向日葵種質資源苗期抗旱性鑒定及抗旱指標篩選

甄子龍，侯建華，伊六喜，于海峰，石慧敏，王靖林，王雅茹，蘇飛燕,王艷霞

(1.內蒙古農業大學農學院，內蒙古 呼和浩特 010019; 2.內蒙古農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特 010031)

向日葵(HelianthusannuusL.)是菊科向日葵屬雙子葉植物[1]，具有食用、油用、觀賞用途，是重要的植物油來源之一[2]。向日葵生育期短，耐瘠，抗旱，適應性較強[3-5]，主要分布在我國內蒙古、新疆、甘肅、東北等地，是當地重要的經濟作物。干旱作為作物最主要的生物脅迫因素之一，干旱缺水會對作物造成傷害，影響其生長發育及產量[6]。內蒙古等向日葵主要種植地區常年干旱少雨，春旱尤為嚴重。苗期作為向日葵的關鍵生育期，此期遭受干旱脅迫，會造成生長發育受阻，進而導致產量質量明顯下降[7-8]。

在目前農作物抗旱研究中，相關學者的工作主要集中在玉米[9]、水稻[10]、小麥[11]等主糧作物中，國內對向日葵抗旱性的鑒定及抗旱機理研究較少，很大程度上制約了向日葵的發展和利用。近年來，課題組為解決向日葵受春旱影響減產問題，圍繞向日葵苗期抗旱性鑒定及抗旱相關指標QTL定位開展了一些研究[1,7,12-14]。本試驗以項目組新近建立的226份向日葵種質材料組成的關聯群體為試驗材料，通過室內模擬干旱脅迫，測定226份種質材料在干旱脅迫和正常水分條件下苗期生長相關農藝和生理指標，通過抗旱系數、相關分析、抗旱綜合評價D值，篩選用于抗旱性鑒定評價的指標體系，并對226份材料的耐旱性進行分類，以期為向日葵優質抗旱資源的挖掘、苗期抗旱相關指標QTL定位及向日葵抗旱分子育種提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

從內蒙古、寧夏、新疆、遼寧、吉林、澳大利亞、美國、法國收集226份向日葵種質資源材料，其中73份由內蒙古農牧業科學院提供，154份由內蒙古農業大學農學院提供(表1)。

表1 供試材料來源及其D值

續表1 供試材料來源及其D值

續表1 供試材料來源及其D值

續表1 供試材料來源及其D值

續表1 供試材料來源及其D值

1.2 試驗處理

試驗于2019年夏季在內蒙古農業大學自動化溫室內進行，為避免降雨、溫度、光照等外在條件不同所造成的誤差，所有盆栽樣品均放置在同一溫室環境中，室內采光及通風條件相同。試驗使用塑料材質的花盆，盆高35 cm，內徑35 cm，土壤為正常肥力的大田砂質土壤與有機腐殖質按2∶1的比例共3 kg混合。

每份材料挑選10粒大小均勻、顆粒飽滿的種子，用HgCl2消毒6 min后，再用蒸餾水沖洗干凈，吸干水分后浸種24 h，然后分別設置干旱脅迫(T)和正常澆水(CK)處理，每個處理種10粒種子，3次重復。

播種后正常澆水，在幼苗長至三葉一心時[15]進行脅迫處理，脅迫處理開始后正常情況下每3 d測一次土壤含水量(若溫室內氣溫升高而導致水分蒸發速度加快，則每天測一次土壤含水量)。土壤含水量測定方法采取烘干稱重法。正常澆水盆栽土壤含水量控制在15%～20%，干旱脅迫土壤含水量控制在5%～10%，以對照條件下最高土壤含水量為20%，脅迫條件下最高土壤含水量為10%計算每次澆水量，澆水量=(最高土壤含水量-測定土壤含水量)×風干土重，含水量及澆水量(表2)。

表2 不同處理土壤含水量及澆水量

1.3 測定指標及方法

脅迫處理15 d，測定地上部及地下部干鮮質量、根長、根表面積、根體積、株高、葉片相對含水量、SPAD值、葉面積等指標[16]，每份材料隨機選取5株進行測定，共3次重復。

株高用直尺測量，葉面積用葉面積系數法測定，苗期生物量、根長、根表面積、根體積測量時先將幼苗取出花盆，在取出過程中需注意根部損傷，清洗后將幼苗分為地上部和地下部再進行測量。根長、根表面積、根體積、根冠比用根系掃描儀(萬深LA-S)測定。SPAD值用葉綠素儀(TYS-A)測定。葉片相對含水量計算：

1.4 數據處理與分析

1.4.1 各測定指標抗旱系數

(1)

(2)

式中，DC為各測定指標的抗旱系數，Xi為各指標干旱處理值，CKi為各指標對照處理值，f(Xi)為各指標抗旱隸屬函數值，Ximin、Ximax分別為干旱處理值的最大值與最小值。

1.4.2 標準差系數、權重值及綜合抗旱能力的綜合評價值 通過參考相關研究[17-21]，采用以下方法計算：

(3)

(4)

式中，ωi為各項指標權重。

(5)

式中，D值為不同材料抗旱能力的綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下向日葵種質資源苗期各指標差異分析

對226份向日葵材料的各項指標進行差異分析，結果見表3。由表3可看出，干旱脅迫處理與對照間各項指標有明顯差異，干旱脅迫處理組的株高、葉片相對含水量、SPAD值、葉面積均值均低于對照組，下降幅度分別為29.07%、8.00%、5.66%、47.78%，根冠比、根長、根表面積、根體積的均值均高于對照組，上升幅度分別為43.67%、43.10%、76.89%、136.36%。8個指標在干旱脅迫下均產生變化，說明試驗所選指標可反映向日葵苗期的抗旱情況。

表3 向日葵苗期各指標的差異分析

正常供水下，8個指標的變異系數在0.14～0.72，平均為0.40；干旱脅迫下，8個指標的變異系數在0.12～0.68之間，平均為0.41，說明試驗選擇的種質資源對干旱脅迫反應的敏感度存在較大差異。干旱脅迫與對照組指標t檢驗為極顯著，說明試驗材料經干旱脅迫后，指標表現差異明顯，試驗脅迫處理效果達到預期目標。

2.2 干旱脅迫下向日葵種質材料苗期各指標抗旱系數分析

226份向日葵種質材料苗期抗旱相關指標抗旱系數比較分析結果見表4。各指標抗旱系數均值、標準差、變異系數均出現了較大變化，其中根表面積抗旱系數的變異系數最大，達到了70.31%，SPAD值抗旱系數的變異系數最小，為11.41%；根冠比、根長、根表面積、根體積、株高、相對含水量、SPAD值、葉面積抗旱系數的變異系數均超過11%。

表4 向日葵苗期各指標抗旱系數分析

株高、葉片相對含水量、SPAD值、葉面積抗旱系數的變異幅度在干旱脅迫條件下呈下降趨勢，降低幅度為4.80%～34.79%，其中葉面積抗旱系數下降幅度最大，SPAD值抗旱系數下降幅度最小；根冠比、根長、根表面積、根體積抗旱系數的變異幅度均呈現上升趨勢，上升幅度70.20%～156.31%，其中根體積上升幅度最大，根長上升幅度最小。

綜合以上分析，干旱脅迫環境下指標均發生變化，結合各指標的差異分析說明這8個指標均對干旱非常敏感，可作為分析向日葵抗旱能力的重要指標。

2.3 干旱脅迫下向日葵種質材料苗期各指標抗旱系數間相關性分析

各指標抗旱系數間相關分析結果顯示(表5)，根冠比與根表面積、根體積呈極顯著正相關，對干旱脅迫反應存在穩定的協同效應，根冠比與根長、葉面積呈極顯著負相關；根長與根體積、根表面積存在極顯著正相關，根長與株高、相對含水量、SPAD值存在極顯著負相關；根表面積與根體積呈極顯著正相關，與株高、相對含水量、SPAD值、葉面積呈極顯著負相關；根體積與株高、相對含水量、SPAD值、葉面積呈極顯著負相關；株高與相對含水量、SPAD值、葉面積呈極顯著正相關；SPAD值與葉面積呈極顯著正相關。苗期8個指標間均存在顯著或極顯著的相關關系，說明向日葵的抗旱性是多個指標的綜合表現，因而，通過多個指標共同評價才能更加準確鑒定其抗旱性。

表5 向日葵苗期各指標抗旱系數相關分析

2.4 抗旱性綜合評價D值與苗期各指標抗旱系數的相關性及其回歸分析

SPSS相關性分析結果表明，抗旱綜合評價D值與8個指標抗旱系數均具有顯著或極顯著相關性，其中根冠比、根長、根表面積、根體積與D值呈現極顯著正相關(圖1a、b、c、d)；SPAD值與D值呈現極顯著負相關(圖1g)，株高、相對含水量、葉面積與D值呈現顯著負相關(圖1e、f、h)。說明各指標均與向日葵抗旱能力有密切關聯。

圖1 抗旱綜合評價D值與苗期各指標的抗旱系數相關性分析Fig.1 Correlation analysis between D value of comprehensive drought resistance evaluationand drought resistance coefficient of each trait in seedling stage

為篩選這些指標中的可靠指標，通過逐步回歸分析，將D值與各指標抗旱系數構建模型。將各指標抗旱系數作為自變量，D值作為因變量，得出了其中最優的逐步回歸方程：D值=0.742+0.062×根長+0.13×株高-0.607×SPAD值，通過此方程發現8個指標中的根長、株高、SPAD值對D值有顯著影響。

通過逐步回歸方程得出預測D值，將預測D值與通過計算得出的D值進行相關性分析(圖1i)發現，兩者存在極顯著相關性，可以通過方程來預測不同材料的抗旱性強弱。

2.5 向日葵抗旱性的綜合評價

利用株高、葉片相對含水量、葉面積、根冠比、根長度、根表面積、根體積和SPAD值8個指標的抗旱系數，通過隸屬函數法計算出226個向日葵材料苗期綜合抗旱性D值。從圖2中可以看出，供試材料綜合抗旱性評價D值變化范圍為0.09～0.84，其中175號材料綜合抗旱性最強，D值為0.84，80號材料的綜合抗旱性最弱，抗旱綜合評價D值為0.09。226份材料的D值大小排序后，分為極耐旱型、耐旱型、中間型、不耐旱型和極不耐旱型5個抗旱級別。從圖3中可以看出：D值范圍在0.8～1.0之間的極耐旱型有175、106、117，占全部材料的1.3%；D值范圍在0.6～0.8的耐旱型有161、132、162等12個材料，占全部材料的5.3%；D值范圍在0.4～0.6的中間型有158、159、146等60個材料，占全部材料的26.4%；D值范圍在0.2～0.4的不耐旱型有165、156、172等125個材料，占全部材料的55.1%；D值范圍在0～0.2的極不耐旱型有94、44、18等27個材料，占全部材料的11.9%。

圖2 供試材料D值分布Fig.2 D value of the tested materials

3 討 論

作物抗旱性研究過程中，需要找到符合該作物的抗旱鑒定指標進行綜合評價，在評價向日葵抗旱性時，通過參考玉米[22]、花生[23]、小麥[24]、棉花[25]等相關抗旱研究，發現用多個指標來共同評價抗旱性結果更能反映作物的實際抗旱能力[26-28]。

本試驗結合了前人對其他作物的研究與向日葵實際情況，測定了226份向日葵材料在苗期干旱脅迫與正常澆水兩種條件下根長、根體積、根表面積、根冠比、葉面積、株高、葉片相對含水量、SPAD值8個抗旱鑒定指標的變化情況。通過抗旱鑒定指標的差異分析以及其抗旱系數的比較分析發現經過苗期抗旱試驗，8個指標均對干旱非常敏感，可作為判斷向日葵抗旱能力的重要指標。8個指標的抗旱系數相關性分析結果顯示，試驗選取的8個指標均存在直接或間接的關聯，說明向日葵苗期抗旱性是多個指標的綜合表現。綜上所述，通過選取的8個指標評價向日葵苗期抗旱性，能夠較準確鑒定出材料真實抗旱程度，為向日葵抗旱育種提供參考。

馬宇[29]研究認為根冠比、根長、根表面積作為鑒定指標在向日葵苗期干旱脅迫中更具有代表性，周子超等[30]認為根冠比具有代表性，本試驗結果與前人研究基本一致，提出除了根長、株高外，SPAD值也具有代表性，試驗結果出現一些差異的原因可能是因為試驗所選的材料不同，或是分析指標重要性所采用的方法不同導致，提示抗旱性評價所選材料和分析方法均會影響鑒定結果，需要更多試驗進行驗證。

抗旱系數相關分析顯示，8個測定指標抗旱系數間均存在相關性，而且均與抗旱綜合評價D值呈極顯著或顯著相關關系，說明本次使用8個苗期抗旱鑒定指標均可作為評價向日葵苗期抗旱能力的指標，這與路之娟等[31]對苦蕎苗期指標的研究基本相同。

通過逐步回歸分析得出方程：D值=0.742+0.062×根長+0.13×株高-0.607×SPAD值，可對向日葵材料進行抗旱性預測。

基于篩選的8個苗期抗旱性指標，結合抗旱系數、抗旱隸屬函數值和指標權重等計算抗旱綜合評價D值，充分考慮向日葵各指標之間的相互關系以及重要性，鑒定供試材料的抗旱強度，并將各材料分為5類抗旱性材料。最終確定出具有較強抗旱性的材料175、106、117等15份，可用作后期向日葵抗旱育種、干旱調控等的主要材料。