基于農(nóng)藝性狀與光合特性的甘薯耐蔭性評價

呂長文， 蔣亞， 張凱， 唐道彬， 王季春

1. 西南大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院/薯類生物學(xué)與遺傳育種重慶市重點實驗室，重慶 400715；2. 貴州省土壤肥料研究所，貴陽 550006

作物對弱光、 高溫、 干旱、 鹽堿等逆境脅迫會做出不同的響應(yīng), 從而表現(xiàn)出避逆、 抗逆、 御逆等適應(yīng)性特點[1-3], 如作物通過改變其形態(tài)、 生理生化過程等性狀來適應(yīng)弱光環(huán)境, 在長期的適應(yīng)過程中, 作物會表現(xiàn)出一定的耐蔭性． 植物的耐蔭性是指植物在弱光照條件下的生活能力, 是植物為適應(yīng)低光量子密度、 維持自身系統(tǒng)平衡、 保持生命活動正常進行而產(chǎn)生的一系列變化, 如丙二醛、 可溶性糖和可溶性蛋白等發(fā)生變化, 通過降低光飽和點、 凈光合速率并提高光能利用率而增強其生長能力等[4-6]．

目前, 有關(guān)作物耐蔭性的研究較多, 評價方法各異, 評價結(jié)果差異較大． 陳懷珠等[7]以綜合耐蔭系數(shù)為指標對34份春大豆品種的13個性狀進行耐蔭性評定, 最終篩選出結(jié)莢期的生物產(chǎn)量、 收獲期株高、 最低底莢高度、 單株莢數(shù)、 單株粒數(shù)、 單株粒質(zhì)量和百粒質(zhì)量等7個耐蔭性鑒定指標性狀． 李春紅等[8]以14個指標的耐蔭系數(shù)對30份大豆進行耐蔭性評價, 最后確定以主莖節(jié)數(shù)、 分枝數(shù)、 節(jié)間長度、 抗倒性、 單株莢數(shù)、 百粒質(zhì)量和單株粒質(zhì)量等指標作為耐蔭性鑒定指標, 并將不同的品(系)分為高度耐蔭、 中度耐蔭和不耐蔭3類． 武曉玲等[9]則將葉片干質(zhì)量、 氣孔導(dǎo)度、 株高和暗下最大熒光產(chǎn)量作為快速判斷大豆耐蔭性的鑒定指標． 還有對馬鈴薯、 黃瓜、 玉米、 番茄等作物的研究[10-13], 如通過各指標的耐蔭指數(shù)和耐蔭系數(shù)對10個馬鈴薯品種的耐蔭性進行研究, 篩選出葉面積、 單株塊莖質(zhì)量、 葉綠素a、 葉綠素b、 總?cè)~綠素和類胡蘿卜素脅迫指數(shù)用于評價馬鈴薯的耐蔭性[10]． 除采用農(nóng)藝性狀、 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素等指標作為作物耐蔭性指標外, 也有研究者通過葉綠素含量及抗逆物質(zhì)等指標對作物耐蔭性進行評價． 如劉鐘等[14]對馬鈴薯的耐蔭性采用隸屬函數(shù)的平均值進行評價, 研究結(jié)果將葉綠素a、 葉綠素b、 過氧化物酶、 丙二醛、 脯氨酸、 相對電導(dǎo)率、 超氧化物歧化酶和過氧化物酶作為衡量馬鈴薯的耐蔭性指標．

甘薯作為我國重要的糧食、 蔬菜和飼料作物, 同時也是淀粉工業(yè)的重要原料和新型能源作物[15-16], 在西南地區(qū)多以甘薯與玉米套作進行種植． 作為低位作物的甘薯, 共生期受玉米遮蔭的影響較大進而造成不耐蔭甘薯生長發(fā)育受限而大幅減產(chǎn)． 目前有關(guān)甘薯耐蔭性評價的研究較少, 林先明等[17]利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對7個甘薯品種的8個主要農(nóng)藝性狀與鮮薯產(chǎn)量的關(guān)系進行了分析, 結(jié)果表明成薯率、 單薯質(zhì)量、 成薯數(shù)及分枝數(shù)是重要的選擇指標． 此種方法篩選出了對甘薯鮮薯產(chǎn)量的影響指標, 但指標類型較單一, 未考慮光合及抗性生理等指標對甘薯鮮產(chǎn)的影響． 因此采用合理的指標體系對不同甘薯進行耐蔭性評價分類, 對于耐蔭性甘薯品種篩選及其在間套作甘薯區(qū)進行應(yīng)用具有重要意義．

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在前期對300余份來自西南地區(qū)和其他省區(qū)市的甘薯種質(zhì)的遺傳背景和產(chǎn)量品質(zhì)的初步評價基礎(chǔ)上, 選擇在重慶本地產(chǎn)量表現(xiàn)相對較好的29份甘薯品種(系)作為供試材料(表1), 種植于西南大學(xué)薯類作物研究所歇馬基地 (106°21′E, 29°46′N) 人工修筑的水泥槽中． 該地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候, 平均氣溫18.2 ℃, 無霜期340～350 d, 年降水量為1 000～1 450 mm, 年蒸發(fā)量為1 200～1 500 mm． 經(jīng)測試, 水泥槽中土壤類型與肥力均一, pH值為6.6, 有機質(zhì)10.6 g/kg, 全氮0.5 g/kg, 全磷1.2 g/kg, 全鉀42.8 g/kg, 速效鉀165.5 mg/kg, 有效磷18.7 mg/kg, 堿解氮80.3 mg/kg．

表1 甘薯塊根膨大期各單項指標的耐蔭系數(shù)(STC)

1.2 試驗設(shè)計與方法

采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計, 設(shè)置70%遮光處理(T)和自然光處理的對照(CK)． 栽后立即采用黑色遮陽網(wǎng)遮蔭, 遮陽網(wǎng)離地高度1.8 m, 進行遮蔭處理并持續(xù)60 d, 每個甘薯品種(系)種植4行, 每行6株, 株距0.28 m, 行距0.62 m, 3次重復(fù)． 栽后60 d(塊根膨大期)測定其農(nóng)藝性狀、 光合和葉綠素?zé)晒獾戎笜? 并于栽后150 d以每個品種(系)中間兩行收獲塊根并測產(chǎn)．

1.3 農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量測定

莖粗: 用游標卡尺測定距離主莖基部10 cm處直徑．

最長蔓長: 用卷尺測定甘薯主莖莖基部到頂部生長點的垂直距離．

分枝數(shù): 直接用計數(shù)法測量莖基部30 cm以內(nèi)長度大于10 cm的分枝．

葉面積指數(shù)(LAI): 采用打孔稱質(zhì)量法測定． 用打孔器打取一定面積的甘薯葉片, 其面積和鮮質(zhì)量分別為S1,M1, 單株葉片總鮮質(zhì)量為M, 總?cè)~面積為S, 根據(jù)公式求得S, 再根據(jù)小區(qū)面積換算葉面積指數(shù)．

M1/S1=M/S

產(chǎn)量: 于栽后150 d以每個品種(系)中間兩行收獲塊根記產(chǎn)．

1.4 色素與光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

葉綠素和類胡蘿卜素測定: 采用浸提法[18], 稱取0.1 g新鮮葉片放入離心管中, 加入15 mL提取液(丙酮、 無水乙醇和水的比例為4.5∶4.5∶1)混勻, 放在黑暗條件下浸提48 h, 在663 nm, 645 nm和470 nm波長下以提取液為空白調(diào)零進行比色, 最后計算葉綠素a(chla)、 葉綠素b(chlb)、 總?cè)~綠素(chl)及胡蘿卜素(car)的質(zhì)量分數(shù)．

光合特性測定: 每個處理選擇3株生長正常且長勢一致的甘薯植株, 在晴朗無風(fēng)的上午9: 00-11: 00用LI-6400便攜式光合儀(美國LI-COR Biosciences公司)測定其功能葉片(倒4葉)的凈光合速率(Pn)、 氣孔導(dǎo)度(Gs)、 胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)． 測定時, 儀器光照強度及CO2濃度參數(shù)分別設(shè)定為1 000 μmol/(m2·s), 380 μmol/mol．

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定: 使用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xMINI-PAM-II(德國WALZ公司)進行測定． 標記測定光合后的植株, 暗適應(yīng)30 min后, 設(shè)定光化光強度為190 μmol/(m2·s), 測定葉片(倒4葉)非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)、 光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)以及PSII實際量子產(chǎn)量(ΦPSII)．

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)錄入、 整理及作圖, 采用DPS 7.05軟件對數(shù)據(jù)進行主成分分析、 聚類分析(歐式距離離差平方和法)． 采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗． 參照謝志堅[19]的評價方法計算相關(guān)指標:

CST=M/CK

式中,CST為耐蔭系數(shù)(shade tolerance coefficient, STC, 以CST表示),M表示不同遮蔭處理下的平均測定值,CK為對照測定值．

RR=(M-CK)/CK100%

式中,RR為減幅(range of reduction, RR, 以RR表示)．

各參試材料綜合指標的隸屬函數(shù)值(u):

u(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中,j=1,2,…,n,Xj表示第j個綜合指標;Xmin表示第j個綜合指標的最小值;Xmax表示第j個綜合指標的最大值．

各綜合指標權(quán)重(W):

式中,Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的權(quán)重,Pj表示經(jīng)主成分分析所得各甘薯材料第j個綜合指標的貢獻率．

不同甘薯品種(系)綜合評價值(D):

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯各單項指標的耐蔭系數(shù)及相關(guān)性分析

根據(jù)甘薯塊根膨大期各指標的耐蔭系數(shù)可知(表1), 氣孔導(dǎo)度(Gs)、 凈光合速率(Pn)、 非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)和蒸騰速率(Tr)變異系數(shù)大, 分別為69.07%, 67.55%, 61.91%和49.99%; 莖干質(zhì)量(DWS)、 蔓長(VL)、 葉面積指數(shù)(LAI)及分枝數(shù)(NB)的變異系數(shù)較大, 分別為28.70%, 24.90%, 24.84%及24.13%, 說明弱光脅迫對Gs, Pn, NPQ, Tr, DWS, VL, LAI及NB的影響較大． 在遮蔭處理下, 不同品種(系)在同一單項指標下的耐蔭系數(shù)和同一品種(系)的不同單項指標耐蔭系數(shù)的變化規(guī)律均不盡相同, VL, 節(jié)間數(shù)(NI), LAI, Pn, Gs, 胞間CO2濃度(Ci)和Tr與對照相比總體上有所增高(耐蔭系數(shù)STC>1), NB與對照相比總體上有所降低(STC<1), DWS, PSII光化學(xué)量子效率(ΦPSII)、 光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和NPQ則在各品種(系)間表現(xiàn)不一致, 有些增加(STC>1), 有些降低(STC<1), 且變化幅度有所不同． 由此可見, 各單項指標對甘薯耐蔭性影響所起的作用大小不一致．

各單項指標耐蔭系數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)表明, 除Ci外, 各單項指標均存在1個或1個以上與其顯著或極顯著相關(guān)的其他單項指標, 其中NB, NI, DWS, Pn, Tr,ΦPSII和NPQ均有4個其他指標與之相關(guān), 但不同指標間的相關(guān)性不一致．

表2 甘薯塊根膨大期各單項指標耐蔭系數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣

2.2 基于單項指標的耐蔭性評價

從甘薯各指標的耐蔭系數(shù)(表1)及其相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)中選擇變異系數(shù)和相關(guān)系數(shù)均較大的農(nóng)藝性狀、 光合特性及熒光特性指標各1個, 即莖干質(zhì)量(DWS)、 凈光合速率(Pn)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP), 對其耐蔭系數(shù)分別進行聚類分析(表3)． 結(jié)果顯示, 以莖干質(zhì)量單項指標聚類, 29個參試材料中, 龍薯9號、 1386-4、 寧紫薯1號和渝紫薯153屬于強耐蔭型; 渝蘇162、 渝薯12、 渝薯22、 渝薯198等13個品種(系)屬于中度耐蔭型; 渝紅心薯46、 渝薯4號等12個品種(系)屬于不耐蔭型． 以凈光合速率聚類發(fā)現(xiàn), 強耐蔭型包括渝薯38、 渝薯2號、 渝薯11、 渝薯6號、 1386-4、 渝紅心薯98、 寧紫薯1號、 13-3-19和南紫薯018共9個品種(系); 中度耐蔭型包括渝蘇162、 渝薯12等11個品種(系); 其余9個品種(系)則為不耐蔭型． 以非光化學(xué)猝滅系數(shù)聚類發(fā)現(xiàn), 南薯88、 渝紫香10號、 黔薯8號和渝紫薯153為強耐蔭型; 徐22、 渝紅心薯46等8個品種(系)為中度耐蔭型; 渝蘇162、 渝薯12、 渝薯38、 渝薯198等17個品種(系)為不耐蔭型． 從以上結(jié)果可看出, 采用不同單項指標評價結(jié)果差異較大, 同一品種在不同指標評價方式下, 除徐薯22、 綿薯6號和渝薯17外, 其余品種所屬類別均不相同．

表3 不同甘薯品種(系)單項指標耐蔭系數(shù)聚類分析

2.3 基于綜合指標的耐蔭性評價

2.3.1 主成分分析

主成分分析可以將多個彼此相關(guān)的單項指標轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個新的且彼此獨立的綜合指標． 以不同甘薯品種(系)各指標的耐蔭系數(shù)為基礎(chǔ), 將12個單項指標進行主成分分析, 由表4可以看出, 主成分分析特征值中5個成分的貢獻率分別為31.32%, 24.48%, 12.30%, 10.28%和6.69%, 累計貢獻率達到85.07%, 即5個主成分解釋了總變異的85.07%, 具有較強的信息代表性． 因此將原來的14個單項指標轉(zhuǎn)換為5個新的且相互獨立的綜合指標(comprehensive index, CI), 這5個主成分代表了原始指標攜帶的絕大部分信息, 可通過這5個主成分對甘薯耐蔭性進行分析．

表4 各性狀主成分的特征向量及貢獻率

第1個主成分主要包括3個性狀分量(Pn, Gs和Tr), 相當(dāng)于3.76個原始指標的作用, 可反映總信息量的31.32%．

第2個主成分主要包括4個性狀分量(NB, VL, NI, DWS), 相當(dāng)于2.94個原始指標的作用, 可反映總信息量的24.84%．

第3個主成分主要包括3個性狀分量(LAI,ΦPSII和NPQ), 相當(dāng)于1.48個原始指標的作用, 可反映總信息量的12.30%．

第4個主成分包括1個性狀分量(qP), 相當(dāng)于1.23個原始指標的作用, 可反映總信息量的10.28%．

第5個主成分包括1個性狀分量(Ci), 相當(dāng)于0.80個原始指標的作用, 可反映總信息量的6.69%．

2.3.2 隸屬函數(shù)分析

對各個綜合指標值進行隸屬函數(shù)分析, 分別計算其隸屬函數(shù)值(表5), 如渝紅心薯98對于其單個的綜合指標CI1最大(3.87), 其隸屬函數(shù)值u(X1)最大, 等于1.00; 黔薯8號的CI1最小, 其隸屬函數(shù)值也為最小(0.00)． 由于這類綜合指標主要反映甘薯的光合作用, 說明在此綜合指標下, 渝紅心薯98光合能力最強, 反之, 黔薯8號光合能力最弱． 同理, 綜合指標CI2主要反映甘薯地上部生長, 渝薯17在地上部生長方面表現(xiàn)為最耐蔭, 南紫薯018則表現(xiàn)為不耐蔭． 以此類推, 渝薯17、 渝紫香10號和寧紫薯1號的隸屬函數(shù)值均為1.00, 分別為綜合指標CI3, CI4, CI5下最耐蔭的品種, 而渝薯15、 綿薯6號和渝薯33分別為綜合指標CI3, CI4, CI5下最不耐蔭的品種, 隸屬函數(shù)值均為0.00．

表5 各品種(系)的綜合指標值、 權(quán)重、 u(Xj)、 D值及綜合評價

2.3.3 權(quán)重的確定

根據(jù)各主成分的貢獻率計算各主成分的權(quán)重, 結(jié)果分別為36.82%,28.78%,14.46%,12.09%和7.86%．

2.3.4 綜合評價及聚類分析

根據(jù)各綜合指標的隸屬函數(shù)值及其權(quán)重計算出不同甘薯品種(系)的綜合評價D值(表5), 對各甘薯品種(系)所對應(yīng)的D值進行排序, 其中渝薯17的D值最大, 為0.78, 表明其耐蔭性最強; 綿薯6號的D值最小, 為0.25, 表明其耐蔭性最差． 采用歐氏距離離差平方和法對D值進行聚類分析(圖1), 將29個甘薯品種(系)分成3類, 渝薯17、 寧紫薯1號、 1386-4、 徐22、 渝薯38和渝紅心薯98歸為第Ⅰ類, 共6個品種(系), 耐蔭性最強, 其D值在0.63～0.78之間, 表明這些品種(系)綜合表現(xiàn)好, 對弱光脅迫適應(yīng)性強; 渝紫薯2號、 渝薯11、 渝薯2號、 龍薯9號、 渝薯6號、 1446-5、 渝紫薯153、 南薯88、 渝薯12、 渝薯198、 渝薯15、 川紫薯6號, 南紫薯018、 渝蘇162和13-3-19歸為第Ⅱ類, 共15個品種(系), 耐蔭性適中, 其D值在0.43～0.53之間, 此類品種綜合表現(xiàn)較好, 對弱光脅迫有較強的適應(yīng)性; 渝紫香10號、 萬薯7號、 渝薯50、 渝薯33、 黔薯8號、 渝紅心薯46、 渝薯4號和綿薯6號歸為第Ⅲ類, 共8個品種, 耐蔭性最弱, 其D值在0.25～0.40之間, 各品種綜合表現(xiàn)差, 對弱光脅迫敏感, 適應(yīng)性差．

圖1 29個甘薯品種(系)綜合評價值的聚類分析

2.4 不同評價方法與產(chǎn)量間的比較

不同甘薯品種(系)遮蔭后產(chǎn)量的變化是其耐蔭性強弱的直接表現(xiàn), 將不同評價方式的分類結(jié)果與產(chǎn)量減幅進行比較(表6), 結(jié)果顯示采用單項指標和綜合指標評價的各類別間平均產(chǎn)量減幅表現(xiàn)不同． 以莖干質(zhì)量評價的第Ⅱ類平均產(chǎn)量減幅顯著低于第Ⅰ類和第Ⅲ類, 第Ⅰ類平均產(chǎn)量減幅又顯著低于第Ⅲ類; 以凈光合速率評價的第Ⅰ類平均產(chǎn)量減幅稍低于第Ⅱ類, 差異無統(tǒng)計學(xué)意義, 第Ⅲ類平均產(chǎn)量減幅顯著高于第Ⅰ類和第Ⅱ類; 以非光化學(xué)猝滅系數(shù)評價的第Ⅰ類平均產(chǎn)量減幅顯著高于第Ⅱ類和第Ⅲ類, 但第Ⅱ類和第Ⅲ類平均產(chǎn)量減幅差異無統(tǒng)計學(xué)意義． 綜合指標評價的各類別間則存在一定的規(guī)律性, 即第Ⅰ類的平均產(chǎn)量減幅顯著低于第Ⅱ類和第Ⅲ類, 第Ⅱ類平均產(chǎn)量減幅顯著低于第Ⅲ類． 上述結(jié)果表明, 單項指標評價結(jié)果與產(chǎn)量減幅表現(xiàn)不一致, 而綜合指標評價的結(jié)果與產(chǎn)量減幅變化一致, 說明綜合評價結(jié)果與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度更高, 更加可靠．

表6 不同評價方法各分類材料的產(chǎn)量特征

3 討論與結(jié)論

在實際生產(chǎn)過程中, 間套作等復(fù)合種植模式下的高位作物會對低位作物產(chǎn)生蔭蔽作用, 形成弱光環(huán)境, 從而影響低位作物的植株形態(tài)、 產(chǎn)量及品質(zhì)形成等． 了解作物的耐蔭特性、 評價材料的耐蔭性強弱是研究作物耐蔭性相關(guān)機理的重要基礎(chǔ)[20], 對不同材料的比較、 篩選及促進作物在間套作模式下的推廣和應(yīng)用有重要意義[21]． 關(guān)于作物耐蔭性評價的研究很多, 但因作物不同、 目標不同、 評價指標與方法不同而存在較大差異． 李春紅等[8]在玉米-大豆帶狀復(fù)合種植下調(diào)查了大豆成熟期主莖高、 莖粗、 主莖節(jié)數(shù)、 分枝數(shù)、 底莢高度等14個單項指標, 武曉玲等[9]則調(diào)查大豆苗期葉柄干質(zhì)量、 莖干質(zhì)量、 凈光合速率、 氣孔導(dǎo)度、 胞間CO2濃度、 蒸騰速率和暗下最大熒光等24項指標, 均采用主成分分析、 隸屬函數(shù)分析等方法對不同大豆材料耐蔭性進行了綜合評價, 最終將其分為強耐蔭、 中度耐蔭和不耐蔭3類． 黃其椿等[22]采用綜合耐蔭系數(shù)評價大豆耐蔭性． 吳亞男[12]根據(jù)產(chǎn)量這一單項指標的耐蔭指數(shù)對玉米耐蔭性進行了評價, 通過聚類分析將其分為耐蔭和不耐蔭兩類． 本研究不僅對12個單項指標的耐蔭系數(shù)進行了評價, 同時在12個單項指標中選擇變異系數(shù)和相關(guān)系數(shù)較大的指標, 并對莖干質(zhì)量、 凈光合速率和非光化學(xué)猝滅系數(shù)耐蔭系數(shù)等進行單獨聚類; 與此同時, 對12個指標的耐蔭系數(shù)采用主成分分析、 隸屬函數(shù)分析等方法對耐蔭性進行綜合評價, 并對其綜合評價值做聚類分析． 結(jié)果表明, 通過不同單項指標聚類, 同一甘薯品種(系)所屬類別不同, 其分類結(jié)果與綜合評價結(jié)果也有所差別, 將單項指標聚類出的各類別和綜合指標聚類出的各類別與產(chǎn)量進行比較, 發(fā)現(xiàn)單項指標各類別間產(chǎn)量減幅存在一定差異, 只有綜合聚類的分類結(jié)果與平均產(chǎn)量減幅的規(guī)律一致, 這說明綜合評價方法的可靠性和準確性更高, 這與劉勛等[23]對馬鈴薯耐蔭性綜合評價時與平均產(chǎn)量減幅比較的結(jié)果一致． 與綜合評價方法相比, 盡管采用單項指標耐蔭系數(shù)單獨評價方便簡單, 但多個單項指標聚類的各類別與平均產(chǎn)量減幅變化不一致, 這說明甘薯耐蔭性是一個復(fù)雜的綜合性狀, 單項指標評價具有一定的片面性, 不能對甘薯耐蔭性進行全面、 準確的評價[24]．

綜上, 基于多個單項指標, 通過主成分分析和隸屬函數(shù)分析法, 對甘薯的耐蔭性進行評價并分類的結(jié)果更加可靠, 其耐蔭系數(shù)大小與不同甘薯品種在遮蔭條件下的產(chǎn)量減幅變化基本一致, 研究結(jié)果對于合理選擇間套作甘薯品種提供了理論依據(jù)．