9份西瓜种质苗期抗旱性鉴定

何亚萍 王春霞 闫星 程登虎 李好 杨建强 张显 魏春华

摘  要：为综合评价西瓜种质资源的耐旱性，采用盆栽控水法对9份西瓜种质进行持续干旱胁迫，研究了干旱胁迫对种质幼苗生长、生理指标的影响，并利用旱害指数与隶属函数法综合评价参试材料耐旱性强弱。结果表明：干旱胁迫可普遍降低植株的株高、鲜质量、干物质积累及根冠比等生长指标，同时干旱胁迫后西瓜幼苗的相对电导率（REC）、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶（SOD）及过氧化氢酶（CAT）活性普遍增加，而相对于含量显著增加的丙二醛（MDA），可溶性蛋白却不同程度地降低。进一步基于旱害指数和隶属函数值进行聚类分析，筛选出高抗旱种质2份（‘M20和‘ZTC），敏感種质1份（‘Y34）。

关键词：西瓜;抗旱性;旱害指数;生长指标;生理指标;隶属函数

中图分类号：S651 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2020）12-014-08

Abstract：In order to comprehensively evaluate the drought resistant watermelon germplasms， nine watermelon accessions grown in pots were treated with continuous drought stress， which were then used to study the drought effects on growth index and physiological indicators. The drought tolerance was comprehensively confirmed via drought damage and membership function evaluation method. Results showed that drought could reduce plant height， fresh and dry matter accumulation， and root/shoot ratio. Moreover， drought stress could induce the relative electrical conductivity， proline content， the activities of superoxide dismutase （SOD） and catalase （CAT）. Compared to significantly increased malondialdehyde （MDA）， the soluble protein content was reduced in different degrees among genotypes. Furthermore， two drought-resistant germplasms （‘M20and ‘ZTC） and one drought-susceptible germplasm （‘Y34） were finally screended .

Key words： Watermelon; Drought resistance; Drought index; Growth index; Physiological indicators; Membership function evaluation method

西瓜（Citrullus lanatus L.）汁多味美、营养丰富，是世界上一种重要的经济园艺作物。我国是最大的西瓜生产国和消费国，据中国农业统计资料显示，2017年我国西瓜的种植面积为151.97万hm2，总产量高达6 314.70万t [1]，其产业的健康发展对农民增收、农村经济发展具有重要作用。

干旱是影响植物正常生长、减少作物产量的主要非生物胁迫之一。随着全球干旱加重及水资源日益短缺，干旱胁迫可严重影响西瓜的产量与品质，已成为西瓜栽培过程中所面临的主要问题之一。我国西瓜品种的选育多在灌溉地开展，长期人工选择致使西瓜优异抗旱性状丢失，遗传背景狭窄，品种的适应性和抗旱性相对较弱[2-3]。因此挖掘优良抗旱种质资源不仅可为西瓜抗旱新品种的选育提供方向，同时还对西瓜产业的可持续发展具有重要的生产实践意义。西瓜整个生育期需水量大，尤其是在果实膨大期较为敏感，该时期干旱胁迫会严重影响西瓜的产量和品质。张化生等[4]采用大田自然干旱胁迫处理，研究了干旱胁迫对不同果型西瓜产量的影响，并通过对抗氧化酶活性等生理指标筛选出适合旱砂田栽培的品种（组合）‘中青9号等。种质资源田间抗旱性鉴定可直接评价植株的耐旱性强弱，然而因试验过程中容易受到其他环境因素的影响，其可操作性和重复性较差[2， 5]，而采用苗期盆栽持续干旱胁迫处理，则可有效地解决上述问题，试验可控性和重复性较好，且筛选周期短，已广泛应用于抗旱种质筛选试验中 [2， 6-8]。例如，张海英等[2-3]采用苗期持续干旱法，系统评价了从美国农业部引进的1 066份西瓜种质（820份种质，246份育种自交系）的抗旱性，采用快速聚类方法将测试材料划分成4种类型：抗旱、耐旱、敏感和抗性分离，成功获得25份强抗旱材料，且大部分为非洲野生种质资源。李颖慧等 [7， 9]分别采用PEG模拟干旱和盆栽控水试验，研究了干旱胁迫对不同籽瓜品种种子萌发及幼苗生长的影响，筛选出高抗旱籽瓜品种‘林籽一号，为今后开展籽瓜育种提供理论依据。而国外学者Karipcin等[10]采用盆栽方式，不仅调查了65份西瓜种质的耐旱性，还对其耐盐性进行了评价。

植物的抗旱性是复杂数量性状，受多基因协调控制，因此用单一指标进行评价并不可靠。刘东顺等[8]通过测定15份材料苗期生长与生理指标，利用隶属函数法建立了西瓜品种和材料早期的鉴定方法。而莫言玲等[6]利用旱害指数和隶属函数法分别评定了12份西瓜种质的耐旱性，筛选出3份高抗种质、6份中抗种质及3份敏感种质 。目前，采用盆栽控水法开展西瓜苗期抗旱性鉴定，多采用隶属函数法或旱害指数单独进行评价，而同时结合两种方法进行综合聚类分析的研究少有报道。笔者采用盆栽控水试验，对9份西瓜种质资源进行干旱胁迫，探究不同胁迫时间后土壤含水量的变化趋势，并统计种质的旱害指数;同时，研究干旱胁迫对种质幼苗生长指标和生理指标的影响，并依据各指标计算其隶属函数值，最后依据旱害指数和隶属函数值综合评价了种质耐旱性，旨在为今后抗旱育种及分子和生理水平揭示抗旱机制提供资源。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2020年8—9月在西北农林科技大学园艺学院玻璃温室进行。供试材料由西北农林科技大学西甜瓜课题组提供，共9份种质，包括3份野生资源：‘M20‘ZTC和‘YL-W，6份栽培型资源：‘2-60A‘Sgbb‘97103‘Y34‘M08和‘M30，其中种质‘97103由北京市农林科学院许勇研究员惠赠（表1）。

选择成熟度好、籽粒饱满且均匀一致的种子，经55 ℃温汤浸种4 h后，于30 ℃黑暗条件下进行催芽，露白后单粒播种于育苗穴盘（50孔），商業育苗基质由山东莘县鲁源育苗基质有限公司提供。待幼苗长至3叶1心时，移苗至黑色营养钵（7 cm×7 cm×7.8 cm，约16 g），每盆装育苗土184 g（风干细沙和商业育苗基质体积比为1∶1，田间最大持水量为45.3%），且盆底铺滤纸防止土壤漏出。育苗期间正常水分管理，并每周补浇1/2 Hogland营养液一次，控制温度白天最高32 ℃，夜晚最低18 ℃。待西瓜植株长至5～6片真叶时，选择生长均匀的幼苗，每种西瓜材料约60株，随机分成对照组CK（30株）和处理组DS（30株），采用随机区组试验设计（3个区组）进行盆栽控水干旱处理。对照组进行正常浇水，维持土壤含水量为最大持水量的75%±5%，而处理组不浇水并持续自然干旱，每天根据植株萎蔫情况及受害程度统计旱害指数，并称重计算土壤含水量，处理至第8天时采样进行其他各项指标的测定。

1.2 旱害指数统计

根据预实验观察并参照莫言玲等的方法[6]，将植株的旱害表型进行分级：0级为植株生长正常，茎直立，叶片平展未下垂，叶缘未卷曲;1级为植株茎直立，叶片下垂或叶片叶缘卷曲;2级为茎直立，但茎表皮皱缩，叶片弯曲下垂严重;3级为茎失水弯曲，整株叶片均下垂;4级为幼苗茎失水弯曲，叶片下垂，且叶边缘干枯。旱害指数DI（Drought injury index）计算公式：DI=（0×S0+1×S1+2×S2+3×S3+4×S4）/总株数，其中S0～S4分别为旱害0～4级的对应株数。抗旱性评价以旱害指数平均值为标准，平均旱害指数越大，抗旱性越弱，反之，抗旱性越强。

1.3 生长指标测定

干旱胁迫至8 d时，对照组和处理每个区组随机选取3株幼苗，分开地上与地下部分，并仔细清洗擦干表面水分后，测定株高、根长、地上和地下鲜质量，其中株高测量茎基部处到生长点的高度，根长测量茎基部到主根根尖的长度。然后于105 ℃烘箱杀青30 min，80 ℃烘烤24 h至恒重，测定地上和地下干物质积累量，并计算根冠比（地下干物质量/地上干物质量）。

1.4 生理指标测定

干旱胁迫至8 d时，对照组和处理每个区组随机选取3株幼苗，采取生长点以下2片完全展开真叶，测定各生理指标，重复3次。电导率采用Barrs H法[11]测定;叶绿素（Chl）含量采用80%丙酮浸提法[12]测定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[13]测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法[14]测定;脯氨酸含量采用茚三酮法[15]测定;超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法测定;过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外分光光度计比色法[16]测定。

1.5 数据处理

为消除种质基因组背景对指标的影响，各指标计算其相对变化率[6]，相对变化率/%=（干旱处理测定值-对照测定值）/ 对照测定值×100。采用隶属函数法对各项生长指标和生理指标进行计算：当指标变化率与抗旱性呈正相关时，Xu =（X-Xmin）/（Xmax -Xmin）;当变化率与抗旱性呈负相关时，则Xu = 1-（X-Xmin）/（Xmax -Xmin）。其中：Xu表示指标的变化率;Xmin表示该指标最小值;Xmax表示该指标的最大值。根据隶属函数平均值将种质抗旱性的强弱划分为3级：< 0.4，低抗;0.4～0.7，中抗;>0.7，高抗[6]。

利用SPSS 25.0对数据进行方差分析和相关性分析，多重比较采用最小显著差数法（LSD法），聚类分析采用瓦尔德法。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下土壤含水量变化及种质旱害表型

试验期间，土壤含水量与种质幼苗蒸腾量有关，同时还受到环境因子如天气、温度的影响，由图1所示，处理前3 d土壤含水量下降幅度较大，从75%降至30%左右，之后下降幅度相对平缓，到干旱处理4 d，土壤含水量下降了10%左右，干旱胁迫6 d和8 d（间隔2 d），土壤含水量分别降低了大约10%和8%（图1）。

正常水分条件下（土壤含水量为最大持水量的75%左右），9种西瓜种质幼苗叶片平展并向上生长，无旱害表型（图2）。当土壤相对含水量达到50%左右时（干旱处理2 d），所有种质幼苗仍无明显旱害表型，生长正常。随着胁迫时间的延长，处理3 d时，部分种质幼苗表现出轻微旱害表型，如‘Y34、‘YL_W，真叶出现下垂现象。当土壤含水量达到20%左右时（处理4 d），大部分种质表现出明显的旱害表型，如真叶表现出不同程度的下垂。随着干旱胁迫程度加剧，当土壤含水量降至10%左右（处理6 d），所有种质真叶出现不同程度萎蔫、叶柄下垂，而处理8 d时，土壤相对含水量已蒸发至最大含水量的3%左右，表现为极度干旱胁迫，此时西瓜种质幼苗的真叶重度失水萎蔫，甚至干枯死亡，如‘Y34‘M30‘YL_W，而种质‘M20‘ZTC叶片无焦枯表型，表现出相对较强的耐旱性。

2.2 干旱胁迫下种质旱害指数及抗旱性比较

当土壤含水量为最大持水量的50%左右时（干旱处理2 d），西瓜种质基本无明显的旱害表型，旱害指数为0（图2和表2）。随着胁迫时间延长，土壤水分不断降低，当干旱胁迫 4 d（土壤含水量约为20%），种质已表现出较为明显的旱害表型（如真叶萎蔫下垂），但旱害程度在种质间存在差异。之后，土壤含水量进一步降低，种质旱害表型加剧，平均旱害指数增长幅度变大（图1和图2），至干旱胁迫结束，最大旱害指数为1.82（‘Y34）。根据各种质旱害指数的平均值（表2），对9份种质的耐旱性做初步比较，其强弱顺序为：‘ZTC=‘M20>‘97103>‘M08>‘YL_W>‘Sgbb>‘2-60A>‘M30>‘Y34。

2.3 干旱胁迫下种质生长指标变化

正常浇水情况下，未进行干旱胁迫的幼苗生长情况良好，但因种质基因组背景不同，各生长指标在种质间表现出不同程度的差异，为消除此差异对试验结果的影响，通过计算各生长指标的相对变化率来评估种质的耐旱性（表3）。干旱胁迫下，所有种质的株高显著降低，降低幅度在20%～30%，只有‘M20的降幅低于10%。不同种质根系的伸长表型不一，如‘97103和‘M30根系伸长得到促进，而‘M08和‘M20根系伸长受到抑制，但所有根长的变幅均未达到显著差异水平（表3）。干旱胁迫降低了所有种质地上鲜质量和地下鲜质量，其中后者的降幅明显多于前者，表明干旱胁迫下地下根部的水分损失要多于地上茎叶。干旱胁迫还影响了大部分种质干物质的积累，其中‘YL_W的降幅最大，且达到显著差异水平，而‘97103和‘Y34的干物质积累上升，但未达到显著差异水平。本试验中所有种质的根冠比下降，表明取样时（干旱处理8 d，土壤含水量为3%左右）已对所有种质幼苗的生长造成严重抑制。

2.4 干旱胁迫下种质生理指标变化

如表4所示，干旱胁迫降低了大部分种质的叶绿素含量，如不抗旱的‘Y34和‘M30，而‘M20‘ZTC的叶绿素含量则显著提高。干旱胁迫后，植株叶片中的丙二醛（MDA）和相对电导率（REC）相对增加，不同种质间增加幅度有所差异，如‘Sgbb的丙二醛含量增加了157.02%，而‘2-60A相对含量有所下降。干旱处理提高了种质的脯氨酸含量，增幅都大于50%，且差异达到极显著水平，其中‘M08的增幅最大;处理植株的可溶性蛋白含量有所下降，不抗旱的‘Y34降幅最多，而‘M08略有增加，但未达到显著水平。相对于对照组植株，处理后大部分种质的超氧化物歧化酶（SOD）活性和过氧化氢酶（CAT）活性有不同程度的增加，且幅度差异较大，而可溶性蛋白含量却呈普遍下降趋势。

2.5 基于隶属函数评价种质耐旱性

为综合评价不同种质的抗旱性强弱，本试验利用隶属函数法对测定的生长指标和生理指标相对变化率进行计算，结果如表5所示。种质‘M20和‘ZTC的平均隶属函数值大于0.70，属于高抗旱种质;种质‘Y34和‘97103的值均小于0.40，为敏感种质;其他种质的值介于0.4～0.7之间，属于中抗旱种质。根据平均隶属函数值，9份种质的抗旱性强弱依次为：‘M20>‘ZTC>‘M08>‘YL_W>‘2-60A>‘M30>‘Sgbb>‘97103>‘Y34。除了种质‘97103的耐旱性鉴定与其旱害指数评价差异较大外，其余种质鉴定结果基本一致。

2.6 利用旱害指数与隶属函数鉴定种质耐旱性

根据种质旱害表型计算旱害指数，并以旱害指数平均值为依据评价种质耐旱性时，‘97103旱害指数为0.86，属于耐旱资源;然而，通过生长指标和生理指标计算隶属函数值，并以其平均数为依据评价种质耐旱性时，‘97013为敏感种质，2种鉴定方法对‘97103的鉴定结果存在差异。因此，为进一步验证2种评价方法的鉴定结果的一致性和可靠性，本试验分析了种质旱害指数与隶属函数值之间的相关性（图3-A）。结果表明，两者之间呈显著负相关，相关系数r= -0.68，决定系数R2=0.46，表明2种鉴定方法结果之间一致性较好，耐旱性评价结果可靠。去除‘97103后，旱害指数和隶属函数的相关系数r= -0.94，决定系数R2=0.88，达到极显著水平，进一步表明通过2种方法得到的结论具有较好的一致性。

为综合评价种质的耐旱性强弱，本试验基于旱害指数和隶属函数为变量进行聚类分析，发现9份材料可以分为3类：2份高抗旱种质‘M20‘ZTC，1份敏感种质‘Y34和6份中抗旱种质（图3-B）。

3 讨论与结论

我国是西瓜最大的生产国，其产业的健康发展对农民增收、农村经济发展具有重要的推动意义。随着全球气候变暖及生态环境恶化，使得以干旱为主的非生物胁迫已成为影响西瓜产量和品质的重要因素之一。因此，作为西瓜抗旱育种的基础，优异抗旱种质的筛选与应用，对西瓜产业的可持续发展具有重要的现实意义。种质资源田间抗旱性鉴定可直接评价植株的耐旱性强弱，然而因试验过程中容易受到其他环境因素的影响，可操作性和重复性较差[2，5]，而采用苗期盆栽持续干旱胁迫处理，则可有效解决上述问题，试验可控性和重复性较好，且筛选周期短，在抗旱种质筛选试验中得到广泛应用[2， 6-8]。笔者采用盆栽控水方式进行苗期持续干旱处理，依据土壤相对含水量不同范围并结合旱害指数初步评估了9份西瓜种质的耐旱性强弱，同時发现当土壤含水量降至最大含水量的30%左右时，西瓜种质才表现出不同程度的旱害表型，这为今后采用盆栽控水方式进行西瓜耐旱种质筛选提供了量化参考标准。

西瓜作为一种旱生植物，较其他作物表现出较强的耐旱性[17]。干旱胁迫下，植株最直观的反应就表现在外部形态上，如生长发育减慢、生长量积累减少，甚至停止[18]。本试验中所有种质的生长指标都受到不同程度的降低，如地上鲜/干质量、地下鲜/干质量和根冠比，表明胁迫8 d时，土壤含水量为3%左右，植株的生长已受到严重抑制。叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，逆境胁迫下植物叶片会萎蔫、发黄、干枯，其衰减是植物逆境胁迫下的一个普遍反应[6-7， 19]。植物在干旱胁迫下，体内活性氧产生与清除的动态平衡被破坏，活性氧的增加使得植物启动膜脂过氧化而造成MDA的积累，是检测细胞膜损坏的标准之一[20-21]。相对电导率（REC）作为质膜透性表征指标之一，也可衡量细胞受损害的程度。渗透调节是植物抵御和适应干旱胁迫的重要方式之一，脯氨酸和可溶性蛋白是其中最常见两种有机渗透调节物质[6， 22]。植株在干旱胁迫下，细胞内叶绿体光合电子链受损而产生过量的活性氧，为避免其对细胞造成伤害，植物体内抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等协同作用清除活性氧[6， 18， 21]。本试验中干旱胁迫后种质的MDA、REC、脯氨酸、SOD、CAT的含量较对照组呈现不同的增长趋势，但是可溶性蛋白含量却普遍下降，说明可溶性蛋白等成分可能是在早期抗旱时与维持细胞渗透压相关，而后期脯氨酸在渗透调节中发挥重要作用[23]。

干旱胁迫下，植物的膜系统、光合作用、渗透调节、代谢途径等生理过程都会受到不同程度的损伤，因此作为复杂的数量性状，植物抗旱性强弱受众多基因调控。抗旱种质的筛选与挖掘不仅可为抗旱育种提供资源，同时还为从分子基础了解该复杂机制奠定材料基础。旱害指数可直观反映干旱胁迫下植株的旱害程度，而隶属函数是以多个测定指标为基础对植物抗旱性强弱进行评价的有效方法[9]。本试验通过相关性分析，发现以两种方法独立开展的耐旱性鉴定结果一致性较好，进一步利用旱害指数和隶属函数法综合评价了9份西瓜种质的耐旱性强弱，鉴定出高抗旱种质2份（‘M20和‘ZTC），敏感种质1份（‘Y34）。‘97103的耐旱性在两种评价方法中表现出较大的差异，后期还需进一步开展鉴定。

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