適度水分脅迫下基因型與土壤水分互作對甘蔗生物量的影響

陸 鑫,毛 鈞,李純佳,徐超華,蔡 青,范源洪*

(1.云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南 開遠 661699；2.云南省農業(yè)科學院生物技術與種質資源研究所，云南 昆明 650223)

【研究意義】云南省是中國第2大甘蔗種植基地[1]，近年來植蔗面積穩(wěn)定在36萬hm2左右，其中缺乏灌溉條件的“雨養(yǎng)型”旱地甘蔗面積達70 %以上[2]。近年來云南省甘蔗主產區(qū)受旱嚴重，甘蔗大面積受災減產，干旱缺水成為制約云南甘蔗產業(yè)發(fā)展的重要因素。生產上急需抗旱新品種以應對土壤水分虧缺的生產條件。因此，研究甘蔗生物量對基因型與土壤水分交互作用的響應，對開展甘蔗種質資源評級及抗旱育種具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前甘蔗的抗旱性評價主要有2種途徑，一是從甘蔗的光合氣體交換參數、葉片水平水分利用效率[3]、葉片細胞質膜透性[4]、丙二醛含量[5]、葉綠素含量[6]等與甘蔗抗旱性相關的生理生化指標研究入手；二是對甘蔗受旱后株高、莖徑、綠葉數及產量的差異變化進行分析[7-8]。其中以第2種方法得到的結果最為直觀?！颈狙芯康那腥朦c】目前甘蔗抗旱評價研究僅限于甘蔗受旱后蔗莖產量的差異和降幅變化，而對于甘蔗生物量及其分配比例對水分脅迫的響應，特別是基因型與水分的互作效應對生物量的影響，目前在國內未見報道。從云南省全年降雨量分布來看，其雨季集中在夏秋兩季，11月至翌年4月正值云南省甘蔗的栽種季節(jié)，而此期間降雨量僅為年總降雨量的10 %[9]，甘蔗苗期受旱較為突出。鑒于此，本研究利用人工水分脅迫模擬自然條件下甘蔗苗期至伸長期持續(xù)受旱的過程，分析水分脅迫對甘蔗生物量及其分配比例、植株水平水分利用效率的影響，以及基因型和水分處理對甘蔗生物量的交互作用，并探討甘蔗相對葉綠素含量對水分脅迫的響應?！緮M解決的關鍵問題】旨在為甘蔗種質資源抗旱性評價及抗旱育種早期選擇提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2015年2-6月，在云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所抗旱大棚內進行甘蔗桶栽試驗，棚內光照強度為自然光強的60 %。土壤以大田紅壤、泥炭土粉末、泥炭土顆粒(直徑0.4～0.5 cm，泥炭土產品購于云南中電新能源有限公司)按1∶1∶1比例混合，混合土含有機質322.6 g/kg，pH 6.3，全氮、磷、鉀分別為0.498 %、0.169 %和2.0 %，有效氮、磷、鉀分別為241.3、72.6和255.7 mg/kg。試驗材料包括9份不同類型的種質材料(表1)，均由國家農作物種質資源共享服務平臺提供。每份材料各取50個單芽種莖，(50±0.2)℃的溫水處理2 h[10]，于營養(yǎng)袋中進行單芽育苗。

表1 試驗材料

試驗按隨機區(qū)組設計，設灌溉(Well watered，WW)和水分脅迫(Water stress，WS)2個處理，2個空白對照，每個處理3個重復，同時為了測定生物量初始值，每份材料再額外種植1桶。待所有參試材料生長至4葉齡時，同一材料內挑選長勢相近的14株幼苗進行移栽，每桶移栽2苗。移栽時每桶施6 g殺蟲雙(3.6 %顆粒劑，福建泰禾農大生化有限公司)，移栽后每桶覆蓋2 kg聚乙烯(Polyethylene，PE)顆粒降低水分蒸發(fā)，每15 d噴施1次0.07 %氯蟲·噻蟲嗪(懸乳劑，瑞士先正達作物保護有限公司)防止螟蟲危害。

1.2 水分管理

試驗期間每天使用TDR土壤水分速測儀(JNSQ02型，北京天創(chuàng)金農科技有限公司)測量每桶混合土體積含水量，根據公式計算W(mL)=(Va-Vb)/100×22.1×1000每桶補水量，式中，Va為土壤體積含水量目標值，Vb為土壤體積含水量測量值，W為澆水量。灌溉處理和對照維持土壤含水量為飽和狀態(tài)，其中對照用于估算蒸發(fā)量，水分處理設置5個階段逐級脅迫，模擬自然干旱條件下的土壤水分脅迫，即分別為混合土飽和狀態(tài)下體積含水量的100 %(S1)、80 %(S2)、70 %(S3)、60 %(S4)和50 %(S5)，每個處理階段達到既定水平后并維持5 d，進行相關指標的測定，之后進入下一脅迫階段。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 土壤飽和含水量測定 取2只倒圓臺形(上底面直徑為43 cm，下底面直徑為30 cm，高為32 cm)塑料桶作空白對照，底部均勻鉆取20個直徑為0.5 cm的排水孔，每桶裝土后緩慢灌水直到底部排水孔開始出水為止，每桶稱取1.5 kg PE顆粒覆蓋土表，降低土壤水分蒸發(fā)；靜置48 h后待排水孔停止排水，其質量恒定，將排水孔封堵，計算每桶土壤達飽和持水量的需水量。按照TDR土壤水分速測儀探針大小規(guī)格和排列位置，在塑料桶側面中間高度位置鉆取4個測量孔，用于測量土壤飽和持水量。非測量狀態(tài)下測量孔用相應規(guī)格的硅膠堵頭進行封堵。

表2 土壤飽和體積含水量及需水量

1.3.3 生物量、水分利用效率及形態(tài)指標測定 所有材料主莖均生長至8葉齡，對9桶額外種植材料的生物量進行測定，作為各材料生物量的初始值B1；完成50 %水分脅迫處理階段各指標測量后進行收獲，測定每桶材料的生物量終止值B2。二者之差即為測量階段的生物量。生物量測定時將桶內2株植株完整取出，清洗根系，將植株分為梢頭(含葉鞘、無效分蘗及不完全展開葉)、葉片、蔗莖和根系，置于90 ℃鼓風干燥箱內干燥，其質量恒定后稱重，冠重為地上部生物量總和，根重即為地下部生物量，根冠比為根重與冠重之比。

水分利用效率WUE(g/L)=(B2-B1)/(Wt-We)×1000，式中B1為生物量的初始值，B2為生物量終止值，Wt為測量期間澆水總量，We為土壤水分蒸發(fā)量，即測量期間2個空白對照澆水總量的平均值。

1.4 數據分析

采用Excel 2010對數據進行匯總，SPSS 21、GenStat 12.0統(tǒng)計軟件進行數據分析，用Duncan’s進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤飽和持水量

每桶裝土20 kg(桶內土壤體積為22.1 L)，灌水后自然排水至恒重，計算需水量平均值及測定飽和體積含水量。從表2可知，每桶平均需澆水為7 150 g可使土壤含水量達飽和，平均飽和體積含水量為29.95 %。由此可知，S2至S5脅迫階段的土壤體積含水量分別為23.96 %、20.97 %、17.97 %和14.98 %

2.2 各指標間的相關性分析

試驗于2015年2-6月，在云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所抗旱大棚內進行。由表3可見，用水量除與根冠比無顯著相關性外，與其它指標間存在極顯著正相關；葉面積與冠重、生物量、用水量呈極顯著正相關，與根冠比呈極顯著負相關，這是由于葉面積的增加，導致了冠重的增加，造成根冠比值下降；冠重與根重、生物量、及SPAD均呈極顯著正相關，其中與生物量的相關系數為最高，達0.988；根重與生物量及SPAD之間分別存在極顯著和顯著正相關，說明葉綠素相對含量的高低除對冠重有正向效應外，對根重也造成影響。

表3 各性狀間的相關系數

注:“*”表示P<于0.05，“**”表示P<0.01。

Note: ‘*’ means significant difference (P<0.05). ‘**’ means highly significant difference (P<0.01).

表4 不同水分條件下甘蔗生物量及水分利用效率的方差分析

2.3 水分脅迫對甘蔗生物量、水分利用效率的影響

由表4可見，9份參試材料間的總生物量、水分利用效率均存在極顯著的差異，而基因型與水分處理的互作效應不顯著。分別對灌溉和水分脅迫下的生物量及水分利用效率做單因素方差分析(結果見圖1～2)，越南2號的生物量在灌溉和水分脅迫下均為最高，分別為693.1和315.2 g，且在灌溉條件下顯著高于其它參試材料，灌溉和水分脅迫下生物量最低的分別是51NG90(322.8 g)和Uba(176.6 g)，二者生物量在灌溉和水分脅迫下均表現(xiàn)為差異不顯著，其中Uba受水分脅迫后生物量降幅最大，達59.8 %，表明該材料對水分脅迫較為敏感。云蔗09-354生物量在灌溉和水分脅迫下分別位列第3位(499.6 g)和第2位(314.2 g)，生物量降幅僅為37.1 %，與其它材料相比，該材料在水分脅迫條件下具有較好的穩(wěn)產性。整體上看，灌溉條件下生物量高的材料，在水分脅迫條件下其生物量也較高，反之亦然。

在灌溉條件下，2份割手密材料(越南2號、云南2009-2)表現(xiàn)出較高的水分利用效率，分別達6.97和6.84 g/L；51NG90的水分利用效率最低，其在灌溉和水分脅迫條件下水分利用效率分別為5.65和5.08 g/L。同一材料在灌溉和水分脅迫下的水分利用效率無顯著性差異，其中海南92-84、云蔗03-194的水分利用效率平均值水分脅迫略高于灌溉。整體上看，水分利用效率的變化趨勢與生物量變化相似，也存在灌溉條件下水分利用效率高的材料，其在水分脅迫條件下水分利用效率也高的情況。

2.4 水分脅迫對甘蔗生物量分配比例的影響

根冠比是反映干物質協(xié)調積累狀況的重要指標，受植物自身基因型和環(huán)境因素的影響[12]，對根冠比值進行反正旋平方根轉換后進行方差分析(表5)，結果表明，灌溉和水分脅迫條件下，參試材料的根冠比存在顯著差異，水分脅迫條件下高于灌溉條件下的根冠比，說明在水分脅迫條件下，干物質的積累更多地被分配到地下部分，促進了甘蔗根系的生物量比例。

同種供水條件下不同小寫字母表示參試材料間差異顯著(P<0.05)。下同The different small letters in same treatments mean significant difference( P<0.05). The same as below圖1 不同供水條件對甘蔗生物量的影響Fig.1 The effects of different irrigation treatments on biomass of sugarcane

圖2 不同供水條件對甘蔗水分利用效率的影響Fig.2 The effects of different irrigation treatments on WUE of sugarcane

2.5 甘蔗相對葉綠素含量(SPAD值)對水分脅迫的響應

由表6可知，在灌溉條件下，S2、S3、S4、S5階段的SPAD值無差異，但顯著低于S1階段，S1階段水分脅迫處理組混合土體積含水量與灌溉組相同，均為飽和含水量，2組處理間沒有顯著差異，S2階段水分脅迫組SPAD值顯著高于灌溉組，但隨著水分脅迫程度的加深，其SPAD值逐漸降低，并顯著低于灌溉組；從廣義遺傳力看，除S1階段外，其它各階段灌溉處理和水分脅迫處理下廣義遺傳力都較高，且均達0.6以上。

3 討 論

國內有關干旱脅迫對甘蔗產量的影響研究已有大量報道，但大多研究不同水分處理對甘蔗產量的影響，及產量相關表型性狀對水分脅迫的響應差異。前人研究均表明甘蔗受旱后產量呈不同程度降低[4,6,8]，本文中生物量對水分脅迫的響應結果與此相一致。但有關甘蔗受旱后生物量及其分配比例的變化，特別是甘蔗基因型與水分處理交互作用方面的研究僅在國外有少量報道[13-14]。本研究一個重要的結果是基因型與水分處理對甘蔗生物量的交互效應不顯著。從整體上看，水分脅迫處理組平均生物量僅為灌溉處理組的50.7 %，導致甘蔗生物量降低的原因主要來自于水分脅迫，而材料間生物量的差異受自身基因型決定。顯示灌溉和適度水分脅迫處理下對甘蔗生物量表現(xiàn)結果是一致的，相同的結論在國外其它研究中已有報道[15]。而水分利用效率同樣不受基因型與水分處理互作效應的影響。因此，在甘蔗育種程序中，對于評價材料受旱后的產量潛能，僅需在相同的水分處理條件下進行篩選即可。在2014年以前，云南省甘蔗品種選育區(qū)試設計中，同一套品種在同一區(qū)試點均布置了水田和旱地2套試驗。但從2014年起，育種家考慮到人、財、物的投入，將每個區(qū)試點試驗由原來的2套試驗縮減為1套試驗。本試驗研究結果對云南省甘蔗區(qū)試設計的優(yōu)化提供了理論依據，具有較好的實際應用價值。

表5 不同水分條件下根冠比方差分析

表6 不同水分條件下甘蔗葉片SPAD方差分析和廣義遺傳力

注：不同小寫字母表示灌溉或水分脅迫下不同測量階段間的差異顯著(P<0.05)，“*”表示同一測量階段下灌溉處理和水分脅迫處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: The different small letters mean significant difference among each step under WW or WS (P<0.05), ‘*’ means significant difference between WW and WS under same step (P<0.05).

不同生境中生物量分配的變異反映了植物對環(huán)境的適應。為了適應環(huán)境變化，提高競爭效率，吸收較高的水肥，植物根系表現(xiàn)出明顯的可塑性[16]。根冠比是植物適應環(huán)境光合產物分配關系的具體體現(xiàn)，徐炳成等[17]研究表明，在干旱脅迫條件下增大根冠比，提高植株對水肥的吸收，是植物適應干旱脅迫的重要策略。甘蔗苗期受旱后，其生物量分配也發(fā)生了變化，采取了相同的光合產物分配策略，增強根系對土壤水分的吸收，以抵御干旱脅迫。

SPAD可以在不破壞葉片的情況下對植物葉片葉綠素含量進行快速、準確的測定，其結果為葉綠素相對含量。在本研究中，SPAD值與生物量具有極顯著相關關系，并且隨著水分脅迫程度的加劇，其數值逐漸降低，這與前人[18]研究結果一致。

甘蔗是熱帶種和割手密種間雜交得到的高度雜合的異源多倍體或非整倍體[19]，F(xiàn)1即開始迅速分離，育種上需要建立龐大的育種群體用于篩選，如何在早期階段進行有效選擇提高育種效率是近年來甘蔗育種家思考和研究的重點問題。盡管有研究表明光合特性與抗旱性具有較好的相關性[20]，但因其光合參數檢測設備價格昂貴，且檢測結果受環(huán)境條件等因素影響較大，在甘蔗育種早期階段對育種群體進行大規(guī)模篩選時工作效率較低等原因，其應用受到一定限制。本研究發(fā)現(xiàn)SPAD值從S2階段開始具有較高的廣義遺傳率，與生物量呈極顯著相關，且測量效率較高，因此該參數可作為耐旱評價指標應用于甘蔗早期選擇育種實踐中。

4 結 論

甘蔗受旱后，其生物量分配由地上部分向地下部分轉移，從整體上看，生物量較灌溉處理組下降49.3 %；基因型與水分處理對甘蔗生物量沒有顯著的交互效應，個體間生物量的差異主要由基因型決定；SPAD與生物量存在極顯著正相關性，受到水分脅迫后，其值顯著降低，且在不同水分處理條件下具有較高的廣義遺傳率，可作為甘蔗耐旱性評價指標應用。