晉北區(qū)芥菜型油菜抗旱性鑒定及綜合抗旱指標篩選

王瑞霞, 李小玉, 田宏先

(山西農業(yè)大學高寒區(qū)作物研究所， 山西 大同 037008)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.)屬于十字花科(Brassicaecea)蕓薹屬(Brassica)，是芥菜(Brassicajuncea)的油用類型。芥菜型油菜具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、抗裂莢、含油率高等特點，我國芥菜型油菜產量占世界總產量的1/3[1]。2017年《山西省統(tǒng)計年鑒》結果顯示，芥菜型春油菜種植面積較往年大幅度提升[2]。芥菜型油菜目前已成為山西晉北地區(qū)城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村旅游觀光賞花的主栽作物，也是晉北區(qū)抗旱救災的主要作物之一，更是食用植物油和飼料蛋白的重要來源[3]，同時還可作為重要的綠肥植物。

干旱嚴重影響農業(yè)發(fā)展，是造成農業(yè)自然災害之首[4]。晉北山區(qū)地處黃土高原，正值春播的4—5月間，有效降雨量極少，水資源嚴重不足和分布不均嚴重制約油菜正常生長發(fā)育，春油菜常常出現(xiàn)出苗慢、不整齊、生長緩慢、基本苗少等情況，極可能導致災難性歉收。因此，抗旱種質資源的篩選和鑒定尤為必要?？购捣N質材料的鑒定方法是目前面臨的主要問題，有許多形態(tài)指標和生理生化指標可用來反映品種抗旱性和豐產性，但還沒有統(tǒng)一的指標評價標準，很難全面準確地評價品種抗旱性[5-6]，再者油菜抗旱育種的目標不僅要求品種具有較好的穩(wěn)產性，而且具有較大的豐產潛力[7]。因此，到目前為止尚未建立有效的抗旱鑒定評價體系。本試驗采用大田干旱脅迫鑒定法，對12份芥菜型春油菜品種進行干旱脅迫處理與正常澆水對比。通過考查花期光合生理參數(shù)和成熟期各農藝性狀指標，利用隸屬函數(shù)法、主成分分析法和Duncan檢驗多重比較法，進行光合生理和產量品質與抗旱性的關系研究，旨在了解春油菜抗旱機制，為晉北地區(qū)春油菜的旱作栽培以及抗旱品種的篩選提供探索依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

選用晉北地區(qū)近5年來廣泛種植的12個芥菜型春油菜品種為試材，品種基本情況見表1。試驗在山西農業(yè)大學高寒區(qū)作物研究所試驗基地進行，該地位于山西省懷仁市毛皂鎮(zhèn)(緯度 39.93°、經度 113.26°)，平均海拔1 085.7 m，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降雨量367.0 mm，其中4—9月降水量為323.9 mm，占全年降水量的88.3%，年平均相對濕度為48%，最小相對濕度19%，無霜期141 d，年均風速2.4 m·s-1，年平均蒸發(fā)量2 028.8 mm。試驗地地勢平坦，為沙壤黃土，肥力均勻，前茬作物馬鈴薯。

1.2 試驗設計

試驗采用田間直接鑒定法，于2018年5月1日播種，設非水分脅迫(CK)和干旱脅迫(D)2個處理。非水分脅迫處理是在抽薹期(6月22日)、花期(7月1日)、角果期(7月20日)各澆透水 1 次；干旱脅迫處理是生長期間完全依靠自然降水，2018年5—8月利用物聯(lián)化土壤水分溫度檢測儀[智墑 ET100, 東方智感(浙江)科技股份有限公司] 實時監(jiān)測同一位置不同土層深度的土壤水分和溫度，10—30 cm土壤平均水分含量(表2)遠不能滿足油菜正常開花結實的水分需求，造成自然條件下嚴重的干旱脅迫。采取隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積12 m2，兩種處理間隔20 m防滲透隔離。

表2 油菜生長期間干旱處理組10—30 cm土壤平均水分含量Table 2 Average soil moisture content of 10—30 cm in drought treated group during rape growth period (%)

1.3 測定項目及方法

1.3.1光合生理參數(shù)的測定 試驗選擇在氣候穩(wěn)定、降雨極少的 7 月上旬進行測定，于 2018 年7月 10 日晴朗天氣下進行，每個品種分別選取5片葉齡一致、葉片之間無相互遮蔭、生長狀況具有代表性的葉片進行光合生理參數(shù)的測定，每次取心葉下第 3～4 片功能葉進行測定，每個處理3次重復，應用 Li-6400XT 便攜式光合作用測量系統(tǒng)(美國Li-Cor公司)對處理組光合生理指標以及相應的生態(tài)環(huán)境要素進行測定，使用開放式氣路，每個葉片重復 5次，取平均值。光合生理參數(shù)測定時間為 9:00—11:00。儀器自動記錄凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs，mmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci，μmol·mol-1)等生理參數(shù)。葉片水分利用效率(water use efficiency，WUE，μmol·mmol-1)和氣孔限制值(stomatal limiting value，Ls)分別用以下公式計算。

WUE=Pn/Tr

(1)

Ls= 1-Ci/Ca

(2)

式中，Ca為大氣CO2濃度，由光合儀測定。

1.3.2收獲期農藝性狀的測定 在油菜成熟期，各個品種隨機選取3個單株，考查有效分枝數(shù)、主軸上的角果數(shù)、全株角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重和單株產量6個經濟性狀。

1.3.3隸屬函數(shù)值計算 隸屬函數(shù)法的計算公式[8]如下。

Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(3)

Xi=1/nΣXij

(4)

當性狀指標與抗性正相關時，(3)式中Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)；當性狀指標與抗性負相關時，Xij=1-(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)。

式中，Xij表示i種類j指標的抗性隸屬函數(shù)值；xij表示i種類j指標的測定值；xj表示各品種第j個性狀指標；xjmin表示各品種j性狀指標的最小值；xjmax表示各品種第j個性狀指標的最大值。隸屬函數(shù)值Xi越大，則抗性越強，按隸屬函數(shù)值的大小對12個品種的抗旱性進行排序。

1.3.4抗旱系數(shù)計算 為消除材料間的差異，各指標均采用李真等[9]的方法計算抗旱系數(shù)(drought resistance coefficient，DRC)。計算公式如下。

抗旱系數(shù)(DRC)=干旱脅迫下的測定值/對照下測定值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)，運用SPSS 22.0軟件和Origin Pro 8.5軟件進行顯著性(Duncan檢驗法進行多重比較)、相關性和主成分分析并作圖。

2 結果與分析

2.1 芥菜型春油菜各光合參數(shù)對干旱脅迫的響應

2.1.1芥菜型春油菜品種Ci和Gs對干旱脅迫的響應 圖1顯示，水分脅迫不同程度降低了12個供試品種的Ci和Gs。不同春油菜品種Ci干旱處理組間比較，大辣芥與晉油8號和溴源芥差異極顯著(P<0.01)；對照組中，晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、晉油12號、晉油13號、自選X0與牛尾稍、晉油6號、大辣芥、溴源芥、內蒙大黃芥、05-11-2差異極顯著(P<0.01)；晉油14號與神池大黃芥差異顯著(P<0.05)。干旱脅迫下葉片氣孔導度降低，通過蒸騰散失的水分減少從而促進蒸騰效率提高。溴源芥與其他11個品種呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)；對照組中，晉油14號與牛尾稍、05-11-2、晉油6號、內蒙大黃芥、大辣芥和溴源芥呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)，與神池大黃芥差異顯著(P<0.05)；神池大黃芥與牛尾稍、05-11-2、晉油6號、大辣芥和溴源芥差異顯著(P<0.05)。伴隨著Gs和Ci明顯下降，根據(jù)氣孔限制理論，原因主要以氣孔限制為主(由于氣孔因素造成的CO2供應不足)。表明水分脅迫沒有使油菜光合結構發(fā)生破壞，葉肉細胞光合能力和光合生產力也沒有受到影響。

2.1.2芥菜型春油菜品種Pn和Tr對干旱脅迫的響應 圖2顯示，干旱脅迫時，春油菜品種的Pn較對照都有所降低(神池大黃芥除外)，引起油菜葉片Pn降低的內在因素不外乎氣孔的部分關閉(氣孔限制)和葉肉細胞自身活性下降(非氣孔限制)兩類。干旱脅迫下12個品種之間的Pn并無差異。對照組中，晉油14號顯著高于神池大黃芥、晉油8號和晉油13號(P<0.05)，與05-11-2、晉油6號、內蒙大黃芥、溴源芥、神池大黃芥差異極顯著(P<0.01)。干旱脅迫明顯降低了12個品種的蒸騰速率Tr，表明干旱脅迫已經嚴重影響了油菜正常的蒸騰功能。蒸騰作用降低是植物通過關閉氣孔來適應水分脅迫或防止葉片過度蒸騰失水的一種生態(tài)適應對策。干旱處理組間無差異，且12個品種均正常生長。分析表明，隨著干旱脅迫程度的增強，蒸騰失水導致葉片水分虧相應地引起葉片水勢下降，從而引起Gs下降，最終避免了因過多蒸騰失水而造成葉肉組織受到傷害。水分條件適宜時，晉油14號蒸騰速率較其他品種顯著升高，表明晉油14號通過大量蒸騰失水來降低植物體內的溫度，為其正常生理活動創(chuàng)造條件。對照處理組間比較，神池大黃芥與其他剩余11個品種差異極顯著(P<0.01)；晉油14號與大辣芥、神池大黃芥和晉油8號差異顯著(P<0.05)。

注:不同大小寫字母表示組間差異在P<0.01和P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.圖2 凈光合速率和蒸騰速率對干旱脅迫的響應Fig.2 Response of Pn and Tr to drought stress

2.1.3芥菜型春油菜品種Ls和WUE對干旱脅迫的響應 圖3顯示，干旱脅迫不同程度提高了12個春油菜品種的Ls值，根據(jù)氣孔限制理論，原因主要以氣孔限制為主(由于氣孔因素造成的CO2供應不足)；晉油14號和內蒙大黃芥均與其他剩余品種差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)。牛尾稍、晉油6號、05-11-2與神池大黃芥、自選X0、晉油8號、晉油12號、晉油13號差異顯著(P<0.05)，干旱脅迫組中，大辣芥與溴源芥差異顯著(P<0.05)。干旱脅迫明顯提高了晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、自選X0、晉油12號和晉油13號的水分利用率。葉片WUE是Pn與Tr的比值，它表征植物對自身蒸騰耗水的利用能力。WUE的變化是植物抗旱策略的重要組成部分，當植物遭受水分脅迫時，WUE必定會發(fā)生相應的變化，以保持植物生長與水分消耗的平衡。隨著水分脅迫程度的增加，油菜葉片的WUE呈增加趨勢，這是植物對水分環(huán)境變化相適應的一種表現(xiàn)。因此，水分利用效率被廣泛用于評估作物在不同水分條件下的生長情況，是衡量作物抗旱性的重要指標，作物在缺水條件下通常保持較高的內在水分利用效率[13]。圖3顯示，對照組中，晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、晉油12號、晉油13號、自選X0與牛尾稍、晉油6號、大辣芥、溴源芥、內蒙大黃芥、05-11-2差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)；干旱脅迫組間比較，神池大黃芥與其他11個品種差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)，大辣芥與晉油14號、晉油8號、晉油12號、晉油13號差異顯著(P<0.05)。

注:不同大小寫字母表示組間差異在P<0.01和P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.圖3 氣孔限制值和水分利用率對干旱脅迫的響應Fig.3 Response of Ls and WUE to drought stress

2.2 芥菜型春油菜各農藝性狀對干旱脅迫的響應

從表3可以看出，干旱脅迫對不同抗旱類型油菜品種的影響存在差異。與正常澆水相比，干旱脅迫嚴重影響了油菜的生長發(fā)育，6個農藝性狀均有較大改變。12 份材料在干旱脅迫處理后各單項農藝性狀指標平均值較對照呈現(xiàn)不同程度降低。干旱脅迫后，除有效分枝數(shù)外，晉油14號其余性狀都至少與一個或者其他品種呈顯著或極顯著相關，其中，在干旱脅迫中，晉油14號的千粒重和單株產量與大辣芥、溴源芥存在差異。

表3 不同處理下油菜的農藝性狀Table 3 Agronomic characters of rape under different treatments

2.3 12個芥菜型春油菜品種抗旱性綜合評價

植物對水分處理的響應機制是一個復雜的過程，其中涉及眾多基因的誘導表達和代謝途徑的啟動，再者由于植物本身抗旱機理的復雜性和植物對干旱條件適應的多樣性，單一指標很難全面準確地評價耐旱性的強弱。在植株的抗旱性評價研究中，指標的選擇是抗旱性評價是否準確的關鍵因素[14]。加權隸屬函數(shù)值作為評判抗旱性強弱標準的綜合抗旱性度量值(隸屬函數(shù)值)，隸屬函數(shù)值越大，抗旱性越強，越小則越弱。12個供試材料的隸屬函數(shù)平均值為0.442，變幅為 0.30～0.63，變異系數(shù)為25.8%。根據(jù)隸屬函數(shù)值對材料進行抗旱性排序(表4)，晉油14號、神池大黃芥、牛尾稍和晉油13號的函數(shù)隸屬均值均大于0.50，屬于抗旱型品種；其余8個品種的隸屬函數(shù)均值小于0.50，屬于干旱敏感型品種。

表4 干旱脅迫下不同芥菜型春油菜的隸屬函數(shù)值Table 4 Membership function value of 12 Brassica juncea under drought stress

2.4 12個芥菜型春油菜品種主成分分析

從表5可以看出，前4個綜合指標的累計貢獻率達到 87.158%，表明在脅迫處理中，前4個綜合指標能代表12個單項指標的絕大部分信息，可以分別用這4個主成分對12份材料的抗旱性進行概括分析。決定第一主成分大小的主要是氣孔導度、氣孔限制值、凈光合速率、胞間CO2濃度和水分利用率，它們反映了37.33%的原始數(shù)據(jù)信息量，這些指標主要與光合作用相關，可以大致概括為光合生長因子；決定第二主成分大小的主要是有效分枝數(shù)、單株產量、每角粒數(shù)和全株角果數(shù)，它們反映了原始數(shù)據(jù)信息量的21.31%，可以大致概括為產量因子；決定第三、四主成分大小的分別是蒸騰速率和千粒重。

表5 干旱脅迫下主成分特征向量及貢獻率Table 5 Eigenvectors and percentages of accumulated contribution of principal components under drought stress

3 討論

植物對水分脅迫的響應機制是一個復雜的過程，其中涉及眾多基因的誘導表達和代謝途徑的啟動，各途徑之間相互交叉，相互影響，單一指標很難全面準確地評價耐旱性的強弱。在植株的抗旱性評價研究中，指標的選擇是抗旱性評價是否準確的關鍵因素[14]。國內外學者在油菜抗旱指標的篩選上做了大量研究，主要有生長發(fā)育指標、產量指標、生理生化指標[15]。Wright等[16]比較了芥菜型油菜和甘藍型油菜耐旱性后認為，發(fā)達的根系和干旱條件下干物質積累可以作為抗旱性指標。以上研究多集中于單一系列指標研究，缺乏多性狀相結合的綜合評價，很可能影響鑒定結果的準確性和穩(wěn)定性。近年來，對作物抗旱性的鑒定越來越多地采用多指標綜合評價方法。耿站軍等[17]研究了水分脅迫對不同基因型油菜的生態(tài)適應性影響時得出隨水分脅迫程度的減小，4種不同基因型油菜幼苗的根系活力和地上生物產量均逐漸提高，進一步證實了Wright等[16]的早期研究。朱宗河等[18]研究表明，單株干重和根系性狀是甘藍型油菜不同種質間耐旱性的重要體現(xiàn)；王漢中[19]研究認為，耐旱性強的品種會具有更強的干旱耐受能力，在干旱情況下，能顯著降低水分蒸騰。本研究也得到了相同的試驗結果。謝小玉等[20]認為，葉片相對含水量、丙二醛、葉面積可以作為油菜抗旱性鑒定的優(yōu)選指標；符明聯(lián)等[21]通過隸屬函數(shù)法研究了58份甘藍型油菜和芥菜型油菜的種間雜交后代，結果表明，單株分枝數(shù)和有效角果數(shù)與抗旱性顯著相關，而角粒數(shù)和千粒重與抗旱性關聯(lián)性較弱。本研究中除了晉油14號每角粒數(shù)與抗旱性關聯(lián)強外，其余品種與抗旱關聯(lián)性都較弱。大次卓嘎等[22]研究我國西部地區(qū)芥菜型油菜農藝性狀典型相關分析時得出，要得到優(yōu)良的油菜品種應重點從有效分枝數(shù)、株高、主花序角果數(shù)、主花序果柄數(shù)等性狀方面選擇；白鵬等[23]研究認為，光合生長和膜脂過氧化-抗氧化調節(jié)因子可以作為油菜抗旱性的主要鑒定指標，水分和滲透調節(jié)因子-產量結構因子可以作為油菜抗旱性的次要鑒定指標。Pou等[10]、Guerfel等[11]、Karam等[12]對不同植物的研究表明，適度干旱脅迫能使植物WUE顯著提高。本研究結果也支持這一觀點，即適度的干旱脅迫能夠提高油菜葉片的WUE。殷婷等[24]研究比較了25份油菜品種農藝性狀，結果表明，干旱脅迫影響油菜的植株生長，其株高和單株產量均降低。本研究中12個品種的單株產量指標干旱脅迫處理組遠遠低于對照組。陳嬌等[14]通過甘藍型油菜苗期抗旱性鑒定研究發(fā)現(xiàn)，光合參數(shù)指標、含水量指標、植株形態(tài)和根系性狀指標可以作為優(yōu)選鑒定指標，而超氧化物歧化酶、氧化物酶、氧化氫酶等生理生化指標整體靠后，不宜作為油菜苗期抗旱性鑒定的核心指標。本試驗在對抗旱材料進行篩選時的6個光合參數(shù)指標起到了重要的作用，進一步證實了陳嬌等[14]的研究。因此，在油菜苗期抗旱性鑒定中，有針對性地選取與抗旱密切相關的指標，尤其是光合參數(shù)指標和根系形態(tài)指標，既能簡化工作又能使鑒定結果更可靠。

在前人的研究基礎之上，本研究將光合參數(shù)、農藝性狀等12個抗旱指標進行對比分析，根據(jù)函數(shù)隸屬均值將12個參試材料進行了抗旱性由強到弱的排列：晉油14號>神池大黃芥﹥牛尾稍>晉油13號﹥溴源芥﹥大辣芥﹥晉油12號﹥內蒙大黃芥﹥05-11-2﹥晉油8號﹥自選X0和晉油6號。研究結果不僅為油菜抗旱性改良提供了資源材料，也為芥菜型春油菜抗旱性鑒定評價提供了參考方法。綜上，在油菜抗旱性鑒定研究中，光合參數(shù)指標、植株各農藝性狀指標可以作為優(yōu)選鑒定指標。同時通過此次試驗優(yōu)選得到晉油14號、神池大黃芥、牛尾稍和晉油13號4個適宜北方大面積推廣種植的優(yōu)勢品種。