不同花生品種抗旱性鑒定及抗旱指標評價

劉博寬，趙楠楠，崔順立，李秀坤，劉盈茹，何美敬，侯名語，楊鑫雷，穆國俊，劉立峰

（1省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室/教育部華北作物種質資源實驗室/河北省作物種質資源重點實驗室/河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河北保定 071001；2河北北方學院農(nóng)林科技學院，河北張家口 075000）

0 引言

栽培花生(Arachis hypogaea)是豆科落花生屬一年生作物，是世界范圍內(nèi)廣泛種植的油料和經(jīng)濟作物，其籽仁含有豐富的蛋白質和植物油脂，在國內(nèi)糧油生產(chǎn)和加工利用中占據(jù)舉足輕重的地位。隨著全球氣候變暖和生態(tài)平衡的打破，旱情嚴重程度逐年增加，干旱脅迫成為限制世界花生產(chǎn)量和品質提升的主要因素[1]。干旱是全球常見的自然災害之一，全世界每年由于干旱造成作物減產(chǎn)的損失等于其他非生物脅迫造成的損失之和。據(jù)統(tǒng)計，中國受旱面積高達200萬～270萬hm2，由干旱造成糧食減產(chǎn)350億～400億kg[2]。國內(nèi)花生主產(chǎn)區(qū)主要分布在干旱和半干旱區(qū)域，這些地區(qū)年度間降雨量波動較大，再加上灌溉措施不完善，使得花生整個生育期均易受到干旱脅迫的危害。Yang等[3]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對抗旱性不同的花生生長發(fā)育過程、生理指標及產(chǎn)量均有影響，長期干旱脅迫下，花生葉片、根系、花芽和莢果的生長均會受到明顯抑制，同化物積累和能量代謝中斷，呼吸作用降低，固氮和礦質元素吸收受到影響。干旱脅迫也會延緩豆科作物根瘤的形成，降低豆科作物根瘤的特異活性和數(shù)量，從而降低豆科作物的固氮作用[4]。據(jù)報道，國內(nèi)約70%的花生種植面積中，超過30%的花生產(chǎn)量損失是由干旱引起的[5]。因此，提高花生抗旱性是花生育種一個永恒不變的目標，而篩選抗旱花生種質資源是抗旱育種的基礎，對花生抗旱育種研究、抗旱種質資源高效利用以及不同花生品種生產(chǎn)利用的合理分布具有十分重要的意義。

花生的抗旱性是由多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳基礎復雜，且受外界環(huán)境條件影響很大[6]。Koushik等[7]研究認為在干旱脅迫下，花生不同生育時期表現(xiàn)出不同的生理反應，總體表現(xiàn)為相對含水量、膜穩(wěn)定性、比葉面積、葉綠素和類胡蘿卜素含量的下降，下降幅度因品種和發(fā)育階段而異。前人研究普遍認為，多指標多方法相結合的抗旱性綜合評價結果會更準確可靠。為了避免單一指標的不穩(wěn)定性和片面性，許多學者先后在水稻、胡麻、棉花、油菜、薏苡和小麥等作物抗旱性鑒定和抗旱指標篩選上采用了頻次分析、相關分析、隸屬函數(shù)分析、主成分分析、聚類分析和逐步回歸分析等多種方法相結合的綜合評價，涉及群體、個體、細胞及分子等水平的抗旱性研究[8-10]。張軍等[11]通過隸屬函數(shù)和抗旱系數(shù)對萌發(fā)期7份水稻品種進行抗旱篩選，并認為科學的鑒定指標和評價方法是準確評價抗旱性的關鍵。孫瑤等[12]利用隸屬函數(shù)法對73份棉花種質進行抗旱性評價，篩選出28份抗旱材料和6份不耐旱材料。陳衛(wèi)國等[13]對211份小麥品種進行抗旱性評價，結果表明單株產(chǎn)量對干旱脅迫的敏感程度最大，綜合利用多種抗旱評價方法得到的抗旱性鑒定結果是可靠準確的。作物抗旱性鑒定及抗旱指標篩選需要在各個生育時期綜合生理、形態(tài)、產(chǎn)量等指標進行全面評價[14]。

花生抗旱性鑒定研究多在溫室或旱棚進行苗期或全生育期盆栽試驗，本試驗在旱棚條件下對13份花生栽培種進行干旱處理和常規(guī)灌水處理，通過分析與花生抗旱性相關的多個農(nóng)藝性狀指標和生理指標，對花生品種抗旱性進行綜合評價，從而篩選出抗旱性強的花生品種，為開展花生抗旱品種選育和抗旱基因及啟動子功能驗證提供研究基礎和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取當前生產(chǎn)上廣泛種植的13份花生品種為試驗材料（表1）。由河北農(nóng)業(yè)大學花生研究所種質資源庫提供。

表1 花生抗旱品種評價供試材料

1.2 試驗設計

試驗于2020年在河北農(nóng)業(yè)大學清苑試驗站旱棚內(nèi)進行，抗旱池長6 m、寬5 m、深2 m，抗旱池四周為水泥墻，池底未封閉?？购党赝寥李愋蜑樯百|壤土。

設對照(CK)和干旱脅迫(T)2個處理，每個處理設4次重復，于2020年6月中旬穴播，行距0.4 m，穴距0.15 m，每穴2株，所有處理在整地播種前灌底墑水，干旱脅迫處理播種后不再澆水，對照處理及其余栽培措施按常規(guī)大田生產(chǎn)管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 形態(tài)指標 在收獲前3天選取每行中間長勢一致的5穴（10株），參照姜慧芳等編著的《花生種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[15]分別測量主莖高(height of main stem，HMS)、側枝長(length of lateral branch，LLB)、總分枝數(shù)（主莖一級分枝）(total branch numbers，TBN)、結果枝數(shù)（主莖一級分枝）(number of bearing branches，NBB)，分別對根、莖、葉、果稱取鮮重、干重，并計算地上部干重(shoot dry weight，SDW)、根干重(root dry weight，RDW)、單株莢果重 (pod weight per plant，PWPP)、總生物量(total biomass，TB)。

1.3.2 生理指標 飽果成熟期選取代表性植株主莖倒三葉15片，測量生理指標，每個指標重復3次。

葉片相對含水量(relative water content，RWC)測定參照陳永坤等[16]的方法，用式(1)計算相對含水量。

式中，F(xiàn)W為樣品鮮重，TW為樣品飽和鮮重，DW為樣品干重。

葉片相對電導率(relative conductance，RC)測定參照楊惠菊等[17]方法，采用購自梅特勒-托利多儀器有限公司的FE30實驗室電導率儀測定葉片電導率R1和R2。用式(2)計算相對電導率。

采用浸提法[18]分別測定葉綠素a(chlorophyll a)、葉綠素b(chlorophyll b)和胡蘿卜素(renieratene)。葉片可溶性糖(soluble sugar，SS)、脯氨酸(proline，Pro)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)分別使用植物可溶性糖(SS)含量試劑盒（微板法96樣）（蘇州格銳思生物科技有限公司提供），植物脯氨酸(Pro)含量試劑盒（微板法96樣）（蘇州格銳思生物科技有限公司提供），植物丙二醛(MDA)含量試劑盒（微板法96樣）（蘇州格銳思生物科技有限公司提供），超氧化物歧化酶(SOD)-WST法試劑盒（微板法96樣）（蘇州格銳思生物科技有限公司提供），過氧化物酶(POD)試劑盒（微板法96樣）（蘇州格銳思生物科技有限公司提供）測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)錄入和整理，用IBM SPSS Statistics 20進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

按式(3)和(4)分別計算單項抗旱系數(shù)(drought resistance coefficient，DC)和 綜 合 抗 旱 系 數(shù)(comprehensive drought resistance coefficient，CDC)。

式中，Ti和CKi分別表示干旱脅迫和對照處理的指標測定值。

按式(5)計算因子權重系數(shù)ω(i)。

式中，Pi為第i個綜合指標的貢獻率，表示第i個指標在所有指標中的重要程度。

按式(6)計算各基因型各綜合指標的隸屬函數(shù)值μ(xi)。

式中，xi、ximax、ximin分別表示第i個綜合指標及第i個綜合指標的最小值、最大值。

根據(jù)因子權重ωi及隸屬函數(shù)值μ(xi)，按式(7)計算抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation values，D)。

最后針對供試花生品種的D值進行聚類分析，劃分抗旱級別，并分別以D值為因變量，對各指標DC值進行逐步回歸分析，求得回歸方程。

2 結果與分析

2.1 供試品種的代表性及其指標測定值分析

供試品種干旱脅迫處理與對照處理各測定指標均存在顯著差異，各生理指標平均值的變異系數(shù)介于0.061～0.382，各農(nóng)藝性狀指標平均值的變異系數(shù)介于0.078～0.467，說明本研究所選用的花生品種材料類型較豐富，具有良好的代表性，選用指標對干旱脅迫較敏感。供試花生品種各性狀在對照和處理下的相關性差異較大，介于0.070～0.683，這進一步說明各指標對干旱脅迫的敏感性存在差異。

2.2 供試品各指標DC值頻次與相關性分析

與CK相比，干旱處理后的花生品種各指標均發(fā)生不同程度改變（表2～3）。同一指標各品種間DC值存在明顯差異，變異系數(shù)介于0.049～0.451之間。同一品種不同指標DC值存在一定差異，有必要借助綜合抗旱系數(shù)（CDC值）和因子分析確定其權重系數(shù)ω后對抗旱性進行綜合評價。

表2 供試花生品種生理指標的抗旱系數(shù)

表3 供試花生品種農(nóng)藝性狀的抗旱系數(shù)

同一區(qū)間各指標DC值的分布次數(shù)和頻率有較大差異。DC值在0.9～1.2之間的根干重、葉片相對含水量、總分枝數(shù)、結果枝數(shù)、SOD、SS、相對電導率、MDA的分布頻率為87.5%、62.5%、62.5%%、56.25%、43.75%、43.75%和25%，說明各指標對干旱脅迫的敏感程度由高至低依次為MDA、相對電導率、SS、SOD、結果枝數(shù)、總分枝數(shù)、相對含水量和根干重。因此，直接采用這些指標會因指標間信息重疊，難以客觀、準確地評價各品種的抗旱性，從而影響抗旱鑒定。

各指標單項抗旱系數(shù)相關性分析表明，各指標間都存在一定的相關性（表4）。其中，葉綠素a、葉綠素b和胡蘿卜素均互為極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.953、0.930和0.921；單株莢果重與地上部干重呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.734，單株莢果重與總分枝數(shù)、結果枝數(shù)、根干重呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.660、0.596和0.591；總生物量與地上部干重、單株莢果重呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.830、0.944，總生物量與主莖高、總分枝數(shù)、根干重呈顯著正相關。相反的是，MDA與主莖高、側枝長呈極顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.711、-0.729；葉片相對含水量也與主莖高、側枝長呈極顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.562、-0.597。

表4 供試花生品種各指標抗旱系數(shù)間相關性

采用CDC值對花生品種進行抗旱性強弱排序，13個花生品種的抗旱性由強至弱依次為L149、L221、L147、L186、38、L379、L98、L631、34、33、L632、L220、35。

2.3 主成分分析

對各性狀指標DC值進行主成分分析，獲得向因子載荷、特征根和貢獻率（表5），便于進一步確定和評價抗旱鑒定的指標。結果表明，各因子特征值中前6個因子的累計貢獻率達到89.977%，其特征根λ＞1。這6個主因子涵蓋原始數(shù)據(jù)的大部分信息，可作為分析數(shù)據(jù)的有效成分。故抽取前6個因子，可將原來的各項性狀指標轉換為6個新的相互獨立的綜合指標（分別以F1、F2、F3、F4、F5和F6表示）。F1在總生物量、主莖高、莢果干重、側枝長和地上部干重具有較高載荷量，F(xiàn)2在葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素、相對電導率和總分枝數(shù)有較高載荷量，F(xiàn)3在相對含水量、PRO和總分枝數(shù)上有較高載荷量，F(xiàn)4在結果枝數(shù)和根干重有較高載荷量，F(xiàn)5在POD和MDA上有較高的載荷量，F(xiàn)6在可溶性糖、SOD和總生物量上有較高的載荷量。

表5 供試花生品種各指標主成分向量特征及貢獻率

2.4 隸屬函數(shù)分析及其品種的綜合抗旱性評價

在獲得主因子特征向量的基礎上，利用模糊隸屬函數(shù)法，獲得各因子的隸屬函數(shù)值(μ)，并根據(jù)各因子權重系數(shù)(ω)，對各主因子隸屬函數(shù)值(μ)賦予相應的權重，計算加權隸屬函數(shù)值，作為綜合抗旱性度量值(D)，由此可比較準確地評價花生品種的抗旱性，D值愈大，其抗旱性愈強（表6）。

表6 供試花生品種抗旱性評價的CDC值和D值

本試驗花生品種D值介于0.592～0.191之間，平均值0.429，變異系數(shù)0.320。將13個花生品種根據(jù)D值大小進行抗旱性排序（表6），抗旱能力強的品種為L186、L379、L221、L149、L147，抗旱性弱的品種為L220、L632、33、35，其余品種介于兩者之間。這與基于CDC值的13個花生品種抗旱性強弱評價結果高度吻合。

2.5 聚類分析及抗旱級別劃分

在λ=5處將13個花生品種分為4類（圖1）。其中，第Ⅰ類為抗旱品種，包括L147、L149、L186、L221和L379品種，占品種總數(shù)的38.46%。這與CDC值、D值在所有的品種中的結果基本一致。第Ⅱ類為中等抗旱品種，占品種總數(shù)的15.38%；第Ⅲ類為敏感品種，占品種總數(shù)的30.77%；第Ⅳ類為高度敏感品種，占品種總數(shù)的15.38%。

圖1 基于D值的供試花生品種抗旱性系統(tǒng)聚類圖

2.6 花生抗旱性鑒定回歸方程的建立

為建立抗旱性評價的數(shù)學模型，把D值作為因變量，各單項指標的抗旱系數(shù)作為自變量進行逐步回歸分析，并建立推測花生抗旱能力的最優(yōu)回歸方程D=-1.888+0624X1+1.896X2+0.507X3，式中，X1、X2、X3分別代表單株莢果重、結果枝數(shù)、相對含水量?；貧w方程的決定系數(shù)R2=0.906，F(xiàn)檢驗達到極顯著水平，說明模型擬合度較好，為較優(yōu)的回歸方程，其預測精度較為精確，用此方程進行花生品種抗旱性評價效果好。

3 討論

3.1 花生抗旱性鑒定指標的選擇

作物的抗旱性不僅是數(shù)量性狀，受多基因控制，而且和作物的種類、表型及生理性狀及環(huán)境的互作極為相關[19]。因此，不能僅憑單一指標來進行抗旱性評價，而指標過多雖可以更全位考量其抗旱性，但工作量大，費時費力。因而選擇出合理的抗旱指標是抗旱性鑒定的關鍵所在，既能較為全面評價其抗旱性，又省時省力。

根據(jù)國內(nèi)外許多學者的研究結果不難看出不同作物抗旱指標不同，并且作物抗旱性相關性狀的鑒定角度也有差異[20-22]。張鞏亮等[23]通過主成分分析和聚類分析對30個水稻種質資源進行綜合抗旱性評價，篩選出穗重、穗粒數(shù)、結實率、產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和經(jīng)濟系數(shù)6項指標作為水稻抗旱適宜性評價的特征指標。殷婷等分析比較25個油菜品種的抗旱鑒定產(chǎn)量指標（抗旱系數(shù)、干旱敏感指數(shù)、抗旱指數(shù)、抗旱指數(shù)修訂式），認為抗旱指數(shù)和抗旱指數(shù)修訂式2個指標適合于油菜品種的綜合抗旱性鑒定。張冠出等[24]通過測定相對分枝數(shù)、相對主莖高、相對第一側枝長等指標對30份花生品種進行抗旱耐鹽性評價，表明出苗率、第一側枝長和生物量可輔助判斷花生的綜合抗旱耐鹽能力。孫軍偉等[25]研究認為葉面積、葉片相對含水量、可溶性蛋白含量、丙二醛含量、脯氨酸含量共5項指標可作為小麥灌漿期抗旱鑒定指標。郭效龍等[26]研究表明，種子萌發(fā)指數(shù)、萌發(fā)抗旱指數(shù)、Pro含量、MDA含量和SOD活性均可作為鑒定自交系抗旱性的指標。本試驗選取與干旱脅迫有關的18項生理和農(nóng)藝性狀指標綜合評價花生抗旱性，與孫軍偉和郭效龍等選用的生理指標相似，農(nóng)藝形狀指標與張冠出等研究相似。

3.2 花生抗旱性評價方法的選擇

評價作物的抗旱性不僅與評價指標關系密切，而且也要運用合適的評價方法。在小麥[20]、水稻[22]、芝麻[27]等多種作物的種質資源抗旱性評價用到了多種指標和方法，說明抗旱性綜合評價值D為作物抗旱性的優(yōu)良評價指標。

田宏先等[28]通過抗旱系數(shù)和隸屬函數(shù)對4個油菜品種進行綜合評價，表明短時間干旱有利于提高其抗旱性，但超過一定限度，則抗旱性顯著降低。田又升等[22]采用主成分分析和模糊隸屬函數(shù)值法對33份水稻資源進行抗旱鑒定，并根據(jù)抗旱性強弱將資源分為4類。汪燦等[29-30]在萌發(fā)期和成熟期通過隸屬函數(shù)值、CDC值和D值對50份薏苡種質進行抗旱性鑒定，篩選出3份抗旱性強的薏苡種質。

張志猛等[31]在人工控水盆栽條件下，在花生結莢期和飽果期2個時期采用抗旱系數(shù)法和隸屬函數(shù)值法，在水分脅迫下鑒定花生各性狀指標的抗旱性，篩選出了8個抗旱性強的品種，并認為花生無論是在結莢期或者飽果期，D值可作為鑒定品種抗旱性的指標，單一的指標不能對花生品種（系）做出準確評價。綜上所述，抗旱性綜合評價值D作為抗旱性評價指標具有較強的可靠性。本研究采用的抗旱性評價方法與前人研究所用大致相同，并結合生理和表型指標綜合評價，使結果更加準確。

3.3 花生品種抗旱性綜合評價

干旱脅迫下，花生的很多方面會受到影響，任何單項的抗旱機理研究都存在一定的局限性[31]，所以多個指標綜合評價才能客觀正確的反映出花生品種的抗旱能力。本研究通過主成分分析，將原來的18項指標轉換為6個相互獨立的指標，使評價工作更為便捷。與抗旱性度量值D值相關程度較高的性狀分別是莢果干重、總分枝數(shù)、總生物量、根干重和POD。這些指標可以作為花生簡便、直觀的抗旱性評價指標。因此，在花生種質抗旱性鑒定中，有針對性地測定上述指標可使鑒定工作更為簡單、便捷。

本試驗在運用綜合抗旱系數(shù)法的同時采用隸屬函數(shù)值法將其轉換成相互獨立的綜合指標，結合單項抗旱系數(shù)、頻次分析、相關分析、主成分分析、聚類分析和回歸分析，對13個花生品種的抗旱性進行綜合評價，由于D值是一個無量綱的數(shù)，消除了各指標的單位的差異而產(chǎn)生的影響。以D值為評價指標的方法不僅考慮了各個指標間的相互關系，同時考慮了各指標的重要性，能使評價結果更為準確。由于本研究供試材料較少，為提高鑒定結果可靠性，采用農(nóng)藝性狀與生理指標相結合的方式評價花生品種的抗旱性，力求能夠準確全面地評價各品種抗旱性。

4 結論

干旱脅迫對花生各指標均有不同程度的影響，D值為花生抗旱鑒定方法較準確。本研究采用綜合抗旱系數(shù)（CDC值）和抗旱性度量值（D值）為綜合抗旱性評價方法，通過聚類分析劃分其抗旱性?？偵锪?、POD、可溶性糖和相對含水量可作為花生抗旱簡便、直觀的抗旱性評價指標。篩選出抗性抗旱性較強的品種分別為L186、L221、L147、L149，抗旱性敏感品種分別為33、35。本研究為開展花生抗旱育種、干旱機理研究及抗旱基因的克隆和功能驗證提供候選材料。