不同基因型馬鈴薯對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)

于國(guó)紅 劉朋程 李磊 李明哲 崔海英 郝洪波 郭安強(qiáng)

（河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所 河北省農(nóng)作物抗旱研究實(shí)驗(yàn)室，衡水 053500）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L）是世界上第四大農(nóng)作物，其產(chǎn)量大、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，我國(guó)馬鈴薯種植面積達(dá)500萬hm2以上，馬鈴薯在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占重要地位［1］。馬鈴薯對(duì)水分較為敏感［2］，而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源日益短缺，馬鈴薯生長(zhǎng)和生產(chǎn)受到干旱的嚴(yán)重制約。因此，馬鈴薯的抗旱性研究對(duì)實(shí)現(xiàn)馬鈴薯抗旱節(jié)水具有重要意義。目前，馬鈴薯抗旱性相關(guān)的研究主要是圍繞抗旱機(jī)理和種植栽培技術(shù)等方面［3-5］。生理機(jī)制相關(guān)的滲透壓、抗氧化、光合作用等是主要的研究方向，其中滲透調(diào)控機(jī)制是調(diào)節(jié)抗旱脅迫的主要機(jī)制［6］，而另一個(gè)重要機(jī)制則是抗氧化調(diào)控機(jī)制［7］。評(píng)價(jià)作物的抗旱性不僅需要選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，還要適宜的評(píng)價(jià)方法。將多種方法和多種指標(biāo)相結(jié)合，對(duì)作物抗旱性的綜合評(píng)價(jià)是目前研究的熱點(diǎn)。一些學(xué)者將隸屬函數(shù)分析、相關(guān)分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)合起來綜合分析多個(gè)生理或生態(tài)指標(biāo)，從而科學(xué)系統(tǒng)地確定不同種質(zhì)資源的抗旱性［8-10］。本文利用20% PEG6000對(duì)不同基因型馬鈴薯進(jìn)行干旱脅迫處理，探究干旱脅迫下不同基因型馬鈴薯中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶活性的變化情況，結(jié)合隸屬函數(shù)分析、相關(guān)分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析等手段綜合分析多個(gè)抗旱相關(guān)生理指標(biāo)，鑒定不同基因型馬鈴薯抗旱性，為馬鈴薯抗旱育種提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為不同基因型馬鈴薯品種，包括135、16、費(fèi) 烏 瑞 它、SOLARA、TACNA、克 新23號(hào)、SOSNA、冀 張14號(hào)、F8、P、VITESSE、ZORA共12個(gè)品種。試驗(yàn)試劑分別為ddH2O和20% PEG6000。試驗(yàn)材料為10 cm的組培苗。試管苗繁殖采用莖切段法進(jìn)行組培苗繁殖，將組培苗剪成 1.5 厘米左右?guī)б秆康那o段，插入pH為5.8的 MS固體培養(yǎng)基上，在光照3 000 Lx，16 h光照，溫度25℃；8 h黑暗，溫度20℃的組培間內(nèi)培養(yǎng)備用。待其生長(zhǎng)20 d左右，長(zhǎng)至高度為10 cm時(shí)，進(jìn)行不同處理試驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2020年在河北省農(nóng)科院旱作所組培室內(nèi)進(jìn)行，采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，因素一為不同基因型馬鈴薯品種；因素二為不同處理，以ddH2O為對(duì)照組，以20% PEG6000為處理組。待組培苗平均高度10 cm時(shí)，往含有固體培養(yǎng)基的培養(yǎng)瓶中加入50 mL ddH2O或50 mL 20% PEG6000進(jìn)行脅迫處理，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)（瓶），每個(gè)重復(fù)5個(gè)平行（棵）。待抗旱表型出現(xiàn)差異時(shí)對(duì)整株馬鈴薯組培苗進(jìn)行取樣，液氮中速凍后儲(chǔ)存于-80℃冰箱里，備用于測(cè)定葉綠素、可溶性糖、丙二醛、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶6個(gè)生理指標(biāo)。生理指標(biāo)測(cè)定方法參見高俊鳳等編著的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》［11］。同時(shí)，對(duì)該12個(gè)馬鈴薯品種進(jìn)行大田干旱對(duì)比試驗(yàn)，正常處理澆水量為1 800 m3/hm2，干旱脅迫澆水量為600 m3/hm2，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)為32 m2，測(cè)產(chǎn)取樣面積為14 m2，折合產(chǎn)量按公斤/公頃（kg/hm2）來計(jì)算。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析 按照以下公式計(jì)算抗旱系數(shù)、綜合抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、隸屬函數(shù)值、抗旱性量度值，對(duì)抗旱性量度值進(jìn)行聚類分析，劃分抗旱級(jí)別。分析中涉及的計(jì)算公式如下［12-13］：

式中，Xs 和 Xc 分別為干旱脅迫和對(duì)照下各材料各指標(biāo)的測(cè)定值，為該指標(biāo)在干旱脅迫下的平均值。PIimin、PIimax為各性狀抗旱系數(shù)的最小值和最大值；ri為各性狀與綜合抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。采用 Excel 2010 和 DPS 7.05 軟件進(jìn)行作圖、關(guān)聯(lián)度分析以及聚類分析等。

2 結(jié)果

2.1 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯葉綠素含量的影響

由圖1可知，品種135和P中葉綠素含量在2種處理間變化均未通過顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），其它品種在20% PEG6000脅迫下的葉綠素含量均顯著降低。20% PEG6000脅迫下，品種16、費(fèi)烏瑞它、SOLARA、TACNA、克新23號(hào)、SOSNA、冀張14號(hào)、F8、VITESSE和ZORA中葉綠素含量與正常處理?xiàng)l件下相比，分別降低21.05%、36.57%、17.71%、15.97%、7.69%、48.58%、26.33%、31.47%、38.14%、21.45%。

圖1 干旱脅迫對(duì)不同基因型馬鈴薯中葉綠素含量的影響Fig.1 Effect on the chlorophyll content in potato with different genotypes under drought stress

2.2 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖2-A可知，與正常處理相比，干旱脅迫下各品種中可溶性糖含量呈現(xiàn)不同程度的升高趨勢(shì)，升高幅度在品種間具有顯著性差異。其中，品種135、16、SOLARA、TACNA、克 新23號(hào)、SOSNA和F8較費(fèi)烏瑞它分別提高68.89%、12.91%、 218.66%、101.39%、126.84%、55.97% 和12.52%。而 冀張14號(hào)、P、VITESSE和ZORA較費(fèi)烏瑞它分別降低30.47%、55.11%、44.74%和42.47%。

由圖2-B可知，品種冀張14號(hào)、VITESSE和ZORA丙二醛含量在2種處理間的變化均未通過顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），而其它品種在20% PEG6000脅迫下均顯著升高。其中，品種135、16、TACNA、F8和P較費(fèi)烏瑞它分別提高63.26%、81.39%、17.69%、64.12%和102.75%。而SOLARA、克新23號(hào)、SOSNA、冀張14號(hào)、VITESSE和ZORA較費(fèi)烏瑞它分別降低8.71%、4.12%、2.82%、53.59%、46.67%和40.44%。

圖2 干旱脅迫對(duì)不同基因型馬鈴薯中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig. 2 Effect on the osmotic adjustment substances in potato with different genotypes under drought stress

2.3 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯抗氧化酶活性的影響

由圖3-A可知，與正常處理相比，干旱脅迫下，各品種中SOD酶活性由左到右依次升高30.36%、19.14%、10.17%、22.18%、44.15%、34.25%、19.75%、7.32%、13.30%、14.87%、38.54%和33.96%。但是，冀張14號(hào)在兩個(gè)處理之間的變化未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖3-B、C顯示，與正常處理相比，干旱脅迫下，各品種中POD和CAT酶活性均顯著升高。品種16、SOLARA、TACNA、F8、VITESSE中POD酶活性較費(fèi)烏瑞它分別提高101.79%、35.19%、9.65%、40.84%和22.98%，而135、克 新23號(hào)、SOSNA、冀張14號(hào)、P、ZORA中POD酶活性較費(fèi)烏瑞它分別 降 低18.8%、24.02%、44.03%、19.93%、0.92%和18.36%。

圖3 干旱脅迫對(duì)不同基因型馬鈴薯中抗氧化酶活性的影響Fig. 3 Effect on the antioxidant enzyme activity in potato with different genotypes under drought stress

2.4 單項(xiàng)指標(biāo)的抗旱性評(píng)價(jià)

根據(jù)公式計(jì)算出每個(gè)材料中各個(gè)指標(biāo)的單項(xiàng)抗旱系數(shù)和綜合抗旱系數(shù)，結(jié)果見表1，根據(jù)綜合抗旱系數(shù)馬鈴薯的抗旱性由強(qiáng)到弱依次為SOLARA＞135＞克新23號(hào)＞F8＞TACNA＞費(fèi)烏瑞它＞16＞VITESSE＞ZORA＞P＞SOSNA＞冀張14號(hào)。參照連續(xù)變數(shù)的次數(shù)分布統(tǒng)計(jì)方法［14］，將各性狀的抗旱系數(shù)以組距為 0.5 分成 9 個(gè)組區(qū)間，制作成次數(shù)分布表，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，在同一組區(qū)間各性狀的抗旱系數(shù)分布次數(shù)相差較大，同一種質(zhì)不同指標(biāo)的抗旱系數(shù)并不完全一致。因此，用單一生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)來評(píng)價(jià)馬鈴薯抗旱性不準(zhǔn)確，用多個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)才合理。

表1 不同基因型馬鈴薯的抗旱系數(shù)Table 1 Drought-resistant coefficients in potato with different genotypes

表2 不同基因型馬鈴薯各性狀指標(biāo)的抗旱系數(shù)在不同區(qū)間的分布Table 2 Distribution of drought-resistant coefficient of different trait index in potato with different genotypes in different regions

2.5 綜合抗旱性評(píng)價(jià)

利用相關(guān)分析計(jì)算各性狀與綜合抗旱指數(shù)（抗旱指數(shù)的平均值）的相關(guān)系數(shù)，利用公式（4）計(jì)算出各個(gè)材料的隸屬函數(shù)值。再根據(jù)公式（5）計(jì)算抗旱性量度值 D，然后根據(jù) D 值大小對(duì)供試種質(zhì)進(jìn)行抗旱性排序，D 值越大表示抗旱性越強(qiáng)，最后對(duì) D 值進(jìn)行聚類分析，劃分抗旱級(jí)別，結(jié)果見表3。由圖4可知，將馬鈴薯品種抗旱性分為3類，第1類為抗旱性強(qiáng)的品種，包括135、SOLARA、TACNA、克新23號(hào)；第2類為抗旱性中等的品種，包括16、費(fèi)烏瑞它、F8、P、VITESSE和ZORA；第3類為抗旱性差的品種，包括SOSNA和冀張14號(hào)。

圖4 聚類圖Fig. 4 Cluster diagram

表3 不同基因型馬鈴薯的抗旱性排序Table 3 Ranking of drought resistance in potato with different genotypes

2.6 關(guān)聯(lián)度分析

按灰色系統(tǒng)理論要求，將12個(gè)不同基因型馬鈴薯品種的綜合抗旱指數(shù)和干旱脅迫下的 6個(gè)指標(biāo)視為一個(gè)整體，即灰色系統(tǒng)。將綜合抗旱指數(shù)作為參考數(shù)列（母序列），各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值為比較數(shù)列（子序列），建立灰色系統(tǒng)，計(jì)算各指標(biāo)與其綜合抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表4。在干旱脅迫條件下，6個(gè)指標(biāo)與綜合抗旱指數(shù)的密切程度（關(guān)聯(lián)序）從大到小依次為：葉綠素、CAT活性、丙二醛、SOD 活性、可溶性糖和POD 活性。

表4 馬鈴薯中各指標(biāo)與綜合抗旱指數(shù)關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序Table 4 Correlation degree and correlation order of indexes and comprehensive drought-resistant index in potato

2.7 產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析

對(duì)不同條件下不同基因型馬鈴薯品種的塊莖農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)查與測(cè)定，結(jié)果（表5）顯示，干旱處理與否不影響塊莖顏色等特性，但是不同品種馬鈴薯干旱處理?xiàng)l件下與正常處理?xiàng)l件下產(chǎn)量較結(jié)果顯示，馬鈴薯品種冀張14號(hào)、克新23號(hào)、費(fèi)烏瑞它、135、16、SOSNA、SOLARA、TACNA、F8、P、VITESSE、ZORA減產(chǎn)率分別為62%、45%、52%、39%、46%、61%、48%、45%、55%、53%、55%和55%。

表5 不同條件下不同基因型馬鈴薯產(chǎn)量相關(guān)性狀調(diào)查表Table 5 The questionnaire of yield related traits in potato with different genotypes under different conditions

3 討論

干旱脅迫下，作物的生理變化是其抗旱性的間接微觀表現(xiàn)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量能反映作物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)［15］。Norouzi等［16］和張金鳳等［17］研究發(fā)現(xiàn)，可溶性糖和丙二醛的含量可作為油菜和馬尾松滲透調(diào)節(jié)能力的指標(biāo)。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致作物體內(nèi)抗氧化酶活性升高，從而減少體內(nèi)過氧化物對(duì)作物帶來的損傷［18-19］。但是作物抗旱機(jī)制比較復(fù)雜，僅用單一生理指標(biāo)衡量其抗旱性有失偏頗［20］，因此，本研究通過分析干旱脅迫下馬鈴薯體內(nèi)多個(gè)生理指標(biāo)的應(yīng)答情況來對(duì)馬鈴薯抗旱性進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，與正常處理相比，干旱脅迫下，除品種135和P外，其它品種中葉綠素含量均顯著降低，降低幅度較大的為SOSNA、VITESSE和費(fèi)烏瑞它，降低幅度較小的為克新23號(hào)。干旱脅迫下各品種中可溶性糖含量均顯著性地升高，除冀張14號(hào)、VITESSE和ZORA外，其它品種中丙二醛含量也都顯著升高?？扇苄蕴呛捅┖可叻容^大的品種分別為SOLARA、克新23號(hào)、TACNA、135、SOSNA和135、16、TACNA、F8、P。與正常處理相比，干旱脅迫促使SOD、POD、CAT酶活性得以提高，這與李玉華等［21］的研究結(jié)果一致。

近年來，干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為了提高篩選抗旱性作物資源、探究作物抗旱生理應(yīng)答機(jī)制，一些學(xué)者們?cè)诠茸?、大麥等作物上采用相關(guān)分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析等相結(jié)合的方法對(duì)作物的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［22-23］。本研究結(jié)果顯示，同一馬鈴薯種質(zhì)的不同指標(biāo)抗旱系數(shù)有所差異，說明采用單一生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)馬鈴薯抗旱性，這與羅俊杰等［24］的研究結(jié)果一致。

通過進(jìn)一步結(jié)合單項(xiàng)指標(biāo)抗旱系數(shù)、隸屬函數(shù)分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析與產(chǎn)量結(jié)果分析對(duì)馬鈴薯種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行綜合分析，得出不同基因型馬鈴薯抗旱性強(qiáng)弱依次為135、SOLARA、克新23號(hào)、TACNA、F8、16、P、ZORA、費(fèi)烏瑞它、VITESSE、SOSNA和冀張14號(hào)。馬鈴薯品種135、克新23號(hào)、TACNA、16、SOLARA、費(fèi)烏瑞它、P、F8、ZORA、VITESSE、SOSNA和冀張14號(hào)的減產(chǎn)率由低到高分別為39%、45%、45%、46%、48%、52%、53%、55%、55%、55%、61%和62%。干旱脅迫下，馬鈴薯品種冀張14號(hào)、SOSNA、VITESSE、ZORA、F8、 P、費(fèi)烏瑞它、SOLARA、克新23號(hào)、TACNA、135和16的產(chǎn)量與其抗旱水平均呈正相關(guān)。

4 結(jié)論

抗旱性強(qiáng)的馬鈴薯品種為135、SOLARA、TACNA、克新23號(hào)，抗旱性中等的馬鈴薯品種為16、費(fèi)烏瑞它、F8、P、VITESSE、ZORA，抗旱性差的馬鈴薯品種為SOSNA、冀張14號(hào)。