桂糖03系列新品種系抗旱性綜合分析

劉璐　蔣洪濤　張革民　王澤平

摘 要 探討甘蔗主要抗旱性指標變化，以期為選育優良甘蔗品種（系）提供科學依據。在2015/2016榨季，于桶栽條件下對廣西農業科學院甘蔗研究所選育的15個桂糖優良新品系和廣西主栽品種ROC22號進行水分脅迫，檢測甘蔗葉片葉綠素（Chlorophyll，Chl）、赤霉素（Gibberellin，GA）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、可溶性蛋白（Soluble protein，SP）、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）、相對質膜透性（Relative permeability of plasma membrane，RPPM）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）以及過氧化物酶（Peroxidase，POD）共8個抗旱性相關生理指標在正常供水及水分脅迫下的變化。結果顯示：水分脅迫下，Chl、GA和CAT含量有不同程度地降低，而SP含量、MDA含量、RPPM、SOD和POD有不同程度地升高，變化幅度因基因型而異；Chl含量與RPPM、MDA含量呈負相關，而與SP含量、GA及CAT呈極顯著正相關，與SOD及POD呈顯著正相關，RPPM、MDA含量與SOD、POD及GA呈負相關，GA和CAT呈極顯著正相關；通過主成分分析選出了4個主成分，方差累積貢獻率達到86.17%；在聚類分析基礎上用判別分析選出Chl含量、SP含量、SOD、POD、RPPM及MDA含量等6個對品種抗旱性分類有顯著影響的生理指標，并把16個不同基因型品種抗旱性劃分為高抗、中抗、不抗3種類型。利用主成分分析法、聚類分析法和判別分析法與生產表現結合在一起來評價甘蔗品種（系）抗性更客觀和準確。

關鍵詞 甘蔗；抗旱性；主成分分析法；聚類分析法

中圖分類號 S556.1 文獻標識碼 A

Abstract The drought resistance identification parameters in sugarcane was investigated to afford a scientific basis for sugarcane breeding. An indoor-experiment was conducted with fifteen self-bred clones（offered by Guangxi Sugarcane Research Institute， GXSCRI）and one major commercial sugarcane varieties（ROC22）in Guangxi to study the change rules of chlorophyll（Chl）， gibberellin（GA）， catalase（CAT）， soluble protein（SP）， malondialdehyde （MDA）， relative permeability of plasma membrane（RPPM）， superoxide dismutase（SOD）， and peroxidase（POD）under sufficient water and water stress in the 2015-2016 cropping season. The results indicated that the content of Chl， GA and CAT had reduced， and the content of SP， MDA and the activity of SOD， POD and RPPM increased under water stress to different extent. The relationship between Chl and RPPM，MDA was negatively correlated， between Chl and SP， GA， and CAT was significantly positively correlated， among Chl and SOD， POD was significantly positively correlated. The relationship among RPPM， MDA content and SOD， POD and GA was negatively correlated. The relationship between GA and CAT was significantly positively correlated. Four principal components were screened and the cumulative variance contribution rate was 86.17% with principle component analysis（PCA）， Chl， SP， SOD， POD， RPPM and MDA were chosen for physiological indices based on the clustering analysis with discriminant function analysis， and the 16 different sugarcane varieties（clones）were divided into three types of drought resistance by this way. The way based on the comprehensive analysis method combined with the performance of production to evaluate the drought-resistance of sugarcane varieties would be more objective and accurate.

Key words Sugarcane； drought-resistance； principle component analysis； cluster analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.07.014

蔗糖業已成為廣西最具優勢的支柱產業，產能占全國60%以上[1]。廣西是干旱多發區和重災區，水資源、經濟、社會、農業和防旱抗旱能力非常脆弱[2]，干旱已成為制約蔗糖生產的關鍵因素之一，嚴重影響糖業的國際競爭力。為此，深入開展甘蔗抗旱評價體系研究，加快優良甘蔗抗旱種質資源選育，是保證蔗糖產業健康持續穩定發展的關鍵。

甘蔗成熟品種[3-6]、常用親本[7]、雜交組合后代[8]以及斑茅[9]等種質資源抗旱性評價一直被視為產業研究熱點，Chl、MDA、RPPM、PRO、CAT、POD及葉片水分飽和虧等指標也已被認定為對甘蔗抗旱性有顯著影響[10-12]。甘蔗抗旱性可分為高抗、中抗、不抗3種類型，不同時期甘蔗品種抗旱能力存在差異[13]，且不同甘蔗品種抗旱能力與葉片氣孔特性和含水量密切相關[14]，因此水分利用效率和光合作用能力是鑒定耐旱品種的一種有效方式。前人采用多指標體系，從形態特征、生理生化等方面利用模糊隸屬函數法[15]、主成分分析法[16]、相關分析[17]以及聚類分析[18]等數量分析方法進行綜合評價，表明利用因子來分析甘蔗光合性狀指標是可行的，在進行宿根甘蔗抗旱性綜合評價時，也可避免單一指標的片面性和不穩定性，適用多品種之間的比較。

03材料屬于本育種單位的一批典型材料，在品種選育和親本利用方面表現出高產高糖及抗逆性強等諸多優良特性，已成功選育出4個優良品種，即桂糖36號（桂糖03-1403）、桂糖37號（桂糖03-2357）、桂糖41號（桂糖03-2309）以及桂糖50號（桂糖03-3089）。這批新品種的成功選育為全區乃至全國甘蔗產業做出了突出貢獻，但若將沒有成為新品種的優良新品系廢棄不用，這將會造成甘蔗創新種質資源的很大浪費。為此，在前人研究基礎上，本研究以03品種（系）為試驗材料和主要抗旱性生理指標為檢測對象，利用主成分分析法、聚類分析法和判別分析法進行逐步分析，然后結合其近10 a田間表現進行抗旱性綜合評價，以期為進一步開展抗旱種質資源篩選和更新親本信息數據庫提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為廣西甘蔗研究所03系列優良新品種（系）及對照品種ROC22（表1）。

1.2 方法

1.2.1 材料管理 采用桶栽土培：塑料桶桶高51 cm，口徑35 cm，桶底鉆3個小洞。土壤打碎后摻入復合肥50 kg，有機肥100 kg，裝土1/3高度。將蔗種砍成單芽段，于2015年4月12日種植，下種前用70%多菌靈溶液浸種消毒5 min，每桶4段單芽，每個材料種植8桶（處理、對照各4桶），3個重復，共384桶。擺種后蓋土5～8 cm，淋足水后蓋膜，之后正常供水及除草管理，待到80%的甘蔗有5片完全葉時（2015年5月3日）停止供水，至葉片出現暫時性萎蔫時（2015年5月10日）進行采樣測試相關指標。

1.2.2 指標測定 田間農藝性狀指標（表1）由近10 a甘蔗品種區域比較試驗綜合測評所得；細胞膜保護酶液的提取參照張木清法[19]進行；丙二醛含量測定參照Heath法[20]；谷胱甘肽還原酶活性參照Kno··rzer法[21]；蛋白質含量測定參照Bradford法[22]；質膜通透性測定參照譚常法[23]；過氧化物歧化酶活性測定參照Giannoplitis法[24]；過氧化物酶活性參照劉祖祺方法[25]；過氧化氫酶活性參照馮國基法[26]；葉綠素含量測定采用蘇正淑法[27]。

1.3 統計分析

采用SPSS22.0軟件進行t檢驗、逐步判別以及主成分分析過程；采用DPS做聚類分析（原始數據經處理，使得各指標的數據處于相同的數量級，選用離差平方和法分類）。

2 結果與分析

2.1 不同甘蔗品種（系）對水分脅迫的生理響應

水分脅迫下不同甘蔗品種（系）的生理生化指標差異見表2。從表2可看出，脅迫處理下各品種間葉片Chl含量差異顯著，各處理下Chl含量都要比相應對照低，其中桂糖03-1018受到脅迫處理影響更顯著，桂糖03-3005降幅最小；脅迫條件下各品種間葉片SP、CAT含量差異不顯著，且均比相應對照高；脅迫條件下各品種間RPPM、MDA、SOD、POD含量差異顯著，且均比相應對照高；脅迫處理下各品種間葉片GA含量差異顯著，其含量均比相應對照低。結果表明，水分脅迫下甘蔗葉片的SP、RPPM、MDA、SOD和POD活性有不同程度的提高，而Chl、GA和CAT均有不同程度的降低，變化幅度因甘蔗基因型不同而表現不同。

2.2 相關性分析

各生理指標相關性分析如表3所示，水分脅迫下，Chl與RPPM、MDA負相關，與 SOD及POD顯著正相關，與SP、GA及CAT極顯著正相關；SP與PPM、MDA負相關，與POD正相關，與SOD顯著正相關，與GA和CAT極顯著正相關；RPPM與SOD、POD、GA、CAT負相關，與MDA正相關；MDA與SOD、GA負相關，與POD顯著負相關，與CAT正相關；SOD與POD、GA正相關，與CAT顯著正相關；POD與CAT正相關，與GA顯著正相關；GA與CAT極顯著正相關。由此可見，各生理指標間在甘蔗抗旱響應機制方面存在著一定的內在聯系。

2.3 因子分析

利用抗旱性生理生化指標的相對值進行因子分析，得到各因子的特征根、方差貢獻率及累積方差貢獻率（表4）。結果表明，前4個主成分（Y1、Y2、Y3、Y4）的方差累積貢獻率達到86.17%，說明4個主因子所包含的要素信息量可以反映出8個抗旱性指標原始特征參數的大部分信息。從第1主成分（Y1）看，SP（0.876）、Chl（0.837）、CAT（0.817）和MDA（0.774）對Y1有較強的正向負荷，表明在水分脅迫下，甘蔗葉片細胞質膜受到破壞，細胞電解質外滲量增加，葉綠素的含量降低，過氧化氫酶活性有所降低（盡管品種間差異不顯著），光合作用能力降低是第一主成分的主導因子；從主成分（Y2）來看，POD（-0.854）對Y2有較強的逆向負荷，GA（0.853）有較強的正向負荷，表明甘蔗在水分虧缺下，蔗葉中GA酶受到破壞，POD酶活性增加清除體內的活性氧及自由基，酶活性的增加是第二主成分的主導因子；從主成分（Y3）來看，MDA對Y3有較強的逆向負荷，RPPM（0.929）對Y3有較強的正向負荷，表明蔗葉受到外界水分脅迫，膜脂過氧化作用加劇，細胞質膜透性增大，細胞質膜受到破壞，細胞電解質外滲量增加是第三主成分的主導因子；從主成分（Y4）來看，SOD（0.933）對Y4有較強的正向負荷，表明甘蔗在水分脅迫下，大量的活性氧在細胞內聚集會破壞細胞結構和功能，導致生物大分子損傷以及膜質發生氧化，而活性氧在SOD作用下得以清除，SOD清除活性氧能力增加是第四主成分的主導因子。

2.4 聚類分析及判別分析

利用8個抗旱性生理生化指標對16個不同基因型甘蔗的聚類分析結果（圖1）表明，16個品種抗旱性可分為3種類型，即高抗品種、中抗品種和低抗品種。利用聚類分析結果進行判別分析，選出了對品種抗旱性歸類有顯著影響的6個指標作為判別式的變量，這6個指標是Chl含量（X1）、SP含量（X2）、SOD（X3）、POD（X4）、RPPM（X5）及MDA含量（X6）。得到如下判別函數：

Y1（X）=-7.519X1+2.755X2+3.630X3-1.711X4+0.922X5-3.111X6-182.929

Y2（X）=-8.560X1+1.319X2+4.028X3-2.634X4+1.035X5+3.871X6-205.286

Y3（X）=-11.749X1-0.237X2+5.719X3-6.583X4+1.530X5+5.505X6-352.847

根據判別函數，對原分類重新判別歸類，判別歸類后有3個品種（系）被誤判，桂糖03-3005判別分類由原先的高抗品種被判為中抗品種，桂糖03-2287、桂糖03-1403中抗品種被誤判為低抗品種，誤判率為6.2%。可認為本研究方法建立的3個判別函數的判別能力是比較高的。將判別選出的16個抗旱性生理生化指標按高抗、中抗和低抗3個等級劃分，則可以看到以這6個指標變化幅度為特征的3種抗旱性類型（表5）。抗旱性強的品種逆境下葉綠素含量下降較少，膜脂過氧化水平低，細胞膜穩定性高，可溶性蛋白高，清除體內的活性氧的能力強。

3 討論

甘蔗抗旱性為多基因控制的數量性狀[28]，涉及的基因和代謝途徑眾多，因此準確評價甘蔗的抗旱性相當困難。本研究中運用主成分分析、聚類和判別分析方法對16個品種（系）進行抗旱性評價，聚類判別結果與生產上歷年抗旱性評價結果一致，一方面由于研究是以室內桶栽水分脅迫條件下獲得的甘蔗材料為對象，其葉片生理指標本身所具的可控性和穩定性為準確評價其抗旱性提供了重要前提，另一方面是甘蔗田間抗旱性綜合評價主要是基于分蘗、有效莖、糖分和產量等農藝性狀來進行。因此，將室內桶栽條件下的判別結果與生產上歷年觀察結果整合分析甘蔗抗旱性，則可提高評價的準確性。當然，甘蔗完成其整個生長過程中所受影響因素眾多，有自身生長特性因素，還有群體對個體的影響及其與環境的互作等。多年育種實踐證明，區域試驗中的基因型和環境互作一般都很顯著，為確定新品種的適應范圍，需要對品種跨越地點和年份的穩定性進行分析，來評價其不同生態環境下的抗旱性表現。隨著抗旱育種分子水平上的不斷成熟，農藝、生理以及基因表達的三項一體，甘蔗抗旱性評價將更加微觀和客觀。

在應對水分脅迫時，不同基因型甘蔗會選擇不同適應方式，總的來說有避旱性、御旱性和耐旱性[29]，其抗旱能力強弱同其他作物抗逆機制類似，取決于其感知水分虧缺的效率和速度，從而產生信號分子并激活壓力保護機制[30]。本研究中各檢測指標的表達模式與前人研究基本一致[31]，這說明不同甘蔗材料盡管存在基因型差異，但其生理抗旱響應機制是一致的。其顯著性及相關性說明在水分脅迫下，甘蔗通過降低葉綠素、赤霉素合成速度，加劇膜脂過氧化作用，提高質膜透性、抗氧化酶活性等滲透調節系統來調控生長。當然，不管甘蔗選擇何種方式響應水分脅迫，其過程都是比較復雜的，并不能由單一的形態或者生理指標去評價甘蔗的抗旱性，而應對多個指標進行綜合評價，找出各指標間的關聯，進而為抗旱性的準確評價提供科學理論依據。

甘蔗種質資源農藝性狀和經濟性狀之優劣，通常是根據不同親本組合子代的平均表現來判斷。根據甘蔗遺傳育種理論，在遺傳變異幅度相差不大的組合，從后代平均值高的組合中選擇特定優異基因型的概率要高于平均值低的組合。粵85-177× CP84-1198雜交組合后代桂糖03-66被評價為高抗，桂糖03-91為中抗，其母本粵85-177為高抗品種，父本CP84-1198為中抗品種；桂89-5× ROC23組合后代桂糖03-591抗旱性等級為低抗、桂糖03-1453抗旱性等級為中抗，母本桂糖89-5為高抗品種，父本ROC23為低抗品種；ROC25× ROC22組合后代桂糖03-2287與桂糖03-2603為中抗材料，其父母本也皆為中抗品種。這充分說明甘蔗抗旱能力與其親本特性有關，是一種可以穩定遺傳的數量性狀。根據多年品比試驗和雜交組合后代表現，桂糖36號和桂糖03-2287在抗旱品種選育方面表現突出，可作為優良親本予以充分利用。

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