油莎豆種質(zhì)資源苗期抗旱性鑒定與評(píng)價(jià)

王亞茹，楊向東，趙寒冬，牛 陸，張?jiān)?，楊春明，?偉

(1.吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130124；3.長(zhǎng)春農(nóng)業(yè)博覽園，吉林 長(zhǎng)春 130000)

油莎豆(CyperusesculeutusL.)屬莎草科莎草屬一年生C4植物，原產(chǎn)于非洲尼羅河流域和地中海沿岸，是一種集糧、油、飼于一體且綜合利用價(jià)值高、開(kāi)發(fā)潛力大的新興經(jīng)濟(jì)作物[1-2]。油莎豆地下塊莖富含淀粉(25%～40%)、油脂(20%～30%)、糖類(lèi)(15%～20%)、蛋白質(zhì)(5%～10%)、膳食纖維(8%～10%)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3-4]，被譽(yù)為“油料作物之王”。此外，作為一種沙生植物，它具有根系發(fā)達(dá)、分蘗力強(qiáng)、耐瘠薄、病蟲(chóng)害少等特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)防風(fēng)固沙及生態(tài)修復(fù)植物，對(duì)于開(kāi)發(fā)利用沙化土地、荒地、灘涂地等邊際土地具有重要戰(zhàn)略意義[5-6]。

近年來(lái)隨著全球氣候變化頻繁、水資源消耗加劇、水文生態(tài)惡化等問(wèn)題突出，干旱已成為制約油莎豆生長(zhǎng)發(fā)育的主要非生物脅迫之一。適時(shí)開(kāi)展油莎豆種質(zhì)資源抗旱性篩選與評(píng)價(jià)進(jìn)而選育抗旱新品種迫在眉睫。植物抗旱性不僅受多基因調(diào)控，而且是多方面、多層次、多途徑綜合作用的結(jié)果[7]。已有學(xué)者采用抗旱性度量值、頻次分析、相關(guān)性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)、聚類(lèi)分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析、逐步回歸等相結(jié)合的方法，對(duì)玉米[8-9]、小麥[10-11]、大豆[12]、棉花[13]、綠豆[14]、苜蓿[15-16]、柱花草[17]等主要農(nóng)作物和牧草開(kāi)展了抗旱性研究并取得諸多進(jìn)展。這些研究主要針對(duì)作物萌發(fā)期、幼苗期和成株期的形態(tài)特征、超微結(jié)構(gòu)、生理生化、農(nóng)藝性狀進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià)，但有關(guān)油莎豆種質(zhì)資源抗旱鑒定與評(píng)價(jià)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

因此，本研究在前期廣泛收集國(guó)內(nèi)外油莎豆種質(zhì)資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)盆栽自然干旱的方法，對(duì)39份油莎豆種質(zhì)資源幼苗期的17個(gè)形態(tài)和生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合綜合評(píng)價(jià)的方法，明確油莎豆主要抗旱指標(biāo)，劃分抗旱等級(jí)，篩選抗旱種質(zhì)資源。研究成果可為進(jìn)一步選育抗旱新品種及解析其耐旱分子調(diào)控機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試油莎豆種質(zhì)資源39份，其中32份來(lái)自國(guó)內(nèi)湖北、河南、江蘇、吉林和北京等地區(qū)，7份引自國(guó)外馬里、喀麥隆、俄羅斯和西班牙(表1)。塊莖形狀有圓粒型(粒徑比1.0～1.2)、橢圓型(粒徑比1.3～1.5)和長(zhǎng)粒型(粒徑比>1.5)。塊莖顏色主要為黃色和紅色。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021年7月在吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室播種油莎豆塊莖，保持基質(zhì)濕潤(rùn)，待幼苗長(zhǎng)到三葉一心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致植株進(jìn)行移栽。試驗(yàn)花盆直徑12 cm，高10 cm，每盆裝土0.43 kg，土壤為砂壤土，每盆移栽1株幼苗，土壤最大持水量為45.17%±3.58%。室內(nèi)生長(zhǎng)條件為光照27℃/16 h，黑暗22℃/8 h。設(shè)置正常灌溉(CK)和干旱脅迫(T)2個(gè)處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，所有植株正常供水，使土壤含水量保持在30.00%±3.00%。正常生長(zhǎng)30 d后，CK處理繼續(xù)正常供水，T處理則停止供水，待自然干旱15 d，土壤含水量降至5.00%±2.00%時(shí)，開(kāi)始測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

處理15 d后，使用土壤水分速測(cè)儀(TDR150，Spectrum，USA)測(cè)得CK處理土壤水分含量為32.80%±2.37%，T處理土壤水分含量為3.30%±0.68%，測(cè)定生物性狀指標(biāo)。

形態(tài)指標(biāo)：參照《牧草種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[18]分別測(cè)量株高、葉寬、葉厚、莖粗、分蘗數(shù)、根長(zhǎng)及地上與地下物質(zhì)鮮重、干重，并計(jì)算總鮮重、總干重和根冠比。

葉綠素：使用葉綠素儀(SPAD-502 Plus,KONICA MINOLTA,Japan)測(cè)定油莎豆葉片相對(duì)葉綠素含量SPAD值。

枯葉率：采用目測(cè)法，計(jì)算處理15 d時(shí)油莎豆的枯葉率[17]。

組織含水量：參照《牧草種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[18]測(cè)定油莎豆葉片水分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

分別按照公式(1)和(2)計(jì)算干旱脅迫下油莎豆某項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)(drought resistance coefficient,DC)及綜合抗旱系數(shù)(comprehensive drought resistance coefficient,CDC)[19]。

表1 供試39份油莎豆種質(zhì)資源Table 1 Thirty-nine Tigernut germplasm resources collected in this study

DC=干旱脅迫處理值/正常澆水處理值

(1)

(2)

基于以上油莎豆干旱脅迫的DC值，進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析。按公式(3)、(4)和(5)分別計(jì)算因子權(quán)重系數(shù)(Vi)、各材料各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值[μ(xi)]和抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation value,D)，而后針對(duì)D進(jìn)行聚類(lèi)分析劃分抗旱級(jí)別，結(jié)合排序和聚類(lèi)分析結(jié)果篩選抗旱種質(zhì)資源。

(3)

(4)

(5)

式中，Pi為第i綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率，表示第i指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要程度，xi、xmin和xmax分別表示第i綜合指標(biāo)及第i綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

抗旱系數(shù)(DC)在一定程度上反映了油莎豆種質(zhì)資源在干旱脅迫條件下的變化程度。綜合抗旱系數(shù)(CDC)和抗旱性度量值(D)反映了油莎豆種質(zhì)的抗旱能力，數(shù)值越大，抗旱性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種質(zhì)資源代表性及其抗旱指標(biāo)測(cè)定值分析

CK處理下39份油莎豆種質(zhì)資源的變異系數(shù)介于0.070～0.880，變化范圍較廣，說(shuō)明試驗(yàn)中選用的油莎豆種質(zhì)材料基因型豐富，代表性較好，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求(表2)。干旱脅迫下，不同種質(zhì)材料間的變異系數(shù)介于0.148～0.584，表明不同油莎豆種質(zhì)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)程度不同，存在較大變異。與CK處理相比，T處理顯著影響油莎豆的表型和生理性狀,其中葉寬、葉厚和根長(zhǎng)達(dá)差異顯著水平(P<0.05)，株高、分蘗數(shù)、地上干重、地下干重和總干重達(dá)差異極顯著水平(P<0.01)，說(shuō)明干旱脅迫處理的試驗(yàn)效果較好，選用的生物性狀指標(biāo)響應(yīng)敏感。此外，在CK和T兩種處理?xiàng)l件下，油莎豆種質(zhì)生物性狀指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)介于0.035～0.673，進(jìn)一步表明各測(cè)定指標(biāo)對(duì)干旱脅迫的敏感程度存在差異，直接采用各性狀指標(biāo)的測(cè)定值很難準(zhǔn)確反映39份油莎豆種質(zhì)資源的抗旱性(表2)。

2.2 抗旱系數(shù)與相關(guān)性分析

由表3(見(jiàn) 17頁(yè))可見(jiàn)，同一指標(biāo)的DC值在39份油莎豆種質(zhì)資源間存在明顯差異，變異系數(shù)介于0.123～0.728。同一種質(zhì)在17個(gè)生物性狀指標(biāo)間的DC值變化較大，說(shuō)明各個(gè)指標(biāo)的響應(yīng)程度不同。

抗旱系數(shù)相關(guān)性分析關(guān)系結(jié)果表明(表4，見(jiàn)18頁(yè))，各指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性。其中葉綠素與葉寬、莖粗呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.416和0.431；葉綠素與地上鮮重、總鮮重、組織含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.369、0.366、0.351；葉寬與葉厚、莖粗、組織含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.469、0.678、0.431；葉寬與根長(zhǎng)、地上鮮重、總鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.334、0.405、0.365；葉厚與莖粗呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.469，與枯黃綠呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.472，與分蘗數(shù)、地上鮮重、組織含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.317、0.360、0.349；莖粗與根長(zhǎng)、組織含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.515和0.531；莖粗與地上鮮重、總鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.358和0.320；分蘗數(shù)與枯黃綠呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.403；地上鮮重與總鮮重、組織含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.991和0.672，與地下鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.382；地下鮮重與地下干重、總鮮重、鮮重根冠比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.489、0.462、0.603，與干重根冠比呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.384；地上干重與總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.933，與干重根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.509，與地下干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.405；地下干重與總干重、鮮重根冠比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.567、0.471，與干重根冠比呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.333；總鮮重與組織含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.657；總干重與干重根冠比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.390；根冠比鮮重與根冠比干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.589。

由此可見(jiàn)，抗旱系數(shù)在不同指標(biāo)間存在相互關(guān)聯(lián)和信息疊加，很難客觀(guān)準(zhǔn)確地反映油莎豆種質(zhì)資源的抗旱性。

2.3 主成分分析

對(duì)油莎豆各性狀指標(biāo)的DC值進(jìn)行主成分分析，進(jìn)而獲得因子載荷、特征根和貢獻(xiàn)率(表5，見(jiàn)19頁(yè))。各因子特征值中前5個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到74.174%，且其特征根大于1。這5個(gè)因子涵蓋原始數(shù)據(jù)中的大部分信息，可作為油莎豆干旱脅迫的有效成分。在此基礎(chǔ)上，提取前5個(gè)因子，將原17個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5個(gè)相互獨(dú)立的抗旱性綜合指標(biāo)(以F1、F2、F3、F4和F5表示)。由表5可見(jiàn)，F(xiàn)1在葉寬、地上鮮重、總鮮重上有較高載荷。F2在地下鮮重、地下干重、鮮重根冠比上有較高載荷，F(xiàn)3在地上干重、總干重、干重根冠比上有較高載荷，F(xiàn)4在根長(zhǎng)上有較高載荷，F(xiàn)5在枯葉率上有較高載荷。綜合而言，葉寬、枯葉率、根長(zhǎng)、鮮重、干重、根冠比可以作為油莎豆種質(zhì)資源抗旱評(píng)價(jià)主要指標(biāo)。

2.4 油莎豆種質(zhì)資源的綜合抗旱性評(píng)價(jià)

39份油莎豆種質(zhì)資源的CDC值介于0.570～1.184，平均值為0.925，變異系數(shù)為0.137。依據(jù)CDC值進(jìn)行排序，結(jié)果表明油莎豆種質(zhì)資源JYD-1、JYD-14、JYD-39、JYD-21、JYD-34和JYD-28的抗旱性較強(qiáng)，JYD-17、JYD-10和JYD-35的抗旱性較弱，其余種質(zhì)介于兩者之間。此外，39份油莎豆種質(zhì)資源的D值介于0.765～3.352，平均值為1.730，變異系數(shù)為0.347。D值排序結(jié)果表明，油莎豆種質(zhì)資源JYD-39、JYD-34、JYD-3、JYD-28、JYD-4和JYD-7的抗旱性較強(qiáng)，JYD-17、JYD-8和JYD-19的抗旱性較弱，其余種質(zhì)介于兩者之間。CDC值和D值的抗旱評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。綜合二者排序結(jié)果可知，抗旱性強(qiáng)的油莎豆種質(zhì)資源為源JYD-39、JYD-34和JYD-28，抗旱性弱的材料為JYD-17。

表5 供試油莎豆種質(zhì)各指標(biāo)主成分向量特征及貢獻(xiàn)率Table 5 The eigenvector and contribution rate of the main components for each index of Tigernut accessions

2.5 聚類(lèi)分析及抗旱級(jí)別劃分

采用歐式平方根距離對(duì)油莎豆種質(zhì)資源D值進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果如圖1所示，在λ=5處將39份油莎豆種質(zhì)資源分為4類(lèi)。其中第1類(lèi)為抗旱材料，包括JYD-39和JYD-34兩份種質(zhì)，占總數(shù)的5.13%，這兩份材料的CDC值和D值也較高(表6)，與前述抗旱綜合鑒定結(jié)果相一致；第2類(lèi)為中度抗旱材料，包括10份種質(zhì)，占總數(shù)的25.64%；第3類(lèi)為中度敏感材料，包括16份種質(zhì)，占總數(shù)的41.03%；第4類(lèi)為敏感材料，包括11份種質(zhì)，占總數(shù)的28.21%。

3 討 論

3.1 油莎豆種質(zhì)資源抗旱鑒定及抗旱指標(biāo)篩選

植物的抗旱能力與其所處的發(fā)育階段有關(guān)并受多種內(nèi)在機(jī)制調(diào)控[20-21]。因此，單憑一種指標(biāo)來(lái)進(jìn)行抗旱評(píng)價(jià)是不準(zhǔn)確的，此外過(guò)多指標(biāo)雖然可以更全面考量其綜合性，但過(guò)多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致工作量大，耗時(shí)費(fèi)力。因此選擇合理的抗旱指標(biāo)是抗旱性鑒定的關(guān)鍵，在省時(shí)省力的基礎(chǔ)上，較為全面的評(píng)價(jià)其綜合抗旱性。

不同作物抗旱指標(biāo)不同，相關(guān)性狀的鑒定角度的不同也會(huì)影響作物抗旱值。通過(guò)形態(tài)學(xué)指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)以及生理生化指標(biāo)間接評(píng)價(jià)和鑒定植物的抗旱性具有簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此被廣泛采用[22-24]。王園園等[25]通過(guò)隸屬函數(shù)和方差分析對(duì)5個(gè)紫花苜蓿種質(zhì)資源進(jìn)行綜合性抗旱評(píng)價(jià)，認(rèn)為在形態(tài)指標(biāo)中莖粗、株高、根長(zhǎng)、分枝數(shù)、葉片數(shù)、根瘤數(shù)這6項(xiàng)指標(biāo)可作為苜?？购颠m宜性評(píng)價(jià)的特征指標(biāo)。白旭瑞[10]采用隸屬函數(shù)、主成分分析、相關(guān)性分析和聚類(lèi)分析的方法，測(cè)定了190份小麥材料，分析得到在干旱脅迫條件下，株高、最大根長(zhǎng)、鮮重根冠比、干重根冠比、苗失水率、根失水率、總根體積、總根長(zhǎng)、平均根系直徑和根系表面積10個(gè)抗旱指標(biāo)。易津等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，賴(lài)草屬(Leymus)牧草表現(xiàn)出的抗旱能力在不同品種間存在顯著差異，其中種苗存活率、株高、根冠比、葉綠素含量可以作為鑒定賴(lài)草屬牧草品種之間抗旱能力強(qiáng)弱的指標(biāo)。本研究通過(guò)選取株高、葉寬、葉厚、莖粗、分蘗數(shù)、枯葉率、根長(zhǎng)、地上鮮重、地上干重、地下鮮重、地下干重、總鮮重、總干重、組織含水量、根冠比鮮重、根冠比干重以及葉綠素等17個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行油莎豆抗旱性評(píng)價(jià)，表明在干旱脅迫條件下，所有油莎豆種質(zhì)都會(huì)呈現(xiàn)顯著受害現(xiàn)象，但受害程度在不同種質(zhì)資源間存在較大變異，這與前人對(duì)其它農(nóng)作物的研究結(jié)果相一致。但是主成分分析結(jié)果表明，葉寬、枯葉率、根長(zhǎng)、鮮重、干重和根冠比可以作為油莎豆種質(zhì)資源苗期抗旱評(píng)價(jià)主要指標(biāo)，這與小麥、花生、大豆的相關(guān)研究結(jié)果存在一定差異，說(shuō)明不同作物對(duì)干旱脅迫呈現(xiàn)出一定的種屬特異性。

表6 供試油莎豆種質(zhì)抗旱性評(píng)價(jià)的CDC值和D值Table 6 The CDC and D values of drought resistance evaluation of Tigernut accessions

圖1 基于D值的油莎豆種質(zhì)抗旱性系統(tǒng)聚類(lèi)圖Fig.1 Clustering analysis of drought resistance coefficient of 39 Tigernut accessions based on D values

3.2 油莎豆抗旱性評(píng)價(jià)分析方法選取

由于植物的抗旱性受多個(gè)基因調(diào)控[27]且是多個(gè)指標(biāo)相互表達(dá)的結(jié)果，因此對(duì)植物抗旱性的評(píng)價(jià)不僅與評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇密切相關(guān)，還需要運(yùn)用準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)姆治龇椒?。已有研究采用多種方法對(duì)小麥[28]、水稻[29]等種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中，抗旱性度量值(D)可作為抗旱性評(píng)價(jià)的優(yōu)良指標(biāo)。許愛(ài)云等[30]采用隸屬函數(shù)和主成分分析法對(duì)12份草本植物資源開(kāi)展抗旱鑒定。汪燦等[31-32]在萌發(fā)期和成熟期通過(guò)隸屬函數(shù)值、CDC值和D值對(duì)50份薏苡種質(zhì)進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)，并篩選出3份抗旱性強(qiáng)的薏苡種質(zhì)。本研究在前人研究基礎(chǔ)上，采用隸屬函數(shù)與主成分分析相結(jié)合的分析方法求得D值，進(jìn)而篩選出3份抗旱性強(qiáng)的油莎豆種質(zhì)資源。

3.3 油莎豆抗旱綜合評(píng)價(jià)

干旱脅迫下，油莎豆在表型和生理性狀均會(huì)受到影響，通過(guò)多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，能夠避免單項(xiàng)指標(biāo)所帶來(lái)的局限性，可以正確客觀(guān)地反映油莎豆種質(zhì)的抗旱能力。本研究采用主成分分析法，將17項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5個(gè)相互獨(dú)立的指標(biāo)。運(yùn)用綜合抗旱系數(shù)法的同時(shí)，采用隸屬函數(shù)法將其轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，結(jié)合單項(xiàng)抗旱系數(shù)、相關(guān)分析、主成分分析、聚類(lèi)分析，對(duì)39份油莎豆品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由于D值是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值，消除了各項(xiàng)指標(biāo)的單位的影響。以D值為綜合指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法不僅考慮了各個(gè)指標(biāo)間的相互關(guān)系，同時(shí)考慮了各指標(biāo)的重要性，能使評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié) 論

干旱脅迫顯著影響油莎豆苗期的表型和生理變化。D值為油莎豆抗旱評(píng)價(jià)的適宜指標(biāo)。葉寬、枯葉率、根長(zhǎng)、鮮重、干重和根冠比可作為油莎豆苗期抗旱鑒定的主要指標(biāo)。篩選出苗期抗旱性強(qiáng)的油莎豆種質(zhì)為JYD-39、JYD-34和JYD-28。