高春燕 秦軍紅 段紹光 徐建飛 卞春松 金黎平 李廣存

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部薯類作物生物學(xué)和遺傳育種重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

馬鈴薯是世界上繼水稻、小麥之后第三大糧食作物，具有重要的食用、飼用及工業(yè)價值（Aksoy et al.，2015；Liu et al.，2018；Moon et al.，2018）。馬鈴薯在我國主要分布在干旱半干旱地區(qū)，在各個生育階段都可能受到干旱脅迫的影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降（Wang et al.，2017；Zhang et al.，2018）。因此，培育高產(chǎn)抗旱馬鈴薯品種對節(jié)約水資源，保障我國糧食安全，增加旱區(qū)薯農(nóng)收益具有重要意義（王潔 等，2015；Kikuchi et al.，2015；Sprenger et al.，2017；Aliche et al.，2018）。

篩選優(yōu)質(zhì)抗旱的馬鈴薯種質(zhì)資源、建立快速高效的抗旱資源篩選評價體系，對加速抗旱育種進程，促進馬鈴薯穩(wěn)定可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義（趙媛媛 等，2018）。馬鈴薯抗旱性是由微效多基因控制的數(shù)量性狀，受基因與環(huán)境的共同調(diào)節(jié)，這加大了品種抗旱性改良的難度（王潔 等，2015；Jia et al.，2016；Sallam et al.，2019）。品種、脅迫時期、脅迫程度以及由干旱造成的伴隨性脅迫如土壤壓實、鹽度和病原體等均會對馬鈴薯正常生長造成傷害，植株會在形態(tài)、生理、細胞和分子等多個水平上產(chǎn)生一系列變化，使得不同材料在受到干旱脅迫時的表現(xiàn)多種多樣。因此，很難通過一種或幾種指標(biāo)來準確評價不同材料的抗旱能力（Monneveux et al.，2014；Obidiegwu，2015）。但眾多指標(biāo)的測量會加大育種工作量，延長材料篩選時間，得到的數(shù)據(jù)也過于龐大，而且通常指標(biāo)間矛盾較多（Sprenger et al.，2017）。因此，需要尋找一種準確、簡便、有效的方法來進行大量材料的抗旱性評價。

產(chǎn)量性狀是多年來被大家公認的最權(quán)威的指標(biāo)，它是植物在全生育期、各種形式的干旱脅迫下的最終體現(xiàn)，也與高產(chǎn)抗旱馬鈴薯品種的選育目標(biāo)相吻合（Sreenivasulu et al.，2007；厲廣輝 等，2014；趙媛媛 等，2018）。但是獲得產(chǎn)量指標(biāo)的周期較長，所以尋找與產(chǎn)量性狀高度相關(guān)、能代替產(chǎn)量的指標(biāo)至關(guān)重要。大多數(shù)已有研究主要集中在對馬鈴薯短期干旱脅迫下各指標(biāo)的變化情況的調(diào)查（Obidiegwu，2015；Boguszewska et al.，2018）；而本試驗首先對121 份馬鈴薯二倍體雜交后代群體進行田間抗旱性評價，并依據(jù)抗旱系數(shù)將所有基因型分為5 類，進一步從各類中分別選擇1 個基因型，對其整個生育期進行不同程度的干旱脅迫，通過測定現(xiàn)蕾期和盛花期（水分敏感期）的生長和生理指標(biāo)，探討各指標(biāo)與產(chǎn)量和抗旱系數(shù)的相關(guān)性，以期為馬鈴薯高產(chǎn)抗旱材料的篩選提供材料基礎(chǔ)和篩選方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

二倍體抗旱分離群體（P3 群體）共計121 個基因型，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部薯類作物生物學(xué)和遺傳育種重點實驗室保存（表1），該群體父本為抗旱材料H145，母本為旱敏感材料H214。其中母本是雙單倍體和的后代，其葉色淺綠、葉片較大、生長速度快；父本材料是USW5337.3（C）和772102.37（E）的后代，其葉色深綠、根系發(fā)達（范敏 等，2008）。根據(jù)2019年P(guān)3群體抗旱性鑒定結(jié)果，選出P3-17（高抗旱型）、P3-178（抗旱型）、P3-244（中等抗旱型）、P3-168（旱敏感型）、P3-14（高旱敏感型）用于后續(xù)抗旱相關(guān)指標(biāo)的篩選。但選出的抗旱型基因型P3-178 在2020 年的試驗中現(xiàn)蕾期以后不能正常生長，所測數(shù)據(jù)不可靠，故舍棄。

1.2 試驗設(shè)計

2019 年在河北省張家口市察北管理區(qū)四分場 試驗 基地（41°27′50″N，115°3′23″E，海 拔1 358 m）進行P3 群體抗旱性評價試驗。5 月10 日播種，9 月21—22 日收獲。試驗土壤為栗鈣土。試驗設(shè)灌溉和雨養(yǎng)兩種處理，每個處理3 次重復(fù)，每個重復(fù)每個基因型種4 株，株距20 cm，行距90 cm，同行不同基因型間距離為1 m。

2020 年在河北省張家口市察北管理區(qū)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所馬鈴薯改良分中心抗旱棚（41°25′13″N，114°55′55″E，海拔1 400 m）中進行馬鈴薯抗旱相關(guān)指標(biāo)篩選的試驗，花盆埋在土里。試驗設(shè)基因型和水分兩種因素，采用裂區(qū)設(shè)計，水分為主區(qū)，基因型為副區(qū)。水分處理分別為正常灌溉（W1，75%～85%），輕度脅迫（W2，55%～65%）、中度脅迫（W3，35%～45%）、重度脅迫（W4，15%～25%）（劉溢健 等，2019；Wei et al.，2020）?；蛐蜑? 個，共20 個處理，每個處理種植4 盆，3 次重復(fù)，共240 盆?；ㄅ铇?biāo)準為高度28.5 cm、口徑24.0 cm、底徑26.5 cm，每盆裝滿基質(zhì)（椰糠∶草炭∶土=2∶2∶1），2020 年5 月14 日播種。出苗后開始控水，基質(zhì)含水量用土壤水分記錄儀（L99-TWS-2，杭州路格科技有限公司）監(jiān)測，并于每天人工補水到設(shè)定的水分處理范圍內(nèi)，同時記錄每次澆水量。整個生育期每盆共施肥：尿素（總氮≥46.0%）2.67 g，過磷酸鈣（PO≥12.0%）20.47 g，硫酸鉀（KO ≥52.0%）4.30 g。9 月13—14 日收獲。

1.3 測定指標(biāo)和方法

2019 年收獲時按照各基因型各處理各重復(fù)分別測定產(chǎn)量，并計算各基因型抗旱系數(shù)（DRC）。

DRC=雨養(yǎng)產(chǎn)量/灌溉產(chǎn)量

2020 年現(xiàn)蕾期和盛花期測量株高（Height）。于現(xiàn)蕾期、盛花期利用多功能植物測量儀（photosynq MultispeQ，美國）測定葉綠素相對含量（Chl），利用便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（OPTI-SCIENCES OS-5p+，美國）測定葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)指標(biāo)，包括最大光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）和PSⅡ?qū)嶋H光量子產(chǎn)量（P_Yield）。于盛花期利用便攜式光合熒光測定儀（CIRAS-3，PP SYSTEMS 公司）測定光合相關(guān)指標(biāo)，包括氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和葉片瞬時水分利用效率（P_WUE）。每個基因型每處理均選3 株長勢相同的植株測量，對葉片的測量均選擇每株的倒4 葉。收獲時每個基因型每處理每重復(fù)4 株混收，并計算單株塊莖產(chǎn)量。

灌水利用效率（Y_WUE）=產(chǎn)量/總灌水量

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采 用Excel、IBM SPSS Statistics 23 與GraphPad Prism 8 軟件分析試驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯二倍體群體田間抗旱性評價

2019 年P(guān)3 群體所有基因型抗旱系數(shù)的最大值和最小值分別為1.124 和0.153（表1）。按照群體逐級分類法（路貴和 等，2005；張嘉楠 等，2010），把所有基因型劃分為5 類，分別為高抗旱型16 個（DRC ≥0.696）、抗旱型14 個（0.610 ≤DRC ＜0.696）、中等抗旱型53 個（0.438 ≤DRC ＜0.610）、旱敏感型24 個（0.351 ≤DRC ＜0.438）、高旱敏感型14 個（DRC ＜0.351）。其中，與正常處理相比，在干旱脅迫下，P3-17 和P3-178 的產(chǎn)量分別降低了22.0%和33.5%，分別屬于高抗旱型和抗旱型；P3-14 的產(chǎn)量降低了71.5%，為高旱敏感型；P3-244 和P3-168 的產(chǎn)量分別降低了52.4%和59.9%，分別屬于中等抗旱型和旱敏感型。

表1 2019 年P(guān)3 群體抗旱性鑒定結(jié)果

續(xù)表

2.2 盆栽條件下馬鈴薯產(chǎn)量和灌水利用效率分析

方差分析結(jié)果表明（表2），水分、基因型都對單株塊莖產(chǎn)量有極顯著影響，而水分與基因型的互作對單株塊莖產(chǎn)量沒有顯著影響。各基因型的單株塊莖產(chǎn)量隨著土壤含水量的降低而降低（表2），與W1 處理相比，W2 處理下各基因型的單株產(chǎn)量都顯著降低；在W3 處理下，與W2 處理相比，只有P3-14 的單株塊莖產(chǎn)量顯著降低，而其他基因型雖然也降低，但差異不顯著，這與P3-14 在4 個基因型中對干旱最敏感的結(jié)果一致。另外與W1 處理相比，W3 處理下P3-17 的產(chǎn)量降低了42.76%，而P3-244、P3-168、P3-14 的產(chǎn)量分別降低了76.35%、71.10%、74.78%。

表2 不同水分處理下各基因型單株產(chǎn)量和灌水利用效率比較

就灌水利用效率而言，在W3、W4 處理下，P3-17 均顯著高于其他3 個基因型。另外隨著干旱脅迫的加劇，P3-17 的灌水利用效率逐漸增大，并且在達到最大值（14.2）后開始降低，但各水分處理間差異不顯著。而隨著干旱脅迫的加劇，P3-14 的灌水利用效率逐漸減小，并且在達到最小值（3.3）后開始增大，但各水分處理間同樣差異不顯著。P3-244 和P3-168 的灌水利用效率均隨著干旱脅迫的加劇而減小，但各水分處理間差異不顯著。與W1 處理相比，W3 處理下P3-17 的灌水利用效率升高了40.59%；而P3-244、P3-168、P3-14的灌水利用效率分別降低了42.59%、30.00%、40.00%；3 個基因型灌水利用效率下降的程度與產(chǎn)量降低的程度一致，表明干旱脅迫下較高的灌水利用效率對維持產(chǎn)量的穩(wěn)定具有重要作用。

2.3 盆栽條件下各處理抗旱系數(shù)與大田抗旱系數(shù)的相關(guān)性分析

對2020 年抗旱棚盆栽條件下4 個基因型在3種水分脅迫處理下的抗旱系數(shù)與其2019 年相應(yīng)大田抗旱系數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明（表3），W3 處理下盆栽結(jié)果與大田結(jié)果相關(guān)性最高，為0.899。不過3 種水分脅迫處理下的抗旱系數(shù)與2019 年大田抗旱系數(shù)的相關(guān)性均未在統(tǒng)計學(xué)水平上達到顯著，主要原因可能是試驗材料數(shù)量少，而樣本量是決定相關(guān)系數(shù)顯著性的因素之一。

表3 盆栽條件各處理抗旱系數(shù)與大田抗旱系數(shù)的相關(guān)性

2.4 盆栽條件下馬鈴薯各指標(biāo)與抗旱系數(shù)的相關(guān)性分析

根據(jù)現(xiàn)蕾期和盛花期各指標(biāo)與抗旱系數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果可知：W2 和W4 處理下的各指標(biāo)與抗旱系數(shù)均沒有顯著相關(guān)性。W3 處理下有2 個指標(biāo)與抗旱系數(shù)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（表4），結(jié)合前面W3 處理的抗旱系數(shù)與2019 年大田的抗旱系數(shù)相關(guān)性最高的結(jié)果可知，W3 是3 種干旱脅迫中篩選抗旱材料的最佳處理，并且能較好地代表大田抗旱性鑒定結(jié)果。W3 處理下現(xiàn)蕾期的P_Yield、W1 處理下盛花期的P_WUE 與抗旱系數(shù)均呈顯著正相關(guān)。值得注意的是，不同水分脅迫下，隨著馬鈴薯的生長發(fā)育和干旱脅迫的加重，各指標(biāo)與抗旱系數(shù)的相關(guān)性也會發(fā)生變化，如現(xiàn)蕾期W3 處理下的PSⅡ?qū)嶋H光量子產(chǎn)量（P_Yield）與抗旱系數(shù)顯著正相關(guān)，而在盛花期同一水分處理下兩者則表現(xiàn)為不相關(guān)。

表4 現(xiàn)蕾期和盛花期各指標(biāo)與抗旱系數(shù)的相關(guān)性

2.5 盆栽條件下馬鈴薯各指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

根據(jù)不同時期各指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析結(jié)果可知：現(xiàn)蕾期Height 和Chl，盛花期Gs 和P_WUE均與單株塊莖產(chǎn)量顯著相關(guān)，盛花期Pn、Ci 和Tr與單株塊莖產(chǎn)量極顯著正相關(guān)（表5）。P_WUE 不僅與產(chǎn)量正相關(guān)，也與抗旱系數(shù)正相關(guān)（表4 和表5），也就是說該指標(biāo)不僅可以預(yù)測所選基因型產(chǎn)量的高低，還能判斷其抗旱性的強弱，為大量高產(chǎn)抗旱材料的初步篩選提供了一個高效的方法。值得注意的是，同一指標(biāo)在不同的生長發(fā)育階段與產(chǎn)量的相關(guān)性不同。例如，Chl 和Height 均在現(xiàn)蕾期與單株塊莖產(chǎn)量顯著相關(guān)，而盛花期相關(guān)性不顯著。Fv/Fm 和P_Yield 與單株塊莖產(chǎn)量在現(xiàn)蕾期和盛花期均沒有顯著相關(guān)性。表明用某些指標(biāo)綜合判定某些材料的產(chǎn)量時，需要在特定的時期測定。

表5 現(xiàn)蕾期和盛花期各指標(biāo)與單株塊莖產(chǎn)量的相關(guān)性

2.6 盆栽條件下與產(chǎn)量或抗旱系數(shù)顯著相關(guān)的指標(biāo)的方差分析

上述與產(chǎn)量或抗旱系數(shù)顯著相關(guān)的指標(biāo)有現(xiàn)蕾期Height、Chl 和P_Yield，盛花期Gs、P_WUE、Pn、Ci 和Tr。但是方差分析表明，只有現(xiàn)蕾期Height 和Chl、盛花期P_WUE 和Tr 受基因型的顯著影響（故這里僅展示這4 個指標(biāo)的方差分析結(jié)果），即本試驗中只有這4 個指標(biāo)可以區(qū)分所選基因型的產(chǎn)量或抗旱性。其中各基因型不同水分處理下的Chl 呈波動變化，且同一基因型不同水分處理間均無顯著差異，因此只對另外3 個指標(biāo)進行進一步分析。與W1 處理相比，W2 處理的各基因型Height 的變化差異不顯著；在W3 處理下，P3-17的Height 顯著降低，而其他3 個基因型的Height則與W1 處理差異不顯著（圖1-A）。與W1 處理相比，W2 處理下4 個基因型的Tr 均沒有顯著降低；在W3 處理下，P3-17 和P3-168 的Tr 沒有顯著降低，而P3-14 和P3-244 顯著降低（圖1-B），表明在干旱脅迫下，P3-17 和P3-168 可以更好地維持生理代謝。對于P_WUE，在W3 處理下只有P3-17 與W1 處理相比顯著降低，其他3 個基因型的P_WUE 隨著基質(zhì)含水量的降低呈波動變化，且差異不顯著（圖1-C），表明P_WUE 受水分影響較小，更多地受基因型控制。

圖1 與產(chǎn)量或抗旱系數(shù)相關(guān)的指標(biāo)的方差分析及多重比較

3 結(jié)論與討論

以往有關(guān)馬鈴薯干旱脅迫的研究多數(shù)集中在單一生育時期馬鈴薯品種不同生理指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng)。張麗莉等（2012）的研究結(jié)果表明，干旱脅迫下，馬鈴薯品種東農(nóng)303 和延薯4 號的葉片相對含水量、葉綠素含量和產(chǎn)量均有所下降，脅迫越嚴重，下降越多。干旱對馬鈴薯最重要的影響之一是抑制光合作用，從而影響干物質(zhì)的積累，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。Anithakumari 等（2012）利用二倍體馬鈴薯作圖群體進行QTL 定位，結(jié)果表明，3 個與葉綠素含量相關(guān)的QTL 位點和1 個與葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)的QTL 位點與產(chǎn)量共定位。葉綠素含量作為光合能力的重要指標(biāo)通常與馬鈴薯的干旱脅迫有關(guān)（Jefferies，1994；Rudack et al.，2017）。但是較高的葉綠素含量是否有助于提高干旱條件下的產(chǎn)量仍在爭論中（Anithakumari et al.，2012）。在番茄上的研究表明，水分虧缺條件下葉綠素含量上升使植株葉片對光能的吸收增加，然而增加的葉綠素并沒有提高植株葉片的光合作用（范鈞星 等，2016）。本試驗中，現(xiàn)蕾期和盛花期葉綠素相對含量與抗旱系數(shù)均無顯著相關(guān)性，但現(xiàn)蕾期葉綠素相對含量與單株塊莖產(chǎn)量顯著負相關(guān)，所以根據(jù)現(xiàn)蕾期的葉綠素相對含量可初步判斷各基因型產(chǎn)量的高低。

隨著水資源日益短缺，節(jié)水農(nóng)業(yè)研究迫在眉睫。培育高水分利用效率的高產(chǎn)抗旱馬鈴薯品種能夠大幅度減少農(nóng)業(yè)用水，且可保證馬鈴薯在干旱脅迫下產(chǎn)量的穩(wěn)定性和水資源的可持續(xù)利用（董寶娣，2003）。對馬鈴薯灌水利用效率的研究大多集中在灌溉方式、保水劑、施肥管理、覆膜方式、播種方式等方面（宋娜 等，2013；陳玉章 等，2019；王英 等，2019），鮮有研究馬鈴薯不同品種在干旱脅迫下灌水利用效率的差異及隨脅迫程度變化的規(guī)律（其他作物中有相關(guān)報道）。胡晨宜和孫建明分別對小麥和高羊茅進行研究，結(jié)果都表明抗旱基因型的灌水利用效率顯著高于干旱敏感型（孫建明，2013；胡晨宜，2017），本試驗也得出了相似的結(jié)論。而且隨著干旱脅迫程度加重，馬鈴薯抗旱基因型的灌水利用效率逐漸增大，并且在達到最大值后有下降的趨勢；旱敏感基因型的灌水利用效率逐漸減小，并在達到最小值后開始增大。另外在同一水分處理下，抗旱基因型的灌水利用效率平均是旱敏感基因型的2.75 倍，表明在干旱脅迫下，高灌水利用效率對提高馬鈴薯的抗旱能力具有重要作用。

與其他作物相比，馬鈴薯對水分脅迫更敏感。水對馬鈴薯生長至關(guān)重要，許多生理過程都依賴它（Mosz &Kowalik，1982）。目前關(guān)于水分利用效率的研究涉及不同方面，有葉片、冠層、群體及產(chǎn)量等各個水平。其中，葉片水分利用效率又分為3種：瞬時水分利用效率、內(nèi)在水分利用效率和長期水分利用效率，其中瞬時水分利用效率是光合速率與蒸騰速率之比（沈芳芳 等，2017；Hatfield &Christian，2019）。作物灌水利用效率是作物蒸散消耗單位質(zhì)量水所制造的干物質(zhì)量，耗水包括葉面蒸騰和地面蒸發(fā)，故不能完全反映作物生理上的水分利用效率（王建林 等，2007）。為了更確切地從生理上了解馬鈴薯水分利用的情況，本試驗還測定了葉片瞬時水分利用效率，結(jié)果表明，盛花期葉片瞬時水分利用效率與產(chǎn)量顯著正相關(guān)，同時，在75%～85%基質(zhì)相對含水量條件下與抗旱系數(shù)也顯著正相關(guān)，表明該指標(biāo)可以很好地用于高產(chǎn)抗旱馬鈴薯材料的鑒定。馬鈴薯抗旱性鑒定及抗旱材料的篩選中很少有人使用葉片瞬時水分利用效率作為抗旱指標(biāo)，大多數(shù)研究集中在葉片相對含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、POD、SOD、CAT 活性、株高、根系拉力、冠層覆蓋度、莖葉干鮮質(zhì)量等指標(biāo)，這些指標(biāo)的測定比較費時費力，且大多需要在實驗室測定，測定時間長（姚春馨 等，2012；Cabello et al.，2012）。Qin 等（2019）對12 個馬鈴薯品種的抗旱性鑒定結(jié)果表明，抗旱指數(shù)與干旱脅迫60 d 的葉片瞬時水分利用效率負相關(guān)。其他作物對水分利用效率的研究主要集中在不同材料水分利用效率的差異或干旱脅迫下水分利用效率的變化上，很少有對產(chǎn)量或抗旱性和水分利用效率之間相關(guān)性的研究。比如，劉化濤等（2020）以生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的11 個不同基因型玉米新品種為試材，于拔節(jié)期設(shè)置3 種不同水分處理，分析了其產(chǎn)量、抗旱性及水分利用效率的差異。陳平等（2014）設(shè)置3 種水分處理梯度，研究了決明子和菘藍2 種藥用植物在不同水分處理和生長階段的生長特性，結(jié)果表明：菘藍水分利用效率與地上生物量和總生物量均呈顯著負相關(guān)，決明子水分利用效率與根冠比呈顯著正相關(guān)。

本試驗結(jié)果表明：不同水分脅迫下，隨著馬鈴薯的生長發(fā)育和干旱脅迫的加重，各指標(biāo)與產(chǎn)量及抗旱系數(shù)的相關(guān)性會發(fā)生變化。因此，在篩選高產(chǎn)抗旱材料時，某些指標(biāo)的測定需要在特定時期進行。此外，各基因型的抗旱系數(shù)在35%～45%基質(zhì)相對含水量盆栽條件下和大田條件下相關(guān)性最高，且在該條件下與抗旱系數(shù)顯著相關(guān)的指標(biāo)最多；現(xiàn)蕾期Height 和Chl、盛花期P_WUE 和Tr 與產(chǎn)量顯著相關(guān)，可以用來初步判斷各基因型產(chǎn)量的高低；盛花期75%～85%基質(zhì)相對含水量條件下的P_WUE 與抗旱系數(shù)顯著正相關(guān)，可以用來區(qū)分所選基因型抗旱性的強弱。