26个甘蔗品种苗期耐酸铝性状的综合评价

曹峥英　蔡文伟　武媛丽　彭李顺　杨本鹏

摘要：甘蔗是我国最为重要的糖料作物，主要种植在土壤酸化普遍较为严重的南方地区，酸铝毒害已成为这些区域影响甘蔗产量提升的重要限制因子之一。本研究以分布在不同生态区选育的26个甘蔗品种为材料，通过盆栽试验，对酸铝胁迫和对照条件下甘蔗苗期的14个形态和生理生化指标进行测定，并计算各品种各项指标的耐酸铝系数，再以此为基础通过主成分分析法、隶属函数法、聚类分析法和逐步回归法，对所有品种的耐酸铝性进行综合评价。结果表明，相比对照，在酸铝胁迫下14个指标在26个品种间均表现出了更为丰富的变异。同时，14个指标的耐酸铝系数间除根冠比和地上部磷含量外，均表现出显著或极显著的相关性，通过主成分分析法将这些极显著相关、信息重叠的指标，转化成3个独立综合指标，累计贡献了最初14个指标80.52%的耐酸铝性。然后，再通过隶属函数法结合3个综合指标的权重计算出各品种的耐酸铝性综合评价值，并根据综合评价值聚类分析，将26个品种划分为3类。其中，云蔗11-1074、中糖2号等6个品种被划分为耐酸铝性强的品种，桂糖58号、中蔗6号等12个品种为中度耐酸铝品种，中糖1号、海蔗32号等8个品种为对酸铝胁迫敏感品种。最后以各指标耐酸铝系数为自变量，耐酸铝性综合评价值为因变量进行最优回归方程分析，建立了甘蔗耐酸铝性评价模型，并筛选出根长、根系干重、相对叶绿素含量、叶片脯氨酸含量以及地上部铝、氮和钾含量这7个对耐酸铝性有极显著影响的指标，作为甘蔗苗期耐酸铝性的评价指标。通过对这些品种耐酸铝性综合评价和鉴定指标的筛选，不仅获得了多个耐酸铝品种资源，还可以为今后甘蔗耐酸铝遗传育种提供理论基础和参考依据。

关键词：甘蔗；耐酸铝性；主成分分析；隶属函数；综合评价

中图分类号：S566.103.7文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0128-08

铝是土壤中含量最高的金属元素，通常情况下，其主要以对植物没有毒害作用的铝硅酸盐和铝氧化物等形式存在。然而，土壤酸化，特别是土壤pH值小于5.5时，会导致大量活性铝溶出，对植物根系的生长产生直接毒害和抑制作用，影响其对养分和水分的吸收，并最终导致作物产量与品质下降［1-2］。甘蔗是我国最为重要的糖料作物，主要种植于我国广西、云南、广东、海南等省（区），这些甘蔗主产区土壤酸化现象普遍较为严重［3-4］。已有多个研究表明，铝毒胁迫对甘蔗根系生长、养分吸收和主要农艺性状都会产生不利影响［5-6］，因此，普遍存在的南方酸性土壤铝毒害作用已成为限制甘蔗生产的重要因素之一。生产上减轻作物铝毒害主要有2种方式：一种是施用石灰等酸性土壤改良剂，降低土壤活性铝含量；另一种是种植耐铝性较强的作物品种，提高作物对铝毒的适应能力。施用石灰是改良酸性土壤，防治铝毒害较为传统和有效的途径之一，但该方法存在对深层土壤改良效果不佳、长期使用增加农业生产成本、造成土壤石灰性板结、破坏土壤生态系统等缺点［7-8］。因此，筛选或选育耐铝毒的作物品种进行生产是缓解酸铝毒害最为经济有效的途径。

近年来，开展了大量关于作物耐酸铝性的研究工作。铝胁迫不仅会对作物根系生长产生明显的抑制作用，还会对养分吸收、地上部生长、光合作用以及多种保护酶系统等生理生化过程产生影响［9-10］。因此，作物耐酸铝是一个复杂性状，不同品种间耐铝机制通常会存在一定差异，且单项性状指标对铝胁迫的反应也不尽相同，所以用单项性状指标进行作物耐酸铝性的鉴定和评价具有片面性和局限性。目前，使用较多的方法是对多个形态和生理性状相关指标进行考察，然后进行主成分分析，确定各性状指标权重，从多个存在相关性的变量中归纳出少数几个新的综合耐酸铝性状，再计算出每个品种每个新的综合性状指标的隶属函数值，并根据耐酸铝贡献率权重进行加权得到各品种综合隶属函数值，即耐酸铝性评价值。近年来，该套筛选和评价方法，已在多种作物中得到应用，获得了一批具有较强耐酸铝性的种质，用于后续的品种选育和生产中［11-18］。然而，在甘蔗上，关于耐酸铝品种的评价和筛选工作仍未见报道。因此，本研究以我国不同甘蔗产区选育的26个甘蔗品种为材料，通过盆栽方法对酸铝胁迫和对照条件下甘蔗苗期的14个形态和生理生化指标进行测定，并采用主成分分析、隶属函数和聚类分析等方法对不同甘蔗品种苗期耐酸铝性进行综合评价，旨在为今后甘蔗耐酸铝机制的深入研究和耐酸铝高产品种的选育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以位于海南省临高县皇桐镇文贤村甘蔗试验基地保存的26个甘蔗品种作为供试材料，具体甘蔗品种见表1。

1.2 试验设计

盆栽试验于 2020 年在中国热带农业科学院热带生物技术研究所的大棚内进行。试验使用直径40 cm、高为35 cm规格的塑料盆作为种植容器。供试土壤为黏壤土，pH值为5.8，含有机质15.8 g/kg、碱解氮122.5 mg/kg、有效磷16.2 mg/kg、速效钾108.3 mg/kg、活性铝5.38 mg/kg。土壤先通过自然风干后，过筛去杂装盆，每盆再加入复合肥（N、P2O5、K2O含量分别为25%、10%、15%）10 g与表层（15 cm）土壤拌匀待用。

种植前先将采集的26个甘蔗品种种茎砍成单芽段，并选取蔗芽健康饱满的种茎在人工气候箱（温度38 ℃，空气湿度80%）内催芽和生根，1周后，选取出芽和生根生长一致的种茎移栽至准备好的塑料盆中，每盆每次浇灌500 mL清水，保持土壤湿润，待10 d后开始进行铝胁迫处理。本试验设置铝胁迫和对照2个处理，每个处理设置4次重复。铝胁迫处理每次使用500 mL pH值4.0、1 mmol/L AlCl3 溶液浇灌盆栽土壤，对照浇灌等量清水，根据土壤墒情，每3～5 d浇灌1次。

1.3 筛选指标和测定方法

胁迫处理50 d后，对各处理植株的株高、根长、地上部干重、根系干重及根冠比等指标进行测定。叶片相对叶绿素含量在采样前使用MINOLTA公司型号为SPAD-502的叶绿素测定仪测定。叶片脯氨酸含量采用茚三酮显色法测定。地上部铝含量、根系铝含量、地上部磷含量、地上部钾含量、地上部钙含量、地上部镁含量均采用HNO3-HClO4消解，使用电感耦合等离子体发射光谱仪测定。地上部氮含量采用H2SO4-H2O2消解，使用凯氏定氮仪测定。

1.4 数据处理和统计分析

单项指标耐酸铝系数=铝胁迫下的指标值/对照指标值。（1）

按照公式（1） 计算各单项指标铝毒耐性系数。再以26个品种14个指标的耐酸铝系数为基础进行相关性和主成分分析。

按照公式（2）计算通过主成分分析得到综合指标（选择特征值大于1.0的综合指标因子）的隶属函数值，公式中Xj表示第j个综合指标，Xmax和Xmin分别表示第j个综合指标的最大值和最小值。

按照公式（3）计算26个品种D值，即不同品种的耐酸铝性综合评价值。公式中IWj表示在主成分分析时第j个综合指标的贡献率占所有综合指标累计贡献率的百分比，即权重。

利用 Microsoft Excel 2021 和DPS v15.1进行数据处理、相关性分析、主成分分析、聚类分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 各项指标在不同甘蔗品种间变异

由表2可知，在铝胁迫和对照条件下，各品种间检测的14个指标差异均达到极显著水平。在对照条件下，14个性状指标在26个甘蔗品种中变异系数在8.77%～29.59%之间，平均变异系数为16.46%。其中，根系干重、地上部干重、根冠比等形态指标的变异较大，而相对叶绿素含量、叶片脯氨酸含量和地上部、根系铝含量等生理指标变异较小。在铝胁迫处理条件下，各品种间14个指标的变异系数介于13.97%～35.11%之间，平均变异系数达到22.67%，各指标变异系数比对照均有所提高，特别是叶片脯氨酸含量的变异系数提高了2倍。表明26个甘蔗品种间对酸铝胁迫响应具有较为明显的差异，具备开展后续耐酸铝性评价和筛选的基础。

2.2 不同甘蔗品种苗期各项指标的耐酸铝系数及其相关性分析

通过比较26 个甘蔗品种在铝胁迫与对照条件下各指标测定值，计算出各项指标的耐酸铝系数。由表3可知，仅有3个指标在所有品种中耐酸铝系数大于1.0。其中，脯氨酸作为重要的抗逆物质在铝胁迫下叶片中含量也出现明显升高，地上部和根系铝含量在铝胁迫条件下均极显著上升，其余指标中除根冠比在少数品种中耐酸铝系数大于1.0，其他指标在所有品种中耐酸铝系数均小于1.0，特别是地上部干重以及地上部钙、镁含量等3个指标的耐酸铝系数较低，均在0.5以下。同时，各项指标的耐酸铝系数在不同甘蔗品种间变化幅度也不尽相同，变异系数在12.168%～30.244%之间。因此，不同甘蔗品种对铝胁迫的响应方式及各项指标的变化均存在较大差异，如仅使用单一指标的耐酸铝系数进行品种耐酸铝性评价将会具有较大的片面性。

此外，对14个指标的耐酸铝系数进行两两相关性分析。由表4可知，除根冠比和地上部磷含量2个指标外，其余12个指标间都存在显著或极显著相关性，且地上部和根系铝含量与其余10个指标呈显著或极显著负相关，剩余10个指标间均呈显著或极显著正相关。其中，相对叶绿素含量与地上部氮含量的相关系数最高，达到0.9以上，其次是相对叶绿素含量与株高、地上部钾、钙、镁含量的相关系数，根长与根系干重的相关系数，以及地上部干重与株高、叶片脯氨酸含量、地上部和根系铝含量的相关系数绝对值均较高，在0.8以上。这表明各项指标的耐酸铝系数所贡献的耐酸铝性间存在着信息重叠，不能直接同时利用这些指标对甘蔗各品种的耐酸铝性进行准确评价。

2.3 各性状指标的耐酸铝系数主成分分析

利用 DPS v15.1 软件对14个单项指标的耐酸铝系数进行主成分分析和各因子的载荷矩阵分析。根据主成分因子特征值大于１以及累计贡献率大于80%的原则，选择前3个特征值大于1，其累计贡献率达到80.52%的因子作为主成分因子（表5），其余特征值小于1的因子忽略不计。其中，主成分因子Ⅰ特征值为8.62，贡献率达到61.57%，对应特征向量中载荷较大的3个指标为相对叶绿素含量、地上部干重、株高（表6），可大致归纳为地上部生长形态和生理因子；主成分因子Ⅱ特征值为1.58，贡献率达到11.25%，对应特征向量中载荷较大的3个指标为根冠比、根系干重、根长，可归纳为根系生长相关因子；主成分因子Ⅲ特征值为1.08，贡献率达到7.70%，对应特征向量中载荷较大的3个指标为地上部钙、镁、氮含量，可归纳为养分吸收利用相关因子。因此，可以把原来的14个单项指标转换为3个新的相互独立的综合指标，覆盖原来14个单项指标80.52%的信息。

2.4 甘蔗品种耐酸铝性综合评价和聚类分析

使用主成分分析得到的3个综合耐酸铝指标，利用隶属函数公式计算其隶属函数值，再根据3个综合耐酸铝指标贡献率的权重分别计算耐酸铝性综合评价值，用于26个甘蔗品种耐酸铝性的综合评价。由表7可知，26个甘蔗品种的耐酸铝性综合评价值介于0.125～0.838之间，表明不同品种的耐酸铝性存在明显差异。其中，云蔗11-1074 综合评价值最高，达到0.838，表明该品种耐酸铝能力最强；海蔗32号的综合评价值最低，仅有0.125，表明其对酸铝胁迫的耐性最弱。

然后，将26个甘蔗品种的各指标耐酸铝综合隶属函数值，使用欧氏距离、最长距离法进行聚类分析。由图1可知，通过聚类分析将26个品种耐酸铝性划分为3类群。第1类群品种耐酸铝性较强，包括云蔗11-1074、中糖2号等6个品种，占所有品种的23.1%。第2类群品种耐酸铝性居中，包括桂糖58号、中蔗6号等12个品种，占所有品种的46.2%。第3类群品种耐酸铝性最弱，包括中糖1号、海蔗32号等8个品种，占所有品种的30.8%。

2.5 甘蔗耐酸铝性鉴定指标筛选

为分析各单项指标与耐酸铝性间的关系，筛选甘蔗苗期耐酸铝性鉴定指标，建立耐酸铝性评价的数学模型，进行甘蔗耐酸性预测，对测定的14个鉴定指标进行了逐步回归分析。以各品种的耐酸铝性综合评价值作为因变量，各单项指标的耐酸铝系数作为自变量，建立最优回归方程：耐酸铝性综合评价值=－0.284＋0.097X2＋0.394X4＋0.480X6＋0.109X7－0.087X8＋0.095X10＋0.131X12（F=1 306.96**，R2=0.998 6）。方程中X2、X4、X6、X7、X8、X10、X12分别代表根长、根系干重、相对叶绿素含量、叶片脯氨酸含量以及地上部铝含量、氮含量和钾含量，上述指标对苗期甘蔗的耐酸铝性均有极显著影响，因此在对苗期甘蔗进行耐酸铝性鉴定时可选择对这些指标进行测定。此外，利用上述方程计算的26个甘蔗品种苗期耐酸铝性预测值与耐酸铝性综合评价值极显著相关，r=0.999 0**，表明利用该方程对苗期甘蔗的耐酸铝性进行预测具有较高的准确性。

3 讨论与结论

酸铝胁迫通常会对根系生长、养分吸收、地上部生长，以及质膜透性、保护酶活性、光合作用等作物生长发育相关的多方面、多层次生理生化过程均会产生影响。因此，根系相对伸长量、根长、根系铝及主要营养元素含量和累积量、根系活力、根系和地上部生物量、株高，SOD、CAT、POD等氧化保护酶活性，丙二醛、脯氨酸含量，叶片光合速率、叶绿素荧光参数、代谢酶等形态和生理生化指标都有被用于作物耐酸铝性的评价和鉴定［13-15，18-22］。但是，由于不同作物或同一作物不同品种间的耐酸铝机制不尽相同，上述各项指标在不同品种间对于酸铝胁迫反应通常也存在差异，用单一指标开展作物耐酸铝性评价将会有非常大的片面性，难以全面准确地反映作物品种耐酸铝性的强弱。因此，对于耐酸铝性这类复杂性状，采用多项指标主成分分析和隶属函数综合评价方法会有更高的可靠性。本研究首次在甘蔗中，通过对5个形态指标和9个生理生化指标进行测定，对不同生态蔗区选育的26个品种进行了耐酸铝性综合评价。相关性分析证实测定的14个指标对于耐酸铝性的贡献存在较大的重叠，随后的主成分分析将14个指标中相关性强的指标进行归纳合并，转化为3个新的独立综合指标，通过累计贡献率可知这3个新指标覆盖原始14个指标80%以上的信息。然后，根据这3个新综合指标隶属函数值和贡献率的权重分别计算26个品种的耐酸铝性综合评价值，使得各品种的综合耐酸铝性有了一个相对全面可靠并且彼此间可比较的数字化分数。通过聚类分析，26个品种中综合评价值最高的3个品种（云蔗11-1074、中糖2号和海蔗28）被划分为耐酸铝性强的品种，中糖3号、中蔗13号等12个品种耐酸铝性综合评价值较低，为耐酸铝性差或对酸铝敏感品种。通过对这些品种耐酸铝性的评价，不仅可以获得一些耐酸铝性的品种资源用于今后的遗传育种，同时还可为这些品种推广种植区域的选择提供参考。

对于耐酸铝性状，在作物遗传育种过程中，选择一些观察方便、测定容易又能准确反映作物品种对酸铝耐性的指标是很重要的。在苗期油菜研究中发现，通过逐步回归方程分析，10个测定指标中株高、根长、叶片中可溶性糖含量以及叶片中脯氨酸含量4个指标对耐酸铝性有显著影响，可以作为苗期油菜耐酸铝性鉴定的指标［13］。在割手密研究中，从7个指标中确定了根长、地上和地下干物质量可作为耐酸铝的重要筛选指标［14］。在大豆研究中，从8个指标中选择根系干重、地上部干重、株高、叶面积作为大豆耐酸铝毒基因型筛选的重要指标［11］。由此可见，大量的形态和生理生化指标均与作物酸铝耐性有关，但是不同作物间由于对酸铝胁迫耐性机制的差异，导致其在关键鉴定指标上也会存在一定差异。在本研究中，以耐酸铝性综合评价值为因变量，各指标耐酸铝系数为自变量，进行最优回归方程分析，在14个指标中根长、根系干重、相对叶绿素含量、叶片脯氨酸含量以及地上部铝含量、氮含量和钾含量等7个指标对甘蔗苗期耐酸铝性有极显著影响。其中，根长、根系干重这2个形态指标和相对叶绿素含量、叶片脯氨酸、地上部氮和钾含量这4个生理生化指标均与甘蔗耐酸铝性呈显著正相关，而地上部铝含量与甘蔗耐酸铝性呈极显著负相关。筛选出7个鉴定指标与上述3种作物有部分指标重合，整体间又存在明显差异，也进一步证实，不同作物对酸铝胁迫反应的差异。此外，需要注意的是，本研究主要针对甘蔗苗期耐酸铝性开展研究，甘蔗不同发育时期对于酸铝胁迫反应也可能存在差异，因此苗期筛选的指标是否适用于其他生长发育时期还有待进一步研究。

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收稿日期：2023-07-07

基金项目：海南省基础与应用基础研究计划（自然科学领域）高层次人才项目（编号：320RC715）；海南省自然科学基金（编号：2019RC291）；现代农业产业技术体系（糖料）建设专项资金（编号：CARS-170716）。

作者简介：曹峥英（1982—），女，湖北黄石人，博士，助理研究员，主要从事遗传育种研究。E-mail：caozhengying@itbb.org.cn。

通信作者：彭李顺，博士，副研究员，主要从事植物营养生理研究。E-mail：penglishun@itbb.org.cn。