晋北区芥菜型油菜抗旱性鉴定及综合抗旱指标筛选

王瑞霞, 李小玉, 田宏先

(山西农业大学高寒区作物研究所， 山西 大同 037008)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.)属于十字花科(Brassicaecea)芸薹属(Brassica)，是芥菜(Brassicajuncea)的油用类型。芥菜型油菜具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、抗裂荚、含油率高等特点，我国芥菜型油菜产量占世界总产量的1/3[1]。2017年《山西省统计年鉴》结果显示，芥菜型春油菜种植面积较往年大幅度提升[2]。芥菜型油菜目前已成为山西晋北地区城镇乡村旅游观光赏花的主栽作物，也是晋北区抗旱救灾的主要作物之一，更是食用植物油和饲料蛋白的重要来源[3]，同时还可作为重要的绿肥植物。

干旱严重影响农业发展，是造成农业自然灾害之首[4]。晋北山区地处黄土高原，正值春播的4—5月间，有效降雨量极少，水资源严重不足和分布不均严重制约油菜正常生长发育，春油菜常常出现出苗慢、不整齐、生长缓慢、基本苗少等情况，极可能导致灾难性歉收。因此，抗旱种质资源的筛选和鉴定尤为必要。抗旱种质材料的鉴定方法是目前面临的主要问题，有许多形态指标和生理生化指标可用来反映品种抗旱性和丰产性，但还没有统一的指标评价标准，很难全面准确地评价品种抗旱性[5-6]，再者油菜抗旱育种的目标不仅要求品种具有较好的稳产性，而且具有较大的丰产潜力[7]。因此，到目前为止尚未建立有效的抗旱鉴定评价体系。本试验采用大田干旱胁迫鉴定法，对12份芥菜型春油菜品种进行干旱胁迫处理与正常浇水对比。通过考查花期光合生理参数和成熟期各农艺性状指标，利用隶属函数法、主成分分析法和Duncan检验多重比较法，进行光合生理和产量品质与抗旱性的关系研究，旨在了解春油菜抗旱机制，为晋北地区春油菜的旱作栽培以及抗旱品种的筛选提供探索依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

选用晋北地区近5年来广泛种植的12个芥菜型春油菜品种为试材，品种基本情况见表1。试验在山西农业大学高寒区作物研究所试验基地进行，该地位于山西省怀仁市毛皂镇(纬度 39.93°、经度 113.26°)，平均海拔1 085.7 m，年平均气温7.9 ℃，年平均降雨量367.0 mm，其中4—9月降水量为323.9 mm，占全年降水量的88.3%，年平均相对湿度为48%，最小相对湿度19%，无霜期141 d，年均风速2.4 m·s-1，年平均蒸发量2 028.8 mm。试验地地势平坦，为沙壤黄土，肥力均匀，前茬作物马铃薯。

1.2 试验设计

试验采用田间直接鉴定法，于2018年5月1日播种，设非水分胁迫(CK)和干旱胁迫(D)2个处理。非水分胁迫处理是在抽薹期(6月22日)、花期(7月1日)、角果期(7月20日)各浇透水 1 次；干旱胁迫处理是生长期间完全依靠自然降水，2018年5—8月利用物联化土壤水分温度检测仪[智墒 ET100, 东方智感(浙江)科技股份有限公司] 实时监测同一位置不同土层深度的土壤水分和温度，10—30 cm土壤平均水分含量(表2)远不能满足油菜正常开花结实的水分需求，造成自然条件下严重的干旱胁迫。采取随机区组设计，3次重复，小区面积12 m2，两种处理间隔20 m防渗透隔离。

表2 油菜生长期间干旱处理组10—30 cm土壤平均水分含量Table 2 Average soil moisture content of 10—30 cm in drought treated group during rape growth period (%)

1.3 测定项目及方法

1.3.1光合生理参数的测定 试验选择在气候稳定、降雨极少的 7 月上旬进行测定，于 2018 年7月 10 日晴朗天气下进行，每个品种分别选取5片叶龄一致、叶片之间无相互遮荫、生长状况具有代表性的叶片进行光合生理参数的测定，每次取心叶下第 3～4 片功能叶进行测定，每个处理3次重复，应用 Li-6400XT 便携式光合作用测量系统(美国Li-Cor公司)对处理组光合生理指标以及相应的生态环境要素进行测定，使用开放式气路，每个叶片重复 5次，取平均值。光合生理参数测定时间为 9:00—11:00。仪器自动记录净光合速率(net photosynthetic rate，Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr，mmol·m-2·s-1)、气孔导度(stomatal conductance，Gs，mmol·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci，μmol·mol-1)等生理参数。叶片水分利用效率(water use efficiency，WUE，μmol·mmol-1)和气孔限制值(stomatal limiting value，Ls)分别用以下公式计算。

WUE=Pn/Tr

(1)

Ls= 1-Ci/Ca

(2)

式中，Ca为大气CO2浓度，由光合仪测定。

1.3.2收获期农艺性状的测定 在油菜成熟期，各个品种随机选取3个单株，考查有效分枝数、主轴上的角果数、全株角果数、每角粒数、千粒重和单株产量6个经济性状。

1.3.3隶属函数值计算 隶属函数法的计算公式[8]如下。

Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(3)

Xi=1/nΣXij

(4)

当性状指标与抗性正相关时，(3)式中Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)；当性状指标与抗性负相关时，Xij=1-(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)。

式中，Xij表示i种类j指标的抗性隶属函数值；xij表示i种类j指标的测定值；xj表示各品种第j个性状指标；xjmin表示各品种j性状指标的最小值；xjmax表示各品种第j个性状指标的最大值。隶属函数值Xi越大，则抗性越强，按隶属函数值的大小对12个品种的抗旱性进行排序。

1.3.4抗旱系数计算 为消除材料间的差异，各指标均采用李真等[9]的方法计算抗旱系数(drought resistance coefficient，DRC)。计算公式如下。

抗旱系数(DRC)=干旱胁迫下的测定值/对照下测定值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007处理数据，运用SPSS 22.0软件和Origin Pro 8.5软件进行显著性(Duncan检验法进行多重比较)、相关性和主成分分析并作图。

2 结果与分析

2.1 芥菜型春油菜各光合参数对干旱胁迫的响应

2.1.1芥菜型春油菜品种Ci和Gs对干旱胁迫的响应 图1显示，水分胁迫不同程度降低了12个供试品种的Ci和Gs。不同春油菜品种Ci干旱处理组间比较，大辣芥与晋油8号和溴源芥差异极显著(P<0.01)；对照组中，晋油14号、神池大黄芥、晋油8号、晋油12号、晋油13号、自选X0与牛尾稍、晋油6号、大辣芥、溴源芥、内蒙大黄芥、05-11-2差异极显著(P<0.01)；晋油14号与神池大黄芥差异显著(P<0.05)。干旱胁迫下叶片气孔导度降低，通过蒸腾散失的水分减少从而促进蒸腾效率提高。溴源芥与其他11个品种呈现极显著差异(P<0.01)；对照组中，晋油14号与牛尾稍、05-11-2、晋油6号、内蒙大黄芥、大辣芥和溴源芥呈现极显著差异(P<0.01)，与神池大黄芥差异显著(P<0.05)；神池大黄芥与牛尾稍、05-11-2、晋油6号、大辣芥和溴源芥差异显著(P<0.05)。伴随着Gs和Ci明显下降，根据气孔限制理论，原因主要以气孔限制为主(由于气孔因素造成的CO2供应不足)。表明水分胁迫没有使油菜光合结构发生破坏，叶肉细胞光合能力和光合生产力也没有受到影响。

2.1.2芥菜型春油菜品种Pn和Tr对干旱胁迫的响应 图2显示，干旱胁迫时，春油菜品种的Pn较对照都有所降低(神池大黄芥除外)，引起油菜叶片Pn降低的内在因素不外乎气孔的部分关闭(气孔限制)和叶肉细胞自身活性下降(非气孔限制)两类。干旱胁迫下12个品种之间的Pn并无差异。对照组中，晋油14号显著高于神池大黄芥、晋油8号和晋油13号(P<0.05)，与05-11-2、晋油6号、内蒙大黄芥、溴源芥、神池大黄芥差异极显著(P<0.01)。干旱胁迫明显降低了12个品种的蒸腾速率Tr，表明干旱胁迫已经严重影响了油菜正常的蒸腾功能。蒸腾作用降低是植物通过关闭气孔来适应水分胁迫或防止叶片过度蒸腾失水的一种生态适应对策。干旱处理组间无差异，且12个品种均正常生长。分析表明，随着干旱胁迫程度的增强，蒸腾失水导致叶片水分亏相应地引起叶片水势下降，从而引起Gs下降，最终避免了因过多蒸腾失水而造成叶肉组织受到伤害。水分条件适宜时，晋油14号蒸腾速率较其他品种显著升高，表明晋油14号通过大量蒸腾失水来降低植物体内的温度，为其正常生理活动创造条件。对照处理组间比较，神池大黄芥与其他剩余11个品种差异极显著(P<0.01)；晋油14号与大辣芥、神池大黄芥和晋油8号差异显著(P<0.05)。

注:不同大小写字母表示组间差异在P<0.01和P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different capital letters indicate significant difference at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.图2 净光合速率和蒸腾速率对干旱胁迫的响应Fig.2 Response of Pn and Tr to drought stress

2.1.3芥菜型春油菜品种Ls和WUE对干旱胁迫的响应 图3显示，干旱胁迫不同程度提高了12个春油菜品种的Ls值，根据气孔限制理论，原因主要以气孔限制为主(由于气孔因素造成的CO2供应不足)；晋油14号和内蒙大黄芥均与其他剩余品种差异极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)。牛尾稍、晋油6号、05-11-2与神池大黄芥、自选X0、晋油8号、晋油12号、晋油13号差异显著(P<0.05)，干旱胁迫组中，大辣芥与溴源芥差异显著(P<0.05)。干旱胁迫明显提高了晋油14号、神池大黄芥、晋油8号、自选X0、晋油12号和晋油13号的水分利用率。叶片WUE是Pn与Tr的比值，它表征植物对自身蒸腾耗水的利用能力。WUE的变化是植物抗旱策略的重要组成部分，当植物遭受水分胁迫时，WUE必定会发生相应的变化，以保持植物生长与水分消耗的平衡。随着水分胁迫程度的增加，油菜叶片的WUE呈增加趋势，这是植物对水分环境变化相适应的一种表现。因此，水分利用效率被广泛用于评估作物在不同水分条件下的生长情况，是衡量作物抗旱性的重要指标，作物在缺水条件下通常保持较高的内在水分利用效率[13]。图3显示，对照组中，晋油14号、神池大黄芥、晋油8号、晋油12号、晋油13号、自选X0与牛尾稍、晋油6号、大辣芥、溴源芥、内蒙大黄芥、05-11-2差异极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)；干旱胁迫组间比较，神池大黄芥与其他11个品种差异极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)，大辣芥与晋油14号、晋油8号、晋油12号、晋油13号差异显著(P<0.05)。

注:不同大小写字母表示组间差异在P<0.01和P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different capital letters indicate significant difference at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.图3 气孔限制值和水分利用率对干旱胁迫的响应Fig.3 Response of Ls and WUE to drought stress

2.2 芥菜型春油菜各农艺性状对干旱胁迫的响应

从表3可以看出，干旱胁迫对不同抗旱类型油菜品种的影响存在差异。与正常浇水相比，干旱胁迫严重影响了油菜的生长发育，6个农艺性状均有较大改变。12 份材料在干旱胁迫处理后各单项农艺性状指标平均值较对照呈现不同程度降低。干旱胁迫后，除有效分枝数外，晋油14号其余性状都至少与一个或者其他品种呈显著或极显著相关，其中，在干旱胁迫中，晋油14号的千粒重和单株产量与大辣芥、溴源芥存在差异。

表3 不同处理下油菜的农艺性状Table 3 Agronomic characters of rape under different treatments

2.3 12个芥菜型春油菜品种抗旱性综合评价

植物对水分处理的响应机制是一个复杂的过程，其中涉及众多基因的诱导表达和代谢途径的启动，再者由于植物本身抗旱机理的复杂性和植物对干旱条件适应的多样性，单一指标很难全面准确地评价耐旱性的强弱。在植株的抗旱性评价研究中，指标的选择是抗旱性评价是否准确的关键因素[14]。加权隶属函数值作为评判抗旱性强弱标准的综合抗旱性度量值(隶属函数值)，隶属函数值越大，抗旱性越强，越小则越弱。12个供试材料的隶属函数平均值为0.442，变幅为 0.30～0.63，变异系数为25.8%。根据隶属函数值对材料进行抗旱性排序(表4)，晋油14号、神池大黄芥、牛尾稍和晋油13号的函数隶属均值均大于0.50，属于抗旱型品种；其余8个品种的隶属函数均值小于0.50，属于干旱敏感型品种。

表4 干旱胁迫下不同芥菜型春油菜的隶属函数值Table 4 Membership function value of 12 Brassica juncea under drought stress

2.4 12个芥菜型春油菜品种主成分分析

从表5可以看出，前4个综合指标的累计贡献率达到 87.158%，表明在胁迫处理中，前4个综合指标能代表12个单项指标的绝大部分信息，可以分别用这4个主成分对12份材料的抗旱性进行概括分析。决定第一主成分大小的主要是气孔导度、气孔限制值、净光合速率、胞间CO2浓度和水分利用率，它们反映了37.33%的原始数据信息量，这些指标主要与光合作用相关，可以大致概括为光合生长因子；决定第二主成分大小的主要是有效分枝数、单株产量、每角粒数和全株角果数，它们反映了原始数据信息量的21.31%，可以大致概括为产量因子；决定第三、四主成分大小的分别是蒸腾速率和千粒重。

表5 干旱胁迫下主成分特征向量及贡献率Table 5 Eigenvectors and percentages of accumulated contribution of principal components under drought stress

3 讨论

植物对水分胁迫的响应机制是一个复杂的过程，其中涉及众多基因的诱导表达和代谢途径的启动，各途径之间相互交叉，相互影响，单一指标很难全面准确地评价耐旱性的强弱。在植株的抗旱性评价研究中，指标的选择是抗旱性评价是否准确的关键因素[14]。国内外学者在油菜抗旱指标的筛选上做了大量研究，主要有生长发育指标、产量指标、生理生化指标[15]。Wright等[16]比较了芥菜型油菜和甘蓝型油菜耐旱性后认为，发达的根系和干旱条件下干物质积累可以作为抗旱性指标。以上研究多集中于单一系列指标研究，缺乏多性状相结合的综合评价，很可能影响鉴定结果的准确性和稳定性。近年来，对作物抗旱性的鉴定越来越多地采用多指标综合评价方法。耿站军等[17]研究了水分胁迫对不同基因型油菜的生态适应性影响时得出随水分胁迫程度的减小，4种不同基因型油菜幼苗的根系活力和地上生物产量均逐渐提高，进一步证实了Wright等[16]的早期研究。朱宗河等[18]研究表明，单株干重和根系性状是甘蓝型油菜不同种质间耐旱性的重要体现；王汉中[19]研究认为，耐旱性强的品种会具有更强的干旱耐受能力，在干旱情况下，能显著降低水分蒸腾。本研究也得到了相同的试验结果。谢小玉等[20]认为，叶片相对含水量、丙二醛、叶面积可以作为油菜抗旱性鉴定的优选指标；符明联等[21]通过隶属函数法研究了58份甘蓝型油菜和芥菜型油菜的种间杂交后代，结果表明，单株分枝数和有效角果数与抗旱性显著相关，而角粒数和千粒重与抗旱性关联性较弱。本研究中除了晋油14号每角粒数与抗旱性关联强外，其余品种与抗旱关联性都较弱。大次卓嘎等[22]研究我国西部地区芥菜型油菜农艺性状典型相关分析时得出，要得到优良的油菜品种应重点从有效分枝数、株高、主花序角果数、主花序果柄数等性状方面选择；白鹏等[23]研究认为，光合生长和膜脂过氧化-抗氧化调节因子可以作为油菜抗旱性的主要鉴定指标，水分和渗透调节因子-产量结构因子可以作为油菜抗旱性的次要鉴定指标。Pou等[10]、Guerfel等[11]、Karam等[12]对不同植物的研究表明，适度干旱胁迫能使植物WUE显著提高。本研究结果也支持这一观点，即适度的干旱胁迫能够提高油菜叶片的WUE。殷婷等[24]研究比较了25份油菜品种农艺性状，结果表明，干旱胁迫影响油菜的植株生长，其株高和单株产量均降低。本研究中12个品种的单株产量指标干旱胁迫处理组远远低于对照组。陈娇等[14]通过甘蓝型油菜苗期抗旱性鉴定研究发现，光合参数指标、含水量指标、植株形态和根系性状指标可以作为优选鉴定指标，而超氧化物歧化酶、氧化物酶、氧化氢酶等生理生化指标整体靠后，不宜作为油菜苗期抗旱性鉴定的核心指标。本试验在对抗旱材料进行筛选时的6个光合参数指标起到了重要的作用，进一步证实了陈娇等[14]的研究。因此，在油菜苗期抗旱性鉴定中，有针对性地选取与抗旱密切相关的指标，尤其是光合参数指标和根系形态指标，既能简化工作又能使鉴定结果更可靠。

在前人的研究基础之上，本研究将光合参数、农艺性状等12个抗旱指标进行对比分析，根据函数隶属均值将12个参试材料进行了抗旱性由强到弱的排列：晋油14号>神池大黄芥﹥牛尾稍>晋油13号﹥溴源芥﹥大辣芥﹥晋油12号﹥内蒙大黄芥﹥05-11-2﹥晋油8号﹥自选X0和晋油6号。研究结果不仅为油菜抗旱性改良提供了资源材料，也为芥菜型春油菜抗旱性鉴定评价提供了参考方法。综上，在油菜抗旱性鉴定研究中，光合参数指标、植株各农艺性状指标可以作为优选鉴定指标。同时通过此次试验优选得到晋油14号、神池大黄芥、牛尾稍和晋油13号4个适宜北方大面积推广种植的优势品种。