丹參花果期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選

張紅瑞 ，張麗欣 ，王 飛 ，高致明 ，李夢荷 ，3

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護研究所，河南 鄭州 450002；3.新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

丹參（Salvia miltiorrhizaBung）是唇形科鼠尾草屬植物，其干燥根及根莖為我國傳統(tǒng)大宗藥材之一[1]，具有祛瘀止痛、活血通經(jīng)、清心除煩等功效。目前，商品丹參主要來源于栽培，其產(chǎn)區(qū)主要分布在河南、山東、陜西、四川等省。河南栽培丹參的主產(chǎn)區(qū)為豫西和豫西南地區(qū)，此區(qū)域多丘陵地帶，灌溉條件不足，氣候干旱少雨，季節(jié)性降雨不均，給丹參的生產(chǎn)帶來較大影響。5—8月是丹參的花果期，此時溫度高，丹參生長旺盛，是其整個生育期耗水最多的時期，缺水對其地上部形態(tài)建成、干物質(zhì)積累、種子發(fā)育及后期地下部根系的生長發(fā)育有較大影響[2]。除了水資源集約灌溉[3]、優(yōu)化栽培方式[4]、地膜覆蓋[5]等措施，選育抗旱性強的丹參優(yōu)良品種也是提高旱作區(qū)丹參產(chǎn)量和質(zhì)量的有效途徑。通過研究丹參種質(zhì)的抗旱性及其綜合評價方法和鑒定指標(biāo)，對丹參抗旱育種、抗旱資源利用與合理布局具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對不同作物不同生育時期已開展了大量的抗旱性鑒定和抗旱指標(biāo)篩選工作，小麥[6]、玉米[7]、煙草[8]、水稻[9]、 大豆[10]等作物已有較為完整的一套抗旱性鑒定體系，并且已經(jīng)篩選出了適宜的抗旱指標(biāo)。黃芪[11]、薏苡[12]、紅花[13]等藥用植物抗旱指標(biāo)篩選及抗旱性鑒定方面已有研究報道。丹參的抗旱性研究主要集中在生理指標(biāo)[14]、內(nèi)源激素[15]、活性成分[14]及干旱應(yīng)答機制[16]等方面，尚無抗旱性鑒定和抗旱指標(biāo)篩選等相關(guān)文獻報道。目前干旱材料的篩選指標(biāo)主要集中在生理生化指標(biāo)、營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)及農(nóng)藝性狀等方面[17-19]，其中，農(nóng)藝性狀能夠比較直觀地鑒定作物抗旱性。

本試驗以不同栽培類型丹參為材料，基于干旱脅迫和正常灌水下丹參13個農(nóng)藝性狀的觀測，綜合抗旱性度量值（D值）和理想解法2種評價方法鑒定其抗旱性，篩選簡單、可靠的抗旱鑒定指標(biāo)，以期為丹參干旱地區(qū)栽培和耐旱品種選育奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院張紅瑞課題組從野生種質(zhì)中篩選獲得的4個丹參栽培類型為材料，分別記為豫丹參VA、豫丹參VB、豫丹參VC、豫丹參VD，以2年生植株為試驗材料（表1），各類型間差異明顯，性狀穩(wěn)定，整齊度高。

表1 試驗材料Tab.1 Test material

1.2 試驗地概況

試驗在河南省三門峽市澠池縣進行，澠池縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，試驗期降水量如表2所示。

表2 試驗期內(nèi)河南澠池降水量Tab.2 Rainfall in Mianchi Henan during the test period

1.3 試驗設(shè)計

2019年7月1日育苗，11月10日移栽，此時苗高約20 cm。試驗設(shè)置正常澆水（CK）和干旱脅迫2個處理，3次重復(fù)，各處理采用隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積12 m2，行距70 cm，株距25 cm。干旱脅迫處理為只澆底墑水，此后全生育期不再灌水，使其充分受旱。對照則分別澆底墑水、抽莖水，常規(guī)栽培管理，于丹參花果期（2020年6月14日）取樣。

1.4 測定項目及方法

于丹參花果期，選擇每個小區(qū)具有代表性的植株10株，分別用直尺和游標(biāo)卡尺測量株高（X1）、冠幅（X2）、花序長（X4）、葉長（X5）、葉寬（X6）、莖粗（X7）、主根長（X8）、主根粗（X9）；采用計數(shù)法測定花枝數(shù)（X3）、根條數(shù)（X10）；采用天平測定地上部干質(zhì)量（X11）、地下部干質(zhì)量（X12），并計算根冠比（X13）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗采用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)，SPSS 24進行統(tǒng)計分析。按照公式（1）計算各指標(biāo)的抗旱系數(shù)。參照蘭巨生[20]、徐銀萍等[21]、歐巧明等[22]、楊玉敏等[23]的方法，按公式（2）計算各栽培類型各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值（μ（xi）），按公式（3）計算因子權(quán)重系數(shù)（ωi），按公式（4）計算綜合指標(biāo)值CI，根據(jù)權(quán)重（ωi）及隸屬函數(shù)值（μ（xi）），按公式（5）計算D值，D值為各栽培類型在干旱脅迫下用綜合指標(biāo)評價所得值。同時采用TOPSIS法（理想解法）進行抗旱性綜合評價[24]。

式中，xi、ximin、ximax分別表示第i個指標(biāo)及第i個指標(biāo)的最小值、最大值；Pi為第i個綜合指標(biāo)貢獻率；ωi表示第i個指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要程度；ai表示單一指標(biāo)的特征值對應(yīng)的特征向量；xi為各指標(biāo)抗旱系數(shù)，其中，i=1，2，3，…，n。

2 結(jié)果與分析

2.1 丹參單項指標(biāo)的抗旱系數(shù)及其簡單相關(guān)分析

從表3可以看出，干旱條件下丹參4個栽培類型莖粗均增加（抗旱系數(shù)>1），株高、花序長、葉長等指標(biāo)均下降（抗旱系數(shù)<1），且下降和增加的幅度不相同，其他單項指標(biāo)對干旱脅迫的反應(yīng)不一致。干旱脅迫后，株高、冠幅、花序長、葉長、葉寬、主根長、主根粗和根條數(shù)的抗旱系數(shù)平均值均小于1，說明干旱脅迫使其減少?；ㄖ?shù)、莖粗的抗旱系數(shù)平均值均大于1，說明干旱脅迫使其增加。地下部干質(zhì)量、根冠比的抗旱系數(shù)平均值小于1，地上部干質(zhì)量的抗旱系數(shù)平均值大于1，地下部干質(zhì)量抗旱系數(shù)平均值的變幅小于地上部抗旱系數(shù)平均值的變幅，說明干旱脅迫對丹參各栽培類型地上莖葉的影響大于對地下根系的影響。

表3 各單項指標(biāo)抗旱系數(shù)Tab.3 Drought resistance coefficient of each single index

由表4可知，根條數(shù)和花序長極顯著相關(guān)（0.999），地下部干質(zhì)量與花枝數(shù)顯著相關(guān)（-0.978），冠幅與莖粗、主根長顯著相關(guān)（0.977、0.975）。所有單項指標(biāo)間都存在或大或小的相關(guān)性，使反映的信息發(fā)生重疊，故根據(jù)單一指標(biāo)的抗旱系數(shù)得出抗旱性大小具有一定的片面性[25]，再加上不同栽培類型間抗旱性有一定差異，各單項指標(biāo)在抗旱性中起著不同的作用，簡單相關(guān)分析較難準(zhǔn)確評價丹參抗旱性[12]。因此，以各單項指標(biāo)的抗旱系數(shù)為基礎(chǔ)，把原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化， 再進行抗旱性綜合評價更具有可比性和準(zhǔn)確性。

表4 各指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.4 Correlation coefficient matrix of drought resistance coefficient of each index

2.2 丹參各指標(biāo)抗旱系數(shù)的主成分分析、隸屬函數(shù)分析與TOPSIS分析

對各指標(biāo)的抗旱系數(shù)運用主成分分析法進一步分析，可以把原來的13個單項指標(biāo)轉(zhuǎn)化成2個綜合指標(biāo)，這2個綜合指標(biāo)的貢獻率分別為50.149%、36.565%，總貢獻率為86.714%，說明這2個綜合指標(biāo)可以概括13個單項指標(biāo)所包含的86.714%的信息（表5）。第1主成分在冠幅、葉長、莖粗、主根長上有較大載荷，說明該主成分主要反映的是地上部形態(tài)和主根形態(tài)等主要信息；第2主成分在花枝數(shù)、花序長上有較大載荷，說明該主成分主要反映的是花枝數(shù)量、長度等信息。主成分載荷矩陣中的載荷向量除以各主成分特征根的算術(shù)平方根，得到各主成分的系數(shù)。再根據(jù)主成分的系數(shù)（表5）及各單項指標(biāo)的抗旱系數(shù)（表6），求出各栽培類型的2個綜合指標(biāo)值（F值），通過公式（2）和（3）求出綜合指標(biāo)值（F值）的隸屬函數(shù)值和權(quán)重ωi，通過公式（5）計算出抗旱性綜合評價值（D值）。用D值作為標(biāo)準(zhǔn)來判別各栽培類型抗旱能力的強弱，由表6可知，豫丹參VA的D值最大，為0.580，表示該類型在4個栽培類型中抗旱性最強，豫丹參VB的D值最小，為0.187，說明其抗旱性最弱，丹參各栽培類型抗旱性從大到小依次為豫丹參VA>豫丹參VD>豫丹參VC>豫丹參VB。

表5 各綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻率Tab.5 Coefficient and contribution rate of each comprehensive index

表6 各栽培類型綜合指標(biāo)值、權(quán)重、μ（xi）、D值和綜合評價Tab.6 Comprehensive index value，weight，μ（xi），D value，and comprehensive evaluation of each cultivation type

對各指標(biāo)的抗旱系數(shù)進行TOPSIS分析，求出各栽培類型的Gi（每一個評價對象與正向最優(yōu)解的歐式距離）、Hi（每一個評價對象與負向最優(yōu)解的歐式距離）和Ci（各評價對象與最優(yōu)解的相對接近度）。由表7可知，對4個丹參栽培類型品質(zhì)綜合評價結(jié)果為：豫丹參VA>豫丹參VC>豫丹參VD>豫丹參VB。豫丹參VA的抗旱性最強，豫丹參VB的抗旱性最弱。這與基于D值鑒定出的抗旱性最強的類型和抗旱性最弱的類型相同，2種評價方法對各栽培類型的抗旱性排序結(jié)果基本一致。

表7 TOPSIS法抗旱性評價排序結(jié)果Tab.7 Ranking results of drought resistance evaluation by TOPSIS

2.3 丹參抗旱性鑒定指標(biāo)篩選

為建立丹參抗旱能力評價數(shù)學(xué)模型，以D值為參考序列即因變量，對供試材料各指標(biāo)抗旱系數(shù)進行逐步回歸分析，可得到預(yù)測不同栽培類型抗旱能力的最優(yōu)回歸方程：D=0.025X3-0.013X8+0.859X9-0.339。3個指標(biāo)對丹參花果期抗旱性有顯著影響，得到的回歸方程的決定系數(shù)R2≈1，顯著性概率為0，說明模型擬合度好，預(yù)測值精確度高，用這個回歸方程進行丹參花果期抗旱性評價效果好?；貧w方程得出的預(yù)測值與實際抗旱性隸屬函數(shù)值D值進行簡單相關(guān)性分析，二者之間極顯著相關(guān)，說明回歸方程的預(yù)測值和實際值之間擬合度好。在丹參花果期抗旱性評價中，有針對性地測定花枝數(shù)、主根長和主根粗等3個指標(biāo)，可有效鑒定丹參的抗旱性，使鑒定工作簡化。各指標(biāo)抗旱系數(shù)與D值的相關(guān)性分析如表8所示。

表8 各指標(biāo)抗旱系數(shù)與D值的相關(guān)系數(shù)Tab.8 Correlation coefficient between the drought resistance coefficient of each index and D value

由表8可知，主根粗與D值的相關(guān)系數(shù)為0.998，達到極顯著正相關(guān)；花序長和主根長的抗旱系數(shù)與D值的相關(guān)系數(shù)分別為0.889、-0.949，相關(guān)性較高。因此，花序長、主根粗、主根長可以作為丹參花果期的抗旱性鑒定指標(biāo)，這與逐步回歸得到的抗旱性鑒定指標(biāo)類似，因此，花序長、花枝數(shù)、主根粗、主根長可以作為丹參花果期的抗旱性鑒定指標(biāo)。

3 討論

3.1 丹參抗旱性評價方法

干旱脅迫是影響丹參生長發(fā)育的重要因素之一，抗旱性評價就是對其耐旱能力進行篩選、歸類的過程，適宜的評價方法是抗旱性鑒定的關(guān)鍵。單一指標(biāo)較難以全面、準(zhǔn)確反映各栽培類型耐旱性的強弱，運用多個綜合指標(biāo)評價作物的抗旱性比較可靠[23]。在抗旱性評價過程中，選擇各指標(biāo)抗旱系數(shù)進行分析，能夠消除材料間的差異，較為準(zhǔn)確地比較出不同材料的抗旱性。近年來，主成分分析聯(lián)合隸屬函數(shù)法的多方法多指標(biāo)相結(jié)合手段已在玉米[26]、黍稷[27]、綠豆[28]、谷子[11]、棉花[12]等作物抗旱性鑒定中運用。本試驗先通過主成分分析法將13個單項指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2個綜合指標(biāo)，降低了單一指標(biāo)的片面性造成的信息重復(fù)，再結(jié)合隸屬函數(shù)法計算出抗旱性綜合指標(biāo)（D值），根據(jù)D值來對供試材料進行抗旱性評價。由于D值是一個無量綱的純數(shù)，使各個栽培類型間的抗旱性差異具有可比性，同時也能避免各指標(biāo)由于貢獻率不同而產(chǎn)生的誤差[23]。TOPSIS法是一種多指標(biāo)決策法，利用各指標(biāo)與正理想解和負理想解的歐式距離來對方案進行排序，具有易理解、易計算、評估結(jié)果合理、應(yīng)用靈活等優(yōu)點[29]，近年來廣 泛 用于農(nóng)業(yè)[30]、中藥[24]、醫(yī)療[31]等多個領(lǐng)域的綜合性評價中。TOPSIS法分析結(jié)果與隸屬函數(shù)抗旱性評價結(jié)果一致，這進一步驗證了抗旱性評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，說明運用隸屬函數(shù)分析和TOPSIS分析抗旱性評價是可行的。以D值為自變量，各指標(biāo)抗旱系數(shù)為因變量進行逐步回歸分析，可建立丹參抗旱能力評價的數(shù)學(xué)模型方程，使不同栽培類型丹參的抗旱性得以量化，借此能夠快速鑒別并預(yù)測丹參種質(zhì)的抗旱性。

3.2 丹參抗旱性評價指標(biāo)

作物的抗旱性是一種由多因素、多機制共同作用的復(fù)雜數(shù)量性狀，最終通過不同指標(biāo)的一系列反應(yīng)在不同生育時期表現(xiàn)出來，因此，選擇合理有效的測量指標(biāo)是鑒定作物抗旱性的關(guān)鍵[32]。近年來，許多學(xué)者針對不同作物基于農(nóng)藝性狀、生理生化性狀、產(chǎn)量性狀等篩選出了不同的抗旱性相關(guān)指標(biāo)。孫軍偉等[33]研究認為，小麥灌漿期抗旱性鑒定的關(guān)鍵指標(biāo)分別是葉面積、葉片相對含水量、可溶性蛋白含量、丙二醛含量、脯氨酸含量。汪燦等[34]研究認為，分蘗數(shù)、單株粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量可以作為薏苡成株期抗旱性評價的直觀指標(biāo)。造成這些抗旱鑒定指標(biāo)的不同可能是因為研究材料不同。因此，依據(jù)生產(chǎn)實際需求，開展不同藥用植物干旱脅迫的耐旱試驗，篩選耐旱材料，對指導(dǎo)中藥材生產(chǎn)和選育耐旱品種意義重大。本試驗選取了13個有關(guān)抗旱的農(nóng)藝性狀，分析丹參地上、地下部形態(tài)與抗旱性的聯(lián)系。相關(guān)性分析表明，花枝數(shù)、主根粗、主根長與D值相關(guān)性高，這和基于逐步回歸篩選出的抗旱鑒定指標(biāo)相吻合，表明基于D值和逐步回歸的抗旱指標(biāo)篩選是適宜且準(zhǔn)確的，2種方法相互補充，進一步完善了丹參抗旱鑒定指標(biāo)。

4 結(jié)論

干旱脅迫對丹參花果期的地下部和地上部農(nóng)藝性狀有顯著影響，各指標(biāo)對干旱脅迫的反應(yīng)不一致。本研究運用主成分分析、隸屬函數(shù)分析、TOPSIS分析、相關(guān)性分析等綜合分析方法并相結(jié)合，確定了4個丹參栽培類型的抗旱性順序，其中，栽培類型豫丹參VA的抗旱性最強，可作為抗旱育種和抗旱機理研究的優(yōu)異種質(zhì)；篩選出花序長、花枝數(shù)、主根粗、主根長等指標(biāo)作為丹參花果期簡便、直觀的抗旱性鑒定指標(biāo)；確定D值和TOPSIS法作為丹參抗旱性評價方法。