丹参花果期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

张红瑞 ，张丽欣 ，王 飞 ，高致明 ，李梦荷 ，3

（1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450046；2.河南省农业科学院 植物保护研究所，河南 郑州 450002；3.新乡市农业科学院，河南 新乡 453000）

丹参（Salvia miltiorrhizaBung）是唇形科鼠尾草属植物，其干燥根及根茎为我国传统大宗药材之一[1]，具有祛瘀止痛、活血通经、清心除烦等功效。目前，商品丹参主要来源于栽培，其产区主要分布在河南、山东、陕西、四川等省。河南栽培丹参的主产区为豫西和豫西南地区，此区域多丘陵地带，灌溉条件不足，气候干旱少雨，季节性降雨不均，给丹参的生产带来较大影响。5—8月是丹参的花果期，此时温度高，丹参生长旺盛，是其整个生育期耗水最多的时期，缺水对其地上部形态建成、干物质积累、种子发育及后期地下部根系的生长发育有较大影响[2]。除了水资源集约灌溉[3]、优化栽培方式[4]、地膜覆盖[5]等措施，选育抗旱性强的丹参优良品种也是提高旱作区丹参产量和质量的有效途径。通过研究丹参种质的抗旱性及其综合评价方法和鉴定指标，对丹参抗旱育种、抗旱资源利用与合理布局具有重要意义。

国内外学者针对不同作物不同生育时期已开展了大量的抗旱性鉴定和抗旱指标筛选工作，小麦[6]、玉米[7]、烟草[8]、水稻[9]、 大豆[10]等作物已有较为完整的一套抗旱性鉴定体系，并且已经筛选出了适宜的抗旱指标。黄芪[11]、薏苡[12]、红花[13]等药用植物抗旱指标筛选及抗旱性鉴定方面已有研究报道。丹参的抗旱性研究主要集中在生理指标[14]、内源激素[15]、活性成分[14]及干旱应答机制[16]等方面，尚无抗旱性鉴定和抗旱指标筛选等相关文献报道。目前干旱材料的筛选指标主要集中在生理生化指标、营养器官解剖结构及农艺性状等方面[17-19]，其中，农艺性状能够比较直观地鉴定作物抗旱性。

本试验以不同栽培类型丹参为材料，基于干旱胁迫和正常灌水下丹参13个农艺性状的观测，综合抗旱性度量值（D值）和理想解法2种评价方法鉴定其抗旱性，筛选简单、可靠的抗旱鉴定指标，以期为丹参干旱地区栽培和耐旱品种选育奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验选用河南农业大学农学院张红瑞课题组从野生种质中筛选获得的4个丹参栽培类型为材料，分别记为豫丹参VA、豫丹参VB、豫丹参VC、豫丹参VD，以2年生植株为试验材料（表1），各类型间差异明显，性状稳定，整齐度高。

表1 试验材料Tab.1 Test material

1.2 试验地概况

试验在河南省三门峡市渑池县进行，渑池县属暖温带大陆性季风气候，试验期降水量如表2所示。

表2 试验期内河南渑池降水量Tab.2 Rainfall in Mianchi Henan during the test period

1.3 试验设计

2019年7月1日育苗，11月10日移栽，此时苗高约20 cm。试验设置正常浇水（CK）和干旱胁迫2个处理，3次重复，各处理采用随机区组排列。小区面积12 m2，行距70 cm，株距25 cm。干旱胁迫处理为只浇底墒水，此后全生育期不再灌水，使其充分受旱。对照则分别浇底墒水、抽茎水，常规栽培管理，于丹参花果期（2020年6月14日）取样。

1.4 测定项目及方法

于丹参花果期，选择每个小区具有代表性的植株10株，分别用直尺和游标卡尺测量株高（X1）、冠幅（X2）、花序长（X4）、叶长（X5）、叶宽（X6）、茎粗（X7）、主根长（X8）、主根粗（X9）；采用计数法测定花枝数（X3）、根条数（X10）；采用天平测定地上部干质量（X11）、地下部干质量（X12），并计算根冠比（X13）。

1.5 数据统计分析

试验采用Microsoft Excel 2013整理数据，SPSS 24进行统计分析。按照公式（1）计算各指标的抗旱系数。参照兰巨生[20]、徐银萍等[21]、欧巧明等[22]、杨玉敏等[23]的方法，按公式（2）计算各栽培类型各指标的隶属函数值（μ（xi）），按公式（3）计算因子权重系数（ωi），按公式（4）计算综合指标值CI，根据权重（ωi）及隶属函数值（μ（xi）），按公式（5）计算D值，D值为各栽培类型在干旱胁迫下用综合指标评价所得值。同时采用TOPSIS法（理想解法）进行抗旱性综合评价[24]。

式中，xi、ximin、ximax分别表示第i个指标及第i个指标的最小值、最大值；Pi为第i个综合指标贡献率；ωi表示第i个指标在所有指标中的重要程度；ai表示单一指标的特征值对应的特征向量；xi为各指标抗旱系数，其中，i=1，2，3，…，n。

2 结果与分析

2.1 丹参单项指标的抗旱系数及其简单相关分析

从表3可以看出，干旱条件下丹参4个栽培类型茎粗均增加（抗旱系数>1），株高、花序长、叶长等指标均下降（抗旱系数<1），且下降和增加的幅度不相同，其他单项指标对干旱胁迫的反应不一致。干旱胁迫后，株高、冠幅、花序长、叶长、叶宽、主根长、主根粗和根条数的抗旱系数平均值均小于1，说明干旱胁迫使其减少。花枝数、茎粗的抗旱系数平均值均大于1，说明干旱胁迫使其增加。地下部干质量、根冠比的抗旱系数平均值小于1，地上部干质量的抗旱系数平均值大于1，地下部干质量抗旱系数平均值的变幅小于地上部抗旱系数平均值的变幅，说明干旱胁迫对丹参各栽培类型地上茎叶的影响大于对地下根系的影响。

表3 各单项指标抗旱系数Tab.3 Drought resistance coefficient of each single index

由表4可知，根条数和花序长极显著相关（0.999），地下部干质量与花枝数显著相关（-0.978），冠幅与茎粗、主根长显著相关（0.977、0.975）。所有单项指标间都存在或大或小的相关性，使反映的信息发生重叠，故根据单一指标的抗旱系数得出抗旱性大小具有一定的片面性[25]，再加上不同栽培类型间抗旱性有一定差异，各单项指标在抗旱性中起着不同的作用，简单相关分析较难准确评价丹参抗旱性[12]。因此，以各单项指标的抗旱系数为基础，把原始数据标准化， 再进行抗旱性综合评价更具有可比性和准确性。

表4 各指标抗旱系数的相关系数矩阵Tab.4 Correlation coefficient matrix of drought resistance coefficient of each index

2.2 丹参各指标抗旱系数的主成分分析、隶属函数分析与TOPSIS分析

对各指标的抗旱系数运用主成分分析法进一步分析，可以把原来的13个单项指标转化成2个综合指标，这2个综合指标的贡献率分别为50.149%、36.565%，总贡献率为86.714%，说明这2个综合指标可以概括13个单项指标所包含的86.714%的信息（表5）。第1主成分在冠幅、叶长、茎粗、主根长上有较大载荷，说明该主成分主要反映的是地上部形态和主根形态等主要信息；第2主成分在花枝数、花序长上有较大载荷，说明该主成分主要反映的是花枝数量、长度等信息。主成分载荷矩阵中的载荷向量除以各主成分特征根的算术平方根，得到各主成分的系数。再根据主成分的系数（表5）及各单项指标的抗旱系数（表6），求出各栽培类型的2个综合指标值（F值），通过公式（2）和（3）求出综合指标值（F值）的隶属函数值和权重ωi，通过公式（5）计算出抗旱性综合评价值（D值）。用D值作为标准来判别各栽培类型抗旱能力的强弱，由表6可知，豫丹参VA的D值最大，为0.580，表示该类型在4个栽培类型中抗旱性最强，豫丹参VB的D值最小，为0.187，说明其抗旱性最弱，丹参各栽培类型抗旱性从大到小依次为豫丹参VA>豫丹参VD>豫丹参VC>豫丹参VB。

表5 各综合指标的系数及贡献率Tab.5 Coefficient and contribution rate of each comprehensive index

表6 各栽培类型综合指标值、权重、μ（xi）、D值和综合评价Tab.6 Comprehensive index value，weight，μ（xi），D value，and comprehensive evaluation of each cultivation type

对各指标的抗旱系数进行TOPSIS分析，求出各栽培类型的Gi（每一个评价对象与正向最优解的欧式距离）、Hi（每一个评价对象与负向最优解的欧式距离）和Ci（各评价对象与最优解的相对接近度）。由表7可知，对4个丹参栽培类型品质综合评价结果为：豫丹参VA>豫丹参VC>豫丹参VD>豫丹参VB。豫丹参VA的抗旱性最强，豫丹参VB的抗旱性最弱。这与基于D值鉴定出的抗旱性最强的类型和抗旱性最弱的类型相同，2种评价方法对各栽培类型的抗旱性排序结果基本一致。

表7 TOPSIS法抗旱性评价排序结果Tab.7 Ranking results of drought resistance evaluation by TOPSIS

2.3 丹参抗旱性鉴定指标筛选

为建立丹参抗旱能力评价数学模型，以D值为参考序列即因变量，对供试材料各指标抗旱系数进行逐步回归分析，可得到预测不同栽培类型抗旱能力的最优回归方程：D=0.025X3-0.013X8+0.859X9-0.339。3个指标对丹参花果期抗旱性有显著影响，得到的回归方程的决定系数R2≈1，显著性概率为0，说明模型拟合度好，预测值精确度高，用这个回归方程进行丹参花果期抗旱性评价效果好。回归方程得出的预测值与实际抗旱性隶属函数值D值进行简单相关性分析，二者之间极显著相关，说明回归方程的预测值和实际值之间拟合度好。在丹参花果期抗旱性评价中，有针对性地测定花枝数、主根长和主根粗等3个指标，可有效鉴定丹参的抗旱性，使鉴定工作简化。各指标抗旱系数与D值的相关性分析如表8所示。

表8 各指标抗旱系数与D值的相关系数Tab.8 Correlation coefficient between the drought resistance coefficient of each index and D value

由表8可知，主根粗与D值的相关系数为0.998，达到极显著正相关；花序长和主根长的抗旱系数与D值的相关系数分别为0.889、-0.949，相关性较高。因此，花序长、主根粗、主根长可以作为丹参花果期的抗旱性鉴定指标，这与逐步回归得到的抗旱性鉴定指标类似，因此，花序长、花枝数、主根粗、主根长可以作为丹参花果期的抗旱性鉴定指标。

3 讨论

3.1 丹参抗旱性评价方法

干旱胁迫是影响丹参生长发育的重要因素之一，抗旱性评价就是对其耐旱能力进行筛选、归类的过程，适宜的评价方法是抗旱性鉴定的关键。单一指标较难以全面、准确反映各栽培类型耐旱性的强弱，运用多个综合指标评价作物的抗旱性比较可靠[23]。在抗旱性评价过程中，选择各指标抗旱系数进行分析，能够消除材料间的差异，较为准确地比较出不同材料的抗旱性。近年来，主成分分析联合隶属函数法的多方法多指标相结合手段已在玉米[26]、黍稷[27]、绿豆[28]、谷子[11]、棉花[12]等作物抗旱性鉴定中运用。本试验先通过主成分分析法将13个单项指标转换为2个综合指标，降低了单一指标的片面性造成的信息重复，再结合隶属函数法计算出抗旱性综合指标（D值），根据D值来对供试材料进行抗旱性评价。由于D值是一个无量纲的纯数，使各个栽培类型间的抗旱性差异具有可比性，同时也能避免各指标由于贡献率不同而产生的误差[23]。TOPSIS法是一种多指标决策法，利用各指标与正理想解和负理想解的欧式距离来对方案进行排序，具有易理解、易计算、评估结果合理、应用灵活等优点[29]，近年来广 泛 用于农业[30]、中药[24]、医疗[31]等多个领域的综合性评价中。TOPSIS法分析结果与隶属函数抗旱性评价结果一致，这进一步验证了抗旱性评价结果的准确性和可靠性，说明运用隶属函数分析和TOPSIS分析抗旱性评价是可行的。以D值为自变量，各指标抗旱系数为因变量进行逐步回归分析，可建立丹参抗旱能力评价的数学模型方程，使不同栽培类型丹参的抗旱性得以量化，借此能够快速鉴别并预测丹参种质的抗旱性。

3.2 丹参抗旱性评价指标

作物的抗旱性是一种由多因素、多机制共同作用的复杂数量性状，最终通过不同指标的一系列反应在不同生育时期表现出来，因此，选择合理有效的测量指标是鉴定作物抗旱性的关键[32]。近年来，许多学者针对不同作物基于农艺性状、生理生化性状、产量性状等筛选出了不同的抗旱性相关指标。孙军伟等[33]研究认为，小麦灌浆期抗旱性鉴定的关键指标分别是叶面积、叶片相对含水量、可溶性蛋白含量、丙二醛含量、脯氨酸含量。汪灿等[34]研究认为，分蘖数、单株粒质量和千粒质量可以作为薏苡成株期抗旱性评价的直观指标。造成这些抗旱鉴定指标的不同可能是因为研究材料不同。因此，依据生产实际需求，开展不同药用植物干旱胁迫的耐旱试验，筛选耐旱材料，对指导中药材生产和选育耐旱品种意义重大。本试验选取了13个有关抗旱的农艺性状，分析丹参地上、地下部形态与抗旱性的联系。相关性分析表明，花枝数、主根粗、主根长与D值相关性高，这和基于逐步回归筛选出的抗旱鉴定指标相吻合，表明基于D值和逐步回归的抗旱指标筛选是适宜且准确的，2种方法相互补充，进一步完善了丹参抗旱鉴定指标。

4 结论

干旱胁迫对丹参花果期的地下部和地上部农艺性状有显著影响，各指标对干旱胁迫的反应不一致。本研究运用主成分分析、隶属函数分析、TOPSIS分析、相关性分析等综合分析方法并相结合，确定了4个丹参栽培类型的抗旱性顺序，其中，栽培类型豫丹参VA的抗旱性最强，可作为抗旱育种和抗旱机理研究的优异种质；筛选出花序长、花枝数、主根粗、主根长等指标作为丹参花果期简便、直观的抗旱性鉴定指标；确定D值和TOPSIS法作为丹参抗旱性评价方法。