37份菊花近緣種的抗旱性評(píng)價(jià)

周迎雪,李沛曈,蘇江碩,王海濱,房偉民,陳發(fā)棣,張飛

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部花卉生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方)/國(guó)家林業(yè)和草原局華東地區(qū)花卉生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/鐘山生物育種實(shí)驗(yàn)室/園藝學(xué)院,江蘇 南京 210095)

干旱是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的重要非生物逆境因子［1-2］。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球干旱、半干旱地區(qū)約占耕地面積的一半,生態(tài)環(huán)境惡化和人為因素導(dǎo)致干旱的發(fā)生地域面積和持續(xù)期也進(jìn)一步擴(kuò)大和延長(zhǎng),而人口的增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展對(duì)水的需求又成倍增加,干旱問(wèn)題已經(jīng)成為全世界關(guān)注的重要問(wèn)題［3-4］。

植物表型可塑性是植物通過(guò)表型變化來(lái)適應(yīng)環(huán)境的能力,是植物響應(yīng)環(huán)境變化的重要方式之一［5-6］。干旱條件下,植物生長(zhǎng)發(fā)育受到限制,植物可通過(guò)降低株高來(lái)縮短水分運(yùn)輸距離,限制葉面積來(lái)減少水分蒸騰,調(diào)控各組織器官生物量的配置,并將同化物分配至獲取水分器官等形態(tài)構(gòu)造調(diào)整和生長(zhǎng)速度變化來(lái)適應(yīng)環(huán)境水分的變化［7-10］。關(guān)鍵生理性狀的較高可塑性使得野生近緣物種抵御非生物脅迫的能力高于栽培品種,因?yàn)橐吧参镒钕冉佑|并適應(yīng)不良環(huán)境,因此表型可塑性在野生植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性方面尤為重要［11］。

我國(guó)是菊花近緣種屬野生資源的分布中心,擁有豐富的野生種質(zhì)資源。野生種質(zhì)資源常攜帶栽培物種缺乏的某些抗逆性,野生近緣種質(zhì)的優(yōu)異抗性資源的研究利用對(duì)菊花抗性遺傳改良具有重要意義［12-18］。因人為因素和氣候條件惡化導(dǎo)致植物生境退化,加上種群天然更新不良,使得菊花近緣種屬植物的研究與保護(hù)勢(shì)在必行。目前,菊花抗旱性的研究多集中在切花菊和栽培品種上,而關(guān)于菊花野生近緣種對(duì)環(huán)境因子水分脅迫的生態(tài)適應(yīng)性和抗旱性評(píng)價(jià)鮮有報(bào)道。因此,本研究調(diào)查了37份菊花近緣種在干旱脅迫下的形態(tài)變異和表型可塑性,并采用主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類(lèi)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià),探究菊花近緣種對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)制并挖掘抗旱材料,為菊花抗旱新品種培育提供重要親本材料。

1 材料與方法

1.1 研究材料

供試材料為37份菊花近緣種(表1),均保存于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)菊花種質(zhì)資源保存中心。

表1 供試的37份菊花近緣種Table 1 The 37 accessions of chrysanthemum related speices tested in this study

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019年5月至6月,對(duì)37份菊花近緣種進(jìn)行扦插繁殖,生根后定植于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鎖石花卉基地,常規(guī)大田管理。干旱脅迫試驗(yàn)于2019年6月至7月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)菊花種質(zhì)資源保存中心的玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行,溫度23～27 ℃,正常光照。采取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的健壯插穗,扦插生根后移栽于32孔深腳穴盤(pán)中(上口徑6 cm,高11 cm),基質(zhì)為蛭石和營(yíng)養(yǎng)土(體積比3∶1),正常澆水20 d,待長(zhǎng)至10葉齡時(shí)進(jìn)行分組試驗(yàn)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置處理組和對(duì)照組,均設(shè)置3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)6株。對(duì)處理組進(jìn)行自然干旱處理(不再澆水),對(duì)照組正常澆水。干旱處理13 d后觀察記錄萎蔫指數(shù),20 d后測(cè)量其他抗旱相關(guān)性狀。

1.3 各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 干旱萎蔫指數(shù)參照李丕睿［19］的方法,采用5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)干旱脅迫處理組的萎蔫情況進(jìn)行觀察記錄(圖1)。1級(jí):植株挺直,葉片自然生長(zhǎng),未出現(xiàn)萎蔫;2級(jí):植株保持挺直,基層葉片發(fā)軟下垂,中上層葉片正常生長(zhǎng);3級(jí):植株頂端稍有彎曲,中下層葉片有皺縮情況出現(xiàn);4級(jí):植株頂端萎蔫彎曲,所有葉片均呈現(xiàn)不同程度的皺縮下垂,部分葉片發(fā)黃或發(fā)黑;5級(jí):植株萎蔫嚴(yán)重,所有葉片發(fā)黃或發(fā)黑并且伴隨明顯皺縮。當(dāng)有株系開(kāi)始出現(xiàn)萎蔫時(shí)(干旱處理13 d后)進(jìn)行第一次萎蔫指數(shù)評(píng)價(jià),之后每隔2 d進(jìn)行萎蔫指數(shù)評(píng)價(jià),共打分4次,最后取平均值作為每份材料的萎蔫指數(shù)。

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)干旱脅迫處理20 d后,用標(biāo)準(zhǔn)直尺測(cè)量株高(plant height,PH)和根長(zhǎng)(root length,RL),株高為植株基部至植株頂端的高度,根長(zhǎng)為主根的長(zhǎng)度。利用電子天平稱(chēng)量地上部鮮重(shoot fresh weight,SFW)和地下部鮮重(root fresh weight,RFW)。烘干至恒重后稱(chēng)量地上部干重(shoot dry weight,SDW)和地下部干重(root dry weight,RDW)。計(jì)算鮮重根冠比(fresh root/shoot ratio,FRSR)和干重根冠比(dry root/shoot ratio,DRSR)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2007、SPSS 26.0和R 3.3.3軟件計(jì)算干旱脅迫指數(shù)和表型可塑性指數(shù),并進(jìn)行主成分分析。提取前2個(gè)主成分進(jìn)行隸屬函數(shù)值分析,根據(jù)抗旱性綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行層次聚類(lèi),將材料分成4種不同抗旱類(lèi)型。公式如下:

干旱脅迫指數(shù)=處理測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值

(1)

表型可塑性指數(shù)=(最大干旱脅迫指數(shù)-最小干旱脅迫指數(shù))/最大干旱脅迫指數(shù)

(2)

U(Xij)=(Xij-Xi,min)/(Xi,max-Xj,min),i=1,2,…,n

(3)

式中:U表示隸屬函數(shù)值;Xij表示第j個(gè)材料第i個(gè)主成分值;Xi,min表示第i個(gè)主成分的最小值;Xi,max表示第i個(gè)主成分的最大值。

(4)

式中:wi表示第i個(gè)主成分的重要程度即權(quán)重;pi代表第i個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

(5)

式中:D值為第i個(gè)菊花近緣種在干旱脅迫條件下的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)37份菊花近緣種生長(zhǎng)性狀的影響

對(duì)干旱和對(duì)照條件下的37份菊花近緣種的形態(tài)及生長(zhǎng)性狀相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果(圖2)顯示,9個(gè)干旱相關(guān)指標(biāo)在處理組與對(duì)照組之間存在極顯著差異。干旱脅迫下,植株地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、根長(zhǎng)和株高均極顯著降低(P<0.01),地下部干重、萎蔫指數(shù)、鮮重根冠比和干重根冠比極顯著增加。不同材料干旱組和對(duì)照組的連線可以指示各個(gè)指標(biāo)受干旱影響的程度,斜率的絕對(duì)值越大則說(shuō)明材料受干旱影響越大,37份材料受干旱影響的程度不同。

2.2 干旱脅迫指數(shù)和表型可塑性

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到9個(gè)抗旱相關(guān)性狀的干旱脅迫指數(shù)(表2)。其中,地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、株高和根長(zhǎng)的干旱脅迫指數(shù)均小于1,地下部干重、萎蔫指數(shù)、鮮重根冠比和干重根冠比的干旱脅迫指數(shù)均大于1。各指標(biāo)干旱脅迫指數(shù)變異豐富,變異系數(shù)范圍為12.79%～72.00%。其中,根長(zhǎng)的干旱脅迫指數(shù)變異系數(shù)最小,地上部鮮重的干旱脅迫指數(shù)變異系數(shù)最大。

表2 菊花近緣種形態(tài)指標(biāo)的干旱脅迫指數(shù)和表型可塑性指數(shù)(PPI)Table 2 Drought stress index and phenotypic plasticity index(PPI)of morphological indicators of chrysanthemum related species

為了確定37份菊花近緣種在干旱脅迫下不同性狀的表型可塑性大小,根據(jù)公式(2)計(jì)算性狀的表型可塑性指數(shù)(表2)。除了根長(zhǎng)的表型可塑性指數(shù)(0.372)相對(duì)較低之外,其他指標(biāo)的表型可塑性指數(shù)相對(duì)較高,為0.735～0.903,其中,地上部鮮重和鮮重根冠比的表型可塑性最大。從各項(xiàng)指標(biāo)的表型可塑性指數(shù)來(lái)看,菊花近緣種植物的干旱適應(yīng)能力較強(qiáng),可以很好地適應(yīng)環(huán)境水分的變化。

2.3 干旱脅迫指數(shù)之間的相關(guān)分析和偏相關(guān)分析

9個(gè)抗旱性狀干旱脅迫指數(shù)的相關(guān)分析和偏相關(guān)分析結(jié)果如表3所示,各性狀的干旱脅迫指數(shù)之間存在不同程度的相關(guān)性。相關(guān)分析表明:地上部鮮重與地下部鮮重、地上部干重和株高呈極顯著正相關(guān),與萎蔫指數(shù)、鮮重根冠比、干重根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān);地下部鮮重與地上部干重、地下部干重和根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān);地上部干重與株高呈極顯著正相關(guān),與萎蔫指數(shù)、鮮重根冠比和干重根冠比呈顯著負(fù)相關(guān);地下部干重與株高呈顯著負(fù)相關(guān),與根長(zhǎng)、鮮重根冠比和干重根冠比呈極顯著正相關(guān);株高與萎蔫指數(shù)、鮮重根冠比和干重根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān);萎蔫指數(shù)與鮮重根冠比和干重根冠比呈極顯著正相關(guān);鮮重根冠比與干重根冠比呈極顯著正相關(guān)。

表3 菊花近緣種抗旱脅迫指數(shù)的相關(guān)分析和偏相關(guān)分析Table 3 Correlation and partial correlation analyses of drought resistance index of chrysanthemum related species

偏相關(guān)分析表明:地上部鮮重與地下部鮮重、地上部干重和干重根冠比呈極顯著正相關(guān),與地下部干重、萎蔫指數(shù)和鮮重根冠比呈顯著負(fù)相關(guān);地下部鮮重與地下部干重、萎蔫指數(shù)和鮮重根冠比呈顯著正相關(guān),與干重根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān);地上部干重與地下部干重和萎蔫指數(shù)呈顯著正相關(guān),與干重根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān);地下部干重與干重根冠比呈極顯著正相關(guān),與鮮重根冠比呈顯著負(fù)相關(guān);鮮重根冠比與干重根冠比呈極顯著正相關(guān)。相關(guān)分析和偏相關(guān)分析結(jié)果基本一致,因?yàn)槠嚓P(guān)分析固定了其他性狀,所以2個(gè)性狀之間的偏相關(guān)系數(shù)小于相關(guān)系數(shù)。

2.4 9個(gè)干旱脅迫指數(shù)的主成分分析

為降低數(shù)據(jù)的冗余性,以較少的主成分替代原始指標(biāo),對(duì)9個(gè)性狀的干旱脅迫指數(shù)進(jìn)行主成分分析。根據(jù)特征值大于1的原則,提取出2個(gè)主成分,將原來(lái)的9個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成2個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)(PC1和PC2)。各主成分因子的特征值、對(duì)原始指標(biāo)的載荷矩陣和對(duì)表型的貢獻(xiàn)率如表4所示。PC1和PC2因子的貢獻(xiàn)率分別為52.20%和28.16%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到80.36%。其中,PC1主要與地上部生物量、株高、根冠比等密切相關(guān),PC2主要與地下部生物量和根長(zhǎng)等密切相關(guān)。

表4 前2個(gè)主成分的特征值及特征向量Table 4 Eigen values and eigenvectors of the first two principal components

2.5 37份菊花近緣種的抗旱性綜合評(píng)價(jià)

基于抗旱相關(guān)性狀的主成分分析結(jié)果,利用公式(3)計(jì)算2個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值(表5)。根據(jù)主成分因子的貢獻(xiàn)率大小,利用公式(4)計(jì)算2個(gè)主成分因子的權(quán)重,分別為0.649 6和0.350 4。得到綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值和權(quán)重后,利用公式(5)計(jì)算菊花近緣種植物抗旱性綜合評(píng)價(jià)值D值。根據(jù)D值大小對(duì)37份材料的抗旱能力大小進(jìn)行排序(表5),其中云臺(tái)山野菊、伏牛山毛華菊、毛華菊、薩摩野菊和泡黃金菊的綜合抗旱性位于前5名,野路菊、四倍體菊花腦、南京野菊、二倍體菊花腦和南昌野菊的抗旱性位于后5名。

表5 2個(gè)主因子的隸屬函數(shù)值和抗旱性綜合評(píng)價(jià)D值排序Table 5 Membership function values of two main factors and D-value rank of drought tolerance

根據(jù)最短距離法對(duì)抗旱性綜合評(píng)價(jià)D值進(jìn)行聚類(lèi)分析,將37份菊花近緣種劃分為4個(gè)抗旱類(lèi)型(圖3)。第Ⅰ類(lèi)為強(qiáng)抗旱類(lèi)型,包括云臺(tái)山野菊、伏牛山野菊、毛華菊和薩摩野菊,平均D值為0.80;第Ⅱ類(lèi)為抗旱類(lèi)型,包括泡黃金菊Z(yǔ)B2、那賀川野菊Z(yǔ)B7和神農(nóng)架野菊等10份材料,平均D值為0.54;第Ⅲ類(lèi)為低抗旱類(lèi)型,包括徐州野菊、陜西野菊和湯山野菊等9份材料,平均D值為0.42;第Ⅳ類(lèi)為不抗旱類(lèi)型,包括南京野菊、二倍體菊花腦和南昌野菊等14份材料,平均D值為0.26。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),4種抗旱類(lèi)型的D值之間存在顯著差異(圖4),說(shuō)明不同抗旱類(lèi)型種質(zhì)之間的抗旱性有顯著差異。

圖3 37份菊花近緣種基于D值的聚類(lèi)圖Fig.3 Cluster diagram based on D-value of 37 accessions of chrysanthemum related species

圖4 不同抗旱類(lèi)型的D值箱線圖Fig.4 Boxplot of D-value of different drought resistance types*P<0.05,****P<0.000 1.

3 討論

干旱是影響植物生長(zhǎng)最主要的非生物逆境之一,干旱現(xiàn)象隨著全球氣溫升高和降雨減少越來(lái)越嚴(yán)重,減少干旱對(duì)作物生產(chǎn)造成損失最有效的途徑是選育和推廣耐旱品種［20-21］。因此,充分發(fā)掘抗旱種質(zhì)、選育抗旱優(yōu)良品種是目前國(guó)內(nèi)外育種的重要目標(biāo)。

植物的抗旱性在不同的植物種類(lèi)、生長(zhǎng)時(shí)期、脅迫時(shí)間有所不同,研究表明植物苗期能夠快速響應(yīng)環(huán)境變化［2,10］,如減少葉面積、降低植株高度、調(diào)配地上部和地下部生物量、促進(jìn)光合產(chǎn)物向根系遷移等［22-25］。植物能通過(guò)改變其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理變化來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性,從而保持自身的正常生理生化活動(dòng)［26-27］。在這個(gè)過(guò)程中,表型可塑性起了至關(guān)重要的作用,植物的表型可塑性與環(huán)境適應(yīng)能力具有較強(qiáng)的相關(guān)性［28］。表型可塑性可以使植物產(chǎn)生適應(yīng)性變異,對(duì)植物近緣種屬的適應(yīng)性研究可為作物多樣性育種提供參考依據(jù)［8］。本研究對(duì)37份菊花近緣種進(jìn)行干旱脅迫,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫顯著降低植株地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、根長(zhǎng)和株高,而顯著增加地下部干重、萎蔫指數(shù)、鮮重根冠比和干重根冠比。除了根長(zhǎng)外,其余8個(gè)指標(biāo)的抗旱脅迫指數(shù)均具有較大的表型可塑性,說(shuō)明菊花近緣種通過(guò)抑制植株生長(zhǎng)、減少地上部生物量投入、增大根冠比來(lái)保持較高的根系吸水能力和減少蒸發(fā),進(jìn)而維持較高的光合面積和光合速率,緩解干旱對(duì)生長(zhǎng)的抑制。本研究發(fā)現(xiàn),干旱處理對(duì)37份菊花近緣種的生物量有顯著的抑制作用,且對(duì)地上部分的抑制作用大于地下部分,導(dǎo)致根冠比顯著增大,即將更多的生物量分配給地下部分,從而有利于水分吸收,增強(qiáng)植株抵御干旱脅迫的能力。

植物抗旱性鑒定需要選擇合適的鑒定指標(biāo),指標(biāo)的選擇與植物種類(lèi)和鑒定時(shí)期等有關(guān)。不同植物的抗旱機(jī)制有一定的區(qū)別,各指標(biāo)在不同鑒定時(shí)期的表現(xiàn)也存在一定差異［2,29］。因此,利用單個(gè)指標(biāo)來(lái)鑒定不同植物的抗旱性具有一定的局限性。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者以不同作物為研究對(duì)象,從不同角度提出了相對(duì)更加全面的抗旱性鑒定方法,普遍認(rèn)為采用多指標(biāo)多方法相結(jié)合的方式評(píng)價(jià)植物抗旱性更科學(xué)、客觀,其中各指標(biāo)權(quán)重和綜合評(píng)價(jià)是抗旱評(píng)價(jià)的關(guān)鍵［30］。Melandri等［29］利用主成分分析法研究水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期的代謝產(chǎn)物、離子含量、抗氧化酶含量關(guān)系,確定了抗旱水稻品種中受干旱誘導(dǎo)的葉片代謝和氧化應(yīng)激反應(yīng)與敏感基因型具有不同的干旱適應(yīng)機(jī)制;Panda等［31］從生理、抗氧化系統(tǒng)和代謝組學(xué)等層面,利用多個(gè)指標(biāo)結(jié)合的方法全面揭示了鹽生植物Haloxylonsalicornicum的抗旱機(jī)制。隸屬度函數(shù)值評(píng)估方法以主成分分析為基礎(chǔ),將有重疊的信息指標(biāo)簡(jiǎn)化成綜合指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)估抗旱性,更加科學(xué)、合理。本研究利用主成分分析將干旱脅迫下萎蔫指數(shù)、株高、根長(zhǎng)、地下部鮮重、地下部干重、地上部鮮重、地上部干重、鮮重根冠比和干重根冠比9個(gè)抗旱相關(guān)性狀的抗旱指數(shù)轉(zhuǎn)化為2個(gè)主成分因子(PC1、PC2),累積貢獻(xiàn)率達(dá)到80.36%;基于主成分分析和隸屬函數(shù)分析計(jì)算出37份菊花近緣種的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值(D值),并對(duì)其抗旱性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)和聚類(lèi)分析。

挖掘優(yōu)異抗旱種質(zhì)是抗旱育種工作的重要內(nèi)容,不同地理環(huán)境分布的自然種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性,是培育具有目標(biāo)性狀品種的理想親本材料［32-33］。Budak等［34］認(rèn)為小麥的遺傳多樣性在馴化過(guò)程中受到限制,導(dǎo)致適應(yīng)人工環(huán)境的栽培物種失去對(duì)干旱脅迫的耐受能力,通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將野生二粒小麥的優(yōu)良抗旱基因轉(zhuǎn)入栽培品種,提高該品種的抗旱性。Paudel等［11］發(fā)現(xiàn)野生梨品種在干旱條件下的表現(xiàn)優(yōu)于本地栽培梨品種,對(duì)李屬的2個(gè)栽培種和野生種的抗旱性進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)野生種的抗旱性?xún)?yōu)于栽培品種。菊花近緣種屬植物資源的挖掘利用是菊花遺傳改良的重要內(nèi)容。顧菁［35］以菊屬2個(gè)野生種(野路菊和菊花腦)為試材,從表型及多種生理代謝和蛋白質(zhì)組學(xué)角度揭示了干旱脅迫下兩者的干旱脅迫響應(yīng)差異。湯肖瑋等［36］對(duì)54 份茶用菊苗期抗旱性和耐澇性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出7份抗旱種質(zhì)。本研究評(píng)價(jià)了37份菊花近緣種的抗旱性,根據(jù)抗旱能力綜合評(píng)價(jià)D值將供試材料劃分為強(qiáng)抗旱、抗旱、低抗旱和不抗旱4種類(lèi)型,且不同類(lèi)型之間抗旱能力差異顯著。其中,云臺(tái)山野菊、伏牛山野菊、毛華菊和薩摩野菊等強(qiáng)抗旱種質(zhì)將為今后菊花抗旱性遺傳改良研究奠定重要材料基礎(chǔ)。