廣西甘蔗品種抗旱性研究

楊海霞，李恒銳，何文，劉連軍，黎萍，郭素云，梁振華

（廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣西龍州532415）

0 引言

甘蔗是中國南方重要的糖料和能源作物。目前，我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)分布在廣西、廣東、云南等地，其中約70%的蔗區(qū)為干旱坡地，而廣西無灌溉條件的丘陵旱地甘蔗種植地面積高達(dá)90%，由于自然降雨不均衡、土壤保水能力有限、水利工程設(shè)施不完善等原因，導(dǎo)致作物旱害不斷加劇，其中夏秋旱對(duì)甘蔗產(chǎn)量的危害最嚴(yán)重。干旱已經(jīng)成為制約我國甘蔗產(chǎn)量提高的重要因素。因此，研究甘蔗的抗旱機(jī)理，選育具備較強(qiáng)抗旱性的甘蔗品種，是降低甘蔗成本、提高甘蔗產(chǎn)量的有效途徑，在理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐方面具有重要意義[1-3]。對(duì)干旱脅迫下不同甘蔗品種抗旱性進(jìn)行了大量研究[4-12]。如，蘭靖等[4]通過測定干旱脅迫前后6個(gè)甘蔗品種的生理指標(biāo)、農(nóng)藝性狀、工藝品質(zhì)和產(chǎn)量，綜合評(píng)價(jià)其抗旱性差異；夏紅明等[6]采用模糊綜合評(píng)判法及聚類分析法，對(duì)6個(gè)參試甘蔗品種的過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）、脯氨酸（Pro）含量及葉綠素等生理指標(biāo)進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，為甘蔗抗旱育種提供新的抗旱品種和方法。謝蘭金等[5]對(duì)新臺(tái)糖22號(hào)和近幾年選育的11個(gè)甘蔗新品種（系）進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，從形態(tài)指標(biāo)和多項(xiàng)生理指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)各參試品種（系）的抗旱性；盧會(huì)文等對(duì)云南省主栽甘蔗品種進(jìn)行抗旱性鑒定[8]；檀小輝等對(duì)廣西28個(gè)區(qū)試甘蔗品種抗旱性進(jìn)行分析[10]；廖潔等對(duì)不同來源的10個(gè)甘蔗品種的抗旱性評(píng)價(jià)[12]。仍有必要對(duì)不同甘蔗品種在不同干旱脅迫下進(jìn)行深入研究。本研究以我國當(dāng)前甘蔗主栽品種新臺(tái)糖22號(hào)為對(duì)照，桂南亞08-186、桂糖05-3846、桂糖06-400、桂熱2號(hào)（涼蔗02-6）、柳城03/1137、柳城06/241七個(gè)甘蔗品種為試驗(yàn)材料，通過測定甘蔗+1葉脯氨酸（Pro）含量、葉片質(zhì)膜透性（PMP）、過氧化物酶（POD）活性和可溶性蛋白含量4個(gè)生理指標(biāo)的變化，使用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法算出各甘蔗品種的抗旱隸屬函數(shù)，再根據(jù)抗旱隸屬函數(shù)加權(quán)值大小對(duì)其進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)，探討甘蔗發(fā)生旱害的相關(guān)機(jī)理，以期為甘蔗品種推廣、選育提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試甘蔗品種：新臺(tái)糖 22號(hào)（ROC22）、桂南亞08-186、桂糖05-3846、桂糖06-400、桂熱2號(hào)（涼蔗02-6）、柳城 03/1137、柳城 06/241，其中新臺(tái)糖 22號(hào)（ROC22）為對(duì)照品種。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采取桶栽方式，每個(gè)品種種植9桶，其中3桶為一個(gè)重復(fù)，共3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)選用的塑料桶桶高35 cm，桶口直徑45 cm，帶底盤，桶底打3個(gè)圓孔，以便桶中多余的水分排出。以大田表土：中細(xì)河沙為3∶1的比例混合，按每桶加100 g有機(jī)肥（NPK含量≥6%，有機(jī)質(zhì)≥60%）作為基肥的形式拌土配制為栽培土壤，每桶裝土約2/3，選取供試材料的上半莖，蔗種砍成單芽苗，用500倍液代森銨處理后，種植于桶中，每桶下5個(gè)芽，覆土4 cm。成苗后每桶保留長勢相近的蔗苗3株。伸長初期按需水需肥規(guī)律每桶澆水施肥量一樣，其他管理同一般的桶栽管理。

于甘蔗伸長中期進(jìn)行充分澆水直至土壤水分飽和，隨后停止?jié)菜_始干旱脅迫處理。在停止供水前（干旱脅迫前）、停止供水5 d（輕度干旱，葉片萎蔫）、停止供水9 d（中度干旱，葉片卷曲）、停止供水13 d（重度干旱，+3葉以下葉片枯黃）、復(fù)水10 d后分別剪取每個(gè)品種甘蔗植株+1葉（甘蔗最高可見肥厚帶所在的葉片）測定脯氨酸含量、葉片質(zhì)膜透性、過氧化物酶（POD）活性、可溶性蛋白含量4個(gè)生理指標(biāo)。另外，各甘蔗品種取樣后開始正常澆足水，10 d后觀察其恢復(fù)情況。

1.3 測定指標(biāo)

土表10～20 cm以下土層含水量采用烘干法測定，脯氨酸含量采用磺基水楊酸法，質(zhì)膜透性采用相對(duì)電導(dǎo)率測定，過氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法，葉片可溶性蛋白含量的測定參照文獻(xiàn)[5，13]等的方法。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件處理得到各指標(biāo)的含量，測定指標(biāo)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法[14]。對(duì)參試品種抗旱性進(jìn)行評(píng)判，若某一測定指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)，隸屬函數(shù)值計(jì)算公式為U （Xi）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）；式中：U（Xi）為隸屬函數(shù)值，Xi為指標(biāo)測定值，Xmax和Xmin分別為所參試材料中某個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。若某一測定指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其計(jì)算公式如下：U（Xi）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甘蔗品種土壤含水量

表1的數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)行干旱脅迫前，甘蔗土壤含水量為18.0%～19.2%，復(fù)水10d后，土壤含水量為17.2%～18.7%，與脅迫前相差不大，能保證甘蔗正常生長所需。在進(jìn)行干旱脅迫后，土壤含水量隨著脅迫強(qiáng)度加大而減少，干旱脅迫處理5、9、13d后的土壤含水量分別為14.8%～16.1%、11.8%～13.5%、7.8%～8.6%。停水處理后第二天起每天清晨8：30觀察各甘蔗葉片的變化情況，記錄其缺水癥狀，干旱脅迫第5d，供試材料多數(shù)蔗葉出現(xiàn)吐水現(xiàn)象，+3葉以下老葉開始萎蔫；干旱脅迫第9d，供試材料的90%蔗葉萎蔫，部分葉片開始卷曲；干旱脅迫第13d，供試材料多數(shù)+3蔗葉以下的成熟葉枯黃，這些現(xiàn)象表明各甘蔗品種已經(jīng)達(dá)到輕度、中度、重度干旱脅迫標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同處理土壤含水量比較（%）Table 1 Comparison of soil moisture content in different treatment (%)

2.2 不同甘蔗品種游離脯氨酸含量

脯氨酸是作物蛋白質(zhì)的組分之一，以游離狀態(tài)廣泛存在于植物體中，是最重要和最有效的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，幾乎所有逆境條件都會(huì)造成植物體內(nèi)脯氨酸的積累[15]。逆境條件中，干旱脅迫條件下脯氨酸累積量最多，對(duì)維持植物細(xì)胞和環(huán)境的滲透平衡、穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)具有重要的作用[16]，干旱脅迫相同條件下積累越多抗性越強(qiáng)，反之越弱[4]。圖1顯示，中度干旱前，各甘蔗葉片脯氨酸含量隨著干旱脅迫的加重而顯著增加，輕度干旱到中度干旱期間增幅最大，中度干旱期達(dá)到最大值，重度干旱略有下降，復(fù)水10 d后，各處理蔗葉脯氨酸含量大幅度回落，略高于干旱脅迫前的含量。大部分品種在中度干旱時(shí)脯氨酸積累達(dá)到高峰，重度干旱時(shí)脯氨酸積累量有所下降；從整個(gè)時(shí)期脯氨酸積累情況來看，抗旱性相對(duì)較強(qiáng)的品種為桂糖05-3846、桂南亞08-186、柳城 06/241、柳城 03/1137。

2.3 不同甘蔗品種質(zhì)膜透性

植物在遇到干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞失水，當(dāng)嚴(yán)重脫水時(shí)，膜脂分子雙層發(fā)生紊亂，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞，原生質(zhì)膜透性增加，電解質(zhì)外滲，細(xì)胞質(zhì)的相對(duì)電導(dǎo)率提高[15]，研究表明，細(xì)胞質(zhì)的相對(duì)電導(dǎo)率與植物抗旱性呈負(fù)相關(guān)，細(xì)胞膜透性越大表示受害越重，抗旱性越弱，反之越強(qiáng)[17]。

圖2顯示，各甘蔗葉片質(zhì)膜透性隨著干旱脅迫的增強(qiáng)而增加，重度干旱期達(dá)到最大值，復(fù)水10 d后大幅度回落并趨向正常水平，略高于干旱脅迫前。在重度干旱處理中，桂熱2號(hào)的質(zhì)膜透性明顯比其它品種高，達(dá)到38%，質(zhì)膜透性相對(duì)較低的有桂糖05-3846、桂南亞08-186、柳城06/241、柳城03/1137、桂糖06-400。

圖2 不同甘蔗品種質(zhì)膜透性Fig.2 Cell membrane permeability of different sugarcane varietiesA：桂南亞 08-186 GNY08-186；B：桂糖 05-3864 Guitang05-3864；C：桂糖 06-400 Guitang06-400；D：桂熱 2 號(hào) Guire2；E：柳城 03/1137 Liucheng03/1137；F：柳城 06/241 Liucheng06/241；G：ROC22(CK)

2.4 不同甘蔗品種過氧化物酶（POD）活性

在干旱脅迫條件下，植物膜系統(tǒng)會(huì)因外界的不良條件而損壞，這種反應(yīng)與生物氧自由基有一定的相關(guān)性，而植物體本身的過氧化物酶（POD）可以有效清除氧自由基保護(hù)膜，是植物的保護(hù)酶類之一，植物抗旱能力的強(qiáng)弱與過氧化物酶的活性呈正相關(guān)[18]。在干旱條件下，抗旱性強(qiáng)的甘蔗品種葉片過氧化物酶活性會(huì)維持較高的水平，而抗旱性較弱的品種葉片過氧化物酶活性下降。研究表明，抗旱性強(qiáng)的甘蔗品種在重度干旱時(shí)，體內(nèi)過氧化物酶（POD）活性才達(dá)到最高值，從而可以有效地清除氧自由基保護(hù)膜，最大程度保護(hù)植物不受到干旱傷害；而其它品種在輕度干旱或中度干旱時(shí)，體內(nèi)過氧化物酶（POD）活性就達(dá)到最高值，隨后就呈現(xiàn)出下降趨勢，致使遇到重度干旱時(shí)，其保護(hù)能力下降[5]。圖3顯示，干旱條件下各品種甘蔗葉片的POD活性明顯增加，但POD活性峰值不一致，桂南亞08-186、桂糖05-3846、桂糖06-400、柳城06/241、柳城03/1137的峰值出現(xiàn)在重度干旱處理期，桂熱2號(hào)和ROC22峰值則出現(xiàn)在中度干旱處理期。

2.5 不同甘蔗品種可溶性蛋白含量

圖3 不同甘蔗品種過氧化物酶（POD）活性Fig.3 POD enzyme activity of different sugarcane varietiesA：桂南亞 08-186 GNY08-186；B：桂糖 05-3864 Guitang05-3864；C：桂糖 06-400 Guitang06-400；D：桂熱 2 號(hào) Guire2；E：柳城 03/1137 Liucheng03/1137；F：柳城 06/241 Liucheng06/241；G：ROC22(CK)

作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，高含量的可溶性蛋白可以使細(xì)胞維持較低的滲透勢，抵抗水分脅迫。由圖4可知，隨著干旱的逐漸加強(qiáng)，可溶性蛋白的變化在量上表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢。初步推測是干旱處理初期植物細(xì)胞內(nèi)的不溶解蛋白轉(zhuǎn)變成可溶蛋白從而增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力，但隨著干旱脅迫時(shí)間的加長，植物對(duì)干旱的忍耐能力下降，植物體內(nèi)代謝受阻，蛋白質(zhì)分解大于合成，氮代謝逆轉(zhuǎn)，引起總蛋白含量的降低[19]。前人研究表明，在干旱脅迫下，具有較強(qiáng)抗旱能力的植物體內(nèi)大分子的物質(zhì)如蛋白質(zhì)、淀粉分解較少，含量相對(duì)穩(wěn)定，幅度變化不大，反之亦然[20-21]。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，桂糖05-3846、桂南亞08-186、柳城 06/241、柳城 03/1137幾個(gè)品種的可溶蛋白含量變化幅度相對(duì)較少，表明這幾個(gè)品種抗旱能力較強(qiáng)。

圖4 不同甘蔗品種可溶性蛋白含量Fig.4 Soluble protein content of different sugarcane varietiesA：桂南亞 08-186 GNY08-186；B：桂糖 05-3864 Guitang05-3864；C：桂糖 06-400 Guitang06-400；D：桂熱 2 號(hào) Guire2；E：柳城 03/1137 Liucheng03/1137；F：柳城 06/241 Liucheng06/241；G：ROC22(CK)

2.6 抗旱性綜合評(píng)價(jià)

甘蔗受到逆境脅迫后，生理發(fā)生錯(cuò)綜復(fù)雜的變化，并受促多因素的影響，若孤立地根據(jù)單一指標(biāo)評(píng)定甘蔗品種的抗旱性，難免帶有片面性。因此，本試驗(yàn)采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)方法，對(duì)各品種的主要抗旱性生理生化指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法是以干旱脅迫前和重度干旱脅迫處理測定的各項(xiàng)指標(biāo)升降幅為計(jì)算單位，計(jì)算出其隸屬函數(shù)值及其加權(quán)值，利用加權(quán)值的大小對(duì)各品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，加權(quán)值越大，表明抗旱性越好[14]。由表2可知，參試甘蔗抗旱性由強(qiáng)到弱依次為：桂糖05-3864＞桂南亞08-186＞柳城06/241＞柳城 03/1137＞桂糖 06-400＞ROC22（CK）＞桂熱 2 號(hào)（涼蔗 02-6）。

表2 不同甘蔗品種抗旱性綜合評(píng)價(jià)Table 2 Integrated evaluation on drought tolerance of different sugarcane varieties

3 討論

植物抗旱性是由諸多因素相互作用而形成的相對(duì)復(fù)雜的綜合性狀，是由植物自身的生理抗性、結(jié)構(gòu)特性及其生長的環(huán)境因素變化相互配合的程度決定的[22]。甘蔗品種抗旱性是各生理生化代謝途徑對(duì)水分脅迫響應(yīng)的綜合作用結(jié)果[7]。本試驗(yàn)通過對(duì)干旱脅迫下各參試甘蔗品種的生理指標(biāo)進(jìn)行測定，僅測定了4個(gè)相關(guān)的甘蔗抗旱生理指標(biāo)，其評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的局限性；利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)其抗旱性差異，其中抗旱性比較好的品種是桂糖05-3846、桂南亞08-186和柳城06/241。新臺(tái)糖22號(hào)作為我國甘蔗的主栽品種，已證實(shí)在實(shí)際大田生產(chǎn)中表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性，而本試驗(yàn)在中度、重度干旱脅迫下其生理生化表現(xiàn)并不太理想，隸屬函數(shù)綜合評(píng)定結(jié)果為低抗旱性，這與前人的研究結(jié)果相一致[8]。也有與本試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果不同的研究：何平等[9]、檀小輝等[10]、陸國盈等[11]研究顯示，新臺(tái)糖22號(hào)為較強(qiáng)抗旱品種；廖潔等[12]研究顯示，新臺(tái)糖22號(hào)為中強(qiáng)度抗旱品種。因此，相同甘蔗品種在不同地區(qū)、不同生育期其抗旱性結(jié)果有較大的差異。另一方面，室內(nèi)及桶栽試驗(yàn)與田間條件相差也較大，各品種抗旱性表現(xiàn)的最終判定還有待于在大田生產(chǎn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。