灌溉与干旱条件下甘蔗工农艺性状的相关性分析与品种抗旱性评价

赵俊，白亚东，赵兴东，杨丽华，卢顺才，李秀梅，马云飞，李梅会，王少河，范源洪

(1.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远 661699；2.云南省甘蔗遗传改良重点试验室，云南 开远 661699；3.云南省元江县经济作物工作站，云南 元江 653300)

灌溉与干旱条件下甘蔗工农艺性状的相关性分析与品种抗旱性评价

赵俊1,2，白亚东3，赵兴东3，杨丽华3，卢顺才3，李秀梅3，马云飞3，李梅会3，王少河3，范源洪2*

(1.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远 661699；2.云南省甘蔗遗传改良重点试验室，云南 开远 661699；3.云南省元江县经济作物工作站，云南 元江 653300)

以8个云蔗(CYZ06–407、CYZ05–226、CYZ04–622、CYZ04–724、CYZ03–258、CYZ03–103、CYZ02–588、CYZ01–1413)，3个新台糖系列(ROC22、ROC16、ROC10)，2个粤糖系列(CYT93–159、CYT00–236)，1个桂糖品种(CGT11)，1个古巴引进品种(C266–70)等甘蔗品种为材料，设自然降雨(干旱)、正常灌水(灌溉)2个处理，通过测定蔗产量、株高、茎径、单茎重、有效茎、糖产量、蔗糖分、锤度、简纯度、纤维分10个工、农艺性状指标，采用抗旱指数(DRI)、相关分析、主成分分析和聚类分析方法，研究干旱、灌溉条件下甘蔗工、农艺性状间的相关性，并对参试品种的抗旱性、抗旱类型进行综合评价与划分。结果表明：干旱、灌溉条件下，糖产量与蔗产量、有效茎呈极显著正相关，与单茎重呈显著正相关；干旱条件下，糖产量与株高呈极显著正相关；灌溉条件下，糖产量与蔗糖分呈极显著正相关，与纤维分呈极显著负相关；参试品种10个工、农艺性状抗旱指数的主成分析将10个指标简化为产量因子、糖分因子、单株因子和品质因子4个主成分，累计贡献率为86.287%；基于主成分分析结果，对参试品种抗旱性进行聚类分析，将其划分为5个类群，C266–70抗旱性突出，CYZ03–258、CYZ04–622抗旱性强，ROC22、CGT11抗旱性较强，CYT00–236、CYZ03–103、CYZ04–724、CYZ02–588、CYZ05–226、ROC16抗旱性中等，CYZ01–1413、CYT93–159、CYZ06–407、ROC10抗旱性较弱。

甘蔗；抗旱性；抗旱指数；相关分析；主成分分析；聚类分析

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干旱是影响农作物产量和品质的一个重要逆境因子，其对农业造成的损失在所有非生物胁迫中占首位[1]。甘蔗是中国主要糖料作物，蔗糖产量占中国食糖总产的90%以上[2]。水是甘蔗生产极其重要的因素，约30%的甘蔗产量取决于合适的水分供应[3]。近年来，中国甘蔗生产逐渐向缺水无灌溉条件的山地、旱坡地发展，旱地甘蔗种植面积约占甘蔗种植总面积的80%左右[4–6]。开展甘蔗抗旱性研究，培育筛选抗旱性强、高产、稳产的甘蔗新品种，增强旱地甘蔗水分利用效率，提高甘蔗单产，已成为甘蔗育种、蔗糖产业发展的重要内容。

作物抗旱性是一个受多基因控制，与外界环境息息相关的，复杂的数量性状[7–9]。国内外很多学者从质膜透性、丙二醛含量、株高伤害率、叶片保水率、叶片相对含水量、净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度等生理生化指标[10–12]、光合指标[13–14]对甘蔗抗旱性鉴定指标选择与评价方法进行了研究。王尊欣等[15]，兰靖等[16]采用模糊隶属度函数、主成分分析、系统聚类等统计分析方法对甘蔗的形态指标及生理指标进行综合分析，并用于甘蔗品种抗旱性评价。作物对干旱的适应性、抗逆性最终要体现在产量上，干旱胁迫下产量和减产程度是抗旱性评价的重要指标，能直接反映品种的经济性能，为甘蔗抗旱育种提供简单直观的选择依据[17]，因此，本研究在田间自然条件下，从与蔗糖产量密切相关的糖产量、蔗产量、单茎重、株高、蔗糖分等10个工、农艺性状入手，研究干旱、灌溉条件下各性状指标间的相互制约与协同关系，以10个工、农艺性状抗旱指数(drought resistant index，DRI)作为抗旱性鉴定主要参数，结合主成分聚类分析方法，对甘蔗品种抗旱性、抗旱类型进行综合评价与划分，以期为抗旱甘蔗品种选育及生产应用提供参考。

1 试验区概况

试验在云南省玉溪市元江县进行。元江县位于云南省中南部，地处低纬高原的红河流域，平均气温23.8 ℃，终年无霜，年均降水量788 mm，年降水量少，蒸发量大，冬春干旱风大，夏秋多雨湿润，干湿季明显。采用Vantage Pro2电子气象站对试验区降水量进行监测。2013年2月至2014年2月试验区甘蔗全生育期降水量468.8 mm，降水主要集中在2013年5—9月，5—9月每月的降水量分别为69.8、98.6、86.0、133.2和72.0 mm。

2 材料与方法

2.1 材料

云蔗系列品种8个：CYZ06–407、CYZ05–226、CYZ04–622、CYZ04–724、CYZ03–258、CYZ03–103、CYZ02–588、CYZ01–1413。粤糖系列品种2个：CYT93–159、CYT00–236。桂糖系列品种(CGT11)、古巴引进品种(C266–70)各1个。以抗旱性较强的ROC22、抗旱性一般的ROC16、抗旱性较弱的ROC10作为对照品种。参试品种均由国家农作物种质资源平台提供。

主要仪器设备：Vantage Pro2电子气象站(Davis Instruments公司，美国)；N-1a手持折射计(ATAGO公司，日本)；AUTOP880旋光仪(Rudolph公司，美国)；TJ-305压榨机(潮州市农机厂，中国)；CS1014烘箱(重庆试验设备厂，中国)。

2.2 试验设计

试验于2013—2014年进行，设自然干旱、灌溉2个处理，分别以Ya和Ym表示。小区面积32 m2，4行区，行长8 m，行距1 m。3次重复。下芽量为60 000双芽/hm2。干旱处理在自然条件下生长，自然降水是干旱处理水分的唯一补水来源。灌溉处理在2013年2— 4月干旱季节遇旱灌水，分别于2月5日、3月20日、4月27日进行灌水处理，5月自然降雨来临后停止灌水。常规管理。

2.3 测定项目与方法

2.3.1 甘蔗工、农艺性状指标的测定

于2013年12月甘蔗成熟后，每个甘蔗品种随机选择10株，测量株高、茎径及锤度；选取各小区中间2行调查甘蔗有效茎数，测算单位面积有效茎数；每小区随机取蔗茎3根测单茎重，并采用一次旋光法检测蔗糖分、简纯度、纤维分；于2014年2月甘蔗收砍，对各小区进行实收甘蔗测产，算单位面积蔗产量。甘蔗品质(蔗糖分、简纯度、纤维分等)由云南省农业科学院甘蔗研究所检测中心测定。单位面积糖产量为单位面积的蔗产量与蔗糖分之积。

2.3.2 抗旱指数的估算

参照文献[18–20]的方法，对与蔗糖产量关系密切的蔗产量、株高、茎径、有效茎、单茎重、糖产量、锤度、蔗糖分、简纯度、纤维分共10个工、农艺指标进行抗旱指数估算，用于参试品种抗旱性评价及抗旱类型划分。各性状的抗旱系数(DC)为干旱处理下相应性状的值与灌溉处理下相应性状的值之比；各性状的抗旱指数(DRI)为干旱处理下相应性状的值与相应性状的抗旱系数之积与干旱处理下参试品种相应性状的平均值之比。

2.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003对原始数据进行处理，分别对干旱、灌溉条件下各性状平均值、差值等进行计算，对参试品种各性状抗旱指数进行估算；利用SPSS 18.0分析软件对锤度、蔗糖分、简纯度、纤维分4个指标数据进行反正弦转换后，分别对灌溉、干旱条件下10个性状指标进行相关分析；以10个工、农艺性状抗旱指数为参数进行主成分分析，根据主成分得分，采用NTSYSPC 2.1和非加权配对算术平均法(UPGMA)对参试品种进行系统聚类分析。

3 结果与分析

3.1 干旱、灌溉处理下供试甘蔗品种的工、农艺性状分析

从农艺性状及其差值表(表1)可以看出，2个处理之间茎径、有效茎2个性状的差异无统计学意义，2个处理的蔗产量、株高、单茎重3个性状的差异达极显著水平，其中，干旱处理的株高比灌溉处理的株高矮75 cm。参试品种中，蔗产量差值最小的品种是CYZ04–724，其次为CYZ03–258，差值最大的品种为C266–70；株高差值最大的品种是CYZ04–622，其次CYZ03–258、ROC16；单茎重差值最小的品种是ROC22、CYZ05–226，差值最大的品种是CYZ03–258。

表1 供试材料干旱、灌溉处理下的农艺性状及其差值Table 1 The differences of agronomic traits in 15 sugarcane varieties under drought and irrigated conditions

表1(续)

从2个处理的工艺性状及其差值表(表2)可以看出，糖产量、蔗糖分、锤度、简纯度、纤维分5个工艺性状处理间差异极显著。2个处理间的庶糖分除ROC16品种外，其余品种均表现为灌溉处理的高于干旱处理的；参试品种中，糖产量差值最小的品种是CYZ04–724，其次为CYZ03–258、CYZ04–622；锤度差值最小的品种是CYZ05–226，差值最大的品种是ROC10；简纯度差值最小的品种是CYZ05–226，其次是CYZ06–407。

表2 供试材料干旱、灌溉处理下的工艺性状及其差值Table 2 The differences of quality traits in 15 sugarcane varieties under drought and irrigated conditions

3.2 干旱、灌溉处理下工、农艺性状的相关性分析

干旱、灌溉处理10个工、农艺性状相关分析(表3)表明：干旱处理的糖产量分别与蔗产量、株高、有效茎3个性状呈极显著正相关，相关系数值分别为0.932、0.448、0.475，糖产量与单茎重呈显著正相关，相关系数为0.345；蔗糖分与锤度、简纯度呈极显著正相关，相关系数分别为0.866、0.603；株高、茎径、有效茎是甘蔗产量构成最直观的3个因素，干旱条件下，蔗产量与株高、单茎重、有效茎3个性状呈极显著正相关，相关系数分别为0.592、0.409、0.406。单茎重分别与株高、茎径呈极显著正相关，相关系数分别为0.718、0.445。

灌溉处理下糖产量与蔗产量、有效茎2个性状呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.950、0.560；糖产量与单茎重、蔗糖分2个性状呈显著正相关，与纤维分呈显著负相关。蔗产量分别与有效茎、单茎重、株高3个性状呈极显著正相关，相关系数分别为0.539、0.429、0.381。单茎重与株高呈极显著正相关，与茎径呈显著正相关。蔗糖分与锤度、简纯度呈极显著正相关，相关系数分别为0.865、0.493；与纤维分呈极显著负相关，相关系数为–0.464。

表3 干旱、灌溉处理下工、农艺性状间的相关系数Table 3 The correlation of 10 agronomic and quality traits under drought and irrigation conditions

3.3 供试甘蔗工、农艺性状的抗旱指数分析

参试品种10个工、农艺性状的抗旱指数结果(表4)表明，10个考察性状抗旱指数由高到低依次为有效茎、蔗产量、糖产量、单茎重、株高、纤维分、茎径、蔗糖分、锤度、简纯度，其中，有效茎、蔗产量、糖产量、单茎重、株高5个性状指标变异系数较大，为19.929%～34.174%，说明不同品种不同性状间的抗旱性存在明显差异，如CYZ03–258的蔗产量、糖产量抗旱性最强，抗旱指数分别达1.038、0.818，ROC10蔗产量及糖产量的抗旱性最弱，抗旱指数仅为0.359、0.298；株高抗旱指数最大的品种为C266–70，最小的品种为CYZ01–1413；茎重抗旱指数最大的品种是ROC22，最小的品种是CYZ02–588；有效茎抗旱指数最大的品种为CYZ02–588，最小的品种为CGT11。简纯度、锤度、蔗糖分抗旱指数的变异系数较小，抗旱指数分别为0.835～1.113、0.786～1.069、0.883～1.041。

表4 15个品种10个工、农艺性状的抗旱指数(DRI)Table 4 The drought resistant index(DRI) of 10 agronomic and quality traits in 15 sugarcane varieties

3.4 10个工、农艺性状的主成分分析

相同性状不同品种间的抗旱性存在差异，同一品种不同性状间抗旱性表现也并不相同，若仅采用蔗产量或糖产量等某单一性状对品种抗旱性进行评价，则不能准确评价出各个参试甘蔗品种的抗旱性，因此，本试验以15个参试品种10个工、农艺性状抗旱指数为参数进行主成分分析，按特征根大于1作为纳入标准[21–22]，提取前4个主成分作进一步分析，即产量因子、糖分因子、单株因子与品质因子，4个主成分分别反映了全部信息的32.458%、24.441%、17.848%和11.540%，累计贡献率为86.287%(表5)。

表5 主成分载荷矩阵及方差贡献率Table 5 The factor loading matrix of principal component and cumulative contribution rate

3.5 供试甘蔗品种抗旱性的聚类分析

基于主成分分析结果，以参试品种前4个主成分得分为指标，采用非加权配对算术平均法(UPGMA)进行聚类(图1)，将1参试品种在欧氏距离为2.250处划分5类，其中Ⅰ类抗旱型1个，Ⅱ类抗旱型2个，Ⅲ类抗旱型2个，Ⅳ类抗旱型6个，Ⅴ类抗旱型4个。

从图1、表4可以看出，C266–70抗旱类型自成一类，其株高、单茎重、蔗产量、糖产量4个产量性状抗旱指数较大，分别排第1、2、5、7位，说明该品种干旱、灌溉条件下，产量性状、单株性状得到较好兼顾，抗旱性能突出；Ⅱ类包含2个品种(CYZ03–258、CYZ04–622)，其蔗产量、糖产量、株高性状的抗旱表现优良，单茎重、茎径性状的抗旱表现一般，抗旱性综合表现强；Ⅲ类(ROC22和CGT11号)，表现为单株性状如株高、茎径、单茎重等性状抗旱性能突出，抗旱指数较高，但糖产量、蔗产量的抗旱性表现一般，抗旱性综合表现较强；Ⅳ类包括6个品种(CYT00–236、CYZ03–103、CYZ04–724、CYZ02–588、CYZ05–226与ROC16)，其糖产量、蔗产量、单茎重、株高等性状抗旱指数处于中间水平，抗旱性能综合表现一般；V类包括4个品种(CYZ01–1413、CYZ06–407、CYT93–159与ROC10)，其蔗产量、糖产量、株高抗旱指数处于中下水平，抗旱性能较弱。

图1 15个甘蔗品种抗旱性的聚类结果Fig.1 System clustering graph of 15 sugarcane varieties on drought resistance

4 结论与讨论

株高、茎径是反映甘蔗生长状态的重要因子，充裕的水分可促进甘蔗植株的生长[23–24]。韦汉文等认为，甘蔗苗期干旱的影响效应具有后续性，干旱对甘蔗株高的影响比茎径更大[25]；黎焕光等[26]研究发现甘蔗成熟期蔗地灌水会导致甘蔗糖分明显下降；陆国盈等[27]，韩世健等[28]研究认为甘蔗伸长期受旱不仅会导致蔗株变矮，产量降低，还会导致甘蔗工艺品质变劣，蔗糖分降低。本研究中，干旱胁迫蔗、糖产量减产显著，单茎重明显下降，而株高变矮是单茎重下降、甘蔗减产的重要因素，与对另一产量形成因素茎径的影响相比，干旱对株高的影响程度更大，但是品种间差别较大；其次，由于苗期受旱，加之苗期干旱影响的后续效应，干旱处理出苗慢，苗期进入伸长期所需时间较长，雨季来临后甘蔗伸长期利用自然降雨的时效性与灌溉处理相比较短，抑制了甘蔗的生长与成熟，甘蔗品质变差，从而导致干旱处理蔗糖分低于灌溉处理。

株高、茎径、单茎重、有效茎、蔗糖分是影响蔗、糖产量的重要指标，与品种的蔗、糖产量高低关系密切[21–22]。本研究结果表明，干旱、灌溉条件下性状间的关联性存在差异。干旱条件下，糖产量与蔗产量、有效茎、单茎重之间的相关性与灌溉条件下相同，呈极显著或显著正相关关系；干旱条件下，糖产量与株高呈极显著正相关关系，而灌溉条件下其相关性不显著；干旱条件下，糖产量与纤维分、蔗糖分相关性不显著，而灌溉条件下分别表现为显著负相关、显著正相关；蔗糖分与纤维分在灌溉条件下呈极显著负相关，干旱条件下相关性不显著。性状间的相关系数反映了性状间的关联性，蔗、糖产量与其他性状关联大小可指导品种选育。不同甘蔗品种产量性状在灌溉、干旱条件下差异较大，抗旱指数也存在明显差异，说明不同品种抗旱性不同，不同性状间的相关性在灌溉和干旱条件下也有差别，甘蔗抗旱育种要在蔗、糖产量高的同时还要选择稳产性好的品种。在选择过程中要选择灌溉、干旱条件下产量性状差异小，抗旱指数大的品种，同时注意对甘蔗株高指标的评价，筛选株高适中或较高、抗倒性好的品种。

甘蔗抗旱性是一个受多因素影响、复杂的数量性状，不同基因型甘蔗品种对干旱的敏感程度、体内生理差异，表现出的抗逆性不同，抗旱性评价指标较多，各指标在抗旱性评价中的作用、重要性亦不同[10–17]。抗旱指数是衡量干旱胁迫下产量变幅的基础上考虑旱地产量，可直接应用于生产的抗旱性鉴定指标[18–20]，是评价品种抗旱性同时兼顾丰产性的重要指标。大量研究表明，用单一指标评价作物抗旱性存在片面性，难以全面准确反映品种抗旱性强弱[13–17,29–32]。本研究基于甘蔗品种的蔗产量、糖产量、株高、茎径、有效茎、单茎重、锤度、蔗糖分、简纯度、纤维分等性状抗旱指数，采用主成分分析、聚类分析方法对甘蔗品种抗旱性进行综合评价与抗旱类型划分，不仅能消除单一指标评价的片面性，在考虑各指标间内在联系的同时克服了信息的重叠与指标的相关性，使各品种间抗旱性的差异具有可比性，评价结果合理可靠。

本研究运用主成分分析方法将糖产量、蔗产量、株高、茎径、蔗糖分等10个抗旱指标归纳为4个主成分，基于主成分分析结果，对15个参试品种抗旱性进行聚类分析，将其划分为5个抗旱类群，其中C266–70抗旱性突出，CYZ03–258、CYZ04–622抗旱性强，ROC22、CGT11抗旱性较强，CYT00–236、CYZ03–103、CYZ04–724、CYZ02–588、CYZ05–226、ROC16抗旱性中等，CYZ01–1413、CYT93–159、CYZ06–407、ROC10抗旱性较弱。

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[31] 经艳芬，董立华，孙有芳，等．云南不同生态型割手密及其血缘F1代种质的抗旱性遗传分析[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2013，39(增刊1)：1–6．

[32] 陈义强，邓祖湖，郭春芳，等．甘蔗常用亲本及其衍生品种的抗旱性评价[J]．中国农业科学，2007，40(6)：1108–1117．DOI：10.3321/j.issn：0578–1752.2007.06.004．

责任编辑：尹小红

英文编辑：梁 和

Drought resistance evaluation and correlation analysis of agronomic and quality traits of sugarcane under irrigated and rain-fed conditions

Zhao Jun1,2, Bai Yadong3, Zhao Xingdong3, Yang Lihua3, Lu Shuncai3, Li Xiumei3, Ma Yunfei3, Li Meihui3, Wang Shaohe3, Fan Yuanhong2*
(1.Sugarcane Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kaiyuan, Yunnan 661699, China; 2.Yunnan Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement, Kaiyuan, Yunnan 661699, China; 3.Industrial Crops Institute, Yuanjiang County of Yunnan province, Yuanjiang, Yunnan 653300, China)

15 sugarcane genotypes，which 8 from Yunnan (CYZ06–407, CYZ05–226, CYZ04–622, CYZ04–724, CYZ03–258, CYZ03–103, CYZ02–588 and CYZ01–1413), 3 from Taiwan(ROC22, ROC16 and ROC10), 2 from Guangdong (CYT93–159 and CYT00–236), 1 from Guangxi (CGT11)and 1 from Cuba(C266–70), were used as materials. 2 Treatments of irrigated and rain-fed conditions were designed and 10 agronomic and quality traits including cane yield, stalk height, stalk diameter, stalk weight, number of millable stalk, sugar yield, sucrose content, brix, simplepurity and fiber content were measured during maturity under irrigated and rain–fed conditions. Drought resistance index (DRI), correlation analysis, principal component analysis and clustering analysis were used to study the correlation of agronomic and quality traits of sugarcane and evaluate the drought resistance and classify drought resistance type. The result showed that sugar yield was closely linked to cane yield (P＜0.01), number of millable stalks (P＜0.01) and stalk weight (P＜0.05) under both conditions. Significantly positive correlation (P＜0.01) was found between sugar yield and stalk height under the rain–fed condition. Sugar yield was significantly positively related to sucrose content (P＜0.05), but was significantly negatively related to fiber content (P＜0.05) under irrigation conditions. 10 traits of agronomic and quality were simplified into 4 principal elements by principal component analysis, which provided 86.287% contribution. Based on the results of principal component, the drought resistance of 15 sugarcane genotypes were grouped into 5 clusters： super strong (C266–70), stronger(CYZ03–258 and CYZ04–622), strong(CGT11 and ROC22), medium (CYT00–236, CYZ03–103, CYZ04–724, CYZ02–588, CYZ05–226 and ROC16) and weak( CYZ01–1413, CYT93–159, CYZ06–407 and ROC10 ).

sugarcane; drought resistance; drought resistance index; correlation analysis; principal component analysis; clustering analysis

S566.1

A

1007-1032(2016)06-0579-08

蕊莲．作物抗旱节水研究进展[J]．中国农业科技导报，2007，9(1)：1–5．

10.3969/j.issn.1008–0864.2007.01.001．

2016–04–14

2016–10–15

云南省高端科技人才引进计划项目(2012HA001)；云南省甘蔗遗传改良重点实验室开放课题基金项目(2015DG015)；云南省委组织部海外高层次人才引进计划项目；云南省甘蔗产业技术体系建设专项

赵俊(1981—)，男，云南泸西人，副研究员，主要从事甘蔗遗传育种研究，junzhao_ky@126.com；*通信作者，范源洪，研究员，主要从事甘蔗种质资源研究，fyhysri@vip.sohu.com