馬鈴薯冠氣溫差變化特性與耐旱性的關(guān)系

余 斌 楊宏羽 王 麗 劉玉匯 白江平 張 峰王 蒂 張俊蓮,*

1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 甘肅省遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 甘肅省干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 甘肅蘭州730070; 2甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 甘肅蘭州 730070

馬鈴薯(Solanum tuberosum)是世界第三大糧食作物[1]。中國是世界第一大馬鈴薯生產(chǎn)國, 馬鈴薯在中國各個(gè)生態(tài)區(qū)域均有種植, 尤其在西部地區(qū)種植面積更大[2]。中國西部屬于典型的氣候變化敏感區(qū), 近 50年來氣溫顯著上升, 降水明顯減少, 干燥指數(shù)顯著增加, 干旱災(zāi)害事件發(fā)生頻率提高[3]。研究表明未來50年全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖,濕潤半濕潤地區(qū)暖干化趨勢明顯, 對糧食安全產(chǎn)生重大影響[4]。選育適宜在干旱及半干旱區(qū)種植的耐旱馬鈴薯品種, 可以有效解決干旱惡化問題。

干旱條件下, 植物本身會通過一系列生理反應(yīng), 以維持體內(nèi)正常生理代謝所需要的水分, 從而保護(hù)自身不受干旱傷害, 這種途徑是植物耐旱的主要方式之一, 這些生理反應(yīng)可作為植物耐旱性的評定指標(biāo), 其中葉片冠層溫度、光合效率以及蒸騰速率均是抗旱鑒定的重要指標(biāo), 并有研究表明, 三者之間具有密切的關(guān)聯(lián)性。Lourtie等[5]和Laury等[6]研究發(fā)現(xiàn), 植物冠層溫度在正常條件下通過蒸騰作用保持穩(wěn)定, 在干旱條件下植物氣孔關(guān)閉, 蒸騰強(qiáng)度減弱, 改變了冠層熱量損失程度, 導(dǎo)致冠層溫度變化, 而這些變化均會引起葉片光合效率的改變。植物冠層溫度會受到空氣溫度的直接影響, 因此, 利用植物冠層溫度與周圍空氣溫度的差值即冠氣溫差作為植物耐旱性指標(biāo)的研究已多見報(bào)道。Amani等[7]和 Fan等[8]研究發(fā)現(xiàn), 遭受干旱脅迫時(shí), 小麥冠氣溫差能夠顯著反映小麥的耐旱性, 冠氣溫差可以作為小麥耐旱基因型篩選的一個(gè)重要指標(biāo)。研究人員也將冠氣溫差作為高效水分利用型小麥及耐旱型珍珠粟的有效篩選工具, 其中 Singh等[9]通過比較不同基因型珍珠粟的冠氣溫差對其進(jìn)行了準(zhǔn)確的耐旱性分類。便攜式紅外成像儀的出現(xiàn)使得冠氣溫差指標(biāo)更加廣泛的應(yīng)用于植物干旱脅迫響應(yīng)研究以及耐旱基因型評價(jià)工作中。此外, 干旱對蒸騰速率和光合作用也會產(chǎn)生重要影響, 蒸騰速率變化是作物抵御干旱的一種重要生理反應(yīng), 光合作用是作物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)。Jefferies[10]以干旱和非干旱條件下的馬鈴薯研究發(fā)現(xiàn), 干旱導(dǎo)致馬鈴薯葉片氣孔導(dǎo)度下降、蒸騰速率降低, 從而限制了光合作用。Basu等[11]研究發(fā)現(xiàn), 水分脅迫下馬鈴薯凈光合速率明顯下降。

目前, 對馬鈴薯冠氣溫差在不同氣候條件下及不同基因型之間的變化特征研究較少, 冠氣溫差與馬鈴薯耐旱性的關(guān)系仍不明確, 本研究以從國際馬鈴薯中心引進(jìn)的耐旱型和干旱敏感型馬鈴薯種質(zhì)為材料, 以耐旱型和干旱敏感型馬鈴薯品種為對照, 在半干旱與半濕潤2種氣候類型環(huán)境中, 對不同基因型馬鈴薯的耐旱性及冠氣溫差變化關(guān)系, 以及馬鈴薯冠氣溫差與蒸騰速率、光合效率及生物量積累間的關(guān)系進(jìn)行研究, 探討利用冠氣溫差評價(jià)馬鈴薯耐旱性的可行性, 為馬鈴薯耐旱育種技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與田間種植方法

供試材料由14份抗旱能力各不相同的四倍體馬鈴薯種質(zhì)材料組成, 其中有來自于秘魯國際馬鈴薯中心(International Potato Center, CIP)的種質(zhì)材料10份, 西北旱作區(qū)大面積種植的耐旱型品種冀張薯8號、隴薯6號,以及干旱敏感型品種大西洋(Atlantic)和夏波蒂(Shepody)。

表1 試驗(yàn)品種和CIP馬鈴薯資源編號Table 1 Experimental varieties and code of potato germplasm resources from CIP

2015—2016年連續(xù)2年在 2種不同干濕類型地區(qū)甘肅省定西市魯家溝鎮(zhèn)(地理坐標(biāo): 104°35'14" E, 35°51'37" N,海拔1850 m, 年平均降雨量220 mm, 年平均蒸發(fā)量1620 mm, 屬中溫帶半干旱區(qū), 年平均氣溫 8.6℃, 無霜期 146 d)和甘肅省定西市五竹鎮(zhèn)(地理坐標(biāo): 104°08'02"E,35°03'32"N, 海拔2182 m, 年平均降雨量650 mm, 年平均蒸發(fā)量 820 mm, 屬中溫帶半濕潤區(qū), 年平均氣溫 4.7℃,無霜期130 d)進(jìn)行田間試驗(yàn)。按小區(qū)種植, 每小區(qū)2壟, 單壟兩行, 每行10株, 株距為0.3 m, 壟距0.8 m, 每小區(qū)間隔1.0 m的走廊, 設(shè) 3次重復(fù)。在兩地均施氮肥 210 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O 比例為 1.4∶1.0∶2.0, 分別用 15∶15∶15的復(fù)合肥、尿素和硫酸鉀。采用機(jī)械化一次性基施, 不追肥, 人工點(diǎn)播后覆土。參照《馬鈴薯實(shí)驗(yàn)研究方法》[12]測定株高、葉面積、葉鮮重指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)區(qū)平均降水量和氣溫狀況

2015—2016年魯家溝鎮(zhèn)年平均降雨量258.8 mm, 年平均氣溫9.8℃, 五竹鎮(zhèn)年平均降雨量604.2 mm, 年平均氣溫 5.6℃, 這兩年兩地試驗(yàn)區(qū)的平均降雨量和氣溫與歷史水平值接近, 無特殊氣候現(xiàn)象發(fā)生(圖1)。

1.3 光合指標(biāo)測定

使用光合儀(LI-COR, LI-6400XTP, USA)測定凈光合速率Pn、葉片氣孔導(dǎo)度Gs、蒸騰速率Tr。從每小區(qū)選擇3株能夠反映該品種植株表型形態(tài)的具有代表性的健康植株, 從播種 40 d后(苗期)開始, 選擇晴天 9:00—12:00測定, 以自然日光為光源, 連續(xù)測定 3個(gè)晴天, 每個(gè)指標(biāo)重復(fù)3次, 取3 d的平均值。

圖1 試驗(yàn)區(qū)月平均降雨量和氣溫狀況Fig. 1 Dynamic of monthly mean rainfall and temperature in experiment areas

1.4 葉綠素測定

使用便攜式葉綠素儀(Minolta, SPAD-502Plus, Japan)測定葉綠素含量。從每小區(qū)選擇 3株有代表性健康植株,測定第3個(gè)展開葉, 對每個(gè)葉片測3次, 取平均值。

1.5 植被覆蓋指數(shù)測定

使用NDVI植被指數(shù)測定儀(Spectrum, CM1000, USA)測定植被覆蓋指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)。

1.6 冠氣溫差的測定

使用紅外線熱像儀(FLIR, T660, USA)從播種40 d后(苗期)開始, 選擇晴天中午12:00—15:00, 從每小區(qū)選擇3株具有代表性的健康植株采集冠層紅外熱圖像, 每株采集3次。將遠(yuǎn)紅外鏡頭垂直置植株上方, 對最上部展開葉(距成像儀0.8 m)拍攝圖像, 利用ThermaCAM Researcher 2002軟件讀取樣本葉片溫度, 選擇每株樣本 6片均勻無病蟲危害、完全展開的葉片, 讀取每片葉6處不同位置的溫度, 取平均值為冠層溫度(canopy temperature,Tc), 在采集每個(gè)紅外熱圖像的時(shí)間內(nèi), 使用電子數(shù)顯溫度計(jì)(Dretec, O-230, Japan)重復(fù)3次讀取空氣溫度, 取平均值計(jì)為空氣溫度(air temperature,Ta)。冠氣溫差(canopy temperature depression, CTD) =Ta–Tc。

1.7 耐旱系數(shù)DTC值計(jì)算

參考 Bouslama等[13]的公式, 耐旱系數(shù)(drought tolerance coefficient, DTC)= SA/SH。SA為半干旱條件下(魯家溝鎮(zhèn))某指標(biāo)的實(shí)測值; SH 為半濕潤條件下(五竹鎮(zhèn))某指標(biāo)的實(shí)測值。

1.8 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003和IBM SPSS Statistic 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及 SPSS皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境下植株表型性狀的耐旱性分析

干濕兩種種植環(huán)境下, 供試馬鈴薯材料的植株表型性狀表現(xiàn)出不同程度的差異。從表2可以看出, 半干旱環(huán)境對供試材料的株高、葉面積、葉鮮重、植被覆蓋指數(shù)均表現(xiàn)出抑制作用。株高、葉面積、葉鮮重、植被覆蓋指數(shù)在半濕潤環(huán)境中的變異范圍分別為 15.67～28.00、6.14～10.93、0.15～0.35和0.83～0.90, 在半干旱環(huán)境中的變異范圍分別為 9.00～17.33、5.11～9.32、0.08～0.27 和 0.61～0.75,各性狀的平均值在半干旱環(huán)境中比在半濕潤環(huán)境中分別降低34.83%、25.45%、38.36%和19.77%。通過計(jì)算得到的耐旱系數(shù)表明, 不同供試馬鈴薯材料的各項(xiàng)表型性狀也表現(xiàn)出不同的耐旱性, 其中植被覆蓋指數(shù)的平均耐旱系數(shù)最高, 為0.8, 葉鮮重的平均耐旱系數(shù)最低, 為0.6。

2.2 不同環(huán)境下冠氣溫差及光合生理指標(biāo)的耐旱性分析

在通過遠(yuǎn)紅外熱成像儀拍攝的熱成像圖中, 根據(jù)色板顏色可分辨圖像中不同位置的溫度情況, 越接近底部藍(lán)黑色代表圖像中相應(yīng)位置溫度越低, 越接近頂部黃白色代表圖像中相應(yīng)位置溫度越高。從圖2可以看出, 不同馬鈴薯品種在同一環(huán)境下葉片溫度差異明顯, 在半干旱環(huán)境下, 馬鈴薯植株的生物量積累明顯受到抑制, 并且在半干旱環(huán)境中耐旱品種的葉片溫度明顯低于干旱敏感型品種。

從表3可以看出, 在半干旱環(huán)境中, 不同供試馬鈴薯材料的光合生理指標(biāo)及冠氣溫差比在半濕潤環(huán)境中均有所降低, 光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉綠素、冠氣溫差在半干旱環(huán)境中的平均值相比在半濕潤環(huán)境中分別降低16.63%、42.86%、49.60%、24.69%和51.52%。各指標(biāo)平均耐旱系數(shù)值表明, 馬鈴薯光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸

騰速率、葉綠素、冠氣溫差在干旱環(huán)境中具有不同程度的耐旱性, 其中光合速率的平均耐旱系數(shù)最高, 為 0.83, 其次是葉綠素、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率, 冠氣溫差的平均耐旱系數(shù)最低均, 為 0.51。耐旱型品種冀張薯 8號和隴薯 10號以及耐旱型材料CIP6～CIP10在干旱種植條件下表現(xiàn)出較高的冠氣溫差值。

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圖2 遠(yuǎn)紅外熱成像儀拍攝的熱成像圖Fig. 2 Thermal images taken by infrared imaging systems

2.3 各性狀在基因型與環(huán)境、年際間的互作效應(yīng)分析

從表4可以看出, 冠氣溫差、光合生理指標(biāo)及植株表型性狀在不同供試馬鈴薯材料之間, 以及干、濕2種種植環(huán)境之間均表現(xiàn)出極顯著差異性(P＜0.01)。在不同年度間,葉鮮重、植被覆蓋指數(shù)差異極顯著(P＜0.01), 冠氣溫差差異顯著(P＜0.05), 其余性狀均無顯著性差異。此外, 除株高在基因型與環(huán)境(G×E)之間存在顯著互作效應(yīng)(P＜0.05)外, 其他性狀在基因型與環(huán)境(G×E)之間均存在極顯著互作效應(yīng)(P＜0.01)。所測性狀在基因型與年度(G×Y)之間, 基因型與環(huán)境、年度(G×E×Y)之間均無顯著互作效應(yīng)。

2.4 各性狀耐旱系數(shù)間的相關(guān)性分析

從表5可以看出, 供試馬鈴薯材料在干、濕2種種植環(huán)境中冠氣溫差的耐旱系數(shù)與所有光合生理指標(biāo)及表型性狀的耐旱系數(shù)均呈極顯著正相關(guān), 氣孔導(dǎo)度的耐旱系數(shù)與葉面積和植被覆蓋指數(shù)的耐旱系數(shù)呈極顯著正相關(guān),與葉綠素含量的耐旱系數(shù)呈顯著正相關(guān), 與株高和葉鮮重的耐旱系數(shù)無顯著相關(guān)性。光合速率和蒸騰速率的耐旱系數(shù)分別與葉面積和植被覆蓋指數(shù)的耐旱系數(shù)呈極顯著正相關(guān), 與葉鮮重的耐旱系數(shù)呈顯著正相關(guān), 與其他表型性狀的耐旱系數(shù)無顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 馬鈴薯耐旱性評價(jià)指標(biāo)

耐旱鑒定指標(biāo)是馬鈴薯耐旱育種工作中的重要內(nèi)容和理論依據(jù)[14]。近年來, 研究人員對馬鈴薯的耐旱機(jī)制研究并提出了多項(xiàng)耐旱指標(biāo), 可在馬鈴薯育種評價(jià)中應(yīng)用。在利用植株表型性狀鑒定馬鈴薯耐旱性中, Deblond等[15]在水旱條件下對6個(gè)馬鈴薯品種的莖高、葉片數(shù)、葉長測定發(fā)現(xiàn), 這些指標(biāo)對干旱敏感, 認(rèn)為可作為馬鈴薯耐旱性評價(jià)指標(biāo)。Lahlou等[16]調(diào)查了4個(gè)馬鈴薯品種的耐旱性,發(fā)現(xiàn)葉片干重、葉面積、株高可以作為馬鈴薯耐旱性評價(jià)指標(biāo)。Richards[17]在干旱條件下分析各性狀對馬鈴薯產(chǎn)量不同貢獻(xiàn)率, 發(fā)現(xiàn)開花數(shù)、早期葉面積可作為馬鈴薯耐旱性評價(jià)指標(biāo)。在利用光合指標(biāo)進(jìn)行耐旱性鑒定中, Bansal等[18]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯在干旱脅迫下凈光合速率明顯下降, 可作為重要的馬鈴薯耐旱指標(biāo)。Jefferies等[19]在水、旱2種條件下種植馬鈴薯, 發(fā)現(xiàn)干旱可使馬鈴薯氣孔導(dǎo)度下降,進(jìn)而限制光合作用, 導(dǎo)致產(chǎn)量降低, 從而發(fā)現(xiàn)氣孔導(dǎo)度可作為耐旱指標(biāo)對耐旱型馬鈴薯進(jìn)行鑒定。本試驗(yàn)在干、濕2種種植環(huán)境下對14個(gè)不同馬鈴薯材料的耐旱性評價(jià)表明,

干旱對試驗(yàn)中所測定的馬鈴薯植株表型性狀和光合生理指標(biāo)均產(chǎn)生了抑制效應(yīng), 光合速率和植被覆蓋指數(shù)的耐旱性最強(qiáng), 分別為0.80和0.83, 葉面積、葉綠素、株高、葉鮮重耐旱性中等, 介于 0.60～0.77之間, 冠氣溫差、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度耐旱性最弱, 分別為0.51、0.52和0.59,說明馬鈴薯的冠氣溫差、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對干旱脅迫的響應(yīng)最敏感。在以往研究中, 植株表型性狀和光合生理指標(biāo)已被廣泛用于馬鈴薯耐旱性鑒定研究, 近年來, 冠氣溫差也常被用于植物的耐旱鑒定。冠氣溫差被認(rèn)為是反映植物生理適應(yīng)性的有效指示器, 可以很好地反映某一環(huán)境條件下植物的綜合生理狀態(tài)[20], 已有研究證明, 冠氣溫差可作為有效工具對小麥、水稻、大豆、棉花、玉米等作物進(jìn)行耐旱型種質(zhì)篩選[21-26]。本試驗(yàn)中干旱對供試材料的冠氣溫差均產(chǎn)生了抑制效應(yīng), 冠氣溫差在干、濕2種種植環(huán)境之間均表現(xiàn)出極顯著差異性, 表明干旱對冠氣溫差會產(chǎn)生顯著影響, 說明冠氣溫差也可作為鑒定指標(biāo)在馬鈴薯耐旱性研究中應(yīng)用?；蛐团c環(huán)境互作效應(yīng)可反映品種性狀的穩(wěn)定性, 本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中所測性狀指標(biāo)在基因型與環(huán)境之間均存在顯著互作效應(yīng), 說明這些性狀受基因型和環(huán)境條件的雙重影響, 需在多環(huán)境條件下進(jìn)行表型鑒定, 才能獲得性狀的全面評價(jià)。

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表5 各性狀耐旱系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients among drought tolerant indexes of traits related to drought tolerance

3.2 冠氣溫差與馬鈴薯耐旱性的關(guān)系

作物在田間生長過程中, 能夠通過自身對冠層溫度的調(diào)節(jié)來適應(yīng)干旱、高溫等不利環(huán)境[27]。冠層溫度的變化實(shí)際是作物適應(yīng)不同環(huán)境的反應(yīng)信號, 干旱脅迫下, 作物氣孔關(guān)閉、蒸騰強(qiáng)度降低, 從而減少水分散失, 維持植株正常生理代謝, 保持作物生物量的積累, 在氣孔關(guān)閉、蒸騰強(qiáng)度降低后, 植株的一個(gè)重要表象就是冠層溫度升高, 而這一表象往往提前于植株生物量積累的變化, 且相對于生理代謝的變化更易于觀察[28], 所以冠層溫度可視為馬鈴薯在田間受旱時(shí)的快速響應(yīng)指標(biāo)。而冠層溫度會受到所在環(huán)境空氣溫度的顯著影響, 用同一時(shí)間內(nèi)的空氣溫度減去作物冠層溫度獲得的冠氣溫差可反映作物在不同環(huán)境中的相對溫度變化, 這有效排除了外界環(huán)境的干擾。在冠氣溫差與馬鈴薯耐旱性關(guān)系的研究中, 本試驗(yàn)通過公式計(jì)算獲得了供試馬鈴薯材料的植株、葉面積、葉鮮重、葉綠素和植被覆蓋指數(shù)的耐旱系數(shù), 這5個(gè)性狀可反映馬鈴薯植株的生物量積累和生理代謝情況, 其耐旱系數(shù)是反映馬鈴薯耐旱性的重要指標(biāo), 通過相關(guān)性分析表明, 冠氣溫差的耐旱系數(shù)與植株、葉面積、葉鮮重、葉綠素和植被覆蓋指數(shù)的耐旱系數(shù)呈極顯著正相關(guān), 此外供試馬鈴薯材料光合作用指標(biāo)的耐旱系數(shù)與冠氣溫差的耐旱系數(shù)也均呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān), 說明冠氣溫差可綜合表明馬鈴薯植株在干旱脅迫下的生物量積累和生理代謝情況, 從而反映馬鈴薯的耐旱性。

3.3 冠氣溫差在馬鈴薯耐旱性鑒定中的應(yīng)用

冠氣溫差不僅受環(huán)境影響, 也受作物遺傳特性的作用, 具體表現(xiàn)在受到干旱脅迫時(shí), 不同基因型作物的冠氣溫差變化程度差異顯著[29]。在本試驗(yàn)中, 冠氣溫差在不同供試馬鈴薯材料之間差異極顯著。有研究表明, 耐旱型作物品種的冠層溫度通常低于干旱敏感型品種的冠層溫度, 因而耐旱型作物品種的冠氣溫差高于干旱敏感型品種[7-8]。在相同條件下, 冠層溫度在不同基因型間存在的差異稱之為冠層溫度分異特性。通過冠層溫度分異特性可將作物品種分為冷型品種、暖型品種及中間型品種。通常干旱脅迫下冷型品種較暖型品種會表現(xiàn)出更好的生物學(xué)性狀, 在耐旱型品種選育中, 利用冷型材料為親本或以其作為主要選育目標(biāo)的研究已在小麥中多有報(bào)道[30]。在本試驗(yàn)中, 耐旱型品種冀張薯8號和隴薯10號以及5個(gè)耐旱型材料在干旱種植條件下表現(xiàn)出較高的冠氣溫差值,并在植株表型性狀和光合指標(biāo)上表現(xiàn)出較好的耐旱性,從而說明冠氣溫差可以作為馬鈴薯的耐旱性鑒定指標(biāo)予以應(yīng)用。此外, 在作物對干旱脅迫的反應(yīng)上, 冠層溫度和空氣溫度相對較容易測定, 因此冠氣溫差是一個(gè)較為理想的田間鑒定指標(biāo)。并且在本試驗(yàn)中使用的紅外線熱像儀可在不損傷馬鈴薯植株的條件下對冠層溫度進(jìn)行快速檢測, 使馬鈴薯耐旱性鑒定的方法更為便捷高效。