[5]利用因子分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法研究得出MDA、SOD活性對干旱表現(xiàn)出較高的靈敏度，可作為甘蔗抗旱鑒定生理指標(biāo)，還研究膜脂過氧化代謝和質(zhì)膜透性與甘蔗品種抗旱性的關(guān)系，建立相應(yīng)的判別模型[13]。田春艷等[3]利用模糊隸屬函數(shù)法、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析得出水分脅迫下拔節(jié)期甘蔗葉片的PMP、MDA、Pro含量、SOD和POD酶活性升高，變化幅度因甘蔗基因型及水分脅迫程度差異而不同，并且通過灰色關(guān)聯(lián)度分析和逐步回歸分析，明確質(zhì)膜透性、丙二醛、脯氨酸等是甘蔗抗旱性評價的有效關(guān)鍵指標(biāo)[14]。

干旱脅迫下，甘蔗產(chǎn)生各種錯綜復(fù)雜的生理變化，受多種因素影響，因此甘蔗抗旱性是多個性狀綜合作用的結(jié)果。夏紅明[13-15]等在甘蔗伸長期對其形態(tài)特征及生理生化方面開展抗旱性研究，而甘蔗幼苗期抗旱性研究較少，且多側(cè)重于單一的生理指標(biāo)方面研究[16]?？购敌栽u價在玉米[17-19]、小麥[20-22]、綠豆[23-24]、谷子[25-26]等作物上已建立有效的抗旱性鑒定指標(biāo)評價體系，苗期甘蔗生長發(fā)育是甘蔗高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此有針對性地對甘蔗品種幼苗進(jìn)行抗旱鑒定、篩選和評價是十分必要的。

本研究以進(jìn)入全國第十三輪區(qū)試及中心示范的11個甘蔗品種和‘ROC 22’為材料，利用隸屬函數(shù)綜合評價法，分析反復(fù)干旱對甘蔗品種幼苗成活率的影響及對葉片葉綠素含量、丙二醛含量等與抗旱性有關(guān)的生理生化指標(biāo)造成的變化，比較和評價甘蔗新品種抗旱性，探討不同抗旱新品種的抗旱機(jī)制，旨在為抗旱甘蔗品種選育和蔗區(qū)甘蔗品種推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為進(jìn)入全國第十三輪區(qū)試及中心示范的11 個甘蔗品種：‘云蔗05-51’(‘YZ 05-51’)、‘柳城09-15’(‘LC 09-15’)、‘云蔗08-1609’(‘YZ 08-1609’)、‘桂糖32’(‘GT 32’)、‘福農(nóng)08-3214’(‘FN 08-3214’)、‘德蔗12-88’(‘DZ 12-88’)、‘桂糖11-1076’(‘GT 11-1076’)、‘福農(nóng)09-6201’(‘FN 09-6201’)、‘粵甘49’(‘YG 49’)、‘云蔗11-1204’(‘YZ 11-1204’)，‘云瑞11-450’(‘YR 11-450’)，試驗(yàn)對照品種為‘ROC 22’。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所抗旱溫室進(jìn)行。供試土壤采自本地農(nóng)田耕作層紅壤0～30 cm，土壤主要理化性狀：全氮0.96 g/kg，全磷0.94 g/kg，全鉀14.41 g/kg，有機(jī)質(zhì)17.32 g/kg，堿解氮90.13 mg/kg，速效磷93.52 mg/kg，速效鉀58.15 mg/kg，pH 5.87。采用桶栽試驗(yàn)方法，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個甘蔗品種分別設(shè)反復(fù)干旱和正常供水2 個處理，5 次重復(fù)，將供試的甘蔗品種砍成單芽莖段，每桶下種4 個單芽，每個品種10桶，共120 桶。將土壤攪拌均勻過篩(3 mm)，去掉石塊、雜物后，用規(guī)格相同的塑料桶（深35 cm，桶底直徑30 cm，桶頂直徑40 cm，桶厚1 cm，桶底打5個透氣孔，孔徑0.5 cm），分別裝相同風(fēng)干土20 kg，土壤田間最大持水量為25.6%。播種前每桶施10 g(N:P2O5:K2O=24:10:14)緩釋復(fù)合肥作為基肥。于2018 年2 月26 日播種，正常灌水至3～5片真葉時進(jìn)行干旱脅迫，每天8:00采用稱質(zhì)量法控水并記錄，土壤相對含水量降至10%～20%時，50%甘蔗幼苗永久萎蔫，此時恢復(fù)灌水，使土壤含水量恢復(fù)到80%，5 天后調(diào)查蔗苗成活率。如此反復(fù)干旱脅迫2 次后調(diào)查蔗苗成活率，同時結(jié)合生理指標(biāo)評價甘蔗品種苗期的抗旱性。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

參照王彩艷[4]的方法計算幼苗反復(fù)干旱存活率。

參照李合生[27]的方法測定葉片葉綠素含量和相對電導(dǎo)率；采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒（常量法）測定脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

抗旱系數(shù)計算見公式(1)[26]。

抗旱性綜合評價采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法[28]，通過公式(2)計算各綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)值UXj值，公式(3)計算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj，公式(4)計算各綜合指標(biāo)的權(quán)重Wj，公式(5)計算各甘蔗品種的綜合評價值D，D值越大表明抗旱性越強(qiáng)。

式中Uxj為各品種第j個性狀的隸屬函數(shù)值，Xj為各品種某一指標(biāo)性狀的抗旱系數(shù)，Xmax與Xmin分別表示第j個性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)的最大與最小值。-Xj為供試甘蔗品種中第j個性狀指標(biāo)的平均值；Vj為第j個性狀指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；Wj為表示第j個性狀指標(biāo)權(quán)重；D表示各供試甘蔗品種的抗旱性綜合評價值。

采用Microsoft Excel 2010 軟件處理數(shù)據(jù)，采用SPSS19.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。運(yùn)用Duncan’s檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同甘蔗品種幼苗存活率的影響

幼苗干旱存活率綜合反映植株在干旱脅迫條件下的失水速率和復(fù)水以后的恢復(fù)速率[4]，其與苗期抗旱性的關(guān)系密切，已在玉米[29]、小麥[21]、綠豆[30]等作物中被認(rèn)為是苗期抗旱性鑒定的適宜指標(biāo)。由表1 可知，各甘蔗品種幼苗經(jīng)過2 次連續(xù)干旱后，存活率均明顯下降，且不同甘蔗品種下降的幅度存在差異。其中，‘LC 09-15’幼苗反復(fù)干旱存活率最高，平均值為85.00%，其次是‘GT 32’和‘FN 08-3214’，其幼苗反復(fù)干旱存活率平均分別為83.33%和81.67%；‘GT 11-1076’幼苗干旱存活率較低，平均為73.33%。

表1 反復(fù)干旱脅迫下甘蔗幼苗的存活率 %

2.2 干旱脅迫對不同甘蔗品種幼苗葉片生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 對葉片葉綠素含量的影響 研究表明，干旱脅迫下葉綠素含量的變化直接影響著植物光合作用的效率[31]。由圖1可知，與正常供水相比，各參試新品種及對照種‘ROC 22’在干旱脅迫下，苗期蔗葉葉綠素含量均有不同程度的降低，且降幅均達(dá)極顯著差異水平。降幅最小的甘蔗品種是‘YZ 08-1609’，為8.93%；降幅最大的是‘YG 49’，為57.76%；對照品種‘ROC 22’的降幅為41.94%。

圖1 干旱脅迫對葉片葉綠素含量的影響

2.2.2 對葉片相對電導(dǎo)率和丙二醛含量的影響 干旱脅迫引起甘蔗幼苗葉片電導(dǎo)率(REC)呈上升趨勢，質(zhì)膜透性增大。但甘蔗品種間電導(dǎo)率增幅不同，且增幅均達(dá)極顯著差異水平。增幅最小的甘蔗品種是‘YZ 11-1204’，為8.63%；增幅最大的是‘GT 11-1036’，為133.65%；對照品種‘ROC 22’的增幅為108.37%（圖2A）。

干旱脅迫條件下，各參試新品種及對照種‘ROC 22’的MDA含量均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，且增幅均達(dá)顯著差異水平。增幅最小的甘蔗品種是‘GT 32’，為46.39%；增幅最大的是‘YG 49’，為102.07%；對照品種‘ROC 22’的增幅為51.52%（圖2B）。

2.2.3 對葉片脯氨酸和可溶性糖含量的影響 干旱脅迫下Pro 和可溶性糖含量作為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在一定程度上可反映甘蔗植株受脅迫的嚴(yán)重程度[32-34]。由圖2得出，與正常供水相比，各參試新品種及對照種‘ROC 22’在干旱脅迫下，苗期蔗葉Pro 和可溶性糖含量均有不同程度的增加和積累，且增幅均達(dá)極顯著差異水平，但不同甘蔗品種間蔗葉Pro 和可溶性糖含量增加和積累能力不同。蔗葉Pro含量增幅最小的甘蔗品種是‘YG 49’，為51.23%；增幅最大的是‘YZ 11-1204’，為676.53%；對照品種‘ROC 22’的增幅為203.25%（圖3A）。蔗葉可溶性糖含量增幅最小的甘蔗品種是‘GT 32’，為2.57%；增幅最大的是‘LC 09-15’，為88.83%；對照品種‘ROC 22’的增幅為34.64%（圖3B）。

圖2 干旱脅迫對葉片相對電導(dǎo)率和丙二醛含量的影響

圖3 干旱脅迫對葉片脯氨酸和可溶性糖含量的影響

2.2.4 干旱脅迫對不同甘蔗品種幼苗抗氧化酶活性的影響POD和SOD在植物體內(nèi)擔(dān)負(fù)著清除細(xì)胞中活性氧的作用[35]。與正常供水相比，甘蔗苗期受到干旱脅迫后，甘蔗新品種及對照種‘ROC 22’葉片POD 和SOD活性均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，且降幅均達(dá)差異顯著水平。POD 活性降幅最小的品種是‘FN 08-3214’，為6.83%；降幅最大的品種是‘YZ 05-51’，為48.41%；對照品種‘ROC 22’降幅為23.43%（圖4A）。SOD活性降幅最小的品種是‘GT 32’，為10.52%；降幅最大的品種是‘FN 08-3214’，為67.50%；對照品種‘ROC 22’降幅為51.96%（圖4B）。

圖4 干旱脅迫對POD活性和SOD活性的影響

2.3 各單項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)及其相關(guān)分析

用公式（1）求出各單項(xiàng)生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)（表2）。由表2可知，干旱脅迫后，不同甘蔗新品種及對照品種‘ROC 22’苗期葉片葉綠素含量均有所下降；質(zhì)膜氧化程度（REC和MDA含量）和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（Pro和可溶性糖含量）均有不同程度地增加，保護(hù)酶活性（SOD 和POD）均有不同程度地降低。與正常澆水相比，干旱脅迫后不同甘蔗品種各指標(biāo)均發(fā)生了不同程度變化，且相同指標(biāo)各甘蔗品種間DC 值均存在明顯差異，因此，僅根據(jù)單一指標(biāo)的抗旱系數(shù)得出抗旱性大小的結(jié)論，必然有一定的片面性，這與田春艷等[1]、杜彩艷等[4]的研究結(jié)果一致。

表2 甘蔗品種各單項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)

2.4 12個甘蔗品種苗期抗旱性綜合評價

結(jié)合甘蔗幼苗干旱存活率，通過對苗期12個甘蔗品種的存活率、葉綠素、MDA、REC，Pro、可溶性糖，POD、SOD 等8 項(xiàng)抗旱相關(guān)生理指標(biāo)的抗旱隸屬函數(shù)值計算，得到各甘蔗品種綜合評價值（表3），綜合評價D值越大，表明該品種抗旱性越強(qiáng)。依此將12個甘蔗品種的苗期抗旱性從強(qiáng)到弱的排序?yàn)椤甃C 09-15’＞‘GT 32’＞‘FN 08-3214’＞‘YZ 08-1609’＞‘YZ 11-1204’＞‘YZ 05-51’＞‘YR 11-450’＞‘DZ 12-88’＞CK (‘ROC 22’)＞‘GT 11-1076’＞‘FN 09-6201’＞‘YG 49’。參照吳文榮[36]的抗旱分級方法，將供試甘蔗品種抗旱性綜合評價值D劃分，D＞0.749，抗旱性極強(qiáng)；0.749≥D＞0.617，抗旱性強(qiáng)；0.617≥D＞0.484，抗旱性中等；0.484≥D＞0.352，抗旱性弱；D≤0.352，抗旱性極弱。由此得出，‘LC 09-15’屬于抗旱極強(qiáng)甘蔗品種，‘GT 32’和‘FN 08-3214’屬于抗旱性強(qiáng)甘蔗品種，而對照‘ROC 22’、‘DZ 12-88’和‘YR 11-450’屬于抗旱性弱甘蔗品種，‘GT 11-1076’、‘FN 09-6201’和‘YG 49’屬于抗旱性極弱甘蔗品種。

表3 甘蔗品種苗期抗旱性評價

3 討論與結(jié)論

甘蔗抗旱性與品種基因型、形態(tài)特征及生理生化反應(yīng)有密切關(guān)系，同時受干旱發(fā)生時期、強(qiáng)度及持續(xù)時長的影響[37]。苗期是甘蔗生長最為敏感的時期，對其今后的生長發(fā)育也最為重要。苗期遇旱會使甘蔗出苗率降低，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。研究表明，苗期反復(fù)干旱脅迫處理的甘蔗植株長勢具有較強(qiáng)的后續(xù)性效應(yīng)，其生長發(fā)育直接影響甘蔗產(chǎn)量，遠(yuǎn)超過其他生育期受旱脅迫的植株[38]。苗期是甘蔗品種抗旱鑒定、篩選適宜時期[2]。大量研究表明，應(yīng)用單一指標(biāo)評價抗旱性存在片面性，其評價結(jié)果與多個指標(biāo)綜合評價得出的結(jié)果是不完全一致的，因此采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價，更能提高抗旱性鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性[39-40]和可靠性[41-43]。張智猛等[44]應(yīng)用抗旱系數(shù)法和隸屬函數(shù)值法，評價中國北方29個主栽花生品種的綜合抗旱性。杜彩艷等[45]采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法，對玉米苗期抗旱性進(jìn)行綜合評價。本試驗(yàn)運(yùn)用抗旱系數(shù)法和隸屬函數(shù)值法，結(jié)合甘蔗苗期生長形態(tài)和生理指標(biāo)進(jìn)行甘蔗苗期抗旱評價，充分利用各指標(biāo)之間的有效信息，彌補(bǔ)了單個指標(biāo)評定抗旱性的局限，評價結(jié)果更具全面性和可靠性[41,46]。

前人研究表明植株的存活能力是反映材料抗旱性的最直接且最實(shí)用的指標(biāo)[4,45,47]。因此，本研究對甘蔗苗期存活率、葉綠素含量、脯氨酸、丙二醛、過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶等與抗旱性相關(guān)的8 個表型性狀和生理生化指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致甘蔗形態(tài)及生理生化指標(biāo)發(fā)生不同程度變化，12個不同甘蔗品種存活率、葉綠素含量、POD 和SOD 酶活性均有所下降，不同品種間下降程度存在一定差異，這與張永清等人的研究結(jié)果一致[48]。葉片相對電導(dǎo)率、丙二醛、脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量則不同程度升高，且不同品種間增幅有差異。

抗旱性是受多種因素影響的復(fù)雜數(shù)量綜合性狀，單一指標(biāo)不能全面而準(zhǔn)確地評價抗旱性的強(qiáng)弱[49]。本研究采用抗旱系數(shù)法和隸屬函數(shù)值法對干旱脅迫下12 個甘蔗品種存活率、葉綠素、MDA、REC，Pro、可溶性糖，POD、SOD 進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明，反復(fù)干旱脅迫下，‘LC 09-15’、‘GT 32’、‘FN 08-3214’、‘YZ 08-1609’、‘YZ 11-1204’、‘YZ 05-51’、‘YR 11-450’和‘DE 12-88’等8個甘蔗品種的苗期抗旱性強(qiáng)于對照品種‘ROC 22’。通過甘蔗優(yōu)異抗旱品種的篩選和推廣，解決蔗區(qū)主栽甘蔗品種‘ROC 22’種性退化性狀，為蔗區(qū)有效抵御早春干旱，提高甘蔗出苗率，為甘蔗穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。