适度水分胁迫下基因型与土壤水分互作对甘蔗生物量的影响

陆 鑫,毛 钧,李纯佳,徐超华,蔡 青,范源洪*

(1.云南省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；2.云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所，云南 昆明 650223)

【研究意义】云南省是中国第2大甘蔗种植基地[1]，近年来植蔗面积稳定在36万hm2左右，其中缺乏灌溉条件的“雨养型”旱地甘蔗面积达70 %以上[2]。近年来云南省甘蔗主产区受旱严重，甘蔗大面积受灾减产，干旱缺水成为制约云南甘蔗产业发展的重要因素。生产上急需抗旱新品种以应对土壤水分亏缺的生产条件。因此，研究甘蔗生物量对基因型与土壤水分交互作用的响应，对开展甘蔗种质资源评级及抗旱育种具有重要意义。【前人研究进展】目前甘蔗的抗旱性评价主要有2种途径，一是从甘蔗的光合气体交换参数、叶片水平水分利用效率[3]、叶片细胞质膜透性[4]、丙二醛含量[5]、叶绿素含量[6]等与甘蔗抗旱性相关的生理生化指标研究入手；二是对甘蔗受旱后株高、茎径、绿叶数及产量的差异变化进行分析[7-8]。其中以第2种方法得到的结果最为直观。【本研究的切入点】目前甘蔗抗旱评价研究仅限于甘蔗受旱后蔗茎产量的差异和降幅变化，而对于甘蔗生物量及其分配比例对水分胁迫的响应，特别是基因型与水分的互作效应对生物量的影响，目前在国内未见报道。从云南省全年降雨量分布来看，其雨季集中在夏秋两季，11月至翌年4月正值云南省甘蔗的栽种季节，而此期间降雨量仅为年总降雨量的10 %[9]，甘蔗苗期受旱较为突出。鉴于此，本研究利用人工水分胁迫模拟自然条件下甘蔗苗期至伸长期持续受旱的过程，分析水分胁迫对甘蔗生物量及其分配比例、植株水平水分利用效率的影响，以及基因型和水分处理对甘蔗生物量的交互作用，并探讨甘蔗相对叶绿素含量对水分胁迫的响应。【拟解决的关键问题】旨在为甘蔗种质资源抗旱性评价及抗旱育种早期选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2015年2-6月，在云南省农业科学院甘蔗研究所抗旱大棚内进行甘蔗桶栽试验，棚内光照强度为自然光强的60 %。土壤以大田红壤、泥炭土粉末、泥炭土颗粒(直径0.4～0.5 cm，泥炭土产品购于云南中电新能源有限公司)按1∶1∶1比例混合，混合土含有机质322.6 g/kg，pH 6.3，全氮、磷、钾分别为0.498 %、0.169 %和2.0 %，有效氮、磷、钾分别为241.3、72.6和255.7 mg/kg。试验材料包括9份不同类型的种质材料(表1)，均由国家农作物种质资源共享服务平台提供。每份材料各取50个单芽种茎，(50±0.2)℃的温水处理2 h[10]，于营养袋中进行单芽育苗。

表1 试验材料

试验按随机区组设计，设灌溉(Well watered，WW)和水分胁迫(Water stress，WS)2个处理，2个空白对照，每个处理3个重复，同时为了测定生物量初始值，每份材料再额外种植1桶。待所有参试材料生长至4叶龄时，同一材料内挑选长势相近的14株幼苗进行移栽，每桶移栽2苗。移栽时每桶施6 g杀虫双(3.6 %颗粒剂，福建泰禾农大生化有限公司)，移栽后每桶覆盖2 kg聚乙烯(Polyethylene，PE)颗粒降低水分蒸发，每15 d喷施1次0.07 %氯虫·噻虫嗪(悬乳剂，瑞士先正达作物保护有限公司)防止螟虫危害。

1.2 水分管理

试验期间每天使用TDR土壤水分速测仪(JNSQ02型，北京天创金农科技有限公司)测量每桶混合土体积含水量，根据公式计算W(mL)=(Va-Vb)/100×22.1×1000每桶补水量，式中，Va为土壤体积含水量目标值，Vb为土壤体积含水量测量值，W为浇水量。灌溉处理和对照维持土壤含水量为饱和状态，其中对照用于估算蒸发量，水分处理设置5个阶段逐级胁迫，模拟自然干旱条件下的土壤水分胁迫，即分别为混合土饱和状态下体积含水量的100 %(S1)、80 %(S2)、70 %(S3)、60 %(S4)和50 %(S5)，每个处理阶段达到既定水平后并维持5 d，进行相关指标的测定，之后进入下一胁迫阶段。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤饱和含水量测定 取2只倒圆台形(上底面直径为43 cm，下底面直径为30 cm，高为32 cm)塑料桶作空白对照，底部均匀钻取20个直径为0.5 cm的排水孔，每桶装土后缓慢灌水直到底部排水孔开始出水为止，每桶称取1.5 kg PE颗粒覆盖土表，降低土壤水分蒸发；静置48 h后待排水孔停止排水，其质量恒定，将排水孔封堵，计算每桶土壤达饱和持水量的需水量。按照TDR土壤水分速测仪探针大小规格和排列位置，在塑料桶侧面中间高度位置钻取4个测量孔，用于测量土壤饱和持水量。非测量状态下测量孔用相应规格的硅胶堵头进行封堵。

表2 土壤饱和体积含水量及需水量

1.3.3 生物量、水分利用效率及形态指标测定 所有材料主茎均生长至8叶龄，对9桶额外种植材料的生物量进行测定，作为各材料生物量的初始值B1；完成50 %水分胁迫处理阶段各指标测量后进行收获，测定每桶材料的生物量终止值B2。二者之差即为测量阶段的生物量。生物量测定时将桶内2株植株完整取出，清洗根系，将植株分为梢头(含叶鞘、无效分蘖及不完全展开叶)、叶片、蔗茎和根系，置于90 ℃鼓风干燥箱内干燥，其质量恒定后称重，冠重为地上部生物量总和，根重即为地下部生物量，根冠比为根重与冠重之比。

水分利用效率WUE(g/L)=(B2-B1)/(Wt-We)×1000，式中B1为生物量的初始值，B2为生物量终止值，Wt为测量期间浇水总量，We为土壤水分蒸发量，即测量期间2个空白对照浇水总量的平均值。

1.4 数据分析

采用Excel 2010对数据进行汇总，SPSS 21、GenStat 12.0统计软件进行数据分析，用Duncan’s进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤饱和持水量

每桶装土20 kg(桶内土壤体积为22.1 L)，灌水后自然排水至恒重，计算需水量平均值及测定饱和体积含水量。从表2可知，每桶平均需浇水为7 150 g可使土壤含水量达饱和，平均饱和体积含水量为29.95 %。由此可知，S2至S5胁迫阶段的土壤体积含水量分别为23.96 %、20.97 %、17.97 %和14.98 %

2.2 各指标间的相关性分析

试验于2015年2-6月，在云南省农业科学院甘蔗研究所抗旱大棚内进行。由表3可见，用水量除与根冠比无显著相关性外，与其它指标间存在极显著正相关；叶面积与冠重、生物量、用水量呈极显著正相关，与根冠比呈极显著负相关，这是由于叶面积的增加，导致了冠重的增加，造成根冠比值下降；冠重与根重、生物量、及SPAD均呈极显著正相关，其中与生物量的相关系数为最高，达0.988；根重与生物量及SPAD之间分别存在极显著和显著正相关，说明叶绿素相对含量的高低除对冠重有正向效应外，对根重也造成影响。

表3 各性状间的相关系数

注:“*”表示P<于0.05，“**”表示P<0.01。

Note: ‘*’ means significant difference (P<0.05). ‘**’ means highly significant difference (P<0.01).

表4 不同水分条件下甘蔗生物量及水分利用效率的方差分析

2.3 水分胁迫对甘蔗生物量、水分利用效率的影响

由表4可见，9份参试材料间的总生物量、水分利用效率均存在极显著的差异，而基因型与水分处理的互作效应不显著。分别对灌溉和水分胁迫下的生物量及水分利用效率做单因素方差分析(结果见图1～2)，越南2号的生物量在灌溉和水分胁迫下均为最高，分别为693.1和315.2 g，且在灌溉条件下显著高于其它参试材料，灌溉和水分胁迫下生物量最低的分别是51NG90(322.8 g)和Uba(176.6 g)，二者生物量在灌溉和水分胁迫下均表现为差异不显著，其中Uba受水分胁迫后生物量降幅最大，达59.8 %，表明该材料对水分胁迫较为敏感。云蔗09-354生物量在灌溉和水分胁迫下分别位列第3位(499.6 g)和第2位(314.2 g)，生物量降幅仅为37.1 %，与其它材料相比，该材料在水分胁迫条件下具有较好的稳产性。整体上看，灌溉条件下生物量高的材料，在水分胁迫条件下其生物量也较高，反之亦然。

在灌溉条件下，2份割手密材料(越南2号、云南2009-2)表现出较高的水分利用效率，分别达6.97和6.84 g/L；51NG90的水分利用效率最低，其在灌溉和水分胁迫条件下水分利用效率分别为5.65和5.08 g/L。同一材料在灌溉和水分胁迫下的水分利用效率无显著性差异，其中海南92-84、云蔗03-194的水分利用效率平均值水分胁迫略高于灌溉。整体上看，水分利用效率的变化趋势与生物量变化相似，也存在灌溉条件下水分利用效率高的材料，其在水分胁迫条件下水分利用效率也高的情况。

2.4 水分胁迫对甘蔗生物量分配比例的影响

根冠比是反映干物质协调积累状况的重要指标，受植物自身基因型和环境因素的影响[12]，对根冠比值进行反正旋平方根转换后进行方差分析(表5)，结果表明，灌溉和水分胁迫条件下，参试材料的根冠比存在显著差异，水分胁迫条件下高于灌溉条件下的根冠比，说明在水分胁迫条件下，干物质的积累更多地被分配到地下部分，促进了甘蔗根系的生物量比例。

同种供水条件下不同小写字母表示参试材料间差异显著(P<0.05)。下同The different small letters in same treatments mean significant difference( P<0.05). The same as below图1 不同供水条件对甘蔗生物量的影响Fig.1 The effects of different irrigation treatments on biomass of sugarcane

图2 不同供水条件对甘蔗水分利用效率的影响Fig.2 The effects of different irrigation treatments on WUE of sugarcane

2.5 甘蔗相对叶绿素含量(SPAD值)对水分胁迫的响应

由表6可知，在灌溉条件下，S2、S3、S4、S5阶段的SPAD值无差异，但显著低于S1阶段，S1阶段水分胁迫处理组混合土体积含水量与灌溉组相同，均为饱和含水量，2组处理间没有显著差异，S2阶段水分胁迫组SPAD值显著高于灌溉组，但随着水分胁迫程度的加深，其SPAD值逐渐降低，并显著低于灌溉组；从广义遗传力看，除S1阶段外，其它各阶段灌溉处理和水分胁迫处理下广义遗传力都较高，且均达0.6以上。

3 讨 论

国内有关干旱胁迫对甘蔗产量的影响研究已有大量报道，但大多研究不同水分处理对甘蔗产量的影响，及产量相关表型性状对水分胁迫的响应差异。前人研究均表明甘蔗受旱后产量呈不同程度降低[4,6,8]，本文中生物量对水分胁迫的响应结果与此相一致。但有关甘蔗受旱后生物量及其分配比例的变化，特别是甘蔗基因型与水分处理交互作用方面的研究仅在国外有少量报道[13-14]。本研究一个重要的结果是基因型与水分处理对甘蔗生物量的交互效应不显著。从整体上看，水分胁迫处理组平均生物量仅为灌溉处理组的50.7 %，导致甘蔗生物量降低的原因主要来自于水分胁迫，而材料间生物量的差异受自身基因型决定。显示灌溉和适度水分胁迫处理下对甘蔗生物量表现结果是一致的，相同的结论在国外其它研究中已有报道[15]。而水分利用效率同样不受基因型与水分处理互作效应的影响。因此，在甘蔗育种程序中，对于评价材料受旱后的产量潜能，仅需在相同的水分处理条件下进行筛选即可。在2014年以前，云南省甘蔗品种选育区试设计中，同一套品种在同一区试点均布置了水田和旱地2套试验。但从2014年起，育种家考虑到人、财、物的投入，将每个区试点试验由原来的2套试验缩减为1套试验。本试验研究结果对云南省甘蔗区试设计的优化提供了理论依据，具有较好的实际应用价值。

表5 不同水分条件下根冠比方差分析

表6 不同水分条件下甘蔗叶片SPAD方差分析和广义遗传力

注：不同小写字母表示灌溉或水分胁迫下不同测量阶段间的差异显著(P<0.05)，“*”表示同一测量阶段下灌溉处理和水分胁迫处理间差异显著(P<0.05)。

Note: The different small letters mean significant difference among each step under WW or WS (P<0.05), ‘*’ means significant difference between WW and WS under same step (P<0.05).

不同生境中生物量分配的变异反映了植物对环境的适应。为了适应环境变化，提高竞争效率，吸收较高的水肥，植物根系表现出明显的可塑性[16]。根冠比是植物适应环境光合产物分配关系的具体体现，徐炳成等[17]研究表明，在干旱胁迫条件下增大根冠比，提高植株对水肥的吸收，是植物适应干旱胁迫的重要策略。甘蔗苗期受旱后，其生物量分配也发生了变化，采取了相同的光合产物分配策略，增强根系对土壤水分的吸收，以抵御干旱胁迫。

SPAD可以在不破坏叶片的情况下对植物叶片叶绿素含量进行快速、准确的测定，其结果为叶绿素相对含量。在本研究中，SPAD值与生物量具有极显著相关关系，并且随着水分胁迫程度的加剧，其数值逐渐降低，这与前人[18]研究结果一致。

甘蔗是热带种和割手密种间杂交得到的高度杂合的异源多倍体或非整倍体[19]，F1即开始迅速分离，育种上需要建立庞大的育种群体用于筛选，如何在早期阶段进行有效选择提高育种效率是近年来甘蔗育种家思考和研究的重点问题。尽管有研究表明光合特性与抗旱性具有较好的相关性[20]，但因其光合参数检测设备价格昂贵，且检测结果受环境条件等因素影响较大，在甘蔗育种早期阶段对育种群体进行大规模筛选时工作效率较低等原因，其应用受到一定限制。本研究发现SPAD值从S2阶段开始具有较高的广义遗传率，与生物量呈极显著相关，且测量效率较高，因此该参数可作为耐旱评价指标应用于甘蔗早期选择育种实践中。

4 结 论

甘蔗受旱后，其生物量分配由地上部分向地下部分转移，从整体上看，生物量较灌溉处理组下降49.3 %；基因型与水分处理对甘蔗生物量没有显著的交互效应，个体间生物量的差异主要由基因型决定；SPAD与生物量存在极显著正相关性，受到水分胁迫后，其值显著降低，且在不同水分处理条件下具有较高的广义遗传率，可作为甘蔗耐旱性评价指标应用。