長林無性系油茶抗旱性的綜合評價

馮士令， 程浩然， 李　旭， 鄧俊琳， 劉　露， 丁春邦

( 四川農業大學 生命科學學院， 四川 雅安 625014 )

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長林無性系油茶抗旱性的綜合評價

馮士令， 程浩然， 李旭， 鄧俊琳， 劉露， 丁春邦*

( 四川農業大學 生命科學學院， 四川 雅安 625014 )

摘要：油茶產區在夏季常伴有持續干旱、高溫少雨等天氣，造成油茶產量不高。為了解持續干旱對油茶生理造成的影響，該研究以兩年生的9個長林無性系油茶為材料，在溫室內模擬自然干旱脅迫試驗，并研究干旱脅迫第0、5、10、15、20和25天時其葉片生理生化指標的變化。同時以各生理指標的抗旱系數作為衡量油茶抗旱性的指標，利用主成分分析、隸屬函數法及權重對其抗旱能力進行綜合評價。結果表明：將14個單項指標降維成3個獨立的綜合指標，并通過隸屬函數值和權重確定各油茶耐旱性綜合評價值，進而得到長林無性系油茶的抗旱強弱依次為長林59號>長林22號>長林53號>長林4號>長林40號>長林8號>長林3號>長林27號>長林18號。

關鍵詞：干旱脅迫， 抗旱系數， 相關性分析，主成分分析， 權重

油茶(Camelliaoleifera)屬于山茶科 (Theaceae)多年生四季常綠油料樹種(姚小華等，2012)，是中國南方鄉土植物，與油棕、油橄欖和椰子并稱為世界四大名優木本食用油料作物。油茶生長需水期一般在花果發育和油脂轉化時期，若降雨量較少會阻礙其正常的生長發育，果實大量脫落。

目前，我國西南地區，干旱次數增多，部分省份干旱持續時間長，嚴重制約農林產業發展，造成大量經濟損失。選育一些優良樹種，特別是對水分虧缺有較強抵抗力的林木是我國西南地區農林產業發展所面臨的一個重要問題。長林系列油茶無性系在我國南方地區大量引種，但隨著其生長環境的改變，以及引種地區夏季常伴有持續伏旱、高溫少雨等天氣，油茶產量不高，仍需根據該地區氣候特點不斷進行優種選優工作(左繼林等，2013)。因此，研究油茶在缺水情況下的生理生化反應，選擇抗旱能力強的油茶無性系，不僅有助于油茶在干旱地區的推廣，而且對改善當地經濟狀況起到積極的作用。

本試驗模擬自然干旱脅迫對各油茶品種的活性氧代謝，抗氧化酶活性及光合參數的影響，并采用主成分分析法等多元統計分析法對其抗旱能力進行綜合評價，為四川地區選育抗旱性強的油茶品種，以及科學引種栽培提供一定試驗依據。

1材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2011年4月引種江西省的2年生長林無性系油茶：長林3號(C3)、長林4號(C4)、長林8號(C8)、長林18號(C18)、長林22號(C22)、長林27號(C27)、長林40號(C40)、長林53號(C53)及長林59號(C59)共9個品種。于2012年4月中旬，將長勢均一且健康的苗木移植于高30 cm， 上下口徑分別為30 cm 和25 cm塑料盆中，每盆1株，育苗基質為四川農業大學科研農場大田地表土，經測定，土壤有機質含量15.98 g·kg-1，鉀含量1.319 g·kg-1，氮含量1.14 g·kg-1，磷含量0.296 g·kg-1，土壤pH值5.78，田間最大持水量40.2%。油茶苗隨機擺放在兩側通風且溫室內光照條件一致的區域，在緩苗7月，挑選長勢基本相同的植株進行自然干旱試驗。

1.2 試驗處理

試驗材料持續3 d澆透水后不再澆水，采用自然干旱法進行試驗。試驗設置2個水分處理，即對照組(WCK)，田間最大持水量的75%，確保植株健康生長；處理組(WRS)，進行停水脅迫處理，以5 d 為一個處理期，分別干旱脅迫0、5、10、15、20和25 d。各處理3次重復，各品種6株植物。

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤含水量采用TDR100土壤水分速測儀進行測定。

1.3.3 光合參數分別在干旱脅迫處理期的最后一天的早上8:00-10:00，用便攜式光合儀GFS-3000，測定油茶幼苗上端第4-6功能葉的光合指標。測定光合參數：蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)；水分利用率(WUE)，其按WUE=Pn/Tr公式計算得出(李月靈等，2013)。

1.4 抗旱性評價

1.4.1 抗旱系數抗旱系數(DRC)=處理組測定值/對照組測定值×100%(白志英等，2008)

(1)

1.4.2 隸屬函數分析各綜合指標的隸屬函數值(楊升等，2013)用下列公式計算：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

公式(2)中Xj是第j個綜合指標值，Xmin和Xmax分別代表第j個綜合指標測定值的最小值和最大值,j=1, 2……n。

1.4.3 權重的確定據各個綜合指標貢獻率大小及公式(3)求出3個綜合指標重要程度即權重(王軍等，2007；周廣生等，2003；謝志賢，1983)：

(3)

式中，Wj和pj分別表示第j個綜合指標測定值的權重及貢獻率,j=1, 2, ……n。

1.4.4 抗旱性綜合評價由(4)式得出各幼苗抗旱性綜合評價值(王樹剛等，2011；張耿等，2007；馮士令等，2013)：

(4)

j=1, 2, ……n

1.5 數據分析

用Excel 2007進行數據整理，SPSS 20.0軟件進行數據的差異性檢測和多元統計分析等。

2結果與分析

2.1 干旱脅迫下土壤含水量的變化

由圖1可見，隨著水分脅迫時間延長，處理組的土壤含水量一直下降，且脅迫前期下降較為迅速。脅迫至10 d，與對照相比土壤含水量降低了40.87%，此時C18部分新葉出現萎縮，其他油茶品種葉片正常。脅迫至25 d時，與對照相比土壤含水量降低了81.05%，C18、C27嫩芽部分脫落，新葉大量脫落；C3和C8嫩芽大量呈褐色，新葉部分脫落；C4、C22、C40、C53和C59新葉大量卷曲，新葉部分脫落。

圖 1　干旱脅迫下土壤含水量變化Fig. 1　Soil water content under drought stress

2.2 各單項指標的抗旱系數及簡單相關性分析

2.3 主成分分析

運用主成分分析法對9個油茶品種的光合參數、抗氧化酶活性、活性氧及滲透物質含量等14個生理指標的抗旱系數進行分析，并得到前三個綜合指標的貢獻率，第一、二、三主成分貢獻率分別為55.431%、17.666%、9.054%，累積貢獻率為82.151%，前三個主成分累積貢獻率大于75%，能夠充分概括該試驗數據的大部分信息，這樣把最初14個生理指標降維并簡化為3個新的彼此獨立的綜合指標(表3)，分別用CI、CII和CIII表示。

第1主成分表達式：

CI=0.114X1+0.111X2+0.005X3+0.015X4+0.119X5+0.119X6+0.124X7+0.113X8+0.117X9-0.034X10-0.090X11-0.108X12-0.082X13+0.073X14

表 1　各油茶品種各項指標的抗旱系數

注：X1.超氧陰離子產生速率； X2.過氧化氫含量； X3.超氧化物歧化酶活性； X4.過氧化物酶活性； X5.過氧化氫酶活性； X6.硫代巴比妥酸反應含量； X7.相對電導率； X8.脯氨酸含量； X9.可溶性蛋白含量； X10.葉綠素含量； X11.凈光合速率； X12.氣孔導度； X13.蒸騰速率； X14.水分利用率。下同(X1-X14)。

表 2　各單項指標的相關系數矩陣

注：*表示P<0.05的顯著水平，**表示P< 0.01的極顯著水平。

Note: *Significant atP< 0.05，**Significant atP< 0.01.

第2主成分表達式：

CII=0.064X1+0.090X2+0.265X3+0.328X4+0.102X5+0.010X6-0.006X7+0.141X8+0.138X9+0.148X10+0.207X11+0.117X12+0.247X13+0.064X14

第3主成分表達式：

CIII=0.130X1+0.123X2-0.477X3-0.143X4+0.114X5+0.054X6-0.003X7+0.109X8+0.095X9-0.379X10+0.350X11+0.272X12+0.341X13+0.130X14

表 3　各綜合指標的系數和貢獻率

表 4　不同品種的綜合指標值、隸屬函數值、權重及D值

由上述3個表達式可知，在CI表達式中CAT活性、TBARS含量、相對電導率及可溶性蛋白含量的系數較大，所以第一主成分基本體現蛋白質含量和細胞膜透性指標；在CII表達式中SOD活性、POD活性、凈光合速率、蒸騰速率的系數相對較大，故第二主成分大致概括為抗氧化酶活性、光合參數指標；在CIII表達式中Pn、Tr、Gs、Chl含量、SOD活性的系數較大，因此第三主成分大致概括為光合參數指標。上述分析表明蛋白質含量、細胞膜透性、抗氧化酶活性及光合參數是反應抗旱性重要指標。

2.4 綜合評價

2.4.1 隸屬函數分析根據表3中各綜合指標系數求出9個油茶品種各自的3個綜合指標值分別用C(I)、C(II)和C(III)表示；再由公式(2)求出各品種的綜合指標的隸屬函數值用U(I)、U(II)、U(III)(表4)。

2.4.2 權重的確定根據公式(3)，計算得出3個綜合指標權重分別為0.675、0.215、0.110(表4)。

2.4.3 綜合評價根據公式(4)計算出各油茶品種的綜合抗旱能力大小，由D值(見表4)對植物幼苗的耐旱性強弱進行評估得到：長林59號>長林22號>長林53號>長林4號>長林40號>長林8號>長林3號>長林27號>長林18號，其中長林59號的D值最大，表明該品種抗旱能力最強；其次是長林22號；長林18號的D值最小，說明其抗旱能力最差。

3討論

干旱脅迫下，植物體內活性氧產生和清除的平衡體系紊亂(周有文等，2013)，植物自身會通過調節細胞的滲透物質含量(趙法等，2010)，使其滲透勢保持在較高水平，但隨著脅迫時間延長，脅迫程度超過植物自我調適范圍，抗氧化酶清除自由基能力下降，細胞膜系統遭到破壞，電解質外滲，細胞膜相對透性增加(崔曉濤等，2009)，葉綠素分解，葉綠素含量下降，進而造成植物光合作用下降。

植物抗旱性是個復雜的生理調控過程，受到諸多體內外環境因素影響，在水分虧缺環境下，植物各項生理指標所指示的脅迫抵抗力往往不一致，一般簡單方法難以得到準確結果(趙一鶴等，2012；馮慧芳等，2011；趙蘭等2011)。從油茶品種抗旱系數可以看出，不同品種生理指標的變化幅度不同，其相應的抗旱系數會得出不同抗旱結果，而且由相關系數矩陣可知，大部分指標間存在顯著或極顯著的相關性，它們所傳達的信息重疊性嚴重，直接運用這些數據研究油茶幼苗的耐旱性會引起較大偏差。

綜上所述，單一指標難以全面地體現油茶抗脅迫能力，而直接運用大量的油茶生理指標來評價其抗性也有不足之處，因此需要采用主成分分析等多元統計分析法對油茶幼苗的抗旱能力進行綜合評價才具有一定的科學性。本研究采用主成分分析法，把最初的具有信息相關性的14個生理指標轉換為3個新的彼此獨立的綜合指標(CI-CIII)，由于主成分累積貢獻率達到82.151%，故在原有信息不損失或損失很少情況下，不僅克服了生理指標間交疊性，也可以在此基礎上利用各樣品的綜合指標值及其綜合隸屬函數值，得出權重值，避免了試驗者確定權重的主觀性，最后得到一個無量綱的純數D值。這樣使各油茶品種抗旱性的強弱具有可比性，客觀地篩選出抗旱性強的品種，初步評定9個油茶無性系耐旱性強弱為長林59號>長林22號>長林53號>長林4號>長林40號>長林8號>長林3號>長林27號>長林18號。

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Comprehensive evaluation of drought tolerance forCamelliaoleiferaChanglin clones

FENG Shi-Ling, CHENG Hao-Ran, LI Xu, DENG Jun-Lin,LIU Lu, DING Chun-Bang*

(CollegeofLifeSciences,SichuanAgriculturalUniversity, Ya’an 625014, China )

Abstract:In summer, it is often high temperature and drought result in low yield of Camellia oleifera in C. oleifera plantation. Water defect will reduce the plant photosynthesis with consequent low yield of plants. However, there is little information on the drought stress physiological research of C. oleifera. In order to study the effects of physiology of C. oleifera under constantly drought stress, the 2-year-old seeding of C. oleifera Changlin clones were cultured in pots(30 cm × 30 cm × 25 cm) in greenhouse. There were two water stress treatment groups named respectively control group and drought stress group in this study. The drought stress group suffered from persistent irrigation water deficit, while the control group cultivated under normal irrigation condition. Subsequently, the change of physiological and biochemical indices of leaves including reactive oxygen species contents, antioxidant enzyme activities, osmotic substances contents, cell membrane permeability and photosynthesis were measured on 0, 5, 10, 15, 20 and 25 d after drought stress in order to screen C. oleifera of strong resistant of environmental stress. In this study, the different drought resistance coefficients of C. oleifera such as superoxide anion radical ·) content, hydrogen peroxide (H2O2) content, the activities of peroxidase (POD), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD), the relative electric conductivity, proline content (Pro), chlorophyll content, net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr) and water use efficiency (WUE) were as drought tolerance indices. Finally, the comprehensive evaluation of drought resistance coefficients of C. oleifera physiological indices was performed with correlation analysis, principal component analysis, subordinative function and weight. The result indicated that 14 indices could be classified into 3 independent comprehensive components, and then utilized the value of weight and subordinative function to perform the values of comprehensive evaluation of different Camellia varieties. According to the value of different comprehensive evaluation value, the order of drought-resistance of nine C. oleifera Changlin clones was “Changlin59” > “Changlin22” > “Changlin53” > “Changlin4” > “Changlin40” > “Changlin8” > “Changlin3” > “Changlin27” > “Changlin18”. The results extensively provide certain scientific basis for breeding, introduction and cultivation of drought-tolerant Camellia varieties in Sichuan.

Key words:drought stress, drought resistance coefficient, correlation analysis, principal component analysis, weight

DOI:10.11931/guihaia.gxzw201405006

收稿日期:2014-05-05修回日期：2015-04-09

基金項目：四川省科技支撐計劃項目(2013NZ0047)[Supported by Key Technology R & D Program of Sichuan Provincial Office of Science and Technology(2013NZ0047)]。

作者簡介：馮士令(1987-)，女，河北辛集人，博士研究生，主要從事植物逆境生理學研究，(E-mail)915143015@qq.com。 *通訊作者：丁春邦，教授，博士生導師，主要從事植物學教學與科研工作,(E-mail)dcb@sicau.edu.cn。

中圖分類號：Q945.78

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142(2016)06-0735-06

馮士令，程浩然，李旭，等. 長林無性系油茶抗旱性的綜合評價 [J]. 廣西植物， 2016， 36(6)：735-740

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