李王胜，王雪倩，尹希龙，石 杨，兴 旺

（1国家甜菜种质中期库，黑龙江大学，哈尔滨 150080；2黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室/现代农业与生态环境学院，黑龙江大学，哈尔滨 150080）

0 引言

甜菜是藜科，甜菜属二年生草本植物，是全球主要的糖料作物之一[1]。甜菜生长中后期抗旱性强但苗期抗旱性弱[2]，中国甜菜主要产地为新疆、黑龙江和内蒙古等降水量少的地区，因此，在干旱胁迫条件下对甜菜种质资源苗期进行抗旱性研究，有助于促进甜菜种质资源更好地适应干旱环境提高其生物量产量。

自然环境对农业生产造成了许多限制条件，尤其是水分胁迫这个全球性问题[3]，大多数地区降水不足，灌溉条件差，不能满足作物正常需水，水分胁迫会降低作物产量、生物量积累和生长质量[4]，缺水的条件下可能会引起甜菜叶片和根系的一系列形态变化加速叶部衰老[5-6]。RAHIM等[7]对甜菜研究后发现干旱胁迫后甜菜的根干重和地上部干重降幅较大；BROWN等[6]研究结果表明干旱胁迫降低了甜菜须根数和地上部的生长速率并且叶部聚拢；谢小玉等[8]发现油菜叶片相对含水量对干旱胁迫敏感并在10份种质中筛选出3份抗旱资源；汪灿等[9]在50份薏苡种质中筛选出3份抗旱性强薏苡种质并认为幼苗存活率、株高、叶宽、根长和根鲜重可作为评价薏苡种质资源苗期抗旱性的指标性状。

中国甜菜主产区降水量较少，干旱成为限制甜菜生产的主要非生物胁迫因素[10]。苗期鉴定种质资源抗旱性具有快速、方便的特点，目前，关于甜菜种质资源苗期抗旱性鉴定及指标筛选的报道较少。本研究采用PEG-6000对24份甜菜种质资源苗期进行模拟干旱胁迫，并利用综合评价法对地上部指标：茎粗、株高、叶鲜重、叶干重、叶饱和鲜重、叶片相对含水量；地下部指标：根长、根鲜重、根干重、根冠比等指标进行评价筛选出不同耐旱性的甜菜种质资源和适合评价甜菜苗期抗旱性的快速鉴定指标。

1 材料与方法

1.1 试验材料

24份试验材料由国家甜菜种质中期库提供，分别来自：荷兰、美国、俄罗斯、日本、意大利和中国（表1）。

表1 供试种质资源及来源

1.2 试验处理

本试验于2021年4—6月在黑龙江大学国家甜菜种质中期库人工气候室内进行，每份种质资源挑选50粒饱满一致的种子，用纱布包裹在75%酒精中浸泡1 min后冲洗干净，再用2‰福美双溶液浸泡12 h，次日用流水冲洗后将种子播于蛭石中。

播种后每天喷洒少量水分，第一对子叶完全展开时，每份甜菜种质资源取12株长势一致的幼苗移栽于24孔装有霍格兰溶液的培养盆中，每盆两份甜菜种质资源，每7天换一次营养液，第2次换营养液时每份甜菜种质资源取6株进行正常培养（CK组），其余6株置于6% PEG-6000霍格兰溶液中培养（DS组），7天后进行取样。

1.3 测定项目与方法

地上部指标：根茎分界处直径即为茎粗；量取植株顶端到根茎分界处即为株高；将叶片沿叶柄顶端剪下称重即为叶鲜重；将叶片放入烘箱中110℃杀青30 min后80℃烘至恒重即为叶干重；将叶片在蒸馏水中浸泡4 h后称重即为叶片饱和鲜重；参考李阳阳[11]的方法对叶片相对含水量进行测定。

地下部指标：根茎分界处到根末端的长度为根长；沿根茎分界处剪断称取根部重量为根鲜重；将根部与叶部一起烘干后测量根干重；根鲜重/叶鲜重=根冠比。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2010和SPSS 26.0对数据进行处理与分析，参考兰巨生[12]、罗俊杰[13]等方法计算各指标的抗旱系数(Drought resistance coefficient，DC)和抗旱性度量值(Drought resistance measurement，D)。

式中，DSi、CKi分别为各指标干旱处理和对照处理下测定的平均值；xi为各指标干旱系数，xmin为各指标干旱系数最小值，xmax为各指标干旱系数最大值；aij表示各单一指标所对应的特征向量，Xij表示各种质指标经过标准化处理的值；Pj为各种质资源第j个综合指标的贡献率。

2 结果与分析

2.1 供试种质资源各指标差异分析

表2为不同甜菜种质资源各指标差异分析结果。干旱胁迫后茎粗、株高、根长、叶鲜重、根鲜重、根干重、叶干重、叶饱和鲜重和叶片相对含水量均显著降低，根长降幅最低下降幅度为12.32%，叶鲜重降幅最高下降幅度为72.33%；干旱胁迫后根冠比增幅达到162.87%。测定的10项指标在干旱胁迫后均发生了不同的显著变化，说明所测定指标可反映不同甜菜种质资源苗期抗旱情况。

表2 CK组和DS组的各指标差异分析

10项指标在正常供水条件下变异系数范围在0.037～0.625之间，说明所选甜菜种质资源类型丰富具有良好的代表性；干旱胁迫条件下变异系数范围在0.165～0.723之间，说明不同甜菜种质资源对干旱胁迫反应的敏感性差异较大。

2.2 供试种质资源抗旱系数分析

由图1可以看出24份甜菜种质抗旱系数之间存在差异且同一种质资源各指标之间的抗旱系数不同。24份甜菜种质资源根冠比抗旱系数在0.822～5.806之间，大部分种质资源根冠比抗旱系数远高于其他指标。1号、4号、5号、6号、7号、12号、13号、18号、19号、20号、22号、24号等甜菜种质资源除根冠比外，其他指标抗旱系数均小于1，说明这些甜菜种质资源的抗旱性较弱，其中由各指标抗旱系数可知19号、20号、24号甜菜种质资源对干旱反应最为敏感；3号、10号、16号甜菜种质资源一半以上指标的抗旱系数都大于1，说明这3份甜菜种质资源抗旱性较强，其中10号种甜菜质资源抗旱性最强。但是直接采用各指标抗旱系数对甜菜种质资源进行抗旱性进行评价很难客观准确地说明鉴定结果，因此还要进行多指标综合评价才更加可靠。

图1 抗旱系数箱图

续表2

2.3 主成分分析

前两个综合指标因子1和因子2的贡献率分别为69.62%和11.88%，累计贡献率为81.5%＞80%，特征根为λ=1.19＞1，因此可以用前两个综合指标代替10个单项指标，可作为数据分析的重要依据。在因子1中茎粗、叶鲜重、根鲜重、根干重、叶干重、叶饱和鲜重等指标的因子系数绝对值较大，说明该综合指标主要代表重量指标；在因子2中株高、根长、根冠比、叶片相对含水量等指标的因子系数绝对值较大，说明该综合指标主要代表长度和比值指标（表3）。

表3 不同指标抗旱系数主成分分析

2.4 24份甜菜种质资源抗旱性综合评价

利用公式(2)计算出各指标抗旱系数的隶属函数值，之后再根据公式(3)计算出各综合指标值，最后根据公式(5)计算抗旱性度量值D。由图2可知D值介于0.131～2.34之间，其中10号甜菜种质资源抗旱性度量值D值最大为2.34，说明在24份甜菜种质中10号种质综合抗旱性最强；19号甜菜种质资源抗旱性度量值D值最小为0.131，说明在24份甜菜种质资源中19号种质综合抗旱性最弱。

图2 24份甜菜种质资源D值分布

如图3所示，利用系统聚类法将24份甜菜种质进行聚类分析，当距离为7时将抗旱性分为四类其中第一类为抗旱性强种质10号（图4a）有一份，第二类为抗旱性较强种质3、9、16共三份，第三类为中等抗旱型种质共7份，第四类为抗旱性弱种质共13份，其中19号（图4c）、24号（图4b）种质为干旱高度敏感型种质。

图3 聚类分析

图4 不同抗旱性甜菜种质对比

2.5 甜菜种质资源苗期抗旱指标筛选

将D值作为因变量，把各单项指标的抗旱系数作为自变量，建立逐步回归线性模型，得到甜菜种质资源抗旱性评价的最优回归方程：D值=-0.269+0.181*X1+0.108*X2+0.247*X3-0.024*X4+0.234*X5+0.340*X6+0.177*X7+0.111*X8+0.111*X9+0.170*X10(R2=0.9999)。式中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10分别为叶干重、根鲜重、株高、根冠比、茎粗、根长、叶鲜重、叶片相对含水量、根干重、叶饱和鲜重。抗旱性综合评价值D与24个甜菜种质资源的抗旱预测值(Y)极显著相关(R2=0.9999)，说明所测定的10个指标均可有效鉴定甜菜种质资源苗期抗旱性。

3 讨论

3.1 甜菜种质资源苗期抗旱性评价方法

在对作物的抗旱性进行评价时不仅要选择合适的评价指标，更重要的是选择合适的评价方法，大多数研究会采用等权重的评价方法，但是却忽略了不同指标的重要性，本研究参照近年来在陆地棉[14]、油菜[15]、野生老芒麦[16]的干旱研究方法，采用多指标综合分析进行甜菜苗期抗旱性评价，主要是利用D值与各单项指标抗旱系数相结合的方法，进行抗旱系数分析[17]、隶属函数分析[18]、主成分分析[19]、聚类分析[20]和逐步回归分析[21]等对甜菜苗期抗旱性进行综合评价，以此来消除各项指标之间本身存在的大小差异，主成分分析将甜菜种质中多个单一指标转化为新的相互独立的综合指标，又结合了主成分的因子权重来确定不同指标在干旱胁迫下的重要程度。根据D值对24份甜菜种质划分抗旱级别比直接根据D值大小选择种质择抗旱性强弱更加科学，D值为无量纲常数[22]所以能够代表各甜菜种质之间的抗旱差异性。最后通过回归分析筛选出与D值较为显著的指标作为快速、有效地预测甜菜苗期抗旱能力最优回归方程。

3.2 甜菜种质资源苗期抗旱性鉴定

植物在干旱条件下的反应是一个复杂的生理过程，采用综合指标鉴定评价的结果更具有真实性[23]。周元成等[24]将15份参试大麦品种依据隶属函数综合D值划分为4个抗旱级别，王兴珍等[25]依据D值进行系统聚类分析的组间连接和平方欧式距离法将55份油葵种质资源划分了3个抗旱级别。本研究依据D值进行聚类分析，将24份甜菜种质资源分为四类，鉴定出耐旱性强种质为ZT000516，耐旱性较强的种质为ZT000078、ZT000547、ZT000247，耐旱性中等的种质有7份，耐旱性弱的种质有13份其中抗旱性敏感的种质为ZT001698、ZT001398。因此，本研究筛选出的抗旱性强种质ZT000516可为甜菜抗旱反应机制和育种的研究提供基础材料，干旱敏感种质ZT001698、ZT001398可作为极端材料在甜菜抗旱机理中加以应用。

3.3 甜菜种质资源苗期抗旱指标筛选

在对植物的抗旱性进行评价时，选择合适的评价指标是准确评价的关键因素[26]。目前对植物抗旱性评价主要从表型指标、生理生化指标、产量性状等方面进行[27]，谢小玉等[8]研究认为叶片相对含水量、丙二醛含量、叶面积可以作为抗旱鉴定的优先指标；马宇[28]通过研究认为根冠比、根长、根表面积等指标在苗期干旱胁迫中更具有代表性。安玉艳[29]发现，唐利华等[30]研究结果表明甜菜叶片和根系的含水量呈下降趋势，与本研究结果一致。本研究采用PEG-6000模拟干旱胁迫对24份甜菜种质资源进行苗期抗旱性鉴定，对叶干重、根鲜重、株高、根冠比、茎粗、根长、叶鲜重、叶片相对含水量、根干重、叶饱和鲜重等10个指标进行了测定，最终通过建立耐旱性最优回归方程得出的结果表明，以上10个指标中叶干重(P=0.0001)和叶饱和鲜重(P=0.0001)与D值呈极显著相关(R2=0.9999)，综合分析鉴定得到的最优回归方程：D值=-0.0001+1.0008*X1+0.9989*X2用来评价甜菜苗期抗旱性是比较合理、可靠的。

4 结论

本研究中干旱胁迫对各指标均有显著影响，本研究对24份甜菜种质进行干旱和对照处理，利用隶属函数法、主成分分析、聚类分析等方法结合筛选出耐旱性强甜菜种质资源ZT000516、干旱敏感型甜菜种质资源ZT001698、ZT001398，可作为下一步深入研究的主要种质资源。通过D值与各指标建立的逐步回归分析发现叶干重和叶饱和鲜重等可作为甜菜苗期抗旱性评价的优先鉴定指标。