二倍体马铃薯抗旱相关指标筛选

高春燕 秦军红 段绍光 徐建飞 卞春松 金黎平 李广存

（农业农村部薯类作物生物学和遗传育种重点实验室，中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

马铃薯是世界上继水稻、小麦之后第三大粮食作物，具有重要的食用、饲用及工业价值（Aksoy et al.，2015；Liu et al.，2018；Moon et al.，2018）。马铃薯在我国主要分布在干旱半干旱地区，在各个生育阶段都可能受到干旱胁迫的影响，从而导致产量和品质下降（Wang et al.，2017；Zhang et al.，2018）。因此，培育高产抗旱马铃薯品种对节约水资源，保障我国粮食安全，增加旱区薯农收益具有重要意义（王洁 等，2015；Kikuchi et al.，2015；Sprenger et al.，2017；Aliche et al.，2018）。

筛选优质抗旱的马铃薯种质资源、建立快速高效的抗旱资源筛选评价体系，对加速抗旱育种进程，促进马铃薯稳定可持续生产具有重要意义（赵媛媛 等，2018）。马铃薯抗旱性是由微效多基因控制的数量性状，受基因与环境的共同调节，这加大了品种抗旱性改良的难度（王洁 等，2015；Jia et al.，2016；Sallam et al.，2019）。品种、胁迫时期、胁迫程度以及由干旱造成的伴随性胁迫如土壤压实、盐度和病原体等均会对马铃薯正常生长造成伤害，植株会在形态、生理、细胞和分子等多个水平上产生一系列变化，使得不同材料在受到干旱胁迫时的表现多种多样。因此，很难通过一种或几种指标来准确评价不同材料的抗旱能力（Monneveux et al.，2014；Obidiegwu，2015）。但众多指标的测量会加大育种工作量，延长材料筛选时间，得到的数据也过于庞大，而且通常指标间矛盾较多（Sprenger et al.，2017）。因此，需要寻找一种准确、简便、有效的方法来进行大量材料的抗旱性评价。

产量性状是多年来被大家公认的最权威的指标，它是植物在全生育期、各种形式的干旱胁迫下的最终体现，也与高产抗旱马铃薯品种的选育目标相吻合（Sreenivasulu et al.，2007；厉广辉 等，2014；赵媛媛 等，2018）。但是获得产量指标的周期较长，所以寻找与产量性状高度相关、能代替产量的指标至关重要。大多数已有研究主要集中在对马铃薯短期干旱胁迫下各指标的变化情况的调查（Obidiegwu，2015；Boguszewska et al.，2018）；而本试验首先对121 份马铃薯二倍体杂交后代群体进行田间抗旱性评价，并依据抗旱系数将所有基因型分为5 类，进一步从各类中分别选择1 个基因型，对其整个生育期进行不同程度的干旱胁迫，通过测定现蕾期和盛花期（水分敏感期）的生长和生理指标，探讨各指标与产量和抗旱系数的相关性，以期为马铃薯高产抗旱材料的筛选提供材料基础和筛选方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

二倍体抗旱分离群体（P3 群体）共计121 个基因型，由农业农村部薯类作物生物学和遗传育种重点实验室保存（表1），该群体父本为抗旱材料H145，母本为旱敏感材料H214。其中母本是双单倍体和的后代，其叶色浅绿、叶片较大、生长速度快；父本材料是USW5337.3（C）和772102.37（E）的后代，其叶色深绿、根系发达（范敏 等，2008）。根据2019年P3群体抗旱性鉴定结果，选出P3-17（高抗旱型）、P3-178（抗旱型）、P3-244（中等抗旱型）、P3-168（旱敏感型）、P3-14（高旱敏感型）用于后续抗旱相关指标的筛选。但选出的抗旱型基因型P3-178 在2020 年的试验中现蕾期以后不能正常生长，所测数据不可靠，故舍弃。

1.2 试验设计

2019 年在河北省张家口市察北管理区四分场 试验 基地（41°27′50″N，115°3′23″E，海 拔1 358 m）进行P3 群体抗旱性评价试验。5 月10 日播种，9 月21—22 日收获。试验土壤为栗钙土。试验设灌溉和雨养两种处理，每个处理3 次重复，每个重复每个基因型种4 株，株距20 cm，行距90 cm，同行不同基因型间距离为1 m。

2020 年在河北省张家口市察北管理区中国农业科学院蔬菜花卉研究所马铃薯改良分中心抗旱棚（41°25′13″N，114°55′55″E，海拔1 400 m）中进行马铃薯抗旱相关指标筛选的试验，花盆埋在土里。试验设基因型和水分两种因素，采用裂区设计，水分为主区，基因型为副区。水分处理分别为正常灌溉（W1，75%～85%），轻度胁迫（W2，55%～65%）、中度胁迫（W3，35%～45%）、重度胁迫（W4，15%～25%）（刘溢健 等，2019；Wei et al.，2020）。基因型为5 个，共20 个处理，每个处理种植4 盆，3 次重复，共240 盆。花盆标准为高度28.5 cm、口径24.0 cm、底径26.5 cm，每盆装满基质（椰糠∶草炭∶土=2∶2∶1），2020 年5 月14 日播种。出苗后开始控水，基质含水量用土壤水分记录仪（L99-TWS-2，杭州路格科技有限公司）监测，并于每天人工补水到设定的水分处理范围内，同时记录每次浇水量。整个生育期每盆共施肥：尿素（总氮≥46.0%）2.67 g，过磷酸钙（PO≥12.0%）20.47 g，硫酸钾（KO ≥52.0%）4.30 g。9 月13—14 日收获。

1.3 测定指标和方法

2019 年收获时按照各基因型各处理各重复分别测定产量，并计算各基因型抗旱系数（DRC）。

DRC=雨养产量/灌溉产量

2020 年现蕾期和盛花期测量株高（Height）。于现蕾期、盛花期利用多功能植物测量仪（photosynq MultispeQ，美国）测定叶绿素相对含量（Chl），利用便携式脉冲调制叶绿素荧光仪（OPTI-SCIENCES OS-5p+，美国）测定叶绿素荧光相关指标，包括最大光化学量子效率（Fv/Fm）和PSⅡ实际光量子产量（P_Yield）。于盛花期利用便携式光合荧光测定仪（CIRAS-3，PP SYSTEMS 公司）测定光合相关指标，包括气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和叶片瞬时水分利用效率（P_WUE）。每个基因型每处理均选3 株长势相同的植株测量，对叶片的测量均选择每株的倒4 叶。收获时每个基因型每处理每重复4 株混收，并计算单株块茎产量。

灌水利用效率（Y_WUE）=产量/总灌水量

1.4 数据统计分析

采 用Excel、IBM SPSS Statistics 23 与GraphPad Prism 8 软件分析试验数据。

2 结果与分析

2.1 马铃薯二倍体群体田间抗旱性评价

2019 年P3 群体所有基因型抗旱系数的最大值和最小值分别为1.124 和0.153（表1）。按照群体逐级分类法（路贵和 等，2005；张嘉楠 等，2010），把所有基因型划分为5 类，分别为高抗旱型16 个（DRC ≥0.696）、抗旱型14 个（0.610 ≤DRC ＜0.696）、中等抗旱型53 个（0.438 ≤DRC ＜0.610）、旱敏感型24 个（0.351 ≤DRC ＜0.438）、高旱敏感型14 个（DRC ＜0.351）。其中，与正常处理相比，在干旱胁迫下，P3-17 和P3-178 的产量分别降低了22.0%和33.5%，分别属于高抗旱型和抗旱型；P3-14 的产量降低了71.5%，为高旱敏感型；P3-244 和P3-168 的产量分别降低了52.4%和59.9%，分别属于中等抗旱型和旱敏感型。

表1 2019 年P3 群体抗旱性鉴定结果

续表

2.2 盆栽条件下马铃薯产量和灌水利用效率分析

方差分析结果表明（表2），水分、基因型都对单株块茎产量有极显著影响，而水分与基因型的互作对单株块茎产量没有显著影响。各基因型的单株块茎产量随着土壤含水量的降低而降低（表2），与W1 处理相比，W2 处理下各基因型的单株产量都显著降低；在W3 处理下，与W2 处理相比，只有P3-14 的单株块茎产量显著降低，而其他基因型虽然也降低，但差异不显著，这与P3-14 在4 个基因型中对干旱最敏感的结果一致。另外与W1 处理相比，W3 处理下P3-17 的产量降低了42.76%，而P3-244、P3-168、P3-14 的产量分别降低了76.35%、71.10%、74.78%。

表2 不同水分处理下各基因型单株产量和灌水利用效率比较

就灌水利用效率而言，在W3、W4 处理下，P3-17 均显著高于其他3 个基因型。另外随着干旱胁迫的加剧，P3-17 的灌水利用效率逐渐增大，并且在达到最大值（14.2）后开始降低，但各水分处理间差异不显著。而随着干旱胁迫的加剧，P3-14 的灌水利用效率逐渐减小，并且在达到最小值（3.3）后开始增大，但各水分处理间同样差异不显著。P3-244 和P3-168 的灌水利用效率均随着干旱胁迫的加剧而减小，但各水分处理间差异不显著。与W1 处理相比，W3 处理下P3-17 的灌水利用效率升高了40.59%；而P3-244、P3-168、P3-14的灌水利用效率分别降低了42.59%、30.00%、40.00%；3 个基因型灌水利用效率下降的程度与产量降低的程度一致，表明干旱胁迫下较高的灌水利用效率对维持产量的稳定具有重要作用。

2.3 盆栽条件下各处理抗旱系数与大田抗旱系数的相关性分析

对2020 年抗旱棚盆栽条件下4 个基因型在3种水分胁迫处理下的抗旱系数与其2019 年相应大田抗旱系数进行相关性分析，结果表明（表3），W3 处理下盆栽结果与大田结果相关性最高，为0.899。不过3 种水分胁迫处理下的抗旱系数与2019 年大田抗旱系数的相关性均未在统计学水平上达到显著，主要原因可能是试验材料数量少，而样本量是决定相关系数显著性的因素之一。

表3 盆栽条件各处理抗旱系数与大田抗旱系数的相关性

2.4 盆栽条件下马铃薯各指标与抗旱系数的相关性分析

根据现蕾期和盛花期各指标与抗旱系数的相关性分析结果可知：W2 和W4 处理下的各指标与抗旱系数均没有显著相关性。W3 处理下有2 个指标与抗旱系数表现出显著相关性（表4），结合前面W3 处理的抗旱系数与2019 年大田的抗旱系数相关性最高的结果可知，W3 是3 种干旱胁迫中筛选抗旱材料的最佳处理，并且能较好地代表大田抗旱性鉴定结果。W3 处理下现蕾期的P_Yield、W1 处理下盛花期的P_WUE 与抗旱系数均呈显著正相关。值得注意的是，不同水分胁迫下，随着马铃薯的生长发育和干旱胁迫的加重，各指标与抗旱系数的相关性也会发生变化，如现蕾期W3 处理下的PSⅡ实际光量子产量（P_Yield）与抗旱系数显著正相关，而在盛花期同一水分处理下两者则表现为不相关。

表4 现蕾期和盛花期各指标与抗旱系数的相关性

2.5 盆栽条件下马铃薯各指标与产量的相关性分析

根据不同时期各指标与产量的相关性分析结果可知：现蕾期Height 和Chl，盛花期Gs 和P_WUE均与单株块茎产量显著相关，盛花期Pn、Ci 和Tr与单株块茎产量极显著正相关（表5）。P_WUE 不仅与产量正相关，也与抗旱系数正相关（表4 和表5），也就是说该指标不仅可以预测所选基因型产量的高低，还能判断其抗旱性的强弱，为大量高产抗旱材料的初步筛选提供了一个高效的方法。值得注意的是，同一指标在不同的生长发育阶段与产量的相关性不同。例如，Chl 和Height 均在现蕾期与单株块茎产量显著相关，而盛花期相关性不显著。Fv/Fm 和P_Yield 与单株块茎产量在现蕾期和盛花期均没有显著相关性。表明用某些指标综合判定某些材料的产量时，需要在特定的时期测定。

表5 现蕾期和盛花期各指标与单株块茎产量的相关性

2.6 盆栽条件下与产量或抗旱系数显著相关的指标的方差分析

上述与产量或抗旱系数显著相关的指标有现蕾期Height、Chl 和P_Yield，盛花期Gs、P_WUE、Pn、Ci 和Tr。但是方差分析表明，只有现蕾期Height 和Chl、盛花期P_WUE 和Tr 受基因型的显著影响（故这里仅展示这4 个指标的方差分析结果），即本试验中只有这4 个指标可以区分所选基因型的产量或抗旱性。其中各基因型不同水分处理下的Chl 呈波动变化，且同一基因型不同水分处理间均无显著差异，因此只对另外3 个指标进行进一步分析。与W1 处理相比，W2 处理的各基因型Height 的变化差异不显著；在W3 处理下，P3-17的Height 显著降低，而其他3 个基因型的Height则与W1 处理差异不显著（图1-A）。与W1 处理相比，W2 处理下4 个基因型的Tr 均没有显著降低；在W3 处理下，P3-17 和P3-168 的Tr 没有显著降低，而P3-14 和P3-244 显著降低（图1-B），表明在干旱胁迫下，P3-17 和P3-168 可以更好地维持生理代谢。对于P_WUE，在W3 处理下只有P3-17 与W1 处理相比显著降低，其他3 个基因型的P_WUE 随着基质含水量的降低呈波动变化，且差异不显著（图1-C），表明P_WUE 受水分影响较小，更多地受基因型控制。

图1 与产量或抗旱系数相关的指标的方差分析及多重比较

3 结论与讨论

以往有关马铃薯干旱胁迫的研究多数集中在单一生育时期马铃薯品种不同生理指标对干旱胁迫的响应。张丽莉等（2012）的研究结果表明，干旱胁迫下，马铃薯品种东农303 和延薯4 号的叶片相对含水量、叶绿素含量和产量均有所下降，胁迫越严重，下降越多。干旱对马铃薯最重要的影响之一是抑制光合作用，从而影响干物质的积累，导致产量下降。Anithakumari 等（2012）利用二倍体马铃薯作图群体进行QTL 定位，结果表明，3 个与叶绿素含量相关的QTL 位点和1 个与叶绿素荧光相关的QTL 位点与产量共定位。叶绿素含量作为光合能力的重要指标通常与马铃薯的干旱胁迫有关（Jefferies，1994；Rudack et al.，2017）。但是较高的叶绿素含量是否有助于提高干旱条件下的产量仍在争论中（Anithakumari et al.，2012）。在番茄上的研究表明，水分亏缺条件下叶绿素含量上升使植株叶片对光能的吸收增加，然而增加的叶绿素并没有提高植株叶片的光合作用（范钧星 等，2016）。本试验中，现蕾期和盛花期叶绿素相对含量与抗旱系数均无显著相关性，但现蕾期叶绿素相对含量与单株块茎产量显著负相关，所以根据现蕾期的叶绿素相对含量可初步判断各基因型产量的高低。

随着水资源日益短缺，节水农业研究迫在眉睫。培育高水分利用效率的高产抗旱马铃薯品种能够大幅度减少农业用水，且可保证马铃薯在干旱胁迫下产量的稳定性和水资源的可持续利用（董宝娣，2003）。对马铃薯灌水利用效率的研究大多集中在灌溉方式、保水剂、施肥管理、覆膜方式、播种方式等方面（宋娜 等，2013；陈玉章 等，2019；王英 等，2019），鲜有研究马铃薯不同品种在干旱胁迫下灌水利用效率的差异及随胁迫程度变化的规律（其他作物中有相关报道）。胡晨宜和孙建明分别对小麦和高羊茅进行研究，结果都表明抗旱基因型的灌水利用效率显著高于干旱敏感型（孙建明，2013；胡晨宜，2017），本试验也得出了相似的结论。而且随着干旱胁迫程度加重，马铃薯抗旱基因型的灌水利用效率逐渐增大，并且在达到最大值后有下降的趋势；旱敏感基因型的灌水利用效率逐渐减小，并在达到最小值后开始增大。另外在同一水分处理下，抗旱基因型的灌水利用效率平均是旱敏感基因型的2.75 倍，表明在干旱胁迫下，高灌水利用效率对提高马铃薯的抗旱能力具有重要作用。

与其他作物相比，马铃薯对水分胁迫更敏感。水对马铃薯生长至关重要，许多生理过程都依赖它（Mosz &Kowalik，1982）。目前关于水分利用效率的研究涉及不同方面，有叶片、冠层、群体及产量等各个水平。其中，叶片水分利用效率又分为3种：瞬时水分利用效率、内在水分利用效率和长期水分利用效率，其中瞬时水分利用效率是光合速率与蒸腾速率之比（沈芳芳 等，2017；Hatfield &Christian，2019）。作物灌水利用效率是作物蒸散消耗单位质量水所制造的干物质量，耗水包括叶面蒸腾和地面蒸发，故不能完全反映作物生理上的水分利用效率（王建林 等，2007）。为了更确切地从生理上了解马铃薯水分利用的情况，本试验还测定了叶片瞬时水分利用效率，结果表明，盛花期叶片瞬时水分利用效率与产量显著正相关，同时，在75%～85%基质相对含水量条件下与抗旱系数也显著正相关，表明该指标可以很好地用于高产抗旱马铃薯材料的鉴定。马铃薯抗旱性鉴定及抗旱材料的筛选中很少有人使用叶片瞬时水分利用效率作为抗旱指标，大多数研究集中在叶片相对含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、POD、SOD、CAT 活性、株高、根系拉力、冠层覆盖度、茎叶干鲜质量等指标，这些指标的测定比较费时费力，且大多需要在实验室测定，测定时间长（姚春馨 等，2012；Cabello et al.，2012）。Qin 等（2019）对12 个马铃薯品种的抗旱性鉴定结果表明，抗旱指数与干旱胁迫60 d 的叶片瞬时水分利用效率负相关。其他作物对水分利用效率的研究主要集中在不同材料水分利用效率的差异或干旱胁迫下水分利用效率的变化上，很少有对产量或抗旱性和水分利用效率之间相关性的研究。比如，刘化涛等（2020）以生产上推广应用的11 个不同基因型玉米新品种为试材，于拔节期设置3 种不同水分处理，分析了其产量、抗旱性及水分利用效率的差异。陈平等（2014）设置3 种水分处理梯度，研究了决明子和菘蓝2 种药用植物在不同水分处理和生长阶段的生长特性，结果表明：菘蓝水分利用效率与地上生物量和总生物量均呈显著负相关，决明子水分利用效率与根冠比呈显著正相关。

本试验结果表明：不同水分胁迫下，随着马铃薯的生长发育和干旱胁迫的加重，各指标与产量及抗旱系数的相关性会发生变化。因此，在筛选高产抗旱材料时，某些指标的测定需要在特定时期进行。此外，各基因型的抗旱系数在35%～45%基质相对含水量盆栽条件下和大田条件下相关性最高，且在该条件下与抗旱系数显著相关的指标最多；现蕾期Height 和Chl、盛花期P_WUE 和Tr 与产量显著相关，可以用来初步判断各基因型产量的高低；盛花期75%～85%基质相对含水量条件下的P_WUE 与抗旱系数显著正相关，可以用来区分所选基因型抗旱性的强弱。