桂糖03系列新品种系抗旱性综合分析

刘璐　蒋洪涛　张革民　王泽平

摘 要 探討甘蔗主要抗旱性指标变化，以期为选育优良甘蔗品种（系）提供科学依据。在2015/2016榨季，于桶栽条件下对广西农业科学院甘蔗研究所选育的15个桂糖优良新品系和广西主栽品种ROC22号进行水分胁迫，检测甘蔗叶片叶绿素（Chlorophyll，Chl）、赤霉素（Gibberellin，GA）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、可溶性蛋白（Soluble protein，SP）、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）、相对质膜透性（Relative permeability of plasma membrane，RPPM）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）以及过氧化物酶（Peroxidase，POD）共8个抗旱性相关生理指标在正常供水及水分胁迫下的变化。结果显示：水分胁迫下，Chl、GA和CAT含量有不同程度地降低，而SP含量、MDA含量、RPPM、SOD和POD有不同程度地升高，变化幅度因基因型而异；Chl含量与RPPM、MDA含量呈负相关，而与SP含量、GA及CAT呈极显著正相关，与SOD及POD呈显著正相关，RPPM、MDA含量与SOD、POD及GA呈负相关，GA和CAT呈极显著正相关；通过主成分分析选出了4个主成分，方差累积贡献率达到86.17%；在聚类分析基础上用判别分析选出Chl含量、SP含量、SOD、POD、RPPM及MDA含量等6个对品种抗旱性分类有显著影响的生理指标，并把16个不同基因型品种抗旱性划分为高抗、中抗、不抗3种类型。利用主成分分析法、聚类分析法和判别分析法与生产表现结合在一起来评价甘蔗品种（系）抗性更客观和准确。

关键词 甘蔗；抗旱性；主成分分析法；聚类分析法

中图分类号 S556.1 文献标识码 A

Abstract The drought resistance identification parameters in sugarcane was investigated to afford a scientific basis for sugarcane breeding. An indoor-experiment was conducted with fifteen self-bred clones（offered by Guangxi Sugarcane Research Institute， GXSCRI）and one major commercial sugarcane varieties（ROC22）in Guangxi to study the change rules of chlorophyll（Chl）， gibberellin（GA）， catalase（CAT）， soluble protein（SP）， malondialdehyde （MDA）， relative permeability of plasma membrane（RPPM）， superoxide dismutase（SOD）， and peroxidase（POD）under sufficient water and water stress in the 2015-2016 cropping season. The results indicated that the content of Chl， GA and CAT had reduced， and the content of SP， MDA and the activity of SOD， POD and RPPM increased under water stress to different extent. The relationship between Chl and RPPM，MDA was negatively correlated， between Chl and SP， GA， and CAT was significantly positively correlated， among Chl and SOD， POD was significantly positively correlated. The relationship among RPPM， MDA content and SOD， POD and GA was negatively correlated. The relationship between GA and CAT was significantly positively correlated. Four principal components were screened and the cumulative variance contribution rate was 86.17% with principle component analysis（PCA）， Chl， SP， SOD， POD， RPPM and MDA were chosen for physiological indices based on the clustering analysis with discriminant function analysis， and the 16 different sugarcane varieties（clones）were divided into three types of drought resistance by this way. The way based on the comprehensive analysis method combined with the performance of production to evaluate the drought-resistance of sugarcane varieties would be more objective and accurate.

Key words Sugarcane； drought-resistance； principle component analysis； cluster analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.07.014

蔗糖业已成为广西最具优势的支柱产业，产能占全国60%以上[1]。广西是干旱多发区和重灾区，水资源、经济、社会、农业和防旱抗旱能力非常脆弱[2]，干旱已成为制约蔗糖生产的关键因素之一，严重影响糖业的国际竞争力。为此，深入开展甘蔗抗旱评价体系研究，加快优良甘蔗抗旱种质资源选育，是保证蔗糖产业健康持续稳定发展的关键。

甘蔗成熟品种[3-6]、常用亲本[7]、杂交组合后代[8]以及斑茅[9]等种质资源抗旱性评价一直被视为产业研究热点，Chl、MDA、RPPM、PRO、CAT、POD及叶片水分饱和亏等指标也已被认定为对甘蔗抗旱性有显著影响[10-12]。甘蔗抗旱性可分为高抗、中抗、不抗3种类型，不同时期甘蔗品种抗旱能力存在差异[13]，且不同甘蔗品种抗旱能力与叶片气孔特性和含水量密切相关[14]，因此水分利用效率和光合作用能力是鉴定耐旱品种的一种有效方式。前人采用多指标体系，从形态特征、生理生化等方面利用模糊隶属函数法[15]、主成分分析法[16]、相关分析[17]以及聚类分析[18]等数量分析方法进行综合评价，表明利用因子来分析甘蔗光合性状指标是可行的，在进行宿根甘蔗抗旱性综合评价时，也可避免单一指标的片面性和不稳定性，适用多品种之间的比较。

03材料属于本育种单位的一批典型材料，在品种选育和亲本利用方面表现出高产高糖及抗逆性强等诸多优良特性，已成功选育出4个优良品种，即桂糖36号（桂糖03-1403）、桂糖37号（桂糖03-2357）、桂糖41号（桂糖03-2309）以及桂糖50号（桂糖03-3089）。这批新品种的成功选育为全区乃至全国甘蔗产业做出了突出贡献，但若将没有成为新品种的优良新品系废弃不用，这将会造成甘蔗创新种质资源的很大浪费。为此，在前人研究基础上，本研究以03品种（系）为试验材料和主要抗旱性生理指标为检测对象，利用主成分分析法、聚类分析法和判别分析法进行逐步分析，然后结合其近10 a田间表现进行抗旱性综合评价，以期为进一步开展抗旱种质资源筛选和更新亲本信息数据库提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为广西甘蔗研究所03系列优良新品种（系）及对照品种ROC22（表1）。

1.2 方法

1.2.1 材料管理 采用桶栽土培：塑料桶桶高51 cm，口径35 cm，桶底钻3个小洞。土壤打碎后掺入复合肥50 kg，有机肥100 kg，装土1/3高度。将蔗种砍成单芽段，于2015年4月12日种植，下种前用70%多菌灵溶液浸种消毒5 min，每桶4段单芽，每个材料种植8桶（处理、对照各4桶），3个重复，共384桶。摆种后盖土5～8 cm，淋足水后盖膜，之后正常供水及除草管理，待到80%的甘蔗有5片完全叶时（2015年5月3日）停止供水，至叶片出现暂时性萎蔫时（2015年5月10日）进行采样测试相关指标。

1.2.2 指标测定 田间农艺性状指标（表1）由近10 a甘蔗品种区域比较试验综合测评所得；细胞膜保护酶液的提取参照张木清法[19]进行；丙二醛含量测定参照Heath法[20]；谷胱甘肽还原酶活性参照Kno··rzer法[21]；蛋白质含量测定参照Bradford法[22]；质膜通透性测定参照谭常法[23]；过氧化物歧化酶活性测定参照Giannoplitis法[24]；过氧化物酶活性参照刘祖祺方法[25]；过氧化氢酶活性参照冯国基法[26]；叶绿素含量测定采用苏正淑法[27]。

1.3 统计分析

采用SPSS22.0软件进行t检验、逐步判别以及主成分分析过程；采用DPS做聚类分析（原始数据经处理，使得各指标的数据处于相同的数量级，选用离差平方和法分类）。

2 结果与分析

2.1 不同甘蔗品种（系）对水分胁迫的生理响应

水分胁迫下不同甘蔗品种（系）的生理生化指标差异见表2。从表2可看出，胁迫处理下各品种间叶片Chl含量差异显著，各处理下Chl含量都要比相应对照低，其中桂糖03-1018受到胁迫处理影响更显著，桂糖03-3005降幅最小；胁迫条件下各品种间叶片SP、CAT含量差异不显著，且均比相应对照高；胁迫条件下各品种间RPPM、MDA、SOD、POD含量差异显著，且均比相应对照高；胁迫处理下各品种间叶片GA含量差异显著，其含量均比相应对照低。结果表明，水分胁迫下甘蔗叶片的SP、RPPM、MDA、SOD和POD活性有不同程度的提高，而Chl、GA和CAT均有不同程度的降低，变化幅度因甘蔗基因型不同而表现不同。

2.2 相关性分析

各生理指标相关性分析如表3所示，水分胁迫下，Chl与RPPM、MDA负相关，与 SOD及POD显著正相关，与SP、GA及CAT极显著正相关；SP与PPM、MDA负相关，与POD正相关，与SOD显著正相关，与GA和CAT极显著正相关；RPPM与SOD、POD、GA、CAT负相关，与MDA正相关；MDA与SOD、GA负相关，与POD显著负相关，与CAT正相关；SOD与POD、GA正相关，与CAT显著正相关；POD与CAT正相关，与GA显著正相关；GA与CAT极显著正相关。由此可见，各生理指标间在甘蔗抗旱响应机制方面存在着一定的内在联系。

2.3 因子分析

利用抗旱性生理生化指标的相对值进行因子分析，得到各因子的特征根、方差贡献率及累积方差贡献率（表4）。结果表明，前4个主成分（Y1、Y2、Y3、Y4）的方差累积贡献率达到86.17%，说明4个主因子所包含的要素信息量可以反映出8个抗旱性指标原始特征参数的大部分信息。从第1主成分（Y1）看，SP（0.876）、Chl（0.837）、CAT（0.817）和MDA（0.774）对Y1有较强的正向负荷，表明在水分胁迫下，甘蔗叶片细胞质膜受到破坏，细胞电解质外渗量增加，叶绿素的含量降低，过氧化氢酶活性有所降低（尽管品种间差异不显著），光合作用能力降低是第一主成分的主导因子；从主成分（Y2）来看，POD（-0.854）对Y2有较强的逆向负荷，GA（0.853）有较强的正向负荷，表明甘蔗在水分亏缺下，蔗叶中GA酶受到破坏，POD酶活性增加清除体內的活性氧及自由基，酶活性的增加是第二主成分的主导因子；从主成分（Y3）来看，MDA对Y3有较强的逆向负荷，RPPM（0.929）对Y3有较强的正向负荷，表明蔗叶受到外界水分胁迫，膜脂过氧化作用加剧，细胞质膜透性增大，细胞质膜受到破坏，细胞电解质外渗量增加是第三主成分的主导因子；从主成分（Y4）来看，SOD（0.933）对Y4有较强的正向负荷，表明甘蔗在水分胁迫下，大量的活性氧在细胞内聚集会破坏细胞结构和功能，导致生物大分子损伤以及膜质发生氧化，而活性氧在SOD作用下得以清除，SOD清除活性氧能力增加是第四主成分的主导因子。

2.4 聚类分析及判别分析

利用8个抗旱性生理生化指标对16个不同基因型甘蔗的聚类分析结果（图1）表明，16个品种抗旱性可分为3种类型，即高抗品种、中抗品种和低抗品种。利用聚类分析结果进行判别分析，选出了对品种抗旱性归类有显著影响的6个指标作为判别式的变量，这6个指标是Chl含量（X1）、SP含量（X2）、SOD（X3）、POD（X4）、RPPM（X5）及MDA含量（X6）。得到如下判别函数：

Y1（X）=-7.519X1+2.755X2+3.630X3-1.711X4+0.922X5-3.111X6-182.929

Y2（X）=-8.560X1+1.319X2+4.028X3-2.634X4+1.035X5+3.871X6-205.286

Y3（X）=-11.749X1-0.237X2+5.719X3-6.583X4+1.530X5+5.505X6-352.847

根据判别函数，对原分类重新判别归类，判别归类后有3个品种（系）被误判，桂糖03-3005判别分类由原先的高抗品种被判为中抗品种，桂糖03-2287、桂糖03-1403中抗品种被误判为低抗品种，误判率为6.2%。可认为本研究方法建立的3个判别函数的判别能力是比较高的。将判别选出的16个抗旱性生理生化指标按高抗、中抗和低抗3个等级划分，则可以看到以这6个指标变化幅度为特征的3种抗旱性类型（表5）。抗旱性强的品种逆境下叶绿素含量下降较少，膜脂过氧化水平低，细胞膜稳定性高，可溶性蛋白高，清除体内的活性氧的能力强。

3 讨论

甘蔗抗旱性为多基因控制的数量性状[28]，涉及的基因和代谢途径众多，因此准确评价甘蔗的抗旱性相当困难。本研究中运用主成分分析、聚类和判别分析方法对16个品种（系）进行抗旱性评价，聚类判别结果与生产上历年抗旱性评价结果一致，一方面由于研究是以室内桶栽水分胁迫条件下获得的甘蔗材料为对象，其叶片生理指标本身所具的可控性和稳定性为准确评价其抗旱性提供了重要前提，另一方面是甘蔗田间抗旱性综合评价主要是基于分蘖、有效茎、糖分和产量等农艺性状来进行。因此，将室内桶栽条件下的判别结果与生产上历年观察结果整合分析甘蔗抗旱性，则可提高评价的准确性。当然，甘蔗完成其整个生长过程中所受影响因素众多，有自身生长特性因素，还有群体对个体的影响及其与环境的互作等。多年育种实践证明，区域试验中的基因型和环境互作一般都很显著，为确定新品种的适应范围，需要对品种跨越地点和年份的稳定性进行分析，来评价其不同生态环境下的抗旱性表现。随着抗旱育种分子水平上的不断成熟，农艺、生理以及基因表达的三项一体，甘蔗抗旱性评价将更加微观和客观。

在应对水分胁迫时，不同基因型甘蔗会选择不同适应方式，总的来说有避旱性、御旱性和耐旱性[29]，其抗旱能力强弱同其他作物抗逆机制类似，取决于其感知水分亏缺的效率和速度，从而产生信号分子并激活压力保护机制[30]。本研究中各检测指标的表达模式与前人研究基本一致[31]，这说明不同甘蔗材料尽管存在基因型差异，但其生理抗旱响应机制是一致的。其显著性及相关性说明在水分胁迫下，甘蔗通过降低叶绿素、赤霉素合成速度，加剧膜脂过氧化作用，提高质膜透性、抗氧化酶活性等渗透调节系统来调控生长。当然，不管甘蔗选择何种方式响应水分胁迫，其过程都是比较复杂的，并不能由单一的形态或者生理指标去评价甘蔗的抗旱性，而应对多个指标进行综合评价，找出各指标间的关联，进而为抗旱性的准确评价提供科学理论依据。

甘蔗种质资源农艺性状和经济性状之优劣，通常是根据不同亲本组合子代的平均表现来判断。根据甘蔗遗传育种理论，在遗传变异幅度相差不大的组合，从后代平均值高的组合中选择特定优异基因型的概率要高于平均值低的组合。粤85-177× CP84-1198杂交组合后代桂糖03-66被评价为高抗，桂糖03-91为中抗，其母本粤85-177为高抗品种，父本CP84-1198为中抗品种；桂89-5× ROC23组合后代桂糖03-591抗旱性等级为低抗、桂糖03-1453抗旱性等级为中抗，母本桂糖89-5为高抗品种，父本ROC23为低抗品种；ROC25× ROC22组合后代桂糖03-2287与桂糖03-2603为中抗材料，其父母本也皆为中抗品种。这充分说明甘蔗抗旱能力与其亲本特性有关，是一种可以稳定遗传的数量性状。根据多年品比试验和杂交组合后代表現，桂糖36号和桂糖03-2287在抗旱品种选育方面表现突出，可作为优良亲本予以充分利用。

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