干旱脅迫對持綠型割手密葉片生理特性的影響及抗旱性評價

邊 芯，郎榮斌，經(jīng)艷芬*，董立華，桃聯(lián)安，孫有芳，安汝東，周清明，俞華先，田春艷

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站，云南 瑞麗 678600；2.云南甘蔗遺傳育種重點(diǎn)實驗室，云南 開遠(yuǎn) 661600)

【研究意義】甘蔗是中國主要的糖料作物，其面積占中國常年糖料面積的85 %以上，產(chǎn)糖量占食糖總產(chǎn)的90 %以上，中國已成為世界第三大產(chǎn)糖國。隨著國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，廣西、云南等西部蔗區(qū)的甘蔗面積已占全國的79.9 %。近年來，氣候的變化以及水資源的短缺，導(dǎo)致旱災(zāi)不斷；加之經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的膨脹，甘蔗種植向無灌溉條件的旱坡地遷移，廣西丘陵、旱坡地種植甘蔗面積達(dá)全區(qū)種植甘蔗總面積的90 %，云南旱坡地種植甘蔗面積占全省種植甘蔗面積的70 %，這些蔗區(qū)多數(shù)抵御自然災(zāi)害能力不足，干旱成為甘蔗生產(chǎn)的主要制約因素。挖掘并利用作物抗旱節(jié)水優(yōu)異資源，提高作物的抗旱性和水分利用效率具有重要意義[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，在作物中持綠性越來越受到育種者的關(guān)注[2-7]。干旱最容易引起作物葉片褪色，加速作物的衰老死亡；但持綠葉片能夠進(jìn)行更多的光合作用，提升作物的抗旱能力，進(jìn)而提高作物的生物產(chǎn)量。割手密(SaccharumspontaneumL.)，也稱甘蔗細(xì)莖野生種，具有抗逆性強(qiáng)以及適應(yīng)性廣的特點(diǎn)。對割手密的研究，劉建樂等[8]、張革民等[9]、劉洪博等[10]分別研究了不同省區(qū)甘蔗細(xì)莖野生種的遺傳多樣性。吳才文等[11-12]、桃聯(lián)安等[13-15]分別從甘蔗細(xì)莖野生種后代分離群體構(gòu)建及其遺傳分析等方面研究。經(jīng)艷芬等[16]、邊芯等[17]對云南野生甘蔗血緣后代的抗旱性進(jìn)行鑒定研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，本研究團(tuán)隊對云南割手密后代持綠性表現(xiàn)進(jìn)行研究[18]，篩選出一批持綠性較好的創(chuàng)新種質(zhì)材料。【擬解決的關(guān)鍵問題】為進(jìn)一步探索這些持綠性割手密的抗旱性，本研究利用25個持綠性割手密后代種質(zhì)及其親本進(jìn)行抗旱性鑒定，進(jìn)一步探明持綠性割手密的抗旱性及遺傳，為持綠性甘蔗細(xì)莖野生種的利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用持綠性割手密血緣創(chuàng)新種質(zhì)25個，包括云割F211-10、云割F211-23、云割F211-46、云割F211-52、云割F211-68、云割F211-78、云割F211-84、云割F211-97、云割F211-133、云割F211-139、云割F211-141、云割F211-149、云割F211-156、云割F211-159、云割F211-160、云割F211-161、云割F211-175、云割F211-182、云割F211-196、云割F211-199、云割F211-208、云割F211-215、云割F211-231、云割F211-241、云割F211-260；親本2個，P1(云割F108-254)和P2(云割F109-525)，共27個參試材料。

1.2 試驗設(shè)計

試驗場地位于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站抗旱溫室內(nèi)，桶栽種植，其中桶高27 cm，直徑30 cm。在土、有機(jī)肥與沙(質(zhì)量比為2∶1∶1)的基質(zhì)中培養(yǎng)催芽，當(dāng)單芽種植的試驗材料開始分蘗時，將培養(yǎng)的幼苗移入同樣基質(zhì)的桶中，每桶移栽5叢，每個材料2個處理，包括正常供水和干旱脅迫，每個處理設(shè)3次重復(fù)，適時灌水、施肥保證其正常生長。至10月開始對干旱脅迫處理進(jìn)行中度脅迫，脅迫時間為7 d，7 d后測定各指標(biāo)，脅迫解除后恢復(fù)正常供水至成熟。

1.3 生理指標(biāo)測定

采用氮藍(lán)四唑法測定SOD活性；采用愈創(chuàng)木酚法測定POD活性；采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛(MDA)含量；相對電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測定；脯氨酸含量(Pro)采用酸性茚三酮法測定；可溶性糖含量采用蒽酮法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 和DPS13.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

1.4.1 計算抗旱系數(shù)

(1)

1.4.2 計算參試材料抗旱性綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)值

(2)

式中，xj表示第j個綜合指標(biāo)；xmax和xmin表示第j個綜合指標(biāo)的最大值和最小值。

1.4.3 計算各綜合指標(biāo)的權(quán)重

(3)

式中，wj表示第j個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重；pj是每個參試材料第j個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

1.4.4 計算參試材料的綜合抗旱能力

(4)

式中，D表示參試材料在干旱脅迫下用綜合評價指標(biāo)所得的抗旱性綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各參試材料葉片生理指標(biāo)性狀的抗旱系數(shù)

從表1可以看出，在干旱脅迫下持綠型割手密創(chuàng)新種質(zhì)后代葉片的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、SOD活性、POD活性、丙二醛和質(zhì)膜透性和對照相比均有不同程度的增加，表明在干旱脅迫條件下，持綠型割手密血緣后代創(chuàng)新種質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)葉片自身的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性和質(zhì)膜透性等來抵御干旱。根據(jù)參試材料葉片生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)變化幅度的大小，將各指標(biāo)對干旱脅迫的敏感程度加以排序：脯氨酸>質(zhì)膜透性>丙二醛>可溶性蛋白>SOD活性>可溶性糖>POD活性。同一參試材料各葉片生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)以及同一葉片生理指標(biāo)的不同參試材料抗旱系數(shù)都有不同幅度的變化，直接根據(jù)各指標(biāo)的抗旱系數(shù)很難評價參試材料的抗旱性。

表1 參試材料葉片生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)

2.2 主成分分析

以參試材料葉片生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)為基礎(chǔ)，利用DPS13.5軟件計算各主成分的特征向量和貢獻(xiàn)率(表2)，前5個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率依次為0.2885，0.1843，0.1599，0.1243和0.1176，累計貢獻(xiàn)率達(dá)87.5 %，而85 %的累計貢獻(xiàn)率即可認(rèn)為有代表性。從表2中看出，在第1主成分中，POD和MAD的系數(shù)較大；第2主成分中，可溶性糖和POD的系數(shù)較大；第3主成分中，脯氨酸和可溶性蛋白的系數(shù)較大；第4主成分中，脯氨酸和質(zhì)膜透性的系數(shù)較大；第5主成分中，可溶性糖和MAD的系數(shù)較大。這表明，脯氨酸、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白)、質(zhì)膜穩(wěn)定性指標(biāo)(丙二醛含量、質(zhì)膜透性)、保護(hù)酶活性均可作為持綠型割手密抗旱性評價的指標(biāo)。

2.3 綜合分析

2.3.1 隸屬函數(shù)分析 利用DPS13.5軟件，根據(jù)抗旱系數(shù)計算參試材料的綜合指標(biāo)CIj，再依據(jù)公式(2)將CIj轉(zhuǎn)化為對應(yīng)隸屬函數(shù)值rj。在干旱脅迫下，云割F211-208的r1最大，值為1.0000，表明云割F211-208在綜合指標(biāo)CI1上具有較強(qiáng)的抗旱性；而云割F211-133的r1最小，為0.0000，表明在云割

表2 主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率

F211-133在綜合指標(biāo)CI1上抗旱性較弱。r2、r3、r4和r5的最大值對應(yīng)的材料分別為云割F211-160、云割F211-175、云割F211-231、云割F211-97。r2、r3、r4和r5的最小值對應(yīng)的材料分別為云割F211-231、云割F211-97、云割F211-159、云割F211-23。

2.3.2 權(quán)重測定 依據(jù)表2中各綜合指標(biāo)累積貢獻(xiàn)率可知，前5個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率依次為0.2885，0.1843，0.1599，0.1243和0.1176，用公式(3)求出5個綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.3299、0.2107、0.1828、0.1421和0.1345(表3)。

2.3.3 綜合評價 根據(jù)公式(4)計算出各參試材料的綜合抗旱能力D值，并按其大小進(jìn)行排序。從表3中可得，D值超過雙親的材料，包括云割F211-208、云割F211-182、云割F211-52、云割F211-68、云割F211-175、云割F211-161、云割F211-160、云割F211-141和云割F211-241，占參試材料的36 %，這類材料都表現(xiàn)出超親的抗旱性；D值介于雙親之間的材料，包括為云割F211-46、云割F211-156、云割F211-215、云割F211-231、云割F211-196、云割F211-159和云割F211-23，占參試材料的28 %，這類材料具有一定的抗旱性；其余材料其D值均小于雙親。

續(xù)表3 Continued table 3

材料CI1CI2CI3CI4CI5r(x1)r(x2)r(x3)r(x4)r(x5)D云割F211-159-0.09140.80880.1934-1.538-0.03120.49220.50140.48000.00000.44890.4162云割F211-230.0358-0.92420.12030.3539-1.59410.51070.13860.45980.57160.00000.3630P20.3789-0.96980.1476-1.4513-0.34070.56070.12910.46740.02620.36000.3498云割F211-133-3.47010.58740.68950.9609-0.74220.00000.45500.61730.75500.24470.3489云割F211-84-0.65770.0024-1.2217-0.48850.43170.40970.33260.08840.31710.58190.3447云割F211-97-0.5227-0.962-1.541-0.64231.88740.42940.13070.00000.27061.00000.3421云割F211-78-2.0867-1.00730.69260.8271-0.72960.20150.12120.61820.71460.24830.3400云割F211-1390.1601-0.7282-0.645-0.3618-0.97490.52890.17960.24800.35540.17790.3321云割F211-199-1.24750.5228-0.7104-0.7508-0.15040.32380.44150.22990.23780.41470.3314云割F211-2600.1814-0.184-1.1513-0.7935-1.19680.53200.29360.10790.22490.11410.3044云割F211-10-1.7596-0.9265-1.0252-0.41261.12860.24920.13810.14280.34000.78200.2909云割F211-149-0.6991-1.244-0.5249-0.9395-0.46270.40370.07170.28120.18080.32500.2691權(quán)重0.32990.21070.18280.14210.1345

圖1 參試材料D值聚類圖Fig.1 Clustering dendrogram of the tested materials based on D value

2.3.4 聚類分析及抗旱級別的劃分 以綜合抗旱能力D值為依據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)聚類。在歐式距離0.8處，將參試材料分為3大類，第1類包括綜合抗旱能力D值超雙親且排名1～9的材料為云割F211-208、云割F211-182、云割F211-52、云割F211-68、云割F211-175、云割F211-161、云割F211-160、云割F211-141和云割F211-241；第2類包括綜合抗旱能力D值排名10～16的7個材料，占參試材料的28 %；第3類包括綜合抗旱能力D值排名17～25的9個材料，占參試材料36 %，其中云割F211-23綜合抗旱能力D超過P2和低于雙親的7個材料聚為同一類。

3 討 論

葉片衰老死亡是植物遇逆境脅迫或生理成熟的外在表現(xiàn)。干旱最容易引起作物葉片褪色，加速植物的衰老死亡。在本研究中，干旱脅迫下，持綠型割手密葉片生理指標(biāo)抗旱系數(shù)變化幅度大?。焊彼?質(zhì)膜透性>丙二醛>可溶性蛋白>SOD活性>可溶性糖>POD活性。同時參試材料葉片的脯氨酸、丙二醛、可溶性蛋白和可溶性糖含量、質(zhì)膜透性、SOD和POD活性均有不同程度的提高，各生理指標(biāo)間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，僅根據(jù)參試材料生理指標(biāo)抗旱系數(shù)無法判斷其抗旱性，如：云割F211-260中脯氨酸指標(biāo)抗旱系數(shù)最小，而綜合抗旱能力相對較弱，因此僅根據(jù)某一生理指標(biāo)并不能準(zhǔn)確地評價材料的抗旱性。

采用抗旱性隸屬函數(shù)法結(jié)合聚類分析，對云南持綠型割手密抗旱性進(jìn)行綜合評價，避免了單一片面性，使分析結(jié)果和實際結(jié)果較為接近，更加客觀可靠。

云南割手密豐富的遺傳多樣性，是甘蔗抗逆育種的重要基因資源。根據(jù)材料綜合抗旱能力D值大小結(jié)果，看出P1(云割F108-254)的抗旱性優(yōu)于P2(云割09-525)，其后代云割F2代群體材料抗旱性出現(xiàn)了較大的分離，這是抗旱性優(yōu)良種質(zhì)材料篩選的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

利用主成分分析和隸屬函數(shù)分析將7個指標(biāo)綜合成5個主成分，根據(jù)綜合抗旱能力D值大小將參試材料分為3類，其中第1類為D值超過雙親的材料：包括云割F211-208、云割F211-182、云割F211-52、云割F211-68、云割F211-175、云割F211-161、云割F211-160、云割F211-141和云割F211-241，這類材料都表現(xiàn)出超親的抗旱性，可在育種實踐中優(yōu)先利用。