干旱脅迫對18個馬鈴薯品種生理特性的影響

鄭子凡，于佳樂，聶虎帥，劉 杰，魏 巍，王沛捷，武小娟，吳 娟，馬艷紅*

（1.內蒙古農業大學，內蒙古 呼和浩特 010019；2.華頌種業（北京）股份有限公司，北京 100036）

馬鈴薯是繼水稻、小麥、玉米之后的第四大糧食作物，因其具有耐貧瘠、耐干旱的特點，目前已在全球157 個國家和地區廣泛種植[1]，亦是中國西部地區經濟的支柱產業[2]。然而，隨著全球性氣候變化加劇，各種極端氣候和自然災害的發生頻率愈來愈高，其中干旱脅迫就是危害農業生產的主要自然災害。目前，干旱脅迫已經對全球多個國家和地區的植物生長以及陸地生態生產力產生了制約[3,4]，對馬鈴薯生產的限制也愈發明顯。因此，篩選抗旱的馬鈴薯種質資源并建立相應的評價體系，對于加速抗旱育種進程，促進馬鈴薯產業健康、可持續的和環境友好的發展具有重要意義[5]。

水分是植株體內基本生理生化代謝的直接參與者。干旱脅迫下，脯氨酸（Proline，Pro）含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、葉片水勢、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性、過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量、葉綠素a含量、葉綠素b 含量、總葉綠素含量、葉綠素a/b、ATP 含量和離體葉片失水速率均會發生變化[6,7]。杜培兵和楊文靜[8]對15個馬鈴薯品種在開花期進行離體葉片失水率的測定，發現所有參試品種經干旱脅迫后，葉片失水率與正常灌溉的對照相比均顯著降低。馬鈴薯在受到干旱脅迫時，植株本身會啟動自身的防御系統，通過降低細胞本身的滲透勢來適應外界的環境變化，在苗期和塊莖形成期，馬鈴薯葉片的SOD 活性會持續降低。對于馬鈴薯抗旱性強的品種，其MDA和Pro含量的增加幅度比較小，SOD的活力較高，而抗旱性弱的馬鈴薯品種則剛好相反[9]。在干旱條件下，馬鈴薯不同品種的Pro 含量升高1.01～5.40倍，MDA含量升高1.10～1.91倍[10]。賈瓊等[11]通過研究不同濃度聚乙烯乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）脅迫對5個馬鈴薯品種生理特性的影響，發現可溶性蛋白含量及Pro含量隨脅迫加劇呈現一直升高的變化趨勢，且與品種抗旱性呈負相關；POD 活性隨脅迫加劇呈現先升高后降低的變化趨勢，抗旱性強的品種表現出更強的POD 活性；SOD在輕度脅迫下活性下降，在中、重度脅迫下除‘04-6’品系之外全部呈現活性上升的趨勢，但與品種的抗旱性均未表現出明顯的相關規律；MDA在輕、中度脅迫下含量上升，與品種抗旱性呈顯著負相關，重度脅迫下，品種間表現雖有不同，但其含量的高低與品種抗旱性仍表現為負相關關系。

葉綠素是植物進行光合作用的主要場所，植物在生長過程中所需要的大多數營養物質都是通過光合作用獲得。葉綠素含量的多少與外界水分含量密切相關，進而影響光合作用效率，最終影響馬鈴薯的生長狀態[12]。馬鈴薯葉綠素含量（SPAD 值）對水分虧缺非常敏感，虧缺程度不同，其葉綠素含量值降低的程度不同[13]。綜上所述，馬鈴薯的抗旱性可以通過多個生理指標進行評價。

本研究旨在通過對18 個馬鈴薯品種進行干旱脅迫，測定與干旱相關的生理生化指標并進行抗旱性評價，篩選出相對抗旱的馬鈴薯品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

‘中薯28號’‘華頌34’‘中薯668號’‘中薯9號’‘中薯27 號’‘中薯19 號’‘中薯31 號’‘希森6 號’‘華頌7 號’‘冀張薯12 號’‘內農薯2 號’‘大西洋’‘V7’‘華頌58’‘華頌56’‘內農薯1號’‘中薯18號’‘Innovator’。試驗材料由華頌種業（北京）股份有限公司提供。

1.2 試驗地概況

試驗地位于內蒙古自治區烏蘭察布市中部集寧區，陰山山脈灰騰梁南麓，地處N 40°1′，E 113°10′，集寧區氣候四季分明，年平均氣溫4.4℃，年日照時數為3 130 h，年均降水量384 mm，無霜期為130 d，海拔1 417 m，屬于典型的蒙古高原大陸性氣候。

1.3 試驗設計及播種管理

大田干旱脅迫處理試驗在內蒙古自治區烏蘭察布市集寧區華頌種業（北京）股份有限公司基地的試驗田進行。設置2個處理：干旱脅迫處理為自然降水（生育期內不進行灌溉，每隔5 d 對試驗田隨機取樣，測得馬鈴薯生育期內土壤相對含水量為7%～60%）；以自然降水結合常規灌溉（苗期和塊莖形成期各灌水1 次，塊莖膨大期灌水2 次，每隔5 d 對試驗田隨機取樣，使試驗田的土壤相對含水量維持在65%～80%）為對照。采用隨機區組試驗設計，播種方式為機械起壟，人工點播，株距為0.4 m，行距為1.1 m，每個品種3 行，每行10 株，小區面積為20 m2，設3 次重復。在幼苗長到0.13 m 左右時進行中耕除草；在現蕾期高度約為0.2 m時進行機械起壟培土1次；播種時施用有機肥225 kg/hm2+馬鈴薯專用肥（N∶P2O5∶K2O = 17∶17∶17）975 kg/hm2共1 200 kg/hm2，后期追加施用大量元素水溶肥（N∶P2O5∶K2O = 14∶14∶30）375 kg/hm2，植株生長期間及時除草，防御病蟲草害。試驗于2021年5月17日播種，9月18日收獲。

1.4 試驗方法

分別在馬鈴薯苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期，于早晨7：00～9：00隨機摘取18個馬鈴薯品種的葉片，置于液氮中保存，帶回實驗室，參照南京建成生物工程研究所試劑盒（SOD試劑盒、MDA試劑盒、Pro試劑盒、POD試劑盒、植物可溶性糖試劑盒）的操作說明測定18 個馬鈴薯品種3 個生育期葉片中SOD活性、MDA含量、Pro含量、POD活性及可溶性糖含量，每個處理3次生物學重復。

SPAD 值的測定采用SPAD-502 葉綠素測定儀進行，分別測定各材料每株第3 個平展葉的SPAD值，3次生物學重復。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft excel 2017 軟件進行相關數據的匯總，計算均值、變異系數等；對測定的相關指標利用SPSS 22.0 軟件進行方差分析和顯著性分析。模糊數學隸屬函數采用公式X（μ）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），MDA含量采用反隸屬函數公式X（μ）=1-[（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）]。式中X表示不同馬鈴薯品種某一指標的測定值，該指標測定值中的最小值用Xmin表示，最大值用Xmax表示。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對18個品種相關生理指標的影響

2.1.1 干旱脅迫對18個品種保護酶活性的影響

不同時期葉片過氧化物酶（POD）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性在處理、品種及品種與處理互作效應均極顯著（表1、表2）。

表1 干旱脅迫下18個品種過氧化物酶（POD）活性的方差分析Table 1 Analysis of variance for peroxidase activity in leaves of 18 varieties under drought stress

表2 干旱脅迫下18個品種超氧化物歧化酶（SOD）活性的方差分析Table 2 Analysis of variance for superoxide dismutase activity in leaves of 18 varieties under drought stress

隨著干旱脅迫時間的延長，18 個馬鈴薯品種的POD 活性均呈現先升高后降低的變化趨勢，在塊莖形成期POD活性達到最大（表3）。

表3 干旱脅迫下18個品種過氧化物酶（POD）活性的比較Table 3 Comparison of peroxidase activity in leaves of 18 varieties under drought stress

隨著干旱脅迫時間的延長，‘大西洋’的SOD活性呈現逐漸升高的變化趨勢，‘中薯31號’的SOD活性呈現逐漸降低的變化趨勢，其余16 個品種的SOD活性呈現先升高后降低的變化趨勢（表4）。

表4 干旱脅迫下18個品種超氧化物歧化酶（SOD）活性的比較Table 4 Comparison of superoxide dismutase activity in leaves of 18 varieties under drought stress

2.1.2 干旱脅迫對18個品種丙二醛（MDA）含量的影響

不同時期葉片丙二醛（MDA）含量在處理、品種及品種與處理互作效應均極顯著（表5）。

表5 干旱脅迫下18個品種丙二醛（MDA）含量的方差分析Table 5 Analysis of variance for malondialdehyde content in leaves of 18 varieties under drought stress

隨著干旱脅迫時間的延長，MDA 含量總體呈上升趨勢，但不同品種的變化趨勢不同（表6）。隨著生育期的推進，在干旱脅迫下，‘V7’‘Innovator’‘中薯28 號’‘大西洋’‘冀張薯12 號’‘中薯27 號’‘中薯31號’‘內農薯2號’‘華頌34’和‘中薯668號’的MDA含量呈先下降后上升的變化趨勢，即這10個品種葉片的MDA 含量均在塊莖形成期降到最低值；‘中薯9號’‘內農薯1號’‘中薯19號’‘華頌7號’‘華頌56’‘華頌58’‘希森6 號’和‘中薯18 號’的MDA 含量呈一直上升的變化趨勢，這8 個品種葉片的MDA含量最小值均在苗期。

表6 干旱脅迫下18個品種丙二醛（MDA）含量的比較Table 6 Comparison of malondialdehyde content in leaves of 18 varieties under drought stress

2.1.3 干旱脅迫對18個品種可溶性糖含量的影響

不同時期葉片可溶性糖含量在處理、品種及品種與處理互作效應均極顯著（表7）。

表7 干旱脅迫下18個品種可溶性糖含量的方差分析Table 7 Analysis of variance for soluble sugar content in leaves of 18 varieties under drought stress

隨著干旱脅迫時間的延長，可溶性糖含量總體呈上升趨勢，但不同品種的變化趨勢也明顯不同（表8）。隨著脅迫時間的延長，‘冀張薯12 號’‘華頌56’‘中薯27 號’‘中薯31 號’‘內農薯2 號’‘中薯668號’的可溶性糖含量呈先上升后下降的變化趨勢，可溶性糖含量在塊莖形成期達到最大值；其他12 個品種的可溶性糖含量呈上升的變化趨勢，可溶性糖含量在塊莖膨大期達到最大值。

表8 干旱脅迫下18個品種可溶性糖含量的比較Table 8 Comparison of soluble sugar content in leaves of 18 varieties under drought stress

2.1.4 干旱脅迫對18 個品種脯氨酸（Pro）含量的影響

不同時期葉片Pro含量在處理、品種及品種與處理互作效應均極顯著（表9）。隨著干旱脅迫時間的延長，18 個品種的Pro 含量變化趨勢不同（表10）。只有‘內農薯2號’的Pro含量隨脅迫時間的延長呈一直上升的變化趨勢，在塊莖膨大期達到頂峰；‘Innovator’‘中薯28號’‘大西洋’‘內農薯1 號’‘華頌58’和‘中薯27 號’的Pro 含量隨脅迫時間延長呈現先下降后上升的變化趨勢；其他11 個品種的Pro 含量呈現先上升后下降的變化趨勢，Pro含量在塊莖形成期達到最大值。

表9 干旱脅迫下18個品種脯氨酸（Pro）含量的方差分析Table 9 Analysis of variance for proline content in leaves of 18 varieties under drought stress

2.1.5 干旱脅迫對18個品種SPAD值的影響

不同時期品種和處理對18 個馬鈴薯品種的葉片SPAD值均有極顯著影響，品種和處理互作效應僅在塊莖膨大期顯著（表11）。

表11 干旱脅迫下18個品種SPAD值的方差分析Table 11 Analysis of variance for SPAD value in leaves of 18 varieties under drought stress

隨著生育期的不斷推進，對照處理下18 個馬鈴薯品種的葉片SPAD值總體呈下降的趨勢；隨著生育期的推進，在干旱脅迫下，18 個馬鈴薯品種的葉片SPAD值整體呈現下降的趨勢，而且干旱處理下的葉片SPAD值普遍低于對照，但也有個別品種的SPAD值在某個時期有所不同（表12）。

表12 干旱脅迫下18個品種SPAD值的比較Table 12 Comparison of SPAD value in leaves of 18 varieties under drought stress

2.2 18 個馬鈴薯品種生理指標的隸屬函數值及抗旱性評價

2.2.1 苗期生理指標的隸屬函數值及抗旱性評價

綜合分析發現，各指標間存在較大差異，且不同指標與抗旱性之間無一致性，單一指標無法完全反映抗旱性的強弱。在干旱脅迫條件下，不同馬鈴薯品種POD活性平均為450.63 U/g·FW，變異系數為12.14%，POD 活性以‘希森6 號’最高，為547.33 U/g·FW，‘華頌34’最低，為328.00 U/g·FW。MDA 含量平均為43.85 nmol/g·FW，變異系數為25.37%，其中以‘V7’最高，為77.74 nmol/g·FW，‘內農薯1號’最低，為24.73 nmol/g·FW?？扇苄蕴呛科骄鶠? 856.52 μg/g·FW，變異系數為19.61%，‘中薯668 號’含量最高，為13 130.08 μg/g·FW，‘華頌7 號’含量最低，為6 476.96 μg/g·FW。Pro含量平均為26.47 μg/g·FW，變異系數為54.90%，其中‘中薯28 號’含量最高，為66.78 μg/g·FW，‘中薯19 號’含量最低，為14.12 μg/g·FW。SOD 活性平均為519.98 U/g·FW，變異系數為32.20%，‘中薯31號’的SOD 活性最高，為926.83 U/g·FW，最低的是‘華頌56’，為175.69 U/g·FW。SPAD 值平均為44.64，變異系數為6.41%，其中以‘中薯668號’最高，為50.97，‘中薯9號’最低，為38.27。

采用隸屬函數法對18 個馬鈴薯品種苗期的抗旱性進行綜合評價，18 個品種苗期的綜合抗旱性由強到弱依次為‘Innovator’‘中薯28號’‘中薯9號’‘中薯19號’‘華頌58’‘大西洋’‘內農薯1號’‘希森6號’‘中薯27號’‘中薯668號’‘中薯18號’‘內農薯2 號’‘中薯31 號’‘V7’‘冀張薯12 號’‘華頌7 號’‘華頌56’‘華頌34’（表13）。

表13 18個品種苗期抗旱性分析Table 13 Analysis of drought resistance for 18 varieties at seedling stage

2.2.2 塊莖形成期生理指標的隸屬函數值及抗旱性評價

在干旱脅迫條件下，不同馬鈴薯品種POD 活性平均為490.33 U/g·FW，變異系數為7.88%，POD 活性以‘希森6 號’最高，為565.33 U/g·FW，‘中薯31 號’最低，為423.67 U/g·FW。MDA 含量平均為37.93 nmol/g·FW，變異系數為17.87%，其中以‘華頌56’最高，為50.58 nmol/g·FW，‘中薯27 號’最低，為19.93 nmol/g·FW?？扇苄蕴呛科骄鶠?0 588.68 μg/g·FW，變異系數為24.74%，‘中薯668 號’含量最高，為17 168.02 μg/g·FW，‘華頌7 號’含量最低，為6 551.49 μg/g·FW。Pro含量平均為27.86 μg/g·FW，變異系數為20.11%，其中‘中薯18 號’含量最高，為41.22 μg/g·FW，‘內農薯1 號’含量最低，為19.02 μg/g·FW。SOD活性平均為791.43 U/g·FW，變異系數為8.35%，‘華頌58’的SOD 活性最高，為935.02 U/g·FW，最低的是‘內農薯2 號’，為663.30 U/g·FW。SPAD 值平均為41.44，變異系數為7.67%，其中以‘華頌7 號’最高，為46.47，‘中薯9 號’最低，為35.70。

通過隸屬函數法對18 個馬鈴薯品種塊莖形成期的抗旱性進行評價可知，18 個品種塊莖形成期的綜合抗旱性由強到弱依次為‘中薯668 號’‘中薯28號’‘中薯27號’‘華頌56’‘中薯9號’‘中薯19號’‘華頌58’‘Innovator’‘內農薯2號’‘中薯18號’‘V7’‘華頌7 號’‘冀張薯12 號’‘華頌34’‘內農薯1 號’‘希森6號’‘中薯31號’‘大西洋’（表14）。

表14 18個品種塊莖形成期抗旱性分析Table 14 Analysis of drought resistance for 18 varieties at tuber formation stage

2.2.3 塊莖膨大期生理指標的隸屬函數值及抗旱性評價

在干旱脅迫條件下，不同馬鈴薯品種POD 活性平均為375.05 U/g·FW，變異系數為12.52%，POD 活性以‘Innovator’最高，為448.50 U/g·FW，‘大西洋’最低，為292.50 U/g·FW。MDA 含量平均為58.36 nmol/g·FW，變異系數為24.49%，其中以‘中薯18號’最高，為112.45 nmol/g·FW，‘大西洋’最低，為44.12 nmol/g·FW?？扇苄蕴呛科骄鶠?4 204.31 μg/g·FW，變異系數為35.30%，‘中薯28 號’含量最高，為26 158.54 μg/g·FW，‘中薯31號’含量最低，為6 382.11 μg/g·FW。Pro含量平均為28.02 μg/g·FW，變異系數為54.87%，其中‘中薯28 號’含量最高，為71.05 μg/g·FW，‘中薯18號’含量最低，為13.18 μg/g·FW。SOD活性平均為714.36 U/g·FW，變異系數為10.27%，‘Innovator’的SOD 活性最高，為825.22 U/g·FW，最低的是‘V7’，為578.44 U/g·FW。SPAD 值平均為35.10，變異系數為10.97%，其中以‘中薯31號’最高，為41.07，‘內農薯1號’最低，為29.20。

采用隸屬函數法對18 個馬鈴薯品種塊莖膨大期的抗旱性進行評價可知，18 個品種在塊莖膨大期的綜合抗旱性由強到弱的順序依次為‘中薯28號’‘Innovator’‘中薯9 號’‘內農薯1 號’‘大西洋’‘華頌56’‘華頌34’‘華頌58’‘中薯668 號’‘華頌7 號’‘中薯19號’‘希森6號’‘內農薯2號’‘V7’‘中薯27 號’‘冀張薯12 號’‘中薯31 號’‘中薯18 號’（表15）。

表15 18個品種塊莖膨大期抗旱性分析Table 15 Analysis of drought resistance for 18 varieties at tuber bulking stage

3 討 論

葉片是植物進行光合作用的主要場所，與環境接觸最為密切，因此，通過測定葉片的生理指標并根據其變化情況來判斷植物對環境的適應能力是可行的。在植物的抗旱性研究中，抗氧化酶活性、MDA含量、Pro含量和可溶性糖含量是重要的評價指標，其中葉片相對含水量、葉綠素質量濃度和POD 等抗氧化酶活性與抗旱性呈正相關，MDA 含量與抗旱性呈負相關[14]。葉綠素是植物進行光合作用的重要條件，一定程度上反映植物的抗逆能力。葉綠素的合成受相對含水量的影響，相對含水量下降會導致已形成的葉綠素分解[15]。本試驗發現18 個馬鈴薯品種的POD 活性隨干旱脅迫時間的延長呈現出先升高后下降的變化趨勢，這與賈瓊等[11]的研究結果一致。16個馬鈴薯品種SOD活性隨干旱脅迫時間的延長呈現出先升高后下降的變化趨勢，這與武敏等[16]的研究結果一致。MDA含量隨干旱脅迫時間的延長呈現上升的變化趨勢，這與張明曉等[17]和單皓等[18]的研究結果一致。SPAD 值隨干旱脅迫時間的延長呈現不斷降低的趨勢，這與趙媛媛等[19]的研究結果一致?？扇苄蕴呛侩S干旱脅迫時間的延長呈現上升的趨勢，這與干旱脅迫下馬鈴薯[20]和辣椒[21]中的可溶性糖含量變化一致。

模糊數學中的隸屬函數值法不僅能規避主觀分析和決策的弊端，而且能整合多主體評價信息并使其得到最優唯一解[22]。目前，隸屬函數分析法在番茄[23]、辣椒[24]和紫花苜蓿[15]等作物研究上均有應用。本試驗在干旱脅迫下，測定18 個馬鈴薯品種在苗期、塊莖形成期和塊莖膨大期的POD 活性、SOD活性、MDA含量、Pro含量、可溶性糖含量和SPAD 值，對各生理指標進行隸屬函數分析。對三個時期的隸屬函數值取平均值可知，‘中薯28號’和‘中薯9號’是相對抗旱的馬鈴薯品種。