PEG脅迫下17份木薯種質苗期抗旱性綜合評價及指標篩選

魏云霞，王曉慶，黃 潔

(中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所/農業部木薯種質資源保護與利用重點實驗室，海南 儋州 571737)

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PEG脅迫下17份木薯種質苗期抗旱性綜合評價及指標篩選

魏云霞，王曉慶，黃 潔*

(中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所/農業部木薯種質資源保護與利用重點實驗室，海南 儋州 571737)

以17份國內外木薯種質為材料，設0 %和30 % PEG-6000溶液2個處理，考察與抗旱性相關的4項生理指標，采用抗旱系數、主成分分析、抗旱性度量值(D值)和聚類分析相結合的方法，對其抗旱性進行綜合評價和抗旱評價指標篩選。結果表明：POD活性、Pr含量的抗旱系數與D值極顯著正相關；根據D值的聚類結果，將供試種質劃分為4類，其中A類3份、B類3份、C類10份、D類1份，且4類木薯種質抗旱性強弱表現為D類 > B類 > C類 > A類。本研究初步篩選出GR024-8、F114、ZM99206、B81為苗期抗旱性較強的種質，并推薦POD活性、Pr含量作為木薯苗期抗旱性評價的適宜指標。

木薯；種質；抗旱性評價；抗旱指標

木薯是我國農業“走出去”戰略的重點考慮對象[1-2]，分布于我國熱帶、亞熱帶地區，木薯種植時期適逢旱季，且降水分布不均勻[3-4]，因此，水分成為影響木薯苗期生長發育的重要因子，也是制約木薯產業發展的主要因素[5-6]。抗旱性是可遺傳的[7]，篩選、鑒定及利用耐旱種質資源是抗旱育種的重要前提[8]。我國有著豐富的木薯種質資源[9]，挖掘、利用抗旱種質資源對于木薯抗旱生產具有重要的意義。目前，關于木薯干旱方面的研究主要集中于干旱脅迫對木薯生理生化、光合特性、養分吸收、基因學、產量及品質等方面[10-14]，較少涉及耐旱種質的評價、篩選。近年來，在胡麻[15]、棉花[16]、偃麥草[17]、谷子[18]、大豆[19]等作物上普遍采用抗旱指數、隸屬函數值、主成分分析、聚類分析等抗旱能力鑒定方法，而木薯有關方面的應用報道較少[20]。

本研究通過PEG-6000模擬干旱，測定了17份國內外木薯種質4項與抗旱性密切相關的生理指標，采用抗旱系數、主成分分析、抗旱性度量值(D值)與聚類分析相結合的方法，綜合評價其抗旱性，并探明4項指標與抗旱性之間的關系，以期為木薯抗旱性育種、栽培提供理論依據，同時，篩選出適宜的木薯抗旱鑒定指標。

表1 17份供試木薯種質及其來源

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗于2011年7-10月在海南省儋州市中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所(品資所)木薯試驗基地遮雨大棚內進行。塑料盆直徑13.0 cm、高度12.0 cm，每盆裝入0.8 kg混合基質(V河泥∶V腐熟椰糠=1∶3)。混合基質理化性質為：pH 5.6，C/N=24∶1，容重0.2 g/cm3，總孔隙度82.5 %，通氣空隙度7.9 %，持水孔隙度72.8 %，灰度12.3 %，陽離子交換量0.33 mol/g。17份供試木薯種質詳見表1。2011年7月1日，每份種質培育25盆，每盆直插1條種莖，種莖長度為15.0 cm±0.5 cm。

1.2 試驗設計

培育50 d后，每份種質選取生長健康、長勢、株高基本一致的幼苗18盆，用Hoagland營養液分別配制濃度為0 %、30 %的 PEG-6000溶液，對17份種質進行為期8 d的模擬干旱脅迫處理。每份種質的2個處理均設3次重復，每重復3株。

1.3 測定項目及方法

分別取各重復的3株幼苗頂部4片展開葉，用蒸餾水沖洗除去表面污物，并用吸水紙吸干葉片表面水分，混合葉片后進行生理指標測定。其中，POD活性采用愈創木酚法測定[21]，Pro含量采用磺基水楊酸法測定[21]，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定[21]，Pr含量采用考馬斯亮藍G-250法測定[21]。

1.4 數據處理與統計分析

各指標的抗旱系數[22]和隸屬函數值[23]分別按

照式(1)和式(2)進行計算。

指標性狀的抗旱系數=

(1)

(2)

其中,μ(x)為某個指標性狀抗旱系數的隸屬函數值，若指標與抗旱性成負相關則用1-μ(x)表示，x表示某一指標抗旱系數，xmin、xmax分別表示各參試種質中某一指標抗旱系數中的最大值和最小值。

采用Excel 2013進行數據整理，SPSS 20.0軟件進行主成分分析、相關性分析及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 木薯抗旱相關生理性狀的抗旱系數

從表2可以看出：17份木薯種質POD活性、Pro含量、MDA含量和Pr含量的抗旱系數均有較大的變幅，變幅分別為0.44～3.36、0.63～1.60、0.22～2.01、0.19～1.70；4項指標對干旱脅迫的敏感程度不同，敏感程度排序為POD活性 > MDA含量 > Pr含量 > Pro含量；17份種質4項指標的抗旱系數平均值變幅為0.93～1.14，變異系數為29.79 %～56.03 %；同一種質不同指標的抗旱系數差異較大，其中，GR024-8種質4項指標的抗旱系數變幅為0.91～3.36，而BRA274種質4項指標的抗旱系數變幅為0.55～0.85。可見，17份木薯種質不同抗旱性狀對干旱脅迫的敏感性不同，且同一種質的不同指標對干旱脅迫的響應不一致，用任何單一指標的抗旱系數評價木薯種質的抗旱性都存在片面性和差異性，必須用多個指標進行綜合評價才較為可靠，因此需要對其進行主成分分析。

表2 木薯種質抗旱相關4項生理指標的抗旱系數

2.2 主成分分析

主成分分析特征值中3個成分的累計貢獻率達到88.20 %(表3)，即可認為其具有較強的信息代表性，提取的3個主成分基本上代表了4個原始指標的絕大部分信息[24-25]，可以用這3個主成分對其抗旱性進行分析。決定第1主成分大小的主要是POD活性、Pr含量的抗旱系數，主成分1相當于1.5028個原始指標的作用，可反映原始數據信息量的37.5707 %，且POD活性、Pr含量的抗旱系數越大，第1主成分越大；決定第2主成分大小的主要是MDA含量的抗旱系數，主成分2相當于1.3898個原始指標的作用，可反映原始數據信息量的34.7452 %，且MDA含量的抗旱系數越大，第2主成分越大；決定第3主成分大小的主要是Pro含量的抗旱系數，主成分3相當于0.6355個原始指標的作用，可單獨說明整個原始數據標準差異的15.8869 %。

表3 各性狀主成分的特征向量及貢獻率

注：*表示某指標在各主成分中的最大絕對值。

Note： * means the biggest absolute value of each index in all factors.

表4 17份木薯種質抗旱性度量值排序

2.3 抗旱性度量值

根據抗旱系數計算各種質指標的隸屬函數值(公式2)，以第1主成分各性狀的特征值作為各指標的權數[26]與之相乘，分種質求和，即得到各種質的抗旱性度量值D(D值，表4)。D值越大，抗旱性越強，反之則弱。GR024-8抗旱性度量值明顯高于其他16份種質，達1.0893，抗旱性最強；A265、E1395、C715抗旱性度量值為-0.0640～-0.0025，處于較低水平，抗旱性較弱；余下的13份種質，抗旱性度量值為0.0896～0.3918，抗旱性處于中等水平。

17份木薯種質4項指標的抗旱系數與D值相關性分析的結果(表5)表明：4項指標的抗旱系數之間無顯著相關性；4項抗旱系數與D值的相關系數大小排序為POD活性 > Pr含量 > Pro含量 > MDA含量，其中，POD活性、Pr含量的抗旱系數與D值呈極顯著正相關，而Pro含量、MDA含量的抗旱系數與D值的相關性均不顯著。

2.4 聚類分析

為綜合評判木薯種質的抗旱性，對各種質的抗旱性度量值進行聚類分析，當歐式距離為1.30時，17份種質的抗旱性分為4類(圖1)。A類共3份種質，包括E1395、C715、A265；B類共3份種質，包括F114、ZM99206、B81；C類共10份種質，包括BRA274、Columbia 12L、C322、SC205-polyploid、ZM8641、Q10、KM98-7、GR024-9、BRA1243、D531；D類僅GR024-8一份種質。結合17份種質的抗旱性度量值可知，4類木薯種質抗旱性強弱表現為D類 > B類 > C類 > A類，分別可歸為強抗旱型、中抗旱型、弱抗旱型、不抗旱型。

3 討論與結論

干旱脅迫下，木薯表型性狀[27-28]、生理生化特性[11,29]、組織解剖結構[30]等均會做出響應，而不同指標對干旱脅迫的敏感性不同，因此，篩選適宜的木薯抗旱性指標是木薯抗旱性鑒定的關鍵。劉杜玲等從Pr含量、MDA含量、SOD活性3項生理指標中篩選出Pr含量對核桃抗旱性貢獻較大[31]；謝小玉等的研究指出，MDA含量對油菜干旱脅迫的反應較Pr含量、Pro含量、POD活性、SOD活性等敏感，是油菜耐旱性評價的優先參考指標[32]。可見，不同作物耐旱性評價的適宜指標不同，需結合作物有針對性的篩選其適宜的評價指標。本研究分析了與木薯苗期抗旱相關的POD活性、Pro含量、MDA含量、Pr含量4項生理指標發現，POD活性、Pr含量的抗旱系數與抗旱性極顯著相關，可作為木薯種質耐旱能力和抗旱種質選育時的鑒定指標，與王曉慶等[20]關于推薦POD活性、Pr含量作為木薯幼苗耐旱性評價指標的研究結果一致。本研究在抗旱系數的基礎上，結合隸屬函數法、主成分分析、抗旱性度量值和聚類分析，綜合評價了17份木薯種質的抗旱性，其強弱排序為GR024-8 > F114、ZM99206、B81 > BRA274、Columbia 12L、C322、SC205-polyploid、ZM8641、Q10、KM98-7、GR024-9、BRA1243、D531 > E1395、C715、A265。與王曉慶等[20]對不同木薯種質抗旱性研究的結果不完全一致，這可能與研究設置的干旱脅迫程度不同有關。

表5 4項指標抗旱系數與抗旱性度量值的相關性分析

注：*表示在 0.05水平上顯著相關，**表示在 0.01 水平上顯著相關。

Note： * means significant correlation at 0.05 probability level, ** mean significant correlation at the 0.01 probability level.

圖1 17份木薯種質抗旱性度量值的聚類圖Fig.1 Fuzzy clustering dendrogram of 17 cassava germplasms based on drought-tolerance value

已有研究指出，作物抗旱性不僅與品種有關，也受干旱程度[33]、干旱時間[29]等的影響。岳愛琴等[34]對大豆的研究表明，苗期生理指標與抗旱性無顯著相關，而開花結莢期生理指標與抗旱性極顯著相關；王贊等[35-36]對20份鴨茅種質資源在種子萌發期和苗期的抗旱性評價結果存在一定的差異。可見，作物的抗旱性是一個復雜的、多因素影響的性狀，今后的研究中，木薯抗旱性研究應結合生育時期，全面構建生理生化、農藝性狀、解剖結構參數、產量構成、遺傳等方面篩選的綜合性指標體系，全面、系統、準確的進行種質抗旱性鑒定、評價。

本研究將17份木薯種質分為4個抗旱類型，初步篩選出GR024-8、F114、ZM99206、B81共4份苗期抗旱性較強的種質，同時，篩選出POD活性、Pr含量作為木薯幼苗耐旱性評價指標。

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(責任編輯 李山云)

Comprehensive Evaluation of Drought Resistance and Screening of Indices of 17 Cassava Germplasms under PEG Stress at Seedling Stage

WEI Yun-xia, WANG Xiao-qing, HUANG Jie*

(Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Conservation and Utilization of Cassava Genetic Resources, Minstry of Agriculture, Hainan Danzhou 571737, China)

4 physiological indices were measured at cassava seedling stage under the 0 % and the 30 % concentration of PEG solutions. Drought resistance coefficient, principal components analysis, drought resistance comprehensive evaluation value (D value) and clustering analysis were used to evaluate the drought resistance and select evaluation indices in tested cassava germplasms. The results showed that the drought resistance coefficient of POD activity and Pr content were significantly positive correlated with the D value, according to the D value clustering analysis, the 17 cassava germplasms were divided into 4 types, 3 belonged to type A, 3 belonged to type B, 10 belonged to type C, 1 belonged to type D, the drought resistance of the 4 types from high to low was type D > type B > type C > type A. This study preliminary selected GR024-8, F114, ZM99206 and B81 were the germplasms with strong drought resistance, meanwhile, recommended POD activity and Pr content as the suitable indices to evaluate the drought tolerance of cassava at seedling stage.

Cassava; Germplasms; Valuation of drought resistance; Indices of drought tolerance

1001-4829(2016)08-1787-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.006

2015-10-12

農業部現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS-12-hnhj)

魏云霞(1989-)，女，河南南陽人，碩士，研究方向為木薯栽培研究與推廣，*為通訊作者：黃 潔(1966 -)，研究員，主要從事木薯栽培與推廣研究工作，E-mail：hnhjcn@163.com。

S533

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