第十四轮甘蔗区试品种抗旱性比较

刘硕，樊仙，全怡吉，杨绍林，李如丹，邓军，张跃彬

（1.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远 661699；2.云南大学资源植物研究院，昆明 650000）

0 引言

甘蔗是主要的糖料作物和能源作物，中国是世界第三大甘蔗种植国家，其中广西和云南的甘蔗种植面积占全国90%以上[1]。云南甘蔗种植主要集中于旱坡地，气候变化所导致的干旱加剧及水资源短缺，严重影响了甘蔗产业的发展[2]。品种区域化试验是新品种选育过程中的重要步骤，对参试品种的抗旱性评价对指导新品种因地制宜地推广应用有着重大意义。近年来，国内外对于甘蔗遭受干旱胁迫的研究越来越深入[3-6]。由于单一指标并不能客观体现甘蔗抗旱性的强弱，有学者通过统计分析方法将不同指标相结合，对甘蔗抗旱性进行评价。田春艳等[7]利用抗旱系数（DC）、隶属函数及灰色关联度等方法对‘云瑞’创新亲本进行抗旱性评价，并明确了抗旱性评价的关键指标；王尊欣等[8]结合主成分分析、聚类分析等方法对广东省7个区试品种的抗旱性进行了划分；边芯等[9]通过聚类分析将持绿型割手蜜的抗旱能力划分为3类；李晓君[10]、杨建波[11]、兰婧[12]、杨海霞[13]等通过测定甘蔗叶片含水率、叶绿素含量、抗氧化酶活性、渗透物质含量对甘蔗抗旱性进行评价，说明这些可作为甘蔗抗旱性评价的优良指标。第十四轮全国甘蔗区域化试验品种在全国各地区均有种植，目前关于其生长和产量相关的研究较多[14]，对其抗旱性研究较少。为进一步探索区试品种在干旱胁迫下的生长表现与抗旱能力，本研究对14 个甘蔗区试品种在人工气候温室内采用控水法，分析甘蔗伸长期形态及生理指标的变化并进行抗旱性评价，为甘蔗抗旱品种的鉴定、选育以及推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用第十四轮区试品种‘云蔗11-1074’、‘云瑞12-263’、‘福农10-0574’、‘中蔗6 号’、‘桂糖13-386’、‘福农10-14405’、‘海蔗28 号’、‘粤甘51 号’、‘粤甘52 号’、‘粤甘53 号’、‘柳城09-19’、‘中蔗13 号’、‘中糖13-01’和对照品种‘新台糖22号’共14个参试品种，由云南省农业科学院甘蔗研究所提供。

1.2 试验方法

试验于云南省开远市云南省农业科学院甘蔗研究所抗旱育种温室中进行。将试验材料进行桶植（规格为Φ 40 cm×h 35 cm），每桶分别种植4个单芽，出苗后选取健康蔗苗定苗3 株进行常规管理。于2020年9月甘蔗伸长期时对长势一致的甘蔗开始进行干旱胁迫处理，设置干旱处理（DS）和正常浇水（CK）两个处理，每个处理设置3次重复。

1.3 测定项目与方法

在干旱处理的第6天，盆中土壤含水量平均值为18.4%，占田间持水量的43%，达到中度水分胁迫。测定植株的9项指标：株高、绿叶率、叶片含水率、叶绿素含量（SPAD）值、叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）、丙二醛（MDA）。叶绿素含量采用手持SPAD-502 测定+1叶SPAD值。叶片相对含水率使用称重法测定，SOD活性用WAT-8法测定[15]，POD活性用微量法测定[16]，CAT用钼酸铵比色法测定[17]，MDA 含量用硫代巴比妥酸法测定[18]，GR 活性采用试剂盒进行测定。在每个时期取样前测量株高并记录绿叶数。

1.4 统计分析

采用Excel整理数据，SPSS25.0软件进行统计分析，Origin2019软件进行图片处理。

1.4.1 差异显著性检测

参照罗俊杰等[19]的方法，采用配对处理t检验对对照组、干旱组各指标测定值进行差异显著性检测。

1.4.2 计算抗旱系数和抗旱指数

1.4.3 计算各综合指标的权重

式中，wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的权重；通过主成分分析计算得出各综合指标贡献率pj，表示第j个指标在所有指标中的重要程度。

1.4.4 计算参试材料的综合指标值

1.4.5 计算参试材料隶属函数值

式中，Xi表示第i个参试材料隶属函数值；Ximin和Ximax分别为综合指标的最小值和最大值。

1.4.6 计算参试材料的综合抗旱能力

式中，Di表示第i个参试材料在干旱胁迫下用综合评价指标所得的抗旱性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 正常供水与干旱胁迫下甘蔗各指标测定值分析

由表1可以看出，干旱胁迫下甘蔗的形态以及生理特征指标发生了变化，干旱对于甘蔗植株生长有一定影响，14 个品种株高平均值相差14.77 cm；不同甘蔗品种的绿叶率均受到一定影响，其中‘柳城09-19’绿叶率降幅最大，降至22.98%，‘福农10-14405’绿叶率最高，在干旱胁迫下仍保持98.52%；14个甘蔗品种叶片相对含水率在干旱胁迫下有着不同程度的降低，其中‘柳城09-19’的叶片含水率降幅最大，仅为16.94%；SPAD为叶片叶绿素含量，‘福农10-14405’干旱胁迫期间SPAD 值最高，‘桂糖13-386’最低，这与绿叶率表现相一致，‘粤甘52号’的SPAD 值降幅最大；在干旱胁迫下，活性氧的增加导致抗氧化酶（SOD、POD、CAT、GR）活性发生变化，变化水平因品种而异。14个品种中有6个品种SOD活性增加，10个品种POD 活性增加，12个品种CAT活性增加，11 个品种GR 活性增加；MDA 作为体现胁迫时所受伤害的重要指标，值越高表示甘蔗细胞受损程度越严重，可以看出在干旱胁迫下‘粤甘51 号’的MDA 含量最高。不同品种的单一指标在干旱胁迫下的变化并不能完全展示甘蔗的抗旱能力，因此需要使用其它分析方法对抗旱性进行检验和评价。t检验结果表明干旱胁迫对参试甘蔗品种各项指标的测定值有着较大的影响，除SOD 表现出不显著外，绿叶率、叶片相对含水率、SPAD 值、CAT 活性和株高这5 个指标中正常供水与干旱胁迫两处理间均达到极显著差异（P＜0.01），POD、GR 活性和MDA 含量这3 个指标中两处理间达到显著差异（P＜0.05），说明达到了较好的干旱胁迫效果。由于同一参试品种其不同生理形态指标的抗旱系数和同一生理形态指标下不同参试品种的抗旱系数都有着不同幅度的变化，因此不能直接将抗旱系数作为参试品种抗旱性的评价标准，因此我们选择了抗旱指数（表2）来对14 个品种的抗旱性进行评价。可以看出‘云瑞12-263’有3 个指标为最大值、‘福农10-14405’有2个指标为最大值，‘柳城09-19’有4个指标为最小值。

表2 参试品种指标的抗旱指数Table 2 Drought tolerance coefficient of the tested varieties

表1-1 正常供水与干旱胁迫条件下各指标测定值差异性分析Table 1-1 Difference analysis of measured values of each index under normal water supply and drought stress conditions

表1-2 正常供水与干旱胁迫条件下各指标测定值差异性分析Table 1-2 Difference analysis of measured values of each index under normal water supply and drought stress conditions

2.2 主成分分析

以参试品种干旱胁迫下指标的隶属函数值为基础进行主成分分析，由表3可以看出前5个主成分累计贡献率为84.11%。所以可将原来9个抗旱指标转换为5 个新的相互独立的抗旱性综合指标（以F1、F2、F3、F4、F5 表示）。在第1 主成分中，POD、CAT、GR 和MDA 有着较大的载荷量；在第2 主成分中，绿叶率和叶片相对含水率有着较大的载荷量；在第3 主成分中，株高有着较大的载荷量；在第4主成分中，SOD 有着较大的载荷量；在第5 主成分中，叶绿素含量有着较大的载荷量，可以总结为形态因子、调控因子和伤害因子。这表明，株高、绿叶率、叶片含水率（形态因子）、抗氧化酶活性（生理调控因子）、丙二醛含量（伤害感受因子）均可以作为区试品种甘蔗抗旱性的评价指标。

表3 主成分的特征向量及贡献率Table 3 Eigenvectors and contribution rate of principal components

2.3 综合评价

2.3.1 隶属函数分析

根据干旱胁迫下指标的隶属函数值计算参试品种的综合指标CIj，再将CIj进行隶属函数计算出对应隶属函数值μj。由表4 可以看出在干旱胁迫下，‘海蔗28 号’的μ1最大，值为1.0000，表明‘海蔗28 号’在综合指标CI1上具有较强的抗旱性；‘福农10-14405’的μ1最小，为0.0000，说明‘福农10-14405’在综合指标CI1上具有较差的抗旱性。μ2、μ3、μ4、μ5的最大值分别对应‘福农10-14405’、‘云瑞12-263’、‘粤甘52 号’和‘福农10-14405’。μ2、μ3、μ4、μ5的最小值分别对应‘海蔗28号’、‘粤甘52号’、‘海蔗28号’和‘粤甘52号’。

表4 参试品种的综合指标值、隶属函数值和D 值Table 4 Comprehensive index value,membership function value and D value of the tested varieties

2.3.2 权重测定

依据表3 中各项指标的累计贡献率，可以算出前5 个指标的贡献率分别为32.44%、16.52%、16.19%、10.72%和8.24%，使用公式（3）求出5个综合指标的因子权重分别为0.386、0.196、0.193、0.127、0.098。

2.3.3 综合评价

根据公式（7）计算出各参试品种的综合抗旱能力D值。通过从大到小排序从表4可以看出，作为目前我国主要栽培品种‘新台糖22 号’，其抗旱能力强于11 个参试品种。依据D值，14 个品种抗旱能力从强到弱综合排序为：‘云瑞12-263’（0.8113）＞‘福农10-0574’（0.6091）＞‘新台糖22 号’（0.5872）＞‘福农10-14405’（0.5807）＞‘云蔗11-1074’（0.5733）＞‘海蔗28 号’（0.5628）＞‘中蔗6号’（0.5539）＞‘粤甘52号’（0.5503）＞‘桂糖13-386’（0.4820）＞‘中糖13-01’（0.4811）＞‘粤甘53 号’（0.4155）＞‘粤甘51 号’（0.4110）＞‘柳城09-19’（0.4009）＞‘中蔗13号’（0.3862）。

3 讨论

在对植物抗旱性进行评价时，单一指标已经不能客观说明植物的抗旱表现。以多种分析方法相结合评价植物的抗旱性已经被越来越多的学者所运用，在甘薯[21]、棉花[22]、咖啡[23]、菊花[24]等各种类型的植物中均被广泛采用。在干旱胁迫时，植物的形态指标往往能够体现出植株的受害程度，本研究中叶片绿叶率与叶片含水率为第二主成分中的两个代表指标，不同甘蔗品种绿叶率的变化有着巨大差距，叶片是植物进行光合作用和呼吸的重要场所，绿叶数高的甘蔗品种，能够保持较好的物质转换能力以满足自身生理需求，减少干旱胁迫带来的伤害。植物细胞的水分主要由自由水和结合水组成，叶片含水率较高的甘蔗品种，能够在干旱胁迫下维持细胞内部的稳态，保持正常的生理生化反应进行并及时对干旱胁迫做出响应。有研究表明叶片含水率可作为甘蔗抗旱评价的重要指标[10]。叶绿素是光合作用的重要物质，有研究表明抗旱性强的甘蔗品种具有较好的叶绿体结构[25]。在本研究中‘福农10-14405’在干旱胁迫处理中叶片SPAD 值最高，其抗旱综合排序为第4。在植物遭受到胁迫时，往往会产生活性氧（ROS），如果不及时清除则会对植物正常生长造成严重影响[25]，此时抗氧化酶对清除活性氧发挥着巨大作用。本研究表明在干旱胁迫下SOD、POD、CAT 和GR 的活性均有所增加，因品种不同而增加幅度各异。由于细胞在干旱胁迫下受到伤害，大部分参试品种MDA 含量要高于对照处理。

‘新台糖22 号’作为我国栽培面积较广的品种，具有一定的抗旱性[27]，在本研究中‘新台糖22 号’抗旱性排序第3。有研究认为GR含量与植物抗旱性相关联[28]，本研究中‘新台糖22号’在干旱胁迫下GR 含量较CK提升较大。与‘新台糖22 号’号相比，‘云瑞12-263’抗旱性排序第1，主要是由于其有着较高的叶片含水率和抗氧化酶活性，对干旱胁迫有着较快的反应；‘福农10-0574’在排序中排名第2，该品种具有较高的绿叶率、叶片含水率和叶绿素含量；但是株高偏低。其它抗旱性排序较低的品种普遍绿叶率较低、叶片受伤害比较严重、叶片含水率低以及抗氧化酶活性提升较小。本研究从干旱伸长期出发，研究中等干旱条件下甘蔗的抗旱能力。有研究表明，不同时期的抗旱性评价会导致植物抗旱排名出现变化[29-30]。甘蔗的抗旱性分析是从多角度出发的，品种的不同以及评价指标、评价方法的不同均会导致抗旱性排名出现小幅度的改变。

国家品种区域化试验是品种选育、筛选和检验的重要方法。通过对区试品种的调查和分析，检验不同地区品种的生长趋势，对于我国甘蔗品种发展有着重要意义。本研究所选指标间对照与干旱处理均存在极显著差异，说明指标在干旱胁迫下较为敏感，可以作为抗旱能力的评价条件。通过主成分分析将9个指标转换为5 个新的综合指标，根据5 个因子的载荷量，可以将其归纳为形态因子、生理调控因子和伤害感受因子三类，这三类因子与甘蔗抗旱能力息息相关。本研究采用隶属函数分析，结合因子分析计算出综合抗旱度量值D，根据D值对参试品种抗旱能力进行了排序。本研究在云南省开远市进行，由于各品种的生长时期和对气候条件适应程度不同，本研究仅针对参试品种各生理相关指标结果进行了分析和排序，各品种的抗旱能力应进一步结合大田试验中产量和质量等进行综合分析。

4 结论

通过对干旱胁迫下甘蔗株高、绿叶率、叶片含水率、叶绿素含量（SPAD）、SOD 活性、POD 活性、CAT、GR活性和MDA 含量的研究分析，参试的14 个甘蔗品种在本试验中的抗旱性综合排序为：‘云瑞12-263’＞‘福农10-0574’＞‘新台糖22 号’＞‘福农10-14405’＞‘云蔗11-1074’＞‘海蔗28 号’＞‘中蔗6 号’＞‘粤甘52号’＞‘桂糖13-386’＞‘中糖13-01’＞‘粤甘53号’＞‘粤甘51号’＞‘柳城09-19’＞‘中蔗13号’。