光合參數(shù)用于甘薯抗旱性評價的適用性研究

王 潔，趙路寬，鄧逸桐，周志林，戴習彬，袁 蕊，曹清河，趙冬蘭

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甘薯生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，江蘇徐州 221131)

甘薯是旋花科甘薯屬的一種，被廣泛用于糧食、飼料和工業(yè)原料。我國甘薯種植面積以及產(chǎn)量均為世界首位，甘薯食用部分為塊根和莖葉，甘薯塊根含有大量淀粉、可溶性糖，豐富的維生素。甘薯鮮食莖葉口感好、營養(yǎng)高，與其他葉菜相比，甘薯在蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分上更具優(yōu)勢，甘薯莖葉富含多酚類物質(zhì)，具有較強的抗氧化活性，在蔬菜市場具有廣闊的推廣潛力。

干旱是嚴重危害農(nóng)業(yè)的自然災(zāi)害，造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。雖然甘薯較耐旱，但生育前期缺水仍會造成嚴重減產(chǎn)。甘薯不同部位對水分脅迫的耐受能力有差異，由強到弱依次是莖柄、須根、薯塊、葉片，由此可見，干旱對甘薯食用部位影響較大。有試驗表明，在人為輕度干旱脅迫處理下，甘薯減產(chǎn)18.76%。在干旱脅迫下，作物葉片會發(fā)生氣孔關(guān)閉、蒸騰速率()降低、光合作用減弱等一系列反應(yīng)。水分管理是緩解干旱危害的重要手段，但田間灌溉需要耗費大量的人力、物力，挖掘農(nóng)作物自身的抗旱潛力能夠節(jié)約種植成本?？购灯贩N選育過程中，抗旱鑒定評價是重要的一環(huán)。甘薯抗旱鑒定方法近年來有較大進展，基于產(chǎn)量的抗旱系數(shù)是較為常見的耐旱篩選指標，甘薯葉片數(shù)、蔓長、葉面積系數(shù)和生物量等農(nóng)藝性狀受干旱脅迫而降低，可以作為耐旱篩選指標。葉片生理生化活性受干旱脅迫影響較大，甘薯葉片可溶性蛋白含量、葉綠素a含量/葉綠素b含量、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)含量與抗旱性有顯著相關(guān)性，葉片相對含水量(RWC)與品種抗旱性呈極顯著正相關(guān)，與丙二醛(MDA)含量呈極顯著負相關(guān)，這些指標可用于甘薯品種抗旱性鑒定。此外，有研究表明呼吸強度、脫落酸含量、脯氨酸含量以及抗氧化酶活性均與植物抗旱能力相關(guān)。干旱脅迫促使氣孔關(guān)閉，影響葉片CO吸收，降低光合酶活性，進而削弱光合作用，凈光合速率()、氣孔導(dǎo)度()、胞間CO濃度()、常用作抗旱評價指標，抗旱性好的植物在干旱脅迫影響下光合參數(shù)變化小，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)能力。干旱脅迫對甘薯幼苗光合作用的影響已有初步研究，周忠等的試驗中干旱條件為斷水處理，隨著干旱程度加深(0、2、4、6、8 d)，甘薯幼苗葉片的、和均降低，先在0～2 d內(nèi)降低，后在 2～8 d上升。

甘薯抗旱評價方法有多種，用MDA含量等生理生化指標做抗旱鑒定雖然較為精確，但試驗預(yù)處理費時費力，而產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀指標受環(huán)境影響較大且試驗周期長。相比其他抗旱評價指標，利用光合參數(shù)可在甘薯生育前期進行抗旱評價，還可用于指導(dǎo)田間水分管理，且兼具無損、速度快、可便攜等優(yōu)點。潮薯1號的高度抗旱性被多次報道，徐薯18具有中度抗旱性，被認為是甘薯品種抗旱性鑒定的標準品種。福薯7-6田間表現(xiàn)對水分較敏感，但抗旱能力評價未見報道。葉片MDA含量和RWC被廣泛用于抗旱評價，本試驗旨在用這2個指標驗證光合參數(shù)應(yīng)用于甘薯抗旱評價的可靠性，并構(gòu)建一套快速便捷的甘薯品種抗旱評價方案，以期為甘薯生產(chǎn)抗旱栽培提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

試驗甘薯品種分別為潮薯1號、徐薯18、福薯 7-6，2020年5月底將甘薯塊根種植于江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所院內(nèi)基地，40 d后取20 cm左右的甘薯莖端在1/4 Hoagland’s營養(yǎng)液(室溫)中進行生根培養(yǎng)5 d。生根后每個品種選30株，將每個品種分為6組，其中3組用20%聚乙二醇(PEG)-6000(用1/4 Hoagland’s溶液配制)脅迫處理，另3組用來作對照(CK)，分別在1/4 Hoagland’s營養(yǎng)液中培養(yǎng)，培養(yǎng)過程均在室溫環(huán)境下進行，隨后進行各項指標測定。葉片MDA含量和RWC測定的時間為處理后24、72 h，光合參數(shù)指標測定時間為處理后3、24 h。

1.2 試驗方法

從脅迫處理組與對照組分別取5張倒2至倒4葉測定MDA含量與RWC。MDA含量采用比色法測定，試驗流程詳見蘇州科銘生物技術(shù)有限公司MDA含量試劑盒說明書。RWC測量方法：剪下處理和對照的葉片，稱取葉片鮮質(zhì)量(FW)，然后將葉片置入水中過夜，稱取葉片飽和質(zhì)量(SW)。隨后將葉片至于85 ℃烘箱中烘干，記錄干質(zhì)量(DW)，=[(-)(-)]×100%。

光合參數(shù)測量儀器為便攜式光合作用測量系統(tǒng)LI-6400XT(LICOR，USA)，測量參數(shù)設(shè)置：葉室溫度為28 ℃，大氣CO濃度為400 μmol/mol，光照度為1 000 μmol/(m·s)。測量甘薯倒2至倒4葉，每張葉片取3個測量點，每個點測量3次。本試驗使用差異值的絕對值()表示PEG脅迫組與對照組光合參數(shù)的差異程度，假設(shè)對照組數(shù)值為，PEG脅迫組數(shù)值為，則=|-|。越大，PEG脅迫組與對照組差異越大。與不抗旱的品種相比，抗旱能力強的品種的光合參數(shù)差異值更小。

1.3 數(shù)據(jù)處理

表1至表3中的數(shù)值均為平均值±標準誤。數(shù)據(jù)整理、表格制作、柱狀圖繪制均使用Excel 2019，使用IBM SPSS Statistics 24分析數(shù)據(jù)差異顯著性(獨立樣本檢驗)，使用SAS 9.2軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析與主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種甘薯的抗旱性評價

如表1所示，經(jīng)過24 h干旱脅迫，潮薯1號、徐薯18、福薯7-6葉片的MDA含量分別增加2.41、6.54、8.60 nmol/g；葉片的RWC分別減少12.77%、14.20%、15.61%。經(jīng)過72 h脅迫處理，潮薯1號、徐薯18、福薯7-6葉片的MDA含量分別增加4.75、8.97、10.84 nmol/g；葉片的RWC分別減少13.25%、15.69%、19.29%。MDA含量與RWC測定結(jié)果表明，潮薯1號、徐薯18、福薯7-6對干旱脅迫敏感程度依次增加，抗旱能力依次降低。差異性分析結(jié)果表明，24 h干旱脅迫后3個品種的MDA含量在0.05水平下差異顯著，而經(jīng)過72 h干旱脅迫后徐薯18與福薯7-6的MDA含量無顯著差異，3個品種的RWC經(jīng)24、72 h處理差異均不顯著。

表1 3種甘薯葉片的MDA含量與RWC在干旱(20% PEG)脅迫下的變化值

2.2 干旱脅迫下甘薯葉片4個光合參數(shù)變化情況

由表2和表3可知，20% PEG脅迫處理3 h后，均小于0，表明呼吸作用強于光合作用。在PEG脅迫處理下，與明顯減少，明顯增加。如表4所示，經(jīng)過3 h的PEG脅迫處理，潮薯1號、福薯 7-6、徐薯18的差異值分別為5.25、4.04、4.06 μmol/(m·s)，差異值分別為0.04、0.04、0.02 mol/(m·s)，差異值分別為2 42.28、249.86、241.97 μmol/mol，差異值分別為0.65、0.69、0.55 mmol/(m·s)。3個甘薯品種4個光合參數(shù)的變異系數(shù)分別是0.13、0.20、0.01、0.10，表明3個甘薯品種在短期的干旱脅迫下反應(yīng)差異較小。將每一個光合參數(shù)差異值轉(zhuǎn)化為百分比堆積柱形圖(圖1)，可以直觀地反映出3個品種光合參數(shù)的變化趨勢不一致。

表2 3 h干旱(20% PEG)脅迫處理下光合參數(shù)測量結(jié)果

表3 24 h干旱(20% PEG)脅迫處理下光合參數(shù)測量結(jié)果

表4 干旱(20% PEG)脅迫處理下各光合參數(shù)的差異值

24 h干旱脅迫處理下潮薯1號、福薯7-6、徐薯18的差異值分別為3.24、7.47、4.44 μmol/(m·s)，差異值分別為0.02、0.07、0.03 mol/(m·s)，差異值分別為249.51、353.04、295.65 μmol/mol，差異值分別為0.39、1.39、0.40 mmol/(m·s)。3個甘薯品種4個光合參數(shù)的變異系數(shù)分別是0.35、0.49、0.14、0.65，不同甘薯品種間，差異最大，差異最小。從光合參數(shù)差異值堆積柱形圖(圖2)可以看出，潮薯1號4個光合參數(shù)的差異值均最小，徐薯18居中，福薯 7-6 光合參數(shù)的差異值均最大，表明潮薯1號抗旱能力最強，徐薯18次之，福薯7-6最弱，這與MDA含量、RWC測定結(jié)果一致。與3 h干旱脅迫相比，24 h干旱脅迫下的光合參數(shù)更能反映甘薯品種的抗旱能力。

2.3 抗旱指標間相關(guān)性分析

如表5所示，24 h與72 h干旱脅迫處理下，MDA含量與RWC之間的相關(guān)系數(shù)均很高，其中 72 h-MDA含量與72 h-RWC之間的相關(guān)系數(shù)最小，為0.946 2，說明MDA含量與RWC在干旱脅迫下變化一致。光合參數(shù)與MDA含量、RWC的相關(guān)系數(shù)在不同的干旱脅迫處理時間下具有一致性，與MDA含量、RWC之間相關(guān)系數(shù)較大，與24 h-MDA含量、72 h-MDA含量、24 h-RWC、72 h-RWC之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.968 1、0.960 5、0.997 8、0.998 9；與MDA含量、RWC之間的相關(guān)系數(shù)較小，與24 h-MDA含量、72 h-MDA含量、24 h-RWC、72 h-RWC之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.761 2、0.742 4、0.868 3、0.919 3。相關(guān)性分析結(jié)果表明，光合參數(shù)與MDA含量、RWC高度相關(guān)，驗證了光合參數(shù)用于甘薯抗旱評價的可靠性。

表5 MDA含量、RWC與4個光合參數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果

2.4 主成分分析

光合參數(shù)主成分分析結(jié)果(表6)顯示，僅第1主成分的特征值大于1，為3.90。第1主成分累計貢獻率達到97.39%。根據(jù)主成分分析結(jié)果，確定了一個24 h干旱脅迫處理下的抗旱評價指數(shù)，=051+0.51+0.49+0.49。評價指數(shù)越小，表示抗旱能力越強，計算得出潮薯1號、徐薯18、福薯7-6的評價指數(shù)分別為125.04、148.44、178.81，說明潮薯1號的抗旱能力最強，徐薯18次之，福薯7-6最弱。

表6 光合參數(shù)的主成分分析結(jié)果

3 討論

甘薯屬于低投入的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物，水分欠缺是制約甘薯產(chǎn)量的重要因素。甘薯在當今生物質(zhì)能源開發(fā)中扮演著重要角色，是一種大有可為的作物。我國人口眾多，耕地面積有限，為了不與大宗作物爭地，想要保障和擴大甘薯種植面積，可以利用沙地、灘涂、鹽堿地等邊際土地。甘薯常種植在水肥條件較差的地塊，培育并推廣抗旱能力強的甘薯品種可以有效緩解農(nóng)業(yè)用水壓力。關(guān)于甘薯的抗旱鑒定指標，已有不少研究報道，MDA含量增加值以及RWC減少值均與抗旱能力成反比，二者是進行植物抗旱能力評價的可靠指標。本次試驗發(fā)現(xiàn)在24 h干旱脅迫后3個品種的MDA含量變化值差異顯著，但干旱脅迫時間增至72 h后，徐薯18與福薯7-6差異不顯著，這可能是試驗材料在逆境中自我調(diào)節(jié)所致。差異不顯著也可能與試驗材料偏少有關(guān)，雖然3個甘薯品種相對含水量變化值差異不顯著，但是在24 h與72 h的干旱脅迫下變化趨勢一致?？购抵笜嗽跍y量過程中往往具有較大不確定性，因此綜合的抗旱指標比單一抗旱指標更能反映作物的抗旱能力。田小霞等基于主成分分析方法，將株高、生長速率等13個生理生化指標轉(zhuǎn)化為7個獨立評價指標，構(gòu)建成黃花草木樨苗期綜合抗旱評價模型。李紅宇等利用主成分分析法將17個單項指標的抗旱系數(shù)轉(zhuǎn)化為5個獨立的綜合評價指標，用于旱地粳稻抗旱鑒定。近年來，光學(xué)無損分析技術(shù)發(fā)展迅猛，極大地方便了光合參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。李素等的研究表明，光合參數(shù)、、、對干旱脅迫反應(yīng)靈敏，可用于油菜苗期抗旱性快速鑒定。對于甘薯，光合參數(shù)已初步應(yīng)用于抗旱評價，龔秋等基于光合參數(shù)評價了14個紫甘薯的抗旱能力。

本試驗通過MDA含量與RWC變化評價了3個甘薯品種的抗旱能力，由強到弱依次為潮薯1號、徐薯18、福薯7-6。在先前的報道中，潮薯1號為高度抗旱品種，徐薯18為中度抗旱品種，本研究結(jié)果與之一致。在合適的干旱(20% PEG，24 h)脅迫條件下，甘薯葉片的光合參數(shù)(、、、)能夠準確反映甘薯的抗旱能力，適合作為甘薯品種抗旱評價指標。

4 結(jié)論

MDA含量、RWC是常用的抗旱評價指標，本研究用二者證明光合參數(shù)適用于甘薯抗旱評價。在合適的干旱(20% PEG，24 h)脅迫條件下，甘薯葉片光合參數(shù)(、、、)能夠準確反映甘薯的抗旱能力。并基于以上研究結(jié)果，建立了一個甘薯綜合抗旱評價指數(shù)。