孕穗期甜高粱耐旱性鉴定

2019-12-04袁闯许兴唐三元毛桂莲朱林

生物技术通报 2019年12期

袁闯许兴，2 唐三元毛桂莲朱林

（1. 宁夏大学农学院，银川 750021；2. 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021；3. 中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101；4. 宁夏大学生命科学学院，银川 750021；5. 宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，银川 750021）

干旱是影响粮食产量的重要环境因素之一，是限制我国农业发展的主要因素［1］。当前，我国大约有48%的耕地处于干旱半干旱带，其中51.9%无灌溉条件［2］。随着全球气候变暖，对于西部水资源短缺的地区，干旱可能出现的频次越来越多。干旱导致作物减产，严重时可使其减产超过50%［3-4］。甜高粱（Sweet sorghum）是世界五大谷物之一，具有耐旱、耐盐、耐碱、耐涝耐、耐贫瘠等抗逆的优良特性［5］。甜高粱是一种粮饲兼用的作物，具有巨大的经济和生态价值［6］。

玉米抗旱性鉴定及指标筛选的研究方法较多，主要有盆栽、水培及遮雨棚等研究方法［7］。作物的抗旱性是一个复杂的生理生化的反应，不能由单个指标反映其抗旱型［8］。目前，评价作物抗旱性的方法有加权抗旱系数、灰色关联度分析及隶属函数等［9-11］。吴奇等［12］将54 份高粱按照抗旱性强弱分为4 类，筛选出一个抗旱性极强的品种，萌发的抗旱指数、发芽率和根长等性状可作为高粱品种萌发期抗旱性鉴定的主要指标。王艺陶等［13］筛选出305等4 份抗旱性很强的材料，认为相对芽长、相对根长和相对萌发抗旱系数可以作为高粱抗旱性重要指标。陈冰嬬等［14］将41 份按照抗旱性强弱分为5 类，L116 等两份材料为高度抗旱种质，Ms18 等18 份为较抗旱性种质，Ms19B 等9 份抗旱性种质，L5172等8 份为较敏感型种质，2055B 等4 份为高度敏感性种质，且将萌发抗旱指数、根长、剩余干物质，作为高粱抗旱性鉴定指标。

干旱是影响甜高粱产量和品质重要的原因之一。因此，筛选和培育抗旱的甜高粱品种非常重要。但目前，关于甜高粱孕穗期抗旱性鉴定和指标筛选方面研究还鲜见报告。因此，本试验设置两个水分处理，采用多种分析方法，对28 个品种（系）甜高粱成对甜高粱孕穗期农艺、荧光及光合参数指标抗旱性进行综合评价和鉴定，以期为甜高粱的抗旱育种的选育及准确评价抗旱性提供科学理论依据［15-18］。

1 材料与方法

1.1 材料

以28 个不同品种甜高粱为试验材料。材料来源由中科院遗传与发育生物学研究所谢旗课题组提供，试验材料具体如表1。

表1 供试材料品种

1.2 方法

1.2.1 试验地点概况试验于2018 年4 月在宁夏同心县王团旱作节水高效农业科技园进行。该试验田位于宁夏中部干旱带（东经106°52′53″，北纬37°38′41″），属于典型的温带大陆性气候，年降水量259 mm 左右，而蒸发量为2 326 mm 以上，干旱缺水是该地最大的自然特征，无霜期为118-226 d，年平均气温9.1℃，≥12℃的积温大约为2 900℃，热量充足，昼夜温差大。试验地土壤为砂壤土，蓄水能力差。试验地0-30 cm 土壤理化性质如表2 所示。

表2 不同水分处理土壤理化性质

1.2.2 试验设计试验采取单因素随机区组试验设计，设置两种水分处理：以正常灌水（CK）为对照，重度干旱胁迫为处理（T），两个处理之间隔45 m 长的中度干旱处理。采用条播的播种方式，每个小区面积为22 m2（5 m×4.4 m），种植8 行，宽窄行种植（宽行70 cm，窄行40 cm），平均行距为55 cm，株距为20 cm，小区间隔留1 m 空行，采用4-5 粒穴播，播种深度约为3 cm；每个品种设置3 个重复小区，用0.6 m 宽的塑料薄膜进行水分阻断处理。播种前进行备种、整种、施复合肥（N∶P2O5∶K2O=20∶15∶15）270 kg/hm2、整地耙平，播种时精选子粒饱满、大小基本一致的种子。干旱胁迫处理只在播种后灌一次水（灌水量为50 mm），以保证正常出苗，之后不再灌水。对照灌水处理按当地田间生产管理，分别在播种后、拔节期、抽穗期进行灌水，灌水量分别为50 mm、100 mm、81 mm。定期进行人工除草，拔节期追施（N∶P2O5∶K2O=20∶15∶15）300 kg/hm2，利用药剂防治病虫害等管理。

1.2.3 测定指标及方法于甜高粱孕穗期（7 月23日），在每个小区挑选4 株长势基本一致植株测量以下指标：用卷尺测得从根基部到最高叶尖的长度为株高（PH）；用游标卡尺测量地上茎基部的直径为茎粗（SD）；用卷尺测量叶片，长为叶基部至叶尖部的距离，宽为叶片最宽部位，测量角度垂直于主叶脉，叶面积=长×宽×0.75（LA）；采用SPADplus 手持叶绿素仪测量顶部叶片SPAD 值（SPAD），每个叶片分别分为前中后3 个部分避开主叶脉进行测定；使用LI-6400IT（LI-COR.USA）便携式光合仪，选择晴天，在上午9：00-11：30 测量各小区光合，测量最上部的刚刚完全展开叶片，记录净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、大气二氧化碳浓度（Ca）等数据，并计算气孔限制值（Ls=1-Ci/Ca）、水分利用效率（WUE=Pn/Tr）；采用Pocket PEA 便携式植物荧光仪为高速连续激发式荧光仪进行荧光参数测定，记录荧光参数初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）、PS Ⅱ最大化学效率（Fv/Fm）、PS Ⅱ潜在光化学效率（Fv/F0）；测定植株含水量及细胞膜透性［19］。

1.2.4 统计数据与分析用Excel2010 整理数据，采用SPSS17.0 进行相关性分析、主成分分析、聚类分析、聚类分析及逐步回归等分析。主要的公式如下：

（1）隶属函数值

Xj：第j 个因子的得分值，Xmin：第j 个因子得分值最小值，Xmax：第j 个因子得分最大值。

（2）权重

Wj：第j 个因子在所有公因子中的重要程度，Pj：个品种第j 个因子贡献率。

（3）综合评价

D：甜高粱孕穗期抗旱综合评价值，k：样品个数。

2 结果

2.1 不同干旱胁迫对28个甜高粱品种孕穗期农艺性状影响

由表3 知，与轻度干旱胁迫相比，重度干旱胁迫对供试材料的农艺性状均产生显著影响（P＜0.05）。株高、茎粗、叶面积、细胞膜透性、植株含水量和叶绿素相对含量的变异系数在0.08-0.39 之间，说明本试验选的试验材料具有较好的代表性。株高、茎粗、叶绿素含对含量对干旱胁迫的反应敏感。另外，株高、茎粗和叶面积在轻度和重度干旱胁迫处理下的测量值的相关系数在0.53-1 之间，说明株高、茎粗和叶面积对干旱胁迫敏感程度存在差异。

2.2 不同干旱胁迫对28个甜高粱品种孕穗期生理性状影响

与轻度干旱胁迫相比，重度干旱胁迫对供试材料的生理性状及光合性能产生显著影响，材料间和处理间均呈显著水平。净光合作用、气孔导度、PS Ⅱ最大化学效率和蒸腾速率等指标变异系数在0.06-0.29 之间，说明生理性状对干旱胁迫反应较敏感。

在轻度和重度干旱胁迫处理下，光合作用、气孔导度、PS Ⅱ最大化学效率和蒸腾速率等指标变异系数在0.01-1.00 之间，表明光合作用、气孔导度、PS Ⅱ最大化学效率和蒸腾速率等指标对干旱胁迫的反应敏感程度存在差异（表4）。

表3 正常灌水和干旱胁迫条件下供试甜高粱材料各指标测定值及均值差异性分析

2.3 相关性分析

由表5 可知，各指标之间存在不同程度的相关性，其中株高与细胞膜透性、PS Ⅱ最大化学效率达到显著负相关（P＜0.05），与茎粗达到显著正相关（P＜0.05）；茎粗与细胞膜透性达到显著负相关（P＜0.05），与PS Ⅱ最大化学效率达到显著负相关（P＜0.05）；叶面积与叶绿素相对含量达到显著正相关（P＜0.05）；植株含水量与水分利用效率达到显著正相关（P＜0.05）；气孔导度与水分利用效率达到极显著正相关（P＜0.01）；净光合作用与气孔限制值达到显著负相关（P＜0.05），与初始荧光达到极显著正相关（P＜0.05），与蒸腾速率达到显著正相关（P＜0.05）；蒸腾速率与气孔限制值Ls 达到极显著负相关（P＜0.01）；最大荧光与PS Ⅱ最大化学效率达到极显著正相关（P＜0.05）；PS Ⅱ潜在化学效率与PS Ⅱ最大化学效率达到显著正相关（P＜0.05）。

T 0.67 0.68 0.69 0.71 0.71 0.71 0.68 0.69 0.70 0.71 0.70 0.65 0.64 0.78 0.75 0.71 0.60 0.70 0.70 0.68 0.54 0.67 0.67 0.67 0.67 0.63 0.68 0.65 0.68 0.06 Fv/Fm CK 0.77 0.78 0.79 0.81 0.81 0.81 0.78 0.79 0.80 0.81 0.80 0.75 0.74 0.88 0.85 0.81 0.70 0.80 0.80 0.78 0.64 0.77 0.77 0.77 0.77 0.73 0.78 0.75 0.78 0.06 8.40 0.0001 1.00 T 2.69 3.00 2.81 3.80 3.82 2.93 3.48 2.85 3.58 3.02 3.24 2.48 3.38 2.79 3.77 3.36 2.14 2.90 1.36 3.44 2.52 3.41 3.14 3.35 3.08 2.98 2.05 2.45 2.99 0.19 Fv/Fo CK 3.33 3.56 3.79 4.26 4.23 4.14 3.59 3.76 4.01 4.20 4.03 3.06 4.01 3.07 4.00 4.18 2.90 3.90 4.09 3.48 5.83 5.38 3.38 5.30 3.44 4.78 3.59 3.07 3.94 0.18 6.36 0.0001 0.25 T 17 672.33 21 071.33 18 226.00 23 535.00 21 669.00 22 381.33 22 698.33 24 757.00 22 465.00 20 168.33 19 875.33 17 462.00 15 084.00 17 389.00 19 064.67 21 044.67 16 041.00 20 115.33 20 680.00 18 377.33 12 979.00 18 393.00 15 873.33 18 063.67 18 361.67 16 255.33 20 635.33 21 798.67 19 362.04 0.14析分性异差值均及值定测标指Fm CK 20 672.33 24 071.33 21 226.00 26 535.00 24 669.00 25 381.33 25 698.33 27 757.00 25 465.00 23 168.33 22 875.33 20 462.00 18 084.00 20 389.00 22 064.67 24 044.67 19 041.00 23 115.33 23 680.00 21 377.33 15 979.00 21 393.00 18 873.33 21 063.67 21 361.67 19 255.33 23 635.33 26 398.67 22 419.18 0.13 4.09 0.0001 0.99 T 5 112.00 6 980.33 4 779.33 5 161.00 5 343.00 4 974.67 6 285.67 6 228.33 6 884.33 5 964.33 5 438.67 5 775.67 5 086.00 5 207.33 4 764.33 5 088.33 6 513.33 4 950.67 6 283.33 4 762.67 6 047.67 5 076.33 5 567.33 5 308.00 5 683.00 5 604.67 5 833.00 5 566.33 5 581.06 0.11 F0 CK 4 762.00 5 278.00 4 423.33 5 042.67 4 721.00 4 943.33 5 583.33 5 831.33 5 088.67 4 457.33 4 543.33 5 089.67 4 559.67 5 046.33 4 409.00 4 636.67 4 933.67 4 711.00 4 661.33 4 784.67 5 655.67 4 899.33 4 316.00 4 901.67 4 811.67 5 099.33 5 150.67 4 999.00 4 904.99 0.08 4.91 0.0001 0.53各料材粱高甜试供下件条迫胁旱干和水灌常4 正表T 0.77 0.79 0.71 0.72 0.75 0.90 0.73 0.71 0.65 0.89 0.77 0.81 0.72 0.82 0.84 0.71 0.70 0.89 0.77 0.78 0.83 0.67 0.84 0.91 0.87 0.68 0.83 0.87 0.78 0.10 Ls CK 0.65 0.55 0.53 0.68 0.65 0.53 0.66 0.62 0.64 0.80 0.76 0.56 0.54 0.65 0.68 0.57 0.53 0.66 0.51 0.74 0.68 0.66 0.70 0.79 0.61 0.57 0.60 0.55 0.63 0.13 7.22 0.0001 0.29 T 5.55 5.29 4.95 4.81 5.07 4.26 5.19 5.20 5.09 4.73 5.25 4.41 5.32 2.83 3.17 3.85 0.09 2.95 5.02 3.89 5.09 5.17 4.50 4.53 3.99 4.75 3.67 3.37 4.36 0.26 WUE CK 6.07 5.53 6.01 6.29 5.14 5.27 6.28 6.77 6.75 5.89 6.01 6.51 5.45 7.21 7.82 6.69 6.94 7.89 5.63 6.87 5.44 6.65 7.50 4.97 5.84 5.39 5.61 6.87 6.26 0.13 6.84 0.0001-0.49 T 4.81 5.04 5.30 3.68 3.32 2.88 3.54 5.26 5.38 3.96 4.59 5.00 6.24 3.65 3.06 6.47 4.21 3.63 4.24 4.74 4.83 5.87 5.17 3.35 4.34 5.30 3.51 3.52 4.46 0.22 Tr CK 5.95 6.19 6.49 6.61 6.95 8.06 7.21 6.25 6.22 4.95 5.56 6.87 6.32 4.23 4.24 8.13 5.92 4.15 7.90 5.05 5.90 6.31 5.54 6.74 4.78 7.20 9.29 9.44 6.37 0.22 6.02 0.0001 0.01 T 0.24 0.29 0.27 0.21 0.19 0.13 0.20 0.25 0.26 0.17 0.23 0.20 0.25 0.16 0.24 0.30 0.22 0.13 0.23 0.15 0.20 0.21 0.19 0.13 0.22 0.21 0.23 0.24 0.21 0.21 Gs CK 0.29 0.32 0.39 0.23 0.28 0.39 0.28 0.29 0.28 0.18 0.24 0.30 0.30 0.25 0.31 0.32 0.25 0.28 0.28 0.21 0.25 0.31 0.23 0.24 0.24 0.25 0.35 0.35 0.28 0.18 5.41 0.0001 0.36 T 33.73 29.24 29.71 30.30 26.06 22.47 32.54 32.50 31.67 23.39 31.55 28.72 29.00 20.44 24.80 25.75 22.67 23.24 28.26 26.74 27.68 30.31 24.95 22.51 23.28 25.62 20.59 23.16 26.82 0.14 Pn CK 36.13 34.21 32.11 31.84 35.76 34.35 37.36 35.22 34.37 27.83 33.40 30.31 33.62 30.55 33.18 31.30 29.23 32.69 39.65 32.57 30.04 34.38 33.78 33.51 25.34 34.23 34.09 31.79 32.96 0.09 6.73 0.0001 0.45 Average CV数R数号序数系系9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28均异关1 2 3 4 5 67 8平变tP 相

2.4 主成分分析

各项指标通过主成分分析后，由表6 可知，CI1-CI6 因子的特征值贡献分别为18.004、17.758、14.229、11.367、8.236、7.446，累计贡献率为77.434%，其他因子的贡献率可以忽略。于是可以将15 项指标转化成6 项新的互相独立综合指标，并可以代替原始所有指标的绝大部分抗旱信息。

CI1 在茎粗、PS Ⅱ最大化学效率上表现出较高载荷量；CI2 在气孔限制值、气孔导度表现出较高载荷量；CI3 在植株含水量、水分利用效率表现出较高载荷量；CI4 在净光合作用、初始荧光上表现出较高载荷量，CI5 在最大荧光上表现出较高载荷量；CI6 在叶绿素含对含量上表现出较高载荷量。

2.5 抗旱性综合评价

通过主成分分析得到各因子的贡献率，前6 个因子累计贡献率达到77.434%，将15 项指标转化成6 项新的互相独立综合指标，代替原始所有指标的绝大部分抗旱信息。由隶属函数公式（2）计算6 个新的相互独立的综合指标计算隶属值。由权重公式（3）计算出6 个综合指标的权重，即分别为0.233、0.225、0.188、0.155、0.106、0.092（表7）。由公式（4）计算出不同品种甜高粱综合评价值（D 值）（表7）。利用D 值对28 个不同品种甜高粱抗旱性进行排序，发现F6036 的D 值最大，表明其抗旱性最强；F6180 的D 值最小，表明其抗旱性最弱。

2.6 聚类分析及耐旱级别的划分

对D 值采用最大距离的聚类分析方法结果（图1），分类方法参考汪灿分类方法［20］。将28 个甜高粱品种分为4 类：第Ⅰ类为高度抗旱型种质，包括F6036、F6080、F6099、F6043、F6149、F6059、F6096、F6271、F6172，占总数31.14%；第Ⅱ类为抗旱型种质F6106、F6137、F6027、F6141、F6017、F6138、F6306、F6372、F6056、A60 占总数35.71%；第Ⅲ类为中度型种质，包括F6319、F6199、F6229、F6018、F6386、F6158、A85、YT002，占总数28.57%；第Ⅳ类为敏感型种质，包括F6180，占总数3.57%。

Fv/Fm 1 Fv/Fo 10.37*Fm 10.22 0.62**F0 10.05-0.1 0阵Ls 10.04-0.19-0.28-0.05矩数系关相WUE 1-0.14-0.01 0.15-0.24 0.05的数系旱Tr 1-0.07-0.39*0.09-0.23 0.24-0.12抗项各期Pn 10.43*0.09-0.43*0.51**0.04 0.16-0.01穗孕粱高甜Gs 1 0.25 0.3 0.65**-0.29-0.22 0.18 0.16 0.24下件条迫PWC 10.37*-0.1-0.34 0.54**0.02 0.08 0.14-0.14 0.12胁旱5 干CMP 10.05-0.13-0.07 0.05-0.32 0.21 0.09 0.04 0.12 0.35表SPAD 10.08-0.03-0.13-0.17-0.1-0.07 0.14 0.12 0.06-0.12-0.25 P＜0.01平水LA 10.47*-0.15 0.03-0.14-0.01-0.21 0.12 0.26 0.29-0.09-0.2-0.24著显极表SD 1-0.03-0.13-0.51**-0.09-0.06-0.05 0.09 0.21-0.15-0.15-0.13-0.32-0.41*P＜0.05；**代平PH 10.45*-0.11-0.03-0.41*-0.2-0.05-0.04 0.22 0.14-0.24-0.33 0.02-0.15-0.37*水著显表标指PH SD LA SPAD CMP PWC Gs Pn Tr WUE Ls ：*代F0 Fm Fv/Fo Fv/Fm注

表6 各项综合指标的系数及贡献率

3 讨论

3.1 重度干旱胁迫对农艺性状影响

本研究发现，重度干旱胁迫条件下，不同品种甜高粱抗旱性的农艺性状表现存在差异，同一品种在不同干旱胁迫下的抗旱性状表现不同，表明不同甜高粱品种的抗旱性存在差异。干旱胁迫对植物的伤害是多方面，主要是使植株丧失水分平衡，造成水分亏缺，从而影响植物的正常生命活动［21-23］。张文英等［24］研究表明，孕穗期是谷类作物生育期水分临界期，对于水分的需求大并敏感。周广生等［25］研究表明水稻孕穗期遭遇干旱等逆境条件会影响茎粗和SPAD 值。本研究表明，孕穗期干旱胁迫对甜高粱的叶面积、株高、SPAD 值、茎粗、植株含水量和细胞膜透性等指标造成显著影响（P＜0.001），与轻度干旱胁迫相比，重度胁迫条件下甜高粱的农艺指标表现降低的趋势。这与王永丽等［26］研究一致。

表7 各品种的综合指标U（Xj）、D 值及综合评价

图1 28 个品种甜高粱聚类树状图

3.2 重度干旱胁迫对光合性能及荧光参数的影响

作物受到干旱胁迫时其体内会发生一系列生理生化的反应来降低逆境造成的伤害。本研究发现与轻度干旱迫比，重度干旱胁迫下净光合作用、气孔导度蒸腾速率等指标表现显著降低趋势（P＜0.001）。光合作用是植株生长和发育的基础，可以反映株植耐旱能力大小。王帆等［27］研究发现干旱胁迫主要破坏光合作用系统，导致植物不能正常生长和发育。干旱导致叶片叶绿素降解，叶片变黄，进而影响光合作用［28-29］。

PS Ⅱ潜在化学效率和PS Ⅱ最大化学效率等指标对植株抗旱性密切相关，可用于植物抗旱性的鉴定［30-31］。干旱胁迫导致植物光合性能降低［32］。植物抗旱性与植株含水量成正相关，而与细胞膜透性成负相关［33-34］。气孔限制值、叶面积、蒸腾速率与抗旱性存在较好的相关性［35］。本研究发现，干旱引起光合速率降低，主要因素是气孔和非气孔。气孔因素主要为，干旱胁迫降低气孔导度、蒸腾速率，导致Pn 降低；而非气孔因素主要为，干旱降低作物的植株含水量、导致细胞膜透性提高，降低了叶片叶绿素相对含量，破坏了光合PS Ⅱ系统，最终使Pn 降低，而净光合作用、气孔导度、蒸腾速率等指标、变化趋势与王书子等［36］和薛惠云等［37］研究一致。

3.3 不同品种甜高粱抗旱性鉴定

通过主成分分析，本研究将15 项指标转化成6个新的相互独立的综合指标，并得到不同品种甜高粱孕穗期抗旱性的综合评价值（D 值）。利用D 值大小评价作物抗旱性能力大小，最终目标是对试验材料的抗旱性及抗旱等级的划分。目前，关于田间甜高粱孕穗期抗旱性鉴定的研究相对较少。对D 值采用最大距离的聚类分析方法，将28 个不同品种甜高粱划分为4 类：高度抗旱型种质、抗旱型种质、中度抗旱型种质、敏感性型种质。高度抗旱型种质可为甜高粱抗旱育种及机理研究提供基础研究材料。