安東升，盧李威，黃文甫，孔 冉，嚴(yán)程明，趙寶山，蘇俊波*

(1中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所/國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展長(zhǎng)期固定觀測(cè)湛江試驗(yàn)站，廣東湛江 524091；2柳城縣甘蔗研究中心，廣西柳城 545200；3廣西洋浦南華甘蔗研究院，廣西南寧 530021)

0 引言

甘蔗作為重要的糖料作物，在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中處于重要地位。由于華南地區(qū)降水豐富，而降水時(shí)空與季節(jié)分布嚴(yán)重不均，季節(jié)性干旱對(duì)華南地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響呈不斷上升趨勢(shì)，秋旱逐漸取代冬春連旱成為華南地區(qū)主要面臨的災(zāi)害之一[1]。而干旱指數(shù)變化趨勢(shì)顯示，受干旱影響最顯著的區(qū)域?yàn)榈崆獜V西丘陵地區(qū)[2]。季節(jié)性干旱對(duì)甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的影響僅次于病蟲害，尤其是在種植面積占全國(guó)70%的廣西丘陵地區(qū)，秋季降雨僅能滿足春植甘蔗成熟所需水量的35.7%[3]。此外，由于我國(guó)85%以上的蔗區(qū)分布在無灌溉條件的旱坡地，由于極旱而造成的作物死亡絕收和季節(jié)性灌溉不足導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的下降成為影響甘蔗產(chǎn)區(qū)發(fā)展的主要原因之一[4]。

光合作用是作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，植物對(duì)干旱脅迫的應(yīng)激反應(yīng)表現(xiàn)為氣孔導(dǎo)度下降，此時(shí)若干旱脅迫消除，植物葉片的光合能力很快恢復(fù)至正常水平[5]；隨著干旱脅迫的持續(xù)和加劇，由于光合器官損傷導(dǎo)致光合代謝過程受到抑制，進(jìn)而引起電子傳遞受阻[6]，此時(shí)即便干旱脅迫解除，植株也很難恢復(fù)到正常水平。研究表明，C4作物的光合作用對(duì)干旱脅迫更為敏感[7]，并且當(dāng)干旱脅迫超出作物抗性的上限后，由于光合代謝途徑受到抑制，因此干旱脅迫對(duì)作物造成的傷害很難恢復(fù)[8]。處于較長(zhǎng)時(shí)期的干旱，除了對(duì)甘蔗生長(zhǎng)和產(chǎn)量受到影響之外，蔗糖品質(zhì)也發(fā)生顯著下降[9]。作為檢測(cè)光合作用的探針，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)能夠快速無損地檢測(cè)作物光合系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，近年來，隨著植物生理生態(tài)學(xué)領(lǐng)域?qū)θ~綠素?zé)晒獾纳钊肓私饧捌錂z測(cè)儀器的研究、開發(fā)和應(yīng)用，作為體外、快速、無損反映光合作用的探針，葉綠素?zé)晒鈪?shù)被廣泛用于描述植物光系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況[10-11]。干旱脅迫引起葉綠素?zé)晒鈪?shù)發(fā)生變化在許多作物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的研究中都有報(bào)道[12-13]，且其變化幅度因品種耐旱性強(qiáng)弱而異[14]。

目前對(duì)甘蔗抗旱性鑒定的研究集中于以出芽率、分蘗率、莖徑、產(chǎn)量構(gòu)成等為主的農(nóng)藝性狀指標(biāo)[15]，以相對(duì)含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、過氧化物酶活性、細(xì)胞質(zhì)膜透性等為主的生理指標(biāo)[16-17]以及分子生物學(xué)指標(biāo)，包括水分虧缺下解毒代謝(清除活性氧分子)相關(guān)酶合成[18]、中度脅迫下水通道蛋白合成[19-20]、重度脅迫下多胺合成相關(guān)的基因表達(dá)[21]。安東升[22-23]等人對(duì)干旱脅迫下耐旱與非耐旱甘蔗品種葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，分析了耐旱與非耐旱甘蔗品種對(duì)干旱脅迫的額差異化應(yīng)對(duì)策略。本研究從光合系統(tǒng)能量分配特性入手，在模擬試驗(yàn)測(cè)定干旱脅迫初期反映光系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、光保能力與開始積累生理損傷的關(guān)鍵葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，進(jìn)而對(duì)甘蔗新品種的耐旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)與排序的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過田間干旱試驗(yàn)獲得的產(chǎn)量與品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗新品種耐旱性的早期鑒定。

1 材料與方法

1.1 參試材料與試驗(yàn)地概況

供試品種為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所選育的熱甘1號(hào)和柳城縣甘蔗研究中心選育的桂柳07150，以耐旱品種新臺(tái)糖22號(hào)與非耐旱品種新臺(tái)糖16號(hào)作為對(duì)照。桶栽試驗(yàn)于2022年3月在廣東湛江中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物高效用水試驗(yàn)基地(21°08′N，110°16′E，海拔16 m)干旱模擬設(shè)施中進(jìn)行自然干旱脅迫試驗(yàn)，田間試驗(yàn)于2022年10～11月在廣西扶綏縣東門鎮(zhèn)洋浦農(nóng)業(yè)甘蔗基地(22°20′N，107°05′E，海拔246 m)進(jìn)行。田間試驗(yàn)選用新臺(tái)糖22號(hào)作為對(duì)照。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 干旱模擬試驗(yàn)

干旱模擬試驗(yàn)采用桶栽方式于2022年3月19～23日進(jìn)行，干旱脅迫模擬設(shè)施溫度控制為25～33℃，光合有效輻射(PAR)為0～1500 μmol/m2/s，栽培桶口徑40 cm、底徑30 cm、高35 cm，栽培基質(zhì)為紅壤∶河沙∶有機(jī)肥=7∶2∶1。每桶種植2段，每段1個(gè)芽，每個(gè)品種種植10桶，挑選生長(zhǎng)均勻一致的3桶進(jìn)行自然干旱脅迫試驗(yàn)。采用ZD-06土壤濕度檢測(cè)儀測(cè)定土壤相對(duì)含水量rSWC，待rSWC降至50%時(shí)采用Dual-PAM-100葉綠素?zé)晒鈨x在暗室中測(cè)定+1葉片額定光強(qiáng)下(PAR=0、36、94、172、272、421、611、759、923、1178、1455、1809 μmol/m2/s)葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括潛在最大光合效率Fv/Fm、實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)、可調(diào)節(jié)行能量耗散Y(NPQ)、非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)[24]與光合電子流ETR(II)=PAR×0.84×0.5×Y(II)，其中，0.84為經(jīng)驗(yàn)性吸光系數(shù)，0.5為假設(shè)天線色素吸收的光能被2個(gè)光系統(tǒng)平均分配[25]；

參考葉子飄[26]等人研究結(jié)果，采用直角雙曲線修正模型擬合J與PAR之間的關(guān)系，擬合初始光能利用效率αe、飽和光強(qiáng)PARsat及最大電子傳遞速率Jmax，詳見式(1～3)。

其中，βe和γe代表植物天線色素分子參數(shù)，其中J即為ETR(II)。

1.2.1 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于2022年2月25日在廣西扶綏東門鎮(zhèn)甘蔗新品種種植基地下種，采用寬窄行1.3 m+0.5 m雙行下種，用種量88900芽/hm2，每個(gè)品種種植3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積72 m2。于同年11月3～5日測(cè)定rSWC(每個(gè)小區(qū)3個(gè)點(diǎn))，并采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(MINI-PAM-II)測(cè)定上部全展葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，于12月15日每個(gè)小區(qū)連續(xù)取20株調(diào)查株高、莖徑、有效莖數(shù)、單莖重、產(chǎn)量、田間糖錘度。田間試驗(yàn)環(huán)境背景數(shù)據(jù)由小型氣象站獲取。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

圖1 田間試驗(yàn)環(huán)境溫度及降雨情況

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與相關(guān)性分析，利用Slide Write Plus for Windows (Version 7.0)進(jìn)行曲線與參數(shù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬干旱脅迫下不同甘蔗品種葉綠素?zé)晒馓匦苑治?/h3>

4個(gè)甘蔗品種的Y(II)均隨PAR的增加而下降，下降幅度表現(xiàn)為：熱甘1號(hào)＜桂柳07150＜新臺(tái)糖22號(hào)＜新臺(tái)糖16號(hào)(圖2A)；4個(gè)甘蔗品種的ETR(II)則隨著PAR的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)PAR在200～600 μmol/m2/s時(shí)，ETR(II)表現(xiàn)為：熱甘1號(hào)＜桂柳07150＜新臺(tái)糖16號(hào)＜新臺(tái)糖22號(hào)，當(dāng)PAR＞600 μmol/m2/s時(shí)，只有熱甘1號(hào)的ETR(II)顯著下降，而在其余3個(gè)品種之間差異不顯著(圖2B)；隨著PAR的增加，4個(gè)甘蔗品種的Y(NPQ)均呈上升趨勢(shì)，2個(gè)新品種甘蔗的Y(NPQ)均高于對(duì)照，總體上表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號(hào)＞新臺(tái)糖22號(hào)＞新臺(tái)糖16號(hào)，說明在干旱脅迫下，新品種甘蔗葉片的光保護(hù)能力高于對(duì)照(圖2C)；而Y(NO)則表現(xiàn)為：桂柳07150＜熱甘1號(hào)＜新臺(tái)糖22號(hào)＜新臺(tái)糖16號(hào)，并在不同品種間差異顯著(圖2D)，而Fv/Fm則表現(xiàn)為新臺(tái)糖16號(hào)顯著低于其他3個(gè)品種(圖2E)，說明在rSWC降至60%時(shí)，2個(gè)新品種受到光抑制的程度顯著低于對(duì)照，且只有新臺(tái)糖16號(hào)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的光損傷。

圖2 模擬干旱脅迫下能量代謝在不同甘蔗品種間的變化

與新臺(tái)糖16號(hào)相比，2個(gè)新品種和新臺(tái)糖22號(hào)均表現(xiàn)出較低的αe和較高的PARsat，而Jmax則表現(xiàn)出新臺(tái)糖22號(hào)≈新臺(tái)糖16號(hào)＞桂柳07150＞熱甘1號(hào)，說明干旱脅迫下新臺(tái)糖22號(hào)和新臺(tái)糖16號(hào)依舊保持較高的電子傳遞能力，新臺(tái)糖16號(hào)具有最高的初始光能利用率，而熱甘1號(hào)承受強(qiáng)光的能力最高(表1)。

表1 模擬與田間干旱脅迫下土壤相對(duì)含水量與各熒光擬合參數(shù)的變化

綜上，桂柳07150的Y(NPQ)最高而Y(NO)最低，表明干旱脅迫下其光系統(tǒng)受到干旱脅迫的影響最小，耐旱性表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號(hào)＞新臺(tái)糖22號(hào)＞新臺(tái)糖16號(hào)。

2.2 不同甘蔗品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)響應(yīng)田間干旱脅迫的差異分析

當(dāng)田間土壤相對(duì)含水量下降至48.3%±5.9%時(shí)，3個(gè)品種甘蔗的ETR(II)隨著PAR的增加呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，總體上表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號(hào)＞新臺(tái)糖22號(hào)(圖3)。田間擬合的αe和PARsat在3個(gè)甘蔗品種的之間的差異可以忽略不計(jì)，而Jmax也表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號(hào)＞新臺(tái)糖22號(hào)，說明田間干旱脅迫下，3個(gè)甘蔗品種對(duì)強(qiáng)光的耐受能力相當(dāng)，但桂柳07150和熱甘1號(hào)的光能轉(zhuǎn)化效率高于新臺(tái)糖22號(hào)(表1)。

圖3 田間干旱脅迫下能量代謝在不同甘蔗品種間的變化

2.3 不同甘蔗品種經(jīng)濟(jì)性狀響應(yīng)田間干旱脅迫的差異分析

根據(jù)田間觀測(cè)結(jié)果(表2)，本茬甘蔗經(jīng)歷了較嚴(yán)重的秋旱，9、10、11、12月的降雨量分別為8.3、2.3、0、0 mm。收獲時(shí)2個(gè)新品種的株高略低于新臺(tái)糖22號(hào)，而莖徑略高于新臺(tái)糖22號(hào)，但株高和莖徑在3個(gè)甘蔗品種之間的差異均不顯著。桂柳07150的單莖重和田間糖錘度顯著高于新臺(tái)糖22號(hào)，熱甘1號(hào)的有效莖數(shù)顯著高于新臺(tái)糖22號(hào)，2個(gè)新品種的產(chǎn)量均顯著高于新臺(tái)糖22號(hào)，熱甘1號(hào)和桂柳07150的與對(duì)照相比增產(chǎn)率分別達(dá)到14.8%和15.7%。

表2 田間干旱脅迫對(duì)不同甘蔗品種經(jīng)濟(jì)性狀的影響

3 討論與結(jié)論

Fv/Fm能夠有效衡量葉綠素含量，是一個(gè)穩(wěn)定衡量甘蔗響應(yīng)干旱脅迫的重要參數(shù)，耐旱性越差的品種遭受干旱脅迫后Fv/Fm下降越快[27]；模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在干旱脅迫的前中期，只有新臺(tái)糖16號(hào)的Fv/Fm顯著下降，而其他3個(gè)品種之間的差異不顯著，表明2個(gè)新品種桂柳07150和熱甘1號(hào)至少與新臺(tái)糖22號(hào)的耐旱程度相當(dāng)。而Y(NO)和Y(NPQ)的測(cè)定結(jié)果均顯示為桂柳07150＞熱甘1號(hào)＞新臺(tái)糖22號(hào)＞新臺(tái)糖16號(hào)，且在各品種之間差異顯著；Y(NO)的升高代表光合系統(tǒng)開始積累并將要出現(xiàn)生理損傷，Y(NPQ)的下降表示光保護(hù)機(jī)制無法應(yīng)對(duì)多余的能量[22]，而不同甘蔗品種對(duì)強(qiáng)光的耐受性也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即PARsat表現(xiàn)為桂柳07150＞熱甘1號(hào)＞新臺(tái)糖22號(hào)＞新臺(tái)糖16號(hào)，據(jù)此我們認(rèn)為2個(gè)新品種桂柳07150和熱甘1號(hào)對(duì)干旱的抵抗能力高于新臺(tái)糖22號(hào)。

而干旱脅迫下Jmax的下降并不一定代表了耐旱性差，非耐旱甘蔗品種在干旱脅迫早期會(huì)提高水分消耗維持相對(duì)較高的光化學(xué)效率，但生理損傷來得更快；而耐旱品種傾向于快速減小水分散失，啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制以應(yīng)對(duì)隨之而來的中旱及重旱[23]。因此，我們認(rèn)為判斷甘蔗耐旱與否，首先比較Fv/Fm與Y(NO)，在二者處于同等水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用其他參數(shù)。例如桂柳07150和熱甘1號(hào)的Fv/Fm與差異不顯著，Jmax和Y(NO)均表現(xiàn)為桂柳07150＞熱甘1號(hào)，代表了面對(duì)干旱脅迫時(shí)，相較于熱甘1號(hào)，桂柳07150能夠以更小的損傷換來更多的光合電子流，說明桂柳07150的耐旱性優(yōu)于熱甘1號(hào)。

田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，桂柳07150的Jmax高于新臺(tái)糖22號(hào)，代表了與新臺(tái)糖22號(hào)相比，桂柳07150能夠利用更多的光能進(jìn)行碳同化，解釋了桂柳07150的單莖重、產(chǎn)量和田間糖錘度顯著高于新臺(tái)糖22號(hào)。熱甘1號(hào)的Jmax在桂柳07150和新臺(tái)糖22號(hào)之間，決定了其單莖重和田間糖錘度與桂柳07150和新臺(tái)糖22號(hào)相比均不顯著，但因其有效莖數(shù)顯著高于新臺(tái)糖22號(hào)，而有效莖數(shù)是決定甘蔗產(chǎn)量的另一重要因素，遭遇干旱脅迫會(huì)造成甘蔗有效莖數(shù)減少，不同品種損失程度不同[28]，這是熱甘1號(hào)的產(chǎn)量顯著高于新臺(tái)糖22號(hào)的主要原因。由于新臺(tái)糖16號(hào)在生產(chǎn)中已經(jīng)不在應(yīng)用，因此該材料只用來做盆栽試驗(yàn)的對(duì)照，未參與生產(chǎn)田驗(yàn)證。

綜上，田間干旱試驗(yàn)結(jié)果能夠支持基于葉綠素?zé)晒馓匦缘牟煌收崞贩N耐旱性排序，并在一定程度上對(duì)甘蔗耐旱的生理機(jī)制進(jìn)行補(bǔ)充佐證，即耐旱品種對(duì)干旱脅迫的的策略是對(duì)干旱脅迫響應(yīng)迅速，快速減小耗水、啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制、推遲生理損傷，有助于脅迫解除后的快速恢復(fù)[23]。因此，應(yīng)用葉綠素?zé)晒鈪?shù)鑒定甘蔗耐旱性的具體步驟為：①根據(jù)干旱脅迫下不同品種甘蔗測(cè)得的Y(NO)與Fv/Fm2個(gè)參數(shù)進(jìn)行排序，Y(NO)值越高、Fv/Fm值越小說明甘蔗耐旱性越差；②若供試甘蔗品種Y(NO)與Fv/Fm2個(gè)參數(shù)差異不顯著，則進(jìn)一步對(duì)PARsat、Jmax和αe進(jìn)行綜合分析，選擇高值的品種，因?yàn)槠渲翟礁撸f明在同等干旱脅迫下光合能力越強(qiáng)。該方法尚需通過在更多的甘蔗品種耐旱性評(píng)價(jià)中加以應(yīng)用與驗(yàn)證，方能在甘蔗新品種耐旱性的早期、快速評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用。