基于生物產量的甜高粱耐旱性鑒定

楊斌，高麗娜，王夢如，胡文明，徐翠蓮

（塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

科學家們圍繞剖析作物應對干旱脅迫的耐旱機制，包括實施基因組學和分子生理戰略等，為了進一步解開復雜的多層抗旱機制，開展了大量的研究工作[1-2]。干旱脅迫下，小麥的株高以及畝產量受到顯著限制［3］，水稻不同生育時期生長特性均受影響，包括分蘗減少，空粒增多，產量下降［4］，玉米則表現為株高降低、穗位高降低、穗粒數減少、穗粒重變輕、產量降低［5］。甜高粱作為高粱的一個變種，生長速度快，產量高，是一種耐旱性較強的作物，同時具有耐鹽堿、耐高溫、耐貧瘠等優良特性［6］。甜高粱莖稈含有較高的糖分，可為人類提供食物，為開發生物能源提供更廉價的可再生資源，用于釀酒、制糖等，是全球重要的能源作物之一［7-8］。山侖等［9］表示高粱的耐旱性顯著高于牧草苜蓿。李文嬈等［10］利用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）溶液模擬干旱脅迫對紫花苜蓿種子和高粱種子的萌發能力以及萌發環境的最低萌發需求進行研究，結果表明兩種作物的種子出苗期對水分需求最為敏感，種子萌發活力和吸水速率等指標隨著脅迫強度的增加而下降，根芽比則隨之呈現增加趨勢，且紫花苜蓿的耐旱性不及高粱的耐旱性強。馮曉東等［11］研究PEG模擬干旱對甜高粱幼苗生長及抗旱性的影響，結果表明，干旱脅迫條件下甜高粱幼苗鮮重、苗高、葉長均有較大幅度的下降，在30%PEG處理后，甜高粱幼苗生長受到明顯影響，植株變矮、葉片干枯且有嚴重的倒伏。袁闖等［12］通過主成分分析，將28份甜高粱品種分為不同的抗旱等級，進一步詮釋了甜高粱的株高以及莖粗和葉面積對干旱脅迫敏感程度存在差異。趙香娜等［13-14］對國內外206份甜高粱種質資源做了相關性分析，發現單株鮮莖重與全生育期呈極顯著正相關，生育期長短可作為選育高產品種的參考指標。

作物耐旱性是個復雜的數量性狀，基于生物產量而計算得到的耐旱指數多達10余種，不同的耐旱指數往往存在較高程度的相關性，如何衡量各耐旱指標的信息對甜高粱的耐旱性進行準確的評定顯得尤為重要。本試驗以400份甜高粱種質為研究對象，采用田間耐旱鑒定在甜高粱生育中后期進行水分控制，研究不同甜高粱種質在干旱脅迫下的生長發育狀況，調查在正常灌水和干旱脅迫處理下的生物產量，并根據兩個處理下的生物產量計算相應的耐旱指數，最終通過主成分分析識別相對較為耐旱的甜高粱種質，其結果可為耐旱品種篩選提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為400份甜高粱種質（用代號S001～S400表示），來源于中國、美國、印度等國家，由國家種質資源中期庫提供，本課題組繁種保存。

1.2 試驗設計

試驗于2019年在塔里木大學植物科學學院農學試驗站進行，采用隨機區組試驗設計，安排2次重復。5月1日播種，行長5.0 m，行距0.6 m，株距0.2 m，一葉一心間苗，每穴留苗一株。設正常灌水（對照）和干旱脅迫兩個處理，其中對照在甜高粱生育期的苗期（前期）、拔節孕穗期和抽穗開花期（中期）、灌漿成熟期（后期）內正常灌水，而干旱脅迫處理在生育中后期不灌水，即拔節孕穗期和抽穗開花期、灌漿成熟期均不灌水。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 性狀測定

參考《高粱種質資源描述規范和數據標準》［15］，于蠟熟期在每個小區的中間行連續取樣3株，調查各種質的生物產量。正常灌水和干旱脅迫兩個處理下的生物產量分別記為Yp和Ys。

1.3.2 耐旱指數及計算公式

根據Yp和Ys計算相關的耐旱指數，計算式如下：

修正耐脅迫指數（MSTI）：對照和干旱脅迫下分別為MSTI1=K1STI和MSTI2=K2STI。其中K1=為所有種質在正常灌水下的平均生物產量，Yˉs為所有種質在干旱脅迫下的平均生物產量。

耐受力（TOL）：TOL=Yp-Ys

1.3.3 試驗結果的處理與分析

利用R（版本為4.0.2）軟件的corrplot包進行相關性分析和繪圖，FactoMineR包和factoextra包進行主成分分析及雙標圖繪制。

2 結果與分析

2.1 甜高粱耐旱指標的相關分析及顯著性檢驗

對甜高粱的生物產量Yp和Ys及12個耐旱指數，共計14個耐旱指標進行相關分析，結果表明，這14個指標可聚為明顯的三類，第一類包括RDI、YSI、SSI、DI、Ys和YI 6個指標，第二類只有SDI一個指標，第三類包含 GMP、MSTI2、MP、STI、MSTI1、Yp和TOL 7個指標，值得注意的是，Ys和Yp分別歸屬在不同的類中。大部分指標間表現為較強的正相關關系，SDI與第一類所有指標均呈現較強的負相關關系，而與第三類指標間呈正相關關系（見圖1）。

圖1 耐旱指標相關系數的系統聚類

相關系數及顯著性檢驗的結果（見圖2）表明，第一類和第三類內各指標間均在0.001水平達到極顯著，且均為正相關關系，而這兩類間的指標呈較弱的相關關系，僅有部分指標在0.05水平達到顯著。SDI與 Ys、YSI、SSI、DI和 RDI等指標在 0.001 水平極顯著，均為負相關。

圖2 各指標間的相關系數及顯著性檢驗

2.2 甜高粱耐旱指標的主成分分析

根據Kaiser-Harris準則和碎石圖檢驗，14個相關的指標可以用兩個主成分表示，這兩個主成分解釋的方差分別占49.5%和38.8%，累積解釋方差為88.3%，說明這兩個主成分能夠表達14個耐旱指標88.3%的變異信息量（見表1和圖3）。

表1 耐旱指標主成分的方差解釋

圖3 耐旱指標主成分分析的碎石圖

2.3 各耐旱指標對主成分的貢獻分析

各指標對前兩個主成分的貢獻具有明顯的差異，對第一主成分貢獻明顯的指標有Yp、MP、GMP、TOL、STI、MSTI1和MSTI2，貢獻率大小均超過10%，因此這一主成分可以理解為甜高粱的生物產量潛力，第二主成分主要包括Ys、YI、YSI、SDI、SSI、DI和RDI等，第二主成分表示甜高粱的耐干旱脅迫能力（見表2）。

表2 耐旱指數對主成分的貢獻

2.4 甜高粱耐旱種質的鑒定

雙標圖結果顯示，大部分甜高粱種質集中在原點附近，在兩個主成分上的得分較低，只有少數種質較為分散且離原點較遠，在兩個主成分上得分較高。第一象限內的甜高粱種質無論在干旱脅迫還是正常灌水條件下，豐產性和穩產性都很好，如‘S104’；第二象限內的種質在正常灌水條件下產量潛力不高，但受到干旱脅迫時產量較穩定，如‘S370’‘S359’和‘S368’；第三象限內的種質在干旱脅迫還是正常灌水條件下，豐產性和穩產性都較差；第四象限內的種質在正常灌水條件下產量潛力較高，但受到干旱脅迫時產量穩定性較差，如‘S102’（見圖4）。

圖4 品種與指標雙標圖

3 討論

作物的耐旱性遺傳改良是目前作物育種研究的熱點與難點，育種改良的前提是對收集到的種質資源進行耐旱相關性狀的鑒定和篩選［1］。本研究利用前期收集到的400份甜高粱種質的耐旱性進行初步鑒定，以期識別耐旱種質為甜高粱種質耐旱性進行改良奠定基礎。作物耐旱性可通過溫室試驗鑒定和田間耐旱鑒定等方法進行。溫室試驗鑒定的條件相對恒定且較易控制，試驗結果也相對穩定。由于作物在萌發期及幼苗期對水分尤為敏感，研究人員通常在溫室或實驗室內采用滲透調節劑模擬干旱對作物芽苗期耐旱性進行鑒定［11］；田間耐旱性鑒定雖然成本較高，條件也難以控制，但是最終結果反映在產量上，與溫室或室內鑒定相比更接近實際，因此，本研究采用田間耐旱鑒定法在甜高粱生育中后期進行干旱脅迫處理，調查研究各種質在正常灌水和干旱脅迫兩個處理下的生物產量，以期獲得相對可靠的鑒定結果。

作物耐旱性是復雜的數量性狀，篩選出適合的評價指標是耐旱鑒定的關鍵所在。國內外科研人員針對不同作物利用多種方法進行了作物耐旱鑒定指標的篩選。袁闖等［16］研究結果表明，千粒重、單株粒重、穗粒數和穗莖粗可作為甜高粱成熟期的抗旱鑒定評價指標。汪燦等［17］認為，分蘗數、穗粒數和單株粒重可作為酒用糯高粱的抗旱性評價指標。本研究以甜高粱兩個處理下的生物產量以及12個耐旱指數，共計14個耐旱指標進行分析，結果發現不同的耐旱指標間往往存在較強的相關性，表明在使用不同耐旱指標進行耐旱種質鑒定過程中具有相似的選擇效果，同時，各耐旱指標可聚為不同的類，類內各耐旱指標的相關性較高，而類間各耐旱指標的相關性較弱，這意味著不同耐旱指標在鑒定甜高粱的耐旱性時可能有所差異。如何利用14個耐旱指標的信息對甜高粱的耐旱性進行準確的評定是識別耐旱種質的關鍵，研究過程中從14個耐旱指標中提取到兩個獨立的主成分，其累積方差解釋為88.3%，能夠代表14個耐旱指標88.3%的變異信息量。根據各指標對主成分的貢獻分析，大部分耐旱指標對兩個主成分的貢獻率較大，主要是與耐旱指標間的較強相關性有關，這一結果與相關分析的結果又相互印證。

繪制基于主成分分析的雙標圖用來鑒定和識別耐旱種質的方法已廣泛應用［18］。基于主成分的雙標圖結果表明，大部分甜高粱種質集中在坐標原點附近，其耐旱性差異不大，但根據雙標圖可以區分耐旱、較耐旱和不耐旱種質，其中位于第一象限內的甜高粱種質無論在干旱脅迫還是正常灌水條件下，豐產性和穩產性都很好，屬于耐旱種質。位于第二象限內的種質在正常灌水條件下產量潛力不高，但受到干旱脅迫時產量較穩定，屬于較耐旱種質。位于第三象限內的種質在干旱脅迫還是正常灌水條件下，豐產性和穩產性都較差，均屬于不耐旱種質，而位于第四象限內的種質在正常灌水條件下產量潛力較高，但受到干旱脅迫時產量穩定性較差。

4 結論

本研究對甜高粱正常灌水與干旱脅迫下的生物產量Ys、Yp以及12個耐旱指數進行相關分析，結果表明大部分性狀指標間呈較強的正相關關系。根據相關系數聚類結果，除第二類與第一類指標呈較強負相關關系外，其余類間均呈正相關關系。主成分分析結果提取到的兩個主成分分別代表甜高粱的生物產量潛力和耐干旱脅迫能力，累積解釋方差為88.3%。根據雙標圖結果篩選到高產穩產耐旱種質‘S104’以及較耐旱的三個種質‘S370’‘S359’和‘S368’。