广西甘蔗品种抗旱性研究

杨海霞，李恒锐，何文，刘连军，黎萍，郭素云，梁振华

（广西南亚热带农业科学研究所，广西龙州532415）

0 引言

甘蔗是中国南方重要的糖料和能源作物。目前，我国甘蔗主产区分布在广西、广东、云南等地，其中约70%的蔗区为干旱坡地，而广西无灌溉条件的丘陵旱地甘蔗种植地面积高达90%，由于自然降雨不均衡、土壤保水能力有限、水利工程设施不完善等原因，导致作物旱害不断加剧，其中夏秋旱对甘蔗产量的危害最严重。干旱已经成为制约我国甘蔗产量提高的重要因素。因此，研究甘蔗的抗旱机理，选育具备较强抗旱性的甘蔗品种，是降低甘蔗成本、提高甘蔗产量的有效途径，在理论研究和生产实践方面具有重要意义[1-3]。对干旱胁迫下不同甘蔗品种抗旱性进行了大量研究[4-12]。如，兰靖等[4]通过测定干旱胁迫前后6个甘蔗品种的生理指标、农艺性状、工艺品质和产量，综合评价其抗旱性差异；夏红明等[6]采用模糊综合评判法及聚类分析法，对6个参试甘蔗品种的过氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）、脯氨酸（Pro）含量及叶绿素等生理指标进行抗旱性综合评价，为甘蔗抗旱育种提供新的抗旱品种和方法。谢兰金等[5]对新台糖22号和近几年选育的11个甘蔗新品种（系）进行干旱胁迫试验，从形态指标和多项生理指标综合评价各参试品种（系）的抗旱性；卢会文等对云南省主栽甘蔗品种进行抗旱性鉴定[8]；檀小辉等对广西28个区试甘蔗品种抗旱性进行分析[10]；廖洁等对不同来源的10个甘蔗品种的抗旱性评价[12]。仍有必要对不同甘蔗品种在不同干旱胁迫下进行深入研究。本研究以我国当前甘蔗主栽品种新台糖22号为对照，桂南亚08-186、桂糖05-3846、桂糖06-400、桂热2号（凉蔗02-6）、柳城03/1137、柳城06/241七个甘蔗品种为试验材料，通过测定甘蔗+1叶脯氨酸（Pro）含量、叶片质膜透性（PMP）、过氧化物酶（POD）活性和可溶性蛋白含量4个生理指标的变化，使用模糊数学中隶属函数法算出各甘蔗品种的抗旱隶属函数，再根据抗旱隶属函数加权值大小对其进行抗旱性评价，探讨甘蔗发生旱害的相关机理，以期为甘蔗品种推广、选育提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试甘蔗品种：新台糖 22号（ROC22）、桂南亚08-186、桂糖05-3846、桂糖06-400、桂热2号（凉蔗02-6）、柳城 03/1137、柳城 06/241，其中新台糖 22号（ROC22）为对照品种。

1.2 试验方法

试验采取桶栽方式，每个品种种植9桶，其中3桶为一个重复，共3个重复。试验选用的塑料桶桶高35 cm，桶口直径45 cm，带底盘，桶底打3个圆孔，以便桶中多余的水分排出。以大田表土：中细河沙为3∶1的比例混合，按每桶加100 g有机肥（NPK含量≥6%，有机质≥60%）作为基肥的形式拌土配制为栽培土壤，每桶装土约2/3，选取供试材料的上半茎，蔗种砍成单芽苗，用500倍液代森铵处理后，种植于桶中，每桶下5个芽，覆土4 cm。成苗后每桶保留长势相近的蔗苗3株。伸长初期按需水需肥规律每桶浇水施肥量一样，其他管理同一般的桶栽管理。

于甘蔗伸长中期进行充分浇水直至土壤水分饱和，随后停止浇水开始干旱胁迫处理。在停止供水前（干旱胁迫前）、停止供水5 d（轻度干旱，叶片萎蔫）、停止供水9 d（中度干旱，叶片卷曲）、停止供水13 d（重度干旱，+3叶以下叶片枯黄）、复水10 d后分别剪取每个品种甘蔗植株+1叶（甘蔗最高可见肥厚带所在的叶片）测定脯氨酸含量、叶片质膜透性、过氧化物酶（POD）活性、可溶性蛋白含量4个生理指标。另外，各甘蔗品种取样后开始正常浇足水，10 d后观察其恢复情况。

1.3 测定指标

土表10～20 cm以下土层含水量采用烘干法测定，脯氨酸含量采用磺基水杨酸法，质膜透性采用相对电导率测定，过氧化物酶活性采用愈创木酚法，叶片可溶性蛋白含量的测定参照文献[5，13]等的方法。

1.4 统计分析方法

数据用Excel 2007软件处理得到各指标的含量，测定指标应用模糊数学隶属函数法[14]。对参试品种抗旱性进行评判，若某一测定指标与抗旱性呈正相关，隶属函数值计算公式为U （Xi）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）；式中：U（Xi）为隶属函数值，Xi为指标测定值，Xmax和Xmin分别为所参试材料中某个指标的最大值和最小值。若某一测定指标与抗旱性呈负相关，则用反隶属函数进行转换，其计算公式如下：U（Xi）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

2 结果与分析

2.1 不同甘蔗品种土壤含水量

表1的数据显示，进行干旱胁迫前，甘蔗土壤含水量为18.0%～19.2%，复水10d后，土壤含水量为17.2%～18.7%，与胁迫前相差不大，能保证甘蔗正常生长所需。在进行干旱胁迫后，土壤含水量随着胁迫强度加大而减少，干旱胁迫处理5、9、13d后的土壤含水量分别为14.8%～16.1%、11.8%～13.5%、7.8%～8.6%。停水处理后第二天起每天清晨8：30观察各甘蔗叶片的变化情况，记录其缺水症状，干旱胁迫第5d，供试材料多数蔗叶出现吐水现象，+3叶以下老叶开始萎蔫；干旱胁迫第9d，供试材料的90%蔗叶萎蔫，部分叶片开始卷曲；干旱胁迫第13d，供试材料多数+3蔗叶以下的成熟叶枯黄，这些现象表明各甘蔗品种已经达到轻度、中度、重度干旱胁迫标准。

表1 不同处理土壤含水量比较（%）Table 1 Comparison of soil moisture content in different treatment (%)

2.2 不同甘蔗品种游离脯氨酸含量

脯氨酸是作物蛋白质的组分之一，以游离状态广泛存在于植物体中，是最重要和最有效的有机渗透调节物质，几乎所有逆境条件都会造成植物体内脯氨酸的积累[15]。逆境条件中，干旱胁迫条件下脯氨酸累积量最多，对维持植物细胞和环境的渗透平衡、稳定大分子结构具有重要的作用[16]，干旱胁迫相同条件下积累越多抗性越强，反之越弱[4]。图1显示，中度干旱前，各甘蔗叶片脯氨酸含量随着干旱胁迫的加重而显著增加，轻度干旱到中度干旱期间增幅最大，中度干旱期达到最大值，重度干旱略有下降，复水10 d后，各处理蔗叶脯氨酸含量大幅度回落，略高于干旱胁迫前的含量。大部分品种在中度干旱时脯氨酸积累达到高峰，重度干旱时脯氨酸积累量有所下降；从整个时期脯氨酸积累情况来看，抗旱性相对较强的品种为桂糖05-3846、桂南亚08-186、柳城 06/241、柳城 03/1137。

2.3 不同甘蔗品种质膜透性

植物在遇到干旱胁迫时，细胞失水，当严重脱水时，膜脂分子双层发生紊乱，细胞膜结构受到破坏，原生质膜透性增加，电解质外渗，细胞质的相对电导率提高[15]，研究表明，细胞质的相对电导率与植物抗旱性呈负相关，细胞膜透性越大表示受害越重，抗旱性越弱，反之越强[17]。

图2显示，各甘蔗叶片质膜透性随着干旱胁迫的增强而增加，重度干旱期达到最大值，复水10 d后大幅度回落并趋向正常水平，略高于干旱胁迫前。在重度干旱处理中，桂热2号的质膜透性明显比其它品种高，达到38%，质膜透性相对较低的有桂糖05-3846、桂南亚08-186、柳城06/241、柳城03/1137、桂糖06-400。

图2 不同甘蔗品种质膜透性Fig.2 Cell membrane permeability of different sugarcane varietiesA：桂南亚 08-186 GNY08-186；B：桂糖 05-3864 Guitang05-3864；C：桂糖 06-400 Guitang06-400；D：桂热 2 号 Guire2；E：柳城 03/1137 Liucheng03/1137；F：柳城 06/241 Liucheng06/241；G：ROC22(CK)

2.4 不同甘蔗品种过氧化物酶（POD）活性

在干旱胁迫条件下，植物膜系统会因外界的不良条件而损坏，这种反应与生物氧自由基有一定的相关性，而植物体本身的过氧化物酶（POD）可以有效清除氧自由基保护膜，是植物的保护酶类之一，植物抗旱能力的强弱与过氧化物酶的活性呈正相关[18]。在干旱条件下，抗旱性强的甘蔗品种叶片过氧化物酶活性会维持较高的水平，而抗旱性较弱的品种叶片过氧化物酶活性下降。研究表明，抗旱性强的甘蔗品种在重度干旱时，体内过氧化物酶（POD）活性才达到最高值，从而可以有效地清除氧自由基保护膜，最大程度保护植物不受到干旱伤害；而其它品种在轻度干旱或中度干旱时，体内过氧化物酶（POD）活性就达到最高值，随后就呈现出下降趋势，致使遇到重度干旱时，其保护能力下降[5]。图3显示，干旱条件下各品种甘蔗叶片的POD活性明显增加，但POD活性峰值不一致，桂南亚08-186、桂糖05-3846、桂糖06-400、柳城06/241、柳城03/1137的峰值出现在重度干旱处理期，桂热2号和ROC22峰值则出现在中度干旱处理期。

2.5 不同甘蔗品种可溶性蛋白含量

图3 不同甘蔗品种过氧化物酶（POD）活性Fig.3 POD enzyme activity of different sugarcane varietiesA：桂南亚 08-186 GNY08-186；B：桂糖 05-3864 Guitang05-3864；C：桂糖 06-400 Guitang06-400；D：桂热 2 号 Guire2；E：柳城 03/1137 Liucheng03/1137；F：柳城 06/241 Liucheng06/241；G：ROC22(CK)

作为渗透调节物质之一，高含量的可溶性蛋白可以使细胞维持较低的渗透势，抵抗水分胁迫。由图4可知，随着干旱的逐渐加强，可溶性蛋白的变化在量上表现为先增加后减少的趋势。初步推测是干旱处理初期植物细胞内的不溶解蛋白转变成可溶蛋白从而增强渗透调节能力，但随着干旱胁迫时间的加长，植物对干旱的忍耐能力下降，植物体内代谢受阻，蛋白质分解大于合成，氮代谢逆转，引起总蛋白含量的降低[19]。前人研究表明，在干旱胁迫下，具有较强抗旱能力的植物体内大分子的物质如蛋白质、淀粉分解较少，含量相对稳定，幅度变化不大，反之亦然[20-21]。本试验数据显示，桂糖05-3846、桂南亚08-186、柳城 06/241、柳城 03/1137几个品种的可溶蛋白含量变化幅度相对较少，表明这几个品种抗旱能力较强。

图4 不同甘蔗品种可溶性蛋白含量Fig.4 Soluble protein content of different sugarcane varietiesA：桂南亚 08-186 GNY08-186；B：桂糖 05-3864 Guitang05-3864；C：桂糖 06-400 Guitang06-400；D：桂热 2 号 Guire2；E：柳城 03/1137 Liucheng03/1137；F：柳城 06/241 Liucheng06/241；G：ROC22(CK)

2.6 抗旱性综合评价

甘蔗受到逆境胁迫后，生理发生错综复杂的变化，并受促多因素的影响，若孤立地根据单一指标评定甘蔗品种的抗旱性，难免带有片面性。因此，本试验采用模糊数学中隶属函数方法，对各品种的主要抗旱性生理生化指标进行综合评价。评价方法是以干旱胁迫前和重度干旱胁迫处理测定的各项指标升降幅为计算单位，计算出其隶属函数值及其加权值，利用加权值的大小对各品种的抗旱性进行综合评价，加权值越大，表明抗旱性越好[14]。由表2可知，参试甘蔗抗旱性由强到弱依次为：桂糖05-3864＞桂南亚08-186＞柳城06/241＞柳城 03/1137＞桂糖 06-400＞ROC22（CK）＞桂热 2 号（凉蔗 02-6）。

表2 不同甘蔗品种抗旱性综合评价Table 2 Integrated evaluation on drought tolerance of different sugarcane varieties

3 讨论

植物抗旱性是由诸多因素相互作用而形成的相对复杂的综合性状，是由植物自身的生理抗性、结构特性及其生长的环境因素变化相互配合的程度决定的[22]。甘蔗品种抗旱性是各生理生化代谢途径对水分胁迫响应的综合作用结果[7]。本试验通过对干旱胁迫下各参试甘蔗品种的生理指标进行测定，仅测定了4个相关的甘蔗抗旱生理指标，其评价结果具有一定的局限性；利用隶属函数法综合评价其抗旱性差异，其中抗旱性比较好的品种是桂糖05-3846、桂南亚08-186和柳城06/241。新台糖22号作为我国甘蔗的主栽品种，已证实在实际大田生产中表现出较强的抗旱性，而本试验在中度、重度干旱胁迫下其生理生化表现并不太理想，隶属函数综合评定结果为低抗旱性，这与前人的研究结果相一致[8]。也有与本试验评价结果不同的研究：何平等[9]、檀小辉等[10]、陆国盈等[11]研究显示，新台糖22号为较强抗旱品种；廖洁等[12]研究显示，新台糖22号为中强度抗旱品种。因此，相同甘蔗品种在不同地区、不同生育期其抗旱性结果有较大的差异。另一方面，室内及桶栽试验与田间条件相差也较大，各品种抗旱性表现的最终判定还有待于在大田生产中进一步验证。