芜菁苗期抗旱性鉴定及抗旱指标的评价

高亚宁，张凯浩，杨鸿基，马新超，轩正英

(1. 塔里木大学 园艺与林学学院，新疆阿拉尔 843300；2. 塔里木大学 南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室，新疆阿拉尔 843300)

芜菁(BrassicarapaL)别名蔓菁、圆根、盘菜等，由油用亚种演化而来[1]，隶属于十字花科芸薹属。目前新疆部分地区大面积种植，维吾尔语又称为恰玛古，是生长在新疆天山南部、塔里木盆地西北[2]，罕见的红色沙漠长寿区的一种具有药用、饲用、食用三大应用价值的草本植物[3]。但是由于新疆属于极旱地区降水量少、土地沙漠化严重、日照时间长、水分蒸发量大并且大多数土地为山脉、戈壁和沙漠[4]，使得芜菁受干旱影响较为严重。干旱胁迫抑制植物的生长发育、影响根和叶的生长形态、降低作物的产量和品质、影响植物的光合作用、破坏植物的膜结构以及使活性氧含量增加，严重时导致植物的死亡[5-7]。故对提高植物的抗旱性以成为国内外学者研究探讨的重要课题，并早已对芸薹属植物的抗旱性进行了大量的研究。Jabeen Munifa等[8]研究表明干旱胁迫导致芜菁的生长量(根和茎的干质量与鲜质量、根长与茎长)、色素含量(叶绿素a,b和总叶绿素)、总酚和抗坏血酸含量减少，显著增强了芜菁叶片与根部的游离脯氨酸、甜菜碱、丙二醛、过氧化氢的含量以及提高了其过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性。由于作物的抗旱性是一个复杂的性状，不同性状对干旱胁迫的敏感度不同，响应干旱胁迫的机制不同，故很难评估[9]。通常测定多个性状指标，结合抗旱系数、主成分分析、隶属函数法、灰色关联度分析和回归分析等多元统计分析的方法进行综合评价。这些分析方法已经在油菜和白菜等芸薹属植物抗旱研究中得到成功的应用[10-13]。黄倩等[14]结合抗旱系数与隶属函数法进行油菜苗期抗旱性鉴定，筛选出了8个抗旱品种，同时表明相对含水量、地上鲜质量、地上干质量、地下鲜质量、地下干质量、CAT、POD和脯氨酸均可以作为油菜苗期抗旱性鉴定的辅助指标。左凯峰等[15]采用相关分析、主成分分析和通径分析等方法表明，可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和离体叶片保水力等性状可作为甘蓝型油菜抗旱性苗期鉴定的指标。

虽然当前在芜菁的营养品质、遗传多样性和非生物胁迫等多方面都开展了大量的研究，但鲜有关于芜菁耐旱性方面的研究。因此本试验对42份芜菁种质的苗期生长和生理指标的测定，采用抗旱系数、基于主成分分析和权重分析的加权隶属函数值和回归分析等方法对抗旱性进行综合评价。从中选出抗旱性强的品种，以此为后续研究芜菁在干旱胁迫下的生理生化响应机制和筛选相关抗旱基因以及育种提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为塔里木大学南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室收集和保存的42份芜菁种质，其中包括新疆21份，河北7份，河南4份，山东3份，天津2份，北京1份，黑龙江1份，浙江1份，云南1份，福建1份，供试材料详见表1。

表1 供试品种及其来源

1.2 试验方法

采用土壤自然干旱的试验方法。42份芜菁材料，每个品种选取100粒种子统一播种于装有130 g基质的营养钵中，育苗基质为混合基质，以草炭、蛭石和园土按2∶2∶1体积混合，育苗期间采取正常管理。待幼苗长至四叶一心时，采用自然干旱的方法进行干旱处理。共设置对照组和干旱组2个处理，分3次重复，每个重复16株。对照组：土壤相对含水量保持在60%～70%[8]；干旱组：干旱处理前浇一次透水，之后不再浇水让其自然干旱。直到其全部品种表现出旱害症状且差别明显时试验结束，进行旱害指数观测，并立即对植株进行复水，复水1 d后进行恢复指数的 观测。

1.3 指标测定

1.3.1 抗旱指数的分级与测定 参照肖庆生[16]的方法并进行适当修改，根据干旱胁迫下芜菁幼苗生长及叶片萎蔫干枯等特征，将芜菁旱害等级分为5级，各级标准如下(表2)。

表2 旱害调查分级

抗旱指数(DRI)=1-[(1×S2+2×S2+3×S3+4×S4)/(调查的总植株数×4)]；其中S1、S2、S3、S4分别代表1～4级干旱的芜菁植株数。参照肖庆生[16]的分类标准并略有改动。

1.3.2 恢复指数的分级与测定 恢复指数分级与测定标准参照韩瑞宏等[17]与王红飞等[18]的方法并适当修改，恢复指数=1-[(1×S1+2×S2+3×S3+4×S4)/(调查的总植株数×4)]；其中S1、S2、S3、S4分别代表1～4级的芜菁植株数(表3)。

表3 恢复级别调查标准

1.3.3 生长和生理指标的测定 干旱10 d后采用组内随机取样的方法，每个处理选取20株幼苗用于生长指标的测定，分别测定其株高(基质表面到生长点的高度)和茎粗(以第1节位近子叶部为准)，用电子天平测量每5株幼苗地上和地下部分的干质量和鲜质量，每个处理3次重复并计算单株根冠比；每个处理剩余5株采用万深LA-S植物图像分析仪测定其第三片长势一致的叶面积。

选取植株第3片叶片测定其生理指标，每个重复10片，共重复3次。采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量，丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸法，游离脯氨酸含量采用茚三酮比色法测定[19]。

1.4 数据分析

采用Microsoft excel 2019软件进行数据初步整理，用Spss 25.0软件对试验数据进行分析。采用郭雪松[20]的方法，利用式(1)计算株高、茎粗、叶面积、根冠比，叶片可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量的抗旱系数,利用式(2)计算丙二醛含量的抗旱系数。

Xij=tij/Tiji= 1,2,3…,nj= 1,2,3…,n

(1)

Xij=Tij/tiji= 1,2,3…,nj= 1,2,3…,n

(2)

式(1)～(2)中：Xij为第i个材料第j个性状的耐旱系数值，tij为干旱组第i个材料第j个性状的测定值，Tij为对照组第i个材料第j个性状的测定值，n为材料数，m为性状数。

加权隶属函数值的计算公式[21]：

μ(Xj)=(Xj-Xmin)-(Xmax-Xmin)

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中：j取1到n的值；Xj和μ(Xj)分别代表第j个综合指标的主成分值和隶属函数值；Xmax和Xmin分别表示第j个主成分的最大值和最小值；Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；Pj表示通过主成分分析后所得的第j个综合指标的贡献率；D表示芜菁苗期品种在干旱条件下由综合指标计算所得的抗旱综合评价值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对芜菁苗期生长指标的影响

由表4可得，干旱组和对照组各性状在材料间以及在处理组间均表现出极显著差异。图1分析比较了各个指标在42份芜菁资源中的分布规律及遗传差异，结果表明大多性状的变化量总体频次变异表现为近似正态分布。综上可以看出，本研究选用的试验材料广泛，代表性强。

由表4和图1可以看出，与对照组相比，干旱胁迫下芜菁苗期的株高、茎粗、叶面积和根冠比均呈现出下降的趋势。其中茎粗表现出极显著下降趋势，降幅最大，达到了31.63%，最大变化量为1.75 cm，最小为-0.24 cm。叶面积和根冠比也均呈极显著下降趋势，降幅分别达到了29.14%和26.05%，其中叶面积的最大变化量为15.53 cm2，最小为-4.24 cm2，根冠比的最大和最小变化量为0.147和-0.057。株高在对照组和处理组之间的差异不显著，降幅为10.04%，最大和最小变化量为2.03 cm和-0.78 cm。这表明在干旱胁迫下植株出现严重缺水，影响植株正常生长。干旱胁迫处理过程中，干旱组幼苗叶片逐渐发生不同程度的萎蔫和卷曲、叶片变小和老叶变黄干枯，同时各材料干旱组植株变的矮小和瘦弱，生物量明显降低。此外相比于对照组，干旱胁迫下可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸和可溶性糖含量逐渐升高且均出现极显著差异。脯氨酸含量相比于对照组的增幅最大为344.31%，最大和最小变化量分别为1.31 mg·g-1和-1.05 mg·g-1。可溶性蛋白、可溶性糖和丙二醛的含量平均增加了58.11%、73.45%和115.76%。由此说明干旱胁迫严重影响芜菁苗期的正常生长且不同芜菁种质应对干旱胁迫的生理变化不同，同时初步判断所测性状均可用于耐旱性鉴定。

图1 干旱胁迫下芜菁苗期各性状的变化

表4 干旱胁迫下芜菁苗期性状

2.2 芜菁苗期各生理指标抗旱系数间的相关性分析及通径分析

表5将各个性状指标的抗旱系数与抗旱指数和恢复指数进行相关性分析表明，干旱胁迫下，不同芜菁苗期的抗旱指数与株高(0.62**)、茎粗(0.63**)、根冠比(0.31*)、可溶性蛋白(0.31*)、可溶性糖(0.34**)、脯氨酸(0.31*)和恢复指数(0.74**)呈显著的正相关性，与丙二醛(-0.30*)呈显著的负相关性，但与叶面积相关性不显著；此外茎粗与根冠比和可溶性蛋白呈极显著相关，株高与茎粗、可溶性糖与脯氨酸呈显著正相关性；丙二醛与茎粗、可溶性蛋白和可溶性糖呈显著负相关性；同时可以看出叶面积与其他指标相关性不显著。以上结果表明，株高、茎粗、根冠比、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、抗旱指数和恢复指数均可以作为鉴定芜菁苗期抗旱性的辅助指标。

表5 各性状指标抗旱系数间的相关性

对8个生理指标与抗旱指数进行通径分析表明(表6)，各生理指标对抗旱指数的直接贡献大小为株高(0.356)>茎粗(0.279)>可溶性糖(0.153)>脯氨酸(0.133)>根冠比(0.088)>叶面积(0.085)>可溶性蛋白(0.054)>丙二醛(|-0.038|)。8个生理指标对抗旱指数的间接综合效应的顺序为茎粗(0.359 6)>可溶性蛋白(0.268 4)>株高(0.267 0)>根冠比(0.244 2)>丙二醛(|-0.199 1|)>可溶性糖(0.091 4)>脯氨酸(0.043 6)>叶面积(0.015 1)。除丙二醛为负效应，其余指标均为正效应。综合上述各指标抗旱系数间的相关分析和通径分析可得，株高、茎粗、根冠比、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸能作为芜菁苗期抗旱性鉴定的指标，可进一步进行主成分分析。

表6 生理指标对抗旱指数的通径系数

2.3 芜菁苗期抗旱生理指标的主成分分析

为了更充分揭示不同芜菁种质苗期各抗旱指标的变异特征值，便于进一步确定和评价抗旱鉴定的指标，基于各性状的抗旱系数值，对上述9个指标进行了主成分分析(表7)。由此可得，前3个因子的累计贡献率达到了67.204%，贡献率分别为36.233%、16.231%和14.740%。说明这3个主因子涵盖原始数据的大部分信息，故可以作为分析数据的有效成分。

表7 各性状指标主成分分析的特征向量

主成分1在株高、茎粗和抗旱指数与恢复指数具有较高载荷量，且其特征值和抗旱指数特征值均为正值，故该因子为生长因子，芜菁苗期生长表型越好，抗旱性越强；主成分2在脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖具有较高载荷量，且特征值均为正值，抗旱指数的特征值也为正值。说明该主成份为渗透调节因子，且可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸有利于芜菁苗期抗旱性的提高；主成份3只包括丙二醛，特征值为正值，但抗旱指数的特征值为负值。表明该因子表示细胞膜损伤的程度，丙二醛含量越高，芜菁苗期抗旱性越差。

2.4 芜菁苗期抗旱性的综合评价

在获得主因子特征向量的基础上，利用模糊隶属函数法，计算加权隶属函数值，作为综合抗旱性度量值(D)，由此可比较准确地评价芜菁品种的抗旱性，D值愈大，其抗旱性愈强。如表8所示，依据黄倩等[14]的分类方法并进行适当修改，将42份芜菁品种分为3大类，以0.7为阈值，将D值大于0.7的划分为抗旱型品种，D值小于 0.4的划分为干旱敏感性型品种，将D值介于两者之间的归为中度抗旱型品种。故由此可得，42份材料中有5份归为苗期抗旱型品种、27个苗期中度抗旱型品种和12份苗期干旱敏感型品种，其中W29抗旱性最强，隶属函数值达到0.827。

2.5 芜菁苗期抗旱性鉴定回归方程的建立

通过逐步回归分析，将D值作为因变量，各抗旱指标的抗旱系数作为自变量。将各指标抗旱系数作为自变量建立抗旱性评价的数学模型，D值作为因变量，得出了其中最优的逐步回归方程：Y=-0.035+0.288X1+0.077X2+0.132X3+0.011X4+0.336X5。方程中X1、X2、X3、X4、X5分别表示为茎粗、根冠比、丙二醛、脯氨酸、抗旱指数。方程的决定系数为0.988 3，且达到了及极显著水平，说明回归方程最优,模型拟合度好，预测精度高。通过回归方程得出预测D值，将预测D值与通过计算得出的D值进行相关性分析，两者存在极显著相关性(0.99*)，同时如表8所示综合评价D值与预测D值的抗旱性排序几乎一致。表明可以用这个回归方程来预测不同芜菁材料苗期的抗旱性，茎粗、根冠比、丙二醛和脯氨酸可以作为芜菁苗期抗旱性鉴定的主要指标。

表8 芜菁苗期抗旱性综合性评价

3 讨论与结论

干旱是影响芜菁生长发育和产量品质的重要非生物胁迫因子之一。本试验发现干旱胁迫使芜菁苗期的株高、茎粗、叶面积和根冠比显著降低，同时使其可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量显著升高。这与Jabeen Munifa等[8]的研究结果一致。关于作植抗旱性的评价指标有产量指标、生理指标和外观形态指标，且干旱胁迫下植物的外观形态和其内在生理活动有一定关联，两者相互制约[22]，致使不同植物抗旱性评价指标有所不同。故其抗旱性鉴定指标要综合选择，同时Ma等[23]发现渗透调节物质可作为作物抗旱指标之一。本试验与上述结论相呼应，通过相关性分析和通径分析发现，除叶面积外其余指标间均存在显著相关性并且叶面积对抗旱指数的贡献较小，又结合回归分析的结果发现茎粗、根冠比、丙二醛和脯氨酸可作为芜菁苗期抗旱性评价指标，株高、可溶性蛋白和可溶性糖可作为辅助指标。在抗旱性评价方法上越来越多的学者采用了多指标综合评定的方法来判断供试材料的抗旱性大小。前人在油菜[24-26]上、向日葵[27]上、大豆[28]和花生[29]上先后结合抗旱指数、主成分分析、隶属函数法和回归分析等进行抗旱性综合评价。李忠旺等[30]研究显示抗旱系数(CDC)、综合抗旱指数(CDI)、综合抗旱隶属函数值(CDM)和抗旱性综合度量值(D)等4种抗旱性综合评价体系所得的抗旱性鉴定结果基本一致。本研究与前人研究方法相类似，采用抗旱指数、抗旱性综合度量值(D)和回归分析等方法筛选出5个抗旱性强的品种，有效避免了单一评价方法的局限性。

综上所述，本试验研究表明干旱胁迫使芜菁苗期的株高、茎粗、叶面积和根冠比显著降低，并使其可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量显著升高；同时茎粗、根冠比、丙二醛、和脯氨酸可作为芜菁苗期抗旱性鉴定的主要指标，株高、可溶性蛋白和可溶性糖可作为辅助指标；本试验通过自然干旱法筛选出5个苗期抗旱型品种，27个苗期中度抗旱型品种和12个苗期干旱敏感型品种，其中来自新疆的‘恰玛古’(W29)的抗旱性最强；并通过逐步回归分析建立了初步预测芜菁苗期抗旱性的回归方程。