李王勝，王雪倩，尹希龍，石 楊，興 旺

（1國家甜菜種質(zhì)中期庫，黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點實驗室/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150080）

0 引言

甜菜是藜科，甜菜屬二年生草本植物，是全球主要的糖料作物之一[1]。甜菜生長中后期抗旱性強但苗期抗旱性弱[2]，中國甜菜主要產(chǎn)地為新疆、黑龍江和內(nèi)蒙古等降水量少的地區(qū)，因此，在干旱脅迫條件下對甜菜種質(zhì)資源苗期進行抗旱性研究，有助于促進甜菜種質(zhì)資源更好地適應(yīng)干旱環(huán)境提高其生物量產(chǎn)量。

自然環(huán)境對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了許多限制條件，尤其是水分脅迫這個全球性問題[3]，大多數(shù)地區(qū)降水不足，灌溉條件差，不能滿足作物正常需水，水分脅迫會降低作物產(chǎn)量、生物量積累和生長質(zhì)量[4]，缺水的條件下可能會引起甜菜葉片和根系的一系列形態(tài)變化加速葉部衰老[5-6]。RAHIM等[7]對甜菜研究后發(fā)現(xiàn)干旱脅迫后甜菜的根干重和地上部干重降幅較大；BROWN等[6]研究結(jié)果表明干旱脅迫降低了甜菜須根數(shù)和地上部的生長速率并且葉部聚攏；謝小玉等[8]發(fā)現(xiàn)油菜葉片相對含水量對干旱脅迫敏感并在10份種質(zhì)中篩選出3份抗旱資源；汪燦等[9]在50份薏苡種質(zhì)中篩選出3份抗旱性強薏苡種質(zhì)并認為幼苗存活率、株高、葉寬、根長和根鮮重可作為評價薏苡種質(zhì)資源苗期抗旱性的指標(biāo)性狀。

中國甜菜主產(chǎn)區(qū)降水量較少，干旱成為限制甜菜生產(chǎn)的主要非生物脅迫因素[10]。苗期鑒定種質(zhì)資源抗旱性具有快速、方便的特點，目前，關(guān)于甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱性鑒定及指標(biāo)篩選的報道較少。本研究采用PEG-6000對24份甜菜種質(zhì)資源苗期進行模擬干旱脅迫，并利用綜合評價法對地上部指標(biāo)：莖粗、株高、葉鮮重、葉干重、葉飽和鮮重、葉片相對含水量；地下部指標(biāo)：根長、根鮮重、根干重、根冠比等指標(biāo)進行評價篩選出不同耐旱性的甜菜種質(zhì)資源和適合評價甜菜苗期抗旱性的快速鑒定指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

24份試驗材料由國家甜菜種質(zhì)中期庫提供，分別來自：荷蘭、美國、俄羅斯、日本、意大利和中國（表1）。

表1 供試種質(zhì)資源及來源

1.2 試驗處理

本試驗于2021年4—6月在黑龍江大學(xué)國家甜菜種質(zhì)中期庫人工氣候室內(nèi)進行，每份種質(zhì)資源挑選50粒飽滿一致的種子，用紗布包裹在75%酒精中浸泡1 min后沖洗干凈，再用2‰福美雙溶液浸泡12 h，次日用流水沖洗后將種子播于蛭石中。

播種后每天噴灑少量水分，第一對子葉完全展開時，每份甜菜種質(zhì)資源取12株長勢一致的幼苗移栽于24孔裝有霍格蘭溶液的培養(yǎng)盆中，每盆兩份甜菜種質(zhì)資源，每7天換一次營養(yǎng)液，第2次換營養(yǎng)液時每份甜菜種質(zhì)資源取6株進行正常培養(yǎng)（CK組），其余6株置于6% PEG-6000霍格蘭溶液中培養(yǎng)（DS組），7天后進行取樣。

1.3 測定項目與方法

地上部指標(biāo)：根莖分界處直徑即為莖粗；量取植株頂端到根莖分界處即為株高；將葉片沿葉柄頂端剪下稱重即為葉鮮重；將葉片放入烘箱中110℃殺青30 min后80℃烘至恒重即為葉干重；將葉片在蒸餾水中浸泡4 h后稱重即為葉片飽和鮮重；參考李陽陽[11]的方法對葉片相對含水量進行測定。

地下部指標(biāo)：根莖分界處到根末端的長度為根長；沿根莖分界處剪斷稱取根部重量為根鮮重；將根部與葉部一起烘干后測量根干重；根鮮重/葉鮮重=根冠比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2010和SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行處理與分析，參考蘭巨生[12]、羅俊杰[13]等方法計算各指標(biāo)的抗旱系數(shù)(Drought resistance coefficient，DC)和抗旱性度量值(Drought resistance measurement，D)。

式中，DSi、CKi分別為各指標(biāo)干旱處理和對照處理下測定的平均值；xi為各指標(biāo)干旱系數(shù)，xmin為各指標(biāo)干旱系數(shù)最小值，xmax為各指標(biāo)干旱系數(shù)最大值；aij表示各單一指標(biāo)所對應(yīng)的特征向量，Xij表示各種質(zhì)指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值；Pj為各種質(zhì)資源第j個綜合指標(biāo)的貢獻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試種質(zhì)資源各指標(biāo)差異分析

表2為不同甜菜種質(zhì)資源各指標(biāo)差異分析結(jié)果。干旱脅迫后莖粗、株高、根長、葉鮮重、根鮮重、根干重、葉干重、葉飽和鮮重和葉片相對含水量均顯著降低，根長降幅最低下降幅度為12.32%，葉鮮重降幅最高下降幅度為72.33%；干旱脅迫后根冠比增幅達到162.87%。測定的10項指標(biāo)在干旱脅迫后均發(fā)生了不同的顯著變化，說明所測定指標(biāo)可反映不同甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱情況。

表2 CK組和DS組的各指標(biāo)差異分析

10項指標(biāo)在正常供水條件下變異系數(shù)范圍在0.037～0.625之間，說明所選甜菜種質(zhì)資源類型豐富具有良好的代表性；干旱脅迫條件下變異系數(shù)范圍在0.165～0.723之間，說明不同甜菜種質(zhì)資源對干旱脅迫反應(yīng)的敏感性差異較大。

2.2 供試種質(zhì)資源抗旱系數(shù)分析

由圖1可以看出24份甜菜種質(zhì)抗旱系數(shù)之間存在差異且同一種質(zhì)資源各指標(biāo)之間的抗旱系數(shù)不同。24份甜菜種質(zhì)資源根冠比抗旱系數(shù)在0.822～5.806之間，大部分種質(zhì)資源根冠比抗旱系數(shù)遠高于其他指標(biāo)。1號、4號、5號、6號、7號、12號、13號、18號、19號、20號、22號、24號等甜菜種質(zhì)資源除根冠比外，其他指標(biāo)抗旱系數(shù)均小于1，說明這些甜菜種質(zhì)資源的抗旱性較弱，其中由各指標(biāo)抗旱系數(shù)可知19號、20號、24號甜菜種質(zhì)資源對干旱反應(yīng)最為敏感；3號、10號、16號甜菜種質(zhì)資源一半以上指標(biāo)的抗旱系數(shù)都大于1，說明這3份甜菜種質(zhì)資源抗旱性較強，其中10號種甜菜質(zhì)資源抗旱性最強。但是直接采用各指標(biāo)抗旱系數(shù)對甜菜種質(zhì)資源進行抗旱性進行評價很難客觀準(zhǔn)確地說明鑒定結(jié)果，因此還要進行多指標(biāo)綜合評價才更加可靠。

圖1 抗旱系數(shù)箱圖

續(xù)表2

2.3 主成分分析

前兩個綜合指標(biāo)因子1和因子2的貢獻率分別為69.62%和11.88%，累計貢獻率為81.5%＞80%，特征根為λ=1.19＞1，因此可以用前兩個綜合指標(biāo)代替10個單項指標(biāo)，可作為數(shù)據(jù)分析的重要依據(jù)。在因子1中莖粗、葉鮮重、根鮮重、根干重、葉干重、葉飽和鮮重等指標(biāo)的因子系數(shù)絕對值較大，說明該綜合指標(biāo)主要代表重量指標(biāo)；在因子2中株高、根長、根冠比、葉片相對含水量等指標(biāo)的因子系數(shù)絕對值較大，說明該綜合指標(biāo)主要代表長度和比值指標(biāo)（表3）。

表3 不同指標(biāo)抗旱系數(shù)主成分分析

2.4 24份甜菜種質(zhì)資源抗旱性綜合評價

利用公式(2)計算出各指標(biāo)抗旱系數(shù)的隸屬函數(shù)值，之后再根據(jù)公式(3)計算出各綜合指標(biāo)值，最后根據(jù)公式(5)計算抗旱性度量值D。由圖2可知D值介于0.131～2.34之間，其中10號甜菜種質(zhì)資源抗旱性度量值D值最大為2.34，說明在24份甜菜種質(zhì)中10號種質(zhì)綜合抗旱性最強；19號甜菜種質(zhì)資源抗旱性度量值D值最小為0.131，說明在24份甜菜種質(zhì)資源中19號種質(zhì)綜合抗旱性最弱。

圖2 24份甜菜種質(zhì)資源D值分布

如圖3所示，利用系統(tǒng)聚類法將24份甜菜種質(zhì)進行聚類分析，當(dāng)距離為7時將抗旱性分為四類其中第一類為抗旱性強種質(zhì)10號（圖4a）有一份，第二類為抗旱性較強種質(zhì)3、9、16共三份，第三類為中等抗旱型種質(zhì)共7份，第四類為抗旱性弱種質(zhì)共13份，其中19號（圖4c）、24號（圖4b）種質(zhì)為干旱高度敏感型種質(zhì)。

圖3 聚類分析

圖4 不同抗旱性甜菜種質(zhì)對比

2.5 甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱指標(biāo)篩選

將D值作為因變量，把各單項指標(biāo)的抗旱系數(shù)作為自變量，建立逐步回歸線性模型，得到甜菜種質(zhì)資源抗旱性評價的最優(yōu)回歸方程：D值=-0.269+0.181*X1+0.108*X2+0.247*X3-0.024*X4+0.234*X5+0.340*X6+0.177*X7+0.111*X8+0.111*X9+0.170*X10(R2=0.9999)。式中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10分別為葉干重、根鮮重、株高、根冠比、莖粗、根長、葉鮮重、葉片相對含水量、根干重、葉飽和鮮重?？购敌跃C合評價值D與24個甜菜種質(zhì)資源的抗旱預(yù)測值(Y)極顯著相關(guān)(R2=0.9999)，說明所測定的10個指標(biāo)均可有效鑒定甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱性。

3 討論

3.1 甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱性評價方法

在對作物的抗旱性進行評價時不僅要選擇合適的評價指標(biāo)，更重要的是選擇合適的評價方法，大多數(shù)研究會采用等權(quán)重的評價方法，但是卻忽略了不同指標(biāo)的重要性，本研究參照近年來在陸地棉[14]、油菜[15]、野生老芒麥[16]的干旱研究方法，采用多指標(biāo)綜合分析進行甜菜苗期抗旱性評價，主要是利用D值與各單項指標(biāo)抗旱系數(shù)相結(jié)合的方法，進行抗旱系數(shù)分析[17]、隸屬函數(shù)分析[18]、主成分分析[19]、聚類分析[20]和逐步回歸分析[21]等對甜菜苗期抗旱性進行綜合評價，以此來消除各項指標(biāo)之間本身存在的大小差異，主成分分析將甜菜種質(zhì)中多個單一指標(biāo)轉(zhuǎn)化為新的相互獨立的綜合指標(biāo)，又結(jié)合了主成分的因子權(quán)重來確定不同指標(biāo)在干旱脅迫下的重要程度。根據(jù)D值對24份甜菜種質(zhì)劃分抗旱級別比直接根據(jù)D值大小選擇種質(zhì)擇抗旱性強弱更加科學(xué)，D值為無量綱常數(shù)[22]所以能夠代表各甜菜種質(zhì)之間的抗旱差異性。最后通過回歸分析篩選出與D值較為顯著的指標(biāo)作為快速、有效地預(yù)測甜菜苗期抗旱能力最優(yōu)回歸方程。

3.2 甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱性鑒定

植物在干旱條件下的反應(yīng)是一個復(fù)雜的生理過程，采用綜合指標(biāo)鑒定評價的結(jié)果更具有真實性[23]。周元成等[24]將15份參試大麥品種依據(jù)隸屬函數(shù)綜合D值劃分為4個抗旱級別，王興珍等[25]依據(jù)D值進行系統(tǒng)聚類分析的組間連接和平方歐式距離法將55份油葵種質(zhì)資源劃分了3個抗旱級別。本研究依據(jù)D值進行聚類分析，將24份甜菜種質(zhì)資源分為四類，鑒定出耐旱性強種質(zhì)為ZT000516，耐旱性較強的種質(zhì)為ZT000078、ZT000547、ZT000247，耐旱性中等的種質(zhì)有7份，耐旱性弱的種質(zhì)有13份其中抗旱性敏感的種質(zhì)為ZT001698、ZT001398。因此，本研究篩選出的抗旱性強種質(zhì)ZT000516可為甜菜抗旱反應(yīng)機制和育種的研究提供基礎(chǔ)材料，干旱敏感種質(zhì)ZT001698、ZT001398可作為極端材料在甜菜抗旱機理中加以應(yīng)用。

3.3 甜菜種質(zhì)資源苗期抗旱指標(biāo)篩選

在對植物的抗旱性進行評價時，選擇合適的評價指標(biāo)是準(zhǔn)確評價的關(guān)鍵因素[26]。目前對植物抗旱性評價主要從表型指標(biāo)、生理生化指標(biāo)、產(chǎn)量性狀等方面進行[27]，謝小玉等[8]研究認為葉片相對含水量、丙二醛含量、葉面積可以作為抗旱鑒定的優(yōu)先指標(biāo)；馬宇[28]通過研究認為根冠比、根長、根表面積等指標(biāo)在苗期干旱脅迫中更具有代表性。安玉艷[29]發(fā)現(xiàn)，唐利華等[30]研究結(jié)果表明甜菜葉片和根系的含水量呈下降趨勢，與本研究結(jié)果一致。本研究采用PEG-6000模擬干旱脅迫對24份甜菜種質(zhì)資源進行苗期抗旱性鑒定，對葉干重、根鮮重、株高、根冠比、莖粗、根長、葉鮮重、葉片相對含水量、根干重、葉飽和鮮重等10個指標(biāo)進行了測定，最終通過建立耐旱性最優(yōu)回歸方程得出的結(jié)果表明，以上10個指標(biāo)中葉干重(P=0.0001)和葉飽和鮮重(P=0.0001)與D值呈極顯著相關(guān)(R2=0.9999)，綜合分析鑒定得到的最優(yōu)回歸方程：D值=-0.0001+1.0008*X1+0.9989*X2用來評價甜菜苗期抗旱性是比較合理、可靠的。

4 結(jié)論

本研究中干旱脅迫對各指標(biāo)均有顯著影響，本研究對24份甜菜種質(zhì)進行干旱和對照處理，利用隸屬函數(shù)法、主成分分析、聚類分析等方法結(jié)合篩選出耐旱性強甜菜種質(zhì)資源ZT000516、干旱敏感型甜菜種質(zhì)資源ZT001698、ZT001398，可作為下一步深入研究的主要種質(zhì)資源。通過D值與各指標(biāo)建立的逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)葉干重和葉飽和鮮重等可作為甜菜苗期抗旱性評價的優(yōu)先鑒定指標(biāo)。