桂糖03系列新品種系抗旱性綜合分析

劉璐　蔣洪濤　張革民　王澤平

摘 要 探討甘蔗主要抗旱性指標(biāo)變化，以期為選育優(yōu)良甘蔗品種（系）提供科學(xué)依據(jù)。在2015/2016榨季，于桶栽條件下對(duì)廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所選育的15個(gè)桂糖優(yōu)良新品系和廣西主栽品種ROC22號(hào)進(jìn)行水分脅迫，檢測(cè)甘蔗葉片葉綠素（Chlorophyll，Chl）、赤霉素（Gibberellin，GA）、過(guò)氧化氫酶（Catalase，CAT）、可溶性蛋白（Soluble protein，SP）、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）、相對(duì)質(zhì)膜透性（Relative permeability of plasma membrane，RPPM）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）以及過(guò)氧化物酶（Peroxidase，POD）共8個(gè)抗旱性相關(guān)生理指標(biāo)在正常供水及水分脅迫下的變化。結(jié)果顯示：水分脅迫下，Chl、GA和CAT含量有不同程度地降低，而SP含量、MDA含量、RPPM、SOD和POD有不同程度地升高，變化幅度因基因型而異；Chl含量與RPPM、MDA含量呈負(fù)相關(guān)，而與SP含量、GA及CAT呈極顯著正相關(guān)，與SOD及POD呈顯著正相關(guān)，RPPM、MDA含量與SOD、POD及GA呈負(fù)相關(guān)，GA和CAT呈極顯著正相關(guān)；通過(guò)主成分分析選出了4個(gè)主成分，方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.17%；在聚類(lèi)分析基礎(chǔ)上用判別分析選出Chl含量、SP含量、SOD、POD、RPPM及MDA含量等6個(gè)對(duì)品種抗旱性分類(lèi)有顯著影響的生理指標(biāo)，并把16個(gè)不同基因型品種抗旱性劃分為高抗、中抗、不抗3種類(lèi)型。利用主成分分析法、聚類(lèi)分析法和判別分析法與生產(chǎn)表現(xiàn)結(jié)合在一起來(lái)評(píng)價(jià)甘蔗品種（系）抗性更客觀和準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞 甘蔗；抗旱性；主成分分析法；聚類(lèi)分析法

中圖分類(lèi)號(hào) S556.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract The drought resistance identification parameters in sugarcane was investigated to afford a scientific basis for sugarcane breeding. An indoor-experiment was conducted with fifteen self-bred clones（offered by Guangxi Sugarcane Research Institute， GXSCRI）and one major commercial sugarcane varieties（ROC22）in Guangxi to study the change rules of chlorophyll（Chl）， gibberellin（GA）， catalase（CAT）， soluble protein（SP）， malondialdehyde （MDA）， relative permeability of plasma membrane（RPPM）， superoxide dismutase（SOD）， and peroxidase（POD）under sufficient water and water stress in the 2015-2016 cropping season. The results indicated that the content of Chl， GA and CAT had reduced， and the content of SP， MDA and the activity of SOD， POD and RPPM increased under water stress to different extent. The relationship between Chl and RPPM，MDA was negatively correlated， between Chl and SP， GA， and CAT was significantly positively correlated， among Chl and SOD， POD was significantly positively correlated. The relationship among RPPM， MDA content and SOD， POD and GA was negatively correlated. The relationship between GA and CAT was significantly positively correlated. Four principal components were screened and the cumulative variance contribution rate was 86.17% with principle component analysis（PCA）， Chl， SP， SOD， POD， RPPM and MDA were chosen for physiological indices based on the clustering analysis with discriminant function analysis， and the 16 different sugarcane varieties（clones）were divided into three types of drought resistance by this way. The way based on the comprehensive analysis method combined with the performance of production to evaluate the drought-resistance of sugarcane varieties would be more objective and accurate.

Key words Sugarcane； drought-resistance； principle component analysis； cluster analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.07.014

蔗糖業(yè)已成為廣西最具優(yōu)勢(shì)的支柱產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)能占全國(guó)60%以上[1]。廣西是干旱多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、農(nóng)業(yè)和防旱抗旱能力非常脆弱[2]，干旱已成為制約蔗糖生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重影響糖業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。為此，深入開(kāi)展甘蔗抗旱評(píng)價(jià)體系研究，加快優(yōu)良甘蔗抗旱種質(zhì)資源選育，是保證蔗糖產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。

甘蔗成熟品種[3-6]、常用親本[7]、雜交組合后代[8]以及斑茅[9]等種質(zhì)資源抗旱性評(píng)價(jià)一直被視為產(chǎn)業(yè)研究熱點(diǎn)，Chl、MDA、RPPM、PRO、CAT、POD及葉片水分飽和虧等指標(biāo)也已被認(rèn)定為對(duì)甘蔗抗旱性有顯著影響[10-12]。甘蔗抗旱性可分為高抗、中抗、不抗3種類(lèi)型，不同時(shí)期甘蔗品種抗旱能力存在差異[13]，且不同甘蔗品種抗旱能力與葉片氣孔特性和含水量密切相關(guān)[14]，因此水分利用效率和光合作用能力是鑒定耐旱品種的一種有效方式。前人采用多指標(biāo)體系，從形態(tài)特征、生理生化等方面利用模糊隸屬函數(shù)法[15]、主成分分析法[16]、相關(guān)分析[17]以及聚類(lèi)分析[18]等數(shù)量分析方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，表明利用因子來(lái)分析甘蔗光合性狀指標(biāo)是可行的，在進(jìn)行宿根甘蔗抗旱性綜合評(píng)價(jià)時(shí)，也可避免單一指標(biāo)的片面性和不穩(wěn)定性，適用多品種之間的比較。

03材料屬于本育種單位的一批典型材料，在品種選育和親本利用方面表現(xiàn)出高產(chǎn)高糖及抗逆性強(qiáng)等諸多優(yōu)良特性，已成功選育出4個(gè)優(yōu)良品種，即桂糖36號(hào)（桂糖03-1403）、桂糖37號(hào)（桂糖03-2357）、桂糖41號(hào)（桂糖03-2309）以及桂糖50號(hào)（桂糖03-3089）。這批新品種的成功選育為全區(qū)乃至全國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)，但若將沒(méi)有成為新品種的優(yōu)良新品系廢棄不用，這將會(huì)造成甘蔗創(chuàng)新種質(zhì)資源的很大浪費(fèi)。為此，在前人研究基礎(chǔ)上，本研究以03品種（系）為試驗(yàn)材料和主要抗旱性生理指標(biāo)為檢測(cè)對(duì)象，利用主成分分析法、聚類(lèi)分析法和判別分析法進(jìn)行逐步分析，然后結(jié)合其近10 a田間表現(xiàn)進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，以期為進(jìn)一步開(kāi)展抗旱種質(zhì)資源篩選和更新親本信息數(shù)據(jù)庫(kù)提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為廣西甘蔗研究所03系列優(yōu)良新品種（系）及對(duì)照品種ROC22（表1）。

1.2 方法

1.2.1 材料管理 采用桶栽土培：塑料桶桶高51 cm，口徑35 cm，桶底鉆3個(gè)小洞。土壤打碎后摻入復(fù)合肥50 kg，有機(jī)肥100 kg，裝土1/3高度。將蔗種砍成單芽段，于2015年4月12日種植，下種前用70%多菌靈溶液浸種消毒5 min，每桶4段單芽，每個(gè)材料種植8桶（處理、對(duì)照各4桶），3個(gè)重復(fù)，共384桶。擺種后蓋土5～8 cm，淋足水后蓋膜，之后正常供水及除草管理，待到80%的甘蔗有5片完全葉時(shí)（2015年5月3日）停止供水，至葉片出現(xiàn)暫時(shí)性萎蔫時(shí)（2015年5月10日）進(jìn)行采樣測(cè)試相關(guān)指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定 田間農(nóng)藝性狀指標(biāo)（表1）由近10 a甘蔗品種區(qū)域比較試驗(yàn)綜合測(cè)評(píng)所得；細(xì)胞膜保護(hù)酶液的提取參照張木清法[19]進(jìn)行；丙二醛含量測(cè)定參照Heath法[20]；谷胱甘肽還原酶活性參照Kno··rzer法[21]；蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照Bradford法[22]；質(zhì)膜通透性測(cè)定參照譚常法[23]；過(guò)氧化物歧化酶活性測(cè)定參照Giannoplitis法[24]；過(guò)氧化物酶活性參照劉祖祺方法[25]；過(guò)氧化氫酶活性參照馮國(guó)基法[26]；葉綠素含量測(cè)定采用蘇正淑法[27]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS22.0軟件進(jìn)行t檢驗(yàn)、逐步判別以及主成分分析過(guò)程；采用DPS做聚類(lèi)分析（原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理，使得各指標(biāo)的數(shù)據(jù)處于相同的數(shù)量級(jí)，選用離差平方和法分類(lèi)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甘蔗品種（系）對(duì)水分脅迫的生理響應(yīng)

水分脅迫下不同甘蔗品種（系）的生理生化指標(biāo)差異見(jiàn)表2。從表2可看出，脅迫處理下各品種間葉片Chl含量差異顯著，各處理下Chl含量都要比相應(yīng)對(duì)照低，其中桂糖03-1018受到脅迫處理影響更顯著，桂糖03-3005降幅最??；脅迫條件下各品種間葉片SP、CAT含量差異不顯著，且均比相應(yīng)對(duì)照高；脅迫條件下各品種間RPPM、MDA、SOD、POD含量差異顯著，且均比相應(yīng)對(duì)照高；脅迫處理下各品種間葉片GA含量差異顯著，其含量均比相應(yīng)對(duì)照低。結(jié)果表明，水分脅迫下甘蔗葉片的SP、RPPM、MDA、SOD和POD活性有不同程度的提高，而Chl、GA和CAT均有不同程度的降低，變化幅度因甘蔗基因型不同而表現(xiàn)不同。

2.2 相關(guān)性分析

各生理指標(biāo)相關(guān)性分析如表3所示，水分脅迫下，Chl與RPPM、MDA負(fù)相關(guān)，與 SOD及POD顯著正相關(guān)，與SP、GA及CAT極顯著正相關(guān)；SP與PPM、MDA負(fù)相關(guān)，與POD正相關(guān)，與SOD顯著正相關(guān)，與GA和CAT極顯著正相關(guān)；RPPM與SOD、POD、GA、CAT負(fù)相關(guān)，與MDA正相關(guān)；MDA與SOD、GA負(fù)相關(guān)，與POD顯著負(fù)相關(guān)，與CAT正相關(guān)；SOD與POD、GA正相關(guān)，與CAT顯著正相關(guān)；POD與CAT正相關(guān)，與GA顯著正相關(guān)；GA與CAT極顯著正相關(guān)。由此可見(jiàn)，各生理指標(biāo)間在甘蔗抗旱響應(yīng)機(jī)制方面存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。

2.3 因子分析

利用抗旱性生理生化指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行因子分析，得到各因子的特征根、方差貢獻(xiàn)率及累積方差貢獻(xiàn)率（表4）。結(jié)果表明，前4個(gè)主成分（Y1、Y2、Y3、Y4）的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.17%，說(shuō)明4個(gè)主因子所包含的要素信息量可以反映出8個(gè)抗旱性指標(biāo)原始特征參數(shù)的大部分信息。從第1主成分（Y1）看，SP（0.876）、Chl（0.837）、CAT（0.817）和MDA（0.774）對(duì)Y1有較強(qiáng)的正向負(fù)荷，表明在水分脅迫下，甘蔗葉片細(xì)胞質(zhì)膜受到破壞，細(xì)胞電解質(zhì)外滲量增加，葉綠素的含量降低，過(guò)氧化氫酶活性有所降低（盡管品種間差異不顯著），光合作用能力降低是第一主成分的主導(dǎo)因子；從主成分（Y2）來(lái)看，POD（-0.854）對(duì)Y2有較強(qiáng)的逆向負(fù)荷，GA（0.853）有較強(qiáng)的正向負(fù)荷，表明甘蔗在水分虧缺下，蔗葉中GA酶受到破壞，POD酶活性增加清除體內(nèi)的活性氧及自由基，酶活性的增加是第二主成分的主導(dǎo)因子；從主成分（Y3）來(lái)看，MDA對(duì)Y3有較強(qiáng)的逆向負(fù)荷，RPPM（0.929）對(duì)Y3有較強(qiáng)的正向負(fù)荷，表明蔗葉受到外界水分脅迫，膜脂過(guò)氧化作用加劇，細(xì)胞質(zhì)膜透性增大，細(xì)胞質(zhì)膜受到破壞，細(xì)胞電解質(zhì)外滲量增加是第三主成分的主導(dǎo)因子；從主成分（Y4）來(lái)看，SOD（0.933）對(duì)Y4有較強(qiáng)的正向負(fù)荷，表明甘蔗在水分脅迫下，大量的活性氧在細(xì)胞內(nèi)聚集會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致生物大分子損傷以及膜質(zhì)發(fā)生氧化，而活性氧在SOD作用下得以清除，SOD清除活性氧能力增加是第四主成分的主導(dǎo)因子。

2.4 聚類(lèi)分析及判別分析

利用8個(gè)抗旱性生理生化指標(biāo)對(duì)16個(gè)不同基因型甘蔗的聚類(lèi)分析結(jié)果（圖1）表明，16個(gè)品種抗旱性可分為3種類(lèi)型，即高抗品種、中抗品種和低抗品種。利用聚類(lèi)分析結(jié)果進(jìn)行判別分析，選出了對(duì)品種抗旱性歸類(lèi)有顯著影響的6個(gè)指標(biāo)作為判別式的變量，這6個(gè)指標(biāo)是Chl含量（X1）、SP含量（X2）、SOD（X3）、POD（X4）、RPPM（X5）及MDA含量（X6）。得到如下判別函數(shù)：

Y1（X）=-7.519X1+2.755X2+3.630X3-1.711X4+0.922X5-3.111X6-182.929

Y2（X）=-8.560X1+1.319X2+4.028X3-2.634X4+1.035X5+3.871X6-205.286

Y3（X）=-11.749X1-0.237X2+5.719X3-6.583X4+1.530X5+5.505X6-352.847

根據(jù)判別函數(shù)，對(duì)原分類(lèi)重新判別歸類(lèi)，判別歸類(lèi)后有3個(gè)品種（系）被誤判，桂糖03-3005判別分類(lèi)由原先的高抗品種被判為中抗品種，桂糖03-2287、桂糖03-1403中抗品種被誤判為低抗品種，誤判率為6.2%。可認(rèn)為本研究方法建立的3個(gè)判別函數(shù)的判別能力是比較高的。將判別選出的16個(gè)抗旱性生理生化指標(biāo)按高抗、中抗和低抗3個(gè)等級(jí)劃分，則可以看到以這6個(gè)指標(biāo)變化幅度為特征的3種抗旱性類(lèi)型（表5）?？购敌詮?qiáng)的品種逆境下葉綠素含量下降較少，膜脂過(guò)氧化水平低，細(xì)胞膜穩(wěn)定性高，可溶性蛋白高，清除體內(nèi)的活性氧的能力強(qiáng)。

3 討論

甘蔗抗旱性為多基因控制的數(shù)量性狀[28]，涉及的基因和代謝途徑眾多，因此準(zhǔn)確評(píng)價(jià)甘蔗的抗旱性相當(dāng)困難。本研究中運(yùn)用主成分分析、聚類(lèi)和判別分析方法對(duì)16個(gè)品種（系）進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)，聚類(lèi)判別結(jié)果與生產(chǎn)上歷年抗旱性評(píng)價(jià)結(jié)果一致，一方面由于研究是以室內(nèi)桶栽水分脅迫條件下獲得的甘蔗材料為對(duì)象，其葉片生理指標(biāo)本身所具的可控性和穩(wěn)定性為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其抗旱性提供了重要前提，另一方面是甘蔗田間抗旱性綜合評(píng)價(jià)主要是基于分蘗、有效莖、糖分和產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀來(lái)進(jìn)行。因此，將室內(nèi)桶栽條件下的判別結(jié)果與生產(chǎn)上歷年觀察結(jié)果整合分析甘蔗抗旱性，則可提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。當(dāng)然，甘蔗完成其整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中所受影響因素眾多，有自身生長(zhǎng)特性因素，還有群體對(duì)個(gè)體的影響及其與環(huán)境的互作等。多年育種實(shí)踐證明，區(qū)域試驗(yàn)中的基因型和環(huán)境互作一般都很顯著，為確定新品種的適應(yīng)范圍，需要對(duì)品種跨越地點(diǎn)和年份的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，來(lái)評(píng)價(jià)其不同生態(tài)環(huán)境下的抗旱性表現(xiàn)。隨著抗旱育種分子水平上的不斷成熟，農(nóng)藝、生理以及基因表達(dá)的三項(xiàng)一體，甘蔗抗旱性評(píng)價(jià)將更加微觀和客觀。

在應(yīng)對(duì)水分脅迫時(shí)，不同基因型甘蔗會(huì)選擇不同適應(yīng)方式，總的來(lái)說(shuō)有避旱性、御旱性和耐旱性[29]，其抗旱能力強(qiáng)弱同其他作物抗逆機(jī)制類(lèi)似，取決于其感知水分虧缺的效率和速度，從而產(chǎn)生信號(hào)分子并激活壓力保護(hù)機(jī)制[30]。本研究中各檢測(cè)指標(biāo)的表達(dá)模式與前人研究基本一致[31]，這說(shuō)明不同甘蔗材料盡管存在基因型差異，但其生理抗旱響應(yīng)機(jī)制是一致的。其顯著性及相關(guān)性說(shuō)明在水分脅迫下，甘蔗通過(guò)降低葉綠素、赤霉素合成速度，加劇膜脂過(guò)氧化作用，提高質(zhì)膜透性、抗氧化酶活性等滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)調(diào)控生長(zhǎng)。當(dāng)然，不管甘蔗選擇何種方式響應(yīng)水分脅迫，其過(guò)程都是比較復(fù)雜的，并不能由單一的形態(tài)或者生理指標(biāo)去評(píng)價(jià)甘蔗的抗旱性，而應(yīng)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，找出各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而為抗旱性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提供科學(xué)理論依據(jù)。

甘蔗種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)性狀之優(yōu)劣，通常是根據(jù)不同親本組合子代的平均表現(xiàn)來(lái)判斷。根據(jù)甘蔗遺傳育種理論，在遺傳變異幅度相差不大的組合，從后代平均值高的組合中選擇特定優(yōu)異基因型的概率要高于平均值低的組合?；?5-177× CP84-1198雜交組合后代桂糖03-66被評(píng)價(jià)為高抗，桂糖03-91為中抗，其母本粵85-177為高抗品種，父本CP84-1198為中抗品種；桂89-5× ROC23組合后代桂糖03-591抗旱性等級(jí)為低抗、桂糖03-1453抗旱性等級(jí)為中抗，母本桂糖89-5為高抗品種，父本ROC23為低抗品種；ROC25× ROC22組合后代桂糖03-2287與桂糖03-2603為中抗材料，其父母本也皆為中抗品種。這充分說(shuō)明甘蔗抗旱能力與其親本特性有關(guān)，是一種可以穩(wěn)定遺傳的數(shù)量性狀。根據(jù)多年品比試驗(yàn)和雜交組合后代表現(xiàn)，桂糖36號(hào)和桂糖03-2287在抗旱品種選育方面表現(xiàn)突出，可作為優(yōu)良親本予以充分利用。

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