16份怀地黄种质资源抗旱性评价

2021-12-09田梦平谢小龙杜权马梦雨吴廷娟冯卫生

江苏农业科学 2021年21期

田梦平谢小龙杜权马梦雨吴廷娟冯卫生

摘要：探究怀地黄不同种质资源的抗旱性，为栽培区域提供抗旱品种和培育高抗旱性地黄新品种提供依据。以16份怀地黄主要种质资源为材料，采用盆栽控水法进行干旱胁迫，试验包括正常供水（CK）和6 d不浇水2个处理。测定参试怀地黄种质资源的5个抗旱生理指标，采用主成分分析、隶属函数法、相关分析以及聚类分析对其抗旱性进行综合评价。结果表明，在干旱胁迫下，16份怀地黄种质资源叶片的SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量、Pro含量、相对电导率与对照组相比均有不同程度的提高，5个生理指标的增幅范围分别为4.82%～119.78%、13.58%～102.94%、1.12%～75.81%、2.90%～78.88%、3.45%～123.68%。16份怀地黄种质资源中，抗旱性由强到弱依次为北京1号>狮子头>金线钓鱼>怀丰>9302>吨王>83抚育>沁怀1号>郭里茂>85-5>新科>红薯王>金九>北京3号>金状元>三块。相关分析表明，抗旱指数与SOD活性相对变化率呈显著正相关;与可溶性蛋白含量相对变化率呈极显著正相关。聚类分析表明，16份怀地黄种质资源被划分4个类群，其中类群Ⅰ中的北京1号和狮子头2份种质资源为强抗旱资源;类群Ⅱ中的金线钓鱼为较抗旱资源;类群Ⅲ中的三块为弱抗旱资源;类群Ⅳ为中等抗旱资源，数量最多，占总数75.00%。综上，供试的16份怀地黄种质资源在抗旱性上有显著差异，可为地黄抗旱品种的培育提供亲本材料。

关键词：怀地黄;种质资源;抗旱性;生理指标;隶属函数;主成分分析;相关分析

中图分类号：S567.23+9.01 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）21-0153-06

收稿日期：2021-05-10

基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFC1702800）;中央引导地方科技发展专项（编号：171100310500）。

作者简介：田梦平（1995—），女，河南商城人，硕士研究生，研究方向为中药资源。E-mail：tmpmengping@163.com。

通信作者：谢小龙，博士，副教授，主要从事中药资源与栽培研究。E-mail：xiaolongxie@126.com。

地黄源于玄参科植物地黄（Rehmannia glutinosa Libosch.）的新鲜或干燥块根，以栽培品入药，以旧称“怀庆府”的河南省焦作地区（温县、沁阳、武陟、博爱、孟县、修武等地）为道地产区，其所产地黄习称为“怀地黄”[1-3]。在地黄栽培过程中，水分调控至关重要，怀地黄产区农民总结出素有“三浇三不浇”的经验，以合理地对地黄生产田的水分进行调控[4]。地黄根系少，吸水能力差，过分的干燥、潮湿的气候和不良的排水环境，都不利于地黄的生长发育，容易引起病害，关键时期水分供应不足，会严重影响地黄的产量和品质[5]。因此，明确地黄在干旱胁迫下的生理变化情况，筛选抗旱性强的地黄种质资源，对提高地黄产量和质量有重要意义。

旱害是指土壤水分缺乏或大气湿度相对过低对植物的伤害，干旱会导致叶片和嫩茎萎蔫，气孔开度减小[6]。此外，逆境胁迫还会导致一系列代谢危害，如活性氧大量积累、膜功能紊乱、抑制蛋白合成、脂类含量降低等[7]。当植物遭受胁迫时，植物体内会产生可溶性糖、脯氨酸（Pro）、甜菜碱等物质来调节渗透压，植物抗氧化酶系统如过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化物可以解除胞内活性氧毒害，进而维持植物在逆境胁迫条件下的正常生长需要[8-10]。目前，关于干旱胁迫下地黄生理变化的研究鲜有报道。因此，本研究以16份怀地黄主要种质资源为材料，对干旱胁迫下地黄苗期叶片的生理指标进行分析，采用隶属函数法对各种质资源的抗旱性进行评价，为筛选高抗旱性地黄品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用16份怀地黄种质资源均来自温县地黄种质资源圃，具体名称见表1。

1.2 试验设计

干旱胁迫采用盆栽模拟干旱法，在河南中医药大学药用植物园进行。塑料盆深8 cm、开口直径13.5 cm、底部直径8.5 cm。培养基质为温县黄河沙壤土和营养土，按3 ∶2的体积比充分混合均匀，每个盆内施入10 g复合肥。2020年7月15日进行种植，每盆播种2块大小一致的种栽，每个品种25盆，至地黄苗期时，进行干旱胁迫试验。干旱胁迫采用盆栽模拟干旱法，试验设置2个处理，对照组（CK）正常供水，干旱处理组进行不浇水处理，胁迫6 d后，取相同叶位叶片进行生理指标测定。

1.3 生理指标测定方法

SOD活性测定采用氮蓝四唑（NBT，nitro-blue tetrazolium）法[11-12];POD活性测定采用愈创木酚法[11，13];可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝 G-250染色法[11，14];Pro含量测定采用酸性茚三酮显色法[11，15];相对电导率测定采用浸泡法[11，16]。

1.4 数据处理

采用Excel 2013进行数据整理，运用SPSS 21.0进行主成分分析、隶属函数分析、相关分析以及聚类分析。为避免参试材料间因基础性状不同对结果造成的影响，采用各指标的相对变化率进行评价[17]。

相对变化率=（测定值-对照测定值）/对照测定值×100%。

相对变化率主成分分析：将单项综合指标的相对变化率进行主成分分析，将原来单个综合指标转化成新的综合指标。

隶属函数计算[18-19]：将每个品种的各综合指标分别用下列公式求出相应的隶属值，公式为U（Xj）=（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin），j=1，2，…，n。式中：Xj表示第j個综合指标;Xmax表示第j个综合指标的最大值;Xmin表示第j个综合指标的最小值。

权重的确定[18，20]：根据综合指标的综合特征值求出各综合指标的权重。Wj=Pj/∑nj=1Pj，j=1，2，…，n。式中：Wj表示第j个综合指标的重要程度;Pj为各资源第j个综合指标的特征值。

综合评价：抗旱指数：D=∑nj=1[U（Xj）×Wj]，j=1，2，…，n。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下怀地黄种质资源叶片生理变化情况

2.1.1 叶片 SOD活性变化

由图1可知，在干旱胁迫下，怀地黄各种质资源的SOD活性与对照组相比，均有不同程度的增加，且均达到显著性水平（P<0.05））。其中，北京1号的增幅最大，高达119.78%;金九、金状元、83抚育、9302、红薯王的增幅较高，范围为31.29%～49.23%;其余9份种质资源的增幅均比较小，低于30%;三块的增幅最小，仅为4.82%。

2.1.2 叶片POD活性变化

由图2可知，在干旱胁迫下，怀地黄各种质资源的POD活性与对照组相比，均有不同程度的增加，除9302外，均达到显著水平（P<0.05）。其中，吨王的增幅最大，达102.94%;其次是狮子头和北京3号，增幅分别为96.14%和62.66%;其余13份种质资源增幅较小，增幅为13.58%～37.94%;其中增幅最小的种质资源是9302。

2.1.3 叶片可溶性蛋白含量变化

由图3可知，在干旱胁迫下，怀地黄各种质资源的可溶性蛋白含量与对照组相比，均有不同程度的增加，且均达到显著性水平（P<0.05）。其中，金线钓鱼的增幅最大，达75.83%;其次为狮子头和9302，增幅分别为53.37%和48.22%;北京1号、怀丰、沁怀1号的增幅均在37%左右;其余10份种质资源增幅较小，在30%以内;增幅最小的种质资源是金九，仅为1.12%。

2.1.4 叶片Pro含量变化

由图4可知，在干旱胁迫下，怀地黄各种质资源Pro含量与对照组相比，均有不同程度的增加，除怀丰和三块2份种质资源外，均达到显著性水平（P<0.05）。其中，85-5的增幅最大，达78.88%;北京1号、新科、红薯王的增幅较大，范围为44.48%～49.62%;吨王、83抚育、狮子头、郭里茂增幅范围为27.84%～35.52%;其余8份种质资源增幅均小于20%，增幅最小的种质资源是金线钓鱼，为2.90%。

2.1.5 叶片相对电导率变化

由图5可知，在干旱胁迫下，怀地黄各种质资源的相对电导率与对照组相比，均有不同程度的增加，除北京1号、怀丰、金线钓鱼3份种质资源外，均达到显著性水平（P<0.05）。其中，北京3号增幅最大，达123.68%;其次是金状元，增幅为109.97%;吨王、85-5、三块、新科的增幅较大，范围为61.13%～81.02%;83抚育、9302、狮子头、红薯王的增幅范围为27.03%～44.78%;其余5份种质资源增幅较小，范围为3.45%～16.76%;增幅最小的种质资源是沁怀1号。

2.2 怀地黄不同种质资源抗旱性综合评价

2.2.1 生理指标相对变化率主成分分析

供试怀地黄种质资源5个抗旱生理指标相对变化率的主成分分析（表2）表明，前3个主成分的贡献率分别为29.692%、24.005%、22.530%，累计贡献率为76.227%。这表明前3个综合指标可以概括5个原有指标的绝大部分信息，可以用这3个综合指标对地黄品种的抗旱性进行概括分析。第1主成分（F1）得分系数最大的指标是可溶性蛋白含量，第2主成分（F2）得分系数最大的指标是Pro含量，第3主成分（F3）得分系数最大的指标是POD活性。它们对应的特征向量表达式分别为：F1=0.153×SOD活性+0.148×POD活性+0.661×可溶性蛋白含量-0.173×Pro含量-0.452×相对电导率，F2=0.597×SOD活性+0.043×POD活性-0.087×可溶性蛋白含量+0.683×Pro含量-0.070×相对电导率，F3=-0.002×SOD活性+0.900×POD活性+0.268×可溶性蛋白含量+0.047×Pro含量+0.240×相对电导率。

2.2.2 抗旱综合指标隶属函数分析根据各主成分（F1、F2、F3）的特征值求出各综合指标的权重分别为0.442、0.309、0.249，根据综合评价公式求出各怀地黄种质资源抗旱指数D值。16份种质资源抗旱能力强弱排序依次为北京1号>狮子头>金线钓鱼>怀丰>9302>吨王>83抚育>沁怀1号>郭里茂>85-5>新科>红薯王>金九>北京3号>金状元>三块，即北京1号抗旱性最强，三块抗旱性最弱（表3）。

2.2.3 抗旱指数与各生理指标相对变化率相关性分析

抗旱指数与各生理指标相对变化率相关性分析（表4）表明，抗旱指数与SOD活性相对变化率呈显著正相关，与可溶性蛋白含量相对变化率呈极显著正相关，这表明在苗期，地黄主要通过提高SOD活性和可溶性蛋白含量来抵抗干旱胁迫。此外，抗旱指数除与相对电导率相对变化率的相关系数为负值外，其余均为正值，这与植物遭受干旱胁迫时，植物生理指标的变化趋势相符。

2.2.4 抗旱性聚类分析

基于抗旱指数对供试地黄种质资源作聚类分析，结果（图6）表明，16份怀地黄种质资源被划分为4个类群。类群Ⅰ抗旱指数均值为0.686，是强抗旱资源，包括北京1号和狮子头2份种质资源，占总数12.5%;类群Ⅱ抗旱指数均值为0.518，是较强抗旱资源，包括金线钓鱼1份种质资源，占总数6.25%;类群Ⅲ抗旱指数为0.045，是弱抗旱种质资源，包括三块1份种质资源，占总数6.25%;类群Ⅳ包含种质资源最多，占总数75.00%，抗旱指数均值为0.293，是中等抗旱资源，包括噸王、9302、怀丰、金九、红薯王、北京3号、金状元、新科、83抚育、沁怀1号、郭里茂、85-5等12份种质资源。

综上所述，16份种质资源的抗旱性分为强抗旱、较强抗旱、中等抗旱、弱抗旱4个等级，其中类群Ⅰ的北京1号和狮子头2份强抗旱种质资源和类群Ⅱ的金线钓鱼1份较抗旱种质资源可为抗旱地黄品种的培育提供优质素材。

3 讨论与结论

在植物生长史中，幼苗是最关键的阶段之一。在植物不同生育期中，幼苗期一般对外界环境忍耐力最小，抗性最弱[21-23]。因此，本研究选择在幼苗期对怀地黄种质资源的抗旱性进行评价。

SOD和POD是植物体内重要的抗氧化酶系统，干旱胁迫下，SOD和POD活性会增强，能有效清除细胞内活性氧自由基，提高植物抗氧化能力[24-25]。本研究表明，干旱胁迫下，16份怀地黄种质资源的SOD和POD活性均有不同程度的增加，其中SOD活性增幅最大的种质资源是北京1号，增幅最小的是三块，POD活性增幅最大的种质资源是吨王，增幅最小的是9302。脯氨酸是一种重要的渗透调节物质，植物受到胁迫时，脯氨酸会大量积累，来减缓胁迫造成的植物细胞生理代谢不平衡，进而降低干旱带来的伤害[26-28]。本研究表明，干旱胁迫下，16份怀地黄种质资源的脯氨酸含量均有不同程度的增加，其中85-5的增幅最大，金线钓鱼的增幅最小。干旱时，植物体内蛋白减少，这可能与蛋白质合成酶活性降低有关[29]，此外，干旱胁迫还可以诱导一些蛋白质产生和积累，这类蛋白可以保护生物大分子，维持特定细胞结构，改变细胞膜水分通透性，有利于渗透调节[18]。本研究表明，干旱胁迫下，16份怀地黄种质资源的可溶性蛋白含量均有不同程度的增加，这表明，在一定程度上，地黄可以通过增加逆境蛋白含量来提高其抗旱性。当植物细胞膜选择透性遭受逆境破坏时，细胞内电解质外渗，外渗越多，相对电导率越高。本研究表明，干旱胁迫下，16份怀地黄种质资源的相对电导率有不同程度的增加，增幅最大的是北京3号，增幅最小的是沁怀1号，在一定程度上，相对电导率增幅越大，抗性越弱。

植物的抗旱性是由多个生理指标作用的结果，很难由某一个单独指标来界定[30-31]。因此，可以利用隶属函数法对多个生理指标進行综合评价，可靠性高。本试验使用隶属函数法对16份怀地黄种质资源的抗旱性进行综合评价，抗旱性由强到弱依次为北京1号>狮子头>金线钓鱼>怀丰>9302>吨王>83抚育>沁怀1号>郭里茂>85-5>新科>红薯王>金九>北京3号>金状元>三块。

抗旱指数与各生理指标相对变化率相关分析表明，抗旱指数与SOD活性呈显著正相关，与可溶性蛋白含量呈极显著正相关，这表明SOD活性和可溶性蛋白含量可能是评价地黄抗旱性的关键指标。

聚类分析表明，16份怀地黄种质资源共分为4个类群，其中，类群Ⅰ的北京1号和狮子头为强抗旱种质资源，类群Ⅱ的金线钓鱼为较抗旱种质资源。抗旱等级排序和抗旱指数D值大小排序结果一致。

植物在不同生育期受到干旱胁迫后，其抗旱性是否表现的一致，会因植物种类的不同而变化。苗昊翠等研究了2个花生品种不同生育期的抗旱性，结果表明花育25号在4个不同生育期的抗旱性均高于花育33号[32];李显航等研究了7个烟草品种不同生育期的抗旱性，研究表明不同品种在不同生育期抗旱性不同[33];张龙龙等研究发现，6个小麦品种在不同生育时期抗旱性不同[34]。本研究主要是对怀地黄种质资源苗期抗旱性进行比较。因此，怀地黄种质资源不同生育时期的抗旱性是否一致，不同生育期受到干旱胁迫后对产量和品质的影响程度如何，均需进一步研究。

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