劉慧轉(zhuǎn)　曹敏　唐麗　宋記明　李均一　馮亞亭　駱 凱　陳銀華

關(guān)鍵詞：木薯；種質(zhì)；耐水淹性；生理響應(yīng)；隸屬函數(shù)分析

中圖分類號：S533 文獻標(biāo)志碼：A

水淹被公認為僅次于干旱的第二大自然災(zāi)害[1]。

據(jù)統(tǒng)計，水淹是造成全球經(jīng)濟損失最嚴重的自然災(zāi)害，損失占各種自然災(zāi)害的40%左右。作物受水淹面積占我國耕地面積的6.6%，最嚴重時受災(zāi)面積占我國耕地面積的16.4%[2-3]。植物在水淹初期時，得益于水中富含的溶解氧，長勢較好；但隨著水淹脅迫的持續(xù)，水中溶解氧消耗殆盡，根系呼吸受到阻礙，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)運輸受阻、活性氧傷害、毒性代謝物積累、光合能力減弱等生理變化，最終影響植物生長發(fā)育[4]。植物的耐水淹性是一個受多因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，不同物種和同一物種不同基因型對水淹的耐受能力差異較大，這為解析植物響應(yīng)水淹的機理研究和耐水淹新品種選育提供豐富的遺傳變異基礎(chǔ)。ARBONA等[5]對柑橘（Citrus reticulata）的研究發(fā)現(xiàn)，水淹耐受性強的品種在水淹25 d 時出現(xiàn)受害癥狀，而耐受性弱的品種僅在處理7 d 時就已表現(xiàn)出受害癥狀。僧珊珊等[6]對耐水淹性不同的玉米品種進行比較，結(jié)果顯示，耐受性強的品種其根干重、根總長度、根系活力下降幅度相對較低，而乙醇脫氫酶、丙酮酸脫羧酶和乳酸脫氫酶活性增幅較高。張志浩等[7]的研究報道，耐水淹辣椒品種的可溶蛋白含量較高，丙二醛含量較低。

木薯（Manihot esculenta Crantz）為大戟科（Euphorbiaceae）木薯屬多年生植物，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶地區(qū)，為全世界近6 億人提供糧食保障[8-9]。此外，木薯還是食品、醫(yī)藥、紡織、飼料、綠色生物能源等行業(yè)的重要原材料，具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。自19 世紀(jì)20 年代引入中國以來，木薯已在廣西、海南、廣東、云南、江西、福建等地廣泛種植。木薯生長期通常也是熱帶和亞熱帶地區(qū)的雨季，降水量大、降水時間集中，加之部分木薯園排水系統(tǒng)不完善，易發(fā)生由長時間積水內(nèi)澇引起的水淹現(xiàn)象。相比較干旱、低溫、病蟲、草害等環(huán)境脅迫，水淹對木薯產(chǎn)量和質(zhì)量的影響往往更容易被生產(chǎn)者忽視。CAO 等[10]比較了木薯受水淹脅迫前后的生理和轉(zhuǎn)錄水平變化，發(fā)現(xiàn)葉片光合熒光特性、抗氧化系統(tǒng)酶活性均發(fā)生顯著變化，差異表達基因主要富集在光合作用、氨基酸代謝和RNA 轉(zhuǎn)運和降解等通路；除此之外未見木薯響應(yīng)水淹脅迫的相關(guān)報道。近年來，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院等我國科研單位在木薯種質(zhì)收集、評價和創(chuàng)新等方面開展了大量工作，自主培育出多種高產(chǎn)抗逆品種，然而木薯種質(zhì)資源的耐水淹背景仍未知，其評價體系也尚未建立。

本課題組通過前期觀察，從77 份木薯種質(zhì)中挑選出28 份耐水淹性差異較大的代表性種質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，采用盆栽的方式，對這28 份木薯種質(zhì)統(tǒng)一進行6 d 的水淹處理，對葉片黃化和萎蔫程度、株高增長量、葉綠素相對含量、相對電導(dǎo)率和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、過氧化物酶（ peroxidase， POD ）、過氧化氫酶（catalase， CAT）的活性進行測定，利用主成分分析、隸屬函數(shù)法等比較木薯種質(zhì)間的耐水淹性，以期初步了解水淹脅迫對木薯生理特性的影響規(guī)律，選出耐水淹能力較強的種質(zhì)，為相關(guān)品種的遺傳選育和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試木薯種質(zhì)種植于海南大學(xué)儋州校區(qū)木薯種質(zhì)資源圃，種質(zhì)名稱如表1 所示，待植株長到90 d 左右獲取種莖。

盆栽試驗于2020 年5—7 月在海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院農(nóng)科試驗基地的網(wǎng)棚內(nèi)進行（19°29″N，109°28″E）。首先將種莖砍成10 cm 左右的莖段做好標(biāo)記后，扦插于農(nóng)田土∶營養(yǎng)土=3∶1 的盆缽（12 cm×15 cm）中，待木薯生長至45 d 左右時，選取長勢一致的幼苗分成3 個重復(fù)，每個重復(fù)5個單株，用于水淹脅迫試驗。試驗組采用套盆的方式進行水淹處理，將幼苗連盆一起移至套盆內(nèi)（62 cm×36 cm×42 cm），注水淹沒植株根部，使水深距土壤表面4～5 cm，對照組為正常澆水處理。水淹脅迫處理持續(xù)6 d。

1.2 方法

1.2.1 觀測葉片黃化和萎蔫程度 觀測并記錄水淹處理后，每個處理隨機選擇6 株觀察綠色、延展健康葉片占總?cè)~百分比，并采用打分制對植株的萎蔫程度進行打分：0 分表示萎蔫最嚴重，10分表示無萎蔫。通過有無葉片黃化、卷曲將萎蔫程度分為4 個等級：0 級，無葉片黃化、卷曲；1級，0%～30%葉片黃化、卷曲為輕度萎蔫；2 級，30%～70%為中度萎蔫；3 級，70%～100%為重度萎蔫[11]。

1.2.2 株高增長量 分別測量水淹處理前和水淹處理6 d 時各單株基部至莖頂端的長度，2 次株高差值為植株的株高增長量。

1.2.3 葉綠素相對含量（SPAD） 水淹處理前和水淹處理6 d 時， 使用手持葉綠素測定儀（SPAD-502 Plus）測定每株幼苗的葉綠素相對含量，每株幼苗選取部位相近的3 個完全展開葉并標(biāo)記，每個葉片在主葉脈附近分別讀取10 個數(shù)值，其平均值為該植株的葉綠素相對含量。

1.2.4 葉片相對電導(dǎo)率 水淹處理6 d 時，分別取試驗組和對照組有代表性的葉片，參照劉金英[12]的方法，使用電導(dǎo)率儀（DDS-307A）測定葉片相對電導(dǎo)率。

1.2.5 抗氧化物酶活性測定 采用氮藍四唑法測定SOD 的活性（U/g）；采用愈創(chuàng)木酚法測定POD的活性[U/（g·min）^?1][13]；采用紫外吸收法測定CAT的活性[U/（g·min）^?1]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)整理和圖表制作，采用SPSS 26.0 軟件對不同處理的平均值進行LSD 多重比較、主成分分析和相關(guān)性分析。為比較各種質(zhì)的耐水淹性和水淹脅迫對各指標(biāo)的影響，將各評價指標(biāo)換算成耐水淹系數(shù)、變異系數(shù)、變異指數(shù)進行統(tǒng)計分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標(biāo)的統(tǒng)計學(xué)分析

對株高增長量、葉綠素相對含量、相對電導(dǎo)率、SOD、POD、CAT 等6 個評價指標(biāo)進行統(tǒng)計學(xué)分析。結(jié)果顯示，在水淹條件下各指標(biāo)均受影響，對照組和試驗組各指標(biāo)的變異系數(shù)范圍分別為11.52%～77.00%和13.39%～101.77%，且葉綠素相對含量變異系數(shù)最?。ū?）。此外，SOD、POD 的水淹變異指數(shù)較大，說明水淹脅迫對其影響較大。

2.2 水淹脅迫對木薯形態(tài)特征的影響

葉片黃化和萎蔫是植物受水淹脅迫的典型癥狀。通過打分法評價不同種質(zhì)葉片萎蔫程度，分值越大，表示萎蔫程度越低，結(jié)果如圖1 所示。其中，有18 份種質(zhì)的分值大于7，10 份種質(zhì)的分值小于7。

水淹脅迫處理后，各種質(zhì)相比較正常澆水的對照組，其株高增長量表現(xiàn)出不同的變化（圖2）。泰國、F03P、JG1301、M-GR911、M-F532、老板2 號、SC8、C222、E407、KU58、F274、GR3、COL713、M-SC5 和GR911 的株高受到顯著抑制，其中E407 種質(zhì)的抑制率最高，株高增長量相比對照組降低79.7%。ME191、46-12、羅勇80、GR5、SC201、SC6068、H660、GR891、SC5、瓊中1 號、M-F671、CH20、F2000 在水淹脅迫后株高增長量與對照相比無顯著差異，說明持續(xù)6 d 的水淹脅迫暫未影響這13 份種質(zhì)的植株生長。

2.3 水淹脅迫對木薯葉綠素相對含量（SPAD）和相對電導(dǎo)率的影響

使用SPAD-502 Plus 儀測定28 份木薯種質(zhì)的葉綠素相對含量， 結(jié)果顯示， C222、F03P、JG1301、M-SC5、KU58、老板2 號、SC8、E407、泰國、M-F532、GR3 受到水淹脅迫后的葉綠素相對含量顯著低于對照組（P<0.05），其中泰國的葉綠素相對含量受到水淹脅迫的影響最大，相較對照組降低了17.2%（圖3）。相對電導(dǎo)率測定結(jié)果顯示，羅勇80、JG1301、M-SC5、H660、SC5、CH20、老板2 號、F274 受到水淹脅迫后的相對電導(dǎo)率顯著高于對照組（P<0.05），說明水淹脅迫導(dǎo)致葉片細胞內(nèi)含物外滲；瓊中1 號、SC6068、SC201、ME191、M-F532、GR891、C222、GR3、F2000、46-12、GR5、KU58、F03P、M-GR911、M-F671、COL713、GR911、E407、SC8、泰國的相對電導(dǎo)率值與對照無顯著差異，說明這些種質(zhì)的葉片結(jié)構(gòu)較完整，細胞內(nèi)含物外滲較少（圖4）。

2.4 水淹脅迫對木薯葉片抗氧化物酶的影響

水淹脅迫下，木薯葉片SOD、POD、CAT 活性的變化情況如圖5 所示。結(jié)果可見，SOD、POD和CAT 活性均發(fā)生顯著變化的種質(zhì)有22 份，占總數(shù)的78.6%。與對照組相比，水淹脅迫顯著降低GR5、M-SC5、H660、GR891、CH20、老板2號、泰國、GR911、F2000 的SOD 活性（P<0.05），ME191、46-12、羅勇80、C222、SC201、F03P、M-GR911、KU58、SC5、瓊中1 號、SC8、E407、M-F532、GR3、COL713 則顯著升高；水淹脅迫后，ME191、羅勇80、KU58、SC5、M-F671、SC8、E407、泰國、COL713 的POD 活性顯著下降，GR5、SC201、JG1301、M-GR911、SC6068、M-SC5、GR891、瓊中1 號、CH20、老板2 號、M-F532、F2000、GR3 則顯著升高；ME191、羅勇80、F03P、H660、GR891、瓊中1 號、CH20、老板2 號、GR911、M-F532 在水淹之后CAT 的活性顯著上升，而GR5、C222、SC201、JG1301、M-GR911、M-SC5、KU58、SC8、E407、泰國、F2000、E274、GR3、COL713 的CAT 活性則顯著降低。

2.5 28 份木薯種質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)性分析

由各指標(biāo)的水淹系數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣可看出，SOD 活性與葉綠素相對含量、CAT 活性呈顯著正相關(guān)；POD 與相對電導(dǎo)率呈顯著負相關(guān)；株高增長量與葉綠素相對含量存在極顯著正相關(guān)；葉綠素相對含量和相對電導(dǎo)率呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），且相關(guān)系數(shù)最高為0.266（表3）。

2.6 主成分分析

對28 份木薯種質(zhì)的6 個性狀指標(biāo)進行主成分分析。結(jié)果顯示，前4 個主成分分析的累計貢獻率達82.85%，基本能代表6 個性狀的絕大部分信息。第Ⅰ主成分特征值為1.90，方差貢獻率為31.66%，其中CAT（0.77）、POD（0.70）和相對電導(dǎo)率（0.61）的載荷值較大，可認為CAT、POD是第Ⅰ主成分的代表因子；第Ⅱ主成分特征值為1.27，方差貢獻率為21.23%，載荷值最大的是株高增長量（0.89），可稱該主成分是反映株高增長量的因子；第Ⅲ主成分的方差貢獻率為16.34%，最大載荷值為SOD（?0.71），可認為SOD 是第Ⅲ主成分的代表因子；第Ⅳ主成分的方差貢獻率為13.62%，最大載荷值是葉綠素相對含量（0.68），該指標(biāo)可稱為第Ⅳ主成分的代表因子。在這4 個主成分中指標(biāo)的載荷值越大對水淹的影響越大，因此，對木薯苗期水淹影響較大的指標(biāo)為SOD、CAT、POD 和株高增長量（表4）。

2.7 基于隸屬函數(shù)的耐水淹性綜合評價

將28 份木薯種質(zhì)的株高增長量、葉綠素相對含量、相對電導(dǎo)率、SOD 活性、POD 活性和CAT活性6 個評價指標(biāo)進行隸屬函數(shù)計算。結(jié)果如表5 所示，根據(jù)6 個評價指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值進行排序，瓊中1 號、SC6068、SC201、ME191、M-F532、GR891、C222、GR3、F2000、羅勇80、46-12 耐水淹綜合表現(xiàn)較好，老板2 號、JG1301、GR911、E407、F274、SC8、M-SC5、泰國等耐水淹綜合評價較差。

3 討論

根系缺氧是水淹脅迫對陸生植物造成傷害的直接原因，缺氧使植物的呼吸模式由有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧呼吸，導(dǎo)致有毒物質(zhì)積累以及營養(yǎng)成分的吸收轉(zhuǎn)運受到影響，進而抑制植物生長發(fā)育以及出現(xiàn)早衰萎蔫現(xiàn)象[15]。葉片是對包括水淹脅迫在內(nèi)的逆境脅迫最為敏感的地上組織之一，通常最先表現(xiàn)出受害癥狀[16]。受到水淹脅迫時，植物葉片光合色素合成和光合作用相關(guān)酶活性均受到抑制，直接影響光合速率；隨著水淹脅迫加劇，還會使葉片衰老、變黃、脫落，新葉生長受阻[17-18]。本研究選取了黃化葉片數(shù)、萎蔫程度、株高增長量等形態(tài)指標(biāo)以及葉綠素相對含量來反映不同木薯種質(zhì)在水分脅迫下的變化。不同植物、同一植物的不同品種在水淹脅迫處理中表現(xiàn)出來的形態(tài)、生理代謝等特征變化情況不同，反映出抗水淹能力在種間和品種間存在遺傳差異[19]。前人對耐水淹性強、中等和較差的3 個柑橘品種進行水淹脅迫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，耐水淹性差的品種在處理7 d后出現(xiàn)受害癥狀，而耐水淹性強和中等的品種則分別在脅迫25 d 和14 d 時才表現(xiàn)出癥狀[5]。本研究中，潛在耐水淹的18 份木薯種質(zhì)的萎蔫程度、株高增長量和葉綠素相對含量的表現(xiàn)整體優(yōu)于其他10 份種質(zhì)，說明這些種質(zhì)可能通過改變一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝，提高對缺氧環(huán)境的適應(yīng)能力。

當(dāng)植物處于淹水等逆境條件下時，植物體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧（reactive oxygen species， ROS），導(dǎo)致膜脂過氧化，細胞結(jié)構(gòu)破壞，影響植物正常生長，植物啟動體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)來清除過量的ROS 來維持其代謝平衡[20-21]。SOD 作為植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線將超氧陰離子自由基（O^2?·）轉(zhuǎn)化為過氧化氫（H₂O₂），再通過POD 和CAT 將H₂O₂分解成水以清除O^2?·并防止膜脂過氧化損傷細胞其他成分。植物POD 和CAT 在清除活性氧過程中通常表現(xiàn)出互補效應(yīng)[22-23]。前人研究表明，SOD、POD、CAT 等抗氧化酶與植物耐水淹性關(guān)系密切[24-25]。金藝等[26]研究發(fā)現(xiàn)，POD、SOD、CAT 活性隨著水淹脅迫程度的加劇而增加。SIMOVA-STOILOVA 等[27]報道，短期水淹脅迫下SOD、CAT 及抗壞血酸過氧化物酶（ascorbateperoxidase， APX）等酶的活性會升高，但隨著水淹持續(xù)進行，酶活性則隨之下降。CAO 等[10]對木薯的研究中發(fā)現(xiàn)，水淹6 d 后，木薯SC6068 品種的POD、SOD 和CAT 活性均顯著高于水淹前的。本研究結(jié)果與上述研究相似，木薯各種質(zhì)在水淹脅迫后，至少有1 個抗氧化酶活性發(fā)生顯著變化，說明木薯能通過調(diào)節(jié)自身抗氧化酶系統(tǒng)表現(xiàn)出不同程度的抗性。例如，ME191 在水淹6 d 后SOD和CAT 活性顯著高于對照，POD 活性則相反；JG1301 的POD 和CAT 活性也出現(xiàn)相反的變化趨勢，說明POD 和CAT 在催化過氧化物的過程中出現(xiàn)了補償機制。徐倩等[28]研究表明，木芙蓉（Hibiscus mutabilis）在水淹15 d 后，其SOD 與CAT 活性呈正顯著相關(guān)。吳蔚[29]在進行水淹脅迫對香菇草（Hydrocotyle vulgaris）生長的影響時發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率與葉綠素含量呈負相關(guān)關(guān)系。本研究對木薯株高增長量、葉綠素含量、相對電導(dǎo)率、SOD、POD 與CAT 活性進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，SOD 與CAT 活性呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），葉綠素相對含量和相對電導(dǎo)率呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），這與前人的研究結(jié)果一致。

植物的耐水淹性是一個受多因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，不同性狀與耐水淹性的相關(guān)度也不盡一致。因此，通過單一性狀或少量性狀的評價，不能準(zhǔn)確反映種質(zhì)耐水淹的強弱[30]。將不同抗性評價指標(biāo)換算成抗性系數(shù)（如抗旱系數(shù)、耐寒系數(shù)、耐水淹系數(shù)等），能夠在一定程度上消除種質(zhì)（品種）間的固有差異。本研究通過主成分分析、相關(guān)性分析和隸屬函數(shù)分析等方法，克服了僅用幾個指標(biāo)評價1 個或2 個種質(zhì)的不足。比如，通過主成分分析法將原來多個彼此相關(guān)的變量組合成相互無關(guān)的4 個主成分，可以解釋82.85%的表型變異，并獲得各指標(biāo)的以及指標(biāo)間的相關(guān)性，克服了指標(biāo)間的相關(guān)性及信息的重疊。采用模糊隸屬函數(shù)分析法可對種質(zhì)的不同性狀指標(biāo)進行綜合分析，將各指標(biāo)系數(shù)轉(zhuǎn)變成[0，1]的度量值，在進行同一量化后綜合比較，可直觀、全面地對不同種質(zhì)的綜合性能做出合理的評價[31]。隸屬函數(shù)分析方法在菊花（Chrysanthemum morifolium）、花生（Arachis hypogaea）、綠豆（Vigna radiata）、玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）等作物的抗性材料評價和篩選中獲得成功應(yīng)用[32-36]。本研究通過隸屬函數(shù)法對各木薯種質(zhì)進行耐水淹性綜合評價，其中瓊中1 號、SC6068、SC201、ME191、M-F532、GR891、C222、GR3、F2000、羅勇80、46-12 木薯種質(zhì)的綜合評分較高，可作為潛在的耐水淹種質(zhì)（品種）進行開發(fā)利用。值得注意的是，耐水淹性并不是唯一衡量優(yōu)良品種的標(biāo)準(zhǔn)，針對篩選出的耐水淹性強的種質(zhì)大多不是現(xiàn)有主栽品種的問題，下一步應(yīng)重點關(guān)注耐水淹種質(zhì)的產(chǎn)量與品質(zhì)相關(guān)農(nóng)藝性狀，通過雜交等育種手段創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)異且耐水淹的新品種。