蔣洪濤，蔣夏蘭，商賀陽，李安貴，張木清

（1.廣西大學(xué)廣西甘蔗生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；2.福建農(nóng)林大學(xué)國家甘蔗工程技術(shù)研究中心，福州 350002）

0 引言

近幾年隨著其他作物面積的擴(kuò)張，迫使甘蔗種植區(qū)域不斷向旱地和坡地轉(zhuǎn)移，中國旱地甘蔗所占比例達(dá)到85%以上。水資源缺乏已成為制約中國蔗糖生產(chǎn)的最關(guān)鍵因素之一，選育抗旱性強(qiáng)的甘蔗新品種是一種重要的經(jīng)濟(jì)、有效抗旱措施?？购敌詮?qiáng)的甘蔗新品種不僅可以保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而且對提高水資源利用率具有十分重要的意義。但是傳統(tǒng)的育種周期較長，很難得到綜合性能好的品種，通過引種能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得適應(yīng)當(dāng)?shù)赝茝V的優(yōu)良品種，而準(zhǔn)確鑒定甘蔗品種的抗旱性首先要建立有效的甘蔗抗旱性評價(jià)體系。

作物的抗旱性與作物形態(tài)、生理生化性狀密切相關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度研究了作物抗旱性的鑒定方法和指標(biāo)[1-3]。盧會文等[4]研究葉片衰老情況、株高傷害度、葉面積傷害度等形態(tài)指標(biāo)和4 個(gè)生理指標(biāo)與甘蔗品種抗旱性的關(guān)系，指出農(nóng)藝性狀也是適合甘蔗抗旱性評價(jià)的指標(biāo)；高三基等[5-7]研究水分脅迫下甘蔗葉綠素及葉綠素?zé)晒馀c甘蔗抗旱性的關(guān)系，指出光合指標(biāo)與品種抗旱性有密切關(guān)系；張木清等[8]對水分脅迫下蔗葉活性氧代謝回歸分析表明，水分脅迫下丙二醛含量與質(zhì)膜透性變化呈正相關(guān)，可作為鑒定甘蔗品種抗旱性較為可靠的生理生化指標(biāo)。研究表明，多種作物在干旱脅迫下脯氨酸快速積累以抵御干旱脅迫的傷害[9-12]，所以該指標(biāo)也可作為評價(jià)甘蔗抗旱的重要指標(biāo)之一。不同植物的抗旱能力和機(jī)制不同，利用多個(gè)單一指標(biāo)對作物進(jìn)行抗旱性評判容易造成評價(jià)結(jié)果的片面性和不穩(wěn)定性。

主成分分析可以快速準(zhǔn)確地確定各指標(biāo)權(quán)重，找出數(shù)目較少且能代表所有變量的主成分。主成分分析對原有信息全面覆蓋，同步解決了綜合變量覆蓋和降維問題，降低了數(shù)據(jù)對象集合的相異度和維度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)對象集合的聚類歸約[13]。研究表明，甘蔗葉片抗氧化物酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的差異是品種間耐干旱脅迫差異的生理基礎(chǔ)[14]。目前，利用主成分分析并結(jié)合隸屬函數(shù)、聚類分析的方法已經(jīng)廣泛地用于多種植物的抗逆性評價(jià)。田治國等[15]對9個(gè)萬壽菊品種16個(gè)生理指標(biāo)的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果表明，不同品種萬壽菊的生理指標(biāo)變化程度不同，通過主成分分析法、隸屬函數(shù)法和聚類分析法能夠很好地評價(jià)萬壽菊的抗旱性；王蘭芬等[16]采用抗旱系數(shù)、隸屬函數(shù)和抗旱指數(shù)法評價(jià)綠豆的抗旱性，結(jié)果表明，3 種評價(jià)方法抗旱分級結(jié)果一致性較高，說明在抗旱性評價(jià)上抗旱系數(shù)和隸屬函數(shù)法、抗旱指數(shù)法都具有很好的評價(jià)效果。邊芯等[17]通過利用抗旱系數(shù)和隸屬函數(shù)法對持綠性‘割手密’的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)，探明了持綠性‘割手密’的抗旱性遺傳特性，為持綠性甘蔗細(xì)莖野生種的利用提供依據(jù)；田春艷等[18]利用綜合分析方法進(jìn)一步明確了質(zhì)膜透性（PMP）、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸（Pro）含量、自由水/束縛水等是甘蔗抗旱性評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，可有效評價(jià)甘蔗種質(zhì)抗旱性；王天菊等[19]利用相關(guān)分析、聚類分析和模糊隸屬函數(shù)分析法對26 份‘割手密’的抗旱性進(jìn)行評價(jià)，為‘割手密’抗旱材料篩選及抗旱基因發(fā)掘奠定基礎(chǔ)。王焱等[20]利用相關(guān)分析、隸屬函數(shù)系數(shù)、綜合抗旱性系數(shù)、灰色關(guān)聯(lián)分析、逐步回歸和聚類分析方法對苜蓿發(fā)芽期的抗旱性進(jìn)行評價(jià)，篩選出在萌發(fā)期表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性的3個(gè)苜?；蛐?。王競紅等[21]對3 種觀賞草、李怡等[22]對54 份羊草種質(zhì)資源、孫佩等[23]對楊樹苗期、路之娟等[24]對不同基因型苦蕎采用以上相關(guān)方法進(jìn)行了抗旱性綜合評價(jià)。然而目前對于引進(jìn)的甘蔗品種（系）還沒有抗旱性差異綜合性評價(jià)。因此，本文對19 個(gè)潛力較大的甘蔗品種（系）的6個(gè)抗旱性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類及判別分析，從而對供試材料的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)，旨在篩選出抗旱性強(qiáng)的品種（系），為今后的甘蔗育種和引種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試甘蔗材料為2012 年廣西大學(xué)在美國農(nóng)業(yè)部運(yùn)河點(diǎn)育種站按照常規(guī)雜交育種技術(shù)選擇5 個(gè)甘蔗組合，分別為‘HoCP01-157’בCP14-0969’、‘CP49-50’בCP96-1252’、‘CP88-1762’בCP96-1252’、‘CP00-1100’בQ209’、‘CP89-2143’בCP72-1210’；雜交所得9 個(gè)甘蔗花穗，帶回國后經(jīng)過雜種圃和選種圃后選擇出17 個(gè)糖分、產(chǎn)量和抗逆性較好的甘蔗材料，其中‘GUC1’、‘GUC8’、‘GUC10’、‘GUC16’、‘GUC17’和‘GUC23’是‘HoCP01-157’בCP14-0969’雜交后代；‘GUC19’、‘GUC21’、‘GUC29’、‘GUC31’和‘GUC33’是‘CP49-50’בCP96-1252’雜交后代；‘GUC2’、‘GUC3’和‘GUC24’是‘CP88-1762’בCP96-1252’雜交后代；‘GUC9’和‘GUC13’是‘CP00-1100’בQ209’雜交后代；‘GUC25’是‘CP89-2143’בCP72-1210’雜交后代。在對17 個(gè)甘蔗材料進(jìn)行品比的同時(shí)進(jìn)行抗旱性評價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)對照甘蔗品種為廣西本地主栽品種‘新臺糖22號’（"ROC"22）和‘福農(nóng)39’（‘FN39’）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015 年7 月20 日，將所有試驗(yàn)材料砍成單芽，用多菌靈浸種處理后種植于塑料桶中，每桶裝等量的種植土（種植土以沙質(zhì)土壤與有機(jī)肥3:1 的比例混合），每個(gè)品種種植10 桶，每桶下種5～6 芽，正常肥水管理，保持所有材料的正常生長，待成苗后每桶定植3 株。分蘗期移至網(wǎng)室大棚，每個(gè)品種選取長勢均勻9桶作為研究對象，其中6 桶為試驗(yàn)組，3 桶作為對照組，試驗(yàn)組于10 月28 日開始停止供水處理，土壤相對含水量為81.9%～86.0%，停止供水20 d 后，自然失水到部分品種葉片干枯萎蔫，清晨無“吐水”現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)土壤相對含水量為23.8%～31.2%；對照組則一直控制土壤相對含水量在81.9%～86.0%。并于早上8:00—9:00 取樣，每個(gè)處理組和對照組均采集6株甘蔗的+1 葉混合為1份樣品，放入冰壺中，帶回實(shí)驗(yàn)室后將試驗(yàn)組和對照組樣品分別進(jìn)行隨機(jī)分組，每2 張葉片一組，形成3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)，進(jìn)行株高（Ph）、相對含水量（RWC）、葉綠素（Chl）、丙二醛（MDA）、膜透性（PMP）、脯氨酸（Pro）含量6個(gè)生理指標(biāo)的測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

株高（Ph）測定，選擇成熟挺直、無病害、長勢一致、具代表性的甘蔗主莖，用皮尺從地面測量至甘蔗+1葉。甘蔗葉片相對含水量（RWC）采用重量法測定，RWC=（葉片鮮重－干重）/（水飽和重－干重）×100%[25]；質(zhì)膜透性（PMP）測定參照侯冬花[26]方法，用相對電導(dǎo)率表示，PMP=處理電導(dǎo)率/煮沸電導(dǎo)率×100%；丙二醛含量（MDA，μmol/g）測定參照HEATH 等[27]方法；葉綠素含量（Chl，mg/g）測定采用混合液法[28]；脯氨酸含量（Pro，mg/g）測定參照張瑛等[29]方法。

參照BOUSLAMA 等[30]的方法計(jì)算Ph、RWC、PMP、MDA、Chl 和Pro 含量各指標(biāo)性狀的抗旱系數(shù)：抗旱系數(shù)=干旱處理測定值/對照測定值×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行主成分分析、隸屬函數(shù)分析和判別分析，用Origin 2019 軟件進(jìn)行聚類分析，采用歐式距離法進(jìn)行聚類分析，運(yùn)用的主要公式如下。

1.4.1隸屬函數(shù)值

式中：i=1，2，3，…，19（下同）；xi表示第i個(gè)因子的得分值，xminxmax分別表示第i個(gè)因子的最小值和最大值。

1.4.2權(quán)重

式中：Wi表示第i個(gè)公因子在所有公因子中的重要程度，Pi為各品種第i個(gè)公因子的貢獻(xiàn)率。

1.4.3綜合評價(jià)值

式中：Di值表示甘蔗材料抗旱性綜合評價(jià)值，U(xi)表示各品種隸屬度值，Wi表示各品種權(quán)重值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各品種（系）的抗旱系數(shù)和相關(guān)性分析

干旱脅迫下，不同甘蔗品種（系）的6項(xiàng)抗旱相關(guān)指標(biāo)呈現(xiàn)不同的變化（表1）。部分甘蔗在持續(xù)水分脅迫下能保持一定的生長能力，也有少數(shù)的甘蔗MDA 含量要低于正常供水的含量；但總體來說，RWC 和Chl 含量表現(xiàn)為明顯的下降，PMP、MDA 含量和Pro 含量有較大幅度的增加，反映出干旱脅迫在一定程度上造成了甘蔗膜脂過氧化；而不同品種甘蔗對水分脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)不一樣。相關(guān)分析表明，19 個(gè)甘蔗品種（系）的部分生理指標(biāo)之間存在顯著的相關(guān)性。其中Ph、RWC、Chl和Pro與PMP呈顯著負(fù)相關(guān)；除Ph以外，與MDA也呈顯著負(fù)相關(guān)；Ph、RWC、Chl 和Pro 四個(gè)指標(biāo)間相互呈顯著正相關(guān)；PMP 與MDA 呈顯著正相關(guān)（表2）。說明，在干旱脅迫下，不同甘蔗品種的各抗旱指標(biāo)之間存在一定的協(xié)同性和拮抗性，在減少水分脅迫對膜系統(tǒng)傷害的同時(shí)保持葉片較高的相對含水量、葉綠素含量和脯氨酸的含量，以提高甘蔗的抗旱能力，從而促進(jìn)甘蔗的生長。

表1 19 個(gè)甘蔗品種（系）各指標(biāo)的抗旱系數(shù)Table 1 Drought-tolerant coefficients of different parameters of nineteen sugarcane cultivars(clones)

表2 抗旱性指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlative coefficient matrix of drought-tolerant indexes

2.2 各品種（系）的主成分分析

6個(gè)抗旱指標(biāo)的抗旱系數(shù)轉(zhuǎn)化為4個(gè)主因子，累加貢獻(xiàn)率達(dá)94.12%（表3），說明前4個(gè)主因子所包含的要素信息量可以反映出6個(gè)抗旱性指標(biāo)原始特征參數(shù)的大部分信息，既保留了絕大部分信息，又達(dá)到了降維的目的。主因子1 中，Chl和PMP指標(biāo)對甘蔗品種抗旱性起支配作用，反映了甘蔗抗旱性與葉片光合作用和膜透性密切相關(guān)；因子2 中，RWC 和Pro 指標(biāo)對甘蔗品種抗旱性起支配作用，表明滲透調(diào)節(jié)對于甘蔗抗旱至關(guān)重要；因子3中，只有Ph具有較大載荷，反映了甘蔗抗旱性強(qiáng)弱直接影響甘蔗的生長；因子4中，只有MDA含量有較大載荷，表明MDA 含量是相對較為獨(dú)立的影響因子。甘蔗各生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)與其主因子系數(shù)相結(jié)合，得到每個(gè)品種（系）的4 個(gè)主因子得分值CI(xi)。CI(xi)值越大，說明該品種（系）在這一主因子上的抗旱性越強(qiáng)，反之抗旱性越弱。由表4 可以看出，‘GUC9’、‘GUC17’和‘GUC31’在Chl 和PMP 上抗旱性較強(qiáng)；‘GUC23’和‘GUC24’在RWC 和Pro 上的抗旱性較強(qiáng)；‘GUC19’和‘"ROC"22’在Ph 上的抗旱性較強(qiáng)；‘GUC1’、‘GUC9’和‘GUC33’在MDA 上的抗旱性較強(qiáng)。各CI(xi)值間的相關(guān)系數(shù)可以反映出一個(gè)因子作用性狀與其他因子作用性狀的間接作用。

表3 各主因子系數(shù)及貢獻(xiàn)率Table 3 Coefficients of principal factors and contribution rate

表4 19 個(gè)甘蔗品種（系）的4 個(gè)主因子得分值Table 4 Principal factor scores of nineteen sugarcane cultivars(clones)

2.3 各品種（系）的隸屬函數(shù)及綜合評價(jià)值

依據(jù)主因子貢獻(xiàn)率的大小，可以計(jì)算出各主因子的權(quán)重（IW）。4 個(gè)主因子的權(quán)重值不等，主因子1 的權(quán)重最大（0.307）；主因子4 的權(quán)重最小（0.195）。由于4個(gè)主因子在不同甘蔗品種（系）抗旱性評價(jià)中的作用不同，因此，在CI(xi)值的基礎(chǔ)上利用隸屬函數(shù)法進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，得到各品種的隸屬函數(shù)值U(xi)和綜合評價(jià)值（Di），根據(jù)Di值評價(jià)各品種（系）的抗旱性。由表5 可知，19 個(gè)甘蔗品種（系）的抗旱性強(qiáng)弱依次為‘GUC31’>‘GUC17’>‘GUC23’>‘GUC9’>‘"ROC"22’>‘GUC21’>‘GUC8’>‘GUC24’>‘GUC25’>‘GUC29’>‘GUC33’>‘GUC13’>‘GUC2’>‘GUC3’>‘GUC10’>‘GUC1’>‘GUC16’>‘GUC19’>‘福農(nóng)39’。

表5 19 個(gè)甘蔗品種（系）的隸屬函數(shù)值U(xi)和權(quán)重(IW)Table 5 U(xi)and IW in nineteen sugarcane cultivars(clones)

2.4 甘蔗不同種質(zhì)材料抗旱性的聚類及判別分析

聚類分析（圖1）在歐式距離5.08 時(shí)，將19 個(gè)甘蔗品種（系）分為3 類：高抗品種（系）5 個(gè)，包括‘GUC23’、‘GUC21’、‘GUC31’、‘GUC17’和‘GUC8’；中抗品種（系）10 個(gè)，包括‘"ROC"22’、‘GUC9’、‘GUC19’、‘GUC25’、‘GUC16’、‘GUC10’、‘GUC29’、‘GUC24’、‘GUC3’和‘GUC2’；不抗旱品種（系）4 個(gè)，包括‘GUC33’、‘福農(nóng)39’、‘GUC13’和‘GUC1’。將對甘蔗抗旱性（y）歸類有顯著影響的6 個(gè)抗旱性指標(biāo)Ph（x1）、RWC（x2）、Chl（x3）、MDA（x4）、PMP（x5）和Pro（x6）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后作為判別式的變量，進(jìn)行逐步判別分析，經(jīng)顯著性測驗(yàn)，所有顯著指標(biāo)都入選，建立如下判別函數(shù)：

圖1 19個(gè)甘蔗品種的抗旱性聚類分析圖Fig. 1 Cluster map of drought-tolerance in nineteen sugarcane cultivars(clones)

根據(jù)判別函數(shù)，利用相互驗(yàn)證法對原分類重新判別歸類，判別歸類的結(jié)果在19 個(gè)甘蔗品種（系）中沒有被誤判，所以聚類分析所得的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

3 討論與結(jié)論

植物的抗旱性是由多種因素相互作用而構(gòu)成的較為復(fù)雜的綜合性狀，其中每一個(gè)因素都與抗旱性本質(zhì)之間存在著一定的聯(lián)系，植物抵御或適應(yīng)干旱的途徑是多種多樣的，依靠一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)很難全面評價(jià)品種間抗旱性的差異[31]。因此，對不同作物做抗旱性評價(jià)應(yīng)該從作物形態(tài)、生理和生化等多個(gè)指標(biāo)中篩選出有顯著影響的幾個(gè)主要指標(biāo)，通過綜合評定，減少單一或過多指標(biāo)的試驗(yàn)誤差，結(jié)果才更合理、有效[5，32-33]。本試驗(yàn)中的6 個(gè)抗旱性指標(biāo)是從前人研究結(jié)果中選取的，結(jié)果表明6 個(gè)抗旱性指標(biāo)對甘蔗的抗旱性有顯著的影響，并且各指標(biāo)間都相互顯著相關(guān)。由于主成分的各因子為綜合變量且相互獨(dú)立，所以用主成分的因子得分作為指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確地了解各性狀的綜合表現(xiàn)，同時(shí)根據(jù)各自貢獻(xiàn)率大小可確定其相對重要性。以主成分分析為基礎(chǔ)，再結(jié)合隸屬函數(shù)加權(quán)法，可比較科學(xué)全面地對各品種的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)[34-35]。高三基等[5]和劉杜玲等[36]用主成分分析分別評價(jià)甘蔗的抗旱性和早實(shí)核桃的抗寒性，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，與實(shí)際情況相符。

本試驗(yàn)中MDA、PMP、Ph、Chl、Pro含量和RWC這6 個(gè)抗旱性指標(biāo)對不同甘蔗品種（系）抗旱性綜合鑒定的結(jié)果可靠性高，通過主成分分析法將單一指標(biāo)的抗旱系數(shù)轉(zhuǎn)化為彼此獨(dú)立的4 個(gè)主因子，4 個(gè)主因子可代表甘蔗抗旱性94.12%的原始數(shù)據(jù)信息量。因此，采用隸屬函數(shù)法，結(jié)合主成分分析得到的甘蔗抗旱性綜合評價(jià)值（Di），不僅考慮了各個(gè)指標(biāo)的重要性，又考慮到各指標(biāo)間以及各指標(biāo)與甘蔗抗旱性間的相互關(guān)系，從而準(zhǔn)確評價(jià)不同甘蔗材料的抗旱性。本研究通過采用抗旱系數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)、聚類分析和判別分析方法成功評價(jià)了19 個(gè)不同甘蔗品種（系）的抗旱性，其強(qiáng)弱依次為：‘GUC31’>‘GUC17’>‘GUC23’>‘GUC9’>‘"ROC"22’>‘GUC21’>‘GUC8’>‘GUC24’>‘GUC25’>‘GUC29’>‘GUC33’>‘GUC13’>‘GUC2’>‘GUC3’>‘GUC10’>‘GUC1’>‘GUC16’>‘GUC19’>‘福農(nóng)39’。通過聚類分析和判別分析，可以將19個(gè)甘蔗品種（系）分為9 個(gè)高抗、7 個(gè)中抗和3 個(gè)不抗。綜合上述多元統(tǒng)計(jì)方法，可以看出‘GUC23’、‘GUC21’、‘GUC31’、‘GUC17’和‘GUC8’抗旱性較強(qiáng)；‘GUC1’、‘GUC16’和‘福農(nóng)39’抗旱性較差；其他品種的抗旱性一般。在前人的研究中，汪燦等[37-38]、祁旭升等[39]、田春艷等[18]研究表明基于綜合評價(jià)值（Di）的抗旱性系統(tǒng)聚類結(jié)果與各材料的田間實(shí)際抗旱表現(xiàn)更接近。因此，本研究參照前人的研究方法采用抗旱系數(shù)及綜合評價(jià)值（Di），進(jìn)行抗旱性分析，綜合考慮了不同指標(biāo)的重要性，能夠準(zhǔn)確地評價(jià)不同甘蔗品種的抗旱性。

本研究的‘GUC’系列甘蔗是從美國引進(jìn)，該系列甘蔗品系的選育旨在適應(yīng)當(dāng)?shù)睾档胤N植，所以具有一定的抗旱性，結(jié)果表明‘GUC’系列的甘蔗品系抗旱性較強(qiáng)，僅有‘GUC1’和‘GUC16’的抗旱性較敏感。綜合評價(jià)體系的建立為甘蔗抗旱性品種選育和引種等提供了科學(xué)依據(jù)。但是本文僅對甘蔗6項(xiàng)抗旱性指標(biāo)進(jìn)行了多元化評價(jià)，更合理的抗旱性指標(biāo)體系的構(gòu)建有待于進(jìn)一步研究。另外，本文只對甘蔗分蘗期的抗旱性進(jìn)行評價(jià)，為了對甘蔗品種更全面的抗旱性評價(jià)，還應(yīng)對甘蔗生育期的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行綜合評價(jià)。