152份向日葵重组自交系苗期抗旱性的鉴定与评价

doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.03.008

152份向日葵重组自交系苗期抗旱性的鉴定与评价

周子超, 侯建华^,, 甄子龙, 石慧敏

内蒙古农业大学农学院,010010,内蒙古呼和浩特

Drought-Resistance Identification and Evaluation of 152 Sunflower Recombinant Inbred Lines (RILs) at Seedling Stage

Zhou Zichao, Hou Jianhua^,, Zhen Zilong, Shi Huimin

College of Agriculture, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China

通讯作者: 侯建华,研究方向为作物遗传改良,E-mail: houjh68@163.com

收稿日期: 2020-01-17 修回日期: 2020-04-8 网络出版日期: 2020-06-15

基金资助:

国家自然科学基金(31760396)
内蒙古农业大学动植物品种培育专项(YZGC2017004)

Received: 2020-01-17 Revised: 2020-04-8 Online: 2020-06-15

作者简介 About authors

周子超,研究方向为作物遗传育种学,E-mail:1509543919@qq.com 。

摘要

以152个油用向日葵重组自交系为试验材料,设置干旱胁迫和正常浇水2个处理进行温室盆栽试验,研究干旱胁迫对其苗期表型及生理生化特性的影响;利用抗旱系数、综合抗旱能力D值、相关性分析、线性回归分析和聚类分析方法进行计算分析,以筛选简便有效的向日葵苗期抗旱性鉴定指标和抗旱种质。结果表明,抗旱系数从高到低依次为根冠比、根表面积、根长、根体积、电导率、SPAD值、株高、叶片相对含水量和叶面积;线性回归分析及与综合抗旱能力D值的相关性分析均表明该9项指标与苗期抗旱系数均呈现显著关联,其中根长、根表面积与抗旱系数的相关性较显著。综合抗旱能力D值的聚类将供试自交系材料聚为4大类,包括强耐旱型2个、耐旱型2个、弱耐旱型83个和不耐旱型65个,其中149号和10号材料的综合抗旱能力D值显著大于其他材料,属于强耐旱型。

关键词： 向日葵 ; 苗期 ; 重组自交系 ; 抗旱性

Abstract

In this experiment, 152 oil sunflower recombination inbred lines were used as test materials in greenhouse pot experiment, to study the effects of drought stress on their seedling phenotype, physiological and biochemical characteristics. The drought-resistance coefficient, comprehensive drought resistance (D-value), correlation analysis, linear regression analysis and cluster analysis were used for the calculation and analysis of data to select the simple and effective identification indexes and drought resistance germplasms of sunflower at seedling stage. The results showed that the drought-resistance coefficient from high to low is in order of root-shoot ratio, root surface area, root length, root volume, electrical conductivity, SPAD value, plant height, relative water content of leaves and leaf area. Linear regression analysis and correlation analysis of drought resistance D-value showed that the nine indicators were significantly correlated with drought-resistance coefficients at seedling stage out of which the root length and root surface area are more significantly related to drought-resistance coefficients. D-value clustering grouped the tested inbred line materials into 4 categories, including 2 strong drought-tolerant types, 2 drought tolerant types, 83 weak drought-tolerant types and 65 non-drought-tolerant types. Among them, the D-values of the comprehensive drought-resistant ability of strain 149 and strain 10 were significantly higher than that of other strains.

Keywords： Sunflower ; Seedling stage ; Recombinant inbred line ; Drought resistance

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本文引用格式

周子超, 侯建华, 甄子龙, 石慧敏. 152份向日葵重组自交系苗期抗旱性的鉴定与评价[J]. 作物杂志, 2020, 36(3): 47-52 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.03.008

Zhou Zichao, Hou Jianhua, Zhen Zilong, Shi Huimin. Drought-Resistance Identification and Evaluation of 152 Sunflower Recombinant Inbred Lines (RILs) at Seedling Stage[J]. Crops, 2020, 36(3): 47-52 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.03.008

向日葵（Helianthus annuus）是菊科（Compositae）向日葵属（Helianthus）一年生双子叶植物,按用途分为食用型、油用型和观赏型,是世界及我国的重要油料作物之一。近年来,随着气候变暖,干旱已成为影响向日葵生产的主要非生物因素之一^[1,2,3]。因此,围绕向日葵抗旱性的综合评价及鉴定指标筛选的研究对抗旱新品种选育及抗旱机理的阐明具有重要意义。关于作物抗旱性鉴定及指标筛选的研究已有报道^[4,5]。张海燕等^[6]依据产量抗旱系数对甘薯进行抗旱性分级,指出叶绿素含量、蔓长、叶面积系数和生物量可作为甘薯抗旱性的鉴定指标;杨如萍等^[7]通过分析前人试验成果,总结出大豆根长和根体积等性状可作为大豆抗旱性筛选指标;陈娇等^[8]采用抗旱系数、因子分析和隶属函数对甘蓝型油菜的10个品种进行抗旱性综合评价,并运用聚类分析和灰色关联分析筛选抗旱性评价指标,划分抗旱类型,指出光合参数、叶片含水量、植株形态和根系性状可作为优选鉴定指标。油葵作为我国干旱和半干旱地区种植的一种重要油料作物,常因苗期干旱缺水而导致出苗率下降、出苗延缓及幼苗生长势弱,进而导致产量和质量降低^[9,10,11]。有关向日葵苗期抗旱性鉴定的研究鲜见报道,本研究通过对152个向日葵品系组成的重组自交系群体苗期抗旱性进行鉴定与评价,为向日葵抗旱性分子育种提供基础材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为152个油用向日葵株系组成的F₇重组自交系群体（RILs）,该群体由内蒙古自治区农牧业科学院提供的油用向日葵K55（抗旱性弱）和K58（抗旱性强）2个亲本杂交,通过单粒传法选育而成。

1.2 试验方法

1.2.1 幼苗培养 2018年春季,选择籽粒饱满的向日葵材料种子,用氯化汞溶液消毒浸泡5min,用蒸馏水多次冲洗,在水分合适的培养皿内室温催芽2d,种植于塑料盆（250mm×190mm×160mm）,每盆留苗8株,置于内蒙古农业大学人工智能温室。试验设置干旱胁迫和正常浇水（对照）2个处理,每个处理设置3个重复。在向日葵幼苗生长到3片叶时进行干旱胁迫处理,每2d测定1次土壤含水量。干旱胁迫土壤含水量控制在5%~10%,正常浇水土壤含水量控制在15%~20%。对照以最高土壤含水量20%,干旱胁迫处理以最高土壤含水量10%计算每次浇水量,浇水量=（最高土壤含水量-测定的土壤含水量）×风干土壤质量。土壤含水量及浇水量见表1。

表1 土壤含水量和浇水量

Table 1 Soil water content and watering amount

胁迫天数 Days of stressing (d)	土壤含水量 Soil moisture content (%)		浇水量 Watering amount (mL)
胁迫天数 Days of stressing (d)	对照 Control	干旱胁迫 Drought stress	对照 Control	干旱胁迫 Drought stress
3	18.5	8.5	120	60
6	18.0	7.5	160	120
9	17.0	8.0	200	160
12	16.5	7.8	320	200
15	19.0	8.8	400	320

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胁迫处理15d后,测定正常浇水和干旱胁迫2个处理的向日葵幼苗的电导率、根表面积、根冠比、根长、根体积、叶绿素含量（SPAD值）、叶面积、叶片相对含水量和株高。

1.2.2 测定指标及方法在盆钵中直接测定株高、单株叶面积和叶绿素含量,用叶绿素仪测定SPAD值;用清水将盆土充分浸泡,用流水清洗后在子叶节处将植株剪断,分为根和冠两部分,采用称重法测定苗期生物量,用根系扫描仪测定根长、根表面积和根体积,利用DDS-11A电导仪测定叶片相对电导率^[12]。

1.3 数据统计分析

利用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据统计分析。

抗旱系数（drought-resistance coefficient,DC）=X_i/CK_i。

其中: X_i为干旱胁迫处理的指标测定值,CK_i为对照处理的指标测定值。

抗旱隶属函数值（μ）计算公式: μ(X_i)=（X_i-X_imin）/（X_imax-X_imin）,i=1,2,3……n。

其中: X_i为不同品种各项指标值,X_imin为某指标中各品种最小值,X_imax为某指标中各品种最大值。

参考前人^{[13,14,15,16]}方法计算综合抗旱能力D值,计算公式为: $V_{i}=\frac{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(X_{i}-\bar{X}_{i})^{2}}}{\bar{X}_{i}}$, $\omega_{j}=\frac{V_{i}}{\sum_{i=1}^{n}V_{i}}$, $\text{D}=\sum_{i=1}^{n}[\mu(X_{i})\times \omega_{j}]$,其中i=1,2,3……n,D为综合抗旱能力D值,ω_j为各项指标权重,V_i为各指标标准差系数。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对向日葵苗期抗旱性状的影响

从表2可以看出,不同测定指标对干旱胁迫敏感性存在差异。与对照相比,干旱胁迫处理下152个自交系幼苗的电导率、根表面积、根冠比、根长和根体积平均值均增加,增加幅度排序为根冠比（166.67%）>根表面积（52.91%）>根长（30.97%）>根体积（25.00%）>电导率（22.73%）,根冠比的抗旱系数最大。SPAD值、叶面积、叶片相对含水量和株高平均值均降低,降低幅度排序为叶面积（66.61%）>叶片相对含水量（31.03%）>株高（15.52%）>SPAD值（9.27%）,叶面积的抗旱系数最小。与对照相比,干旱胁迫处理的株高、叶片相对含水量和根长的变异系数增加明显,电导率、根冠比、根体积和叶面积的变异系数均下降明显,表明不同测定指标对干旱胁迫敏感性存在差异。

表2 苗期抗旱性指标的描述统计

Table 2 Descriptive statistics of drought-resistance indicators at seedling stage

指标 Indicator	均值Mean		变异幅度Variability		变异系数 Coefficient of variation (%)		广义遗传力 Generalized heritability (%)	抗旱系数 Drought-resistance coefficient (%)
指标 Indicator	对照 Control	干旱胁迫 Drought stress	对照 Control	干旱胁迫 Drought stress	对照 Control	干旱胁迫 Drought stress	广义遗传力 Generalized heritability (%)	抗旱系数 Drought-resistance coefficient (%)
电导率Electrical conductivity (μS/cm)	0.66	0.81	0.69	0.70	20.68	14.34	90.93	122.7
根表面积Root surface area (cm²)	3.27	5.00	7.84	10.47	36.66	32.05	61.73	152.9
根冠比Root-shoot ratio	0.09	0.24	0.33	0.61	59.60	42.58	15.52	266.7
根长Root length (cm)	21.12	27.66	53.84	56.97	35.86	39.51	46.09	131.0
根体积Root volume (cm³)	0.12	0.15	0.75	0.38	61.66	38.81	80.00	125.0
SPAD值SPAD value	33.34	30.25	32.07	27.10	15.90	12.32	79.61	90.7
叶面积Leaf area (cm²)	13.15	4.39	6.87	7.85	40.81	30.37	53.18	33.4
叶片相对含水量 Relative water content of leaves (%)	0.87	0.60	0.30	0.55	7.70	17.01	30.77	68.9
株高Plant height (cm)	16.95	14.32	23.17	31.67	18.60	26.43	83.73	84.3

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9项指标中,电导率的广义遗传力最大（90.93%）,根冠比的广义遗传力最小（15.52%）,说明电导率受环境影响最小,而根冠比受环境影响最大。

2.2 抗旱系数相关性分析

抗旱系数相关性分析结果（表3）表明,各指标抗旱系数间存在一定程度的相关性。其中,根体积与叶面积、叶片相对含水量和株高均呈极显著正相关;根表面积与SPAD值、叶片相对含水量和株高呈极显著正相关;根体积和叶面积呈极显著正相关,且相关性系数最大（r=0.419）;根冠比与根长、SPAD值和叶面积呈极显著负相关;电导率与根表面积和SPAD值呈极显著负相关;根冠比与SPAD值负相关系数最大（r=-0.272）。

表3 苗期各指标抗旱系数相关性分析

Table 3 Correlation analysis of drought-resistance coefficients of all indicators at seedling stage

指标 Indicator	电导率 Electrical conductivity	根表面积 Root surface area	根冠比 Root-shoot ratio	根长 Root length	根体积 Root volume	SPAD值 SPAD value	叶面积 Leaf area	叶片相对含水量 Relative water content of leaves
根表面积Root surface area	-0.258^**
根冠比Root-shoot ratio	-0.180^*	-0.198^*
根长Root length	-0.197^*	-0.185^*	-0.235^**
根体积Root volume	-0.186^*	-0.194^*	-0.120	0.239^**
SPAD值SPAD value	-0.245^**	-0.323^**	-0.272^**	0.268^**	-0.072
叶面积Leaf area	-0.180^*	-0.178^*	-0.230^**	0.008	-0.419^**	-0.295^**
叶片相对含水量Relative water content of leaves	-0.237^**	-0.240^**	-0.323^**	0.291^**	-0.376^**	-0.343^**	0.244^**
株高Plant height	-0.038	-0.249^**	-0.159^*	0.258^**	-0.320^**	-0.283^**	0.296^**	-0.048

注: “^*”和“^**”分别表示在0.05和0.01水平显著相关。下同

Note: "^*" and "^**" indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 probability level, respectively. The same below

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2.3 抗旱系数与综合抗旱隶属函数值的线性回归分析

为进一步明确各测定指标对向日葵苗期抗旱性的解释程度,以综合抗旱隶属函数值作为因变量,抗旱系数作为预测变量进行线性回归分析。9项指标的解释率变化范围为0.9987~0.9996,各指标解释率相差不大（表4）。其中,根长对抗旱性解释率最大,达到0.9996,株高对抗旱性解释率最小,为0.9987。在回归模型中可以看出,9项指标对综合抗旱隶属函数值的解释率均接近1.0000,表明2个变量的线性相关性较强,拟合效果显著。

表4 各指标抗旱系数与综合抗旱隶属函数值线性回归模型

Table 4 The linear regression models with drought-resistance coefficient as dependent variable and the comprehensive drought-resistance subordinate function value as predictive variable

回归变量Regression variable	回归模型Regression model	R²
电导率Electrical conductivity	y=0.3771x-0.0220	0.9993
根表面积Root surface area	y=0.2708x-0.2707	0.9995
根冠比Root-shoot ratio	y=0.0655x-0.0037	0.9995
根长Root length	y=0.3795x-0.2501	0.9996
根体积Root volume	y=0.1800x-0.0176	0.9989
SPAD值SPAD value	y=0.9363x-0.2073	0.9991
叶面积Leaf area	y=0.8528x-0.0510	0.9991
叶片相对含水量 Relative water content of leaves	y=1.2755x-0.5599	0.9992
株高Plant height	y=0.4151x-0.2117	0.9987

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2.4 抗旱性综合评价

为更准确反映向日葵苗期的抗旱程度,采用隶属函数法对152个向日葵自交系9个指标的抗旱系数进行了综合抗旱能力分析。结果（表5）表明,152个向日葵自交系苗期综合抗旱能力D值变化范围为0.17~0.48,综合抗旱能力D值在0.35及以上的材料有5个,分别是120（0.35）、75（0.39）、138（0.39）、149（0.44）和10号（0.48）。所有自交系中,10号材料的抗旱性最强,其次为149号;20号材料的抗旱性最弱,综合抗旱能力D值为0.17。152个向日葵自交系中84%的材料综合抗旱能力D值分布在0.20~0.30,说明亲本K55和K58杂交获得的重组自交系群体中中等抗旱材料居多。

表5 152份向日葵自交系材料的抗旱性综合评价

Table 5 Drought-resistance comprehensive evaluation of 152 sunflower materials

样品编号 Sample number	综合抗旱能力D值 D value of drought-resistance comprehensive evaluation	D值排序 D-value order
10	0.48	1
149	0.44	2
75、138	0.39	3
120	0.35	4
126、95、110、123	0.33	5
16、77、97、109	0.32	6
6、100、143	0.31	7
1、4、5、59、116、129、151	0.30	8
48、72、85、92、96、107、146	0.29	9
7、8、17、23、38、46、49、68、73、76、102、104、119、135	0.28	10
3、9、18、24、29、37、44、51、54、56、64、69、82、114、130、133、136、145	0.27	11
2、15、22、25、27、45、61、67、106、111、124、131	0.26	12
33、50、62、70、99、103、105、113、117、122、128、139、140	0.25	13
39、42、66、71、74、84、86、94、112、115、132、150	0.24	14
19、28、31、35、47、52、53、55、58、78、79、89、93、101、108、125、127、147	0.23	15
11、12、32、137、141、142、144	0.22	16
34、40、57、63、65、87、90、91、98、118、121、134	0.21	17
14、21、30、36、43、80、88、152	0.20	18
13、26、41、60、83	0.19	19
81、148	0.18	20
20	0.17	21

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2.5 向日葵自交系综合抗旱能力D值的聚类分析

采用欧氏距离平方法及系统聚类法对综合抗旱能力D值进行系统聚类分析（图1）。在λ=8.5处可将152个向日葵自交系聚成4大类,其中强耐旱型2个,包括10、149号材料,占供试材料的1.33%;耐旱型2个,包括75、138号材料,占供试材料的1.33%;弱耐旱型83个,包括95、110、123号材料等,占供试材料的54.60%;不耐旱型65个,包括81、148、20号材料等,占供试材料的42.74%。

图1

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图1 152份向日葵自交系综合抗旱能力D值的系统聚类分析

Fig.1 Cluster analysis 152 sunflower inbred lines based on D-value of drought-resistance comprehensive evaluation

2.6 抗旱系数与综合抗旱能力D值的相关性分析

9项指标的抗旱系数与综合抗旱能力D值之间的相关性分析结果（表6）表明,综合抗旱能力D值与株高、叶片相对含水量、叶面积、根冠比、根长、根表面积和根体积均呈极显著正相关,与电导率、SPAD值均呈显著正相关。说明以上9项指标与向日葵苗期抗旱性有密切关系,其中根长最能反映向日葵苗期的抗旱性,相关系数最高（0.578）。各指标与综合抗旱能力D值的相关性排序为根长>叶面积>根体积>根表面积>叶片相对含水量>株高>根冠比>电导率>SPAD值（表6）。

表6 不同性状的抗旱系数与综合抗旱能力D值相关分析

Table 6 Correlation analysis of drought-resistance coefficients and D-value of drought-resistance comprehensive evaluation of 9 indicators

株高 Plant height	叶片相对含水量 Relative water content of leaves	叶面积 Leaf area	根冠比 Root-shoot ratio	电导率 Electrical conductivity	根长 Root length	根表面积 Root surface area	根体积 Root volume	SPAD值 SPAD value
0.256^**	0.374^**	0.462^**	0.247^**	0.183^*	0.578^**	0.403^**	0.429^**	0.169^*

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3 讨论

植物生长发育过程中经常会遭受各种不良环境的影响,并在不良环境中发生复杂的形态性状及生理生化方面的改变^{[17,18,19,20,21]}。本研究中,与对照正常水分条件相比,干旱胁迫处理条件下向日葵幼苗根表面积、根长和根体积均增加,而SPAD值、叶面积、叶片相对含水量和株高均降低,这是向日葵对干旱胁迫的适应性反应;抗旱系数排序为根冠比>根表面积>根长>根体积>电导率>SPAD值>株高>叶片相对含水量>叶面积,说明向日葵苗期受到干旱胁迫后,不同性状对干旱胁迫响应的敏感度不同;根冠比的抗旱系数最大,这可能是幼苗在干旱环境下,通过提高地下根部生物量来吸收更多的水分,降低地上部生物量来减少蒸发的抗旱机理所致,这与陈志辉等^[22]对玉米抗旱性的研究结果基本一致。

作物的抗旱性是复杂的数量性状,是多种机制和众多因素共同作用的结果^[23]。多指标抗旱性综合评价可以提高抗旱性鉴定的准确性。赵永锋等^[24]以玉米苗期根系的8个表型性状对玉米杂交种进行筛选与综合评价,建立了玉米抗旱性综合评价体系;已有利用隶属函数法、主成分分析与聚类分析对苦荞^[25]、大豆^[26]、薏仁^[27]和大麦^[28]等作物进行耐旱性综合评价的报道。本研究选取与向日葵苗期抗旱性相关的9个抗旱指标,通过计算各指标的抗旱隶属函数值,消除不同基因型向日葵间固有的生物学和遗传学特性差异^[28],同时结合指标变异系数确定每个指标在抗旱性评价体系中的权重,对抗旱性相关密切的指标分配较高的比重,由此计算的综合抗旱能力D值是一个无量纲数,并且在计算过程中考虑到了各指标的重要性,与平均权重相比,材料间抗旱性差异的比较更加客观。综合抗旱能力D值的聚类分析将材料分为强耐旱、耐旱、弱耐旱和不耐旱型4个大类,为进一步进行抗旱分子机理及抗旱遗传改良提供了基础材料。

4 结论

以152份向日葵自交系为供试材料进行了苗期抗旱性鉴定指标的筛选和抗旱性评价,表明根长、根表面积、根体积、株高、叶片相对含水量、叶面积和根冠比是评价向日葵苗期抗旱性的重要指标。10、149、75和138号自交系综合抗旱能力D值较高。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

管晓丹, 石瑞, 孔祥宁 , 等.

全球变化背景下半干旱区陆气机制研究综述

地球科学进展, 2018,33(10):995-1004.