油莎豆种质资源苗期抗旱性鉴定与评价

2022-11-23王亚茹杨向东赵寒冬张原宇杨春明

干旱地区农业研究 2022年6期

王亚茹，杨向东，赵寒冬，牛陆，张原宇，杨春明，任伟

(1.吉林师范大学生命科学学院，吉林四平 136000；2.吉林省农业科学院，吉林长春 130124；3.长春农业博览园，吉林长春 130000)

油莎豆(CyperusesculeutusL.)属莎草科莎草属一年生C4植物，原产于非洲尼罗河流域和地中海沿岸，是一种集粮、油、饲于一体且综合利用价值高、开发潜力大的新兴经济作物[1-2]。油莎豆地下块茎富含淀粉(25%～40%)、油脂(20%～30%)、糖类(15%～20%)、蛋白质(5%～10%)、膳食纤维(8%～10%)等营养物质[3-4]，被誉为“油料作物之王”。此外，作为一种沙生植物，它具有根系发达、分蘖力强、耐瘠薄、病虫害少等特点，是一种优质防风固沙及生态修复植物，对于开发利用沙化土地、荒地、滩涂地等边际土地具有重要战略意义[5-6]。

近年来随着全球气候变化频繁、水资源消耗加剧、水文生态恶化等问题突出，干旱已成为制约油莎豆生长发育的主要非生物胁迫之一。适时开展油莎豆种质资源抗旱性筛选与评价进而选育抗旱新品种迫在眉睫。植物抗旱性不仅受多基因调控，而且是多方面、多层次、多途径综合作用的结果[7]。已有学者采用抗旱性度量值、频次分析、相关性分析、主成分分析、隶属函数、聚类分析、灰色关联度分析、逐步回归等相结合的方法，对玉米[8-9]、小麦[10-11]、大豆[12]、棉花[13]、绿豆[14]、苜蓿[15-16]、柱花草[17]等主要农作物和牧草开展了抗旱性研究并取得诸多进展。这些研究主要针对作物萌发期、幼苗期和成株期的形态特征、超微结构、生理生化、农艺性状进行鉴定评价，但有关油莎豆种质资源抗旱鉴定与评价的研究鲜见报道。

因此，本研究在前期广泛收集国内外油莎豆种质资源的基础上，通过室内盆栽自然干旱的方法，对39份油莎豆种质资源幼苗期的17个形态和生理指标进行测定，并结合综合评价的方法，明确油莎豆主要抗旱指标，划分抗旱等级，筛选抗旱种质资源。研究成果可为进一步选育抗旱新品种及解析其耐旱分子调控机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试油莎豆种质资源39份，其中32份来自国内湖北、河南、江苏、吉林和北京等地区，7份引自国外马里、喀麦隆、俄罗斯和西班牙(表1)。块茎形状有圆粒型(粒径比1.0～1.2)、椭圆型(粒径比1.3～1.5)和长粒型(粒径比>1.5)。块茎颜色主要为黄色和红色。

1.2 试验设计

于2021年7月在吉林省农业科学院温室播种油莎豆块茎，保持基质湿润，待幼苗长到三叶一心时，选取长势一致植株进行移栽。试验花盆直径12 cm，高10 cm，每盆装土0.43 kg，土壤为砂壤土，每盆移栽1株幼苗，土壤最大持水量为45.17%±3.58%。室内生长条件为光照27℃/16 h，黑暗22℃/8 h。设置正常灌溉(CK)和干旱胁迫(T)2个处理，每个处理4个重复，所有植株正常供水，使土壤含水量保持在30.00%±3.00%。正常生长30 d后，CK处理继续正常供水，T处理则停止供水，待自然干旱15 d，土壤含水量降至5.00%±2.00%时，开始测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

处理15 d后，使用土壤水分速测仪(TDR150，Spectrum，USA)测得CK处理土壤水分含量为32.80%±2.37%，T处理土壤水分含量为3.30%±0.68%，测定生物性状指标。

形态指标：参照《牧草种质资源描述规范和数据标准》[18]分别测量株高、叶宽、叶厚、茎粗、分蘖数、根长及地上与地下物质鲜重、干重，并计算总鲜重、总干重和根冠比。

叶绿素：使用叶绿素仪(SPAD-502 Plus,KONICA MINOLTA,Japan)测定油莎豆叶片相对叶绿素含量SPAD值。

枯叶率：采用目测法，计算处理15 d时油莎豆的枯叶率[17]。

组织含水量：参照《牧草种质资源描述规范和数据标准》[18]测定油莎豆叶片水分含量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016进行数据整理，采用SPSS 26.0进行数据统计分析。

分别按照公式(1)和(2)计算干旱胁迫下油莎豆某项指标的抗旱系数(drought resistance coefficient,DC)及综合抗旱系数(comprehensive drought resistance coefficient,CDC)[19]。

表1 供试39份油莎豆种质资源Table 1 Thirty-nine Tigernut germplasm resources collected in this study

DC=干旱胁迫处理值/正常浇水处理值

(1)

(2)

基于以上油莎豆干旱胁迫的DC值，进行相关性分析和主成分分析。按公式(3)、(4)和(5)分别计算因子权重系数(Vi)、各材料各综合指标的隶属函数值[μ(xi)]和抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation value,D)，而后针对D进行聚类分析划分抗旱级别，结合排序和聚类分析结果筛选抗旱种质资源。

(3)

(4)

(5)

式中，Pi为第i综合指标贡献率，表示第i指标在所有指标中的重要程度，xi、xmin和xmax分别表示第i综合指标及第i综合指标的最小值和最大值。

抗旱系数(DC)在一定程度上反映了油莎豆种质资源在干旱胁迫条件下的变化程度。综合抗旱系数(CDC)和抗旱性度量值(D)反映了油莎豆种质的抗旱能力，数值越大，抗旱性越强。

2 结果与分析

2.1 种质资源代表性及其抗旱指标测定值分析

CK处理下39份油莎豆种质资源的变异系数介于0.070～0.880，变化范围较广，说明试验中选用的油莎豆种质材料基因型丰富，代表性较好，能够满足试验要求(表2)。干旱胁迫下，不同种质材料间的变异系数介于0.148～0.584，表明不同油莎豆种质对干旱胁迫的响应程度不同，存在较大变异。与CK处理相比，T处理显著影响油莎豆的表型和生理性状,其中叶宽、叶厚和根长达差异显著水平(P<0.05)，株高、分蘖数、地上干重、地下干重和总干重达差异极显著水平(P<0.01)，说明干旱胁迫处理的试验效果较好，选用的生物性状指标响应敏感。此外，在CK和T两种处理条件下，油莎豆种质生物性状指标的相关系数介于0.035～0.673，进一步表明各测定指标对干旱胁迫的敏感程度存在差异，直接采用各性状指标的测定值很难准确反映39份油莎豆种质资源的抗旱性(表2)。

2.2 抗旱系数与相关性分析

由表3(见 17页)可见，同一指标的DC值在39份油莎豆种质资源间存在明显差异，变异系数介于0.123～0.728。同一种质在17个生物性状指标间的DC值变化较大，说明各个指标的响应程度不同。

抗旱系数相关性分析关系结果表明(表4，见18页)，各指标间存在一定的相关性。其中叶绿素与叶宽、茎粗呈极显著正相关，相关系数分别为0.416和0.431；叶绿素与地上鲜重、总鲜重、组织含水量呈显著正相关关系，相关系数分别为0.369、0.366、0.351；叶宽与叶厚、茎粗、组织含水量呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.469、0.678、0.431；叶宽与根长、地上鲜重、总鲜重呈显著正相关关系，相关系数分别为0.334、0.405、0.365；叶厚与茎粗呈极显著正相关关系，相关系数为0.469，与枯黄绿呈极显著负相关关系，相关系数为-0.472，与分蘖数、地上鲜重、组织含水量呈显著正相关关系，相关系数分别为0.317、0.360、0.349；茎粗与根长、组织含水量呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.515和0.531；茎粗与地上鲜重、总鲜重呈显著正相关关系，相关系数分别为0.358和0.320；分蘖数与枯黄绿呈显著负相关关系，相关系数为-0.403；地上鲜重与总鲜重、组织含水量呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.991和0.672，与地下鲜重呈显著正相关关系，相关系数为0.382；地下鲜重与地下干重、总鲜重、鲜重根冠比呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.489、0.462、0.603，与干重根冠比呈显著正相关关系，相关系数为0.384；地上干重与总干重呈极显著正相关关系，相关系数为0.933，与干重根冠比呈极显著负相关关系，相关系数为-0.509，与地下干重呈显著正相关关系，相关系数为0.405；地下干重与总干重、鲜重根冠比呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.567、0.471，与干重根冠比呈显著正相关关系，相关系数为0.333；总鲜重与组织含水量呈显著正相关关系，相关系数为0.657；总干重与干重根冠比呈显著负相关关系，相关系数为-0.390；根冠比鲜重与根冠比干重呈显著正相关关系，相关系数为0.589。

由此可见，抗旱系数在不同指标间存在相互关联和信息叠加，很难客观准确地反映油莎豆种质资源的抗旱性。

2.3 主成分分析

对油莎豆各性状指标的DC值进行主成分分析，进而获得因子载荷、特征根和贡献率(表5，见19页)。各因子特征值中前5个因子的累计贡献率达到74.174%，且其特征根大于1。这5个因子涵盖原始数据中的大部分信息，可作为油莎豆干旱胁迫的有效成分。在此基础上，提取前5个因子，将原17个指标转换为5个相互独立的抗旱性综合指标(以F1、F2、F3、F4和F5表示)。由表5可见，F1在叶宽、地上鲜重、总鲜重上有较高载荷。F2在地下鲜重、地下干重、鲜重根冠比上有较高载荷，F3在地上干重、总干重、干重根冠比上有较高载荷，F4在根长上有较高载荷，F5在枯叶率上有较高载荷。综合而言，叶宽、枯叶率、根长、鲜重、干重、根冠比可以作为油莎豆种质资源抗旱评价主要指标。

2.4 油莎豆种质资源的综合抗旱性评价

39份油莎豆种质资源的CDC值介于0.570～1.184，平均值为0.925，变异系数为0.137。依据CDC值进行排序，结果表明油莎豆种质资源JYD-1、JYD-14、JYD-39、JYD-21、JYD-34和JYD-28的抗旱性较强，JYD-17、JYD-10和JYD-35的抗旱性较弱，其余种质介于两者之间。此外，39份油莎豆种质资源的D值介于0.765～3.352，平均值为1.730，变异系数为0.347。D值排序结果表明，油莎豆种质资源JYD-39、JYD-34、JYD-3、JYD-28、JYD-4和JYD-7的抗旱性较强，JYD-17、JYD-8和JYD-19的抗旱性较弱，其余种质介于两者之间。CDC值和D值的抗旱评价结果基本吻合。综合二者排序结果可知，抗旱性强的油莎豆种质资源为源JYD-39、JYD-34和JYD-28，抗旱性弱的材料为JYD-17。

表5 供试油莎豆种质各指标主成分向量特征及贡献率Table 5 The eigenvector and contribution rate of the main components for each index of Tigernut accessions

2.5 聚类分析及抗旱级别划分

采用欧式平方根距离对油莎豆种质资源D值进行聚类分析，结果如图1所示，在λ=5处将39份油莎豆种质资源分为4类。其中第1类为抗旱材料，包括JYD-39和JYD-34两份种质，占总数的5.13%，这两份材料的CDC值和D值也较高(表6)，与前述抗旱综合鉴定结果相一致；第2类为中度抗旱材料，包括10份种质，占总数的25.64%；第3类为中度敏感材料，包括16份种质，占总数的41.03%；第4类为敏感材料，包括11份种质，占总数的28.21%。

3 讨论

3.1 油莎豆种质资源抗旱鉴定及抗旱指标筛选

植物的抗旱能力与其所处的发育阶段有关并受多种内在机制调控[20-21]。因此，单凭一种指标来进行抗旱评价是不准确的，此外过多指标虽然可以更全面考量其综合性，但过多的数据导致工作量大，耗时费力。因此选择合理的抗旱指标是抗旱性鉴定的关键，在省时省力的基础上，较为全面的评价其综合抗旱性。

不同作物抗旱指标不同，相关性状的鉴定角度的不同也会影响作物抗旱值。通过形态学指标、产量指标以及生理生化指标间接评价和鉴定植物的抗旱性具有简单、快速和准确的特点，因此被广泛采用[22-24]。王园园等[25]通过隶属函数和方差分析对5个紫花苜蓿种质资源进行综合性抗旱评价，认为在形态指标中茎粗、株高、根长、分枝数、叶片数、根瘤数这6项指标可作为苜蓿抗旱适宜性评价的特征指标。白旭瑞[10]采用隶属函数、主成分分析、相关性分析和聚类分析的方法，测定了190份小麦材料，分析得到在干旱胁迫条件下，株高、最大根长、鲜重根冠比、干重根冠比、苗失水率、根失水率、总根体积、总根长、平均根系直径和根系表面积10个抗旱指标。易津等[26]研究发现，在干旱条件下，赖草属(Leymus)牧草表现出的抗旱能力在不同品种间存在显著差异，其中种苗存活率、株高、根冠比、叶绿素含量可以作为鉴定赖草属牧草品种之间抗旱能力强弱的指标。本研究通过选取株高、叶宽、叶厚、茎粗、分蘖数、枯叶率、根长、地上鲜重、地上干重、地下鲜重、地下干重、总鲜重、总干重、组织含水量、根冠比鲜重、根冠比干重以及叶绿素等17个性状指标进行油莎豆抗旱性评价，表明在干旱胁迫条件下，所有油莎豆种质都会呈现显著受害现象，但受害程度在不同种质资源间存在较大变异，这与前人对其它农作物的研究结果相一致。但是主成分分析结果表明，叶宽、枯叶率、根长、鲜重、干重和根冠比可以作为油莎豆种质资源苗期抗旱评价主要指标，这与小麦、花生、大豆的相关研究结果存在一定差异，说明不同作物对干旱胁迫呈现出一定的种属特异性。

表6 供试油莎豆种质抗旱性评价的CDC值和D值Table 6 The CDC and D values of drought resistance evaluation of Tigernut accessions

图1 基于D值的油莎豆种质抗旱性系统聚类图Fig.1 Clustering analysis of drought resistance coefficient of 39 Tigernut accessions based on D values

3.2 油莎豆抗旱性评价分析方法选取

由于植物的抗旱性受多个基因调控[27]且是多个指标相互表达的结果，因此对植物抗旱性的评价不仅与评价指标的选择密切相关，还需要运用准确恰当的分析方法。已有研究采用多种方法对小麦[28]、水稻[29]等种质资源的抗旱性进行了评价，其中，抗旱性度量值(D)可作为抗旱性评价的优良指标。许爱云等[30]采用隶属函数和主成分分析法对12份草本植物资源开展抗旱鉴定。汪灿等[31-32]在萌发期和成熟期通过隶属函数值、CDC值和D值对50份薏苡种质进行抗旱性评价，并筛选出3份抗旱性强的薏苡种质。本研究在前人研究基础上，采用隶属函数与主成分分析相结合的分析方法求得D值，进而筛选出3份抗旱性强的油莎豆种质资源。

3.3 油莎豆抗旱综合评价

干旱胁迫下，油莎豆在表型和生理性状均会受到影响，通过多个指标综合评价，能够避免单项指标所带来的局限性，可以正确客观地反映油莎豆种质的抗旱能力。本研究采用主成分分析法，将17项指标转换为5个相互独立的指标。运用综合抗旱系数法的同时，采用隶属函数法将其转换成相互独立的综合指标，结合单项抗旱系数、相关分析、主成分分析、聚类分析，对39份油莎豆品种的抗旱性进行综合评价。由于D值是一个无量纲数值，消除了各项指标的单位的影响。以D值为综合指标的评价方法不仅考虑了各个指标间的相互关系，同时考虑了各指标的重要性，能使评价结果更为准确可靠。