王亞茹，楊向東，趙寒冬，牛 陸，張原宇，楊春明，任 偉

(1.吉林師范大學生命科學學院，吉林 四平 136000；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院，吉林 長春 130124；3.長春農(nóng)業(yè)博覽園，吉林 長春 130000)

油莎豆(CyperusesculeutusL.)屬莎草科莎草屬一年生C4植物，原產(chǎn)于非洲尼羅河流域和地中海沿岸，是一種集糧、油、飼于一體且綜合利用價值高、開發(fā)潛力大的新興經(jīng)濟作物[1-2]。油莎豆地下塊莖富含淀粉(25%～40%)、油脂(20%～30%)、糖類(15%～20%)、蛋白質(zhì)(5%～10%)、膳食纖維(8%～10%)等營養(yǎng)物質(zhì)[3-4]，被譽為“油料作物之王”。此外，作為一種沙生植物，它具有根系發(fā)達、分蘗力強、耐瘠薄、病蟲害少等特點，是一種優(yōu)質(zhì)防風固沙及生態(tài)修復植物，對于開發(fā)利用沙化土地、荒地、灘涂地等邊際土地具有重要戰(zhàn)略意義[5-6]。

近年來隨著全球氣候變化頻繁、水資源消耗加劇、水文生態(tài)惡化等問題突出，干旱已成為制約油莎豆生長發(fā)育的主要非生物脅迫之一。適時開展油莎豆種質(zhì)資源抗旱性篩選與評價進而選育抗旱新品種迫在眉睫。植物抗旱性不僅受多基因調(diào)控，而且是多方面、多層次、多途徑綜合作用的結(jié)果[7]。已有學者采用抗旱性度量值、頻次分析、相關(guān)性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析、逐步回歸等相結(jié)合的方法，對玉米[8-9]、小麥[10-11]、大豆[12]、棉花[13]、綠豆[14]、苜蓿[15-16]、柱花草[17]等主要農(nóng)作物和牧草開展了抗旱性研究并取得諸多進展。這些研究主要針對作物萌發(fā)期、幼苗期和成株期的形態(tài)特征、超微結(jié)構(gòu)、生理生化、農(nóng)藝性狀進行鑒定評價，但有關(guān)油莎豆種質(zhì)資源抗旱鑒定與評價的研究鮮見報道。

因此，本研究在前期廣泛收集國內(nèi)外油莎豆種質(zhì)資源的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)盆栽自然干旱的方法，對39份油莎豆種質(zhì)資源幼苗期的17個形態(tài)和生理指標進行測定，并結(jié)合綜合評價的方法，明確油莎豆主要抗旱指標，劃分抗旱等級，篩選抗旱種質(zhì)資源。研究成果可為進一步選育抗旱新品種及解析其耐旱分子調(diào)控機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試油莎豆種質(zhì)資源39份，其中32份來自國內(nèi)湖北、河南、江蘇、吉林和北京等地區(qū)，7份引自國外馬里、喀麥隆、俄羅斯和西班牙(表1)。塊莖形狀有圓粒型(粒徑比1.0～1.2)、橢圓型(粒徑比1.3～1.5)和長粒型(粒徑比>1.5)。塊莖顏色主要為黃色和紅色。

1.2 試驗設(shè)計

于2021年7月在吉林省農(nóng)業(yè)科學院溫室播種油莎豆塊莖，保持基質(zhì)濕潤，待幼苗長到三葉一心時，選取長勢一致植株進行移栽。試驗花盆直徑12 cm，高10 cm，每盆裝土0.43 kg，土壤為砂壤土，每盆移栽1株幼苗，土壤最大持水量為45.17%±3.58%。室內(nèi)生長條件為光照27℃/16 h，黑暗22℃/8 h。設(shè)置正常灌溉(CK)和干旱脅迫(T)2個處理，每個處理4個重復，所有植株正常供水，使土壤含水量保持在30.00%±3.00%。正常生長30 d后，CK處理繼續(xù)正常供水，T處理則停止供水，待自然干旱15 d，土壤含水量降至5.00%±2.00%時，開始測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

處理15 d后，使用土壤水分速測儀(TDR150，Spectrum，USA)測得CK處理土壤水分含量為32.80%±2.37%，T處理土壤水分含量為3.30%±0.68%，測定生物性狀指標。

形態(tài)指標：參照《牧草種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[18]分別測量株高、葉寬、葉厚、莖粗、分蘗數(shù)、根長及地上與地下物質(zhì)鮮重、干重，并計算總鮮重、總干重和根冠比。

葉綠素：使用葉綠素儀(SPAD-502 Plus,KONICA MINOLTA,Japan)測定油莎豆葉片相對葉綠素含量SPAD值。

枯葉率：采用目測法，計算處理15 d時油莎豆的枯葉率[17]。

組織含水量：參照《牧草種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[18]測定油莎豆葉片水分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 26.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

分別按照公式(1)和(2)計算干旱脅迫下油莎豆某項指標的抗旱系數(shù)(drought resistance coefficient,DC)及綜合抗旱系數(shù)(comprehensive drought resistance coefficient,CDC)[19]。

表1 供試39份油莎豆種質(zhì)資源Table 1 Thirty-nine Tigernut germplasm resources collected in this study

DC=干旱脅迫處理值/正常澆水處理值

(1)

(2)

基于以上油莎豆干旱脅迫的DC值，進行相關(guān)性分析和主成分分析。按公式(3)、(4)和(5)分別計算因子權(quán)重系數(shù)(Vi)、各材料各綜合指標的隸屬函數(shù)值[μ(xi)]和抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation value,D)，而后針對D進行聚類分析劃分抗旱級別，結(jié)合排序和聚類分析結(jié)果篩選抗旱種質(zhì)資源。

(3)

(4)

(5)

式中，Pi為第i綜合指標貢獻率，表示第i指標在所有指標中的重要程度，xi、xmin和xmax分別表示第i綜合指標及第i綜合指標的最小值和最大值。

抗旱系數(shù)(DC)在一定程度上反映了油莎豆種質(zhì)資源在干旱脅迫條件下的變化程度。綜合抗旱系數(shù)(CDC)和抗旱性度量值(D)反映了油莎豆種質(zhì)的抗旱能力，數(shù)值越大，抗旱性越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 種質(zhì)資源代表性及其抗旱指標測定值分析

CK處理下39份油莎豆種質(zhì)資源的變異系數(shù)介于0.070～0.880，變化范圍較廣，說明試驗中選用的油莎豆種質(zhì)材料基因型豐富，代表性較好，能夠滿足試驗要求(表2)。干旱脅迫下，不同種質(zhì)材料間的變異系數(shù)介于0.148～0.584，表明不同油莎豆種質(zhì)對干旱脅迫的響應程度不同，存在較大變異。與CK處理相比，T處理顯著影響油莎豆的表型和生理性狀,其中葉寬、葉厚和根長達差異顯著水平(P<0.05)，株高、分蘗數(shù)、地上干重、地下干重和總干重達差異極顯著水平(P<0.01)，說明干旱脅迫處理的試驗效果較好，選用的生物性狀指標響應敏感。此外，在CK和T兩種處理條件下，油莎豆種質(zhì)生物性狀指標的相關(guān)系數(shù)介于0.035～0.673，進一步表明各測定指標對干旱脅迫的敏感程度存在差異，直接采用各性狀指標的測定值很難準確反映39份油莎豆種質(zhì)資源的抗旱性(表2)。

2.2 抗旱系數(shù)與相關(guān)性分析

由表3(見 17頁)可見，同一指標的DC值在39份油莎豆種質(zhì)資源間存在明顯差異，變異系數(shù)介于0.123～0.728。同一種質(zhì)在17個生物性狀指標間的DC值變化較大，說明各個指標的響應程度不同。

抗旱系數(shù)相關(guān)性分析關(guān)系結(jié)果表明(表4，見18頁)，各指標間存在一定的相關(guān)性。其中葉綠素與葉寬、莖粗呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.416和0.431；葉綠素與地上鮮重、總鮮重、組織含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.369、0.366、0.351；葉寬與葉厚、莖粗、組織含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.469、0.678、0.431；葉寬與根長、地上鮮重、總鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.334、0.405、0.365；葉厚與莖粗呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.469，與枯黃綠呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.472，與分蘗數(shù)、地上鮮重、組織含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.317、0.360、0.349；莖粗與根長、組織含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.515和0.531；莖粗與地上鮮重、總鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.358和0.320；分蘗數(shù)與枯黃綠呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.403；地上鮮重與總鮮重、組織含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.991和0.672，與地下鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.382；地下鮮重與地下干重、總鮮重、鮮重根冠比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.489、0.462、0.603，與干重根冠比呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.384；地上干重與總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.933，與干重根冠比呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.509，與地下干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.405；地下干重與總干重、鮮重根冠比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.567、0.471，與干重根冠比呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.333；總鮮重與組織含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.657；總干重與干重根冠比呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.390；根冠比鮮重與根冠比干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.589。

由此可見，抗旱系數(shù)在不同指標間存在相互關(guān)聯(lián)和信息疊加，很難客觀準確地反映油莎豆種質(zhì)資源的抗旱性。

2.3 主成分分析

對油莎豆各性狀指標的DC值進行主成分分析，進而獲得因子載荷、特征根和貢獻率(表5，見19頁)。各因子特征值中前5個因子的累計貢獻率達到74.174%，且其特征根大于1。這5個因子涵蓋原始數(shù)據(jù)中的大部分信息，可作為油莎豆干旱脅迫的有效成分。在此基礎(chǔ)上，提取前5個因子，將原17個指標轉(zhuǎn)換為5個相互獨立的抗旱性綜合指標(以F1、F2、F3、F4和F5表示)。由表5可見，F(xiàn)1在葉寬、地上鮮重、總鮮重上有較高載荷。F2在地下鮮重、地下干重、鮮重根冠比上有較高載荷，F(xiàn)3在地上干重、總干重、干重根冠比上有較高載荷，F(xiàn)4在根長上有較高載荷，F(xiàn)5在枯葉率上有較高載荷。綜合而言，葉寬、枯葉率、根長、鮮重、干重、根冠比可以作為油莎豆種質(zhì)資源抗旱評價主要指標。

2.4 油莎豆種質(zhì)資源的綜合抗旱性評價

39份油莎豆種質(zhì)資源的CDC值介于0.570～1.184，平均值為0.925，變異系數(shù)為0.137。依據(jù)CDC值進行排序，結(jié)果表明油莎豆種質(zhì)資源JYD-1、JYD-14、JYD-39、JYD-21、JYD-34和JYD-28的抗旱性較強，JYD-17、JYD-10和JYD-35的抗旱性較弱，其余種質(zhì)介于兩者之間。此外，39份油莎豆種質(zhì)資源的D值介于0.765～3.352，平均值為1.730，變異系數(shù)為0.347。D值排序結(jié)果表明，油莎豆種質(zhì)資源JYD-39、JYD-34、JYD-3、JYD-28、JYD-4和JYD-7的抗旱性較強，JYD-17、JYD-8和JYD-19的抗旱性較弱，其余種質(zhì)介于兩者之間。CDC值和D值的抗旱評價結(jié)果基本吻合。綜合二者排序結(jié)果可知，抗旱性強的油莎豆種質(zhì)資源為源JYD-39、JYD-34和JYD-28，抗旱性弱的材料為JYD-17。

表5 供試油莎豆種質(zhì)各指標主成分向量特征及貢獻率Table 5 The eigenvector and contribution rate of the main components for each index of Tigernut accessions

2.5 聚類分析及抗旱級別劃分

采用歐式平方根距離對油莎豆種質(zhì)資源D值進行聚類分析，結(jié)果如圖1所示，在λ=5處將39份油莎豆種質(zhì)資源分為4類。其中第1類為抗旱材料，包括JYD-39和JYD-34兩份種質(zhì)，占總數(shù)的5.13%，這兩份材料的CDC值和D值也較高(表6)，與前述抗旱綜合鑒定結(jié)果相一致；第2類為中度抗旱材料，包括10份種質(zhì)，占總數(shù)的25.64%；第3類為中度敏感材料，包括16份種質(zhì)，占總數(shù)的41.03%；第4類為敏感材料，包括11份種質(zhì)，占總數(shù)的28.21%。

3 討 論

3.1 油莎豆種質(zhì)資源抗旱鑒定及抗旱指標篩選

植物的抗旱能力與其所處的發(fā)育階段有關(guān)并受多種內(nèi)在機制調(diào)控[20-21]。因此，單憑一種指標來進行抗旱評價是不準確的，此外過多指標雖然可以更全面考量其綜合性，但過多的數(shù)據(jù)導致工作量大，耗時費力。因此選擇合理的抗旱指標是抗旱性鑒定的關(guān)鍵，在省時省力的基礎(chǔ)上，較為全面的評價其綜合抗旱性。

不同作物抗旱指標不同，相關(guān)性狀的鑒定角度的不同也會影響作物抗旱值。通過形態(tài)學指標、產(chǎn)量指標以及生理生化指標間接評價和鑒定植物的抗旱性具有簡單、快速和準確的特點，因此被廣泛采用[22-24]。王園園等[25]通過隸屬函數(shù)和方差分析對5個紫花苜蓿種質(zhì)資源進行綜合性抗旱評價，認為在形態(tài)指標中莖粗、株高、根長、分枝數(shù)、葉片數(shù)、根瘤數(shù)這6項指標可作為苜蓿抗旱適宜性評價的特征指標。白旭瑞[10]采用隸屬函數(shù)、主成分分析、相關(guān)性分析和聚類分析的方法，測定了190份小麥材料，分析得到在干旱脅迫條件下，株高、最大根長、鮮重根冠比、干重根冠比、苗失水率、根失水率、總根體積、總根長、平均根系直徑和根系表面積10個抗旱指標。易津等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，賴草屬(Leymus)牧草表現(xiàn)出的抗旱能力在不同品種間存在顯著差異，其中種苗存活率、株高、根冠比、葉綠素含量可以作為鑒定賴草屬牧草品種之間抗旱能力強弱的指標。本研究通過選取株高、葉寬、葉厚、莖粗、分蘗數(shù)、枯葉率、根長、地上鮮重、地上干重、地下鮮重、地下干重、總鮮重、總干重、組織含水量、根冠比鮮重、根冠比干重以及葉綠素等17個性狀指標進行油莎豆抗旱性評價，表明在干旱脅迫條件下，所有油莎豆種質(zhì)都會呈現(xiàn)顯著受害現(xiàn)象，但受害程度在不同種質(zhì)資源間存在較大變異，這與前人對其它農(nóng)作物的研究結(jié)果相一致。但是主成分分析結(jié)果表明，葉寬、枯葉率、根長、鮮重、干重和根冠比可以作為油莎豆種質(zhì)資源苗期抗旱評價主要指標，這與小麥、花生、大豆的相關(guān)研究結(jié)果存在一定差異，說明不同作物對干旱脅迫呈現(xiàn)出一定的種屬特異性。

表6 供試油莎豆種質(zhì)抗旱性評價的CDC值和D值Table 6 The CDC and D values of drought resistance evaluation of Tigernut accessions

圖1 基于D值的油莎豆種質(zhì)抗旱性系統(tǒng)聚類圖Fig.1 Clustering analysis of drought resistance coefficient of 39 Tigernut accessions based on D values

3.2 油莎豆抗旱性評價分析方法選取

由于植物的抗旱性受多個基因調(diào)控[27]且是多個指標相互表達的結(jié)果，因此對植物抗旱性的評價不僅與評價指標的選擇密切相關(guān)，還需要運用準確恰當?shù)姆治龇椒?。已有研究采用多種方法對小麥[28]、水稻[29]等種質(zhì)資源的抗旱性進行了評價，其中，抗旱性度量值(D)可作為抗旱性評價的優(yōu)良指標。許愛云等[30]采用隸屬函數(shù)和主成分分析法對12份草本植物資源開展抗旱鑒定。汪燦等[31-32]在萌發(fā)期和成熟期通過隸屬函數(shù)值、CDC值和D值對50份薏苡種質(zhì)進行抗旱性評價，并篩選出3份抗旱性強的薏苡種質(zhì)。本研究在前人研究基礎(chǔ)上，采用隸屬函數(shù)與主成分分析相結(jié)合的分析方法求得D值，進而篩選出3份抗旱性強的油莎豆種質(zhì)資源。

3.3 油莎豆抗旱綜合評價

干旱脅迫下，油莎豆在表型和生理性狀均會受到影響，通過多個指標綜合評價，能夠避免單項指標所帶來的局限性，可以正確客觀地反映油莎豆種質(zhì)的抗旱能力。本研究采用主成分分析法，將17項指標轉(zhuǎn)換為5個相互獨立的指標。運用綜合抗旱系數(shù)法的同時，采用隸屬函數(shù)法將其轉(zhuǎn)換成相互獨立的綜合指標，結(jié)合單項抗旱系數(shù)、相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析，對39份油莎豆品種的抗旱性進行綜合評價。由于D值是一個無量綱數(shù)值，消除了各項指標的單位的影響。以D值為綜合指標的評價方法不僅考慮了各個指標間的相互關(guān)系，同時考慮了各指標的重要性，能使評價結(jié)果更為準確可靠。

4 結(jié) 論

干旱脅迫顯著影響油莎豆苗期的表型和生理變化。D值為油莎豆抗旱評價的適宜指標。葉寬、枯葉率、根長、鮮重、干重和根冠比可作為油莎豆苗期抗旱鑒定的主要指標。篩選出苗期抗旱性強的油莎豆種質(zhì)為JYD-39、JYD-34和JYD-28。