樊 仙，全怡吉，杨绍林，李如丹，邓 军，张跃彬

（云南农业科学院甘蔗研究所，云南省甘蔗遗传改良重点实验室，云南 开远 661699）

0 引言

甘蔗是中国最主要、种植面积最大的糖料作物，全国85%以上的甘蔗种植在旱坡地[1]，干旱是影响甘蔗稳产、高产的重要因素，其抑制甘蔗生长发育，从而影响产量[2]。甘蔗品种因干旱减产，中度干旱减产幅度可达17%～52%[3]。未来30年，季节性和区域性连续干旱发生频率可能提高[4]。冬春季节是甘蔗种植季，云南多发生冬春干旱，直接影响甘蔗萌芽与出苗，而幼苗的生长发育直接影响甘蔗产量。选育抗旱性强的甘蔗新品种是减少干旱威胁、提高水资源利用效率并保证高产稳产的经济有效途径[5]。耐旱品种筛选是提高抗旱甘蔗品种选育效率的前提，因此，准确、合理地评价和鉴定品种抗旱性是甘蔗抗旱育种的关键，为进一步选育高产抗旱新品种奠定基础，是非常迫切和必要的。

干旱胁迫下，甘蔗通过产生一系列的生理生化变化，来减轻干旱的伤害[6]，表现出一系列的避旱性特征及生理差异。在干旱条件下植物叶片中的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD) 和过氧化物酶(Peroxidase, POD)快速降低[7-9]，质膜透性(Plasma membrane permeability, PMP) 和丙二醛含量(Malondialdehyde,MDA)增高[10-11]，叶片细胞的膜系统因外界不良因素的影响而受损。边芯等[12]研究得出持绿性甘蔗细茎野生种通过SOD、POD等酶活性变化减轻干旱的伤害，降低对干旱的敏感性。高三基等[5]利用因子分析和灰色关联度分析方法研究得出MDA、SOD活性对干旱表现出较高的灵敏度，可作为甘蔗抗旱鉴定生理指标，还研究膜脂过氧化代谢和质膜透性与甘蔗品种抗旱性的关系，建立相应的判别模型[13]。田春艳等[3]利用模糊隶属函数法、聚类分析和灰色关联度分析得出水分胁迫下拔节期甘蔗叶片的PMP、MDA、Pro含量、SOD和POD酶活性升高，变化幅度因甘蔗基因型及水分胁迫程度差异而不同，并且通过灰色关联度分析和逐步回归分析，明确质膜透性、丙二醛、脯氨酸等是甘蔗抗旱性评价的有效关键指标[14]。

干旱胁迫下，甘蔗产生各种错综复杂的生理变化，受多种因素影响，因此甘蔗抗旱性是多个性状综合作用的结果。夏红明[13-15]等在甘蔗伸长期对其形态特征及生理生化方面开展抗旱性研究，而甘蔗幼苗期抗旱性研究较少，且多侧重于单一的生理指标方面研究[16]。抗旱性评价在玉米[17-19]、小麦[20-22]、绿豆[23-24]、谷子[25-26]等作物上已建立有效的抗旱性鉴定指标评价体系，苗期甘蔗生长发育是甘蔗高产、稳产的基础，因此有针对性地对甘蔗品种幼苗进行抗旱鉴定、筛选和评价是十分必要的。

本研究以进入全国第十三轮区试及中心示范的11个甘蔗品种和‘ROC 22’为材料，利用隶属函数综合评价法，分析反复干旱对甘蔗品种幼苗成活率的影响及对叶片叶绿素含量、丙二醛含量等与抗旱性有关的生理生化指标造成的变化，比较和评价甘蔗新品种抗旱性，探讨不同抗旱新品种的抗旱机制，旨在为抗旱甘蔗品种选育和蔗区甘蔗品种推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为进入全国第十三轮区试及中心示范的11 个甘蔗品种：‘云蔗05-51’(‘YZ 05-51’)、‘柳城09-15’(‘LC 09-15’)、‘云蔗08-1609’(‘YZ 08-1609’)、‘桂糖32’(‘GT 32’)、‘福农08-3214’(‘FN 08-3214’)、‘德蔗12-88’(‘DZ 12-88’)、‘桂糖11-1076’(‘GT 11-1076’)、‘福农09-6201’(‘FN 09-6201’)、‘粤甘49’(‘YG 49’)、‘云蔗11-1204’(‘YZ 11-1204’)，‘云瑞11-450’(‘YR 11-450’)，试验对照品种为‘ROC 22’。

1.2 试验设计

试验在云南省农业科学院甘蔗研究所抗旱温室进行。供试土壤采自本地农田耕作层红壤0～30 cm，土壤主要理化性状：全氮0.96 g/kg，全磷0.94 g/kg，全钾14.41 g/kg，有机质17.32 g/kg，碱解氮90.13 mg/kg，速效磷93.52 mg/kg，速效钾58.15 mg/kg，pH 5.87。采用桶栽试验方法，随机区组设计，每个甘蔗品种分别设反复干旱和正常供水2 个处理，5 次重复，将供试的甘蔗品种砍成单芽茎段，每桶下种4 个单芽，每个品种10桶，共120 桶。将土壤搅拌均匀过筛(3 mm)，去掉石块、杂物后，用规格相同的塑料桶（深35 cm，桶底直径30 cm，桶顶直径40 cm，桶厚1 cm，桶底打5个透气孔，孔径0.5 cm），分别装相同风干土20 kg，土壤田间最大持水量为25.6%。播种前每桶施10 g(N:P2O5:K2O=24:10:14)缓释复合肥作为基肥。于2018 年2 月26 日播种，正常灌水至3～5片真叶时进行干旱胁迫，每天8:00采用称质量法控水并记录，土壤相对含水量降至10%～20%时，50%甘蔗幼苗永久萎蔫，此时恢复灌水，使土壤含水量恢复到80%，5 天后调查蔗苗成活率。如此反复干旱胁迫2 次后调查蔗苗成活率，同时结合生理指标评价甘蔗品种苗期的抗旱性。

1.3 测定项目及方法

参照王彩艳[4]的方法计算幼苗反复干旱存活率。

参照李合生[27]的方法测定叶片叶绿素含量和相对电导率；采用苏州科铭生物技术有限公司的试剂盒（常量法）测定脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性。

1.4 数据处理

抗旱系数计算见公式(1)[26]。

抗旱性综合评价采用标准差系数赋予权重法[28]，通过公式(2)计算各综合指标隶属函数值UXj值，公式(3)计算标准差系数Vj，公式(4)计算各综合指标的权重Wj，公式(5)计算各甘蔗品种的综合评价值D，D值越大表明抗旱性越强。

式中Uxj为各品种第j个性状的隶属函数值，Xj为各品种某一指标性状的抗旱系数，Xmax与Xmin分别表示第j个性状指标抗旱系数的最大与最小值。-Xj为供试甘蔗品种中第j个性状指标的平均值；Vj为第j个性状指标标准差系数；Wj为表示第j个性状指标权重；D表示各供试甘蔗品种的抗旱性综合评价值。

采用Microsoft Excel 2010 软件处理数据，采用SPSS19.0 统计分析软件进行数据处理及统计分析。运用Duncan’s检验法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同甘蔗品种幼苗存活率的影响

幼苗干旱存活率综合反映植株在干旱胁迫条件下的失水速率和复水以后的恢复速率[4]，其与苗期抗旱性的关系密切，已在玉米[29]、小麦[21]、绿豆[30]等作物中被认为是苗期抗旱性鉴定的适宜指标。由表1 可知，各甘蔗品种幼苗经过2 次连续干旱后，存活率均明显下降，且不同甘蔗品种下降的幅度存在差异。其中，‘LC 09-15’幼苗反复干旱存活率最高，平均值为85.00%，其次是‘GT 32’和‘FN 08-3214’，其幼苗反复干旱存活率平均分别为83.33%和81.67%；‘GT 11-1076’幼苗干旱存活率较低，平均为73.33%。

表1 反复干旱胁迫下甘蔗幼苗的存活率 %

2.2 干旱胁迫对不同甘蔗品种幼苗叶片生理生化指标的影响

2.2.1 对叶片叶绿素含量的影响 研究表明，干旱胁迫下叶绿素含量的变化直接影响着植物光合作用的效率[31]。由图1可知，与正常供水相比，各参试新品种及对照种‘ROC 22’在干旱胁迫下，苗期蔗叶叶绿素含量均有不同程度的降低，且降幅均达极显著差异水平。降幅最小的甘蔗品种是‘YZ 08-1609’，为8.93%；降幅最大的是‘YG 49’，为57.76%；对照品种‘ROC 22’的降幅为41.94%。

图1 干旱胁迫对叶片叶绿素含量的影响

2.2.2 对叶片相对电导率和丙二醛含量的影响 干旱胁迫引起甘蔗幼苗叶片电导率(REC)呈上升趋势，质膜透性增大。但甘蔗品种间电导率增幅不同，且增幅均达极显著差异水平。增幅最小的甘蔗品种是‘YZ 11-1204’，为8.63%；增幅最大的是‘GT 11-1036’，为133.65%；对照品种‘ROC 22’的增幅为108.37%（图2A）。

干旱胁迫条件下，各参试新品种及对照种‘ROC 22’的MDA含量均呈现不同程度的增加趋势，且增幅均达显著差异水平。增幅最小的甘蔗品种是‘GT 32’，为46.39%；增幅最大的是‘YG 49’，为102.07%；对照品种‘ROC 22’的增幅为51.52%（图2B）。

2.2.3 对叶片脯氨酸和可溶性糖含量的影响 干旱胁迫下Pro 和可溶性糖含量作为主要的渗透调节物质，在一定程度上可反映甘蔗植株受胁迫的严重程度[32-34]。由图2得出，与正常供水相比，各参试新品种及对照种‘ROC 22’在干旱胁迫下，苗期蔗叶Pro 和可溶性糖含量均有不同程度的增加和积累，且增幅均达极显著差异水平，但不同甘蔗品种间蔗叶Pro 和可溶性糖含量增加和积累能力不同。蔗叶Pro含量增幅最小的甘蔗品种是‘YG 49’，为51.23%；增幅最大的是‘YZ 11-1204’，为676.53%；对照品种‘ROC 22’的增幅为203.25%（图3A）。蔗叶可溶性糖含量增幅最小的甘蔗品种是‘GT 32’，为2.57%；增幅最大的是‘LC 09-15’，为88.83%；对照品种‘ROC 22’的增幅为34.64%（图3B）。

图2 干旱胁迫对叶片相对电导率和丙二醛含量的影响

图3 干旱胁迫对叶片脯氨酸和可溶性糖含量的影响

2.2.4 干旱胁迫对不同甘蔗品种幼苗抗氧化酶活性的影响POD和SOD在植物体内担负着清除细胞中活性氧的作用[35]。与正常供水相比，甘蔗苗期受到干旱胁迫后，甘蔗新品种及对照种‘ROC 22’叶片POD 和SOD活性均呈现不同程度的下降趋势，且降幅均达差异显著水平。POD 活性降幅最小的品种是‘FN 08-3214’，为6.83%；降幅最大的品种是‘YZ 05-51’，为48.41%；对照品种‘ROC 22’降幅为23.43%（图4A）。SOD活性降幅最小的品种是‘GT 32’，为10.52%；降幅最大的品种是‘FN 08-3214’，为67.50%；对照品种‘ROC 22’降幅为51.96%（图4B）。

图4 干旱胁迫对POD活性和SOD活性的影响

2.3 各单项指标的抗旱系数及其相关分析

用公式（1）求出各单项生理指标的抗旱系数（表2）。由表2可知，干旱胁迫后，不同甘蔗新品种及对照品种‘ROC 22’苗期叶片叶绿素含量均有所下降；质膜氧化程度（REC和MDA含量）和渗透调节物质（Pro和可溶性糖含量）均有不同程度地增加，保护酶活性（SOD 和POD）均有不同程度地降低。与正常浇水相比，干旱胁迫后不同甘蔗品种各指标均发生了不同程度变化，且相同指标各甘蔗品种间DC 值均存在明显差异，因此，仅根据单一指标的抗旱系数得出抗旱性大小的结论，必然有一定的片面性，这与田春艳等[1]、杜彩艳等[4]的研究结果一致。

表2 甘蔗品种各单项指标的抗旱系数

2.4 12个甘蔗品种苗期抗旱性综合评价

结合甘蔗幼苗干旱存活率，通过对苗期12个甘蔗品种的存活率、叶绿素、MDA、REC，Pro、可溶性糖，POD、SOD 等8 项抗旱相关生理指标的抗旱隶属函数值计算，得到各甘蔗品种综合评价值（表3），综合评价D值越大，表明该品种抗旱性越强。依此将12个甘蔗品种的苗期抗旱性从强到弱的排序为‘LC 09-15’＞‘GT 32’＞‘FN 08-3214’＞‘YZ 08-1609’＞‘YZ 11-1204’＞‘YZ 05-51’＞‘YR 11-450’＞‘DZ 12-88’＞CK (‘ROC 22’)＞‘GT 11-1076’＞‘FN 09-6201’＞‘YG 49’。参照吴文荣[36]的抗旱分级方法，将供试甘蔗品种抗旱性综合评价值D划分，D＞0.749，抗旱性极强；0.749≥D＞0.617，抗旱性强；0.617≥D＞0.484，抗旱性中等；0.484≥D＞0.352，抗旱性弱；D≤0.352，抗旱性极弱。由此得出，‘LC 09-15’属于抗旱极强甘蔗品种，‘GT 32’和‘FN 08-3214’属于抗旱性强甘蔗品种，而对照‘ROC 22’、‘DZ 12-88’和‘YR 11-450’属于抗旱性弱甘蔗品种，‘GT 11-1076’、‘FN 09-6201’和‘YG 49’属于抗旱性极弱甘蔗品种。

表3 甘蔗品种苗期抗旱性评价

3 讨论与结论

甘蔗抗旱性与品种基因型、形态特征及生理生化反应有密切关系，同时受干旱发生时期、强度及持续时长的影响[37]。苗期是甘蔗生长最为敏感的时期，对其今后的生长发育也最为重要。苗期遇旱会使甘蔗出苗率降低，从而导致减产。研究表明，苗期反复干旱胁迫处理的甘蔗植株长势具有较强的后续性效应，其生长发育直接影响甘蔗产量，远超过其他生育期受旱胁迫的植株[38]。苗期是甘蔗品种抗旱鉴定、筛选适宜时期[2]。大量研究表明，应用单一指标评价抗旱性存在片面性，其评价结果与多个指标综合评价得出的结果是不完全一致的，因此采用多项指标综合评价，更能提高抗旱性鉴定结果的准确性[39-40]和可靠性[41-43]。张智猛等[44]应用抗旱系数法和隶属函数值法，评价中国北方29个主栽花生品种的综合抗旱性。杜彩艳等[45]采用标准差系数赋予权重法，对玉米苗期抗旱性进行综合评价。本试验运用抗旱系数法和隶属函数值法，结合甘蔗苗期生长形态和生理指标进行甘蔗苗期抗旱评价，充分利用各指标之间的有效信息，弥补了单个指标评定抗旱性的局限，评价结果更具全面性和可靠性[41,46]。

前人研究表明植株的存活能力是反映材料抗旱性的最直接且最实用的指标[4,45,47]。因此，本研究对甘蔗苗期存活率、叶绿素含量、脯氨酸、丙二醛、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶等与抗旱性相关的8 个表型性状和生理生化指标进行分析，结果表明，干旱胁迫导致甘蔗形态及生理生化指标发生不同程度变化，12个不同甘蔗品种存活率、叶绿素含量、POD 和SOD 酶活性均有所下降，不同品种间下降程度存在一定差异，这与张永清等人的研究结果一致[48]。叶片相对电导率、丙二醛、脯氨酸和可溶性蛋白质含量则不同程度升高，且不同品种间增幅有差异。

抗旱性是受多种因素影响的复杂数量综合性状，单一指标不能全面而准确地评价抗旱性的强弱[49]。本研究采用抗旱系数法和隶属函数值法对干旱胁迫下12 个甘蔗品种存活率、叶绿素、MDA、REC，Pro、可溶性糖，POD、SOD 进行综合评价，结果表明，反复干旱胁迫下，‘LC 09-15’、‘GT 32’、‘FN 08-3214’、‘YZ 08-1609’、‘YZ 11-1204’、‘YZ 05-51’、‘YR 11-450’和‘DE 12-88’等8个甘蔗品种的苗期抗旱性强于对照品种‘ROC 22’。通过甘蔗优异抗旱品种的筛选和推广，解决蔗区主栽甘蔗品种‘ROC 22’种性退化性状，为蔗区有效抵御早春干旱，提高甘蔗出苗率，为甘蔗稳产、高产提供理论指导。