不同基因型甘薯的耐瘠性研究

2019-08-10赵冬兰周志林唐君曹清河张安戴习彬

江苏农业科学 2019年3期

赵冬兰　周志林　唐君　曹清河　张安　戴习彬

摘要：为探索甘薯耐瘠性鉴定评价方法，选育高耐瘠性甘薯新品种，以8个甘薯新品系为材料，测定基部分枝数、最长蔓长、叶片长等12个指标，采用耐瘠指数和灰色关联分析2种方法对不同基因型甘薯耐瘠性进行研究。结果表明，养分胁迫下，甘薯的基部分枝、最长蔓长、叶片长、叶片宽、地上部鲜质量、薯块鲜产显著降低，茎叶干率显著升高，其余指标变化不明显。2种方法评价耐瘠性的结果一致，筛选到耐瘠性最强的品系同为Z15-1，平均耐瘠指数和关联度均最大，分别为0.660和0.795。各性状的关联度分析表明，基部分枝数、最长蔓长、可溶性糖含量、地上部鲜质量、薯块鲜产等5项指标对养分敏感，对耐瘠性有极强的表达作用，在耐瘠品种选育时应加强对其选择。

关键词：甘薯;耐瘠性;耐瘠指数;灰色关联分析

中图分类号： S531.024 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）03-0074-04

作物的耐瘠性研究对于节约成本、减少化肥对环境的污染以及提高土壤瘠薄地区的生产力具有重要意义。目前关于耐瘠性研究已在玉米[1-2]、高粱[3-4]、大豆[5]和苎麻[6]等多种作物上报道。甘薯是我国的主要粮食作物之一，在我国的种植面积约为338.3万hm2（FAO，2014）。随着我国人口不断增加，耕地面积不断减少，生态环境日益恶化，粮食需求面临着巨大压力。甘薯投入少、产出多，单位面积可使用的干物质含量居各种作物之首。同时甘薯抗灾力强，耐旱、耐瘠薄，在其他作物较难生长的地方，甘薯也能获得较好的产量，被国内外学者一致公认是一种高产、抗旱、耐瘠、适应性广的作物[7-11]。为了更好地发挥甘薯的这些优势，保障我国粮食安全，开展甘薯的耐瘠性研究具有重要的意义。截至目前，尚未见有关于甘薯的耐瘠性研究的报道。本研究以8个甘薯新品系为材料，通过对养分胁迫下甘薯的产量及相关性状进行鉴定评价，利用耐瘠指数和灰色关联分析法对甘薯的耐瘠性进行评价，以期为甘薯耐瘠性研究及耐瘠新品种的培育提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验材料为8个甘薯新品系：H6-1、Z1-2、Z3-1、Z8-3、Z11-1、Z15-1、Z8-1、Z8-2。

1.2 试验地点及设计

试验于2014年6—10月在江苏徐淮地区徐州农业科学研究所的第13耕作区（34°16′N，117°17′E）的长期定位试验点进行。该长期定位试验开始于1980年，设有5个处理：对照（CK，不施肥），施N肥（N），施N、P、K肥（NPK），施有机肥（M）以及施N、P、K肥和有机肥（MNPK）。该定点试验于1981—2001年采用小麦和玉米一年两熟轮作制，2002年后改为小麦和甘薯轮作[12]。本试验利用其中的不施肥对照和施N、P、K肥的2个处理对甘薯耐瘠性进行研究。不施肥处理连续34年不施肥，地力处于耗竭状态，每年仅靠有限的作物根茬残留物作为土壤的更新碳源，不足以弥补土壤有机质的矿化损失，土壤极度贫瘠，作为本试验的耐瘠鉴定区。施N、P、K的处理，N、P2O5和K2O年施用量分别为300、150、225 kg/hm2，作为本试验的对照区。材料栽插采用随机区组排列，设3次重复。

1.3 测定项目与方法

甘薯地上部农艺性状基部分枝数、最长蔓长、叶片长、叶平宽、茎粗等鉴定在收获前进行，具体参照张允刚等的方法[13]。地上部鲜质量和产量于收获时进行称量。茎叶干率和薯块干率的测定参照国家甘薯品种区试干率测定标准，选取具有代表性的薯块（茎叶），切成丝（剪碎），在烘箱中60 ℃烘干，再用105 ℃烘至恒质量，测定干物率。

薯干淀粉含量、粗蛋白含量和可溶性糖含量测定采用近红外法。仪器采用VECTOR22N型傅立叶变换近红外反射光谱仪（德国BRUKER光谱仪器公司）。首先进行樣品处理，将测过干物率的样品磨粉，过60目筛，得甘薯全粉样品。具体测定采用唐忠厚等构建的近红外反射光谱法的分析模型[14-15]进行。

1.4 相关指标计算方法

1.4.1 耐瘠系数和耐瘠指数耐瘠系数和耐瘠指数的计算主要参照郭天英等的方法[1]，具体如下所示：

某项指标耐瘠系数（AC）=瘠薄鉴定处理测定值（YA）/施肥对照处理测定值（YU）;

某项指标耐瘠指数（AI）=[耐瘠系数（AC）×瘠薄鉴定测定值（YA）]/所有品种瘠薄鉴定处理测定值的平均值。

1.4.2 灰色关联系数及关联度主要参照段宁等的方法[16-17]。按照灰色系统要求，将8个品种及其12个性状视为1个总体，即灰色系统，对照区的品种为鉴定区品种的参考品种，每个品种对照组的性状数列为该品种的参考数列Xi，鉴定组的性状数列为比较数列Yi。对原始数据进行无量纲化处理，再由下列公式求出各品种在k点（性状）的关联系数εi（k），

1.5 数据处理方法

采用SPSS 20.0软件进行统计分析，灰色关联分析采用DPS v16.05软件。

2 结果与分析

2.1 养分胁迫对不同基因型甘薯产量、相关农艺性状及品质性状的影响

一般来说养分胁迫下，植物的生长都会受到不同程度抑制，植物会通过诸多性状表现出来。表1中是各甘薯品种在长期不施肥的鉴定区和正常施肥的对照区的产量及相关性状表现。从表中数据可以看出，在养分胁迫下，甘薯的生长发育受到明显的抑制。各品种的基部分枝数、最长蔓长、叶片长、叶片宽、地上部鲜质量及薯块鲜产都较对照显著降低，只有茎粗的差异不显著。这说明分枝数、最长蔓长、叶片长、叶片宽、地上部鲜质量及薯块鲜产都对养分极为敏感，对品种的耐瘠性有明显的表达作用;而茎粗是一个较耐瘠性状，养分胁迫对它的影响不大，属于对养分不敏感的性状。

此外，本研究还对养分胁迫下甘薯主要品质性状进行了鉴定和比较，通过对鉴定区和对照区不同品种的对应品质性状的统计分析，发现甘薯的薯块干率、薯块淀粉含量、可溶性糖含量及薯块粗蛋白含量变化不明显，说明养分胁迫对这些性状的影响不大，这些性状属于对养分胁迫不敏感的性状。值得一提的是甘薯茎叶干率的变化，在养分严重匮乏下，它的值相对于对照显著提高，这和前面所提到的基部分枝数、最长蔓长、叶片大小等的变化正好相反（表2）。

2.2 耐瘠指数法评价不同基因型甘薯的耐瘠性

作物耐逆性即作物组织经受逆境的直接作用，通过本身的代谢反应以阻止、降低或修复由逆境造成的损伤，使其仍然保持正常的生理活动。参考兰巨生等关于作物耐旱指数的概念[18]及郭天英等关于玉米耐瘠性的鉴定[1]，得到耐瘠指数比耐瘠系数更能实际地反映出品种的产量特性和田间鉴定的直观性和客观真实性，是一个更适合育种工作需要的指标。因此选用耐瘠指数对8个甘薯品种的耐瘠性进行评价。从前面的分析可知，在养分胁迫下，甘薯的基部分枝数、最长蔓长、叶片长、叶片宽、地上部鲜质量和薯块鲜产都极显著降低，可见这几个性状对养分极为敏感，均为不耐瘠性状。因此选用这6个性状的耐瘠指数作为甘薯耐瘠性评价的主要指标。从表3可以看出，不同基因型甘薯的耐瘠性是不同的，同一基因型不同性状的耐瘠性也有所差异。从基部分枝数和最长蔓长的耐瘠性分析，Z15-1和Z3-1表现出较好的耐瘠性;从叶片长的耐瘠性指数来看，Z15-1和Z8-3的耐瘠指数较大，表现出较好的耐瘠性;品种Z3-1的叶片宽和地上部鲜质量的耐瘠性指数明显高于其他品种;Z15-1薯块鲜产的耐瘠指数明显高于其余品种。从6个性状的平均耐瘠指数的大小来看，Z15-1的值最大，为0.660，其次是Z3-1，这2个品种表现出较强的耐瘠性。品种Z11-1耐瘠性最差，平均耐瘠指数为0.281，其次是Z8-2和Z1-2，其余3个品种的耐瘠性表现中等，耐瘠系数在0.4～0.5之间。

薯块鲜产作为甘薯的主要经济产量指标，为了进一步研究甘薯薯块产量与各性状耐瘠指数的相关性，对各品种的产量与各性状的耐瘠指数进行了相关性分析，相关系数的大小如表4所示。从表4的数据可以看出，薯块鲜产与基部分枝数耐瘠指数、平均耐瘠指数和薯块鲜产耐瘠指数相关性很高，相关系数均在0.7以上;与最长蔓长耐瘠指数和叶片宽耐瘠指数的相关系数也在0.5以上。这也说明选取的这些性状来研究甘薯耐瘠性是可取的。

表4 薯块鲜产与各性状耐瘠指数的相关性

各性状耐瘠指数与薯块鲜产的相关系数

分枝数 0.873

最长蔓长 0.625

叶片长 0.212

叶片宽 0.590

地上部鲜质量 0.473

薯块鲜产 0.712

平均 0.802

2.3 灰色关联度分析法研究甘薯耐瘠性

利用灰色关联分析法研究作物的耐瘠性，在小麦[19-20]、高粱[17]、豌豆[16]等作物均有报道。甘薯的耐瘠性是一个综合概念，也具有灰色性，本研究按照灰色系统理论要求，将8个甘薯品种和12个性状看作1个灰色系统，根据关联系数及关联度的计算方法，求出各品种的等权关联度ri，结果见表5。按照关联分析的原则，关联度大的比较数列与参考数列最为接近，在综合各性状评判8个甘薯品种的耐瘠性时，Z15-1的关联度最大，r=0.795，表明该品种在鉴定区的表现与对照区最为一致，认为该品种在养分胁迫下综合性状表现最优，属于最耐瘠的品种，这与用耐瘠指数评价的结果一致。H6-1、Z1-2和Z3-1的关联度接近，都在0.741、0.751之间，属于较耐瘠品种。其余品种的耐瘠性较差，其中Z8-1的关联度最小，r=0.633，是最不耐瘠的品种。

甘薯的耐瘠特性受到各种性状的影响，特别是那些对甘薯耐瘠性有标识作用和对经济产量有重大影响的性状，应力求找出主次，以便对甘薯品种的耐瘠性做出准确的评价。据表6数据可知，各性状的关联度排序为淀粉含量>叶片宽>薯块干率>茎叶干率>叶片长>粗蛋白含量>茎粗>基部分枝数>最长蔓长>可溶性糖含量>地上部鲜质量>薯块鲜产。其中淀粉含量的关联度最高，说明养分胁迫对该性状的影响最小;另外叶片宽、薯块干率、茎叶干率、叶片长、粗蛋白含量和茎粗的关联度比较接近，都在0.4～0.5之间，这些性状对甘薯的耐瘠性有一定影响;基部分枝数、最长蔓长、可溶性糖含量、地上部鲜质量和薯块鲜产这5个性状对甘薯耐瘠性影响最大，说明这几个性状对养分最为敏感，对品种的耐瘠性有明显的表达作用，尤其以薯块鲜产的变化最大。这提示在筛选高耐瘠品种的时候，加大对基部分枝数、最长蔓长、可溶性糖含量、地上部鲜质量、薯块鲜产等5个性状的选择强度，同时根据关联度的大小注意对其他性状的综合考察，可对甘薯品种的耐瘠性做出全面准确的评价。

3 讨论与结论

在土壤极度贫瘠的情况下，植物的生长受到抑制，植物会通过多种性状表现出来。本研究选取12个性状研究甘薯耐瘠特性。结果表明，养分胁迫下甘薯的生长发育受到抑制，地上部鲜质量和薯塊产量以及基部分枝数、最长蔓长、叶片长、叶片宽都较对照显著降低，茎粗、薯块干率、薯块淀粉含量、可溶性糖含量及粗蛋白含量变化不明显，只有茎叶干率较对照显著提高。笔者认为这可能是甘薯在极度养分贫瘠的条件下，为维持自身的生理活动做出的适应性调整。土壤极度贫瘠时，碳源及各种营养元素严重匮乏，而甘薯要维持正常的生命活动和新陈代谢，某些营养物质、矿质元素等必须在体内维持一定的浓度，因而甘薯通过降低茎叶的水分含量使其保持一定的浓度，其茎叶干率较正常施肥下显著提高。甘薯在养分胁迫下的茎叶干率提高是不是这一原因造成的，尚需要更多的材料和进一步研究来证明。

在以往的甘薯耐逆性研究中，有不少学者选用产量这一单一性状的耐逆指数来评价品种的耐逆性。郭小丁等在甘薯耐盐性的鉴定[21]及周志林等对甘薯耐旱性评价[22]时，都是将甘薯薯块鲜产的耐逆指数作为其耐逆性评价标准。植物耐逆性是植物在逆境胁迫下，通过自身结构或代谢的反应来阻止、降低或修复逆境造成的伤害，以维持其正常的生命活动的能力。这一过程受到诸多性状的影响。针对甘薯耐瘠特性，通过产量与各性状耐瘠指数的相关性分析，以及各性状的关联分析表明，基部分枝数和最长蔓长等性状对甘薯耐瘠特性有明显的表达作用。同时本研究也对甘薯薯块鲜产与分枝数耐瘠指数、平均耐瘠指数和薯块鲜产耐瘠指数的相关性进行了分析，其相关系数均在0.7以上，因此笔者认为在有条件的情况下，应选择产量和对产量有重大影响的性状，以及那些对甘薯耐瘠性有标识作用的性状，综合这些性状来更加客观合理地评价甘薯的耐瘠特性。当然应用产量的耐瘠指数来进行耐瘠性评价，在田间条件下是可行的，它对品种的耐逆性有很明显的表达作用，尤其是材料比较多的情况下，可以节省时间和劳动力。

甘薯的耐瘠性研究尚未见有报道，本研究首次采用耐瘠指数和灰色关联分析2种方法对8份甘薯材料的耐瘠性进行了评价，2种方法得到的最耐瘠材料都是Z5-1。其余材料的排序虽然不尽相同，但其耐瘠性判定具有一定相似性。实际工作中应根据具体情况，选取适合的1种或多种方法来进行。

参考文献：

[1]郭天英，赵诗灿，樊进，等. 贵州玉米耐瘠品种筛选初探[J]. 耕作与栽培，2014（4）：53-55.

[2]高翔，陈泽辉，祝云芳. CIMMYT玉米种质AC8328BNC1的耐瘠性研究[J]. 玉米科学，2004，12（2）：76-78.

[3]张桂香，赵学孟，高儒萍，等. 高粱遗传资源的耐瘠性鉴定研究[J]. 山西农业科学，1997，25（3）：12-16.

[4]张桂香，王呈祥，高儒萍，等. 高粱主要性状与耐瘠性的相关分析[J]. 山西农业科学，1998，26（4）：24-26.

[5]郭迎伟，梁成弟. 大豆耐瘠性状的研究中国油料[J]. 中国油料作物学报，1995，17（1）：49-50.

[6]康万利，揭雨成，邢虎成. 10个苎麻种质资源耐瘠性鉴定评价[J]. 植物遗传资源学报，2012，13（6）：1023-1030.

[7]Rukundo P，Shimelis H，Laing M，et al. Combining ability，maternal effects，and heritability of drought tolerance，yield and yield components in sweetpotato[J]. [2017-09-01]. https：//doi.org/10.3389/fpls.2016.01981.

[8]Mukhopadhyay S K，Chattopadhyay A，Chakraborty I，et al. Crops that feed the world 5. Sweetpotato. Sweetpotatoes for income and food security[J]. Food Security，2011，3（3）：283-305.

[9]张海燕，王庆美，李爱贤，等. 抗旱耐瘠能源型甘薯高产栽培技术[J]. 山东农业科学，2007（6）：119-120.

[10]黄咏梅，卢森权，李彦青，等. 甘薯的开发利用及发展前景[J]. 南方农业学报，2008，39（5）：696-699.

[11]杜义英，李军虎，刘兰服，等. 专用甘薯高产栽培技术[J]. 农业科技通讯，2010（3）：131-132.

[12]张爱君，魏猛，唐忠厚，等. 基于黄潮土长期定位试验的作物产量演变特征分析[J]. 生态与农村环境学报，2014，30（3）：336-340.

[13]张允刚，房伯平. 甘薯种质资源描述规范和数据标准[M]. 北京：中国农业出版社，2006：72-75.

[14]唐忠厚，李洪民，李强，等. 基于近红外光谱技术预测甘薯块根淀粉与糖类物质含量[J]. 江苏农业学报，2013，29（6）：1260-1265.

[15]唐忠厚，李洪民，马代夫. 甘薯蛋白质含量近红外反射光谱分析模型应用研究[J]. 中国食品学报，2008，8（4）：169-173.

[16]段宁. 豌豆品种的耐瘠性研究[J]. 中国种业，2003（1）：32-33.

[17]張桂香，高儒萍，张秋萍. 灰色关联分析法研究高粱耐瘠性初探[J]. 中国种业，1998（3）：34-36.

[18]兰巨生，胡福顺，张景瑞. 作物抗旱指数的概念和统计方法[J]. 华北农学报，1990，5（2）：20-25.

[19]赵倩，刘兆晔，刘春蕾，等. 小麦新品种（系）的灰色关联度分析[J]. 中国农学通报，2007，23（9）：259-262.

[20]曹廷杰，李伟，闫素红，等. 河南小麦新品种（系）灰色关联度分析[J]. 安徽农业科学，2010，38（25）：13640-13642，13647.