向日葵种质资源苗期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

甄子龙，侯建华，伊六喜，于海峰，石慧敏，王靖林，王雅茹，苏飞燕,王艳霞

(1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010019; 2.内蒙古农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031)

向日葵(HelianthusannuusL.)是菊科向日葵属双子叶植物[1]，具有食用、油用、观赏用途，是重要的植物油来源之一[2]。向日葵生育期短，耐瘠，抗旱，适应性较强[3-5]，主要分布在我国内蒙古、新疆、甘肃、东北等地，是当地重要的经济作物。干旱作为作物最主要的生物胁迫因素之一，干旱缺水会对作物造成伤害，影响其生长发育及产量[6]。内蒙古等向日葵主要种植地区常年干旱少雨，春旱尤为严重。苗期作为向日葵的关键生育期，此期遭受干旱胁迫，会造成生长发育受阻，进而导致产量质量明显下降[7-8]。

在目前农作物抗旱研究中，相关学者的工作主要集中在玉米[9]、水稻[10]、小麦[11]等主粮作物中，国内对向日葵抗旱性的鉴定及抗旱机理研究较少，很大程度上制约了向日葵的发展和利用。近年来，课题组为解决向日葵受春旱影响减产问题，围绕向日葵苗期抗旱性鉴定及抗旱相关指标QTL定位开展了一些研究[1,7,12-14]。本试验以项目组新近建立的226份向日葵种质材料组成的关联群体为试验材料，通过室内模拟干旱胁迫，测定226份种质材料在干旱胁迫和正常水分条件下苗期生长相关农艺和生理指标，通过抗旱系数、相关分析、抗旱综合评价D值，筛选用于抗旱性鉴定评价的指标体系，并对226份材料的耐旱性进行分类，以期为向日葵优质抗旱资源的挖掘、苗期抗旱相关指标QTL定位及向日葵抗旱分子育种提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从内蒙古、宁夏、新疆、辽宁、吉林、澳大利亚、美国、法国收集226份向日葵种质资源材料，其中73份由内蒙古农牧业科学院提供，154份由内蒙古农业大学农学院提供(表1)。

表1 供试材料来源及其D值

续表1 供试材料来源及其D值

续表1 供试材料来源及其D值

续表1 供试材料来源及其D值

续表1 供试材料来源及其D值

1.2 试验处理

试验于2019年夏季在内蒙古农业大学自动化温室内进行，为避免降雨、温度、光照等外在条件不同所造成的误差，所有盆栽样品均放置在同一温室环境中，室内采光及通风条件相同。试验使用塑料材质的花盆，盆高35 cm，内径35 cm，土壤为正常肥力的大田砂质土壤与有机腐殖质按2∶1的比例共3 kg混合。

每份材料挑选10粒大小均匀、颗粒饱满的种子，用HgCl2消毒6 min后，再用蒸馏水冲洗干净，吸干水分后浸种24 h，然后分别设置干旱胁迫(T)和正常浇水(CK)处理，每个处理种10粒种子，3次重复。

播种后正常浇水，在幼苗长至三叶一心时[15]进行胁迫处理，胁迫处理开始后正常情况下每3 d测一次土壤含水量(若温室内气温升高而导致水分蒸发速度加快，则每天测一次土壤含水量)。土壤含水量测定方法采取烘干称重法。正常浇水盆栽土壤含水量控制在15%～20%，干旱胁迫土壤含水量控制在5%～10%，以对照条件下最高土壤含水量为20%，胁迫条件下最高土壤含水量为10%计算每次浇水量，浇水量=(最高土壤含水量-测定土壤含水量)×风干土重，含水量及浇水量(表2)。

表2 不同处理土壤含水量及浇水量

1.3 测定指标及方法

胁迫处理15 d，测定地上部及地下部干鲜质量、根长、根表面积、根体积、株高、叶片相对含水量、SPAD值、叶面积等指标[16]，每份材料随机选取5株进行测定，共3次重复。

株高用直尺测量，叶面积用叶面积系数法测定，苗期生物量、根长、根表面积、根体积测量时先将幼苗取出花盆，在取出过程中需注意根部损伤，清洗后将幼苗分为地上部和地下部再进行测量。根长、根表面积、根体积、根冠比用根系扫描仪(万深LA-S)测定。SPAD值用叶绿素仪(TYS-A)测定。叶片相对含水量计算：

1.4 数据处理与分析

1.4.1 各测定指标抗旱系数

(1)

(2)

式中，DC为各测定指标的抗旱系数，Xi为各指标干旱处理值，CKi为各指标对照处理值，f(Xi)为各指标抗旱隶属函数值，Ximin、Ximax分别为干旱处理值的最大值与最小值。

1.4.2 标准差系数、权重值及综合抗旱能力的综合评价值 通过参考相关研究[17-21]，采用以下方法计算：

(3)

(4)

式中，ωi为各项指标权重。

(5)

式中，D值为不同材料抗旱能力的综合评价值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下向日葵种质资源苗期各指标差异分析

对226份向日葵材料的各项指标进行差异分析，结果见表3。由表3可看出，干旱胁迫处理与对照间各项指标有明显差异，干旱胁迫处理组的株高、叶片相对含水量、SPAD值、叶面积均值均低于对照组，下降幅度分别为29.07%、8.00%、5.66%、47.78%，根冠比、根长、根表面积、根体积的均值均高于对照组，上升幅度分别为43.67%、43.10%、76.89%、136.36%。8个指标在干旱胁迫下均产生变化，说明试验所选指标可反映向日葵苗期的抗旱情况。

表3 向日葵苗期各指标的差异分析

正常供水下，8个指标的变异系数在0.14～0.72，平均为0.40；干旱胁迫下，8个指标的变异系数在0.12～0.68之间，平均为0.41，说明试验选择的种质资源对干旱胁迫反应的敏感度存在较大差异。干旱胁迫与对照组指标t检验为极显著，说明试验材料经干旱胁迫后，指标表现差异明显，试验胁迫处理效果达到预期目标。

2.2 干旱胁迫下向日葵种质材料苗期各指标抗旱系数分析

226份向日葵种质材料苗期抗旱相关指标抗旱系数比较分析结果见表4。各指标抗旱系数均值、标准差、变异系数均出现了较大变化，其中根表面积抗旱系数的变异系数最大，达到了70.31%，SPAD值抗旱系数的变异系数最小，为11.41%；根冠比、根长、根表面积、根体积、株高、相对含水量、SPAD值、叶面积抗旱系数的变异系数均超过11%。

表4 向日葵苗期各指标抗旱系数分析

株高、叶片相对含水量、SPAD值、叶面积抗旱系数的变异幅度在干旱胁迫条件下呈下降趋势，降低幅度为4.80%～34.79%，其中叶面积抗旱系数下降幅度最大，SPAD值抗旱系数下降幅度最小；根冠比、根长、根表面积、根体积抗旱系数的变异幅度均呈现上升趋势，上升幅度70.20%～156.31%，其中根体积上升幅度最大，根长上升幅度最小。

综合以上分析，干旱胁迫环境下指标均发生变化，结合各指标的差异分析说明这8个指标均对干旱非常敏感，可作为分析向日葵抗旱能力的重要指标。

2.3 干旱胁迫下向日葵种质材料苗期各指标抗旱系数间相关性分析

各指标抗旱系数间相关分析结果显示(表5)，根冠比与根表面积、根体积呈极显著正相关，对干旱胁迫反应存在稳定的协同效应，根冠比与根长、叶面积呈极显著负相关；根长与根体积、根表面积存在极显著正相关，根长与株高、相对含水量、SPAD值存在极显著负相关；根表面积与根体积呈极显著正相关，与株高、相对含水量、SPAD值、叶面积呈极显著负相关；根体积与株高、相对含水量、SPAD值、叶面积呈极显著负相关；株高与相对含水量、SPAD值、叶面积呈极显著正相关；SPAD值与叶面积呈极显著正相关。苗期8个指标间均存在显著或极显著的相关关系，说明向日葵的抗旱性是多个指标的综合表现，因而，通过多个指标共同评价才能更加准确鉴定其抗旱性。

表5 向日葵苗期各指标抗旱系数相关分析

2.4 抗旱性综合评价D值与苗期各指标抗旱系数的相关性及其回归分析

SPSS相关性分析结果表明，抗旱综合评价D值与8个指标抗旱系数均具有显著或极显著相关性，其中根冠比、根长、根表面积、根体积与D值呈现极显著正相关(图1a、b、c、d)；SPAD值与D值呈现极显著负相关(图1g)，株高、相对含水量、叶面积与D值呈现显著负相关(图1e、f、h)。说明各指标均与向日葵抗旱能力有密切关联。

图1 抗旱综合评价D值与苗期各指标的抗旱系数相关性分析Fig.1 Correlation analysis between D value of comprehensive drought resistance evaluationand drought resistance coefficient of each trait in seedling stage

为筛选这些指标中的可靠指标，通过逐步回归分析，将D值与各指标抗旱系数构建模型。将各指标抗旱系数作为自变量，D值作为因变量，得出了其中最优的逐步回归方程：D值=0.742+0.062×根长+0.13×株高-0.607×SPAD值，通过此方程发现8个指标中的根长、株高、SPAD值对D值有显著影响。

通过逐步回归方程得出预测D值，将预测D值与通过计算得出的D值进行相关性分析(图1i)发现，两者存在极显著相关性，可以通过方程来预测不同材料的抗旱性强弱。

2.5 向日葵抗旱性的综合评价

利用株高、叶片相对含水量、叶面积、根冠比、根长度、根表面积、根体积和SPAD值8个指标的抗旱系数，通过隶属函数法计算出226个向日葵材料苗期综合抗旱性D值。从图2中可以看出，供试材料综合抗旱性评价D值变化范围为0.09～0.84，其中175号材料综合抗旱性最强，D值为0.84，80号材料的综合抗旱性最弱，抗旱综合评价D值为0.09。226份材料的D值大小排序后，分为极耐旱型、耐旱型、中间型、不耐旱型和极不耐旱型5个抗旱级别。从图3中可以看出：D值范围在0.8～1.0之间的极耐旱型有175、106、117，占全部材料的1.3%；D值范围在0.6～0.8的耐旱型有161、132、162等12个材料，占全部材料的5.3%；D值范围在0.4～0.6的中间型有158、159、146等60个材料，占全部材料的26.4%；D值范围在0.2～0.4的不耐旱型有165、156、172等125个材料，占全部材料的55.1%；D值范围在0～0.2的极不耐旱型有94、44、18等27个材料，占全部材料的11.9%。

图2 供试材料D值分布Fig.2 D value of the tested materials

3 讨 论

作物抗旱性研究过程中，需要找到符合该作物的抗旱鉴定指标进行综合评价，在评价向日葵抗旱性时，通过参考玉米[22]、花生[23]、小麦[24]、棉花[25]等相关抗旱研究，发现用多个指标来共同评价抗旱性结果更能反映作物的实际抗旱能力[26-28]。

本试验结合了前人对其他作物的研究与向日葵实际情况，测定了226份向日葵材料在苗期干旱胁迫与正常浇水两种条件下根长、根体积、根表面积、根冠比、叶面积、株高、叶片相对含水量、SPAD值8个抗旱鉴定指标的变化情况。通过抗旱鉴定指标的差异分析以及其抗旱系数的比较分析发现经过苗期抗旱试验，8个指标均对干旱非常敏感，可作为判断向日葵抗旱能力的重要指标。8个指标的抗旱系数相关性分析结果显示，试验选取的8个指标均存在直接或间接的关联，说明向日葵苗期抗旱性是多个指标的综合表现。综上所述，通过选取的8个指标评价向日葵苗期抗旱性，能够较准确鉴定出材料真实抗旱程度，为向日葵抗旱育种提供参考。

马宇[29]研究认为根冠比、根长、根表面积作为鉴定指标在向日葵苗期干旱胁迫中更具有代表性，周子超等[30]认为根冠比具有代表性，本试验结果与前人研究基本一致，提出除了根长、株高外，SPAD值也具有代表性，试验结果出现一些差异的原因可能是因为试验所选的材料不同，或是分析指标重要性所采用的方法不同导致，提示抗旱性评价所选材料和分析方法均会影响鉴定结果，需要更多试验进行验证。

抗旱系数相关分析显示，8个测定指标抗旱系数间均存在相关性，而且均与抗旱综合评价D值呈极显著或显著相关关系，说明本次使用8个苗期抗旱鉴定指标均可作为评价向日葵苗期抗旱能力的指标，这与路之娟等[31]对苦荞苗期指标的研究基本相同。

通过逐步回归分析得出方程：D值=0.742+0.062×根长+0.13×株高-0.607×SPAD值，可对向日葵材料进行抗旱性预测。

基于筛选的8个苗期抗旱性指标，结合抗旱系数、抗旱隶属函数值和指标权重等计算抗旱综合评价D值，充分考虑向日葵各指标之间的相互关系以及重要性，鉴定供试材料的抗旱强度，并将各材料分为5类抗旱性材料。最终确定出具有较强抗旱性的材料175、106、117等15份，可用作后期向日葵抗旱育种、干旱调控等的主要材料。