不同花生品种抗旱性鉴定及抗旱指标评价

刘博宽，赵楠楠，崔顺立，李秀坤，刘盈茹，何美敬，侯名语，杨鑫雷，穆国俊，刘立峰

（1省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室/教育部华北作物种质资源实验室/河北省作物种质资源重点实验室/河北农业大学农学院，河北保定 071001；2河北北方学院农林科技学院，河北张家口 075000）

0 引言

栽培花生(Arachis hypogaea)是豆科落花生属一年生作物，是世界范围内广泛种植的油料和经济作物，其籽仁含有丰富的蛋白质和植物油脂，在国内粮油生产和加工利用中占据举足轻重的地位。随着全球气候变暖和生态平衡的打破，旱情严重程度逐年增加，干旱胁迫成为限制世界花生产量和品质提升的主要因素[1]。干旱是全球常见的自然灾害之一，全世界每年由于干旱造成作物减产的损失等于其他非生物胁迫造成的损失之和。据统计，中国受旱面积高达200万～270万hm2，由干旱造成粮食减产350亿～400亿kg[2]。国内花生主产区主要分布在干旱和半干旱区域，这些地区年度间降雨量波动较大，再加上灌溉措施不完善，使得花生整个生育期均易受到干旱胁迫的危害。Yang等[3]发现，干旱胁迫对抗旱性不同的花生生长发育过程、生理指标及产量均有影响，长期干旱胁迫下，花生叶片、根系、花芽和荚果的生长均会受到明显抑制，同化物积累和能量代谢中断，呼吸作用降低，固氮和矿质元素吸收受到影响。干旱胁迫也会延缓豆科作物根瘤的形成，降低豆科作物根瘤的特异活性和数量，从而降低豆科作物的固氮作用[4]。据报道，国内约70%的花生种植面积中，超过30%的花生产量损失是由干旱引起的[5]。因此，提高花生抗旱性是花生育种一个永恒不变的目标，而筛选抗旱花生种质资源是抗旱育种的基础，对花生抗旱育种研究、抗旱种质资源高效利用以及不同花生品种生产利用的合理分布具有十分重要的意义。

花生的抗旱性是由多基因控制的数量性状，遗传基础复杂，且受外界环境条件影响很大[6]。Koushik等[7]研究认为在干旱胁迫下，花生不同生育时期表现出不同的生理反应，总体表现为相对含水量、膜稳定性、比叶面积、叶绿素和类胡萝卜素含量的下降，下降幅度因品种和发育阶段而异。前人研究普遍认为，多指标多方法相结合的抗旱性综合评价结果会更准确可靠。为了避免单一指标的不稳定性和片面性，许多学者先后在水稻、胡麻、棉花、油菜、薏苡和小麦等作物抗旱性鉴定和抗旱指标筛选上采用了频次分析、相关分析、隶属函数分析、主成分分析、聚类分析和逐步回归分析等多种方法相结合的综合评价，涉及群体、个体、细胞及分子等水平的抗旱性研究[8-10]。张军等[11]通过隶属函数和抗旱系数对萌发期7份水稻品种进行抗旱筛选，并认为科学的鉴定指标和评价方法是准确评价抗旱性的关键。孙瑶等[12]利用隶属函数法对73份棉花种质进行抗旱性评价，筛选出28份抗旱材料和6份不耐旱材料。陈卫国等[13]对211份小麦品种进行抗旱性评价，结果表明单株产量对干旱胁迫的敏感程度最大，综合利用多种抗旱评价方法得到的抗旱性鉴定结果是可靠准确的。作物抗旱性鉴定及抗旱指标筛选需要在各个生育时期综合生理、形态、产量等指标进行全面评价[14]。

花生抗旱性鉴定研究多在温室或旱棚进行苗期或全生育期盆栽试验，本试验在旱棚条件下对13份花生栽培种进行干旱处理和常规灌水处理，通过分析与花生抗旱性相关的多个农艺性状指标和生理指标，对花生品种抗旱性进行综合评价，从而筛选出抗旱性强的花生品种，为开展花生抗旱品种选育和抗旱基因及启动子功能验证提供研究基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选取当前生产上广泛种植的13份花生品种为试验材料（表1）。由河北农业大学花生研究所种质资源库提供。

表1 花生抗旱品种评价供试材料

1.2 试验设计

试验于2020年在河北农业大学清苑试验站旱棚内进行，抗旱池长6 m、宽5 m、深2 m，抗旱池四周为水泥墙，池底未封闭。抗旱池土壤类型为砂质壤土。

设对照(CK)和干旱胁迫(T)2个处理，每个处理设4次重复，于2020年6月中旬穴播，行距0.4 m，穴距0.15 m，每穴2株，所有处理在整地播种前灌底墒水，干旱胁迫处理播种后不再浇水，对照处理及其余栽培措施按常规大田生产管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 形态指标 在收获前3天选取每行中间长势一致的5穴（10株），参照姜慧芳等编著的《花生种质资源描述规范和数据标准》[15]分别测量主茎高(height of main stem，HMS)、侧枝长(length of lateral branch，LLB)、总分枝数（主茎一级分枝）(total branch numbers，TBN)、结果枝数（主茎一级分枝）(number of bearing branches，NBB)，分别对根、茎、叶、果称取鲜重、干重，并计算地上部干重(shoot dry weight，SDW)、根干重(root dry weight，RDW)、单株荚果重 (pod weight per plant，PWPP)、总生物量(total biomass，TB)。

1.3.2 生理指标 饱果成熟期选取代表性植株主茎倒三叶15片，测量生理指标，每个指标重复3次。

叶片相对含水量(relative water content，RWC)测定参照陈永坤等[16]的方法，用式(1)计算相对含水量。

式中，FW为样品鲜重，TW为样品饱和鲜重，DW为样品干重。

叶片相对电导率(relative conductance，RC)测定参照杨惠菊等[17]方法，采用购自梅特勒-托利多仪器有限公司的FE30实验室电导率仪测定叶片电导率R1和R2。用式(2)计算相对电导率。

采用浸提法[18]分别测定叶绿素a(chlorophyll a)、叶绿素b(chlorophyll b)和胡萝卜素(renieratene)。叶片可溶性糖(soluble sugar，SS)、脯氨酸(proline，Pro)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)分别使用植物可溶性糖(SS)含量试剂盒（微板法96样）（苏州格锐思生物科技有限公司提供），植物脯氨酸(Pro)含量试剂盒（微板法96样）（苏州格锐思生物科技有限公司提供），植物丙二醛(MDA)含量试剂盒（微板法96样）（苏州格锐思生物科技有限公司提供），超氧化物歧化酶(SOD)-WST法试剂盒（微板法96样）（苏州格锐思生物科技有限公司提供），过氧化物酶(POD)试剂盒（微板法96样）（苏州格锐思生物科技有限公司提供）测定。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据录入和整理，用IBM SPSS Statistics 20进行数据统计分析。

按式(3)和(4)分别计算单项抗旱系数(drought resistance coefficient，DC)和 综 合 抗 旱 系 数(comprehensive drought resistance coefficient，CDC)。

式中，Ti和CKi分别表示干旱胁迫和对照处理的指标测定值。

按式(5)计算因子权重系数ω(i)。

式中，Pi为第i个综合指标的贡献率，表示第i个指标在所有指标中的重要程度。

按式(6)计算各基因型各综合指标的隶属函数值μ(xi)。

式中，xi、ximax、ximin分别表示第i个综合指标及第i个综合指标的最小值、最大值。

根据因子权重ωi及隶属函数值μ(xi)，按式(7)计算抗旱性度量值(drought resistance comprehensive evaluation values，D)。

最后针对供试花生品种的D值进行聚类分析，划分抗旱级别，并分别以D值为因变量，对各指标DC值进行逐步回归分析，求得回归方程。

2 结果与分析

2.1 供试品种的代表性及其指标测定值分析

供试品种干旱胁迫处理与对照处理各测定指标均存在显著差异，各生理指标平均值的变异系数介于0.061～0.382，各农艺性状指标平均值的变异系数介于0.078～0.467，说明本研究所选用的花生品种材料类型较丰富，具有良好的代表性，选用指标对干旱胁迫较敏感。供试花生品种各性状在对照和处理下的相关性差异较大，介于0.070～0.683，这进一步说明各指标对干旱胁迫的敏感性存在差异。

2.2 供试品各指标DC值频次与相关性分析

与CK相比，干旱处理后的花生品种各指标均发生不同程度改变（表2～3）。同一指标各品种间DC值存在明显差异，变异系数介于0.049～0.451之间。同一品种不同指标DC值存在一定差异，有必要借助综合抗旱系数（CDC值）和因子分析确定其权重系数ω后对抗旱性进行综合评价。

表2 供试花生品种生理指标的抗旱系数

表3 供试花生品种农艺性状的抗旱系数

同一区间各指标DC值的分布次数和频率有较大差异。DC值在0.9～1.2之间的根干重、叶片相对含水量、总分枝数、结果枝数、SOD、SS、相对电导率、MDA的分布频率为87.5%、62.5%、62.5%%、56.25%、43.75%、43.75%和25%，说明各指标对干旱胁迫的敏感程度由高至低依次为MDA、相对电导率、SS、SOD、结果枝数、总分枝数、相对含水量和根干重。因此，直接采用这些指标会因指标间信息重叠，难以客观、准确地评价各品种的抗旱性，从而影响抗旱鉴定。

各指标单项抗旱系数相关性分析表明，各指标间都存在一定的相关性（表4）。其中，叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素均互为极显著正相关，相关系数分别为0.953、0.930和0.921；单株荚果重与地上部干重呈极显著正相关，相关系数为0.734，单株荚果重与总分枝数、结果枝数、根干重呈显著正相关，相关系数分别为0.660、0.596和0.591；总生物量与地上部干重、单株荚果重呈极显著正相关，相关系数分别为0.830、0.944，总生物量与主茎高、总分枝数、根干重呈显著正相关。相反的是，MDA与主茎高、侧枝长呈极显著负相关，相关系数分别为-0.711、-0.729；叶片相对含水量也与主茎高、侧枝长呈极显著负相关，相关系数分别为-0.562、-0.597。

表4 供试花生品种各指标抗旱系数间相关性

采用CDC值对花生品种进行抗旱性强弱排序，13个花生品种的抗旱性由强至弱依次为L149、L221、L147、L186、38、L379、L98、L631、34、33、L632、L220、35。

2.3 主成分分析

对各性状指标DC值进行主成分分析，获得向因子载荷、特征根和贡献率（表5），便于进一步确定和评价抗旱鉴定的指标。结果表明，各因子特征值中前6个因子的累计贡献率达到89.977%，其特征根λ＞1。这6个主因子涵盖原始数据的大部分信息，可作为分析数据的有效成分。故抽取前6个因子，可将原来的各项性状指标转换为6个新的相互独立的综合指标（分别以F1、F2、F3、F4、F5和F6表示）。F1在总生物量、主茎高、荚果干重、侧枝长和地上部干重具有较高载荷量，F2在叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、相对电导率和总分枝数有较高载荷量，F3在相对含水量、PRO和总分枝数上有较高载荷量，F4在结果枝数和根干重有较高载荷量，F5在POD和MDA上有较高的载荷量，F6在可溶性糖、SOD和总生物量上有较高的载荷量。

表5 供试花生品种各指标主成分向量特征及贡献率

2.4 隶属函数分析及其品种的综合抗旱性评价

在获得主因子特征向量的基础上，利用模糊隶属函数法，获得各因子的隶属函数值(μ)，并根据各因子权重系数(ω)，对各主因子隶属函数值(μ)赋予相应的权重，计算加权隶属函数值，作为综合抗旱性度量值(D)，由此可比较准确地评价花生品种的抗旱性，D值愈大，其抗旱性愈强（表6）。

表6 供试花生品种抗旱性评价的CDC值和D值

本试验花生品种D值介于0.592～0.191之间，平均值0.429，变异系数0.320。将13个花生品种根据D值大小进行抗旱性排序（表6），抗旱能力强的品种为L186、L379、L221、L149、L147，抗旱性弱的品种为L220、L632、33、35，其余品种介于两者之间。这与基于CDC值的13个花生品种抗旱性强弱评价结果高度吻合。

2.5 聚类分析及抗旱级别划分

在λ=5处将13个花生品种分为4类（图1）。其中，第Ⅰ类为抗旱品种，包括L147、L149、L186、L221和L379品种，占品种总数的38.46%。这与CDC值、D值在所有的品种中的结果基本一致。第Ⅱ类为中等抗旱品种，占品种总数的15.38%；第Ⅲ类为敏感品种，占品种总数的30.77%；第Ⅳ类为高度敏感品种，占品种总数的15.38%。

图1 基于D值的供试花生品种抗旱性系统聚类图

2.6 花生抗旱性鉴定回归方程的建立

为建立抗旱性评价的数学模型，把D值作为因变量，各单项指标的抗旱系数作为自变量进行逐步回归分析，并建立推测花生抗旱能力的最优回归方程D=-1.888+0624X1+1.896X2+0.507X3，式中，X1、X2、X3分别代表单株荚果重、结果枝数、相对含水量。回归方程的决定系数R2=0.906，F检验达到极显著水平，说明模型拟合度较好，为较优的回归方程，其预测精度较为精确，用此方程进行花生品种抗旱性评价效果好。

3 讨论

3.1 花生抗旱性鉴定指标的选择

作物的抗旱性不仅是数量性状，受多基因控制，而且和作物的种类、表型及生理性状及环境的互作极为相关[19]。因此，不能仅凭单一指标来进行抗旱性评价，而指标过多虽可以更全位考量其抗旱性，但工作量大，费时费力。因而选择出合理的抗旱指标是抗旱性鉴定的关键所在，既能较为全面评价其抗旱性，又省时省力。

根据国内外许多学者的研究结果不难看出不同作物抗旱指标不同，并且作物抗旱性相关性状的鉴定角度也有差异[20-22]。张巩亮等[23]通过主成分分析和聚类分析对30个水稻种质资源进行综合抗旱性评价，筛选出穗重、穗粒数、结实率、产量、生物产量和经济系数6项指标作为水稻抗旱适宜性评价的特征指标。殷婷等分析比较25个油菜品种的抗旱鉴定产量指标（抗旱系数、干旱敏感指数、抗旱指数、抗旱指数修订式），认为抗旱指数和抗旱指数修订式2个指标适合于油菜品种的综合抗旱性鉴定。张冠出等[24]通过测定相对分枝数、相对主茎高、相对第一侧枝长等指标对30份花生品种进行抗旱耐盐性评价，表明出苗率、第一侧枝长和生物量可辅助判断花生的综合抗旱耐盐能力。孙军伟等[25]研究认为叶面积、叶片相对含水量、可溶性蛋白含量、丙二醛含量、脯氨酸含量共5项指标可作为小麦灌浆期抗旱鉴定指标。郭效龙等[26]研究表明，种子萌发指数、萌发抗旱指数、Pro含量、MDA含量和SOD活性均可作为鉴定自交系抗旱性的指标。本试验选取与干旱胁迫有关的18项生理和农艺性状指标综合评价花生抗旱性，与孙军伟和郭效龙等选用的生理指标相似，农艺形状指标与张冠出等研究相似。

3.2 花生抗旱性评价方法的选择

评价作物的抗旱性不仅与评价指标关系密切，而且也要运用合适的评价方法。在小麦[20]、水稻[22]、芝麻[27]等多种作物的种质资源抗旱性评价用到了多种指标和方法，说明抗旱性综合评价值D为作物抗旱性的优良评价指标。

田宏先等[28]通过抗旱系数和隶属函数对4个油菜品种进行综合评价，表明短时间干旱有利于提高其抗旱性，但超过一定限度，则抗旱性显著降低。田又升等[22]采用主成分分析和模糊隶属函数值法对33份水稻资源进行抗旱鉴定，并根据抗旱性强弱将资源分为4类。汪灿等[29-30]在萌发期和成熟期通过隶属函数值、CDC值和D值对50份薏苡种质进行抗旱性鉴定，筛选出3份抗旱性强的薏苡种质。

张志猛等[31]在人工控水盆栽条件下，在花生结荚期和饱果期2个时期采用抗旱系数法和隶属函数值法，在水分胁迫下鉴定花生各性状指标的抗旱性，筛选出了8个抗旱性强的品种，并认为花生无论是在结荚期或者饱果期，D值可作为鉴定品种抗旱性的指标，单一的指标不能对花生品种（系）做出准确评价。综上所述，抗旱性综合评价值D作为抗旱性评价指标具有较强的可靠性。本研究采用的抗旱性评价方法与前人研究所用大致相同，并结合生理和表型指标综合评价，使结果更加准确。

3.3 花生品种抗旱性综合评价

干旱胁迫下，花生的很多方面会受到影响，任何单项的抗旱机理研究都存在一定的局限性[31]，所以多个指标综合评价才能客观正确的反映出花生品种的抗旱能力。本研究通过主成分分析，将原来的18项指标转换为6个相互独立的指标，使评价工作更为便捷。与抗旱性度量值D值相关程度较高的性状分别是荚果干重、总分枝数、总生物量、根干重和POD。这些指标可以作为花生简便、直观的抗旱性评价指标。因此，在花生种质抗旱性鉴定中，有针对性地测定上述指标可使鉴定工作更为简单、便捷。

本试验在运用综合抗旱系数法的同时采用隶属函数值法将其转换成相互独立的综合指标，结合单项抗旱系数、频次分析、相关分析、主成分分析、聚类分析和回归分析，对13个花生品种的抗旱性进行综合评价，由于D值是一个无量纲的数，消除了各指标的单位的差异而产生的影响。以D值为评价指标的方法不仅考虑了各个指标间的相互关系，同时考虑了各指标的重要性，能使评价结果更为准确。由于本研究供试材料较少，为提高鉴定结果可靠性，采用农艺性状与生理指标相结合的方式评价花生品种的抗旱性，力求能够准确全面地评价各品种抗旱性。

4 结论

干旱胁迫对花生各指标均有不同程度的影响，D值为花生抗旱鉴定方法较准确。本研究采用综合抗旱系数（CDC值）和抗旱性度量值（D值）为综合抗旱性评价方法，通过聚类分析划分其抗旱性。总生物量、POD、可溶性糖和相对含水量可作为花生抗旱简便、直观的抗旱性评价指标。筛选出抗性抗旱性较强的品种分别为L186、L221、L147、L149，抗旱性敏感品种分别为33、35。本研究为开展花生抗旱育种、干旱机理研究及抗旱基因的克隆和功能验证提供候选材料。