田春艳, 桃联安, 俞华先, 董立华, 经艳芬, 边芯, 郎荣斌, 周清明, 安汝东, 孙有芳, 杨李和. 5种气候生态型割手密F₁和F₂杂种的耐旱性评价[J]. 中国农业科学, 2017, 50(22): 4408-4420 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.22.017
TIAN ChunYan, TAO LianAn, YU HuaXian, DONG LiHua, JING YanFen, BIAN Xin, LANG RongBin, ZHOU QingMing, AN RuDong, SUN YouFang, YANG LiHe. Drought Resistance Evolution of F₁ and F₂ Hybrids from Five Climatic Ecotypes Saccharum spontaneum L[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2017, 50(22): 4408-4420 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.22.017

0 引言

【研究意义】甘蔗是热带和亚热带地区的重要经济作物,也是中国最重要的糖料作物,蔗糖产量占中国食糖总产量的92%以上^[1]。中国蔗区主要分布在广西、云南和广东等地,其中旱地植蔗面积达85%以上。作为全国第二大甘蔗主产区的云南,甘蔗多种植在旱坡地,生长条件恶劣,且自然干旱经常发生,水分供给问题严重。此外,现有主栽品种随着种植时间延长会出现种性退化,产量和品质下降等问题,急需扩宽杂交亲本野生种血缘,实现亲本抗逆性突破,提高新育成品种的生活力、宿根性和适应性^[2]。割手密（Saccharum spontaneum L.）为复杂多倍体或非整倍性植物,是甘蔗属及其近缘属植物中最有研究价值和育种价值的野生种之一^[3]。具有抗逆性强、宿根性好、适应性广等特点,并且割手密资源数量庞大,生态变异类型多,遗传多样性丰富。研究割手密血缘后代对水分胁迫的响应,筛选抗旱种质,对实现抗旱甘蔗亲本创新及培育突破性甘蔗新品种尤为重要。【前人研究进展】干旱是作物生产中重要的逆境因子,严重影响作物的生长速率和发育^[4]。干旱胁迫下,植物细胞遭到破坏,体内氧自由基种类增多,严重损害植物细胞、蛋白质和核酸结构,直接导致作物减产、品质下降等严重后果^[5-6]。罗俊等^[7-8]先后研究了叶绿体荧光参数及活性氧代谢、MDA含量和膜透性指标与甘蔗品种耐旱性及甘蔗苗期抗旱性的关系。结果表明,荧光参数的受抑程度与品种的耐旱性相对强弱密切相关,荧光参数的动态变化可作为简便易行的抗旱性强弱诊断指标在甘蔗抗旱育种上应用。ZHAO等^[9]研究水分亏缺下甘蔗叶片含水量、绿叶面积以及光合作用等方面的变化,说明土壤水分亏缺对甘蔗早期的生长、分蘖均有很大的影响;SILVA等^[10]、BASNAYAKE等^[11]采用干旱胁迫与灌溉的处理方式对甘蔗的抗旱性进行评价,结果表明干旱条件下,甘蔗减产明显,且不同基因型间差异显著。许文花等^[12]、罗明珠等^[13]测定了干旱胁迫下割手密叶片的细胞质膜透性、脯氨酸、丙二醛和可溶性糖含量、根系活力等一系列生理生化指标,并利用模糊隶属函数法、方差分析等对不同割手密无性系、不同抗旱性甘蔗品种进行抗旱性评价,表明不同基因型割手密抗旱性差异显著,并认为叶片脯氨酸含量和质膜透性可作为甘蔗抗旱性评价指标。以上生理生化指标体系皆从水分亏缺引起的植物体内系列生理生化反应出发,从不同代谢途径及角度对植物耐旱性进行分析评价,为植物抗旱性强弱评价体系提供了多种途径及评价指标。并且经研究证明这些指标在其他植物或作物的抗旱性鉴定上同样可靠、具有重要的研究、利用价值^[14-16]。在分析方法上,桃联安等^[17]、边芯等^[18]分别利用抗旱隶属函数法、主成分分析法分析了云南割手密血缘F₁、F₂材料,筛选出抗旱性强的材料,为甘蔗抗旱育种提供亲本材料和选择依据。高三基等^[19]利用相关、主成分、聚类和判别分析方法,研究了有关生理生化指标与甘蔗抗旱性的关系,结果表明,丙二醛、质膜透性等是甘蔗抗旱性综合鉴定的可靠指标,可在甘蔗抗旱性育种上加以应用。【本研究切入点】在甘蔗育种实践中,野生资源因具有强抗逆性、强宿根性以及适应性广等优点越来越受到重视。而在甘蔗新品种选育的漫长过程中,后期对品系的选择主要依据产量和糖分,对抗旱性的选择效率极低^[20-22]。云南地理环境独特,气候类型多样,具有丰富的野生割手密资源,但其利用效率极低,仅有少数得到应用或利用成功^[23-25]。严重阻碍了含割手密血缘的创新亲本种质在甘蔗育种中的应用。【拟解决的关键问题】本研究以甘蔗与5种气候生态型割手密杂交所获得的F₁、F₂后代及双亲为材料,测定其水分胁迫下的系列生理生化指标,旨在分析割手密后代对不同程度水分胁迫的响应及其耐旱性,筛选耐旱种质,为充分利用云南割手密培育耐旱亲本及进行甘蔗抗旱育种提供依据和指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

5种气候生态类型的割手密与云瑞系列创新亲本（含割手密血缘）、国外种以及国内种的杂交F₁、F₂代材料,其中,云割F₁代材料12份,为6个组合的后代,云割F₂代23份均为云瑞09-525×云割F₁ 08-254的杂交后代,所有供试材料共36份,F₁代材料及其割手密父本信息详见电子附表1。

1.2 试验设计与生理生化指标测定

试验在云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站进行,干旱胁迫在温室大棚内进行。试验材料于2015年3月6日进行单芽桶栽种植,每个材料种植9桶,每桶5个芽,正常浇水管理使其正常生长。于2015年9月22日（拔节初期）开始把材料分成3组,每组3桶。第1组继续正常供水,作为对照;第2、3组停止供水,进行水分胁迫处理,其中第2组作轻度水分胁迫,第3组作重度水分胁迫。1周后,处理组部分材料开始呈轻微萎蔫状态,梢部叶片略有枯黄、卷曲等轻度缺水症状,此时于早晨8:00开始取第1组、第2组材料,进行各抗旱性生理生化指标的测定;第3组继续胁迫,待胁迫15 d后,第3组较第1组（对照组）三分之一以上材料出现永久萎蔫、叶片枯黄卷曲、少部分甚至枯死等严重缺水症状时进行重度胁迫抗旱指标的测定,同时再次测定对照组材料。
参照谭常^[26]的方法测定质膜透性（PMP）,参照李忠光等^[27]方法测定丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（Pr）含量以及过氧化物酶（SOD）、超氧化物歧化酶（POD）活性,采用SPAD叶绿素仪测定叶绿素（CHL）含量。其中,PMP、MDA、Pr 和Pro的测定用+1叶,SOD和POD酶活性的测定用心叶,CHL含量的测定连续测定了+1—+4叶。取样时从每桶中随机选择1株,共3叶,测定时将所取的3叶叶片去主脉,剪碎混合后进行称量和后续研磨测定。

1.3 统计分析

采用Microsoft excel、DPS ver 16.05进行数据的整理和统计分析。根据模糊隶属函数法,参照张保青等^[28]方法计算轻、重度水分胁迫下各生理生化指标的隶属函数值,并分别计算其轻度胁迫和重度胁迫隶属度,表示其在轻度水分胁迫、重度水分胁迫下的耐旱能力,最后计算其综合隶属度（即,轻度胁迫和重度胁迫隶属度的平均值）,综合分析、评价参试材料在水分胁迫下的耐旱性。
隶属函数值计算公式如下：

式中,Z_ij表示i基因型j指标的抗旱隶属函数值,X_ij表示i基因型j指标的测定值,X_jmin、X_jmax分别表示基因型中所测定指标的最小值和最大值。计算各指标隶属函数值时,如果某一指标与抗旱性呈正相关,用（1）式计算;若与抗旱性呈负相关,则用（2）式进行反转;（3）式表示i基因型各指标的抗旱隶属函数平均值（即,抗旱隶属度）,n为指标数。
采用卡方距离（chi-square measure）、离差平方和法（sums of Squared Deviations）对7个生理生化指标数据进行系统聚类分析。

2 结果

2.1 割手密后代对水分胁迫的生理响应

水分胁迫下,甘蔗叶片各生理生化指标的变化幅度（表1）,即各指标在水分胁迫处理下较正常供水（对照）的增减变化情况,表示植物体内各生理生化指对水分亏缺的生理响应及响应灵敏度,反映植物对水分亏缺是否敏感。水分胁迫下,甘蔗叶片的PMP、MDA含量、Pro含量、SOD酶活性和POD酶活性升高,CHL含量和Pr含量降低,变化幅度因甘蔗基因型及水分胁迫差异而不同。SOD和POD酶活性的变幅为轻度胁迫大于重度胁迫,其余5个指标的变幅皆为重度胁迫大于轻度胁迫。方差分析表明,轻度胁迫与重度胁迫间（P=0.5142>0.05）差异不显著。重度水分胁迫下,除处理与对照的CHL（P=0.6371>0.05）和Pr含量（P=0.0654>0.05）差异不显著外,其余5个指标均达到显著水平（P<0.05）,其中,PMP（P=0.0093<0.01）达极显著水平。
Table 1
表1
表1水分胁迫下甘蔗叶片各生理生化指标的变化幅度
Table 1Variation of physiological and biochemical indicators in leaves of sugarcane under water stress (%)

材料名称 Material	PMP (+)		MDA (+)		CHL (–)		Pr（–）		SOD (+)		POD (+)		Pro (+)
	轻度 Mild	重度Severe	轻度 Mild	重度 Severe	轻度 Mild	重度 Severe	轻度 Mild	重度 Severe	轻度 Mild	重度 Severe	轻度 Mild	重度Severe	轻度 Mild	重度 Severe
云割F211-8 YG F211-8	13.2	20.8	111.7	21.5	13.6	12.4	6.2	11.7	9.5	10.1	101.8	97.2	13.8	26.6
云割F211-18 YG F211-18	126.6	124.0	101.4	119.4	20.8	15.1	12.4	10.1	12.0	68.2	125.2	68.3	27.4	48.1
云割F211-19 YG F211-19	196.3	147.6	95.8	101.7	9.6	2.9	4.0	6.3	19.6	6.3	87.9	58.9	10.7	24.8
云割F211-37 YG F211-37	77.9	13.7	67.1	43.9	17.1	14.1	21.8	11.2	22.9	19.7	41.9	1.7	177.4	241.3
云割F211-43 YG F211-43	114.0	100.4	22.8	331.0	15.6	16.4	25.3	13.7	51.8	17.5	112.2	25.5	21.3	37.7
云割F211-56 YG F211-56	293.3	121.3	127.4	106.1	2.0	4.1	17.2	9.7	10.4	8.3	25.6	58.0	13.3	31.7
云割F211-74 YG F211-74	100.1	174.2	64.4	47.5	7.5	2.8	12.5	34.6	27.5	4.4	25.3	15.3	43.1	138.0
云割F211-90 YG F211-90	44.9	106.9	64.7	15.5	1.9	9.0	1.0	25.6	17.8	17.7	81.9	50.3	10.7	6.7
云割F211-122 YG F211-122	124.8	108.4	120.6	130.5	13.6	14.6	2.2	14.3	39.5	20.0	48.2	56.8	82.5	66.1
云割F211-151 YG F211-151	167.2	54.8	40.8	23.2	1.2	3.8	9.7	4.9	12.4	8.4	45.2	35.9	42.6	45.0
云割F211-162 YG F211-162	166.0	120.7	147.4	163.9	20.2	18.2	3.9	4.4	11.3	22.7	91.7	69.8	23.0	35.0
云割F211-165 YG F211-165	37.0	107.5	38.0	81.7	5.0	11.5	6.3	28.6	6.7	31.0	90.8	24.4	67.7	11.8
云割F211-169 YG F211-169	261.1	168.0	135.9	121.5	2.8	17.0	6.2	13.1	27.1	30.0	39.0	4.6	21.4	23.3
云割F211-179 YG F211-179	153.8	10.7	80.1	40.6	36.0	6.0	15.8	3.6	20.3	52.1	39.7	50.6	56.5	149.1
云割F211-188 YG F211-188	16.1	52.1	18.5	121.2	1.3	12.1	1.4	16.8	9.5	9.0	128.9	116.3	11.2	4.1
云割F211-192 YG F211-192	5.1	135.2	132.1	136.1	2.0	8.0	7.2	17.1	12.4	9.1	80.9	11.6	25.5	25.5
云割F211-202 YG F211-202	18.1	279.6	42.5	222.3	4.6	30.7	22.3	16.3	62.9	13.6	170.6	70.1	196.0	79.0
云割F211-229 YG F211-229	124.6	153.1	36.5	61.0	6.2	20.0	16.0	2.7	9.2	38.4	65.6	19.2	34.6	34.6
云割F211-248 YG F211-248	317.7	92.3	129.5	130.4	30.5	25.4	1.5	25.0	14.0	5.0	65.6	155.3	55.9	61.2
云割F211-253 YG F211-253	176.0	292.8	137.8	187.6	6.1	12.3	7.3	20.1	10.0	8.2	16.1	43.7	31.7	6.5
云割F211-254 YG F211-254	148.8	180.7	173.4	94.4	13.4	28.8	9.2	7.9	20.6	8.0	61.1	21.5	20.1	24.5
云割F211-258 YG F211-258	47.8	44.5	30.0	16.1	4.4	13.6	4.6	42.0	14.7	49.0	26.2	118.2	21.3	21.9
云割F211-261 YG F211-261	14.7	50.1	8.2	26.5	6.4	3.8	1.4	6.0	7.5	20.9	92.0	44.3	59.3	153.0
云割F107-150 YG F107-150	209.6	82.3	65.7	36.9	6.8	4.1	19.7	3.9	22.4	21.8	159.3	83.1	115.5	237.7
云割F107-152 YG F107-152	29.3	61.6	2.9	77.5	19.4	16.7	7.0	11.9	83.2	58.4	16.7	47.0	176.5	330.8
云割F108-254 YG F108-254	12.7	20.5	56.7	71.8	11.1	12.8	6.7	9.1	7.1	16.3	52.0	29.8	68.1	53.5
云割F108-391 YG F108-391	35.9	34.1	48.3	75.8	14.5	8.5	2.0	9.8	36.2	24.3	46.9	13.0	24.6	32.1
云割F108-392 YG F108-392	126.3	186.1	27.3	36.4	13.5	20.2	3.0	28.8	88.2	53.5	41.7	18.8	173.8	387.1
云割F108-398 YG F108-398	62.8	165.3	29.8	13.2	2.8	28.3	6.3	24.0	44.3	25.3	22.4	11.2	81.6	152.3
云割F108-412 YG F108-412	168.4	179.0	41.4	26.7	7.7	18.9	3.9	21.6	32.8	20.8	24.8	54.6	19.3	15.7
云割F108-473 YG F108-473	99.2	194.1	85.4	205.8	1.9	7.6	3.1	5.9	20.7	19.0	107.6	68.1	79.4	113.8
云割F108-474 YG F108-474	95.4	27.5	51.0	29.4	10.5	22.4	18.0	42.8	20.1	36.4	23.1	27.1	108.1	221.7
云割F108-536 YG F108-536	106.6	135.9	14.0	21.9	5.0	5.8	8.5	20.6	15.0	31.8	90.3	38.6	119.3	108.5
云割F108-538 YG F108-538	9.3	80.3	51.9	15.5	2.5	15.3	2.5	20.4	59.9	61.3	3.2	6.3	99.1	211.3
云割F108-543 YG F108-543	87.6	84.7	37.2	97.6	17.4	2.8	10.1	20.5	18.3	21.3	72.6	67.5	125.6	340.3
云瑞09-525 YR 09-525	100.4	157.4	45.6	23.9	9.5	11.9	12.3	12.0	23.6	24.6	26.5	32.3	87.2	14.6
均值 Average	108.0	113.0	69.0	85.4	10.1	13.3	8.9	16.0	25.6	24.8	65.3	47.7	65.1	97.6

Data in the table were variation percentage ( VP, %) of physiological indicators for the tested materials in this study under different degree of water stress Where Tr was the physiological indicator of tested materials under water stress; CK was the physiological indicator of tested materials under Normal water supply at the same time. (+): Increment; negative (-): Decrement表内数值为研究材料在水分胁迫下各生理指标的变化幅度（%）=（水分胁迫下各生理指标测定值–正常供水的各生理指标测定值）÷ 正常供水的各生理指标测定值×100%;（+）：表示增加;（–）：表示减少
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重度水分胁迫下,云割F₂11-253、云割F₂11-74、云割F₂11-43、云割F₂11-169、云割F₂11-122、云割F₂11-19、云割F₂11-229、云割F₂11-254、云割F₂11-162、云割F₂ 08-392、云割F₂11-18、云割F₂ 08-473首先表现严重缺水症状,部分材料枯死,其生理生化指标测定为PMP（100.4%—292.8%）和MDA（47.55%— 331.0%）增幅较大,叶绿素、可溶性蛋白质降解严重,同时SOD酶活性（云割F₂11-74增幅最小,仅为4.4%）、POD酶活性（云割F₂11-169,4.6%）增幅较小,未能有效缓解干旱给膜系统带来的伤害,渗透调节物质脯氨酸含量（云割F₂11-253,增幅仅为6.5%）也较低,这些材料耐旱能力较弱,与植株缺水症状表现一致,其中以F₂代材料（约占83%）居多。

2.2 隶属函数分析

隶属函数结果（表2）表明,参试材料在轻度、重度水分胁迫下的隶属度及排序不同。部分材料如云割F₁08-543、云割F₂11-165、云割F₂11-192、云割F₁08-392、云割F₂11-229、云割F₂11-122、云割F₂11-43、云割F₂11-253在轻度水分胁迫下隶属值较大,表现较好的耐旱性,但在重度水分胁迫下隶属值较小,耐旱性很差;云割F₂11-179、云割F₁08-474、云割F₁08-538、云割F₂11-248和云割F₂11-56则正好相反。但重度胁迫下,胁迫时间较长,植物响应水分亏缺更充分,生理生化指标变化明显,测定结果与植物对水分亏缺引起的严重缺水症状表现一致,耐旱性评价结果更可靠。且方差分析表明,轻度胁迫与重度胁迫间差异不显著,故表2最终仅以重度胁迫下耐旱隶属值排序表示供试材料耐旱性。
Table 2
表2
表2生理生化指标隶属函数值及材料耐旱性
Table 2Fuzzy membership values of physiological and biochemical indicators and drought resistance of materials

材料名称 Material	水分胁迫 Water stress	PMP	MDA	CHL	Pr	SOD	POD	Pro	均值 Average	排序 No.	耐旱性 Drought resistance
云割F108-536 YG F108-536	Severe	0.701	0.900	0.920	0.861	0.612	0.571	0.554	0.731	1	1
	Mild	0.679	0.861	0.811	0.912	0.526	0.758	0.753	0.757	1
云割F211-179 YG F211-179	Severe	1.000	0.855	0.825	0.279	0.633	0.449	1.000	0.720	2	2
	Mild	0.547	0.736	0.558	0.833	0.280	0.591	0.050	0.514	29
云割F211-8 YG F211-8	Severe	0.859	1.000	0.558	1.002	0.979	0.479	0.100	0.711	3	3
	Mild	0.808	0.335	0.654	0.650	0.839	0.657	0.393	0.619	8
云割F108-474 YG F108-474	Severe	0.949	0.900	0.749	0.814	0.740	0.224	0.539	0.702	4	4
	Mild	0.680	0.592	0.034	0.827	0.597	0.546	0.087	0.480	31
云割F108-398 YG F108-398	Severe	0.490	0.981	0.412	0.800	0.995	0.688	0.425	0.684	5	5
	Mild	0.742	0.758	0.134	0.860	0.924	0.684	0.191	0.613	10
云割F108-254 YG F108-254	Severe	0.682	0.847	0.840	0.840	0.886	0.496	0.200	0.684	6	6
	Mild	0.737	0.503	0.554	0.793	0.930	0.704	0.421	0.663	4
云割F211-261 YG F211-261	Severe	0.975	0.932	0.769	0.298	0.907	0.484	0.273	0.663	7	7
	Mild	0.806	0.490	0.638	0.710	0.899	0.709	1.000	0.750	2
云割F211-151 YG F211-151	Severe	0.933	0.865	0.456	0.337	0.819	0.762	0.376	0.650	8	8
	Mild	0.561	0.738	0.431	0.607	0.831	0.634	0.451	0.608	11
云割F108-538 YG F108-538	Severe	0.770	0.942	0.986	0.813	0.000	0.254	0.723	0.641	9	9
	Mild	0.597	0.704	0.666	0.890	0.000	0.571	0.085	0.502	30
云割F108-391 YG F108-391	Severe	0.536	0.404	0.833	0.693	0.663	0.439	0.827	0.628	10	10
	Mild	0.718	0.767	0.412	0.934	0.654	0.697	0.753	0.705	3
云割F211-188 YG F211-188	Severe	0.688	0.711	1.000	0.302	0.857	0.711	0.127	0.628	11	11
	Mild	0.441	0.739	0.600	0.624	0.740	0.629	0.059	0.547	23
云割F211-37 YG F211-37	Severe	0.713	0.757	0.631	0.370	0.831	0.447	0.637	0.627	12	12
	Mild	0.589	0.508	0.450	0.000	0.906	0.491	0.881	0.546	24
云割F107-150 YG F107-150	Severe	0.880	0.868	0.601	0.622	0.536	0.171	0.588	0.609	13	13
	Mild	0.581	0.812	0.598	0.780	0.412	0.637	0.035	0.551	21
云割F211-258 YG F211-258	Severe	0.654	0.990	0.430	0.248	0.983	0.894	0.054	0.608	14	14
	Mild	0.927	0.683	0.389	0.699	0.854	0.710	0.072	0.619	9
云割F211-90 YG F211-90	Severe	0.938	0.942	0.408	0.611	0.958	0.257	0.112	0.604	15	15
	Mild	0.874	0.501	0.608	0.650	0.952	0.717	0.067	0.624	6
云割F211-248 YG F211-248	Severe	0.568	0.965	0.600	0.122	0.916	0.942	0.067	0.597	16	16
	Mild	0.025	0.659	0.387	0.658	0.922	0.530	0.054	0.462	34
云割F107-152 YG F107-152	Severe	0.794	0.818	0.329	0.644	0.587	0.012	0.971	0.594	17	17
	Mild	0.697	1.000	0.274	0.740	0.526	0.647	0.202	0.584	15
云割F108-543 YG F108-543	Severe	0.298	0.720	0.915	0.582	0.332	0.427	0.841	0.588	18	18
	Mild	0.048	0.716	1.000	1.003	0.355	0.624	0.651	0.628	5
云割F211-202 YG F211-202	Severe	0.127	0.584	0.647	0.224	0.916	1.000	0.295	0.542	19	19
	Mild	0.572	0.638	0.000	0.668	0.605	0.497	0.918	0.557	20
云割F211-56 YG F211-56	Severe	0.637	0.685	0.512	0.506	0.861	0.476	0.113	0.541	20	20
	Mild	0.000	0.342	0.758	0.697	0.848	0.529	0.076	0.464	33
续表2 Continued table 2
材料名称 Material	水分胁迫 Water stress	PMP	MDA	CHL	Pr	SOD	POD	Pro	均值 Average	排序 No.	耐旱性 Drought resistance
云瑞09-525 YR 09-525	Severe	0.568	0.834	0.558	0.629	0.857	0.240	0.057	0.535	21	21
	Mild	0.531	0.535	0.558	0.629	0.870	0.625	0.100	0.550	22
云割F108-412 YG F108-412	Severe	0.458	0.909	0.496	0.799	0.638	0.329	0.078	0.529	22	22
	Mild	0.333	0.763	0.348	0.848	0.625	0.583	0.256	0.537	26
云割F211-165 YG F211-165	Severe	0.490	0.561	0.000	0.992	0.874	0.694	0.057	0.524	23	23
	Mild	0.798	0.697	0.147	0.672	0.861	0.635	0.338	0.593	14
云割F108-473 YG F108-473	Severe	0.606	0.272	0.335	0.739	0.689	0.501	0.480	0.517	24	24
	Mild	0.988	0.000	0.795	0.855	0.398	0.607	0.297	0.563	17
云割F211-18 YG F211-18	Severe	0.367	0.676	0.790	0.252	0.777	0.573	0.131	0.510	25	25
	Mild	0.600	0.263	0.374	0.707	0.751	0.539	0.052	0.470	32
云割F211-192 YG F211-192	Severe	0.622	0.743	0.689	0.117	0.848	0.461	0.082	0.509	26	26
	Mild	0.741	0.728	0.538	0.653	0.822	0.696	0.074	0.607	12
云割F108-392 YG F108-392	Severe	0.745	0.651	0.024	0.581	0.612	0.000	0.894	0.501	27	27
	Mild	0.522	0.714	0.213	0.939	0.497	0.577	0.883	0.621	7
云割F211-162 YG F211-162	Severe	0.852	0.523	0.177	0.272	0.739	0.562	0.346	0.496	28	28
	Mild	0.610	0.417	0.454	0.628	0.680	0.558	0.334	0.526	27
云割F211-254 YG F211-254	Severe	0.664	0.660	0.736	0.211	0.899	0.233	0.045	0.493	29	29
	Mild	0.850	0.463	0.366	0.656	0.869	0.641	0.069	0.559	28
云割F211-229 YG F211-229	Severe	0.086	0.648	0.425	0.573	1.000	0.383	0.217	0.476	30	30
	Mild	0.665	0.474	0.226	0.700	1.000	0.613	0.545	0.603	13
云割F211-19 YG F211-19	Severe	0.270	0.771	0.324	0.325	0.836	0.686	0.107	0.474	31	31
	Mild	0.449	0.294	0.403	0.633	0.797	0.515	0.061	0.450	35
云割F211-122 YG F211-122	Severe	0.400	0.909	0.372	0.143	0.899	0.237	0.345	0.472	32	32
	Mild	0.369	0.836	0.260	0.600	0.819	0.577	0.438	0.557	19
云割F211-169 YG F211-169	Severe	0.761	0.960	0.000	0.164	0.844	0.504	0.030	0.466	33	33
	Mild	0.345	0.648	0.295	0.599	0.354	0.448	0.000	0.384	36
云割F211-43 YG F211-43	Severe	0.605	0.000	0.629	0.289	0.987	0.605	0.000	0.445	34	34
	Mild	1.000	0.654	0.117	0.638	0.775	0.637	0.221	0.578	16
云割F211-74 YG F211-74	Severe	0.000	0.887	0.784	0.000	0.836	0.279	0.297	0.440	35	35
	Mild	0.762	0.149	0.418	0.652	0.853	0.567	0.382	0.540	25
云割F211-253 YG F211-253	Severe	0.334	0.731	0.326	0.318	0.928	0.189	0.107	0.419	36	36
	Mild	0.731	0.367	0.421	0.625	0.811	0.591	0.063	0.516	18

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参试材料中,割手密F₁代较F₂代表现更强的耐旱性。在F₂代材料（23份）中,耐旱能力超过双亲（云割F₁08-254、云瑞09-525）的有云割F₂11-179、云割F₂11-8、云割F₂11-261、云割F₂11-151、云割F₂11-188、云割F₂11-37、云割F₂11-258、云割F₂11-90、云割F₂11-248、云割F₂11-56和云割F₂11-202,共11份,约占总数的48%;F₁代材料（11份,除云割F₁08-254）中,耐旱能力超过上述亲本的有云割F₁08-536、云割F₁08-474、云割F₁08-398、云割F₁08-391、云割F₁08-543、云割F₁07-150、云割F₁07-152和云割F₁08-538共8份,约73%,所占比例远高于F₂,这些材料皆具有较强的耐旱性。其中耐旱能力前15位依次为云割F₁08-536、云割F₂11-179、云割F₂11-8、云割F₁08-474、云割F₁08-398、云割F₁08-254、云割F₂11-261、云割F₂11-151、云割F₁08-538、云割F₁08-391、云割F₂11-188、云割F₂11-37、云割F₁07-150、云割F₂11-258和云割F₂11-90,可在甘蔗育种中优先利用。
根据隶属函数分析结果,5种气候生态型割手密后代F₁耐旱性比较分析结果（表3）表明,耐旱性与其父本割手密的气候生态类型、地理位置以及海拔高度之间并无直接相关性。本研究中耐旱性最强的为低海拔、北热带半湿润半干燥型生态型的云割F₁08-536,与其具有相同生态型的云割F₁08-538和云割F₁08-543耐旱性排名分别为第5和第9,其耐旱性与父本割手密的气候生态类型、地理位置以及海拔高度之间无明显相关性。
Table 3
表3
表35种气候生态型父本割手密F₁材料耐旱性
Table 3Drought resistance of F₁ materials from males of five climatic ecotypes

材料名称 Material	父本 Male	种名 Species	气候生态型 Climatic ecotype	海拔 Altitude (m)	隶属函数均值 Average of fuzzy membership values	耐旱性 Drought resistance
云割F108-536 YG F108-536	云割83-174 YG 83-174	割手密 S.spontaneum	北热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, North tropic	190	0.731	1
云割F108-474 YG F108-474	云割82-59 YG 82-59	割手密 S.spontaneum	中亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, Mid-subtropic	1000	0.702	2
云割F108-398 YG F108-398	云割82-110 YG 82-110	割手密 S.spontaneum	北热带湿润型 Humid, North tropic	570	0.684	3
云割F108-254 YG F108-254	瑞割06-7-3 RG 06-7-3	割手密 S.spontaneum	南亚热带湿润型 Humid, South subtropic	776	0.684	4
云割F108-538 YG F108-538	云割83-174 YG 83-174	割手密 S.spontaneum	北热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, North tropic	190	0.641	5
云割F108-391 YG F108-391	云割82-110 YG 82-110	割手密 S.spontaneum	北热带湿润型 Humid, North tropic	570	0.628	6
云割F107-150 YG F107-150	云南83-157 YN 83-157	割手密 S.spontaneum	南亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, South subtropic	1570	0.609	7
云割F107-152 YG F107-152	云南83-157 YN 83-157	割手密 S.spontaneum	南亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, South subtropic	1570	0.594	8
云割F108-543 YG F108-543	云割83-174 YG 83-174	割手密 S.spontaneum	北热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, North tropic	190	0.588	9
云割F108-412 YG F108-412	云割82-34 YG 82-34	割手密 S.spontaneum	中亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, Mid-subtropic	1660	0.529	10
云割F108-473 YG F108-473	云割82-59 YG 82-59	割手密 S.spontaneum	中亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, Mid-subtropic	1000	0.517	11
云割F108-392 YG F108-392	云割82-110 YG 82-110	割手密 S.spontaneum	北热带湿润型 Humid, North tropic	570	0.501	12

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2.3 聚类分析

割手密后代7个生理生化指标的聚类分析（图1）表明,所有参试材料（共36份）在轻度水分胁迫下可分为4大类群（图1-A,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）,其中Ⅰ类有9份,Ⅱ类10份、Ⅲ类8份、Ⅳ类8份;在重度胁迫下可分为3大类群（图1-B,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）,Ⅰ类有8份,Ⅱ类16份、Ⅲ类12份,此分类结果与隶属函数分析方法所得结果基本一致,仅有极少数材料存在偏差。轻度胁迫（图1-A）下,Ⅰ和Ⅱ类材料耐旱性最好,Ⅳ类次之,Ⅲ类耐旱性最差,且Ⅲ类全为割手密F₂代材料,所有F₁代均分布于耐旱性较好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ类群中。但Ⅰ类中的云割F₂11-188;Ⅱ类中的云割F₂11-37、云割F₁08-474、云割F₁08-538;Ⅳ类中的云割F₂11-74、云割F₂11-179、云割F₁08-412, 这些材料在隶属函数分析中耐旱性较差,与生理生化指标的聚类结果不一致。重度胁迫（图1-B）下,Ⅰ、Ⅲ类的耐旱性较强,Ⅱ类耐旱性最差,割手密F₁代材料（除云割F₁08-473外）均分布在耐旱性较强的Ⅰ、Ⅲ类群里,说明割手密F₁代较F₂代具有更强的耐旱能力。但Ⅲ类的云割F₂11-74和云割F₂08-392在重度胁迫的隶属函数分析中耐旱性较差,Ⅱ类的云割F₂11-188、云割F₂11-248和云割F₂11-202耐旱性却相对较强,这些个别材料的耐旱性鉴定结果在2种评价方法中存在差异。
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图1割手密后代耐旱性聚类图(A：轻度水分胁迫下耐旱性聚类图;B：重度水分胁迫下耐旱性聚类图;分枝上数值为耐旱性排名)
-->Fig. 1Cluster result of drought resistance in S.spontaneum offspring(A: Cluster result of drought resistance under mild water stress; B: Cluster result of drought resistance under severe water stress; Numbers on branches are ranking of drought resistance)
-->

对于父本割手密生态型与其F₁材料的聚类分析显示,相同生态型父本割手密的F₁材料并未完全聚在同一类群,而是分散在各个类群,同样表明后代耐旱性与父本割手密的气候生态类型、地理位置以及海拔高度之间无直接关系,与隶属函数分析结果一致。

2.4 灰色关联度分析

以模糊隶属函数分析法所得的耐旱性隶属度为母序列,7个生理生化指标变化幅度为子序列进行灰色关联度分析,结果表明,不同程度水分胁迫下,各指标与耐旱性的关联度不一致,即在轻度、重度水分胁迫下,各指标对水分亏缺的敏感程度及植株的耐旱机制不同。轻度水分胁迫下,各指标与甘蔗耐旱性间的关联密切程度依次为POD>SOD>PMP>MDA>Pr>CHL>Pro,关联系数分别为0.4323、0.4180、0.3971、0.3840、0.3795、0.3725和0.3721;重度胁迫下,其关联度依次为SOD>Pr>CHL>POD>PMP>MDA>Pro,关联系数分别为0.4766、0.4684、0.4562、0.4150、0.3939、0.3761和0.3413。脯氨酸在轻度、重度水分胁迫下皆与甘蔗耐旱性关联度最低。
Table 1
附表1
附表1 供试材料
Table 1 The tested materials of this study

材料名称 Material	母本 Female	父本 Male	父本原生地信息 Origin information of males
			采集地 Origin	纬度 Latitude	海拔 Altitude (m)	气候生态型 Climatic ecotype
云割F107-150 YG F107-150	50Uahiapele	云南83-157 YN 83-157	云南屏边 Pingbian country, Yunnan	22°9'	1570	南亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, South subtropic
云割F107-152 YG F107-152	50Uahiapele	云南83-157 YN 83-157	云南屏边 Pingbian country, Yunnan	22°9'	1570	南亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, South subtropic
云割F108-254 YG F108-254	CP65-357	瑞割06-7-3 RG 06-7-3	云南瑞丽 Ruili city, Yunnan	24°11'	776	南亚热带湿润型 Humid, South subtropic
云割F108-391 YG F108-391	云瑞05-189 YR 05-189	云割82-110 YG 82-110	云南景洪 Jinghong city, Yunnan	21°40'	570	北热带湿润型 Humid, North tropic
云割F108-392 YG F108-392	云瑞05-189 YR 05-189	云割82-110 YG 82-110	云南景洪 Jinghong city, Yunnan	21°40'	570	北热带湿润型 Humid, North tropic
云割F108-398 YG F108-398	云瑞05-189 YR 05-189	云割82-110 YG 82-110	云南景洪 Jinghong city, Yunnan	21°40'	570	北热带湿润型 Humid, North tropic
云割F108-412 YG F108-412	云瑞06-66 YR 06-66	云割82-34 YG 82-34	云南宾川牛井 Niujing, Binchuan country, Yunnan	25°30'	1660	中亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, Mid-subtropic
云割F108-473 YG F108-473	50Uahiapele	云割82-59 YG 82-59	云南宾川乔甸 Qiaodian, Binchuan country, Yunnan	24°39'	1000	中亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, Mid-subtropic
云割F108-474 YG F108-474	50Uahiapele	云割82-59 YG 82-59	云南宾川乔甸 Qiaodian, Binchuancountry, Yunnan	24°39'	1000	中亚热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, Mid-subtropic
云割F108-536 YG F108-536	德蔗93-94 DZ 93-94	云割83-174 YG 83-174	云南富宁 Funing country, Yunnan	23°49'	190	北热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, North tropic
云割F108-538 YG F108-538	德蔗93-94 DZ 93-94	云割83-174 YG 83-174	云南富宁 Funing country, Yunnan	23°49'	190	北热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, North tropic
云割F108-543 YG F108-543	德蔗93-94 DZ 93-94	云割83-174 YG 83-174	云南富宁 Funing country, Yunnan	23°49'	190	北热带半湿润半干燥型 Semihumid and semiarid, North tropic

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3 讨论

3.1 割手密后代对水分胁迫的生理生化响应及耐旱性

水分亏缺时,甘蔗叶片失水,细胞膜脂的过氧化作用加剧,细胞质膜透性增大,MDA大量积累。同时,水分胁迫下,甘蔗叶片内叶绿素和可溶性蛋白质降解,体内的渗透调节物质脯氨酸等的积累,增加了细胞质浓度,降低渗透势,保持水分和各生理活动正常进行,缓解细胞脱水伤害;其植物体内的氧自由基含量及种类也会大量增多,此时SOD和POD酶活性增强,能清除氧活性自由基,延缓细胞衰老,有助于植株抵御干旱伤害,表现耐旱性。但不同程度水分胁迫下,各指标对水分亏缺的响应敏感度及不同基因型甘蔗在不同胁迫程度下的抗旱机制可能不同。其适应和抵御干旱的途径不是单一的,而是多种多样的^[29]。
本研究中云割F₁08-474和云割F₁08-538在轻度胁迫下耐旱性较差,而在重度水分胁迫下却表现出很强耐旱性;云割F₂11-165、云割F₂11-253、云割F₁08-392在轻度胁迫下耐旱性较强,而在重度水分胁迫下却表现不耐旱或耐旱性极弱。这与白向历等^[28]对玉米的抗旱性研究结果一致,即干旱胁迫程度不同,抗旱评价结果也会有偏差。当然这并不能排除可能是试验误差的影响,这在其他作物的抗旱性评价中也得到了研究证实^[30-31]。总之,重度胁迫下,胁迫时间充足,植物对水分亏缺的生理响应充分,植物体内生理生化反应也渐渐趋于稳定,测定值的耐旱评价结果与所观察到的植物因水分亏缺引起的缺水症状表型结果一致,能客观反映植物耐旱性,结果更可靠。
本研究基于隶属函数分析和聚类分析,针对来源于5种不同生态型父本割手密的F₁材料耐旱性评价结果表明,割手密后代耐旱性强弱与其父本割手密的气候生态类型、地理位置以及海拔高度之间并无直接相关性,这与本单位前期对其他创新种质抗旱性相关性状的主成分分析研究的结果一致^[18]。这有可能是所选的父本割手密生态型差异较小、代表性不强和数量有限导致的,两者之间是否存在明确的关联性还有待进一步研究探讨。朱建荣等^[32]在云南不同生态型甘蔗细茎野生种育种潜力分析中指出,不同生态型割手密（父本）对其杂交后代主要经济性状的改良主要表现为产量性状的变化,不同生态型割手密无性系的蔗茎产量、蔗糖分遗传潜力表现不尽相同,应有目的地选择利用多种类型的无性系创新种质,培育新型亲本,丰富甘蔗育种遗传基础。

3.2 割手密不同世代间耐旱性差异

割手密为复杂的异源多倍体植物,遗传背景复杂,杂交后代分离广泛,基因型间差异大。且耐旱性为多基因控制的数量性状,因此,准确评价甘蔗材料耐旱性非常困难。对亲本及其后代抗旱性的评价结果只能表明其作为亲本产生高抗旱性后代的一种趋势和可能性^[2]。另外甘蔗在生长过程中受自身生长特性、群体对个体的影响及其与环境的互作等众多因素的影响。本研究针对7个抗旱指标的模糊隶属函数分析及聚类分析结果共同表明,割手密血缘后代中,F₁代的抗旱性明显强于F₂代,如在模糊隶属函数分析中,抗旱能力超过双亲的,F₁代约占82%,F₂代仅占48%,其中抗旱性最强的材料就是F₁代的云割F₁08-536。此现象可能是由于随着杂交世代的增加,含抗旱性基因的割手密染色体不断减少,耐旱性逐渐减弱甚至消失。现有研究结果表明,异源多倍体植物中基因表达的变化主要包括亲本基因的沉默（silencing）、基因的激活（activation）以及部分同源基因（homoeologous gene）表达水平的变化^[33-36]。因此,对于甘蔗这样的异源多倍体植物,准确分析评价其抗旱性显得更加复杂、困难,不仅要求在进行抗旱性评价时既要选用多指标,又要利用多种评价方法相互验证,必要时还需结合分子技术进行深入的分析研究,提高准确性,为抗旱育种提供正确的指导及可靠的依据。

3.3 甘蔗耐旱性评价指标及体系的选择

植物耐旱性是多基因控制的数量性状,同时受基因型差异和个体与环境互作的影响很大。目前对植物耐旱性的研究常采用多指标评价体系,从形态指标^[37]、生理生化指标^[13,29]等方面利用模糊隶属函数法^[38]、主成分分析法^[18]、聚类分析^[23]、逐步判别分析法^[2]、灰色关联度分析法^[39]、相关分析^[40]等进行综合评价。
本研究在前人对耐旱性研究的基础上,选取7个生理生化指标,其结果证明PMP、 MDA、SOD酶活性和POD酶活性这4个指标与甘蔗耐旱性紧密相关,对干旱胁迫反应灵敏,在胁迫下均表现为含量或活性增加,且在胁迫初期大量增加,随着胁迫程度加大,增量变缓。且水分胁迫的程度不同,指标与耐旱性隶属度的关联度也不完全相同,这说明各指标对水分亏缺的灵敏度是有差异的。同时,本研究采用了模糊隶属函数分析、聚类分析和灰色关联度分析3种方法,对割手密F₁、F₂代在水分胁迫下的耐旱性进行了评价、分类聚类、同时分析了7个生理生化指标与耐旱性间的关联密切程度,得到了相对理想的结果,表明所选生理生化指标可靠、分析方法间形成相互验证,结果更加可靠。不少研究皆表明,PMP、MDA、CHL、SOD酶活性和POD酶活性等是可靠的抗逆评价指标,而对于脯氨酸的可靠性则仍存在较大的争议^[41-43],本研究灰色关联度分析结果同样显示脯氨酸含量与抗旱性之间关联系数最小,关联度最低,这与前人研究结果一致。

4 结论

水分胁迫下,36份5种气候生态型割手密F₁和F₂杂种材料中耐旱性较强的有云割F₁08-536、云割F₂11-179、云割F₂11-8、云割F₁08-474、云割F₁08-398、云割F₁08-254、云割F₂11-261、云割F₂11-151、云割F₁08-538、云割F₁08-391、云割F₂11-188、云割F₂11-37、云割F₁07-150、云割F₂11-258、云割F₂11-90,为强耐旱种质,可在甘蔗抗旱亲本培育及抗旱育种中加以重点利用;割手密耐旱特性在不同世代中的遗传表现不同,F₁代耐旱性强于F₂代;割手密后代耐旱性强弱与其父本割手密的气候生态类型、地理位置及海拔无明显相关性;7个生理生化指标中,PMP、MDA含量、CHL含量、SOD和POD酶活性与甘蔗耐旱性关联度较高,是耐旱性评价的优良指标。
The authors have declared that no competing interests exist.

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