甄子龍，侯建華，伊六喜，于海峰，石慧敏，王靖林，王雅茹，蘇飛燕,王艷霞

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

向日葵(HelianthusannuusL.)是菊科向日葵屬雙子葉植物[1]，具有食用、油用、觀賞用途，是重要的植物油來源之一[2]。向日葵生育期短，耐瘠，抗旱，適應(yīng)性較強[3-5]，主要分布在我國內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、東北等地，是當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟作物。干旱作為作物最主要的生物脅迫因素之一，干旱缺水會對作物造成傷害，影響其生長發(fā)育及產(chǎn)量[6]。內(nèi)蒙古等向日葵主要種植地區(qū)常年干旱少雨，春旱尤為嚴(yán)重。苗期作為向日葵的關(guān)鍵生育期，此期遭受干旱脅迫，會造成生長發(fā)育受阻，進而導(dǎo)致產(chǎn)量質(zhì)量明顯下降[7-8]。

在目前農(nóng)作物抗旱研究中，相關(guān)學(xué)者的工作主要集中在玉米[9]、水稻[10]、小麥[11]等主糧作物中，國內(nèi)對向日葵抗旱性的鑒定及抗旱機理研究較少，很大程度上制約了向日葵的發(fā)展和利用。近年來，課題組為解決向日葵受春旱影響減產(chǎn)問題，圍繞向日葵苗期抗旱性鑒定及抗旱相關(guān)指標(biāo)QTL定位開展了一些研究[1,7,12-14]。本試驗以項目組新近建立的226份向日葵種質(zhì)材料組成的關(guān)聯(lián)群體為試驗材料，通過室內(nèi)模擬干旱脅迫，測定226份種質(zhì)材料在干旱脅迫和正常水分條件下苗期生長相關(guān)農(nóng)藝和生理指標(biāo)，通過抗旱系數(shù)、相關(guān)分析、抗旱綜合評價D值，篩選用于抗旱性鑒定評價的指標(biāo)體系，并對226份材料的耐旱性進行分類，以期為向日葵優(yōu)質(zhì)抗旱資源的挖掘、苗期抗旱相關(guān)指標(biāo)QTL定位及向日葵抗旱分子育種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

從內(nèi)蒙古、寧夏、新疆、遼寧、吉林、澳大利亞、美國、法國收集226份向日葵種質(zhì)資源材料，其中73份由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供，154份由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供(表1)。

表1 供試材料來源及其D值

續(xù)表1 供試材料來源及其D值

續(xù)表1 供試材料來源及其D值

續(xù)表1 供試材料來源及其D值

續(xù)表1 供試材料來源及其D值

1.2 試驗處理

試驗于2019年夏季在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自動化溫室內(nèi)進行，為避免降雨、溫度、光照等外在條件不同所造成的誤差，所有盆栽樣品均放置在同一溫室環(huán)境中，室內(nèi)采光及通風(fēng)條件相同。試驗使用塑料材質(zhì)的花盆，盆高35 cm，內(nèi)徑35 cm，土壤為正常肥力的大田砂質(zhì)土壤與有機腐殖質(zhì)按2∶1的比例共3 kg混合。

每份材料挑選10粒大小均勻、顆粒飽滿的種子，用HgCl2消毒6 min后，再用蒸餾水沖洗干凈，吸干水分后浸種24 h，然后分別設(shè)置干旱脅迫(T)和正常澆水(CK)處理，每個處理種10粒種子，3次重復(fù)。

播種后正常澆水，在幼苗長至三葉一心時[15]進行脅迫處理，脅迫處理開始后正常情況下每3 d測一次土壤含水量(若溫室內(nèi)氣溫升高而導(dǎo)致水分蒸發(fā)速度加快，則每天測一次土壤含水量)。土壤含水量測定方法采取烘干稱重法。正常澆水盆栽土壤含水量控制在15%～20%，干旱脅迫土壤含水量控制在5%～10%，以對照條件下最高土壤含水量為20%，脅迫條件下最高土壤含水量為10%計算每次澆水量，澆水量=(最高土壤含水量-測定土壤含水量)×風(fēng)干土重，含水量及澆水量(表2)。

表2 不同處理土壤含水量及澆水量

1.3 測定指標(biāo)及方法

脅迫處理15 d，測定地上部及地下部干鮮質(zhì)量、根長、根表面積、根體積、株高、葉片相對含水量、SPAD值、葉面積等指標(biāo)[16]，每份材料隨機選取5株進行測定，共3次重復(fù)。

株高用直尺測量，葉面積用葉面積系數(shù)法測定，苗期生物量、根長、根表面積、根體積測量時先將幼苗取出花盆，在取出過程中需注意根部損傷，清洗后將幼苗分為地上部和地下部再進行測量。根長、根表面積、根體積、根冠比用根系掃描儀(萬深LA-S)測定。SPAD值用葉綠素儀(TYS-A)測定。葉片相對含水量計算：

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 各測定指標(biāo)抗旱系數(shù)

(1)

(2)

式中，DC為各測定指標(biāo)的抗旱系數(shù)，Xi為各指標(biāo)干旱處理值，CKi為各指標(biāo)對照處理值，f(Xi)為各指標(biāo)抗旱隸屬函數(shù)值，Ximin、Ximax分別為干旱處理值的最大值與最小值。

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)、權(quán)重值及綜合抗旱能力的綜合評價值 通過參考相關(guān)研究[17-21]，采用以下方法計算：

(3)

(4)

式中，ωi為各項指標(biāo)權(quán)重。

(5)

式中，D值為不同材料抗旱能力的綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下向日葵種質(zhì)資源苗期各指標(biāo)差異分析

對226份向日葵材料的各項指標(biāo)進行差異分析，結(jié)果見表3。由表3可看出，干旱脅迫處理與對照間各項指標(biāo)有明顯差異，干旱脅迫處理組的株高、葉片相對含水量、SPAD值、葉面積均值均低于對照組，下降幅度分別為29.07%、8.00%、5.66%、47.78%，根冠比、根長、根表面積、根體積的均值均高于對照組，上升幅度分別為43.67%、43.10%、76.89%、136.36%。8個指標(biāo)在干旱脅迫下均產(chǎn)生變化，說明試驗所選指標(biāo)可反映向日葵苗期的抗旱情況。

表3 向日葵苗期各指標(biāo)的差異分析

正常供水下，8個指標(biāo)的變異系數(shù)在0.14～0.72，平均為0.40；干旱脅迫下，8個指標(biāo)的變異系數(shù)在0.12～0.68之間，平均為0.41，說明試驗選擇的種質(zhì)資源對干旱脅迫反應(yīng)的敏感度存在較大差異。干旱脅迫與對照組指標(biāo)t檢驗為極顯著，說明試驗材料經(jīng)干旱脅迫后，指標(biāo)表現(xiàn)差異明顯，試驗脅迫處理效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.2 干旱脅迫下向日葵種質(zhì)材料苗期各指標(biāo)抗旱系數(shù)分析

226份向日葵種質(zhì)材料苗期抗旱相關(guān)指標(biāo)抗旱系數(shù)比較分析結(jié)果見表4。各指標(biāo)抗旱系數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)均出現(xiàn)了較大變化，其中根表面積抗旱系數(shù)的變異系數(shù)最大，達(dá)到了70.31%，SPAD值抗旱系數(shù)的變異系數(shù)最小，為11.41%；根冠比、根長、根表面積、根體積、株高、相對含水量、SPAD值、葉面積抗旱系數(shù)的變異系數(shù)均超過11%。

表4 向日葵苗期各指標(biāo)抗旱系數(shù)分析

株高、葉片相對含水量、SPAD值、葉面積抗旱系數(shù)的變異幅度在干旱脅迫條件下呈下降趨勢，降低幅度為4.80%～34.79%，其中葉面積抗旱系數(shù)下降幅度最大，SPAD值抗旱系數(shù)下降幅度最??；根冠比、根長、根表面積、根體積抗旱系數(shù)的變異幅度均呈現(xiàn)上升趨勢，上升幅度70.20%～156.31%，其中根體積上升幅度最大，根長上升幅度最小。

綜合以上分析，干旱脅迫環(huán)境下指標(biāo)均發(fā)生變化，結(jié)合各指標(biāo)的差異分析說明這8個指標(biāo)均對干旱非常敏感，可作為分析向日葵抗旱能力的重要指標(biāo)。

2.3 干旱脅迫下向日葵種質(zhì)材料苗期各指標(biāo)抗旱系數(shù)間相關(guān)性分析

各指標(biāo)抗旱系數(shù)間相關(guān)分析結(jié)果顯示(表5)，根冠比與根表面積、根體積呈極顯著正相關(guān)，對干旱脅迫反應(yīng)存在穩(wěn)定的協(xié)同效應(yīng)，根冠比與根長、葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)；根長與根體積、根表面積存在極顯著正相關(guān)，根長與株高、相對含水量、SPAD值存在極顯著負(fù)相關(guān)；根表面積與根體積呈極顯著正相關(guān)，與株高、相對含水量、SPAD值、葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)；根體積與株高、相對含水量、SPAD值、葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)；株高與相對含水量、SPAD值、葉面積呈極顯著正相關(guān)；SPAD值與葉面積呈極顯著正相關(guān)。苗期8個指標(biāo)間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，說明向日葵的抗旱性是多個指標(biāo)的綜合表現(xiàn)，因而，通過多個指標(biāo)共同評價才能更加準(zhǔn)確鑒定其抗旱性。

表5 向日葵苗期各指標(biāo)抗旱系數(shù)相關(guān)分析

2.4 抗旱性綜合評價D值與苗期各指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)性及其回歸分析

SPSS相關(guān)性分析結(jié)果表明，抗旱綜合評價D值與8個指標(biāo)抗旱系數(shù)均具有顯著或極顯著相關(guān)性，其中根冠比、根長、根表面積、根體積與D值呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(圖1a、b、c、d)；SPAD值與D值呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(圖1g)，株高、相對含水量、葉面積與D值呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(圖1e、f、h)。說明各指標(biāo)均與向日葵抗旱能力有密切關(guān)聯(lián)。

圖1 抗旱綜合評價D值與苗期各指標(biāo)的抗旱系數(shù)相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis between D value of comprehensive drought resistance evaluationand drought resistance coefficient of each trait in seedling stage

為篩選這些指標(biāo)中的可靠指標(biāo)，通過逐步回歸分析，將D值與各指標(biāo)抗旱系數(shù)構(gòu)建模型。將各指標(biāo)抗旱系數(shù)作為自變量，D值作為因變量，得出了其中最優(yōu)的逐步回歸方程：D值=0.742+0.062×根長+0.13×株高-0.607×SPAD值，通過此方程發(fā)現(xiàn)8個指標(biāo)中的根長、株高、SPAD值對D值有顯著影響。

通過逐步回歸方程得出預(yù)測D值，將預(yù)測D值與通過計算得出的D值進行相關(guān)性分析(圖1i)發(fā)現(xiàn)，兩者存在極顯著相關(guān)性，可以通過方程來預(yù)測不同材料的抗旱性強弱。

2.5 向日葵抗旱性的綜合評價

利用株高、葉片相對含水量、葉面積、根冠比、根長度、根表面積、根體積和SPAD值8個指標(biāo)的抗旱系數(shù)，通過隸屬函數(shù)法計算出226個向日葵材料苗期綜合抗旱性D值。從圖2中可以看出，供試材料綜合抗旱性評價D值變化范圍為0.09～0.84，其中175號材料綜合抗旱性最強，D值為0.84，80號材料的綜合抗旱性最弱，抗旱綜合評價D值為0.09。226份材料的D值大小排序后，分為極耐旱型、耐旱型、中間型、不耐旱型和極不耐旱型5個抗旱級別。從圖3中可以看出：D值范圍在0.8～1.0之間的極耐旱型有175、106、117，占全部材料的1.3%；D值范圍在0.6～0.8的耐旱型有161、132、162等12個材料，占全部材料的5.3%；D值范圍在0.4～0.6的中間型有158、159、146等60個材料，占全部材料的26.4%；D值范圍在0.2～0.4的不耐旱型有165、156、172等125個材料，占全部材料的55.1%；D值范圍在0～0.2的極不耐旱型有94、44、18等27個材料，占全部材料的11.9%。

圖2 供試材料D值分布Fig.2 D value of the tested materials

3 討 論

作物抗旱性研究過程中，需要找到符合該作物的抗旱鑒定指標(biāo)進行綜合評價，在評價向日葵抗旱性時，通過參考玉米[22]、花生[23]、小麥[24]、棉花[25]等相關(guān)抗旱研究，發(fā)現(xiàn)用多個指標(biāo)來共同評價抗旱性結(jié)果更能反映作物的實際抗旱能力[26-28]。

本試驗結(jié)合了前人對其他作物的研究與向日葵實際情況，測定了226份向日葵材料在苗期干旱脅迫與正常澆水兩種條件下根長、根體積、根表面積、根冠比、葉面積、株高、葉片相對含水量、SPAD值8個抗旱鑒定指標(biāo)的變化情況。通過抗旱鑒定指標(biāo)的差異分析以及其抗旱系數(shù)的比較分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過苗期抗旱試驗，8個指標(biāo)均對干旱非常敏感，可作為判斷向日葵抗旱能力的重要指標(biāo)。8個指標(biāo)的抗旱系數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果顯示，試驗選取的8個指標(biāo)均存在直接或間接的關(guān)聯(lián)，說明向日葵苗期抗旱性是多個指標(biāo)的綜合表現(xiàn)。綜上所述，通過選取的8個指標(biāo)評價向日葵苗期抗旱性，能夠較準(zhǔn)確鑒定出材料真實抗旱程度，為向日葵抗旱育種提供參考。

馬宇[29]研究認(rèn)為根冠比、根長、根表面積作為鑒定指標(biāo)在向日葵苗期干旱脅迫中更具有代表性，周子超等[30]認(rèn)為根冠比具有代表性，本試驗結(jié)果與前人研究基本一致，提出除了根長、株高外，SPAD值也具有代表性，試驗結(jié)果出現(xiàn)一些差異的原因可能是因為試驗所選的材料不同，或是分析指標(biāo)重要性所采用的方法不同導(dǎo)致，提示抗旱性評價所選材料和分析方法均會影響鑒定結(jié)果，需要更多試驗進行驗證。

抗旱系數(shù)相關(guān)分析顯示，8個測定指標(biāo)抗旱系數(shù)間均存在相關(guān)性，而且均與抗旱綜合評價D值呈極顯著或顯著相關(guān)關(guān)系，說明本次使用8個苗期抗旱鑒定指標(biāo)均可作為評價向日葵苗期抗旱能力的指標(biāo)，這與路之娟等[31]對苦蕎苗期指標(biāo)的研究基本相同。

通過逐步回歸分析得出方程：D值=0.742+0.062×根長+0.13×株高-0.607×SPAD值，可對向日葵材料進行抗旱性預(yù)測。

基于篩選的8個苗期抗旱性指標(biāo)，結(jié)合抗旱系數(shù)、抗旱隸屬函數(shù)值和指標(biāo)權(quán)重等計算抗旱綜合評價D值，充分考慮向日葵各指標(biāo)之間的相互關(guān)系以及重要性，鑒定供試材料的抗旱強度，并將各材料分為5類抗旱性材料。最終確定出具有較強抗旱性的材料175、106、117等15份，可用作后期向日葵抗旱育種、干旱調(diào)控等的主要材料。