新疆地區馬鈴薯品種抗旱性比較及篩選

孫 慧,王亞玲,劉 易,李江濤,邢斌德,羅正乾,馮懷章

(新疆農業科學院 綜合試驗場,烏魯木齊 830012)

馬鈴薯(Solanum tuberosumL)是僅次于水稻,小麥和玉米的第四大糧食作物[1];馬鈴薯可食用的塊莖部分不僅風味佳、味道好,而且富含蛋白質、鐵、鋅等多種人體需要的營養物質,是一種非常好的糧食蔬菜兼用食材;馬鈴薯也是加工企業的主要生產原料,如:薯條、薯片、粉條、粉絲、淀粉等;且種植周期短、產量高;新疆2017-2018年總播種面積累計3.44萬hm2,總產量達到23.8萬t[2],作為新疆南疆地區精準扶貧工作的重要作物之一,具有廣闊的發展前景。

新疆屬于溫帶大陸性氣候,全年干旱少雨,日照充足,蒸發性強,氣候涼爽,馬鈴薯是典型的喜涼性溫帶氣候性作物,因缺乏有效的耐旱機理,對水分虧缺和高溫敏感。Tian等[3]表明干旱是西北地區馬鈴薯生產的關鍵限制因素。針對影響馬鈴薯產業發展的最大的自然制約因素-干旱問題,進行馬鈴薯抗旱性研究顯得尤為重要,開展馬鈴薯品種的抗旱研究對于選育優良的抗旱品種有很大的指導意義[4]。

近年來,國內外學者在馬鈴薯抗旱方面進行了大量的研究并且取得重要進展,篩選與鑒定出多個馬鈴薯抗旱性綜合評價方法,分別有抗旱系數法[5],它是水分脅迫下產量與正常供水條件下產量的比值,常與多種生理生化指標相結合用于馬鈴薯抗旱性鑒定;抗旱隸屬函數值法[6-7]是通過計算馬鈴薯植株抗旱相關性狀的隸屬值,對馬鈴薯抗旱育種和篩選進行綜合、精確的評價方法;主成分分析法[8-9](PCA)是一種降維數學變換方法,其基本思想是設法將原先眾多且有一定相關性的指標轉化成少數幾個綜合指標,結果可靠、準確。聚類分析方法[10]有很多種,根據應用所涉及的數據類型、聚類的目的以及具體要求來選擇合適的聚類方法。杜培兵等[5]依據抗旱系數和抗旱指數篩選出抗旱性強品種‘中薯19號’‘同薯23號’;王謐[11]利用隸屬函數法和主成分分析的方法,對19份馬鈴薯資源的抗旱性進行了綜合評價;武新娟[12]利用抗旱系數結合隸屬函數值法對30份馬鈴薯材料進行抗旱性綜合評價,判斷不同資源的抗旱性。楊宏宇[10]借助聚類分析法對88份馬鈴薯材料的抗旱性進行聚類分析,區分不同品種馬鈴薯的抗旱性。因此根據試驗需求,選擇適宜的抗旱性評價方法對馬鈴薯種質資源篩選以及其抗旱性的研究有著重要的意義。

本試驗通過對不同馬鈴薯品種抗旱性的研究,初步篩選出適合新疆地區種植且豐產性好、抗旱性強的品種,為抗旱性馬鈴薯品種在新疆的推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆烏魯木齊北郊,東經87°28′,北緯45°56′,海拔590 m,該地區屬于溫帶半干旱大陸性氣候區,無霜期174 d,年平均日照時數2 733.6 h,≥10℃的積溫3 063.3℃,年平均降水量260～290 mm。試驗地土壤為沙壤土,有機質17.6 g/kg,全氮1.2 g/kg,全磷0.88 g/kg,全鉀1.8%,p H 8.8。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種9個:‘隴薯6號’‘隴薯10號’‘隴薯11號’‘隴薯13號’‘冀張薯12號’‘中薯19號’‘中薯20號’‘中薯22號’‘晉薯16號’,以上均為一級種薯。

1.3 試驗方法

試驗于2018-2019年在新疆農業科學院綜合試驗場進行,試驗采用隨機區組排列,每個品種設置2個處理,處理1:正常灌水(全生育期灌水量為240 m3/667m2)作為對照。處理2:干旱脅迫(全生育期灌水量為120 m3/667m2)。每個處理的小區安裝水表、球閥控制小區灌水用量,2018年烏魯木齊主城區夏季平均降雨量29.4 mm,2019年烏魯木齊主城區夏季平均降雨量27.3 mm,7-8月晴熱少雨,出現中度干旱,因此,自然降雨忽略不計。試驗分別于2018年4月25日、2019年4月22日一次性播種完,每個品種種植5行區,小區面積20 m2,每行20株,每小區100株,行長6.67 m,行距60 cm,株距33.3 cm,每個處理設3次重復。

試驗地每667m2施農家肥20 00～3 000 kg,磷酸二銨15 kg,硫酸鉀10 kg做底肥一次性施入土中。幼苗期結合中耕培土追肥尿素8 kg/667m2,馬鈴薯結薯期一次施入氮、磷復合肥10 kg/667m2。定期除草。馬鈴薯出苗后40 d調查田間數據,收獲期按小區收獲,裝袋掛標簽稱量并記錄。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 生長指標 株高、莖粗:在馬鈴薯開花期、塊莖膨大期用卷尺測量單株株高,用游標卡尺測量單株莖粗,以上指標隨機選取3株測定,重復3次,測量結果均取同一處理的平均值。

1.4.2 葉綠素 在馬鈴薯開花期、塊莖膨大期將各品種每個處理的每個重復選取3株,使用TYSB型葉綠素測定儀,取健康植株倒三葉為測量點測定SPAD值。

1.4.3 葉面積 在馬鈴薯開花期、塊莖膨大期將各品種每個處理的每個重復選取3株,使用YMJ-CH型智能葉面積測量系統,取健康植株倒四葉測量葉面積。

1.4.4 產量 成熟期,試驗小區每個處理的每個重復各選3株,分別測定每個植株地下部分結薯數、結薯質量。收獲時,按小區測產,取3次重復的平均值,折合成667 m2產量。

1.4.5 根系 收獲時,將植株地下部分挖出,清洗根系,用直尺測量根長,利用電子天平稱量根鮮質量。根系105℃殺青30 min后,80℃烘干至恒量,稱量根干質量。

根含水率=(根鮮質量-根干質量)/根干質量×100%

1.4.6 抗旱指標計算[5]抗旱系數=旱地產量/水地產量×100%

抗旱指數=抗旱系數×該材料旱地產量/所有材料平均旱地產量

1.5 數據統計與分析

使用Mierosoft Excel 2007以及DPS軟件處理數據,采用Duncan’s新復極差法進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對馬鈴薯株高和莖粗的影響

由表1可以看出,2018年和2019年在干旱脅迫條件下,不同馬鈴薯品種的株高、莖粗較正常澆水均有所降低,說明干旱脅迫對馬鈴薯株高、莖粗產生了一定的影響,干旱對不同品種的影響不同,抗旱能力越強的馬鈴薯品種通常降低幅度越小[5]。關于株高多重比較表明,2018年和2019年‘中薯22號’‘隴薯10號’‘隴薯13號’3個品種的株高均較正常灌水差異不顯著,說明干旱對這3個品種的株高影響較小。‘中薯20號’‘冀張薯12號’這2個品種2 a試驗的株高均較正常灌水差異顯著,說明這些品種株高對干旱脅迫較敏感。

關于莖粗多重比較表明,2018年和2019年在干旱脅迫條件下,‘中薯22號’‘隴薯6號’‘隴薯13號’‘晉薯16號’4個品種的莖粗較正常灌水差異均不顯著,其中2019年‘隴薯13號’較正常灌水降幅最小僅為6.57%,其次為‘中薯22號’降低6.59%,說明干旱對這2個品種的莖粗影響最小。‘中薯20號’‘隴薯10號’‘隴薯11號’‘冀張薯12號’這5個品種在2年試驗中莖粗均較正常灌水差異顯著,其中2019年分別較正常灌水降低10.24%、18.87%、10.42%、7.11%。說明這些品種莖粗對干旱脅迫較敏感。綜上所述,‘種薯22號’‘隴薯13號’在株高莖粗方面均表現優良。

2.2 不同處理對馬鈴薯葉綠素含量、葉面積的影響

干旱脅迫一方面使葉綠素的生物合成過程減弱,另一方面會使葉綠素分解加快,導致葉片綠色變淡,進而影響馬鈴薯的光合作用。因此葉綠素含量的高低會影響馬鈴薯產量的形成。由表2可知,2018年和2019年在干旱脅迫條件下,各品種葉綠素含量較正常灌水條件下均有所下降。2年試驗中,‘隴薯10號’‘中薯20號’‘中薯19號’‘隴薯6號’4個品種葉綠素含量均較正常灌水差異顯著,其中2019年分別較正常灌水下降15.50%、12.38%、12.24%、11.19%。‘隴 薯13號’‘中薯22號’‘晉薯16’‘冀張薯12號’葉綠素含量較正常灌水差異均不顯著,2019年降幅僅在5.94%～12.75%。‘隴薯13號’降幅最低,較正常灌水僅下降5.94%、其次為‘中薯22號’較正常降低6.92%。說明‘隴薯13號’‘中薯22號’的葉綠素含量對干旱脅迫不敏感。

2018年和2019年在干旱脅迫條件下,各品種葉面積較正常灌水條件下均有所下降,表明干旱脅迫抑制葉片的生長。多重比較表明,‘隴薯11號’‘隴薯6號’‘冀張薯12號’葉面積在2 a試驗中均較正常灌水差異顯著,在2019年試驗中分別較正常灌水降低23.72%、12.78%、9.36%。‘晉薯16號’‘中薯19號’‘中薯22號’‘隴薯13號’葉面積在2 a試驗中均較正常灌水差異不顯著,在2019年試驗中分別較正常灌水降低2.94%、3.58%、6.02%、8.24%。說明干旱脅迫對這4個品種的抑制性較小。綜上,‘中薯22號’‘隴薯13號’在干旱脅迫下,葉綠素含量和葉面積均表現良好。

年份Year品種Variety葉綠素含量(SPAD)Chlorophyll 葉面積/cm2 Leaf area正常灌水Normal irrigation干旱脅迫Drought stress正常灌水Normal irrigation干旱脅迫Drought stress 2018 中薯19號Zhongshu 19 47.24 a 43.21 b 25.78 a 23.67 a中薯20號Zhongshu 20 47.35 a 41.62 b 26.85 a 22.33 b中薯22號Zhongshu 22 48.42 a 44.36 a 29.45 a 28.31 a隴薯6號Longshu 6 46.67 a 42.31 b 24.34 a 20.58 b隴薯10號Longshu 10 46.89 a 40.85 b 24.37 a 20.45 b隴薯11號Longshu 11 47.36 a 44.52 a 23.26 a 19.48 b隴薯13號Longshu 13 49.24 a 45.33 a 25.72 a 24.11 a晉薯16號Jinshu 16 46.21 a 42.58 a 36.75 a 27.28 a冀張薯12號Jizhangshu 12 45.98 a 42.23 a 27,55 a 23.46 b 2019 中薯19號Zhongshu 19 48.60 a 42.65 b 28.20 a 27.19 a中薯20號Zhongshu 20 48.79 a 42.75 b 27.60 a 26.55 a中薯22號Zhongshu 22 49.01 a 45.62 a 31.25 a 29.37 a隴薯6號Longshu 6 49.08 a 43.59 b 23.70 a 20.67 b隴薯10號Longshu 10 48.84 a 41.27 b 22.74 a 19.52 a隴薯11號Longshu 11 45.98 a 39.86 b 21.25 a 16.21 b隴薯13號Longshu 13 53.33 a 46.53 a 23.80 a 21.84 a晉薯16號Jinshu 16 47.27 a 43.70 a 38.04 a 36.92 a冀張薯12號Jizhangshu 12 47.63 a 44.80 a 29.50 a 26.74 b

2.3 不同處理對馬鈴薯根部的影響

由表3可知,2018年和2019年在干旱脅迫條件下,各品種馬鈴薯的單株根長均小于正常澆水處理。說明干旱抑制地下根系的生長。其中2018‘年隴薯13號’‘隴薯11號’‘中薯22號’根長較其他品種長,分別達到27.97 cm、27.21 cm、26.34 cm。2019年‘隴薯13號’‘中薯22號’‘中薯19號’根長較其他品種長,分別達到28.33 cm、27.45 cm、26.67 cm。在干旱脅迫下,2018年所有參試品種根干質量減幅為9.46%～32.54%。其中‘中薯22號’減幅最小,為9.46%,其次是‘中薯19號’和‘隴薯13號’,分別為12.55%和14.35%,2019年所有參試品種根干質量減幅為18.72%～32.17%。其中‘隴薯13號’減幅最小,為18.72%,其次是‘晉薯16號’和‘中薯22號’,分別為19.72%,21.33%。2018年所有參試品種根含水率增幅為18.11%～35.39%。其中‘中薯22號’增幅最大,為35.39%,其次是‘中薯20號’和‘隴薯13號’,分別為32.61%、30.92%。2019年所有參試品種根含水率增幅為19.39%～35.84%。其中‘中薯22號’增幅最大,為35.84%,其次是‘中薯20號’和‘隴薯13號’,分別為34.36%、33.39%。綜上可看出‘隴薯13號’‘中薯22號’根干質量減幅較其他品種小,根含水率增幅較其他品種高。

2.4 不同處理對馬鈴薯單株塊莖質量的影響

從表4可以看出,2018年和2019年在干旱脅迫條件下,不同品種的單株結薯數和單株塊莖質量均較正常灌水有所降低,然而干旱對不同品種的影響不同。其中,2018年‘中薯19號’‘隴薯6號’‘隴薯10號’‘冀張薯12號’單株結薯數,單株塊莖質量均較正常澆水處理下差異顯著,‘中薯22號’‘隴薯13號’單株結薯數,單株塊莖質量均較正常澆水處理下差異不顯著,干旱脅迫下‘冀張

薯12號’‘中薯22號’單薯質量最大,分別達到97.46 g和85.58 g。2019年‘中薯19號’‘隴薯10號’‘冀張薯12號’單株結薯數,單株塊莖質量均較正常澆水處理下差異顯著,單株結薯數較正常澆水降低29.23%～42.91%,單株塊莖質量較正常澆水降低47.09%～72.86%。‘中薯22號’‘隴薯11號’‘隴薯13號’‘晉薯16號’單株結薯數和單株塊莖質量均較正常澆水處理下差異不顯著。單株結薯數較正常澆水降低7.63%～24.65%。單株塊莖質量較正常澆水降低37.11%～61.19%。干旱脅迫下的‘冀張薯12號’‘中薯22號’單薯質量最大,分別達到112.54 g和93.64 g。

年份Year品種Variety根長/cm Root length根干質量/g Root dry mass根含水率/%Root water content正常灌水Normal irrigation干旱脅迫Drought stress正常灌水Normal irrigation干旱脅迫Drought stress減幅/%Decrease正常灌水Normal irrigation干旱脅迫Drought stress減幅/%Decrease 2018中薯19號Zhongshu 19 30.58 a 25.87 a 2.31 2.02 12.55 10.65 13.67 28.36中薯20號Zhongshu 20 27.73 a 22.56 b 2.26 1.93 14.6 10.64 14.11 32.61中薯22號Zhongshu 22 28.42 a 26.34 a 2.22 2.01 9.46 11.33 15.34 35.39隴薯6號Longshu 6 27.55 a 22.84 b 1.98 1.52 23.23 10.98 13.58 23.68隴薯10號Longshu 10 26.83 a 21.49 b 2.10 1.61 23.33 10.57 13.43 27.06隴薯11號Longshu 11 29.75 a 27.21 a 2.21 1.53 30.77 12.15 15.31 26.01隴薯13號Longshu 13 32.84 a 27.97 a 2.23 1.91 14.35 12.97 16.98 30.92晉薯16號Jinshu 16 31.83 a 23.78 b 2.15 1.68 21.86 12.81 15.13 18.11冀張薯12號Jizhangshu 12 26.79 a 20.86 b 2.09 1.41 32.54 11.33 13.66 20.56 2019中薯19號Zhongshu 19 32.11 a 26.67 a 2.2 1.58 28.19 10.87 14.31 31.65中薯20號Zhongshu 20 28.78 a 24.223 a 2.36 1.71 27.54 11.41 15.33 34.36中薯22號Zhongshu 22 31.89 a 27.45 a 2.11 1.66 21.33 11.69 15.88 35.84隴薯6號Longshu 6 28.11 a 24.00 b 2.02 1.37 32.17 10.06 12.43 23.56隴薯10號Longshu 10 28.00 a 22.78 b 2.06 1.41 31.55 9.18 10.96 19.39隴薯11號Longshu 11 28.44 a 26.22 a 2.27 1.61 29.07 10.61 13.62 28.37隴薯13號Longshu 13 34.00 a 28.33 a 2.19 1.78 18.72 12.58 16.78 33.39晉薯16號Jinshu 16 32.44 a 25.67 b 2.13 1.71 19.72 11.95 15.86 32.72冀張薯12號Jizhangshu 12 27.67 a 21.11 b 2.17 1.54 29.04 10.32 12.89 24.9

2.5 不同處理對馬鈴薯產量的影響

從表5可以看出,2018年和2019年在干旱脅迫條件下,各品種馬鈴薯的產量較正常灌水產量均有所下降,干旱脅迫對不同品種影響不同,多重比較表 明,2018年‘中 薯19號’‘中 薯22號’‘隴薯11號’‘隴薯13號’每667m2產量較正常灌水差異不顯著。其余品種較正常灌水差異顯著。干旱脅迫處理下,‘中薯22號’‘隴薯13號’較其他品種減產幅度小,分別減產37.20%和37.61%。各品種馬鈴薯的商品率較正常灌水有所下降,其中,‘隴薯6號’‘隴薯13號’‘隴薯10號’商品薯率減幅小于25%,分別為20.38%、21.44%、24.60%。‘中薯19號’‘中薯20號’‘中薯22號’‘隴薯11號’‘晉薯16號’‘冀張薯12號’商品薯率減幅均大于25%,分別為34.77%、37.47%、25.63%、39.53%、30.94%、26.11%。2019年‘中薯19號’‘中薯22號’畝產量較正常灌水差異不顯著。其余品種較正常灌水差異顯著。干旱脅迫處理下,‘中薯22號’‘隴薯13號’較其他品種減產幅度小,分別減產36.54%、37.60%。干旱脅迫處理下,各品種馬鈴薯的商品率較正常灌水有所下降,其中,‘隴薯13號’‘隴薯10號’‘中薯22號’‘冀張薯12號’商品薯率減幅小于25%,分別為19.82%、20.15%、22.36%、24.49%。‘中薯19號’‘中薯20號’‘隴薯6號’‘隴薯11號’‘晉薯16號’商品薯率減幅均大于25%,分 別 為32.79%、33.12%、30.35%、41.39%、31.61%。

2.6 不同處理馬鈴薯抗旱評價

抗旱系數反映干旱對產量影響的敏感程度,數值越大,表明抗旱能力越強。由表6可知,參試品種中,2018年和2019年抗旱系數均大于0.600的有‘中薯22號’‘隴薯13號’。2018年和2019年抗旱系數均在0.500～0.600的有‘中薯19號’‘隴薯10號’。2018年和2019年抗旱系數均小于0.500的有‘晉薯16號’。抗旱指數不僅反映了干旱環境對產量的影響,還能反映基因型差異對產量的影響,抗旱指數越大,表明抗旱能力越強,在干旱脅迫處理下,2018年和2019年抗旱指數較高的均為‘中薯22號’‘隴薯13號’,其中2019年抗旱指數分別為0.982、0.875。依據抗旱指數可以看出抗旱能力強的品種有‘中薯22號’‘隴薯13號’。

年份Years品種Variety抗旱系數Drought resistance coefficient抗旱指數Drought resistance index 2018 中薯19號Zhongshu 19 0.511 0.391中薯20號Zhongshu 20 0.495 0.425中薯22號Zhongshu 22 0.628 0.937隴薯6號Longshu 6 0.532 0.432隴薯10號Longshu 10 0.569 0.573隴薯11號Longshu 11 0.537 0.424隴薯13號Longshu 13 0.624 0.873晉薯16號Jinshu 16 0.423 0.435冀張薯12號Jizhangshu 12 0.449 0.381 2019 中薯19號Zhongshu 19 0.506 0.411中薯20號Zhongshu 20 0.515 0.483中薯22號Zhongshu 22 0.635 0.982隴薯6號Longshu 6 0.621 0.530隴薯10號Longshu 10 0.528 0.482隴薯11號Longshu 11 0.483 0.358隴薯13號Longshu 13 0.624 0.875晉薯16號Jinshu 16 0.402 0.361冀張薯12號Jizhangshu 12 0.522 0.465

3 討論

馬鈴薯通常被認為是對干旱敏感的作物,干旱脅迫是限制馬鈴薯產量和品質的重要瓶頸之一[13],引進新型馬鈴薯品種,評價品種抗旱性,可為新疆抗旱馬鈴薯新品種的利用和推廣奠定理論和實踐基礎。與此同時,學者們對減輕干旱對馬鈴薯生產的影響的方法進行了大量研究,例如基于遺傳[14]、節水灌溉[15]、耕作制度[16]等方法選育抗旱品種,及馬鈴薯生產地區的干旱時空分析和干旱預測[17]。

干旱脅迫會抑制植株的株高、主莖、葉面積、根系、產量等性狀[18],有研究表明[19],干旱脅迫指數與株高成反比。本研究發現干旱脅迫對‘中薯22號’‘隴薯13號’株高和莖粗影響較小,較正常灌水處理差異不顯著,抗旱能力較強;Monneveux等[20]研究表明干旱限制葉片的生長,降低葉面積指數及單位葉面積的光合作用速率,本試驗中‘中薯22號’‘隴薯13號’葉面積較正常灌水差異不顯著,‘隴薯13號’‘中薯22號’葉綠素含量較正常灌水差異不顯著,并且分別較正常灌水下較少;馬鈴薯不耐干旱主要歸因于一段時間的水分脅迫后其根系淺和恢復能力低[21],耐旱品種具有更深的根系、更多的根表面積和更多的根尖數[22]。杜培兵等[23]研究發現,干旱脅迫下,根干質量減幅越小根含水率增幅越大越抗旱,本試驗中‘隴薯13號’根干質量減幅最小,其次是‘晉薯16號’和‘中薯22號’;根含水率‘中薯22號’增幅最大,其次是‘中薯20號’和‘隴薯13號’。綜合對根干質量及根含水率的比較,表明‘隴薯13號’‘中薯22號’抗旱性較強;干旱嚴重影響著馬鈴薯的產量,嚴重時可造成減產50%以上,此外還可引起一系列的不良反應,如馬鈴薯薯塊品質的下降、形態畸形、代謝紊亂等[4]。‘中薯22號’‘隴薯13號’在干旱脅迫下生長勢好,產量在所有品種中最高。本試驗通過應用抗旱系數和抗旱指數2個指標,更直觀地篩選出抗旱性強的品種為‘中薯22號’‘隴薯13號’。這與通過對長勢和產量分析篩選的結果一致。

4 結論

中國是世界上最大的馬鈴薯生產國,中國60%的馬鈴薯作物都在干旱和半干旱氣候下種植[24]。中國只有少數具有高抗旱性的品種被推廣應用[25]。因此加快抗旱品種的篩選對農業生產非常重要。本試驗以正常灌水為對照,對9個馬鈴薯品種進行株高、莖粗、葉綠素、葉面積、根系、單株結薯數、單株塊莖質量、單薯質量和產量方面進行綜合比較,初步篩選出‘中薯22號’‘隴薯13號’各方面抗旱能力優良,并且在抗旱系數和抗旱指數兩個指標中,‘中薯22號’‘隴薯13號’均表現最好。因此本試驗認為‘中薯22號’和‘隴薯13號’宜作為抗旱品種在新疆地區推廣應用。