野生馬鈴薯材料生長性狀調(diào)查及抗旱性評價(jià)

劉 磊，馬奔馳，陳杰盼，王 磊，馮 琰，王 寬，祁利潘，龔學(xué)臣，尹 江，王 燕

(河北北方學(xué)院馬鈴薯研究中心，河北 張家口 075000)

馬鈴薯是第四大糧食作物，在世界糧食生產(chǎn)、解決人類溫飽和改善飲食結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了重要作用。栽培種親本材料遺傳背景狹窄，缺乏高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗基因資源，難以突破栽培種范圍。為了選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗品種，亟需尋找新的資源。馬鈴薯的野生種種質(zhì)資源非常豐富，這些資源在其原產(chǎn)地長期自然選擇下，形成了高度抗病性和對不良環(huán)境的耐性，但這些野生種還沒有完全被掌握和利用。同時(shí)，原產(chǎn)地種與種之間均分散存在。隨著人們對野生種質(zhì)資源認(rèn)識和研究的不斷深入，野生種在育種中的巨大潛力逐漸受到重視。馬鈴薯種質(zhì)資源的引進(jìn)、品種選育及評價(jià)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作，通過單一指標(biāo)分析無法準(zhǔn)確地對馬鈴薯綜合性狀進(jìn)行合理評價(jià)，而綜合評價(jià)法能對品種進(jìn)行全面客觀的評價(jià)[1]，具有一定的客觀性和準(zhǔn)確性，避免了單一指標(biāo)的片面性。

馬鈴薯抗旱性評價(jià)方法較多，但大部分研究者采用王謐等[2]的以苗期生理生化指標(biāo)為主的隸屬函數(shù)法。相關(guān)分析是一種研究各性狀間相關(guān)性及程度的統(tǒng)計(jì)方法。鄧聚龍[3]灰色系統(tǒng)理論的灰色關(guān)聯(lián)度分析克服了大樣本、模糊評判及單因素比較的缺陷，能解決方差分析中僅憑產(chǎn)量評價(jià)品種的不足，是一種簡便、信息量大、可靠性強(qiáng)的綜合評價(jià)分析方法[4-8]。該方法在棉花[9]、玉米[10]、水稻[11-12]、大豆[13-14]、苜蓿[15]的品種評價(jià)中有廣泛應(yīng)用[16]。但結(jié)合隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析對馬鈴薯品種生長性狀與抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)分析的研究鮮有報(bào)道。

本研究以河北北方學(xué)院馬鈴薯研究中心從多個(gè)國家和地區(qū)收集的32份野生馬鈴薯資源為材料，對其物候期、生長性狀和抗旱性進(jìn)行了調(diào)查和測定，并采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法對抗旱指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，目的是明確各指標(biāo)影響抗旱的程度和參試材料對干旱脅迫的響應(yīng)能力，為馬鈴薯育種親本的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與調(diào)查指標(biāo)

1.1 供試材料

32份野生馬鈴薯材料分別為LS 21-8、LS 69-1、LS 38-2、LS 54-8、LS 42-8、LS 1-5、LS 57-5、LS 39-1、LS 40-7、LS 23-2、LS 48-3、LS 19-6、LS 59-4、LS 6-8、LS 36-4、LS 6、LS 38-7、LS 6-6、LS 29-6、LS 24-6、LS 5-2、LS 7-5、LS 44-6、LS 46-8、LS 5、LS 1、LS 8-4、LS 46-7、LS 60-2、LS 47-4、LS 23-1、LS 3。

1.2 材料種植

大田旱棚種植，灌溉區(qū)分別在幼苗期、塊莖形成期、塊莖增長期、淀粉積累期4個(gè)時(shí)期進(jìn)行灌溉，灌水量達(dá)到田間最大持水量的70%。干旱脅迫區(qū)從現(xiàn)蕾期開始控水直至收獲，含水量自然降低到最大持水量的30%時(shí)，分別對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查和測定。

1.3 調(diào)查指標(biāo)

根據(jù)馬鈴薯種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查32份馬鈴薯材料的物候期分別為播種期、出苗期、收獲期、生育期等。植株形態(tài)特征分別為莖顏色、葉片顏色、花繁茂性、花冠色和株高等。塊莖性狀分別為薯形、皮色、肉色、薯皮類型和塊莖芽眼深度等。產(chǎn)量性狀為小薯數(shù)、小薯重、大薯數(shù)、大薯重和總產(chǎn)量等。

1.4 抗旱指標(biāo)測定及方法

株高：從泥土的表層到主莖的第1花序分支的高度。

葉綠素相對值：用SPAD 502葉綠素儀測定。

保水力：離體葉片保水力測定采用重量法，取新鮮功能葉片精確稱重，置空氣中緩慢脫水9 h后再稱重，計(jì)算單位重量葉片在相同時(shí)間內(nèi)的失水量[17]。

產(chǎn)量：收獲后測定單株塊莖產(chǎn)量。

過氧化氫酶(CAT)：采用紫外吸收法[18]測定 。

過氧化物酶(POD)：采用愈創(chuàng)木酚氧化法[19]測定。

丙二醛(MDA)含量：采用硫代巴比妥酸TBA顯色法測定[20]。

脯氨酸(Pro)含量：采用磺基水楊酸法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

模糊隸屬函數(shù)分析參考王燕等[21]方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 物候期調(diào)查分析

由表1可見，野生馬鈴薯材料的生育期為77～121 d。80 d以內(nèi)為早熟材料，81～105 d 為中熟材料,106 d以上的是晚熟材料。早熟有BD 23-2、BD 38-2、BD 46-7、BD 48-3共4個(gè)材料；中熟有BD 1-5、BD 23-1、BD 36-4等9個(gè)材料；晚熟有BD 1、BD 19-6、BD 21-8等19個(gè)材料。通過出苗期的比較，早熟材料出苗普遍較快，中熟材料次之，晚熟材料出苗普遍慢。

表1 32份野生馬鈴薯材料物候期Table 1 32 phenological period surveys of wild potato materials

2.2 植株形態(tài)特征調(diào)查分析

由表2可見，野生馬鈴薯材料的莖顏色以綠色為主，少數(shù)淺綠色；葉片顏色有綠色、棕綠色、褐綠色、紫色；花冠色有白色、淺紫色、紫色、深紫色、粉色、雜色；花繁茂性以多為主，少數(shù)中等；株高在26.3～33.3 cm之間的材料有BD 6、BD 64-4、BD 39-1、BD 21-8；株高在41.7～46.1 cm之間的材料有BD 38-7、BD 1、BD 69-1、BD 57-5；株高在51.3～54 cm之間的材料有BD 46-7、BD 3、BD 40-7、BD 24-6；株高在58～62 cm之間的材料有BD 6-6、BD 42-8、BD 65-4、BD 5-2、BD 1-5。

表2 32份野生馬鈴薯材料的植株形態(tài)特征Table 2 Investigation of plant morphological characteristics of 32 wild potato materials

2.3 塊莖性狀調(diào)查分析

由表3可見，野生馬鈴薯薯形為圓形或橢圓形；薯皮絕大多數(shù)為光滑，極少數(shù)是麻皮；芽眼有淺、中、深，少數(shù)為深；皮色大多數(shù)為白或黃、淺黃、金黃，少數(shù)為紅，極少數(shù)為粉；肉色淺黃或金黃居多，三種彩肉為紅心白肉，黃圈紅肉和紅圈黃肉。在一般情況下薯形圓形或橢圓形、中等大小、整齊均一、薯皮顏色黃或淺黃、表皮光滑、芽眼無色且淺，肉色金黃的商品薯比較受歡迎。

表3 32份野生馬鈴薯材料塊莖性狀Table 3 32 tuber properties of wild potato materials

2.4 產(chǎn)量調(diào)查分析

產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果(表4)顯示，野生馬鈴薯結(jié)薯多但大多為小薯且產(chǎn)量偏低，結(jié)薯數(shù)超過100個(gè)的材料有LS 1-5、LS 23-1、LS 23-2、LS 36-4、LS 38-2、LS 38-7、LS 40-7、LS 42-8、LS 44-6和LS 6-6等,總重量大于5 kg的有LS 21-8、LS 23-1、LS 23-2、LS 24-6、LS 36-4、LS 38-2、LS 38-7、LS 40-7、LS 42-8、LS 44-6、LS 46-8、LS 47-4和LS 6-6等。

表4 32份野生馬鈴薯材料產(chǎn)量Table 4 32 yield surveys of wild potato materials

2.5 隸屬函數(shù)分析

根據(jù)隸屬函數(shù)公式計(jì)算葉綠素、產(chǎn)量、保水力、株高、CAT、POD、MDA和Pro等8個(gè)抗旱生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，并求出平均值，以評價(jià)抗旱性，結(jié)果見表5。32份材料的抗旱性強(qiáng)弱為LS 40-7>LS 42-8>LS 64-4>LS 47-4>LS 48-3>LS 21-8>LS 54-8>LS 57-5>LS 6>LS 69-1>LS 36-4>LS 24-6>LS 8-4>LS 46-7>LS 44-6>LS 39-1>LS 23-2>LS 38-2>LS 23-1>LS 29-6>LS 38-7>LS 1>LS 60-2>LS 19-6>LS 5>LS 3>LS 65-4>LS 1-5>LS 5-2>LS 6-6>LS 46-8>LS 59-4。

表5 干旱脅迫下32份野生馬鈴薯材料抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值Table 5 Membership function values of the drought resistance index of 32 wild potatoes under drought stress

2.6 農(nóng)藝性狀的統(tǒng)計(jì)分析

對32份野生馬鈴薯種質(zhì)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果(表6)表明，葉綠素、產(chǎn)量、保水力、株高、CAT、POD、MDA和Pro等8個(gè)抗旱生理指標(biāo)的變異系數(shù)表現(xiàn)為CAT>Pro>MDA>POD>株高>葉綠素>保水力>產(chǎn)量，所有性狀的變異系數(shù)均大于10%，表明參試馬鈴薯材料有著較大的變異范圍。

2.7 灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.7.1灰色系統(tǒng)的建立

按灰色系統(tǒng)理論的要求，將上述32份材料的8個(gè)抗旱指標(biāo)作為一個(gè)整體，即灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)[22]。

2.7.2數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各指標(biāo)的量綱不一致，需對各抗性指標(biāo)的隸屬函數(shù)值作無量綱化處理，公式如下[23]：

表6 32份野生馬鈴薯材料抗旱性狀的變異分析Table 6 Variability analysis of drought resistance traits in 32 wild potato materials

其中，X0為隸屬函數(shù)均值的參考數(shù)列，Xi為8項(xiàng)抗旱指標(biāo)比較數(shù)列，Si為同一指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果見表7。

表7 樣本標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)Table 7 Sample-normalized and processed data

2.7.3關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算

1) 計(jì)算絕對差值：

以參考數(shù)列減去各樣本數(shù)列，得到各數(shù)列絕對差值，運(yùn)用 Microsoft Excel 軟件中函數(shù)獲取最大和最小絕對差值。最小絕對差值min (i)min (k)=|X0(k)-Xi(k)|， 最大絕對差值 max(i)max(k)=|X0(k)-Xi(k)|。

2) 關(guān)聯(lián)系數(shù)：

εi(k)=

(1)

式中， ξi(k)表示每個(gè)樣本每個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，i為數(shù)列中的行數(shù)，k為數(shù)列中的列數(shù)。ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1]， 考慮到關(guān)聯(lián)度區(qū)間的分布影響，ρ取 0.5[24]。各樣本關(guān)聯(lián)系數(shù)見表8。

3) 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度：

將每個(gè)樣本的各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)取算術(shù)平均值，得到等權(quán)關(guān)聯(lián)度。

4) 等權(quán)關(guān)聯(lián)度：

(2)

2.7.4關(guān)聯(lián)度排序

如表9所示，各指標(biāo)與抗旱性關(guān)聯(lián)度為：0.699>0.671>0.660>0.606>0.601>0.594>0.589>0.554?；诨疑P(guān)聯(lián)分析理論,關(guān)聯(lián)度越大,表明參考數(shù)列與比較數(shù)列的關(guān)系愈緊密，反之，關(guān)系較遠(yuǎn)。因而，關(guān)聯(lián)度大小可表明某一項(xiàng)指標(biāo)對干旱的敏感程度，各指標(biāo)對32個(gè)馬鈴薯材料抗旱性的影響依次為：產(chǎn)量、葉綠素、保水力、株高、MDA、CAT、Pro、POD。

表8 各樣本關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 8 Association coefficients of each sample

表9 關(guān)聯(lián)度結(jié)果Table 9 Association degree results

3 結(jié)論與討論

通過對32份野生馬鈴薯材料進(jìn)行物候期、植株形態(tài)特征、塊莖性質(zhì)、產(chǎn)量等4個(gè)項(xiàng)目的調(diào)查分析，選取以植株利于機(jī)械化收獲，薯型及薯肉顏色受市場歡迎且產(chǎn)量高為依據(jù)得到兩個(gè)綜合性狀較強(qiáng)的材料，分別是早熟材料LS 6-6和晚熟材料LS 24-6。

在抗旱性試驗(yàn)中，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析對8項(xiàng)抗旱指標(biāo)對抗旱的影響進(jìn)行排名，結(jié)果為：產(chǎn)量>葉綠素>保水力>株高>MDA>CAT>Pro>POD。通過模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)方法，對32個(gè)材料的8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)值分析得出，32個(gè)野生馬鈴薯材料耐旱隸屬函數(shù)總平均值范圍為0.38～0.88，LS 40-7總平均值最高，為0.88，其耐旱性最強(qiáng)，其次是LS 42-8和LS 64-4，總平均值分別為0.85、0.84，而LS 59-4總平均值最低，為0.38，其耐旱性最弱。

現(xiàn)有栽培種親本材料遺傳背景狹窄，缺乏高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗基因資源，基本上沒有突破普通栽培種范圍。為了選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗品種，急需尋找新的資源。通過調(diào)查32份野生馬鈴薯材料，針對物候期、植株形態(tài)特征和塊莖性質(zhì)挑選出優(yōu)秀的早熟和晚熟材料。對32份野生材料的8個(gè)指標(biāo)的耐旱性進(jìn)行了評價(jià)，植物的耐旱性受多種因素影響，不同材料對某個(gè)指標(biāo)的耐旱性不盡相同，單一指標(biāo)難以反映材料的耐旱性強(qiáng)弱，采用多指標(biāo)綜合評價(jià)可以避免單因素評定的差異，全面地反映植物的抗旱性。本試驗(yàn)篩選出與耐旱性高度相關(guān)的抗旱指標(biāo)，為后續(xù)馬鈴薯抗旱性研究提供參考。