基于生物产量的甜高粱耐旱性鉴定

杨斌，高丽娜，王梦如，胡文明，徐翠莲

（塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

科学家们围绕剖析作物应对干旱胁迫的耐旱机制，包括实施基因组学和分子生理战略等，为了进一步解开复杂的多层抗旱机制，开展了大量的研究工作[1-2]。干旱胁迫下，小麦的株高以及亩产量受到显著限制［3］，水稻不同生育时期生长特性均受影响，包括分蘖减少，空粒增多，产量下降［4］，玉米则表现为株高降低、穗位高降低、穗粒数减少、穗粒重变轻、产量降低［5］。甜高粱作为高粱的一个变种，生长速度快，产量高，是一种耐旱性较强的作物，同时具有耐盐碱、耐高温、耐贫瘠等优良特性［6］。甜高粱茎秆含有较高的糖分，可为人类提供食物，为开发生物能源提供更廉价的可再生资源，用于酿酒、制糖等，是全球重要的能源作物之一［7-8］。山仑等［9］表示高粱的耐旱性显著高于牧草苜蓿。李文娆等［10］利用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）溶液模拟干旱胁迫对紫花苜蓿种子和高粱种子的萌发能力以及萌发环境的最低萌发需求进行研究，结果表明两种作物的种子出苗期对水分需求最为敏感，种子萌发活力和吸水速率等指标随着胁迫强度的增加而下降，根芽比则随之呈现增加趋势，且紫花苜蓿的耐旱性不及高粱的耐旱性强。冯晓东等［11］研究PEG模拟干旱对甜高粱幼苗生长及抗旱性的影响，结果表明，干旱胁迫条件下甜高粱幼苗鲜重、苗高、叶长均有较大幅度的下降，在30%PEG处理后，甜高粱幼苗生长受到明显影响，植株变矮、叶片干枯且有严重的倒伏。袁闯等［12］通过主成分分析，将28份甜高粱品种分为不同的抗旱等级，进一步诠释了甜高粱的株高以及茎粗和叶面积对干旱胁迫敏感程度存在差异。赵香娜等［13-14］对国内外206份甜高粱种质资源做了相关性分析，发现单株鲜茎重与全生育期呈极显著正相关，生育期长短可作为选育高产品种的参考指标。

作物耐旱性是个复杂的数量性状，基于生物产量而计算得到的耐旱指数多达10余种，不同的耐旱指数往往存在较高程度的相关性，如何衡量各耐旱指标的信息对甜高粱的耐旱性进行准确的评定显得尤为重要。本试验以400份甜高粱种质为研究对象，采用田间耐旱鉴定在甜高粱生育中后期进行水分控制，研究不同甜高粱种质在干旱胁迫下的生长发育状况，调查在正常灌水和干旱胁迫处理下的生物产量，并根据两个处理下的生物产量计算相应的耐旱指数，最终通过主成分分析识别相对较为耐旱的甜高粱种质，其结果可为耐旱品种筛选提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为400份甜高粱种质（用代号S001～S400表示），来源于中国、美国、印度等国家，由国家种质资源中期库提供，本课题组繁种保存。

1.2 试验设计

试验于2019年在塔里木大学植物科学学院农学试验站进行，采用随机区组试验设计，安排2次重复。5月1日播种，行长5.0 m，行距0.6 m，株距0.2 m，一叶一心间苗，每穴留苗一株。设正常灌水（对照）和干旱胁迫两个处理，其中对照在甜高粱生育期的苗期（前期）、拔节孕穗期和抽穗开花期（中期）、灌浆成熟期（后期）内正常灌水，而干旱胁迫处理在生育中后期不灌水，即拔节孕穗期和抽穗开花期、灌浆成熟期均不灌水。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 性状测定

参考《高粱种质资源描述规范和数据标准》［15］，于蜡熟期在每个小区的中间行连续取样3株，调查各种质的生物产量。正常灌水和干旱胁迫两个处理下的生物产量分别记为Yp和Ys。

1.3.2 耐旱指数及计算公式

根据Yp和Ys计算相关的耐旱指数，计算式如下：

修正耐胁迫指数（MSTI）：对照和干旱胁迫下分别为MSTI1=K1STI和MSTI2=K2STI。其中K1=为所有种质在正常灌水下的平均生物产量，Yˉs为所有种质在干旱胁迫下的平均生物产量。

耐受力（TOL）：TOL=Yp-Ys

1.3.3 试验结果的处理与分析

利用R（版本为4.0.2）软件的corrplot包进行相关性分析和绘图，FactoMineR包和factoextra包进行主成分分析及双标图绘制。

2 结果与分析

2.1 甜高粱耐旱指标的相关分析及显著性检验

对甜高粱的生物产量Yp和Ys及12个耐旱指数，共计14个耐旱指标进行相关分析，结果表明，这14个指标可聚为明显的三类，第一类包括RDI、YSI、SSI、DI、Ys和YI 6个指标，第二类只有SDI一个指标，第三类包含 GMP、MSTI2、MP、STI、MSTI1、Yp和TOL 7个指标，值得注意的是，Ys和Yp分别归属在不同的类中。大部分指标间表现为较强的正相关关系，SDI与第一类所有指标均呈现较强的负相关关系，而与第三类指标间呈正相关关系（见图1）。

图1 耐旱指标相关系数的系统聚类

相关系数及显著性检验的结果（见图2）表明，第一类和第三类内各指标间均在0.001水平达到极显著，且均为正相关关系，而这两类间的指标呈较弱的相关关系，仅有部分指标在0.05水平达到显著。SDI与 Ys、YSI、SSI、DI和 RDI等指标在 0.001 水平极显著，均为负相关。

图2 各指标间的相关系数及显著性检验

2.2 甜高粱耐旱指标的主成分分析

根据Kaiser-Harris准则和碎石图检验，14个相关的指标可以用两个主成分表示，这两个主成分解释的方差分别占49.5%和38.8%，累积解释方差为88.3%，说明这两个主成分能够表达14个耐旱指标88.3%的变异信息量（见表1和图3）。

表1 耐旱指标主成分的方差解释

图3 耐旱指标主成分分析的碎石图

2.3 各耐旱指标对主成分的贡献分析

各指标对前两个主成分的贡献具有明显的差异，对第一主成分贡献明显的指标有Yp、MP、GMP、TOL、STI、MSTI1和MSTI2，贡献率大小均超过10%，因此这一主成分可以理解为甜高粱的生物产量潜力，第二主成分主要包括Ys、YI、YSI、SDI、SSI、DI和RDI等，第二主成分表示甜高粱的耐干旱胁迫能力（见表2）。

表2 耐旱指数对主成分的贡献

2.4 甜高粱耐旱种质的鉴定

双标图结果显示，大部分甜高粱种质集中在原点附近，在两个主成分上的得分较低，只有少数种质较为分散且离原点较远，在两个主成分上得分较高。第一象限内的甜高粱种质无论在干旱胁迫还是正常灌水条件下，丰产性和稳产性都很好，如‘S104’；第二象限内的种质在正常灌水条件下产量潜力不高，但受到干旱胁迫时产量较稳定，如‘S370’‘S359’和‘S368’；第三象限内的种质在干旱胁迫还是正常灌水条件下，丰产性和稳产性都较差；第四象限内的种质在正常灌水条件下产量潜力较高，但受到干旱胁迫时产量稳定性较差，如‘S102’（见图4）。

图4 品种与指标双标图

3 讨论

作物的耐旱性遗传改良是目前作物育种研究的热点与难点，育种改良的前提是对收集到的种质资源进行耐旱相关性状的鉴定和筛选［1］。本研究利用前期收集到的400份甜高粱种质的耐旱性进行初步鉴定，以期识别耐旱种质为甜高粱种质耐旱性进行改良奠定基础。作物耐旱性可通过温室试验鉴定和田间耐旱鉴定等方法进行。温室试验鉴定的条件相对恒定且较易控制，试验结果也相对稳定。由于作物在萌发期及幼苗期对水分尤为敏感，研究人员通常在温室或实验室内采用渗透调节剂模拟干旱对作物芽苗期耐旱性进行鉴定［11］；田间耐旱性鉴定虽然成本较高，条件也难以控制，但是最终结果反映在产量上，与温室或室内鉴定相比更接近实际，因此，本研究采用田间耐旱鉴定法在甜高粱生育中后期进行干旱胁迫处理，调查研究各种质在正常灌水和干旱胁迫两个处理下的生物产量，以期获得相对可靠的鉴定结果。

作物耐旱性是复杂的数量性状，筛选出适合的评价指标是耐旱鉴定的关键所在。国内外科研人员针对不同作物利用多种方法进行了作物耐旱鉴定指标的筛选。袁闯等［16］研究结果表明，千粒重、单株粒重、穗粒数和穗茎粗可作为甜高粱成熟期的抗旱鉴定评价指标。汪灿等［17］认为，分蘖数、穗粒数和单株粒重可作为酒用糯高粱的抗旱性评价指标。本研究以甜高粱两个处理下的生物产量以及12个耐旱指数，共计14个耐旱指标进行分析，结果发现不同的耐旱指标间往往存在较强的相关性，表明在使用不同耐旱指标进行耐旱种质鉴定过程中具有相似的选择效果，同时，各耐旱指标可聚为不同的类，类内各耐旱指标的相关性较高，而类间各耐旱指标的相关性较弱，这意味着不同耐旱指标在鉴定甜高粱的耐旱性时可能有所差异。如何利用14个耐旱指标的信息对甜高粱的耐旱性进行准确的评定是识别耐旱种质的关键，研究过程中从14个耐旱指标中提取到两个独立的主成分，其累积方差解释为88.3%，能够代表14个耐旱指标88.3%的变异信息量。根据各指标对主成分的贡献分析，大部分耐旱指标对两个主成分的贡献率较大，主要是与耐旱指标间的较强相关性有关，这一结果与相关分析的结果又相互印证。

绘制基于主成分分析的双标图用来鉴定和识别耐旱种质的方法已广泛应用［18］。基于主成分的双标图结果表明，大部分甜高粱种质集中在坐标原点附近，其耐旱性差异不大，但根据双标图可以区分耐旱、较耐旱和不耐旱种质，其中位于第一象限内的甜高粱种质无论在干旱胁迫还是正常灌水条件下，丰产性和稳产性都很好，属于耐旱种质。位于第二象限内的种质在正常灌水条件下产量潜力不高，但受到干旱胁迫时产量较稳定，属于较耐旱种质。位于第三象限内的种质在干旱胁迫还是正常灌水条件下，丰产性和稳产性都较差，均属于不耐旱种质，而位于第四象限内的种质在正常灌水条件下产量潜力较高，但受到干旱胁迫时产量稳定性较差。

4 结论

本研究对甜高粱正常灌水与干旱胁迫下的生物产量Ys、Yp以及12个耐旱指数进行相关分析，结果表明大部分性状指标间呈较强的正相关关系。根据相关系数聚类结果，除第二类与第一类指标呈较强负相关关系外，其余类间均呈正相关关系。主成分分析结果提取到的两个主成分分别代表甜高粱的生物产量潜力和耐干旱胁迫能力，累积解释方差为88.3%。根据双标图结果筛选到高产稳产耐旱种质‘S104’以及较耐旱的三个种质‘S370’‘S359’和‘S368’。