蕪菁苗期抗旱性鑒定及抗旱指標的評價

高亞寧，張凱浩，楊鴻基，馬新超，軒正英

(1. 塔里木大學 園藝與林學學院，新疆阿拉爾 843300；2. 塔里木大學 南疆特色果樹高效優(yōu)質栽培與深加工技術國家地方聯合工程實驗室，新疆阿拉爾 843300)

蕪菁(BrassicarapaL)別名蔓菁、圓根、盤菜等，由油用亞種演化而來[1]，隸屬于十字花科蕓薹屬。目前新疆部分地區(qū)大面積種植，維吾爾語又稱為恰瑪古，是生長在新疆天山南部、塔里木盆地西北[2]，罕見的紅色沙漠長壽區(qū)的一種具有藥用、飼用、食用三大應用價值的草本植物[3]。但是由于新疆屬于極旱地區(qū)降水量少、土地沙漠化嚴重、日照時間長、水分蒸發(fā)量大并且大多數土地為山脈、戈壁和沙漠[4]，使得蕪菁受干旱影響較為嚴重。干旱脅迫抑制植物的生長發(fā)育、影響根和葉的生長形態(tài)、降低作物的產量和品質、影響植物的光合作用、破壞植物的膜結構以及使活性氧含量增加，嚴重時導致植物的死亡[5-7]。故對提高植物的抗旱性以成為國內外學者研究探討的重要課題，并早已對蕓薹屬植物的抗旱性進行了大量的研究。Jabeen Munifa等[8]研究表明干旱脅迫導致蕪菁的生長量(根和莖的干質量與鮮質量、根長與莖長)、色素含量(葉綠素a,b和總葉綠素)、總酚和抗壞血酸含量減少，顯著增強了蕪菁葉片與根部的游離脯氨酸、甜菜堿、丙二醛、過氧化氫的含量以及提高了其過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性。由于作物的抗旱性是一個復雜的性狀，不同性狀對干旱脅迫的敏感度不同，響應干旱脅迫的機制不同，故很難評估[9]。通常測定多個性狀指標，結合抗旱系數、主成分分析、隸屬函數法、灰色關聯度分析和回歸分析等多元統(tǒng)計分析的方法進行綜合評價。這些分析方法已經在油菜和白菜等蕓薹屬植物抗旱研究中得到成功的應用[10-13]。黃倩等[14]結合抗旱系數與隸屬函數法進行油菜苗期抗旱性鑒定，篩選出了8個抗旱品種，同時表明相對含水量、地上鮮質量、地上干質量、地下鮮質量、地下干質量、CAT、POD和脯氨酸均可以作為油菜苗期抗旱性鑒定的輔助指標。左凱峰等[15]采用相關分析、主成分分析和通徑分析等方法表明，可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和離體葉片保水力等性狀可作為甘藍型油菜抗旱性苗期鑒定的指標。

雖然當前在蕪菁的營養(yǎng)品質、遺傳多樣性和非生物脅迫等多方面都開展了大量的研究，但鮮有關于蕪菁耐旱性方面的研究。因此本試驗對42份蕪菁種質的苗期生長和生理指標的測定，采用抗旱系數、基于主成分分析和權重分析的加權隸屬函數值和回歸分析等方法對抗旱性進行綜合評價。從中選出抗旱性強的品種，以此為后續(xù)研究蕪菁在干旱脅迫下的生理生化響應機制和篩選相關抗旱基因以及育種提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為塔里木大學南疆特色果樹高效優(yōu)質栽培與深加工技術國家地方聯合工程實驗室收集和保存的42份蕪菁種質，其中包括新疆21份，河北7份，河南4份，山東3份，天津2份，北京1份，黑龍江1份，浙江1份，云南1份，福建1份，供試材料詳見表1。

表1 供試品種及其來源

1.2 試驗方法

采用土壤自然干旱的試驗方法。42份蕪菁材料，每個品種選取100粒種子統(tǒng)一播種于裝有130 g基質的營養(yǎng)缽中，育苗基質為混合基質，以草炭、蛭石和園土按2∶2∶1體積混合，育苗期間采取正常管理。待幼苗長至四葉一心時，采用自然干旱的方法進行干旱處理。共設置對照組和干旱組2個處理，分3次重復，每個重復16株。對照組：土壤相對含水量保持在60%～70%[8]；干旱組：干旱處理前澆一次透水，之后不再澆水讓其自然干旱。直到其全部品種表現出旱害癥狀且差別明顯時試驗結束，進行旱害指數觀測，并立即對植株進行復水，復水1 d后進行恢復指數的 觀測。

1.3 指標測定

1.3.1 抗旱指數的分級與測定 參照肖慶生[16]的方法并進行適當修改，根據干旱脅迫下蕪菁幼苗生長及葉片萎蔫干枯等特征，將蕪菁旱害等級分為5級，各級標準如下(表2)。

表2 旱害調查分級

抗旱指數(DRI)=1-[(1×S2+2×S2+3×S3+4×S4)/(調查的總植株數×4)]；其中S1、S2、S3、S4分別代表1～4級干旱的蕪菁植株數。參照肖慶生[16]的分類標準并略有改動。

1.3.2 恢復指數的分級與測定 恢復指數分級與測定標準參照韓瑞宏等[17]與王紅飛等[18]的方法并適當修改，恢復指數=1-[(1×S1+2×S2+3×S3+4×S4)/(調查的總植株數×4)]；其中S1、S2、S3、S4分別代表1～4級的蕪菁植株數(表3)。

表3 恢復級別調查標準

1.3.3 生長和生理指標的測定 干旱10 d后采用組內隨機取樣的方法，每個處理選取20株幼苗用于生長指標的測定，分別測定其株高(基質表面到生長點的高度)和莖粗(以第1節(jié)位近子葉部為準)，用電子天平測量每5株幼苗地上和地下部分的干質量和鮮質量，每個處理3次重復并計算單株根冠比；每個處理剩余5株采用萬深LA-S植物圖像分析儀測定其第三片長勢一致的葉面積。

選取植株第3片葉片測定其生理指標，每個重復10片，共重復3次。采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，考馬斯亮藍比色法測定可溶性蛋白含量，丙二醛含量測定采用硫代巴比妥酸法，游離脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定[19]。

1.4 數據分析

采用Microsoft excel 2019軟件進行數據初步整理，用Spss 25.0軟件對試驗數據進行分析。采用郭雪松[20]的方法，利用式(1)計算株高、莖粗、葉面積、根冠比，葉片可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量的抗旱系數,利用式(2)計算丙二醛含量的抗旱系數。

Xij=tij/Tiji= 1,2,3…,nj= 1,2,3…,n

(1)

Xij=Tij/tiji= 1,2,3…,nj= 1,2,3…,n

(2)

式(1)～(2)中：Xij為第i個材料第j個性狀的耐旱系數值，tij為干旱組第i個材料第j個性狀的測定值，Tij為對照組第i個材料第j個性狀的測定值，n為材料數，m為性狀數。

加權隸屬函數值的計算公式[21]：

μ(Xj)=(Xj-Xmin)-(Xmax-Xmin)

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中：j取1到n的值；Xj和μ(Xj)分別代表第j個綜合指標的主成分值和隸屬函數值；Xmax和Xmin分別表示第j個主成分的最大值和最小值；Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重；Pj表示通過主成分分析后所得的第j個綜合指標的貢獻率；D表示蕪菁苗期品種在干旱條件下由綜合指標計算所得的抗旱綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對蕪菁苗期生長指標的影響

由表4可得，干旱組和對照組各性狀在材料間以及在處理組間均表現出極顯著差異。圖1分析比較了各個指標在42份蕪菁資源中的分布規(guī)律及遺傳差異，結果表明大多性狀的變化量總體頻次變異表現為近似正態(tài)分布。綜上可以看出，本研究選用的試驗材料廣泛，代表性強。

由表4和圖1可以看出，與對照組相比，干旱脅迫下蕪菁苗期的株高、莖粗、葉面積和根冠比均呈現出下降的趨勢。其中莖粗表現出極顯著下降趨勢，降幅最大，達到了31.63%，最大變化量為1.75 cm，最小為-0.24 cm。葉面積和根冠比也均呈極顯著下降趨勢，降幅分別達到了29.14%和26.05%，其中葉面積的最大變化量為15.53 cm2，最小為-4.24 cm2，根冠比的最大和最小變化量為0.147和-0.057。株高在對照組和處理組之間的差異不顯著，降幅為10.04%，最大和最小變化量為2.03 cm和-0.78 cm。這表明在干旱脅迫下植株出現嚴重缺水，影響植株正常生長。干旱脅迫處理過程中，干旱組幼苗葉片逐漸發(fā)生不同程度的萎蔫和卷曲、葉片變小和老葉變黃干枯，同時各材料干旱組植株變的矮小和瘦弱，生物量明顯降低。此外相比于對照組，干旱脅迫下可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸和可溶性糖含量逐漸升高且均出現極顯著差異。脯氨酸含量相比于對照組的增幅最大為344.31%，最大和最小變化量分別為1.31 mg·g-1和-1.05 mg·g-1?？扇苄缘鞍?、可溶性糖和丙二醛的含量平均增加了58.11%、73.45%和115.76%。由此說明干旱脅迫嚴重影響蕪菁苗期的正常生長且不同蕪菁種質應對干旱脅迫的生理變化不同，同時初步判斷所測性狀均可用于耐旱性鑒定。

圖1 干旱脅迫下蕪菁苗期各性狀的變化

表4 干旱脅迫下蕪菁苗期性狀

2.2 蕪菁苗期各生理指標抗旱系數間的相關性分析及通徑分析

表5將各個性狀指標的抗旱系數與抗旱指數和恢復指數進行相關性分析表明，干旱脅迫下，不同蕪菁苗期的抗旱指數與株高(0.62**)、莖粗(0.63**)、根冠比(0.31*)、可溶性蛋白(0.31*)、可溶性糖(0.34**)、脯氨酸(0.31*)和恢復指數(0.74**)呈顯著的正相關性，與丙二醛(-0.30*)呈顯著的負相關性，但與葉面積相關性不顯著；此外莖粗與根冠比和可溶性蛋白呈極顯著相關，株高與莖粗、可溶性糖與脯氨酸呈顯著正相關性；丙二醛與莖粗、可溶性蛋白和可溶性糖呈顯著負相關性；同時可以看出葉面積與其他指標相關性不顯著。以上結果表明，株高、莖粗、根冠比、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、抗旱指數和恢復指數均可以作為鑒定蕪菁苗期抗旱性的輔助指標。

表5 各性狀指標抗旱系數間的相關性

對8個生理指標與抗旱指數進行通徑分析表明(表6)，各生理指標對抗旱指數的直接貢獻大小為株高(0.356)>莖粗(0.279)>可溶性糖(0.153)>脯氨酸(0.133)>根冠比(0.088)>葉面積(0.085)>可溶性蛋白(0.054)>丙二醛(|-0.038|)。8個生理指標對抗旱指數的間接綜合效應的順序為莖粗(0.359 6)>可溶性蛋白(0.268 4)>株高(0.267 0)>根冠比(0.244 2)>丙二醛(|-0.199 1|)>可溶性糖(0.091 4)>脯氨酸(0.043 6)>葉面積(0.015 1)。除丙二醛為負效應，其余指標均為正效應。綜合上述各指標抗旱系數間的相關分析和通徑分析可得，株高、莖粗、根冠比、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸能作為蕪菁苗期抗旱性鑒定的指標，可進一步進行主成分分析。

表6 生理指標對抗旱指數的通徑系數

2.3 蕪菁苗期抗旱生理指標的主成分分析

為了更充分揭示不同蕪菁種質苗期各抗旱指標的變異特征值，便于進一步確定和評價抗旱鑒定的指標，基于各性狀的抗旱系數值，對上述9個指標進行了主成分分析(表7)。由此可得，前3個因子的累計貢獻率達到了67.204%，貢獻率分別為36.233%、16.231%和14.740%。說明這3個主因子涵蓋原始數據的大部分信息，故可以作為分析數據的有效成分。

表7 各性狀指標主成分分析的特征向量

主成分1在株高、莖粗和抗旱指數與恢復指數具有較高載荷量，且其特征值和抗旱指數特征值均為正值，故該因子為生長因子，蕪菁苗期生長表型越好，抗旱性越強；主成分2在脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖具有較高載荷量，且特征值均為正值，抗旱指數的特征值也為正值。說明該主成份為滲透調節(jié)因子，且可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸有利于蕪菁苗期抗旱性的提高；主成份3只包括丙二醛，特征值為正值，但抗旱指數的特征值為負值。表明該因子表示細胞膜損傷的程度，丙二醛含量越高，蕪菁苗期抗旱性越差。

2.4 蕪菁苗期抗旱性的綜合評價

在獲得主因子特征向量的基礎上，利用模糊隸屬函數法，計算加權隸屬函數值，作為綜合抗旱性度量值(D)，由此可比較準確地評價蕪菁品種的抗旱性，D值愈大，其抗旱性愈強。如表8所示，依據黃倩等[14]的分類方法并進行適當修改，將42份蕪菁品種分為3大類，以0.7為閾值，將D值大于0.7的劃分為抗旱型品種，D值小于 0.4的劃分為干旱敏感性型品種，將D值介于兩者之間的歸為中度抗旱型品種。故由此可得，42份材料中有5份歸為苗期抗旱型品種、27個苗期中度抗旱型品種和12份苗期干旱敏感型品種，其中W29抗旱性最強，隸屬函數值達到0.827。

2.5 蕪菁苗期抗旱性鑒定回歸方程的建立

通過逐步回歸分析，將D值作為因變量，各抗旱指標的抗旱系數作為自變量。將各指標抗旱系數作為自變量建立抗旱性評價的數學模型，D值作為因變量，得出了其中最優(yōu)的逐步回歸方程：Y=-0.035+0.288X1+0.077X2+0.132X3+0.011X4+0.336X5。方程中X1、X2、X3、X4、X5分別表示為莖粗、根冠比、丙二醛、脯氨酸、抗旱指數。方程的決定系數為0.988 3，且達到了及極顯著水平，說明回歸方程最優(yōu),模型擬合度好，預測精度高。通過回歸方程得出預測D值，將預測D值與通過計算得出的D值進行相關性分析，兩者存在極顯著相關性(0.99*)，同時如表8所示綜合評價D值與預測D值的抗旱性排序幾乎一致。表明可以用這個回歸方程來預測不同蕪菁材料苗期的抗旱性，莖粗、根冠比、丙二醛和脯氨酸可以作為蕪菁苗期抗旱性鑒定的主要指標。

表8 蕪菁苗期抗旱性綜合性評價

3 討論與結論

干旱是影響蕪菁生長發(fā)育和產量品質的重要非生物脅迫因子之一。本試驗發(fā)現干旱脅迫使蕪菁苗期的株高、莖粗、葉面積和根冠比顯著降低，同時使其可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量顯著升高。這與Jabeen Munifa等[8]的研究結果一致。關于作植抗旱性的評價指標有產量指標、生理指標和外觀形態(tài)指標，且干旱脅迫下植物的外觀形態(tài)和其內在生理活動有一定關聯，兩者相互制約[22]，致使不同植物抗旱性評價指標有所不同。故其抗旱性鑒定指標要綜合選擇，同時Ma等[23]發(fā)現滲透調節(jié)物質可作為作物抗旱指標之一。本試驗與上述結論相呼應，通過相關性分析和通徑分析發(fā)現，除葉面積外其余指標間均存在顯著相關性并且葉面積對抗旱指數的貢獻較小，又結合回歸分析的結果發(fā)現莖粗、根冠比、丙二醛和脯氨酸可作為蕪菁苗期抗旱性評價指標，株高、可溶性蛋白和可溶性糖可作為輔助指標。在抗旱性評價方法上越來越多的學者采用了多指標綜合評定的方法來判斷供試材料的抗旱性大小。前人在油菜[24-26]上、向日葵[27]上、大豆[28]和花生[29]上先后結合抗旱指數、主成分分析、隸屬函數法和回歸分析等進行抗旱性綜合評價。李忠旺等[30]研究顯示抗旱系數(CDC)、綜合抗旱指數(CDI)、綜合抗旱隸屬函數值(CDM)和抗旱性綜合度量值(D)等4種抗旱性綜合評價體系所得的抗旱性鑒定結果基本一致。本研究與前人研究方法相類似，采用抗旱指數、抗旱性綜合度量值(D)和回歸分析等方法篩選出5個抗旱性強的品種，有效避免了單一評價方法的局限性。

綜上所述，本試驗研究表明干旱脅迫使蕪菁苗期的株高、莖粗、葉面積和根冠比顯著降低，并使其可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量顯著升高；同時莖粗、根冠比、丙二醛、和脯氨酸可作為蕪菁苗期抗旱性鑒定的主要指標，株高、可溶性蛋白和可溶性糖可作為輔助指標；本試驗通過自然干旱法篩選出5個苗期抗旱型品種，27個苗期中度抗旱型品種和12個苗期干旱敏感型品種，其中來自新疆的‘恰瑪古’(W29)的抗旱性最強；并通過逐步回歸分析建立了初步預測蕪菁苗期抗旱性的回歸方程。