于国红 刘朋程 李磊 李明哲 崔海英 郝洪波 郭安强

（河北省农林科学院旱作农业研究所 河北省农作物抗旱研究实验室，衡水 053500）

马铃薯（Solanum tuberosum L）是世界上第四大农作物，其产量大、营养价值高，我国马铃薯种植面积达500万hm2以上，马铃薯在我国农业生产和经济发展中占重要地位［1］。马铃薯对水分较为敏感［2］，而随着社会经济的发展，水资源日益短缺，马铃薯生长和生产受到干旱的严重制约。因此，马铃薯的抗旱性研究对实现马铃薯抗旱节水具有重要意义。目前，马铃薯抗旱性相关的研究主要是围绕抗旱机理和种植栽培技术等方面［3-5］。生理机制相关的渗透压、抗氧化、光合作用等是主要的研究方向，其中渗透调控机制是调节抗旱胁迫的主要机制［6］，而另一个重要机制则是抗氧化调控机制［7］。评价作物的抗旱性不仅需要选择合适的评价指标，还要适宜的评价方法。将多种方法和多种指标相结合，对作物抗旱性的综合评价是目前研究的热点。一些学者将隶属函数分析、相关分析、聚类分析、灰色关联度分析结合起来综合分析多个生理或生态指标，从而科学系统地确定不同种质资源的抗旱性［8-10］。本文利用20% PEG6000对不同基因型马铃薯进行干旱胁迫处理，探究干旱胁迫下不同基因型马铃薯中渗透调节物质和抗氧化酶活性的变化情况，结合隶属函数分析、相关分析、聚类分析、灰色关联度分析等手段综合分析多个抗旱相关生理指标，鉴定不同基因型马铃薯抗旱性，为马铃薯抗旱育种提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为不同基因型马铃薯品种，包括135、16、费 乌 瑞 它、SOLARA、TACNA、克 新23号、SOSNA、冀 张14号、F8、P、VITESSE、ZORA共12个品种。试验试剂分别为ddH2O和20% PEG6000。试验材料为10 cm的组培苗。试管苗繁殖采用茎切段法进行组培苗繁殖，将组培苗剪成 1.5 厘米左右带腋芽的茎段，插入pH为5.8的 MS固体培养基上，在光照3 000 Lx，16 h光照，温度25℃；8 h黑暗，温度20℃的组培间内培养备用。待其生长20 d左右，长至高度为10 cm时，进行不同处理试验。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2020年在河北省农科院旱作所组培室内进行，采用双因素随机区组设计，因素一为不同基因型马铃薯品种；因素二为不同处理，以ddH2O为对照组，以20% PEG6000为处理组。待组培苗平均高度10 cm时，往含有固体培养基的培养瓶中加入50 mL ddH2O或50 mL 20% PEG6000进行胁迫处理，每个处理6个重复（瓶），每个重复5个平行（棵）。待抗旱表型出现差异时对整株马铃薯组培苗进行取样，液氮中速冻后储存于-80℃冰箱里，备用于测定叶绿素、可溶性糖、丙二醛、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶6个生理指标。生理指标测定方法参见高俊凤等编著的《植物生理学实验指导》［11］。同时，对该12个马铃薯品种进行大田干旱对比试验，正常处理浇水量为1 800 m3/hm2，干旱胁迫浇水量为600 m3/hm2，每个处理3个重复，每个重复试验小区为32 m2，测产取样面积为14 m2，折合产量按公斤/公顷（kg/hm2）来计算。

1.2.2 数据分析 按照以下公式计算抗旱系数、综合抗旱系数、抗旱指数、隶属函数值、抗旱性量度值，对抗旱性量度值进行聚类分析，划分抗旱级别。分析中涉及的计算公式如下［12-13］：

式中，Xs 和 Xc 分别为干旱胁迫和对照下各材料各指标的测定值，为该指标在干旱胁迫下的平均值。PIimin、PIimax为各性状抗旱系数的最小值和最大值；ri为各性状与综合抗旱指数的相关系数。采用 Excel 2010 和 DPS 7.05 软件进行作图、关联度分析以及聚类分析等。

2 结果

2.1 干旱胁迫对马铃薯叶绿素含量的影响

由图1可知，品种135和P中叶绿素含量在2种处理间变化均未通过显著性检验（α=0.05），其它品种在20% PEG6000胁迫下的叶绿素含量均显著降低。20% PEG6000胁迫下，品种16、费乌瑞它、SOLARA、TACNA、克新23号、SOSNA、冀张14号、F8、VITESSE和ZORA中叶绿素含量与正常处理条件下相比，分别降低21.05%、36.57%、17.71%、15.97%、7.69%、48.58%、26.33%、31.47%、38.14%、21.45%。

图1 干旱胁迫对不同基因型马铃薯中叶绿素含量的影响Fig.1 Effect on the chlorophyll content in potato with different genotypes under drought stress

2.2 干旱胁迫对马铃薯渗透调节物质的影响

由图2-A可知，与正常处理相比，干旱胁迫下各品种中可溶性糖含量呈现不同程度的升高趋势，升高幅度在品种间具有显著性差异。其中，品种135、16、SOLARA、TACNA、克 新23号、SOSNA和F8较费乌瑞它分别提高68.89%、12.91%、 218.66%、101.39%、126.84%、55.97% 和12.52%。而 冀张14号、P、VITESSE和ZORA较费乌瑞它分别降低30.47%、55.11%、44.74%和42.47%。

由图2-B可知，品种冀张14号、VITESSE和ZORA丙二醛含量在2种处理间的变化均未通过显著性检验（α=0.05），而其它品种在20% PEG6000胁迫下均显著升高。其中，品种135、16、TACNA、F8和P较费乌瑞它分别提高63.26%、81.39%、17.69%、64.12%和102.75%。而SOLARA、克新23号、SOSNA、冀张14号、VITESSE和ZORA较费乌瑞它分别降低8.71%、4.12%、2.82%、53.59%、46.67%和40.44%。

图2 干旱胁迫对不同基因型马铃薯中渗透调节物质的影响Fig. 2 Effect on the osmotic adjustment substances in potato with different genotypes under drought stress

2.3 干旱胁迫对马铃薯抗氧化酶活性的影响

由图3-A可知，与正常处理相比，干旱胁迫下，各品种中SOD酶活性由左到右依次升高30.36%、19.14%、10.17%、22.18%、44.15%、34.25%、19.75%、7.32%、13.30%、14.87%、38.54%和33.96%。但是，冀张14号在两个处理之间的变化未通过α=0.05的显著性检验。

图3-B、C显示，与正常处理相比，干旱胁迫下，各品种中POD和CAT酶活性均显著升高。品种16、SOLARA、TACNA、F8、VITESSE中POD酶活性较费乌瑞它分别提高101.79%、35.19%、9.65%、40.84%和22.98%，而135、克 新23号、SOSNA、冀张14号、P、ZORA中POD酶活性较费乌瑞它分别 降 低18.8%、24.02%、44.03%、19.93%、0.92%和18.36%。

图3 干旱胁迫对不同基因型马铃薯中抗氧化酶活性的影响Fig. 3 Effect on the antioxidant enzyme activity in potato with different genotypes under drought stress

2.4 单项指标的抗旱性评价

根据公式计算出每个材料中各个指标的单项抗旱系数和综合抗旱系数，结果见表1，根据综合抗旱系数马铃薯的抗旱性由强到弱依次为SOLARA＞135＞克新23号＞F8＞TACNA＞费乌瑞它＞16＞VITESSE＞ZORA＞P＞SOSNA＞冀张14号。参照连续变数的次数分布统计方法［14］，将各性状的抗旱系数以组距为 0.5 分成 9 个组区间，制作成次数分布表，结果见表2。结果显示，在同一组区间各性状的抗旱系数分布次数相差较大，同一种质不同指标的抗旱系数并不完全一致。因此，用单一生理指标的抗旱系数来评价马铃薯抗旱性不准确，用多个生理指标进行综合评价才合理。

表1 不同基因型马铃薯的抗旱系数Table 1 Drought-resistant coefficients in potato with different genotypes

表2 不同基因型马铃薯各性状指标的抗旱系数在不同区间的分布Table 2 Distribution of drought-resistant coefficient of different trait index in potato with different genotypes in different regions

2.5 综合抗旱性评价

利用相关分析计算各性状与综合抗旱指数（抗旱指数的平均值）的相关系数，利用公式（4）计算出各个材料的隶属函数值。再根据公式（5）计算抗旱性量度值 D，然后根据 D 值大小对供试种质进行抗旱性排序，D 值越大表示抗旱性越强，最后对 D 值进行聚类分析，划分抗旱级别，结果见表3。由图4可知，将马铃薯品种抗旱性分为3类，第1类为抗旱性强的品种，包括135、SOLARA、TACNA、克新23号；第2类为抗旱性中等的品种，包括16、费乌瑞它、F8、P、VITESSE和ZORA；第3类为抗旱性差的品种，包括SOSNA和冀张14号。

图4 聚类图Fig. 4 Cluster diagram

表3 不同基因型马铃薯的抗旱性排序Table 3 Ranking of drought resistance in potato with different genotypes

2.6 关联度分析

按灰色系统理论要求，将12个不同基因型马铃薯品种的综合抗旱指数和干旱胁迫下的 6个指标视为一个整体，即灰色系统。将综合抗旱指数作为参考数列（母序列），各指标原始数据标准化处理后的值为比较数列（子序列），建立灰色系统，计算各指标与其综合抗旱指数的关联度，结果见表4。在干旱胁迫条件下，6个指标与综合抗旱指数的密切程度（关联序）从大到小依次为：叶绿素、CAT活性、丙二醛、SOD 活性、可溶性糖和POD 活性。

表4 马铃薯中各指标与综合抗旱指数关联度及关联序Table 4 Correlation degree and correlation order of indexes and comprehensive drought-resistant index in potato

2.7 产量数据分析

对不同条件下不同基因型马铃薯品种的块茎农艺性状和产量进行调查与测定，结果（表5）显示，干旱处理与否不影响块茎颜色等特性，但是不同品种马铃薯干旱处理条件下与正常处理条件下产量较结果显示，马铃薯品种冀张14号、克新23号、费乌瑞它、135、16、SOSNA、SOLARA、TACNA、F8、P、VITESSE、ZORA减产率分别为62%、45%、52%、39%、46%、61%、48%、45%、55%、53%、55%和55%。

表5 不同条件下不同基因型马铃薯产量相关性状调查表Table 5 The questionnaire of yield related traits in potato with different genotypes under different conditions

3 讨论

干旱胁迫下，作物的生理变化是其抗旱性的间接微观表现，渗透调节物质的含量能反映作物对干旱胁迫的响应［15］。Norouzi等［16］和张金凤等［17］研究发现，可溶性糖和丙二醛的含量可作为油菜和马尾松渗透调节能力的指标。干旱胁迫会导致作物体内抗氧化酶活性升高，从而减少体内过氧化物对作物带来的损伤［18-19］。但是作物抗旱机制比较复杂，仅用单一生理指标衡量其抗旱性有失偏颇［20］，因此，本研究通过分析干旱胁迫下马铃薯体内多个生理指标的应答情况来对马铃薯抗旱性进行合理的评价。结果显示，与正常处理相比，干旱胁迫下，除品种135和P外，其它品种中叶绿素含量均显著降低，降低幅度较大的为SOSNA、VITESSE和费乌瑞它，降低幅度较小的为克新23号。干旱胁迫下各品种中可溶性糖含量均显著性地升高，除冀张14号、VITESSE和ZORA外，其它品种中丙二醛含量也都显著升高。可溶性糖和丙二醛含量升高幅度较大的品种分别为SOLARA、克新23号、TACNA、135、SOSNA和135、16、TACNA、F8、P。与正常处理相比，干旱胁迫促使SOD、POD、CAT酶活性得以提高，这与李玉华等［21］的研究结果一致。

近年来，干旱给农业生产带来严峻挑战，为了提高筛选抗旱性作物资源、探究作物抗旱生理应答机制，一些学者们在谷子、大麦等作物上采用相关分析、隶属函数分析、聚类分析、灰色关联度分析等相结合的方法对作物的抗旱性进行综合评价［22-23］。本研究结果显示，同一马铃薯种质的不同指标抗旱系数有所差异，说明采用单一生理指标的抗旱系数不能准确评价马铃薯抗旱性，这与罗俊杰等［24］的研究结果一致。

通过进一步结合单项指标抗旱系数、隶属函数分析、聚类分析、灰色关联度分析与产量结果分析对马铃薯种质资源的抗旱性进行综合分析，得出不同基因型马铃薯抗旱性强弱依次为135、SOLARA、克新23号、TACNA、F8、16、P、ZORA、费乌瑞它、VITESSE、SOSNA和冀张14号。马铃薯品种135、克新23号、TACNA、16、SOLARA、费乌瑞它、P、F8、ZORA、VITESSE、SOSNA和冀张14号的减产率由低到高分别为39%、45%、45%、46%、48%、52%、53%、55%、55%、55%、61%和62%。干旱胁迫下，马铃薯品种冀张14号、SOSNA、VITESSE、ZORA、F8、 P、费乌瑞它、SOLARA、克新23号、TACNA、135和16的产量与其抗旱水平均呈正相关。

4 结论

抗旱性强的马铃薯品种为135、SOLARA、TACNA、克新23号，抗旱性中等的马铃薯品种为16、费乌瑞它、F8、P、VITESSE、ZORA，抗旱性差的马铃薯品种为SOSNA、冀张14号。