劉碩，樊仙，全怡吉，楊紹林，李如丹，鄧軍，張躍彬

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn) 661699；2.云南大學(xué)資源植物研究院，昆明 650000）

0 引言

甘蔗是主要的糖料作物和能源作物，中國是世界第三大甘蔗種植國家，其中廣西和云南的甘蔗種植面積占全國90%以上[1]。云南甘蔗種植主要集中于旱坡地，氣候變化所導(dǎo)致的干旱加劇及水資源短缺，嚴(yán)重影響了甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。品種區(qū)域化試驗(yàn)是新品種選育過程中的重要步驟，對參試品種的抗旱性評價(jià)對指導(dǎo)新品種因地制宜地推廣應(yīng)用有著重大意義。近年來，國內(nèi)外對于甘蔗遭受干旱脅迫的研究越來越深入[3-6]。由于單一指標(biāo)并不能客觀體現(xiàn)甘蔗抗旱性的強(qiáng)弱，有學(xué)者通過統(tǒng)計(jì)分析方法將不同指標(biāo)相結(jié)合，對甘蔗抗旱性進(jìn)行評價(jià)。田春艷等[7]利用抗旱系數(shù)（DC）、隸屬函數(shù)及灰色關(guān)聯(lián)度等方法對‘云瑞’創(chuàng)新親本進(jìn)行抗旱性評價(jià)，并明確了抗旱性評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)；王尊欣等[8]結(jié)合主成分分析、聚類分析等方法對廣東省7個(gè)區(qū)試品種的抗旱性進(jìn)行了劃分；邊芯等[9]通過聚類分析將持綠型割手蜜的抗旱能力劃分為3類；李曉君[10]、楊建波[11]、蘭婧[12]、楊海霞[13]等通過測定甘蔗葉片含水率、葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透物質(zhì)含量對甘蔗抗旱性進(jìn)行評價(jià)，說明這些可作為甘蔗抗旱性評價(jià)的優(yōu)良指標(biāo)。第十四輪全國甘蔗區(qū)域化試驗(yàn)品種在全國各地區(qū)均有種植，目前關(guān)于其生長和產(chǎn)量相關(guān)的研究較多[14]，對其抗旱性研究較少。為進(jìn)一步探索區(qū)試品種在干旱脅迫下的生長表現(xiàn)與抗旱能力，本研究對14 個(gè)甘蔗區(qū)試品種在人工氣候溫室內(nèi)采用控水法，分析甘蔗伸長期形態(tài)及生理指標(biāo)的變化并進(jìn)行抗旱性評價(jià)，為甘蔗抗旱品種的鑒定、選育以及推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用第十四輪區(qū)試品種‘云蔗11-1074’、‘云瑞12-263’、‘福農(nóng)10-0574’、‘中蔗6 號’、‘桂糖13-386’、‘福農(nóng)10-14405’、‘海蔗28 號’、‘粵甘51 號’、‘粵甘52 號’、‘粵甘53 號’、‘柳城09-19’、‘中蔗13 號’、‘中糖13-01’和對照品種‘新臺糖22號’共14個(gè)參試品種，由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于云南省開遠(yuǎn)市云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所抗旱育種溫室中進(jìn)行。將試驗(yàn)材料進(jìn)行桶植（規(guī)格為Φ 40 cm×h 35 cm），每桶分別種植4個(gè)單芽，出苗后選取健康蔗苗定苗3 株進(jìn)行常規(guī)管理。于2020年9月甘蔗伸長期時(shí)對長勢一致的甘蔗開始進(jìn)行干旱脅迫處理，設(shè)置干旱處理（DS）和正常澆水（CK）兩個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

在干旱處理的第6天，盆中土壤含水量平均值為18.4%，占田間持水量的43%，達(dá)到中度水分脅迫。測定植株的9項(xiàng)指標(biāo)：株高、綠葉率、葉片含水率、葉綠素含量（SPAD）值、葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽還原酶（GR）、丙二醛（MDA）。葉綠素含量采用手持SPAD-502 測定+1葉SPAD值。葉片相對含水率使用稱重法測定，SOD活性用WAT-8法測定[15]，POD活性用微量法測定[16]，CAT用鉬酸銨比色法測定[17]，MDA 含量用硫代巴比妥酸法測定[18]，GR 活性采用試劑盒進(jìn)行測定。在每個(gè)時(shí)期取樣前測量株高并記錄綠葉數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel整理數(shù)據(jù)，SPSS25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin2019軟件進(jìn)行圖片處理。

1.4.1 差異顯著性檢測

參照羅俊杰等[19]的方法，采用配對處理t檢驗(yàn)對對照組、干旱組各指標(biāo)測定值進(jìn)行差異顯著性檢測。

1.4.2 計(jì)算抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)

1.4.3 計(jì)算各綜合指標(biāo)的權(quán)重

式中，wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重；通過主成分分析計(jì)算得出各綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率pj，表示第j個(gè)指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要程度。

1.4.4 計(jì)算參試材料的綜合指標(biāo)值

1.4.5 計(jì)算參試材料隸屬函數(shù)值

式中，Xi表示第i個(gè)參試材料隸屬函數(shù)值；Ximin和Ximax分別為綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

1.4.6 計(jì)算參試材料的綜合抗旱能力

式中，Di表示第i個(gè)參試材料在干旱脅迫下用綜合評價(jià)指標(biāo)所得的抗旱性綜合評價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 正常供水與干旱脅迫下甘蔗各指標(biāo)測定值分析

由表1可以看出，干旱脅迫下甘蔗的形態(tài)以及生理特征指標(biāo)發(fā)生了變化，干旱對于甘蔗植株生長有一定影響，14 個(gè)品種株高平均值相差14.77 cm；不同甘蔗品種的綠葉率均受到一定影響，其中‘柳城09-19’綠葉率降幅最大，降至22.98%，‘福農(nóng)10-14405’綠葉率最高，在干旱脅迫下仍保持98.52%；14個(gè)甘蔗品種葉片相對含水率在干旱脅迫下有著不同程度的降低，其中‘柳城09-19’的葉片含水率降幅最大，僅為16.94%；SPAD為葉片葉綠素含量，‘福農(nóng)10-14405’干旱脅迫期間SPAD 值最高，‘桂糖13-386’最低，這與綠葉率表現(xiàn)相一致，‘粵甘52號’的SPAD 值降幅最大；在干旱脅迫下，活性氧的增加導(dǎo)致抗氧化酶（SOD、POD、CAT、GR）活性發(fā)生變化，變化水平因品種而異。14個(gè)品種中有6個(gè)品種SOD活性增加，10個(gè)品種POD 活性增加，12個(gè)品種CAT活性增加，11 個(gè)品種GR 活性增加；MDA 作為體現(xiàn)脅迫時(shí)所受傷害的重要指標(biāo)，值越高表示甘蔗細(xì)胞受損程度越嚴(yán)重，可以看出在干旱脅迫下‘粵甘51 號’的MDA 含量最高。不同品種的單一指標(biāo)在干旱脅迫下的變化并不能完全展示甘蔗的抗旱能力，因此需要使用其它分析方法對抗旱性進(jìn)行檢驗(yàn)和評價(jià)。t檢驗(yàn)結(jié)果表明干旱脅迫對參試甘蔗品種各項(xiàng)指標(biāo)的測定值有著較大的影響，除SOD 表現(xiàn)出不顯著外，綠葉率、葉片相對含水率、SPAD 值、CAT 活性和株高這5 個(gè)指標(biāo)中正常供水與干旱脅迫兩處理間均達(dá)到極顯著差異（P＜0.01），POD、GR 活性和MDA 含量這3 個(gè)指標(biāo)中兩處理間達(dá)到顯著差異（P＜0.05），說明達(dá)到了較好的干旱脅迫效果。由于同一參試品種其不同生理形態(tài)指標(biāo)的抗旱系數(shù)和同一生理形態(tài)指標(biāo)下不同參試品種的抗旱系數(shù)都有著不同幅度的變化，因此不能直接將抗旱系數(shù)作為參試品種抗旱性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此我們選擇了抗旱指數(shù)（表2）來對14 個(gè)品種的抗旱性進(jìn)行評價(jià)?？梢钥闯觥迫?2-263’有3 個(gè)指標(biāo)為最大值、‘福農(nóng)10-14405’有2個(gè)指標(biāo)為最大值，‘柳城09-19’有4個(gè)指標(biāo)為最小值。

表2 參試品種指標(biāo)的抗旱指數(shù)Table 2 Drought tolerance coefficient of the tested varieties

表1-1 正常供水與干旱脅迫條件下各指標(biāo)測定值差異性分析Table 1-1 Difference analysis of measured values of each index under normal water supply and drought stress conditions

表1-2 正常供水與干旱脅迫條件下各指標(biāo)測定值差異性分析Table 1-2 Difference analysis of measured values of each index under normal water supply and drought stress conditions

2.2 主成分分析

以參試品種干旱脅迫下指標(biāo)的隸屬函數(shù)值為基礎(chǔ)進(jìn)行主成分分析，由表3可以看出前5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.11%。所以可將原來9個(gè)抗旱指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5 個(gè)新的相互獨(dú)立的抗旱性綜合指標(biāo)（以F1、F2、F3、F4、F5 表示）。在第1 主成分中，POD、CAT、GR 和MDA 有著較大的載荷量；在第2 主成分中，綠葉率和葉片相對含水率有著較大的載荷量；在第3 主成分中，株高有著較大的載荷量；在第4主成分中，SOD 有著較大的載荷量；在第5 主成分中，葉綠素含量有著較大的載荷量，可以總結(jié)為形態(tài)因子、調(diào)控因子和傷害因子。這表明，株高、綠葉率、葉片含水率（形態(tài)因子）、抗氧化酶活性（生理調(diào)控因子）、丙二醛含量（傷害感受因子）均可以作為區(qū)試品種甘蔗抗旱性的評價(jià)指標(biāo)。

表3 主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvectors and contribution rate of principal components

2.3 綜合評價(jià)

2.3.1 隸屬函數(shù)分析

根據(jù)干旱脅迫下指標(biāo)的隸屬函數(shù)值計(jì)算參試品種的綜合指標(biāo)CIj，再將CIj進(jìn)行隸屬函數(shù)計(jì)算出對應(yīng)隸屬函數(shù)值μj。由表4 可以看出在干旱脅迫下，‘海蔗28 號’的μ1最大，值為1.0000，表明‘海蔗28 號’在綜合指標(biāo)CI1上具有較強(qiáng)的抗旱性；‘福農(nóng)10-14405’的μ1最小，為0.0000，說明‘福農(nóng)10-14405’在綜合指標(biāo)CI1上具有較差的抗旱性。μ2、μ3、μ4、μ5的最大值分別對應(yīng)‘福農(nóng)10-14405’、‘云瑞12-263’、‘粵甘52 號’和‘福農(nóng)10-14405’。μ2、μ3、μ4、μ5的最小值分別對應(yīng)‘海蔗28號’、‘粵甘52號’、‘海蔗28號’和‘粵甘52號’。

表4 參試品種的綜合指標(biāo)值、隸屬函數(shù)值和D 值Table 4 Comprehensive index value,membership function value and D value of the tested varieties

2.3.2 權(quán)重測定

依據(jù)表3 中各項(xiàng)指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率，可以算出前5 個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為32.44%、16.52%、16.19%、10.72%和8.24%，使用公式（3）求出5個(gè)綜合指標(biāo)的因子權(quán)重分別為0.386、0.196、0.193、0.127、0.098。

2.3.3 綜合評價(jià)

根據(jù)公式（7）計(jì)算出各參試品種的綜合抗旱能力D值。通過從大到小排序從表4可以看出，作為目前我國主要栽培品種‘新臺糖22 號’，其抗旱能力強(qiáng)于11 個(gè)參試品種。依據(jù)D值，14 個(gè)品種抗旱能力從強(qiáng)到弱綜合排序?yàn)椋骸迫?2-263’（0.8113）＞‘福農(nóng)10-0574’（0.6091）＞‘新臺糖22 號’（0.5872）＞‘福農(nóng)10-14405’（0.5807）＞‘云蔗11-1074’（0.5733）＞‘海蔗28 號’（0.5628）＞‘中蔗6號’（0.5539）＞‘粵甘52號’（0.5503）＞‘桂糖13-386’（0.4820）＞‘中糖13-01’（0.4811）＞‘粵甘53 號’（0.4155）＞‘粵甘51 號’（0.4110）＞‘柳城09-19’（0.4009）＞‘中蔗13號’（0.3862）。

3 討論

在對植物抗旱性進(jìn)行評價(jià)時(shí)，單一指標(biāo)已經(jīng)不能客觀說明植物的抗旱表現(xiàn)。以多種分析方法相結(jié)合評價(jià)植物的抗旱性已經(jīng)被越來越多的學(xué)者所運(yùn)用，在甘薯[21]、棉花[22]、咖啡[23]、菊花[24]等各種類型的植物中均被廣泛采用。在干旱脅迫時(shí)，植物的形態(tài)指標(biāo)往往能夠體現(xiàn)出植株的受害程度，本研究中葉片綠葉率與葉片含水率為第二主成分中的兩個(gè)代表指標(biāo)，不同甘蔗品種綠葉率的變化有著巨大差距，葉片是植物進(jìn)行光合作用和呼吸的重要場所，綠葉數(shù)高的甘蔗品種，能夠保持較好的物質(zhì)轉(zhuǎn)換能力以滿足自身生理需求，減少干旱脅迫帶來的傷害。植物細(xì)胞的水分主要由自由水和結(jié)合水組成，葉片含水率較高的甘蔗品種，能夠在干旱脅迫下維持細(xì)胞內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)，保持正常的生理生化反應(yīng)進(jìn)行并及時(shí)對干旱脅迫做出響應(yīng)。有研究表明葉片含水率可作為甘蔗抗旱評價(jià)的重要指標(biāo)[10]。葉綠素是光合作用的重要物質(zhì)，有研究表明抗旱性強(qiáng)的甘蔗品種具有較好的葉綠體結(jié)構(gòu)[25]。在本研究中‘福農(nóng)10-14405’在干旱脅迫處理中葉片SPAD 值最高，其抗旱綜合排序?yàn)榈?。在植物遭受到脅迫時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生活性氧（ROS），如果不及時(shí)清除則會(huì)對植物正常生長造成嚴(yán)重影響[25]，此時(shí)抗氧化酶對清除活性氧發(fā)揮著巨大作用。本研究表明在干旱脅迫下SOD、POD、CAT 和GR 的活性均有所增加，因品種不同而增加幅度各異。由于細(xì)胞在干旱脅迫下受到傷害，大部分參試品種MDA 含量要高于對照處理。

‘新臺糖22 號’作為我國栽培面積較廣的品種，具有一定的抗旱性[27]，在本研究中‘新臺糖22 號’抗旱性排序第3。有研究認(rèn)為GR含量與植物抗旱性相關(guān)聯(lián)[28]，本研究中‘新臺糖22號’在干旱脅迫下GR 含量較CK提升較大。與‘新臺糖22 號’號相比，‘云瑞12-263’抗旱性排序第1，主要是由于其有著較高的葉片含水率和抗氧化酶活性，對干旱脅迫有著較快的反應(yīng)；‘福農(nóng)10-0574’在排序中排名第2，該品種具有較高的綠葉率、葉片含水率和葉綠素含量；但是株高偏低。其它抗旱性排序較低的品種普遍綠葉率較低、葉片受傷害比較嚴(yán)重、葉片含水率低以及抗氧化酶活性提升較小。本研究從干旱伸長期出發(fā)，研究中等干旱條件下甘蔗的抗旱能力。有研究表明，不同時(shí)期的抗旱性評價(jià)會(huì)導(dǎo)致植物抗旱排名出現(xiàn)變化[29-30]。甘蔗的抗旱性分析是從多角度出發(fā)的，品種的不同以及評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)方法的不同均會(huì)導(dǎo)致抗旱性排名出現(xiàn)小幅度的改變。

國家品種區(qū)域化試驗(yàn)是品種選育、篩選和檢驗(yàn)的重要方法。通過對區(qū)試品種的調(diào)查和分析，檢驗(yàn)不同地區(qū)品種的生長趨勢，對于我國甘蔗品種發(fā)展有著重要意義。本研究所選指標(biāo)間對照與干旱處理均存在極顯著差異，說明指標(biāo)在干旱脅迫下較為敏感，可以作為抗旱能力的評價(jià)條件。通過主成分分析將9個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5 個(gè)新的綜合指標(biāo)，根據(jù)5 個(gè)因子的載荷量，可以將其歸納為形態(tài)因子、生理調(diào)控因子和傷害感受因子三類，這三類因子與甘蔗抗旱能力息息相關(guān)。本研究采用隸屬函數(shù)分析，結(jié)合因子分析計(jì)算出綜合抗旱度量值D，根據(jù)D值對參試品種抗旱能力進(jìn)行了排序。本研究在云南省開遠(yuǎn)市進(jìn)行，由于各品種的生長時(shí)期和對氣候條件適應(yīng)程度不同，本研究僅針對參試品種各生理相關(guān)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了分析和排序，各品種的抗旱能力應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合大田試驗(yàn)中產(chǎn)量和質(zhì)量等進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)論

通過對干旱脅迫下甘蔗株高、綠葉率、葉片含水率、葉綠素含量（SPAD）、SOD 活性、POD 活性、CAT、GR活性和MDA 含量的研究分析，參試的14 個(gè)甘蔗品種在本試驗(yàn)中的抗旱性綜合排序?yàn)椋骸迫?2-263’＞‘福農(nóng)10-0574’＞‘新臺糖22 號’＞‘福農(nóng)10-14405’＞‘云蔗11-1074’＞‘海蔗28 號’＞‘中蔗6 號’＞‘粵甘52號’＞‘桂糖13-386’＞‘中糖13-01’＞‘粵甘53號’＞‘粵甘51號’＞‘柳城09-19’＞‘中蔗13號’。