王瑞霞, 李小玉, 田宏先

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所， 山西 大同 037008)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.)屬于十字花科(Brassicaecea)蕓薹屬(Brassica)，是芥菜(Brassicajuncea)的油用類型。芥菜型油菜具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、抗裂莢、含油率高等特點，我國芥菜型油菜產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/3[1]。2017年《山西省統(tǒng)計年鑒》結(jié)果顯示，芥菜型春油菜種植面積較往年大幅度提升[2]。芥菜型油菜目前已成為山西晉北地區(qū)城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村旅游觀光賞花的主栽作物，也是晉北區(qū)抗旱救災(zāi)的主要作物之一，更是食用植物油和飼料蛋白的重要來源[3]，同時還可作為重要的綠肥植物。

干旱嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)發(fā)展，是造成農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害之首[4]。晉北山區(qū)地處黃土高原，正值春播的4—5月間，有效降雨量極少，水資源嚴(yán)重不足和分布不均嚴(yán)重制約油菜正常生長發(fā)育，春油菜常常出現(xiàn)出苗慢、不整齊、生長緩慢、基本苗少等情況，極可能導(dǎo)致災(zāi)難性歉收。因此，抗旱種質(zhì)資源的篩選和鑒定尤為必要?？购捣N質(zhì)材料的鑒定方法是目前面臨的主要問題，有許多形態(tài)指標(biāo)和生理生化指標(biāo)可用來反映品種抗旱性和豐產(chǎn)性，但還沒有統(tǒng)一的指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)，很難全面準(zhǔn)確地評價品種抗旱性[5-6]，再者油菜抗旱育種的目標(biāo)不僅要求品種具有較好的穩(wěn)產(chǎn)性，而且具有較大的豐產(chǎn)潛力[7]。因此，到目前為止尚未建立有效的抗旱鑒定評價體系。本試驗采用大田干旱脅迫鑒定法，對12份芥菜型春油菜品種進(jìn)行干旱脅迫處理與正常澆水對比。通過考查花期光合生理參數(shù)和成熟期各農(nóng)藝性狀指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)法、主成分分析法和Duncan檢驗多重比較法，進(jìn)行光合生理和產(chǎn)量品質(zhì)與抗旱性的關(guān)系研究，旨在了解春油菜抗旱機(jī)制，為晉北地區(qū)春油菜的旱作栽培以及抗旱品種的篩選提供探索依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

選用晉北地區(qū)近5年來廣泛種植的12個芥菜型春油菜品種為試材，品種基本情況見表1。試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所試驗基地進(jìn)行，該地位于山西省懷仁市毛皂鎮(zhèn)(緯度 39.93°、經(jīng)度 113.26°)，平均海拔1 085.7 m，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降雨量367.0 mm，其中4—9月降水量為323.9 mm，占全年降水量的88.3%，年平均相對濕度為48%，最小相對濕度19%，無霜期141 d，年均風(fēng)速2.4 m·s-1，年平均蒸發(fā)量2 028.8 mm。試驗地地勢平坦，為沙壤黃土，肥力均勻，前茬作物馬鈴薯。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用田間直接鑒定法，于2018年5月1日播種，設(shè)非水分脅迫(CK)和干旱脅迫(D)2個處理。非水分脅迫處理是在抽薹期(6月22日)、花期(7月1日)、角果期(7月20日)各澆透水 1 次；干旱脅迫處理是生長期間完全依靠自然降水，2018年5—8月利用物聯(lián)化土壤水分溫度檢測儀[智墑 ET100, 東方智感(浙江)科技股份有限公司] 實時監(jiān)測同一位置不同土層深度的土壤水分和溫度，10—30 cm土壤平均水分含量(表2)遠(yuǎn)不能滿足油菜正常開花結(jié)實的水分需求，造成自然條件下嚴(yán)重的干旱脅迫。采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積12 m2，兩種處理間隔20 m防滲透隔離。

表2 油菜生長期間干旱處理組10—30 cm土壤平均水分含量Table 2 Average soil moisture content of 10—30 cm in drought treated group during rape growth period (%)

1.3 測定項目及方法

1.3.1光合生理參數(shù)的測定 試驗選擇在氣候穩(wěn)定、降雨極少的 7 月上旬進(jìn)行測定，于 2018 年7月 10 日晴朗天氣下進(jìn)行，每個品種分別選取5片葉齡一致、葉片之間無相互遮蔭、生長狀況具有代表性的葉片進(jìn)行光合生理參數(shù)的測定，每次取心葉下第 3～4 片功能葉進(jìn)行測定，每個處理3次重復(fù)，應(yīng)用 Li-6400XT 便攜式光合作用測量系統(tǒng)(美國Li-Cor公司)對處理組光合生理指標(biāo)以及相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行測定，使用開放式氣路，每個葉片重復(fù) 5次，取平均值。光合生理參數(shù)測定時間為 9:00—11:00。儀器自動記錄凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs，mmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci，μmol·mol-1)等生理參數(shù)。葉片水分利用效率(water use efficiency，WUE，μmol·mmol-1)和氣孔限制值(stomatal limiting value，Ls)分別用以下公式計算。

WUE=Pn/Tr

(1)

Ls= 1-Ci/Ca

(2)

式中，Ca為大氣CO2濃度，由光合儀測定。

1.3.2收獲期農(nóng)藝性狀的測定 在油菜成熟期，各個品種隨機(jī)選取3個單株，考查有效分枝數(shù)、主軸上的角果數(shù)、全株角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重和單株產(chǎn)量6個經(jīng)濟(jì)性狀。

1.3.3隸屬函數(shù)值計算 隸屬函數(shù)法的計算公式[8]如下。

Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(3)

Xi=1/nΣXij

(4)

當(dāng)性狀指標(biāo)與抗性正相關(guān)時，(3)式中Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)；當(dāng)性狀指標(biāo)與抗性負(fù)相關(guān)時，Xij=1-(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)。

式中，Xij表示i種類j指標(biāo)的抗性隸屬函數(shù)值；xij表示i種類j指標(biāo)的測定值；xj表示各品種第j個性狀指標(biāo)；xjmin表示各品種j性狀指標(biāo)的最小值；xjmax表示各品種第j個性狀指標(biāo)的最大值。隸屬函數(shù)值Xi越大，則抗性越強(qiáng)，按隸屬函數(shù)值的大小對12個品種的抗旱性進(jìn)行排序。

1.3.4抗旱系數(shù)計算 為消除材料間的差異，各指標(biāo)均采用李真等[9]的方法計算抗旱系數(shù)(drought resistance coefficient，DRC)。計算公式如下。

抗旱系數(shù)(DRC)=干旱脅迫下的測定值/對照下測定值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)，運用SPSS 22.0軟件和Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行顯著性(Duncan檢驗法進(jìn)行多重比較)、相關(guān)性和主成分分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 芥菜型春油菜各光合參數(shù)對干旱脅迫的響應(yīng)

2.1.1芥菜型春油菜品種Ci和Gs對干旱脅迫的響應(yīng) 圖1顯示，水分脅迫不同程度降低了12個供試品種的Ci和Gs。不同春油菜品種Ci干旱處理組間比較，大辣芥與晉油8號和溴源芥差異極顯著(P<0.01)；對照組中，晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、晉油12號、晉油13號、自選X0與牛尾稍、晉油6號、大辣芥、溴源芥、內(nèi)蒙大黃芥、05-11-2差異極顯著(P<0.01)；晉油14號與神池大黃芥差異顯著(P<0.05)。干旱脅迫下葉片氣孔導(dǎo)度降低，通過蒸騰散失的水分減少從而促進(jìn)蒸騰效率提高。溴源芥與其他11個品種呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)；對照組中，晉油14號與牛尾稍、05-11-2、晉油6號、內(nèi)蒙大黃芥、大辣芥和溴源芥呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)，與神池大黃芥差異顯著(P<0.05)；神池大黃芥與牛尾稍、05-11-2、晉油6號、大辣芥和溴源芥差異顯著(P<0.05)。伴隨著Gs和Ci明顯下降，根據(jù)氣孔限制理論，原因主要以氣孔限制為主(由于氣孔因素造成的CO2供應(yīng)不足)。表明水分脅迫沒有使油菜光合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，葉肉細(xì)胞光合能力和光合生產(chǎn)力也沒有受到影響。

2.1.2芥菜型春油菜品種Pn和Tr對干旱脅迫的響應(yīng) 圖2顯示，干旱脅迫時，春油菜品種的Pn較對照都有所降低(神池大黃芥除外)，引起油菜葉片Pn降低的內(nèi)在因素不外乎氣孔的部分關(guān)閉(氣孔限制)和葉肉細(xì)胞自身活性下降(非氣孔限制)兩類。干旱脅迫下12個品種之間的Pn并無差異。對照組中，晉油14號顯著高于神池大黃芥、晉油8號和晉油13號(P<0.05)，與05-11-2、晉油6號、內(nèi)蒙大黃芥、溴源芥、神池大黃芥差異極顯著(P<0.01)。干旱脅迫明顯降低了12個品種的蒸騰速率Tr，表明干旱脅迫已經(jīng)嚴(yán)重影響了油菜正常的蒸騰功能。蒸騰作用降低是植物通過關(guān)閉氣孔來適應(yīng)水分脅迫或防止葉片過度蒸騰失水的一種生態(tài)適應(yīng)對策。干旱處理組間無差異，且12個品種均正常生長。分析表明，隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)，蒸騰失水導(dǎo)致葉片水分虧相應(yīng)地引起葉片水勢下降，從而引起Gs下降，最終避免了因過多蒸騰失水而造成葉肉組織受到傷害。水分條件適宜時，晉油14號蒸騰速率較其他品種顯著升高，表明晉油14號通過大量蒸騰失水來降低植物體內(nèi)的溫度，為其正常生理活動創(chuàng)造條件。對照處理組間比較，神池大黃芥與其他剩余11個品種差異極顯著(P<0.01)；晉油14號與大辣芥、神池大黃芥和晉油8號差異顯著(P<0.05)。

注:不同大小寫字母表示組間差異在P<0.01和P<0.05水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: Different capital letters indicate significant difference at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.圖2 凈光合速率和蒸騰速率對干旱脅迫的響應(yīng)Fig.2 Response of Pn and Tr to drought stress

2.1.3芥菜型春油菜品種Ls和WUE對干旱脅迫的響應(yīng) 圖3顯示，干旱脅迫不同程度提高了12個春油菜品種的Ls值，根據(jù)氣孔限制理論，原因主要以氣孔限制為主(由于氣孔因素造成的CO2供應(yīng)不足)；晉油14號和內(nèi)蒙大黃芥均與其他剩余品種差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)。牛尾稍、晉油6號、05-11-2與神池大黃芥、自選X0、晉油8號、晉油12號、晉油13號差異顯著(P<0.05)，干旱脅迫組中，大辣芥與溴源芥差異顯著(P<0.05)。干旱脅迫明顯提高了晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、自選X0、晉油12號和晉油13號的水分利用率。葉片WUE是Pn與Tr的比值，它表征植物對自身蒸騰耗水的利用能力。WUE的變化是植物抗旱策略的重要組成部分，當(dāng)植物遭受水分脅迫時，WUE必定會發(fā)生相應(yīng)的變化，以保持植物生長與水分消耗的平衡。隨著水分脅迫程度的增加，油菜葉片的WUE呈增加趨勢，這是植物對水分環(huán)境變化相適應(yīng)的一種表現(xiàn)。因此，水分利用效率被廣泛用于評估作物在不同水分條件下的生長情況，是衡量作物抗旱性的重要指標(biāo)，作物在缺水條件下通常保持較高的內(nèi)在水分利用效率[13]。圖3顯示，對照組中，晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、晉油12號、晉油13號、自選X0與牛尾稍、晉油6號、大辣芥、溴源芥、內(nèi)蒙大黃芥、05-11-2差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)；干旱脅迫組間比較，神池大黃芥與其他11個品種差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)，大辣芥與晉油14號、晉油8號、晉油12號、晉油13號差異顯著(P<0.05)。

注:不同大小寫字母表示組間差異在P<0.01和P<0.05水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: Different capital letters indicate significant difference at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.圖3 氣孔限制值和水分利用率對干旱脅迫的響應(yīng)Fig.3 Response of Ls and WUE to drought stress

2.2 芥菜型春油菜各農(nóng)藝性狀對干旱脅迫的響應(yīng)

從表3可以看出，干旱脅迫對不同抗旱類型油菜品種的影響存在差異。與正常澆水相比，干旱脅迫嚴(yán)重影響了油菜的生長發(fā)育，6個農(nóng)藝性狀均有較大改變。12 份材料在干旱脅迫處理后各單項農(nóng)藝性狀指標(biāo)平均值較對照呈現(xiàn)不同程度降低。干旱脅迫后，除有效分枝數(shù)外，晉油14號其余性狀都至少與一個或者其他品種呈顯著或極顯著相關(guān)，其中，在干旱脅迫中，晉油14號的千粒重和單株產(chǎn)量與大辣芥、溴源芥存在差異。

表3 不同處理下油菜的農(nóng)藝性狀Table 3 Agronomic characters of rape under different treatments

2.3 12個芥菜型春油菜品種抗旱性綜合評價

植物對水分處理的響應(yīng)機(jī)制是一個復(fù)雜的過程，其中涉及眾多基因的誘導(dǎo)表達(dá)和代謝途徑的啟動，再者由于植物本身抗旱機(jī)理的復(fù)雜性和植物對干旱條件適應(yīng)的多樣性，單一指標(biāo)很難全面準(zhǔn)確地評價耐旱性的強(qiáng)弱。在植株的抗旱性評價研究中，指標(biāo)的選擇是抗旱性評價是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素[14]。加權(quán)隸屬函數(shù)值作為評判抗旱性強(qiáng)弱標(biāo)準(zhǔn)的綜合抗旱性度量值(隸屬函數(shù)值)，隸屬函數(shù)值越大，抗旱性越強(qiáng)，越小則越弱。12個供試材料的隸屬函數(shù)平均值為0.442，變幅為 0.30～0.63，變異系數(shù)為25.8%。根據(jù)隸屬函數(shù)值對材料進(jìn)行抗旱性排序(表4)，晉油14號、神池大黃芥、牛尾稍和晉油13號的函數(shù)隸屬均值均大于0.50，屬于抗旱型品種；其余8個品種的隸屬函數(shù)均值小于0.50，屬于干旱敏感型品種。

表4 干旱脅迫下不同芥菜型春油菜的隸屬函數(shù)值Table 4 Membership function value of 12 Brassica juncea under drought stress

2.4 12個芥菜型春油菜品種主成分分析

從表5可以看出，前4個綜合指標(biāo)的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到 87.158%，表明在脅迫處理中，前4個綜合指標(biāo)能代表12個單項指標(biāo)的絕大部分信息，可以分別用這4個主成分對12份材料的抗旱性進(jìn)行概括分析。決定第一主成分大小的主要是氣孔導(dǎo)度、氣孔限制值、凈光合速率、胞間CO2濃度和水分利用率，它們反映了37.33%的原始數(shù)據(jù)信息量，這些指標(biāo)主要與光合作用相關(guān)，可以大致概括為光合生長因子；決定第二主成分大小的主要是有效分枝數(shù)、單株產(chǎn)量、每角粒數(shù)和全株角果數(shù)，它們反映了原始數(shù)據(jù)信息量的21.31%，可以大致概括為產(chǎn)量因子；決定第三、四主成分大小的分別是蒸騰速率和千粒重。

表5 干旱脅迫下主成分特征向量及貢獻(xiàn)率Table 5 Eigenvectors and percentages of accumulated contribution of principal components under drought stress

3 討論

植物對水分脅迫的響應(yīng)機(jī)制是一個復(fù)雜的過程，其中涉及眾多基因的誘導(dǎo)表達(dá)和代謝途徑的啟動，各途徑之間相互交叉，相互影響，單一指標(biāo)很難全面準(zhǔn)確地評價耐旱性的強(qiáng)弱。在植株的抗旱性評價研究中，指標(biāo)的選擇是抗旱性評價是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素[14]。國內(nèi)外學(xué)者在油菜抗旱指標(biāo)的篩選上做了大量研究，主要有生長發(fā)育指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)、生理生化指標(biāo)[15]。Wright等[16]比較了芥菜型油菜和甘藍(lán)型油菜耐旱性后認(rèn)為，發(fā)達(dá)的根系和干旱條件下干物質(zhì)積累可以作為抗旱性指標(biāo)。以上研究多集中于單一系列指標(biāo)研究，缺乏多性狀相結(jié)合的綜合評價，很可能影響鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。近年來，對作物抗旱性的鑒定越來越多地采用多指標(biāo)綜合評價方法。耿站軍等[17]研究了水分脅迫對不同基因型油菜的生態(tài)適應(yīng)性影響時得出隨水分脅迫程度的減小，4種不同基因型油菜幼苗的根系活力和地上生物產(chǎn)量均逐漸提高，進(jìn)一步證實了Wright等[16]的早期研究。朱宗河等[18]研究表明，單株干重和根系性狀是甘藍(lán)型油菜不同種質(zhì)間耐旱性的重要體現(xiàn)；王漢中[19]研究認(rèn)為，耐旱性強(qiáng)的品種會具有更強(qiáng)的干旱耐受能力，在干旱情況下，能顯著降低水分蒸騰。本研究也得到了相同的試驗結(jié)果。謝小玉等[20]認(rèn)為，葉片相對含水量、丙二醛、葉面積可以作為油菜抗旱性鑒定的優(yōu)選指標(biāo)；符明聯(lián)等[21]通過隸屬函數(shù)法研究了58份甘藍(lán)型油菜和芥菜型油菜的種間雜交后代，結(jié)果表明，單株分枝數(shù)和有效角果數(shù)與抗旱性顯著相關(guān)，而角粒數(shù)和千粒重與抗旱性關(guān)聯(lián)性較弱。本研究中除了晉油14號每角粒數(shù)與抗旱性關(guān)聯(lián)強(qiáng)外，其余品種與抗旱關(guān)聯(lián)性都較弱。大次卓嘎等[22]研究我國西部地區(qū)芥菜型油菜農(nóng)藝性狀典型相關(guān)分析時得出，要得到優(yōu)良的油菜品種應(yīng)重點從有效分枝數(shù)、株高、主花序角果數(shù)、主花序果柄數(shù)等性狀方面選擇；白鵬等[23]研究認(rèn)為，光合生長和膜脂過氧化-抗氧化調(diào)節(jié)因子可以作為油菜抗旱性的主要鑒定指標(biāo)，水分和滲透調(diào)節(jié)因子-產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子可以作為油菜抗旱性的次要鑒定指標(biāo)。Pou等[10]、Guerfel等[11]、Karam等[12]對不同植物的研究表明，適度干旱脅迫能使植物WUE顯著提高。本研究結(jié)果也支持這一觀點，即適度的干旱脅迫能夠提高油菜葉片的WUE。殷婷等[24]研究比較了25份油菜品種農(nóng)藝性狀，結(jié)果表明，干旱脅迫影響油菜的植株生長，其株高和單株產(chǎn)量均降低。本研究中12個品種的單株產(chǎn)量指標(biāo)干旱脅迫處理組遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對照組。陳嬌等[14]通過甘藍(lán)型油菜苗期抗旱性鑒定研究發(fā)現(xiàn)，光合參數(shù)指標(biāo)、含水量指標(biāo)、植株形態(tài)和根系性狀指標(biāo)可以作為優(yōu)選鑒定指標(biāo)，而超氧化物歧化酶、氧化物酶、氧化氫酶等生理生化指標(biāo)整體靠后，不宜作為油菜苗期抗旱性鑒定的核心指標(biāo)。本試驗在對抗旱材料進(jìn)行篩選時的6個光合參數(shù)指標(biāo)起到了重要的作用，進(jìn)一步證實了陳嬌等[14]的研究。因此，在油菜苗期抗旱性鑒定中，有針對性地選取與抗旱密切相關(guān)的指標(biāo)，尤其是光合參數(shù)指標(biāo)和根系形態(tài)指標(biāo)，既能簡化工作又能使鑒定結(jié)果更可靠。

在前人的研究基礎(chǔ)之上，本研究將光合參數(shù)、農(nóng)藝性狀等12個抗旱指標(biāo)進(jìn)行對比分析，根據(jù)函數(shù)隸屬均值將12個參試材料進(jìn)行了抗旱性由強(qiáng)到弱的排列：晉油14號>神池大黃芥﹥牛尾稍>晉油13號﹥溴源芥﹥大辣芥﹥晉油12號﹥內(nèi)蒙大黃芥﹥05-11-2﹥晉油8號﹥自選X0和晉油6號。研究結(jié)果不僅為油菜抗旱性改良提供了資源材料，也為芥菜型春油菜抗旱性鑒定評價提供了參考方法。綜上，在油菜抗旱性鑒定研究中，光合參數(shù)指標(biāo)、植株各農(nóng)藝性狀指標(biāo)可以作為優(yōu)選鑒定指標(biāo)。同時通過此次試驗優(yōu)選得到晉油14號、神池大黃芥、牛尾稍和晉油13號4個適宜北方大面積推廣種植的優(yōu)勢品種。