光合参数用于甘薯抗旱性评价的适用性研究

王 洁，赵路宽，邓逸桐，周志林，戴习彬，袁 蕊，曹清河，赵冬兰

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所/农业农村部甘薯生物学与遗传育种重点实验室，江苏徐州 221131)

甘薯是旋花科甘薯属的一种，被广泛用于粮食、饲料和工业原料。我国甘薯种植面积以及产量均为世界首位，甘薯食用部分为块根和茎叶，甘薯块根含有大量淀粉、可溶性糖，丰富的维生素。甘薯鲜食茎叶口感好、营养高，与其他叶菜相比，甘薯在蛋白质、膳食纤维、矿物质等营养成分上更具优势，甘薯茎叶富含多酚类物质，具有较强的抗氧化活性，在蔬菜市场具有广阔的推广潜力。

干旱是严重危害农业的自然灾害，造成农作物减产甚至绝收。虽然甘薯较耐旱，但生育前期缺水仍会造成严重减产。甘薯不同部位对水分胁迫的耐受能力有差异，由强到弱依次是茎柄、须根、薯块、叶片，由此可见，干旱对甘薯食用部位影响较大。有试验表明，在人为轻度干旱胁迫处理下，甘薯减产18.76%。在干旱胁迫下，作物叶片会发生气孔关闭、蒸腾速率()降低、光合作用减弱等一系列反应。水分管理是缓解干旱危害的重要手段，但田间灌溉需要耗费大量的人力、物力，挖掘农作物自身的抗旱潜力能够节约种植成本。抗旱品种选育过程中，抗旱鉴定评价是重要的一环。甘薯抗旱鉴定方法近年来有较大进展，基于产量的抗旱系数是较为常见的耐旱筛选指标，甘薯叶片数、蔓长、叶面积系数和生物量等农艺性状受干旱胁迫而降低，可以作为耐旱筛选指标。叶片生理生化活性受干旱胁迫影响较大，甘薯叶片可溶性蛋白含量、叶绿素a含量/叶绿素b含量、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)含量与抗旱性有显著相关性，叶片相对含水量(RWC)与品种抗旱性呈极显著正相关，与丙二醛(MDA)含量呈极显著负相关，这些指标可用于甘薯品种抗旱性鉴定。此外，有研究表明呼吸强度、脱落酸含量、脯氨酸含量以及抗氧化酶活性均与植物抗旱能力相关。干旱胁迫促使气孔关闭，影响叶片CO吸收，降低光合酶活性，进而削弱光合作用，净光合速率()、气孔导度()、胞间CO浓度()、常用作抗旱评价指标，抗旱性好的植物在干旱胁迫影响下光合参数变化小，表现出良好的适应能力。干旱胁迫对甘薯幼苗光合作用的影响已有初步研究，周忠等的试验中干旱条件为断水处理，随着干旱程度加深(0、2、4、6、8 d)，甘薯幼苗叶片的、和均降低，先在0～2 d内降低，后在 2～8 d上升。

甘薯抗旱评价方法有多种，用MDA含量等生理生化指标做抗旱鉴定虽然较为精确，但试验预处理费时费力，而产量等农艺性状指标受环境影响较大且试验周期长。相比其他抗旱评价指标，利用光合参数可在甘薯生育前期进行抗旱评价，还可用于指导田间水分管理，且兼具无损、速度快、可便携等优点。潮薯1号的高度抗旱性被多次报道，徐薯18具有中度抗旱性，被认为是甘薯品种抗旱性鉴定的标准品种。福薯7-6田间表现对水分较敏感，但抗旱能力评价未见报道。叶片MDA含量和RWC被广泛用于抗旱评价，本试验旨在用这2个指标验证光合参数应用于甘薯抗旱评价的可靠性，并构建一套快速便捷的甘薯品种抗旱评价方案，以期为甘薯生产抗旱栽培提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验甘薯品种分别为潮薯1号、徐薯18、福薯 7-6，2020年5月底将甘薯块根种植于江苏徐淮地区徐州农业科学研究所院内基地，40 d后取20 cm左右的甘薯茎端在1/4 Hoagland’s营养液(室温)中进行生根培养5 d。生根后每个品种选30株，将每个品种分为6组，其中3组用20%聚乙二醇(PEG)-6000(用1/4 Hoagland’s溶液配制)胁迫处理，另3组用来作对照(CK)，分别在1/4 Hoagland’s营养液中培养，培养过程均在室温环境下进行，随后进行各项指标测定。叶片MDA含量和RWC测定的时间为处理后24、72 h，光合参数指标测定时间为处理后3、24 h。

1.2 试验方法

从胁迫处理组与对照组分别取5张倒2至倒4叶测定MDA含量与RWC。MDA含量采用比色法测定，试验流程详见苏州科铭生物技术有限公司MDA含量试剂盒说明书。RWC测量方法：剪下处理和对照的叶片，称取叶片鲜质量(FW)，然后将叶片置入水中过夜，称取叶片饱和质量(SW)。随后将叶片至于85 ℃烘箱中烘干，记录干质量(DW)，=[(-)(-)]×100%。

光合参数测量仪器为便携式光合作用测量系统LI-6400XT(LICOR，USA)，测量参数设置：叶室温度为28 ℃，大气CO浓度为400 μmol/mol，光照度为1 000 μmol/(m·s)。测量甘薯倒2至倒4叶，每张叶片取3个测量点，每个点测量3次。本试验使用差异值的绝对值()表示PEG胁迫组与对照组光合参数的差异程度，假设对照组数值为，PEG胁迫组数值为，则=|-|。越大，PEG胁迫组与对照组差异越大。与不抗旱的品种相比，抗旱能力强的品种的光合参数差异值更小。

1.3 数据处理

表1至表3中的数值均为平均值±标准误。数据整理、表格制作、柱状图绘制均使用Excel 2019，使用IBM SPSS Statistics 24分析数据差异显著性(独立样本检验)，使用SAS 9.2软件对数据进行相关性分析与主成分分析。

2 结果与分析

2.1 3种甘薯的抗旱性评价

如表1所示，经过24 h干旱胁迫，潮薯1号、徐薯18、福薯7-6叶片的MDA含量分别增加2.41、6.54、8.60 nmol/g；叶片的RWC分别减少12.77%、14.20%、15.61%。经过72 h胁迫处理，潮薯1号、徐薯18、福薯7-6叶片的MDA含量分别增加4.75、8.97、10.84 nmol/g；叶片的RWC分别减少13.25%、15.69%、19.29%。MDA含量与RWC测定结果表明，潮薯1号、徐薯18、福薯7-6对干旱胁迫敏感程度依次增加，抗旱能力依次降低。差异性分析结果表明，24 h干旱胁迫后3个品种的MDA含量在0.05水平下差异显著，而经过72 h干旱胁迫后徐薯18与福薯7-6的MDA含量无显著差异，3个品种的RWC经24、72 h处理差异均不显著。

表1 3种甘薯叶片的MDA含量与RWC在干旱(20% PEG)胁迫下的变化值

2.2 干旱胁迫下甘薯叶片4个光合参数变化情况

由表2和表3可知，20% PEG胁迫处理3 h后，均小于0，表明呼吸作用强于光合作用。在PEG胁迫处理下，与明显减少，明显增加。如表4所示，经过3 h的PEG胁迫处理，潮薯1号、福薯 7-6、徐薯18的差异值分别为5.25、4.04、4.06 μmol/(m·s)，差异值分别为0.04、0.04、0.02 mol/(m·s)，差异值分别为2 42.28、249.86、241.97 μmol/mol，差异值分别为0.65、0.69、0.55 mmol/(m·s)。3个甘薯品种4个光合参数的变异系数分别是0.13、0.20、0.01、0.10，表明3个甘薯品种在短期的干旱胁迫下反应差异较小。将每一个光合参数差异值转化为百分比堆积柱形图(图1)，可以直观地反映出3个品种光合参数的变化趋势不一致。

表2 3 h干旱(20% PEG)胁迫处理下光合参数测量结果

表3 24 h干旱(20% PEG)胁迫处理下光合参数测量结果

表4 干旱(20% PEG)胁迫处理下各光合参数的差异值

24 h干旱胁迫处理下潮薯1号、福薯7-6、徐薯18的差异值分别为3.24、7.47、4.44 μmol/(m·s)，差异值分别为0.02、0.07、0.03 mol/(m·s)，差异值分别为249.51、353.04、295.65 μmol/mol，差异值分别为0.39、1.39、0.40 mmol/(m·s)。3个甘薯品种4个光合参数的变异系数分别是0.35、0.49、0.14、0.65，不同甘薯品种间，差异最大，差异最小。从光合参数差异值堆积柱形图(图2)可以看出，潮薯1号4个光合参数的差异值均最小，徐薯18居中，福薯 7-6 光合参数的差异值均最大，表明潮薯1号抗旱能力最强，徐薯18次之，福薯7-6最弱，这与MDA含量、RWC测定结果一致。与3 h干旱胁迫相比，24 h干旱胁迫下的光合参数更能反映甘薯品种的抗旱能力。

2.3 抗旱指标间相关性分析

如表5所示，24 h与72 h干旱胁迫处理下，MDA含量与RWC之间的相关系数均很高，其中 72 h-MDA含量与72 h-RWC之间的相关系数最小，为0.946 2，说明MDA含量与RWC在干旱胁迫下变化一致。光合参数与MDA含量、RWC的相关系数在不同的干旱胁迫处理时间下具有一致性，与MDA含量、RWC之间相关系数较大，与24 h-MDA含量、72 h-MDA含量、24 h-RWC、72 h-RWC之间的相关系数分别为0.968 1、0.960 5、0.997 8、0.998 9；与MDA含量、RWC之间的相关系数较小，与24 h-MDA含量、72 h-MDA含量、24 h-RWC、72 h-RWC之间的相关系数分别为0.761 2、0.742 4、0.868 3、0.919 3。相关性分析结果表明，光合参数与MDA含量、RWC高度相关，验证了光合参数用于甘薯抗旱评价的可靠性。

表5 MDA含量、RWC与4个光合参数之间的相关性分析结果

2.4 主成分分析

光合参数主成分分析结果(表6)显示，仅第1主成分的特征值大于1，为3.90。第1主成分累计贡献率达到97.39%。根据主成分分析结果，确定了一个24 h干旱胁迫处理下的抗旱评价指数，=051+0.51+0.49+0.49。评价指数越小，表示抗旱能力越强，计算得出潮薯1号、徐薯18、福薯7-6的评价指数分别为125.04、148.44、178.81，说明潮薯1号的抗旱能力最强，徐薯18次之，福薯7-6最弱。

表6 光合参数的主成分分析结果

3 讨论

甘薯属于低投入的高产稳产作物，水分欠缺是制约甘薯产量的重要因素。甘薯在当今生物质能源开发中扮演着重要角色，是一种大有可为的作物。我国人口众多，耕地面积有限，为了不与大宗作物争地，想要保障和扩大甘薯种植面积，可以利用沙地、滩涂、盐碱地等边际土地。甘薯常种植在水肥条件较差的地块，培育并推广抗旱能力强的甘薯品种可以有效缓解农业用水压力。关于甘薯的抗旱鉴定指标，已有不少研究报道，MDA含量增加值以及RWC减少值均与抗旱能力成反比，二者是进行植物抗旱能力评价的可靠指标。本次试验发现在24 h干旱胁迫后3个品种的MDA含量变化值差异显著，但干旱胁迫时间增至72 h后，徐薯18与福薯7-6差异不显著，这可能是试验材料在逆境中自我调节所致。差异不显著也可能与试验材料偏少有关，虽然3个甘薯品种相对含水量变化值差异不显著，但是在24 h与72 h的干旱胁迫下变化趋势一致。抗旱指标在测量过程中往往具有较大不确定性，因此综合的抗旱指标比单一抗旱指标更能反映作物的抗旱能力。田小霞等基于主成分分析方法，将株高、生长速率等13个生理生化指标转化为7个独立评价指标，构建成黄花草木樨苗期综合抗旱评价模型。李红宇等利用主成分分析法将17个单项指标的抗旱系数转化为5个独立的综合评价指标，用于旱地粳稻抗旱鉴定。近年来，光学无损分析技术发展迅猛，极大地方便了光合参数的数据采集。李素等的研究表明，光合参数、、、对干旱胁迫反应灵敏，可用于油菜苗期抗旱性快速鉴定。对于甘薯，光合参数已初步应用于抗旱评价，龚秋等基于光合参数评价了14个紫甘薯的抗旱能力。

本试验通过MDA含量与RWC变化评价了3个甘薯品种的抗旱能力，由强到弱依次为潮薯1号、徐薯18、福薯7-6。在先前的报道中，潮薯1号为高度抗旱品种，徐薯18为中度抗旱品种，本研究结果与之一致。在合适的干旱(20% PEG，24 h)胁迫条件下，甘薯叶片的光合参数(、、、)能够准确反映甘薯的抗旱能力，适合作为甘薯品种抗旱评价指标。

4 结论

MDA含量、RWC是常用的抗旱评价指标，本研究用二者证明光合参数适用于甘薯抗旱评价。在合适的干旱(20% PEG，24 h)胁迫条件下，甘薯叶片光合参数(、、、)能够准确反映甘薯的抗旱能力。并基于以上研究结果，建立了一个甘薯综合抗旱评价指数。