甘蓝型油菜苗期抗旱性鉴定及抗旱生理指标的评价

左凯峰,郭 娜,张冰冰,秦梦凡,马 宁,刘 翔,李青青,黄 镇,徐爱遐

(西北农林科技大学农学院，陕西 杨凌 7121000)

关键字：甘蓝型油菜；苗期；抗旱鉴定；抗旱生理指标

甘蓝型油菜是我国的主栽油菜类型，如何提高菜籽油的产量和品质是油菜育种的主要目标，干旱是影响油菜产量的重要非生物胁迫[1]。我国甘蓝型油菜的主产区经常受秋冬旱和春旱而影响油菜的产量和品质。因此，选育抗旱性强的甘蓝型油菜品种成为一个重要的育种目标。

国内外学者对小麦、玉米、大豆、水稻等粮食作物的耐旱性进行了大量的研究[2-8]。作物对干旱的响应主要有耐旱和避旱两种机制[9]，避旱即通过调节生育期避开环境干旱的时期，近年来研究最多的是耐旱机制。耐旱性是许多独立的形态和生理性状相互作用的结果，因此，对作物耐旱性的评价指标也有很多，如叶片含水量、地上部干重、离体叶片保水力、丙二醛含量、相对电渗漏以及各种渗透调节物质等。Mao等[10]研究表明叶片中脯氨酸含量可作为甘蓝型油菜渗透调节能力的指标；张弢[11]采用Hoagland营养液水培法，以不同浓度 PEG-6000处理油菜幼苗，研究表明随着 PEG处理浓度的增加，油菜幼苗叶片中可溶性糖、脯氨酸和丙二醛含量总体呈上升趋势，叶绿素和可溶性蛋白含量先增后降，脯氨酸及丙二醛含量等是与油菜抗旱性相关的生理指标。

油菜抗旱性是一个复杂数量性状，除与品种自身特性有关外，还受到多个生理过程的调控，但目前针对甘蓝型油菜苗期生理指标抗旱性综合评价的研究还鲜见报道。本研究选择在西北地区种植的120个甘蓝型油菜种质为试验材料，采用PEG溶液模拟干旱法，筛选抗旱材料，为甘蓝型油菜抗旱育种提供材料支持，同时对各抗旱生理指标进行评价，得出与甘蓝型油菜抗旱密切相关的生理指标，为甘蓝型油菜抗旱性快速鉴定提供新途径。中国油菜主产区的秋冬旱常发生在油菜苗期，且在苗期进行抗旱性鉴定具有所需时间短、鉴定容量大、试验重复性强、对环境影响小等优点[12]，所以本试验选择在苗期进行。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试油菜种质为西北农林科技大学农学院油菜育种课题组培育和收集的120份甘蓝型油菜骨干种质。

1.2 试验方法

试验于2018年7—8月在西北农林科技大学农学院人工气候室进行，人工气候室设置程序为16 h/8 h昼夜交替，昼/夜温度设为：23℃/19℃，设定室内湿度为60%。首先将供试120份甘蓝型油菜种质种植于50孔穴盘中，土壤采用天丰园艺生产的V9育苗基质，每个品种20株，待油菜幼苗长至5叶期，将幼苗的根用清水轻轻洗净，转移至Hoagland营养液中培养，设为2个重复，每个重复10株，浮板株距为8 cm，在营养液中培养6 d后(每3 d更换一次营养液)，其中一个处理加入PEG-6000使其最终浓度为6%，另一处理作为对照。处理48 h后对各品种的处理以及对照取样，并观察处理组受到干旱胁迫情况，并分等级记录。

1.3 抗旱性鉴定及指标测定

1.3.1 油菜样品采集 对各个种质的第三片叶片进行取样，3株混样为一个重复，共3个重复，将取下的叶片用锡箔纸包好立即放入-80℃冰箱。

1.3.2 PEG胁迫下抗旱指数计算 依据肖庆生[13]的抗干旱指数的计算方法对各个品种的抗旱情况分级并计算抗旱指数，旱害等级分为5级，各级标准如下(表1)。

表1 旱害调查分级标准[13]

抗干旱指数(DRI,%)=1-{[100%×(1×S1+2×S2+3×S3+4×S4)]/(调查的总植株数×4)}； 其中，S1、S2、S3、S4 分别代表1～4级干旱的油菜植株数。参考肖庆生[13]的分类标准并结合本试验情况,抗旱等级计算标准：高感(HS):0%≤抗旱指数≤15.0%；低感(LS)：15.0%<抗旱指数≤30.0%；低抗(LR)：30.0%<抗旱指数≤40.0%；中抗(MR)：40.0%<抗旱指数≤50.0%；高抗(HR)：50.0%<抗旱指数≤85.0%。

1.3.3 生理指标的测定 依据植物生理学实验指导[14-15]测定各个品种的SPAD值、叶片含水量、地上部干重以及叶片保水力；测定处理以及对照组的可溶性蛋白含量、丙二醛含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量等生理指标。叶片保水力采用称重法[14]，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250法[14]，丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸法[15]，蒽酮法测定可溶性糖含量[14]，茚三酮比色法测定脯氨酸含量[15]；计算得到该材料受到干旱胁迫48 h后相对于对照组各生理指标的变化量。

1.4 数据统计分析

利用WPS软件整理数据、分析汇总数据。使用Spss 20.0软件对试验数据进行统计绘图、方差分析、各指标间相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫下120份甘蓝型油菜苗期抗旱性鉴定

据肖庆生[13]的方法统计、计算得到抗旱指数，120份甘蓝型油菜种质中，抗旱指数最大为85%，最小为0%，平均抗旱指数为26.3%。120份甘蓝型油菜的抗旱情况见表2，图1。其中高抗材料6份，占供试材料的5.0%；中抗材料10份，占供试材料的8.3%；低抗材料23份，占供试材料的19.17%；低感材料42份，占供试材料的35.0%；高感材料39份，占供试材料的32.5%。

2.2 PEG胁迫下不同油菜种质抗旱生理指标的变化

PEG模拟干旱处理下，不同甘蓝型油菜种质的生理变化不同(图2)，其中SPAD值相对于对照的变化量最大为16.1，最小为-17.3，相对于对照平均降低1.2%，说明受到干旱胁迫后油菜叶片的叶绿素含量降低；油菜幼苗叶片含水量主要集中在81%～85%，其中最大为88%，最小为74%。各个品种(系)离体叶片保水力差异较为明显，其中最大的可达最大含水量的90%，而最小的仅有37%左右。干旱胁迫后叶片中可溶性蛋白含量相对于对照的变化量最大为6 500 μg·g-1左右，最小为-2 500 μg·g-1，相对于对照平均增加了97.5%。绝大多数材料在受到干旱胁迫后丙二醛含量增加，平均增加量为11.74 μmol·g-1，相对于对照平均增加了107.6%，说明受到干旱胁迫之后油菜叶片丙二醛含量显著升高。可溶性糖变化量最大为16 000 μg·g-1，最小为-7 000 μg·g-1，相对于对照平均增加了94.7%。脯氨酸含量相对于对照变化量在100 μg·g-1左右，但品种间差异较大，最大增量可达1 400 μg·g-1，最小的在-10 μg·g-1左右，相对于对照平均增加了432.8%，说明受到干旱胁迫后油菜体内脯氨酸含量对干旱反应最为灵敏。不同的甘蓝型油菜种质在受到干旱胁迫下，各生理指标存在着明显差异，为甘蓝型油菜抗旱材料的筛选利用以及抗旱基因的挖掘创造了条件。

2.3 抗旱指数与各生理指标间的相关性分析

抗旱指数与8个抗旱生理指标之间的相关性分析结果表明(表3)，在干旱胁迫下，不同甘蓝型油菜种质的抗旱指数与可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量呈极显著正相关，相关系数分别是0.521**，0.506**和0.495**；与丙二醛含量呈极显著负相关，相关系数为-0.372**；抗旱指数与离体叶片保水力有极显著的正相关关系，相关系数为0.426**，与SPAD值(0.172)、叶片含水量(0.118)和地上部干重(0.12)呈正相关，但不显著。此外，可溶性糖与脯氨酸(0.240**)、可溶性蛋白与可溶性糖(0.252**)、叶片保水力与叶片含水率(0.364**)也有极显著相关关系。

表2 120份甘蓝型油菜种质抗旱性分级

图2 干旱处理下120份甘蓝型油菜种质生理指标的变化Fig.2 Changes of physiological indexes of 120 Brassica napus L. varieties (lines) under drought treatment

2.4 抗旱生理指标主成分分析

为了更充分揭示不同甘蓝型油菜种质各抗旱生理指标的变异特征值，对上述8个生理指标进行了主成分分析(表4)。可以看出，主成分1、2、3对抗旱指数的贡献率分别为32.996%、19.174%和11.58%，累计贡献率为63.75%，说明这3个主成分覆盖了大部分原始数据的信息。

主成分1中载荷最高的因子为可溶性蛋白含量，其次为可溶性糖，且特征向量均为正值，抗旱指数特征向量也为正值。说明该主成分为渗透调节控制因子，且可溶性蛋白和可溶性糖的增加有利于甘蓝型油菜抗旱性提高。

表3 各生理指标间的相关系数Table 3 Correlation coefficients among physiological indexes

注：*为在0.05水平上显著相关，**为在0.01水平上极显著相关。Y为抗旱指数,X1为叶绿素相对数量,X2为叶片含水量,X3为地上部干重,X4为叶片保水力，X5为可溶性蛋白，X6为丙二醛，X7为可溶性糖，X8为脯氨酸。

Note: * indicates the significant level of 0.05; ** indicates the significant level of 0.01. Y-DRI,X1-spad,X2-leaf water content,X3-above ground dry weight,X4-blade water recention,X5-soluble protein,X6-MDA content,X7-soluble sugar,X8-proline.

主成分2中抗旱指数特征向量为正，载荷最高的因子是离体叶片保水力，其次是叶片含水量，且特征向量也为正值。说明此因子为水分保持因子，叶片的保水力越强、含水量越高甘蓝型油菜的抗旱性越强。

主成分3中载荷最高的因子为丙二醛含量，且该因子特征向量为正值，但抗旱指数的特征向量值为负。说明此因子为反映细胞膜损伤因子，丙二醛含量越高，甘蓝型油菜的抗旱性越差。

2.5 各生理指标对抗旱指数间的通径分析

为分析120份甘蓝型油菜种质的8个抗旱生理指标对抗旱指数的影响，首先确定抗旱指数与 8 个生理指标间是否存在线性回归关系。线性回归方差分析表明，F=80.71，达到极显著水平，说明抗旱指数与8个生理指标间存在极显著线性关系，可以进行通径分析(表5)。120份甘蓝型油菜种质 8 个生理指标对抗旱指数的直接贡献大小依次为可溶性蛋白(0.384)>叶片保水力(0.377)>可溶性糖(0.366)>丙二醛(|-0.347|)>叶片含水量(0.047)>SPAD值(|-0.041|)>地上部干重(0.035)>脯氨酸(|0.001|)。对抗旱指数直接贡献较大且为正效应的是可溶性蛋白、叶片保水力和可溶性糖。同时可溶性蛋白、叶片保水力和可溶性糖与抗旱指数呈极显著正相关，说明提高这3个生理指标有利于抗旱性的提高。

在8个生理指标分别通过其他指标对抗旱指数的间接综合效应中，除丙二醛为负效应(-0.049)外，其余7个生理指标通过其他指标间接作用综合效应为正，且由大到小依次为SPAD值(0.196)>脯氨酸(0.132)>可溶性蛋白(0.079)>叶片含水量(0.074)>地上部干重(0.068)>叶片保水力(0.057)>可溶性糖(0.055)。

表4 抗旱指标主成分分析

3 讨 论

作物抗旱性的研究方法主要有人为控制土壤含水量和模拟干旱，其中以模拟干旱应用最多，用PEG-6000高渗透溶液模拟干旱的方法操作简单，而且PEG溶液不会被植物体吸收，对植物无毒害、试验重复性好、周期短等特点，适用于大批量材料的抗旱性快速鉴定[16]。

油菜的抗旱性是一个复杂的数量性状，抗旱性鉴定的关键是选择合适的形态和生理指标。前人对小麦的抗旱性研究表明，小麦生理指标与抗旱性的相关性大于农艺性状指标[17]；本研究通过对120份甘蓝型油菜品种(系)干旱处理下(以正常为对照)生理指标进行测定，结果表明各生理指标与抗旱指数的相关性较显著，与前人的研究结果相似。干旱胁迫下植物细胞内富集大量活性氧，引发膜脂过氧化自由基链式反应，破坏膜的正常功能，并且产生和积累过氧化产物MDA[18-19]。本研究表明，PEG-6000模拟干旱胁迫后油菜幼苗体内MDA含量呈现增加趋势，且增加量与幼苗的抗旱性呈极显著负相关。渗透调节能力与作物的抗旱性有着直接的关系，渗透调节能力强的材料叶片和根系的保水能力也相对较强，可保持相对正常的呼吸作用，使叶片有相对高的水势，能在干旱胁迫条件下保持正常的光合作用，可以在生殖生长阶段吸收更多的水分，并且干旱条件下维持根系的生长[20-21]。Abbasian等[22]研究表明渗透调节可以用作甘蓝型油菜抗旱品种选育时抗旱性鉴定指标。本研究通过测定模拟干旱处理材料可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质，发现这些作物体内的渗透调节物质在受到干旱胁迫后在绝大多数材料中均呈升高趋势，且升高程度与各油菜品种(系)的抗旱指数呈极显著的相关关系，这与前人的研究结果具有相同之处。

表5 8个生理指标对抗旱指数的通径系数

本研究在PEG-6000模拟干旱条件下，鉴定甘蓝型油菜的抗旱性，筛选出抗旱和敏旱的种质材料;并采用相关分析、主成分分析和通径分析等方法，探讨甘蓝型油菜的抗旱性与油菜8个抗旱相关的指标之间的关系，结果表明，与甘蓝型油菜抗旱相关的指标主要有可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和离体叶片保水力等，这些性状可作为甘蓝型油菜抗旱性苗期鉴定的指标。