李王勝，王雪倩，尹希龍，石 楊，興 旺

（1國家甜菜種質中期庫，黑龍江大學，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室/現(xiàn)代農業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，黑龍江大學，哈爾濱 150080）

0 引言

甜菜是藜科，甜菜屬二年生草本植物，是全球主要的糖料作物之一[1]。甜菜生長中后期抗旱性強但苗期抗旱性弱[2]，中國甜菜主要產地為新疆、黑龍江和內蒙古等降水量少的地區(qū)，因此，在干旱脅迫條件下對甜菜種質資源苗期進行抗旱性研究，有助于促進甜菜種質資源更好地適應干旱環(huán)境提高其生物量產量。

自然環(huán)境對農業(yè)生產造成了許多限制條件，尤其是水分脅迫這個全球性問題[3]，大多數(shù)地區(qū)降水不足，灌溉條件差，不能滿足作物正常需水，水分脅迫會降低作物產量、生物量積累和生長質量[4]，缺水的條件下可能會引起甜菜葉片和根系的一系列形態(tài)變化加速葉部衰老[5-6]。RAHIM等[7]對甜菜研究后發(fā)現(xiàn)干旱脅迫后甜菜的根干重和地上部干重降幅較大；BROWN等[6]研究結果表明干旱脅迫降低了甜菜須根數(shù)和地上部的生長速率并且葉部聚攏；謝小玉等[8]發(fā)現(xiàn)油菜葉片相對含水量對干旱脅迫敏感并在10份種質中篩選出3份抗旱資源；汪燦等[9]在50份薏苡種質中篩選出3份抗旱性強薏苡種質并認為幼苗存活率、株高、葉寬、根長和根鮮重可作為評價薏苡種質資源苗期抗旱性的指標性狀。

中國甜菜主產區(qū)降水量較少，干旱成為限制甜菜生產的主要非生物脅迫因素[10]。苗期鑒定種質資源抗旱性具有快速、方便的特點，目前，關于甜菜種質資源苗期抗旱性鑒定及指標篩選的報道較少。本研究采用PEG-6000對24份甜菜種質資源苗期進行模擬干旱脅迫，并利用綜合評價法對地上部指標：莖粗、株高、葉鮮重、葉干重、葉飽和鮮重、葉片相對含水量；地下部指標：根長、根鮮重、根干重、根冠比等指標進行評價篩選出不同耐旱性的甜菜種質資源和適合評價甜菜苗期抗旱性的快速鑒定指標。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

24份試驗材料由國家甜菜種質中期庫提供，分別來自：荷蘭、美國、俄羅斯、日本、意大利和中國（表1）。

表1 供試種質資源及來源

1.2 試驗處理

本試驗于2021年4—6月在黑龍江大學國家甜菜種質中期庫人工氣候室內進行，每份種質資源挑選50粒飽滿一致的種子，用紗布包裹在75%酒精中浸泡1 min后沖洗干凈，再用2‰福美雙溶液浸泡12 h，次日用流水沖洗后將種子播于蛭石中。

播種后每天噴灑少量水分，第一對子葉完全展開時，每份甜菜種質資源取12株長勢一致的幼苗移栽于24孔裝有霍格蘭溶液的培養(yǎng)盆中，每盆兩份甜菜種質資源，每7天換一次營養(yǎng)液，第2次換營養(yǎng)液時每份甜菜種質資源取6株進行正常培養(yǎng)（CK組），其余6株置于6% PEG-6000霍格蘭溶液中培養(yǎng)（DS組），7天后進行取樣。

1.3 測定項目與方法

地上部指標：根莖分界處直徑即為莖粗；量取植株頂端到根莖分界處即為株高；將葉片沿葉柄頂端剪下稱重即為葉鮮重；將葉片放入烘箱中110℃殺青30 min后80℃烘至恒重即為葉干重；將葉片在蒸餾水中浸泡4 h后稱重即為葉片飽和鮮重；參考李陽陽[11]的方法對葉片相對含水量進行測定。

地下部指標：根莖分界處到根末端的長度為根長；沿根莖分界處剪斷稱取根部重量為根鮮重；將根部與葉部一起烘干后測量根干重；根鮮重/葉鮮重=根冠比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2010和SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行處理與分析，參考蘭巨生[12]、羅俊杰[13]等方法計算各指標的抗旱系數(shù)(Drought resistance coefficient，DC)和抗旱性度量值(Drought resistance measurement，D)。

式中，DSi、CKi分別為各指標干旱處理和對照處理下測定的平均值；xi為各指標干旱系數(shù)，xmin為各指標干旱系數(shù)最小值，xmax為各指標干旱系數(shù)最大值；aij表示各單一指標所對應的特征向量，Xij表示各種質指標經(jīng)過標準化處理的值；Pj為各種質資源第j個綜合指標的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 供試種質資源各指標差異分析

表2為不同甜菜種質資源各指標差異分析結果。干旱脅迫后莖粗、株高、根長、葉鮮重、根鮮重、根干重、葉干重、葉飽和鮮重和葉片相對含水量均顯著降低，根長降幅最低下降幅度為12.32%，葉鮮重降幅最高下降幅度為72.33%；干旱脅迫后根冠比增幅達到162.87%。測定的10項指標在干旱脅迫后均發(fā)生了不同的顯著變化，說明所測定指標可反映不同甜菜種質資源苗期抗旱情況。

表2 CK組和DS組的各指標差異分析

10項指標在正常供水條件下變異系數(shù)范圍在0.037～0.625之間，說明所選甜菜種質資源類型豐富具有良好的代表性；干旱脅迫條件下變異系數(shù)范圍在0.165～0.723之間，說明不同甜菜種質資源對干旱脅迫反應的敏感性差異較大。

2.2 供試種質資源抗旱系數(shù)分析

由圖1可以看出24份甜菜種質抗旱系數(shù)之間存在差異且同一種質資源各指標之間的抗旱系數(shù)不同。24份甜菜種質資源根冠比抗旱系數(shù)在0.822～5.806之間，大部分種質資源根冠比抗旱系數(shù)遠高于其他指標。1號、4號、5號、6號、7號、12號、13號、18號、19號、20號、22號、24號等甜菜種質資源除根冠比外，其他指標抗旱系數(shù)均小于1，說明這些甜菜種質資源的抗旱性較弱，其中由各指標抗旱系數(shù)可知19號、20號、24號甜菜種質資源對干旱反應最為敏感；3號、10號、16號甜菜種質資源一半以上指標的抗旱系數(shù)都大于1，說明這3份甜菜種質資源抗旱性較強，其中10號種甜菜質資源抗旱性最強。但是直接采用各指標抗旱系數(shù)對甜菜種質資源進行抗旱性進行評價很難客觀準確地說明鑒定結果，因此還要進行多指標綜合評價才更加可靠。

圖1 抗旱系數(shù)箱圖

續(xù)表2

2.3 主成分分析

前兩個綜合指標因子1和因子2的貢獻率分別為69.62%和11.88%，累計貢獻率為81.5%＞80%，特征根為λ=1.19＞1，因此可以用前兩個綜合指標代替10個單項指標，可作為數(shù)據(jù)分析的重要依據(jù)。在因子1中莖粗、葉鮮重、根鮮重、根干重、葉干重、葉飽和鮮重等指標的因子系數(shù)絕對值較大，說明該綜合指標主要代表重量指標；在因子2中株高、根長、根冠比、葉片相對含水量等指標的因子系數(shù)絕對值較大，說明該綜合指標主要代表長度和比值指標（表3）。

表3 不同指標抗旱系數(shù)主成分分析

2.4 24份甜菜種質資源抗旱性綜合評價

利用公式(2)計算出各指標抗旱系數(shù)的隸屬函數(shù)值，之后再根據(jù)公式(3)計算出各綜合指標值，最后根據(jù)公式(5)計算抗旱性度量值D。由圖2可知D值介于0.131～2.34之間，其中10號甜菜種質資源抗旱性度量值D值最大為2.34，說明在24份甜菜種質中10號種質綜合抗旱性最強；19號甜菜種質資源抗旱性度量值D值最小為0.131，說明在24份甜菜種質資源中19號種質綜合抗旱性最弱。

圖2 24份甜菜種質資源D值分布

如圖3所示，利用系統(tǒng)聚類法將24份甜菜種質進行聚類分析，當距離為7時將抗旱性分為四類其中第一類為抗旱性強種質10號（圖4a）有一份，第二類為抗旱性較強種質3、9、16共三份，第三類為中等抗旱型種質共7份，第四類為抗旱性弱種質共13份，其中19號（圖4c）、24號（圖4b）種質為干旱高度敏感型種質。

圖3 聚類分析

圖4 不同抗旱性甜菜種質對比

2.5 甜菜種質資源苗期抗旱指標篩選

將D值作為因變量，把各單項指標的抗旱系數(shù)作為自變量，建立逐步回歸線性模型，得到甜菜種質資源抗旱性評價的最優(yōu)回歸方程：D值=-0.269+0.181*X1+0.108*X2+0.247*X3-0.024*X4+0.234*X5+0.340*X6+0.177*X7+0.111*X8+0.111*X9+0.170*X10(R2=0.9999)。式中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10分別為葉干重、根鮮重、株高、根冠比、莖粗、根長、葉鮮重、葉片相對含水量、根干重、葉飽和鮮重。抗旱性綜合評價值D與24個甜菜種質資源的抗旱預測值(Y)極顯著相關(R2=0.9999)，說明所測定的10個指標均可有效鑒定甜菜種質資源苗期抗旱性。

3 討論

3.1 甜菜種質資源苗期抗旱性評價方法

在對作物的抗旱性進行評價時不僅要選擇合適的評價指標，更重要的是選擇合適的評價方法，大多數(shù)研究會采用等權重的評價方法，但是卻忽略了不同指標的重要性，本研究參照近年來在陸地棉[14]、油菜[15]、野生老芒麥[16]的干旱研究方法，采用多指標綜合分析進行甜菜苗期抗旱性評價，主要是利用D值與各單項指標抗旱系數(shù)相結合的方法，進行抗旱系數(shù)分析[17]、隸屬函數(shù)分析[18]、主成分分析[19]、聚類分析[20]和逐步回歸分析[21]等對甜菜苗期抗旱性進行綜合評價，以此來消除各項指標之間本身存在的大小差異，主成分分析將甜菜種質中多個單一指標轉化為新的相互獨立的綜合指標，又結合了主成分的因子權重來確定不同指標在干旱脅迫下的重要程度。根據(jù)D值對24份甜菜種質劃分抗旱級別比直接根據(jù)D值大小選擇種質擇抗旱性強弱更加科學，D值為無量綱常數(shù)[22]所以能夠代表各甜菜種質之間的抗旱差異性。最后通過回歸分析篩選出與D值較為顯著的指標作為快速、有效地預測甜菜苗期抗旱能力最優(yōu)回歸方程。

3.2 甜菜種質資源苗期抗旱性鑒定

植物在干旱條件下的反應是一個復雜的生理過程，采用綜合指標鑒定評價的結果更具有真實性[23]。周元成等[24]將15份參試大麥品種依據(jù)隸屬函數(shù)綜合D值劃分為4個抗旱級別，王興珍等[25]依據(jù)D值進行系統(tǒng)聚類分析的組間連接和平方歐式距離法將55份油葵種質資源劃分了3個抗旱級別。本研究依據(jù)D值進行聚類分析，將24份甜菜種質資源分為四類，鑒定出耐旱性強種質為ZT000516，耐旱性較強的種質為ZT000078、ZT000547、ZT000247，耐旱性中等的種質有7份，耐旱性弱的種質有13份其中抗旱性敏感的種質為ZT001698、ZT001398。因此，本研究篩選出的抗旱性強種質ZT000516可為甜菜抗旱反應機制和育種的研究提供基礎材料，干旱敏感種質ZT001698、ZT001398可作為極端材料在甜菜抗旱機理中加以應用。

3.3 甜菜種質資源苗期抗旱指標篩選

在對植物的抗旱性進行評價時，選擇合適的評價指標是準確評價的關鍵因素[26]。目前對植物抗旱性評價主要從表型指標、生理生化指標、產量性狀等方面進行[27]，謝小玉等[8]研究認為葉片相對含水量、丙二醛含量、葉面積可以作為抗旱鑒定的優(yōu)先指標；馬宇[28]通過研究認為根冠比、根長、根表面積等指標在苗期干旱脅迫中更具有代表性。安玉艷[29]發(fā)現(xiàn)，唐利華等[30]研究結果表明甜菜葉片和根系的含水量呈下降趨勢，與本研究結果一致。本研究采用PEG-6000模擬干旱脅迫對24份甜菜種質資源進行苗期抗旱性鑒定，對葉干重、根鮮重、株高、根冠比、莖粗、根長、葉鮮重、葉片相對含水量、根干重、葉飽和鮮重等10個指標進行了測定，最終通過建立耐旱性最優(yōu)回歸方程得出的結果表明，以上10個指標中葉干重(P=0.0001)和葉飽和鮮重(P=0.0001)與D值呈極顯著相關(R2=0.9999)，綜合分析鑒定得到的最優(yōu)回歸方程：D值=-0.0001+1.0008*X1+0.9989*X2用來評價甜菜苗期抗旱性是比較合理、可靠的。

4 結論

本研究中干旱脅迫對各指標均有顯著影響，本研究對24份甜菜種質進行干旱和對照處理，利用隸屬函數(shù)法、主成分分析、聚類分析等方法結合篩選出耐旱性強甜菜種質資源ZT000516、干旱敏感型甜菜種質資源ZT001698、ZT001398，可作為下一步深入研究的主要種質資源。通過D值與各指標建立的逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)葉干重和葉飽和鮮重等可作為甜菜苗期抗旱性評價的優(yōu)先鑒定指標。