灌溉與干旱條件下甘蔗工農藝性狀的相關性分析與品種抗旱性評價

趙俊，白亞東，趙興東，楊麗華，盧順才，李秀梅，馬云飛，李梅會，王少河，范源洪

(1.云南省農業科學院甘蔗研究所，云南 開遠 661699；2.云南省甘蔗遺傳改良重點試驗室，云南 開遠 661699；3.云南省元江縣經濟作物工作站，云南 元江 653300)

灌溉與干旱條件下甘蔗工農藝性狀的相關性分析與品種抗旱性評價

趙俊1,2，白亞東3，趙興東3，楊麗華3，盧順才3，李秀梅3，馬云飛3，李梅會3，王少河3，范源洪2*

(1.云南省農業科學院甘蔗研究所，云南 開遠 661699；2.云南省甘蔗遺傳改良重點試驗室，云南 開遠 661699；3.云南省元江縣經濟作物工作站，云南 元江 653300)

以8個云蔗(CYZ06–407、CYZ05–226、CYZ04–622、CYZ04–724、CYZ03–258、CYZ03–103、CYZ02–588、CYZ01–1413)，3個新臺糖系列(ROC22、ROC16、ROC10)，2個粵糖系列(CYT93–159、CYT00–236)，1個桂糖品種(CGT11)，1個古巴引進品種(C266–70)等甘蔗品種為材料，設自然降雨(干旱)、正常灌水(灌溉)2個處理，通過測定蔗產量、株高、莖徑、單莖重、有效莖、糖產量、蔗糖分、錘度、簡純度、纖維分10個工、農藝性狀指標，采用抗旱指數(DRI)、相關分析、主成分分析和聚類分析方法，研究干旱、灌溉條件下甘蔗工、農藝性狀間的相關性，并對參試品種的抗旱性、抗旱類型進行綜合評價與劃分。結果表明：干旱、灌溉條件下，糖產量與蔗產量、有效莖呈極顯著正相關，與單莖重呈顯著正相關；干旱條件下，糖產量與株高呈極顯著正相關；灌溉條件下，糖產量與蔗糖分呈極顯著正相關，與纖維分呈極顯著負相關；參試品種10個工、農藝性狀抗旱指數的主成分析將10個指標簡化為產量因子、糖分因子、單株因子和品質因子4個主成分，累計貢獻率為86.287%；基于主成分分析結果，對參試品種抗旱性進行聚類分析，將其劃分為5個類群，C266–70抗旱性突出，CYZ03–258、CYZ04–622抗旱性強，ROC22、CGT11抗旱性較強，CYT00–236、CYZ03–103、CYZ04–724、CYZ02–588、CYZ05–226、ROC16抗旱性中等，CYZ01–1413、CYT93–159、CYZ06–407、ROC10抗旱性較弱。

甘蔗；抗旱性；抗旱指數；相關分析；主成分分析；聚類分析

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干旱是影響農作物產量和品質的一個重要逆境因子，其對農業造成的損失在所有非生物脅迫中占首位[1]。甘蔗是中國主要糖料作物，蔗糖產量占中國食糖總產的90%以上[2]。水是甘蔗生產極其重要的因素，約30%的甘蔗產量取決于合適的水分供應[3]。近年來，中國甘蔗生產逐漸向缺水無灌溉條件的山地、旱坡地發展，旱地甘蔗種植面積約占甘蔗種植總面積的80%左右[4–6]。開展甘蔗抗旱性研究，培育篩選抗旱性強、高產、穩產的甘蔗新品種，增強旱地甘蔗水分利用效率，提高甘蔗單產，已成為甘蔗育種、蔗糖產業發展的重要內容。

作物抗旱性是一個受多基因控制，與外界環境息息相關的，復雜的數量性狀[7–9]。國內外很多學者從質膜透性、丙二醛含量、株高傷害率、葉片保水率、葉片相對含水量、凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度等生理生化指標[10–12]、光合指標[13–14]對甘蔗抗旱性鑒定指標選擇與評價方法進行了研究。王尊欣等[15]，蘭靖等[16]采用模糊隸屬度函數、主成分分析、系統聚類等統計分析方法對甘蔗的形態指標及生理指標進行綜合分析，并用于甘蔗品種抗旱性評價。作物對干旱的適應性、抗逆性最終要體現在產量上，干旱脅迫下產量和減產程度是抗旱性評價的重要指標，能直接反映品種的經濟性能，為甘蔗抗旱育種提供簡單直觀的選擇依據[17]，因此，本研究在田間自然條件下，從與蔗糖產量密切相關的糖產量、蔗產量、單莖重、株高、蔗糖分等10個工、農藝性狀入手，研究干旱、灌溉條件下各性狀指標間的相互制約與協同關系，以10個工、農藝性狀抗旱指數(drought resistant index，DRI)作為抗旱性鑒定主要參數，結合主成分聚類分析方法，對甘蔗品種抗旱性、抗旱類型進行綜合評價與劃分，以期為抗旱甘蔗品種選育及生產應用提供參考。

1 試驗區概況

試驗在云南省玉溪市元江縣進行。元江縣位于云南省中南部，地處低緯高原的紅河流域，平均氣溫23.8 ℃，終年無霜，年均降水量788 mm，年降水量少，蒸發量大，冬春干旱風大，夏秋多雨濕潤，干濕季明顯。采用Vantage Pro2電子氣象站對試驗區降水量進行監測。2013年2月至2014年2月試驗區甘蔗全生育期降水量468.8 mm，降水主要集中在2013年5—9月，5—9月每月的降水量分別為69.8、98.6、86.0、133.2和72.0 mm。

2 材料與方法

2.1 材料

云蔗系列品種8個：CYZ06–407、CYZ05–226、CYZ04–622、CYZ04–724、CYZ03–258、CYZ03–103、CYZ02–588、CYZ01–1413?；浱窍盗衅贩N2個：CYT93–159、CYT00–236。桂糖系列品種(CGT11)、古巴引進品種(C266–70)各1個。以抗旱性較強的ROC22、抗旱性一般的ROC16、抗旱性較弱的ROC10作為對照品種。參試品種均由國家農作物種質資源平臺提供。

主要儀器設備：Vantage Pro2電子氣象站(Davis Instruments公司，美國)；N-1a手持折射計(ATAGO公司，日本)；AUTOP880旋光儀(Rudolph公司，美國)；TJ-305壓榨機(潮州市農機廠，中國)；CS1014烘箱(重慶試驗設備廠，中國)。

2.2 試驗設計

試驗于2013—2014年進行，設自然干旱、灌溉2個處理，分別以Ya和Ym表示。小區面積32 m2，4行區，行長8 m，行距1 m。3次重復。下芽量為60 000雙芽/hm2。干旱處理在自然條件下生長，自然降水是干旱處理水分的唯一補水來源。灌溉處理在2013年2— 4月干旱季節遇旱灌水，分別于2月5日、3月20日、4月27日進行灌水處理，5月自然降雨來臨后停止灌水。常規管理。

2.3 測定項目與方法

2.3.1 甘蔗工、農藝性狀指標的測定

于2013年12月甘蔗成熟后，每個甘蔗品種隨機選擇10株，測量株高、莖徑及錘度；選取各小區中間2行調查甘蔗有效莖數，測算單位面積有效莖數；每小區隨機取蔗莖3根測單莖重，并采用一次旋光法檢測蔗糖分、簡純度、纖維分；于2014年2月甘蔗收砍，對各小區進行實收甘蔗測產，算單位面積蔗產量。甘蔗品質(蔗糖分、簡純度、纖維分等)由云南省農業科學院甘蔗研究所檢測中心測定。單位面積糖產量為單位面積的蔗產量與蔗糖分之積。

2.3.2 抗旱指數的估算

參照文獻[18–20]的方法，對與蔗糖產量關系密切的蔗產量、株高、莖徑、有效莖、單莖重、糖產量、錘度、蔗糖分、簡純度、纖維分共10個工、農藝指標進行抗旱指數估算，用于參試品種抗旱性評價及抗旱類型劃分。各性狀的抗旱系數(DC)為干旱處理下相應性狀的值與灌溉處理下相應性狀的值之比；各性狀的抗旱指數(DRI)為干旱處理下相應性狀的值與相應性狀的抗旱系數之積與干旱處理下參試品種相應性狀的平均值之比。

2.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003對原始數據進行處理，分別對干旱、灌溉條件下各性狀平均值、差值等進行計算，對參試品種各性狀抗旱指數進行估算；利用SPSS 18.0分析軟件對錘度、蔗糖分、簡純度、纖維分4個指標數據進行反正弦轉換后，分別對灌溉、干旱條件下10個性狀指標進行相關分析；以10個工、農藝性狀抗旱指數為參數進行主成分分析，根據主成分得分，采用NTSYSPC 2.1和非加權配對算術平均法(UPGMA)對參試品種進行系統聚類分析。

3 結果與分析

3.1 干旱、灌溉處理下供試甘蔗品種的工、農藝性狀分析

從農藝性狀及其差值表(表1)可以看出，2個處理之間莖徑、有效莖2個性狀的差異無統計學意義，2個處理的蔗產量、株高、單莖重3個性狀的差異達極顯著水平，其中，干旱處理的株高比灌溉處理的株高矮75 cm。參試品種中，蔗產量差值最小的品種是CYZ04–724，其次為CYZ03–258，差值最大的品種為C266–70；株高差值最大的品種是CYZ04–622，其次CYZ03–258、ROC16；單莖重差值最小的品種是ROC22、CYZ05–226，差值最大的品種是CYZ03–258。

表1 供試材料干旱、灌溉處理下的農藝性狀及其差值Table 1 The differences of agronomic traits in 15 sugarcane varieties under drought and irrigated conditions

表1(續)

從2個處理的工藝性狀及其差值表(表2)可以看出，糖產量、蔗糖分、錘度、簡純度、纖維分5個工藝性狀處理間差異極顯著。2個處理間的庶糖分除ROC16品種外，其余品種均表現為灌溉處理的高于干旱處理的；參試品種中，糖產量差值最小的品種是CYZ04–724，其次為CYZ03–258、CYZ04–622；錘度差值最小的品種是CYZ05–226，差值最大的品種是ROC10；簡純度差值最小的品種是CYZ05–226，其次是CYZ06–407。

表2 供試材料干旱、灌溉處理下的工藝性狀及其差值Table 2 The differences of quality traits in 15 sugarcane varieties under drought and irrigated conditions

3.2 干旱、灌溉處理下工、農藝性狀的相關性分析

干旱、灌溉處理10個工、農藝性狀相關分析(表3)表明：干旱處理的糖產量分別與蔗產量、株高、有效莖3個性狀呈極顯著正相關，相關系數值分別為0.932、0.448、0.475，糖產量與單莖重呈顯著正相關，相關系數為0.345；蔗糖分與錘度、簡純度呈極顯著正相關，相關系數分別為0.866、0.603；株高、莖徑、有效莖是甘蔗產量構成最直觀的3個因素，干旱條件下，蔗產量與株高、單莖重、有效莖3個性狀呈極顯著正相關，相關系數分別為0.592、0.409、0.406。單莖重分別與株高、莖徑呈極顯著正相關，相關系數分別為0.718、0.445。

灌溉處理下糖產量與蔗產量、有效莖2個性狀呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.950、0.560；糖產量與單莖重、蔗糖分2個性狀呈顯著正相關，與纖維分呈顯著負相關。蔗產量分別與有效莖、單莖重、株高3個性狀呈極顯著正相關，相關系數分別為0.539、0.429、0.381。單莖重與株高呈極顯著正相關，與莖徑呈顯著正相關。蔗糖分與錘度、簡純度呈極顯著正相關，相關系數分別為0.865、0.493；與纖維分呈極顯著負相關，相關系數為–0.464。

表3 干旱、灌溉處理下工、農藝性狀間的相關系數Table 3 The correlation of 10 agronomic and quality traits under drought and irrigation conditions

3.3 供試甘蔗工、農藝性狀的抗旱指數分析

參試品種10個工、農藝性狀的抗旱指數結果(表4)表明，10個考察性狀抗旱指數由高到低依次為有效莖、蔗產量、糖產量、單莖重、株高、纖維分、莖徑、蔗糖分、錘度、簡純度，其中，有效莖、蔗產量、糖產量、單莖重、株高5個性狀指標變異系數較大，為19.929%～34.174%，說明不同品種不同性狀間的抗旱性存在明顯差異，如CYZ03–258的蔗產量、糖產量抗旱性最強，抗旱指數分別達1.038、0.818，ROC10蔗產量及糖產量的抗旱性最弱，抗旱指數僅為0.359、0.298；株高抗旱指數最大的品種為C266–70，最小的品種為CYZ01–1413；莖重抗旱指數最大的品種是ROC22，最小的品種是CYZ02–588；有效莖抗旱指數最大的品種為CYZ02–588，最小的品種為CGT11。簡純度、錘度、蔗糖分抗旱指數的變異系數較小，抗旱指數分別為0.835～1.113、0.786～1.069、0.883～1.041。

表4 15個品種10個工、農藝性狀的抗旱指數(DRI)Table 4 The drought resistant index(DRI) of 10 agronomic and quality traits in 15 sugarcane varieties

3.4 10個工、農藝性狀的主成分分析

相同性狀不同品種間的抗旱性存在差異，同一品種不同性狀間抗旱性表現也并不相同，若僅采用蔗產量或糖產量等某單一性狀對品種抗旱性進行評價，則不能準確評價出各個參試甘蔗品種的抗旱性，因此，本試驗以15個參試品種10個工、農藝性狀抗旱指數為參數進行主成分分析，按特征根大于1作為納入標準[21–22]，提取前4個主成分作進一步分析，即產量因子、糖分因子、單株因子與品質因子，4個主成分分別反映了全部信息的32.458%、24.441%、17.848%和11.540%，累計貢獻率為86.287%(表5)。

表5 主成分載荷矩陣及方差貢獻率Table 5 The factor loading matrix of principal component and cumulative contribution rate

3.5 供試甘蔗品種抗旱性的聚類分析

基于主成分分析結果，以參試品種前4個主成分得分為指標，采用非加權配對算術平均法(UPGMA)進行聚類(圖1)，將1參試品種在歐氏距離為2.250處劃分5類，其中Ⅰ類抗旱型1個，Ⅱ類抗旱型2個，Ⅲ類抗旱型2個，Ⅳ類抗旱型6個，Ⅴ類抗旱型4個。

從圖1、表4可以看出，C266–70抗旱類型自成一類，其株高、單莖重、蔗產量、糖產量4個產量性狀抗旱指數較大，分別排第1、2、5、7位，說明該品種干旱、灌溉條件下，產量性狀、單株性狀得到較好兼顧，抗旱性能突出；Ⅱ類包含2個品種(CYZ03–258、CYZ04–622)，其蔗產量、糖產量、株高性狀的抗旱表現優良，單莖重、莖徑性狀的抗旱表現一般，抗旱性綜合表現強；Ⅲ類(ROC22和CGT11號)，表現為單株性狀如株高、莖徑、單莖重等性狀抗旱性能突出，抗旱指數較高，但糖產量、蔗產量的抗旱性表現一般，抗旱性綜合表現較強；Ⅳ類包括6個品種(CYT00–236、CYZ03–103、CYZ04–724、CYZ02–588、CYZ05–226與ROC16)，其糖產量、蔗產量、單莖重、株高等性狀抗旱指數處于中間水平，抗旱性能綜合表現一般；V類包括4個品種(CYZ01–1413、CYZ06–407、CYT93–159與ROC10)，其蔗產量、糖產量、株高抗旱指數處于中下水平，抗旱性能較弱。

圖1 15個甘蔗品種抗旱性的聚類結果Fig.1 System clustering graph of 15 sugarcane varieties on drought resistance

4 結論與討論

株高、莖徑是反映甘蔗生長狀態的重要因子，充裕的水分可促進甘蔗植株的生長[23–24]。韋漢文等認為，甘蔗苗期干旱的影響效應具有后續性，干旱對甘蔗株高的影響比莖徑更大[25]；黎煥光等[26]研究發現甘蔗成熟期蔗地灌水會導致甘蔗糖分明顯下降；陸國盈等[27]，韓世健等[28]研究認為甘蔗伸長期受旱不僅會導致蔗株變矮，產量降低，還會導致甘蔗工藝品質變劣，蔗糖分降低。本研究中，干旱脅迫蔗、糖產量減產顯著，單莖重明顯下降，而株高變矮是單莖重下降、甘蔗減產的重要因素，與對另一產量形成因素莖徑的影響相比，干旱對株高的影響程度更大，但是品種間差別較大；其次，由于苗期受旱，加之苗期干旱影響的后續效應，干旱處理出苗慢，苗期進入伸長期所需時間較長，雨季來臨后甘蔗伸長期利用自然降雨的時效性與灌溉處理相比較短，抑制了甘蔗的生長與成熟，甘蔗品質變差，從而導致干旱處理蔗糖分低于灌溉處理。

株高、莖徑、單莖重、有效莖、蔗糖分是影響蔗、糖產量的重要指標，與品種的蔗、糖產量高低關系密切[21–22]。本研究結果表明，干旱、灌溉條件下性狀間的關聯性存在差異。干旱條件下，糖產量與蔗產量、有效莖、單莖重之間的相關性與灌溉條件下相同，呈極顯著或顯著正相關關系；干旱條件下，糖產量與株高呈極顯著正相關關系，而灌溉條件下其相關性不顯著；干旱條件下，糖產量與纖維分、蔗糖分相關性不顯著，而灌溉條件下分別表現為顯著負相關、顯著正相關；蔗糖分與纖維分在灌溉條件下呈極顯著負相關，干旱條件下相關性不顯著。性狀間的相關系數反映了性狀間的關聯性，蔗、糖產量與其他性狀關聯大小可指導品種選育。不同甘蔗品種產量性狀在灌溉、干旱條件下差異較大，抗旱指數也存在明顯差異，說明不同品種抗旱性不同，不同性狀間的相關性在灌溉和干旱條件下也有差別，甘蔗抗旱育種要在蔗、糖產量高的同時還要選擇穩產性好的品種。在選擇過程中要選擇灌溉、干旱條件下產量性狀差異小，抗旱指數大的品種，同時注意對甘蔗株高指標的評價，篩選株高適中或較高、抗倒性好的品種。

甘蔗抗旱性是一個受多因素影響、復雜的數量性狀，不同基因型甘蔗品種對干旱的敏感程度、體內生理差異，表現出的抗逆性不同，抗旱性評價指標較多，各指標在抗旱性評價中的作用、重要性亦不同[10–17]?？购抵笖凳呛饬扛珊得{迫下產量變幅的基礎上考慮旱地產量，可直接應用于生產的抗旱性鑒定指標[18–20]，是評價品種抗旱性同時兼顧豐產性的重要指標。大量研究表明，用單一指標評價作物抗旱性存在片面性，難以全面準確反映品種抗旱性強弱[13–17,29–32]。本研究基于甘蔗品種的蔗產量、糖產量、株高、莖徑、有效莖、單莖重、錘度、蔗糖分、簡純度、纖維分等性狀抗旱指數，采用主成分分析、聚類分析方法對甘蔗品種抗旱性進行綜合評價與抗旱類型劃分，不僅能消除單一指標評價的片面性，在考慮各指標間內在聯系的同時克服了信息的重疊與指標的相關性，使各品種間抗旱性的差異具有可比性，評價結果合理可靠。

本研究運用主成分分析方法將糖產量、蔗產量、株高、莖徑、蔗糖分等10個抗旱指標歸納為4個主成分，基于主成分分析結果，對15個參試品種抗旱性進行聚類分析，將其劃分為5個抗旱類群，其中C266–70抗旱性突出，CYZ03–258、CYZ04–622抗旱性強，ROC22、CGT11抗旱性較強，CYT00–236、CYZ03–103、CYZ04–724、CYZ02–588、CYZ05–226、ROC16抗旱性中等，CYZ01–1413、CYT93–159、CYZ06–407、ROC10抗旱性較弱。

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責任編輯：尹小紅

英文編輯：梁 和

Drought resistance evaluation and correlation analysis of agronomic and quality traits of sugarcane under irrigated and rain-fed conditions

Zhao Jun1,2, Bai Yadong3, Zhao Xingdong3, Yang Lihua3, Lu Shuncai3, Li Xiumei3, Ma Yunfei3, Li Meihui3, Wang Shaohe3, Fan Yuanhong2*
(1.Sugarcane Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kaiyuan, Yunnan 661699, China; 2.Yunnan Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement, Kaiyuan, Yunnan 661699, China; 3.Industrial Crops Institute, Yuanjiang County of Yunnan province, Yuanjiang, Yunnan 653300, China)

15 sugarcane genotypes，which 8 from Yunnan (CYZ06–407, CYZ05–226, CYZ04–622, CYZ04–724, CYZ03–258, CYZ03–103, CYZ02–588 and CYZ01–1413), 3 from Taiwan(ROC22, ROC16 and ROC10), 2 from Guangdong (CYT93–159 and CYT00–236), 1 from Guangxi (CGT11)and 1 from Cuba(C266–70), were used as materials. 2 Treatments of irrigated and rain-fed conditions were designed and 10 agronomic and quality traits including cane yield, stalk height, stalk diameter, stalk weight, number of millable stalk, sugar yield, sucrose content, brix, simplepurity and fiber content were measured during maturity under irrigated and rain–fed conditions. Drought resistance index (DRI), correlation analysis, principal component analysis and clustering analysis were used to study the correlation of agronomic and quality traits of sugarcane and evaluate the drought resistance and classify drought resistance type. The result showed that sugar yield was closely linked to cane yield (P＜0.01), number of millable stalks (P＜0.01) and stalk weight (P＜0.05) under both conditions. Significantly positive correlation (P＜0.01) was found between sugar yield and stalk height under the rain–fed condition. Sugar yield was significantly positively related to sucrose content (P＜0.05), but was significantly negatively related to fiber content (P＜0.05) under irrigation conditions. 10 traits of agronomic and quality were simplified into 4 principal elements by principal component analysis, which provided 86.287% contribution. Based on the results of principal component, the drought resistance of 15 sugarcane genotypes were grouped into 5 clusters： super strong (C266–70), stronger(CYZ03–258 and CYZ04–622), strong(CGT11 and ROC22), medium (CYT00–236, CYZ03–103, CYZ04–724, CYZ02–588, CYZ05–226 and ROC16) and weak( CYZ01–1413, CYT93–159, CYZ06–407 and ROC10 ).

sugarcane; drought resistance; drought resistance index; correlation analysis; principal component analysis; clustering analysis

S566.1

A

1007-1032(2016)06-0579-08

蕊蓮．作物抗旱節水研究進展[J]．中國農業科技導報，2007，9(1)：1–5．

10.3969/j.issn.1008–0864.2007.01.001．

2016–04–14

2016–10–15

云南省高端科技人才引進計劃項目(2012HA001)；云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室開放課題基金項目(2015DG015)；云南省委組織部海外高層次人才引進計劃項目；云南省甘蔗產業技術體系建設專項

趙俊(1981—)，男，云南瀘西人，副研究員，主要從事甘蔗遺傳育種研究，junzhao_ky@126.com；*通信作者，范源洪，研究員，主要從事甘蔗種質資源研究，fyhysri@vip.sohu.com