高亞寧，張凱浩，楊鴻基，馬新超，軒正英

(1. 塔里木大學(xué) 園藝與林學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2. 塔里木大學(xué) 南疆特色果樹高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300)

蕪菁(BrassicarapaL)別名蔓菁、圓根、盤菜等，由油用亞種演化而來(lái)[1]，隸屬于十字花科蕓薹屬。目前新疆部分地區(qū)大面積種植，維吾爾語(yǔ)又稱為恰瑪古，是生長(zhǎng)在新疆天山南部、塔里木盆地西北[2]，罕見(jiàn)的紅色沙漠長(zhǎng)壽區(qū)的一種具有藥用、飼用、食用三大應(yīng)用價(jià)值的草本植物[3]。但是由于新疆屬于極旱地區(qū)降水量少、土地沙漠化嚴(yán)重、日照時(shí)間長(zhǎng)、水分蒸發(fā)量大并且大多數(shù)土地為山脈、戈壁和沙漠[4]，使得蕪菁受干旱影響較為嚴(yán)重。干旱脅迫抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育、影響根和葉的生長(zhǎng)形態(tài)、降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)、影響植物的光合作用、破壞植物的膜結(jié)構(gòu)以及使活性氧含量增加，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植物的死亡[5-7]。故對(duì)提高植物的抗旱性以成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究探討的重要課題，并早已對(duì)蕓薹屬植物的抗旱性進(jìn)行了大量的研究。Jabeen Munifa等[8]研究表明干旱脅迫導(dǎo)致蕪菁的生長(zhǎng)量(根和莖的干質(zhì)量與鮮質(zhì)量、根長(zhǎng)與莖長(zhǎng))、色素含量(葉綠素a,b和總?cè)~綠素)、總酚和抗壞血酸含量減少，顯著增強(qiáng)了蕪菁葉片與根部的游離脯氨酸、甜菜堿、丙二醛、過(guò)氧化氫的含量以及提高了其過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性。由于作物的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的性狀，不同性狀對(duì)干旱脅迫的敏感度不同，響應(yīng)干旱脅迫的機(jī)制不同，故很難評(píng)估[9]。通常測(cè)定多個(gè)性狀指標(biāo)，結(jié)合抗旱系數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析和回歸分析等多元統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。這些分析方法已經(jīng)在油菜和白菜等蕓薹屬植物抗旱研究中得到成功的應(yīng)用[10-13]。黃倩等[14]結(jié)合抗旱系數(shù)與隸屬函數(shù)法進(jìn)行油菜苗期抗旱性鑒定，篩選出了8個(gè)抗旱品種，同時(shí)表明相對(duì)含水量、地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量、地下干質(zhì)量、CAT、POD和脯氨酸均可以作為油菜苗期抗旱性鑒定的輔助指標(biāo)。左凱峰等[15]采用相關(guān)分析、主成分分析和通徑分析等方法表明，可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和離體葉片保水力等性狀可作為甘藍(lán)型油菜抗旱性苗期鑒定的指標(biāo)。

雖然當(dāng)前在蕪菁的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、遺傳多樣性和非生物脅迫等多方面都開展了大量的研究，但鮮有關(guān)于蕪菁耐旱性方面的研究。因此本試驗(yàn)對(duì)42份蕪菁種質(zhì)的苗期生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的測(cè)定，采用抗旱系數(shù)、基于主成分分析和權(quán)重分析的加權(quán)隸屬函數(shù)值和回歸分析等方法對(duì)抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。從中選出抗旱性強(qiáng)的品種，以此為后續(xù)研究蕪菁在干旱脅迫下的生理生化響應(yīng)機(jī)制和篩選相關(guān)抗旱基因以及育種提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為塔里木大學(xué)南疆特色果樹高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室收集和保存的42份蕪菁種質(zhì)，其中包括新疆21份，河北7份，河南4份，山東3份，天津2份，北京1份，黑龍江1份，浙江1份，云南1份，福建1份，供試材料詳見(jiàn)表1。

表1 供試品種及其來(lái)源

1.2 試驗(yàn)方法

采用土壤自然干旱的試驗(yàn)方法。42份蕪菁材料，每個(gè)品種選取100粒種子統(tǒng)一播種于裝有130 g基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)缽中，育苗基質(zhì)為混合基質(zhì)，以草炭、蛭石和園土按2∶2∶1體積混合，育苗期間采取正常管理。待幼苗長(zhǎng)至四葉一心時(shí)，采用自然干旱的方法進(jìn)行干旱處理。共設(shè)置對(duì)照組和干旱組2個(gè)處理，分3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)16株。對(duì)照組：土壤相對(duì)含水量保持在60%～70%[8]；干旱組：干旱處理前澆一次透水，之后不再澆水讓其自然干旱。直到其全部品種表現(xiàn)出旱害癥狀且差別明顯時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行旱害指數(shù)觀測(cè)，并立即對(duì)植株進(jìn)行復(fù)水，復(fù)水1 d后進(jìn)行恢復(fù)指數(shù)的 觀測(cè)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 抗旱指數(shù)的分級(jí)與測(cè)定 參照肖慶生[16]的方法并進(jìn)行適當(dāng)修改，根據(jù)干旱脅迫下蕪菁幼苗生長(zhǎng)及葉片萎蔫干枯等特征，將蕪菁旱害等級(jí)分為5級(jí)，各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下(表2)。

表2 旱害調(diào)查分級(jí)

抗旱指數(shù)(DRI)=1-[(1×S2+2×S2+3×S3+4×S4)/(調(diào)查的總植株數(shù)×4)]；其中S1、S2、S3、S4分別代表1～4級(jí)干旱的蕪菁植株數(shù)。參照肖慶生[16]的分類標(biāo)準(zhǔn)并略有改動(dòng)。

1.3.2 恢復(fù)指數(shù)的分級(jí)與測(cè)定 恢復(fù)指數(shù)分級(jí)與測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)參照韓瑞宏等[17]與王紅飛等[18]的方法并適當(dāng)修改，恢復(fù)指數(shù)=1-[(1×S1+2×S2+3×S3+4×S4)/(調(diào)查的總植株數(shù)×4)]；其中S1、S2、S3、S4分別代表1～4級(jí)的蕪菁植株數(shù)(表3)。

表3 恢復(fù)級(jí)別調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的測(cè)定 干旱10 d后采用組內(nèi)隨機(jī)取樣的方法，每個(gè)處理選取20株幼苗用于生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定，分別測(cè)定其株高(基質(zhì)表面到生長(zhǎng)點(diǎn)的高度)和莖粗(以第1節(jié)位近子葉部為準(zhǔn))，用電子天平測(cè)量每5株幼苗地上和地下部分的干質(zhì)量和鮮質(zhì)量，每個(gè)處理3次重復(fù)并計(jì)算單株根冠比；每個(gè)處理剩余5株采用萬(wàn)深LA-S植物圖像分析儀測(cè)定其第三片長(zhǎng)勢(shì)一致的葉面積。

選取植株第3片葉片測(cè)定其生理指標(biāo)，每個(gè)重復(fù)10片，共重復(fù)3次。采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量，考馬斯亮藍(lán)比色法測(cè)定可溶性蛋白含量，丙二醛含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，游離脯氨酸含量采用茚三酮比色法測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步整理，用Spss 25.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用郭雪松[20]的方法，利用式(1)計(jì)算株高、莖粗、葉面積、根冠比，葉片可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量的抗旱系數(shù),利用式(2)計(jì)算丙二醛含量的抗旱系數(shù)。

Xij=tij/Tiji= 1,2,3…,nj= 1,2,3…,n

(1)

Xij=Tij/tiji= 1,2,3…,nj= 1,2,3…,n

(2)

式(1)～(2)中：Xij為第i個(gè)材料第j個(gè)性狀的耐旱系數(shù)值，tij為干旱組第i個(gè)材料第j個(gè)性狀的測(cè)定值，Tij為對(duì)照組第i個(gè)材料第j個(gè)性狀的測(cè)定值，n為材料數(shù)，m為性狀數(shù)。

加權(quán)隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式[21]：

μ(Xj)=(Xj-Xmin)-(Xmax-Xmin)

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中：j取1到n的值；Xj和μ(Xj)分別代表第j個(gè)綜合指標(biāo)的主成分值和隸屬函數(shù)值；Xmax和Xmin分別表示第j個(gè)主成分的最大值和最小值；Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；Pj表示通過(guò)主成分分析后所得的第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；D表示蕪菁苗期品種在干旱條件下由綜合指標(biāo)計(jì)算所得的抗旱綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)蕪菁苗期生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由表4可得，干旱組和對(duì)照組各性狀在材料間以及在處理組間均表現(xiàn)出極顯著差異。圖1分析比較了各個(gè)指標(biāo)在42份蕪菁資源中的分布規(guī)律及遺傳差異，結(jié)果表明大多性狀的變化量總體頻次變異表現(xiàn)為近似正態(tài)分布。綜上可以看出，本研究選用的試驗(yàn)材料廣泛，代表性強(qiáng)。

由表4和圖1可以看出，與對(duì)照組相比，干旱脅迫下蕪菁苗期的株高、莖粗、葉面積和根冠比均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。其中莖粗表現(xiàn)出極顯著下降趨勢(shì)，降幅最大，達(dá)到了31.63%，最大變化量為1.75 cm，最小為-0.24 cm。葉面積和根冠比也均呈極顯著下降趨勢(shì)，降幅分別達(dá)到了29.14%和26.05%，其中葉面積的最大變化量為15.53 cm2，最小為-4.24 cm2，根冠比的最大和最小變化量為0.147和-0.057。株高在對(duì)照組和處理組之間的差異不顯著，降幅為10.04%，最大和最小變化量為2.03 cm和-0.78 cm。這表明在干旱脅迫下植株出現(xiàn)嚴(yán)重缺水，影響植株正常生長(zhǎng)。干旱脅迫處理過(guò)程中，干旱組幼苗葉片逐漸發(fā)生不同程度的萎蔫和卷曲、葉片變小和老葉變黃干枯，同時(shí)各材料干旱組植株變的矮小和瘦弱，生物量明顯降低。此外相比于對(duì)照組，干旱脅迫下可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸和可溶性糖含量逐漸升高且均出現(xiàn)極顯著差異。脯氨酸含量相比于對(duì)照組的增幅最大為344.31%，最大和最小變化量分別為1.31 mg·g-1和-1.05 mg·g-1?？扇苄缘鞍?、可溶性糖和丙二醛的含量平均增加了58.11%、73.45%和115.76%。由此說(shuō)明干旱脅迫嚴(yán)重影響蕪菁苗期的正常生長(zhǎng)且不同蕪菁種質(zhì)應(yīng)對(duì)干旱脅迫的生理變化不同，同時(shí)初步判斷所測(cè)性狀均可用于耐旱性鑒定。

圖1 干旱脅迫下蕪菁苗期各性狀的變化

表4 干旱脅迫下蕪菁苗期性狀

2.2 蕪菁苗期各生理指標(biāo)抗旱系數(shù)間的相關(guān)性分析及通徑分析

表5將各個(gè)性狀指標(biāo)的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)和恢復(fù)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析表明，干旱脅迫下，不同蕪菁苗期的抗旱指數(shù)與株高(0.62**)、莖粗(0.63**)、根冠比(0.31*)、可溶性蛋白(0.31*)、可溶性糖(0.34**)、脯氨酸(0.31*)和恢復(fù)指數(shù)(0.74**)呈顯著的正相關(guān)性，與丙二醛(-0.30*)呈顯著的負(fù)相關(guān)性，但與葉面積相關(guān)性不顯著；此外莖粗與根冠比和可溶性蛋白呈極顯著相關(guān)，株高與莖粗、可溶性糖與脯氨酸呈顯著正相關(guān)性；丙二醛與莖粗、可溶性蛋白和可溶性糖呈顯著負(fù)相關(guān)性；同時(shí)可以看出葉面積與其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著。以上結(jié)果表明，株高、莖粗、根冠比、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、抗旱指數(shù)和恢復(fù)指數(shù)均可以作為鑒定蕪菁苗期抗旱性的輔助指標(biāo)。

表5 各性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)間的相關(guān)性

對(duì)8個(gè)生理指標(biāo)與抗旱指數(shù)進(jìn)行通徑分析表明(表6)，各生理指標(biāo)對(duì)抗旱指數(shù)的直接貢獻(xiàn)大小為株高(0.356)>莖粗(0.279)>可溶性糖(0.153)>脯氨酸(0.133)>根冠比(0.088)>葉面積(0.085)>可溶性蛋白(0.054)>丙二醛(|-0.038|)。8個(gè)生理指標(biāo)對(duì)抗旱指數(shù)的間接綜合效應(yīng)的順序?yàn)榍o粗(0.359 6)>可溶性蛋白(0.268 4)>株高(0.267 0)>根冠比(0.244 2)>丙二醛(|-0.199 1|)>可溶性糖(0.091 4)>脯氨酸(0.043 6)>葉面積(0.015 1)。除丙二醛為負(fù)效應(yīng)，其余指標(biāo)均為正效應(yīng)。綜合上述各指標(biāo)抗旱系數(shù)間的相關(guān)分析和通徑分析可得，株高、莖粗、根冠比、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸能作為蕪菁苗期抗旱性鑒定的指標(biāo)，可進(jìn)一步進(jìn)行主成分分析。

表6 生理指標(biāo)對(duì)抗旱指數(shù)的通徑系數(shù)

2.3 蕪菁苗期抗旱生理指標(biāo)的主成分分析

為了更充分揭示不同蕪菁種質(zhì)苗期各抗旱指標(biāo)的變異特征值，便于進(jìn)一步確定和評(píng)價(jià)抗旱鑒定的指標(biāo)，基于各性狀的抗旱系數(shù)值，對(duì)上述9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析(表7)。由此可得，前3個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了67.204%，貢獻(xiàn)率分別為36.233%、16.231%和14.740%。說(shuō)明這3個(gè)主因子涵蓋原始數(shù)據(jù)的大部分信息，故可以作為分析數(shù)據(jù)的有效成分。

表7 各性狀指標(biāo)主成分分析的特征向量

主成分1在株高、莖粗和抗旱指數(shù)與恢復(fù)指數(shù)具有較高載荷量，且其特征值和抗旱指數(shù)特征值均為正值，故該因子為生長(zhǎng)因子，蕪菁苗期生長(zhǎng)表型越好，抗旱性越強(qiáng)；主成分2在脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖具有較高載荷量，且特征值均為正值，抗旱指數(shù)的特征值也為正值。說(shuō)明該主成份為滲透調(diào)節(jié)因子，且可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸有利于蕪菁苗期抗旱性的提高；主成份3只包括丙二醛，特征值為正值，但抗旱指數(shù)的特征值為負(fù)值。表明該因子表示細(xì)胞膜損傷的程度，丙二醛含量越高，蕪菁苗期抗旱性越差。

2.4 蕪菁苗期抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

在獲得主因子特征向量的基礎(chǔ)上，利用模糊隸屬函數(shù)法，計(jì)算加權(quán)隸屬函數(shù)值，作為綜合抗旱性度量值(D)，由此可比較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)蕪菁品種的抗旱性，D值愈大，其抗旱性愈強(qiáng)。如表8所示，依據(jù)黃倩等[14]的分類方法并進(jìn)行適當(dāng)修改，將42份蕪菁品種分為3大類，以0.7為閾值，將D值大于0.7的劃分為抗旱型品種，D值小于 0.4的劃分為干旱敏感性型品種，將D值介于兩者之間的歸為中度抗旱型品種。故由此可得，42份材料中有5份歸為苗期抗旱型品種、27個(gè)苗期中度抗旱型品種和12份苗期干旱敏感型品種，其中W29抗旱性最強(qiáng)，隸屬函數(shù)值達(dá)到0.827。

2.5 蕪菁苗期抗旱性鑒定回歸方程的建立

通過(guò)逐步回歸分析，將D值作為因變量，各抗旱指標(biāo)的抗旱系數(shù)作為自變量。將各指標(biāo)抗旱系數(shù)作為自變量建立抗旱性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，D值作為因變量，得出了其中最優(yōu)的逐步回歸方程：Y=-0.035+0.288X1+0.077X2+0.132X3+0.011X4+0.336X5。方程中X1、X2、X3、X4、X5分別表示為莖粗、根冠比、丙二醛、脯氨酸、抗旱指數(shù)。方程的決定系數(shù)為0.988 3，且達(dá)到了及極顯著水平，說(shuō)明回歸方程最優(yōu),模型擬合度好，預(yù)測(cè)精度高。通過(guò)回歸方程得出預(yù)測(cè)D值，將預(yù)測(cè)D值與通過(guò)計(jì)算得出的D值進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者存在極顯著相關(guān)性(0.99*)，同時(shí)如表8所示綜合評(píng)價(jià)D值與預(yù)測(cè)D值的抗旱性排序幾乎一致。表明可以用這個(gè)回歸方程來(lái)預(yù)測(cè)不同蕪菁材料苗期的抗旱性，莖粗、根冠比、丙二醛和脯氨酸可以作為蕪菁苗期抗旱性鑒定的主要指標(biāo)。

表8 蕪菁苗期抗旱性綜合性評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

干旱是影響蕪菁生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的重要非生物脅迫因子之一。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干旱脅迫使蕪菁苗期的株高、莖粗、葉面積和根冠比顯著降低，同時(shí)使其可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量顯著升高。這與Jabeen Munifa等[8]的研究結(jié)果一致。關(guān)于作植抗旱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有產(chǎn)量指標(biāo)、生理指標(biāo)和外觀形態(tài)指標(biāo)，且干旱脅迫下植物的外觀形態(tài)和其內(nèi)在生理活動(dòng)有一定關(guān)聯(lián)，兩者相互制約[22]，致使不同植物抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)有所不同。故其抗旱性鑒定指標(biāo)要綜合選擇，同時(shí)Ma等[23]發(fā)現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可作為作物抗旱指標(biāo)之一。本試驗(yàn)與上述結(jié)論相呼應(yīng)，通過(guò)相關(guān)性分析和通徑分析發(fā)現(xiàn)，除葉面積外其余指標(biāo)間均存在顯著相關(guān)性并且葉面積對(duì)抗旱指數(shù)的貢獻(xiàn)較小，又結(jié)合回歸分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)莖粗、根冠比、丙二醛和脯氨酸可作為蕪菁苗期抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，株高、可溶性蛋白和可溶性糖可作為輔助指標(biāo)。在抗旱性評(píng)價(jià)方法上越來(lái)越多的學(xué)者采用了多指標(biāo)綜合評(píng)定的方法來(lái)判斷供試材料的抗旱性大小。前人在油菜[24-26]上、向日葵[27]上、大豆[28]和花生[29]上先后結(jié)合抗旱指數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)法和回歸分析等進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)。李忠旺等[30]研究顯示抗旱系數(shù)(CDC)、綜合抗旱指數(shù)(CDI)、綜合抗旱隸屬函數(shù)值(CDM)和抗旱性綜合度量值(D)等4種抗旱性綜合評(píng)價(jià)體系所得的抗旱性鑒定結(jié)果基本一致。本研究與前人研究方法相類似，采用抗旱指數(shù)、抗旱性綜合度量值(D)和回歸分析等方法篩選出5個(gè)抗旱性強(qiáng)的品種，有效避免了單一評(píng)價(jià)方法的局限性。

綜上所述，本試驗(yàn)研究表明干旱脅迫使蕪菁苗期的株高、莖粗、葉面積和根冠比顯著降低，并使其可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量顯著升高；同時(shí)莖粗、根冠比、丙二醛、和脯氨酸可作為蕪菁苗期抗旱性鑒定的主要指標(biāo)，株高、可溶性蛋白和可溶性糖可作為輔助指標(biāo)；本試驗(yàn)通過(guò)自然干旱法篩選出5個(gè)苗期抗旱型品種，27個(gè)苗期中度抗旱型品種和12個(gè)苗期干旱敏感型品種，其中來(lái)自新疆的‘恰瑪古’(W29)的抗旱性最強(qiáng)；并通過(guò)逐步回歸分析建立了初步預(yù)測(cè)蕪菁苗期抗旱性的回歸方程。