新疆地区马铃薯品种抗旱性比较及筛选

孙 慧,王亚玲,刘 易,李江涛,邢斌德,罗正乾,冯怀章

(新疆农业科学院 综合试验场,乌鲁木齐 830012)

马铃薯(Solanum tuberosumL)是仅次于水稻,小麦和玉米的第四大粮食作物[1];马铃薯可食用的块茎部分不仅风味佳、味道好,而且富含蛋白质、铁、锌等多种人体需要的营养物质,是一种非常好的粮食蔬菜兼用食材;马铃薯也是加工企业的主要生产原料,如:薯条、薯片、粉条、粉丝、淀粉等;且种植周期短、产量高;新疆2017-2018年总播种面积累计3.44万hm2,总产量达到23.8万t[2],作为新疆南疆地区精准扶贫工作的重要作物之一,具有广阔的发展前景。

新疆属于温带大陆性气候,全年干旱少雨,日照充足,蒸发性强,气候凉爽,马铃薯是典型的喜凉性温带气候性作物,因缺乏有效的耐旱机理,对水分亏缺和高温敏感。Tian等[3]表明干旱是西北地区马铃薯生产的关键限制因素。针对影响马铃薯产业发展的最大的自然制约因素-干旱问题,进行马铃薯抗旱性研究显得尤为重要,开展马铃薯品种的抗旱研究对于选育优良的抗旱品种有很大的指导意义[4]。

近年来,国内外学者在马铃薯抗旱方面进行了大量的研究并且取得重要进展,筛选与鉴定出多个马铃薯抗旱性综合评价方法,分别有抗旱系数法[5],它是水分胁迫下产量与正常供水条件下产量的比值,常与多种生理生化指标相结合用于马铃薯抗旱性鉴定;抗旱隶属函数值法[6-7]是通过计算马铃薯植株抗旱相关性状的隶属值,对马铃薯抗旱育种和筛选进行综合、精确的评价方法;主成分分析法[8-9](PCA)是一种降维数学变换方法,其基本思想是设法将原先众多且有一定相关性的指标转化成少数几个综合指标,结果可靠、准确。聚类分析方法[10]有很多种,根据应用所涉及的数据类型、聚类的目的以及具体要求来选择合适的聚类方法。杜培兵等[5]依据抗旱系数和抗旱指数筛选出抗旱性强品种‘中薯19号’‘同薯23号’;王谧[11]利用隶属函数法和主成分分析的方法,对19份马铃薯资源的抗旱性进行了综合评价;武新娟[12]利用抗旱系数结合隶属函数值法对30份马铃薯材料进行抗旱性综合评价,判断不同资源的抗旱性。杨宏宇[10]借助聚类分析法对88份马铃薯材料的抗旱性进行聚类分析,区分不同品种马铃薯的抗旱性。因此根据试验需求,选择适宜的抗旱性评价方法对马铃薯种质资源筛选以及其抗旱性的研究有着重要的意义。

本试验通过对不同马铃薯品种抗旱性的研究,初步筛选出适合新疆地区种植且丰产性好、抗旱性强的品种,为抗旱性马铃薯品种在新疆的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆乌鲁木齐北郊,东经87°28′,北纬45°56′,海拔590 m,该地区属于温带半干旱大陆性气候区,无霜期174 d,年平均日照时数2 733.6 h,≥10℃的积温3 063.3℃,年平均降水量260～290 mm。试验地土壤为沙壤土,有机质17.6 g/kg,全氮1.2 g/kg,全磷0.88 g/kg,全钾1.8%,p H 8.8。

1.2 试验材料

供试马铃薯品种9个:‘陇薯6号’‘陇薯10号’‘陇薯11号’‘陇薯13号’‘冀张薯12号’‘中薯19号’‘中薯20号’‘中薯22号’‘晋薯16号’,以上均为一级种薯。

1.3 试验方法

试验于2018-2019年在新疆农业科学院综合试验场进行,试验采用随机区组排列,每个品种设置2个处理,处理1:正常灌水(全生育期灌水量为240 m3/667m2)作为对照。处理2:干旱胁迫(全生育期灌水量为120 m3/667m2)。每个处理的小区安装水表、球阀控制小区灌水用量,2018年乌鲁木齐主城区夏季平均降雨量29.4 mm,2019年乌鲁木齐主城区夏季平均降雨量27.3 mm,7-8月晴热少雨,出现中度干旱,因此,自然降雨忽略不计。试验分别于2018年4月25日、2019年4月22日一次性播种完,每个品种种植5行区,小区面积20 m2,每行20株,每小区100株,行长6.67 m,行距60 cm,株距33.3 cm,每个处理设3次重复。

试验地每667m2施农家肥20 00～3 000 kg,磷酸二铵15 kg,硫酸钾10 kg做底肥一次性施入土中。幼苗期结合中耕培土追肥尿素8 kg/667m2,马铃薯结薯期一次施入氮、磷复合肥10 kg/667m2。定期除草。马铃薯出苗后40 d调查田间数据,收获期按小区收获,装袋挂标签称量并记录。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 生长指标 株高、茎粗:在马铃薯开花期、块茎膨大期用卷尺测量单株株高,用游标卡尺测量单株茎粗,以上指标随机选取3株测定,重复3次,测量结果均取同一处理的平均值。

1.4.2 叶绿素 在马铃薯开花期、块茎膨大期将各品种每个处理的每个重复选取3株,使用TYSB型叶绿素测定仪,取健康植株倒三叶为测量点测定SPAD值。

1.4.3 叶面积 在马铃薯开花期、块茎膨大期将各品种每个处理的每个重复选取3株,使用YMJ-CH型智能叶面积测量系统,取健康植株倒四叶测量叶面积。

1.4.4 产量 成熟期,试验小区每个处理的每个重复各选3株,分别测定每个植株地下部分结薯数、结薯质量。收获时,按小区测产,取3次重复的平均值,折合成667 m2产量。

1.4.5 根系 收获时,将植株地下部分挖出,清洗根系,用直尺测量根长,利用电子天平称量根鲜质量。根系105℃杀青30 min后,80℃烘干至恒量,称量根干质量。

根含水率=(根鲜质量-根干质量)/根干质量×100%

1.4.6 抗旱指标计算[5]抗旱系数=旱地产量/水地产量×100%

抗旱指数=抗旱系数×该材料旱地产量/所有材料平均旱地产量

1.5 数据统计与分析

使用Mierosoft Excel 2007以及DPS软件处理数据,采用Duncan’s新复极差法进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对马铃薯株高和茎粗的影响

由表1可以看出,2018年和2019年在干旱胁迫条件下,不同马铃薯品种的株高、茎粗较正常浇水均有所降低,说明干旱胁迫对马铃薯株高、茎粗产生了一定的影响,干旱对不同品种的影响不同,抗旱能力越强的马铃薯品种通常降低幅度越小[5]。关于株高多重比较表明,2018年和2019年‘中薯22号’‘陇薯10号’‘陇薯13号’3个品种的株高均较正常灌水差异不显著,说明干旱对这3个品种的株高影响较小。‘中薯20号’‘冀张薯12号’这2个品种2 a试验的株高均较正常灌水差异显著,说明这些品种株高对干旱胁迫较敏感。

关于茎粗多重比较表明,2018年和2019年在干旱胁迫条件下,‘中薯22号’‘陇薯6号’‘陇薯13号’‘晋薯16号’4个品种的茎粗较正常灌水差异均不显著,其中2019年‘陇薯13号’较正常灌水降幅最小仅为6.57%,其次为‘中薯22号’降低6.59%,说明干旱对这2个品种的茎粗影响最小。‘中薯20号’‘陇薯10号’‘陇薯11号’‘冀张薯12号’这5个品种在2年试验中茎粗均较正常灌水差异显著,其中2019年分别较正常灌水降低10.24%、18.87%、10.42%、7.11%。说明这些品种茎粗对干旱胁迫较敏感。综上所述,‘种薯22号’‘陇薯13号’在株高茎粗方面均表现优良。

2.2 不同处理对马铃薯叶绿素含量、叶面积的影响

干旱胁迫一方面使叶绿素的生物合成过程减弱,另一方面会使叶绿素分解加快,导致叶片绿色变淡,进而影响马铃薯的光合作用。因此叶绿素含量的高低会影响马铃薯产量的形成。由表2可知,2018年和2019年在干旱胁迫条件下,各品种叶绿素含量较正常灌水条件下均有所下降。2年试验中,‘陇薯10号’‘中薯20号’‘中薯19号’‘陇薯6号’4个品种叶绿素含量均较正常灌水差异显著,其中2019年分别较正常灌水下降15.50%、12.38%、12.24%、11.19%。‘陇 薯13号’‘中薯22号’‘晋薯16’‘冀张薯12号’叶绿素含量较正常灌水差异均不显著,2019年降幅仅在5.94%～12.75%。‘陇薯13号’降幅最低,较正常灌水仅下降5.94%、其次为‘中薯22号’较正常降低6.92%。说明‘陇薯13号’‘中薯22号’的叶绿素含量对干旱胁迫不敏感。

2018年和2019年在干旱胁迫条件下,各品种叶面积较正常灌水条件下均有所下降,表明干旱胁迫抑制叶片的生长。多重比较表明,‘陇薯11号’‘陇薯6号’‘冀张薯12号’叶面积在2 a试验中均较正常灌水差异显著,在2019年试验中分别较正常灌水降低23.72%、12.78%、9.36%。‘晋薯16号’‘中薯19号’‘中薯22号’‘陇薯13号’叶面积在2 a试验中均较正常灌水差异不显著,在2019年试验中分别较正常灌水降低2.94%、3.58%、6.02%、8.24%。说明干旱胁迫对这4个品种的抑制性较小。综上,‘中薯22号’‘陇薯13号’在干旱胁迫下,叶绿素含量和叶面积均表现良好。

年份Year品种Variety叶绿素含量(SPAD)Chlorophyll 叶面积/cm2 Leaf area正常灌水Normal irrigation干旱胁迫Drought stress正常灌水Normal irrigation干旱胁迫Drought stress 2018 中薯19号Zhongshu 19 47.24 a 43.21 b 25.78 a 23.67 a中薯20号Zhongshu 20 47.35 a 41.62 b 26.85 a 22.33 b中薯22号Zhongshu 22 48.42 a 44.36 a 29.45 a 28.31 a陇薯6号Longshu 6 46.67 a 42.31 b 24.34 a 20.58 b陇薯10号Longshu 10 46.89 a 40.85 b 24.37 a 20.45 b陇薯11号Longshu 11 47.36 a 44.52 a 23.26 a 19.48 b陇薯13号Longshu 13 49.24 a 45.33 a 25.72 a 24.11 a晋薯16号Jinshu 16 46.21 a 42.58 a 36.75 a 27.28 a冀张薯12号Jizhangshu 12 45.98 a 42.23 a 27,55 a 23.46 b 2019 中薯19号Zhongshu 19 48.60 a 42.65 b 28.20 a 27.19 a中薯20号Zhongshu 20 48.79 a 42.75 b 27.60 a 26.55 a中薯22号Zhongshu 22 49.01 a 45.62 a 31.25 a 29.37 a陇薯6号Longshu 6 49.08 a 43.59 b 23.70 a 20.67 b陇薯10号Longshu 10 48.84 a 41.27 b 22.74 a 19.52 a陇薯11号Longshu 11 45.98 a 39.86 b 21.25 a 16.21 b陇薯13号Longshu 13 53.33 a 46.53 a 23.80 a 21.84 a晋薯16号Jinshu 16 47.27 a 43.70 a 38.04 a 36.92 a冀张薯12号Jizhangshu 12 47.63 a 44.80 a 29.50 a 26.74 b

2.3 不同处理对马铃薯根部的影响

由表3可知,2018年和2019年在干旱胁迫条件下,各品种马铃薯的单株根长均小于正常浇水处理。说明干旱抑制地下根系的生长。其中2018‘年陇薯13号’‘陇薯11号’‘中薯22号’根长较其他品种长,分别达到27.97 cm、27.21 cm、26.34 cm。2019年‘陇薯13号’‘中薯22号’‘中薯19号’根长较其他品种长,分别达到28.33 cm、27.45 cm、26.67 cm。在干旱胁迫下,2018年所有参试品种根干质量减幅为9.46%～32.54%。其中‘中薯22号’减幅最小,为9.46%,其次是‘中薯19号’和‘陇薯13号’,分别为12.55%和14.35%,2019年所有参试品种根干质量减幅为18.72%～32.17%。其中‘陇薯13号’减幅最小,为18.72%,其次是‘晋薯16号’和‘中薯22号’,分别为19.72%,21.33%。2018年所有参试品种根含水率增幅为18.11%～35.39%。其中‘中薯22号’增幅最大,为35.39%,其次是‘中薯20号’和‘陇薯13号’,分别为32.61%、30.92%。2019年所有参试品种根含水率增幅为19.39%～35.84%。其中‘中薯22号’增幅最大,为35.84%,其次是‘中薯20号’和‘陇薯13号’,分别为34.36%、33.39%。综上可看出‘陇薯13号’‘中薯22号’根干质量减幅较其他品种小,根含水率增幅较其他品种高。

2.4 不同处理对马铃薯单株块茎质量的影响

从表4可以看出,2018年和2019年在干旱胁迫条件下,不同品种的单株结薯数和单株块茎质量均较正常灌水有所降低,然而干旱对不同品种的影响不同。其中,2018年‘中薯19号’‘陇薯6号’‘陇薯10号’‘冀张薯12号’单株结薯数,单株块茎质量均较正常浇水处理下差异显著,‘中薯22号’‘陇薯13号’单株结薯数,单株块茎质量均较正常浇水处理下差异不显著,干旱胁迫下‘冀张

薯12号’‘中薯22号’单薯质量最大,分别达到97.46 g和85.58 g。2019年‘中薯19号’‘陇薯10号’‘冀张薯12号’单株结薯数,单株块茎质量均较正常浇水处理下差异显著,单株结薯数较正常浇水降低29.23%～42.91%,单株块茎质量较正常浇水降低47.09%～72.86%。‘中薯22号’‘陇薯11号’‘陇薯13号’‘晋薯16号’单株结薯数和单株块茎质量均较正常浇水处理下差异不显著。单株结薯数较正常浇水降低7.63%～24.65%。单株块茎质量较正常浇水降低37.11%～61.19%。干旱胁迫下的‘冀张薯12号’‘中薯22号’单薯质量最大,分别达到112.54 g和93.64 g。

年份Year品种Variety根长/cm Root length根干质量/g Root dry mass根含水率/%Root water content正常灌水Normal irrigation干旱胁迫Drought stress正常灌水Normal irrigation干旱胁迫Drought stress减幅/%Decrease正常灌水Normal irrigation干旱胁迫Drought stress减幅/%Decrease 2018中薯19号Zhongshu 19 30.58 a 25.87 a 2.31 2.02 12.55 10.65 13.67 28.36中薯20号Zhongshu 20 27.73 a 22.56 b 2.26 1.93 14.6 10.64 14.11 32.61中薯22号Zhongshu 22 28.42 a 26.34 a 2.22 2.01 9.46 11.33 15.34 35.39陇薯6号Longshu 6 27.55 a 22.84 b 1.98 1.52 23.23 10.98 13.58 23.68陇薯10号Longshu 10 26.83 a 21.49 b 2.10 1.61 23.33 10.57 13.43 27.06陇薯11号Longshu 11 29.75 a 27.21 a 2.21 1.53 30.77 12.15 15.31 26.01陇薯13号Longshu 13 32.84 a 27.97 a 2.23 1.91 14.35 12.97 16.98 30.92晋薯16号Jinshu 16 31.83 a 23.78 b 2.15 1.68 21.86 12.81 15.13 18.11冀张薯12号Jizhangshu 12 26.79 a 20.86 b 2.09 1.41 32.54 11.33 13.66 20.56 2019中薯19号Zhongshu 19 32.11 a 26.67 a 2.2 1.58 28.19 10.87 14.31 31.65中薯20号Zhongshu 20 28.78 a 24.223 a 2.36 1.71 27.54 11.41 15.33 34.36中薯22号Zhongshu 22 31.89 a 27.45 a 2.11 1.66 21.33 11.69 15.88 35.84陇薯6号Longshu 6 28.11 a 24.00 b 2.02 1.37 32.17 10.06 12.43 23.56陇薯10号Longshu 10 28.00 a 22.78 b 2.06 1.41 31.55 9.18 10.96 19.39陇薯11号Longshu 11 28.44 a 26.22 a 2.27 1.61 29.07 10.61 13.62 28.37陇薯13号Longshu 13 34.00 a 28.33 a 2.19 1.78 18.72 12.58 16.78 33.39晋薯16号Jinshu 16 32.44 a 25.67 b 2.13 1.71 19.72 11.95 15.86 32.72冀张薯12号Jizhangshu 12 27.67 a 21.11 b 2.17 1.54 29.04 10.32 12.89 24.9

2.5 不同处理对马铃薯产量的影响

从表5可以看出,2018年和2019年在干旱胁迫条件下,各品种马铃薯的产量较正常灌水产量均有所下降,干旱胁迫对不同品种影响不同,多重比较表 明,2018年‘中 薯19号’‘中 薯22号’‘陇薯11号’‘陇薯13号’每667m2产量较正常灌水差异不显著。其余品种较正常灌水差异显著。干旱胁迫处理下,‘中薯22号’‘陇薯13号’较其他品种减产幅度小,分别减产37.20%和37.61%。各品种马铃薯的商品率较正常灌水有所下降,其中,‘陇薯6号’‘陇薯13号’‘陇薯10号’商品薯率减幅小于25%,分别为20.38%、21.44%、24.60%。‘中薯19号’‘中薯20号’‘中薯22号’‘陇薯11号’‘晋薯16号’‘冀张薯12号’商品薯率减幅均大于25%,分别为34.77%、37.47%、25.63%、39.53%、30.94%、26.11%。2019年‘中薯19号’‘中薯22号’亩产量较正常灌水差异不显著。其余品种较正常灌水差异显著。干旱胁迫处理下,‘中薯22号’‘陇薯13号’较其他品种减产幅度小,分别减产36.54%、37.60%。干旱胁迫处理下,各品种马铃薯的商品率较正常灌水有所下降,其中,‘陇薯13号’‘陇薯10号’‘中薯22号’‘冀张薯12号’商品薯率减幅小于25%,分别为19.82%、20.15%、22.36%、24.49%。‘中薯19号’‘中薯20号’‘陇薯6号’‘陇薯11号’‘晋薯16号’商品薯率减幅均大于25%,分 别 为32.79%、33.12%、30.35%、41.39%、31.61%。

2.6 不同处理马铃薯抗旱评价

抗旱系数反映干旱对产量影响的敏感程度,数值越大,表明抗旱能力越强。由表6可知,参试品种中,2018年和2019年抗旱系数均大于0.600的有‘中薯22号’‘陇薯13号’。2018年和2019年抗旱系数均在0.500～0.600的有‘中薯19号’‘陇薯10号’。2018年和2019年抗旱系数均小于0.500的有‘晋薯16号’。抗旱指数不仅反映了干旱环境对产量的影响,还能反映基因型差异对产量的影响,抗旱指数越大,表明抗旱能力越强,在干旱胁迫处理下,2018年和2019年抗旱指数较高的均为‘中薯22号’‘陇薯13号’,其中2019年抗旱指数分别为0.982、0.875。依据抗旱指数可以看出抗旱能力强的品种有‘中薯22号’‘陇薯13号’。

年份Years品种Variety抗旱系数Drought resistance coefficient抗旱指数Drought resistance index 2018 中薯19号Zhongshu 19 0.511 0.391中薯20号Zhongshu 20 0.495 0.425中薯22号Zhongshu 22 0.628 0.937陇薯6号Longshu 6 0.532 0.432陇薯10号Longshu 10 0.569 0.573陇薯11号Longshu 11 0.537 0.424陇薯13号Longshu 13 0.624 0.873晋薯16号Jinshu 16 0.423 0.435冀张薯12号Jizhangshu 12 0.449 0.381 2019 中薯19号Zhongshu 19 0.506 0.411中薯20号Zhongshu 20 0.515 0.483中薯22号Zhongshu 22 0.635 0.982陇薯6号Longshu 6 0.621 0.530陇薯10号Longshu 10 0.528 0.482陇薯11号Longshu 11 0.483 0.358陇薯13号Longshu 13 0.624 0.875晋薯16号Jinshu 16 0.402 0.361冀张薯12号Jizhangshu 12 0.522 0.465

3 讨论

马铃薯通常被认为是对干旱敏感的作物,干旱胁迫是限制马铃薯产量和品质的重要瓶颈之一[13],引进新型马铃薯品种,评价品种抗旱性,可为新疆抗旱马铃薯新品种的利用和推广奠定理论和实践基础。与此同时,学者们对减轻干旱对马铃薯生产的影响的方法进行了大量研究,例如基于遗传[14]、节水灌溉[15]、耕作制度[16]等方法选育抗旱品种,及马铃薯生产地区的干旱时空分析和干旱预测[17]。

干旱胁迫会抑制植株的株高、主茎、叶面积、根系、产量等性状[18],有研究表明[19],干旱胁迫指数与株高成反比。本研究发现干旱胁迫对‘中薯22号’‘陇薯13号’株高和茎粗影响较小,较正常灌水处理差异不显著,抗旱能力较强;Monneveux等[20]研究表明干旱限制叶片的生长,降低叶面积指数及单位叶面积的光合作用速率,本试验中‘中薯22号’‘陇薯13号’叶面积较正常灌水差异不显著,‘陇薯13号’‘中薯22号’叶绿素含量较正常灌水差异不显著,并且分别较正常灌水下较少;马铃薯不耐干旱主要归因于一段时间的水分胁迫后其根系浅和恢复能力低[21],耐旱品种具有更深的根系、更多的根表面积和更多的根尖数[22]。杜培兵等[23]研究发现,干旱胁迫下,根干质量减幅越小根含水率增幅越大越抗旱,本试验中‘陇薯13号’根干质量减幅最小,其次是‘晋薯16号’和‘中薯22号’;根含水率‘中薯22号’增幅最大,其次是‘中薯20号’和‘陇薯13号’。综合对根干质量及根含水率的比较,表明‘陇薯13号’‘中薯22号’抗旱性较强;干旱严重影响着马铃薯的产量,严重时可造成减产50%以上,此外还可引起一系列的不良反应,如马铃薯薯块品质的下降、形态畸形、代谢紊乱等[4]。‘中薯22号’‘陇薯13号’在干旱胁迫下生长势好,产量在所有品种中最高。本试验通过应用抗旱系数和抗旱指数2个指标,更直观地筛选出抗旱性强的品种为‘中薯22号’‘陇薯13号’。这与通过对长势和产量分析筛选的结果一致。

4 结论

中国是世界上最大的马铃薯生产国,中国60%的马铃薯作物都在干旱和半干旱气候下种植[24]。中国只有少数具有高抗旱性的品种被推广应用[25]。因此加快抗旱品种的筛选对农业生产非常重要。本试验以正常灌水为对照,对9个马铃薯品种进行株高、茎粗、叶绿素、叶面积、根系、单株结薯数、单株块茎质量、单薯质量和产量方面进行综合比较,初步筛选出‘中薯22号’‘陇薯13号’各方面抗旱能力优良,并且在抗旱系数和抗旱指数两个指标中,‘中薯22号’‘陇薯13号’均表现最好。因此本试验认为‘中薯22号’和‘陇薯13号’宜作为抗旱品种在新疆地区推广应用。