26個甘蔗品種苗期耐酸鋁性狀的綜合評價

曹崢英　蔡文偉　武媛麗　彭李順　楊本鵬

摘要：甘蔗是我國最為重要的糖料作物，主要種植在土壤酸化普遍較為嚴重的南方地區，酸鋁毒害已成為這些區域影響甘蔗產量提升的重要限制因子之一。本研究以分布在不同生態區選育的26個甘蔗品種為材料，通過盆栽試驗，對酸鋁脅迫和對照條件下甘蔗苗期的14個形態和生理生化指標進行測定，并計算各品種各項指標的耐酸鋁系數，再以此為基礎通過主成分分析法、隸屬函數法、聚類分析法和逐步回歸法，對所有品種的耐酸鋁性進行綜合評價。結果表明，相比對照，在酸鋁脅迫下14個指標在26個品種間均表現出了更為豐富的變異。同時，14個指標的耐酸鋁系數間除根冠比和地上部磷含量外，均表現出顯著或極顯著的相關性，通過主成分分析法將這些極顯著相關、信息重疊的指標，轉化成3個獨立綜合指標，累計貢獻了最初14個指標80.52%的耐酸鋁性。然后，再通過隸屬函數法結合3個綜合指標的權重計算出各品種的耐酸鋁性綜合評價值，并根據綜合評價值聚類分析，將26個品種劃分為3類。其中，云蔗11-1074、中糖2號等6個品種被劃分為耐酸鋁性強的品種，桂糖58號、中蔗6號等12個品種為中度耐酸鋁品種，中糖1號、海蔗32號等8個品種為對酸鋁脅迫敏感品種。最后以各指標耐酸鋁系數為自變量，耐酸鋁性綜合評價值為因變量進行最優回歸方程分析，建立了甘蔗耐酸鋁性評價模型，并篩選出根長、根系干重、相對葉綠素含量、葉片脯氨酸含量以及地上部鋁、氮和鉀含量這7個對耐酸鋁性有極顯著影響的指標，作為甘蔗苗期耐酸鋁性的評價指標。通過對這些品種耐酸鋁性綜合評價和鑒定指標的篩選，不僅獲得了多個耐酸鋁品種資源，還可以為今后甘蔗耐酸鋁遺傳育種提供理論基礎和參考依據。

關鍵詞：甘蔗；耐酸鋁性；主成分分析；隸屬函數；綜合評價

中圖分類號：S566.103.7文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0128-08

鋁是土壤中含量最高的金屬元素，通常情況下，其主要以對植物沒有毒害作用的鋁硅酸鹽和鋁氧化物等形式存在。然而，土壤酸化，特別是土壤pH值小于5.5時，會導致大量活性鋁溶出，對植物根系的生長產生直接毒害和抑制作用，影響其對養分和水分的吸收，并最終導致作物產量與品質下降［1-2］。甘蔗是我國最為重要的糖料作物，主要種植于我國廣西、云南、廣東、海南等省（區），這些甘蔗主產區土壤酸化現象普遍較為嚴重［3-4］。已有多個研究表明，鋁毒脅迫對甘蔗根系生長、養分吸收和主要農藝性狀都會產生不利影響［5-6］，因此，普遍存在的南方酸性土壤鋁毒害作用已成為限制甘蔗生產的重要因素之一。生產上減輕作物鋁毒害主要有2種方式：一種是施用石灰等酸性土壤改良劑，降低土壤活性鋁含量；另一種是種植耐鋁性較強的作物品種，提高作物對鋁毒的適應能力。施用石灰是改良酸性土壤，防治鋁毒害較為傳統和有效的途徑之一，但該方法存在對深層土壤改良效果不佳、長期使用增加農業生產成本、造成土壤石灰性板結、破壞土壤生態系統等缺點［7-8］。因此，篩選或選育耐鋁毒的作物品種進行生產是緩解酸鋁毒害最為經濟有效的途徑。

近年來，開展了大量關于作物耐酸鋁性的研究工作。鋁脅迫不僅會對作物根系生長產生明顯的抑制作用，還會對養分吸收、地上部生長、光合作用以及多種保護酶系統等生理生化過程產生影響［9-10］。因此，作物耐酸鋁是一個復雜性狀，不同品種間耐鋁機制通常會存在一定差異，且單項性狀指標對鋁脅迫的反應也不盡相同，所以用單項性狀指標進行作物耐酸鋁性的鑒定和評價具有片面性和局限性。目前，使用較多的方法是對多個形態和生理性狀相關指標進行考察，然后進行主成分分析，確定各性狀指標權重，從多個存在相關性的變量中歸納出少數幾個新的綜合耐酸鋁性狀，再計算出每個品種每個新的綜合性狀指標的隸屬函數值，并根據耐酸鋁貢獻率權重進行加權得到各品種綜合隸屬函數值，即耐酸鋁性評價值。近年來，該套篩選和評價方法，已在多種作物中得到應用，獲得了一批具有較強耐酸鋁性的種質，用于后續的品種選育和生產中［11-18］。然而，在甘蔗上，關于耐酸鋁品種的評價和篩選工作仍未見報道。因此，本研究以我國不同甘蔗產區選育的26個甘蔗品種為材料，通過盆栽方法對酸鋁脅迫和對照條件下甘蔗苗期的14個形態和生理生化指標進行測定，并采用主成分分析、隸屬函數和聚類分析等方法對不同甘蔗品種苗期耐酸鋁性進行綜合評價，旨在為今后甘蔗耐酸鋁機制的深入研究和耐酸鋁高產品種的選育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以位于海南省臨高縣皇桐鎮文賢村甘蔗試驗基地保存的26個甘蔗品種作為供試材料，具體甘蔗品種見表1。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于 2020 年在中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所的大棚內進行。試驗使用直徑40 cm、高為35 cm規格的塑料盆作為種植容器。供試土壤為黏壤土，pH值為5.8，含有機質15.8 g/kg、堿解氮122.5 mg/kg、有效磷16.2 mg/kg、速效鉀108.3 mg/kg、活性鋁5.38 mg/kg。土壤先通過自然風干后，過篩去雜裝盆，每盆再加入復合肥（N、P2O5、K2O含量分別為25%、10%、15%）10 g與表層（15 cm）土壤拌勻待用。

種植前先將采集的26個甘蔗品種種莖砍成單芽段，并選取蔗芽健康飽滿的種莖在人工氣候箱（溫度38 ℃，空氣濕度80%）內催芽和生根，1周后，選取出芽和生根生長一致的種莖移栽至準備好的塑料盆中，每盆每次澆灌500 mL清水，保持土壤濕潤，待10 d后開始進行鋁脅迫處理。本試驗設置鋁脅迫和對照2個處理，每個處理設置4次重復。鋁脅迫處理每次使用500 mL pH值4.0、1 mmol/L AlCl3 溶液澆灌盆栽土壤，對照澆灌等量清水，根據土壤墑情，每3～5 d澆灌1次。

1.3 篩選指標和測定方法

脅迫處理50 d后，對各處理植株的株高、根長、地上部干重、根系干重及根冠比等指標進行測定。葉片相對葉綠素含量在采樣前使用MINOLTA公司型號為SPAD-502的葉綠素測定儀測定。葉片脯氨酸含量采用茚三酮顯色法測定。地上部鋁含量、根系鋁含量、地上部磷含量、地上部鉀含量、地上部鈣含量、地上部鎂含量均采用HNO3-HClO4消解，使用電感耦合等離子體發射光譜儀測定。地上部氮含量采用H2SO4-H2O2消解，使用凱氏定氮儀測定。

1.4 數據處理和統計分析

單項指標耐酸鋁系數=鋁脅迫下的指標值/對照指標值。（1）

按照公式（1） 計算各單項指標鋁毒耐性系數。再以26個品種14個指標的耐酸鋁系數為基礎進行相關性和主成分分析。

按照公式（2）計算通過主成分分析得到綜合指標（選擇特征值大于1.0的綜合指標因子）的隸屬函數值，公式中Xj表示第j個綜合指標，Xmax和Xmin分別表示第j個綜合指標的最大值和最小值。

按照公式（3）計算26個品種D值，即不同品種的耐酸鋁性綜合評價值。公式中IWj表示在主成分分析時第j個綜合指標的貢獻率占所有綜合指標累計貢獻率的百分比，即權重。

利用 Microsoft Excel 2021 和DPS v15.1進行數據處理、相關性分析、主成分分析、聚類分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 各項指標在不同甘蔗品種間變異

由表2可知，在鋁脅迫和對照條件下，各品種間檢測的14個指標差異均達到極顯著水平。在對照條件下，14個性狀指標在26個甘蔗品種中變異系數在8.77%～29.59%之間，平均變異系數為16.46%。其中，根系干重、地上部干重、根冠比等形態指標的變異較大，而相對葉綠素含量、葉片脯氨酸含量和地上部、根系鋁含量等生理指標變異較小。在鋁脅迫處理條件下，各品種間14個指標的變異系數介于13.97%～35.11%之間，平均變異系數達到22.67%，各指標變異系數比對照均有所提高，特別是葉片脯氨酸含量的變異系數提高了2倍。表明26個甘蔗品種間對酸鋁脅迫響應具有較為明顯的差異，具備開展后續耐酸鋁性評價和篩選的基礎。

2.2 不同甘蔗品種苗期各項指標的耐酸鋁系數及其相關性分析

通過比較26 個甘蔗品種在鋁脅迫與對照條件下各指標測定值，計算出各項指標的耐酸鋁系數。由表3可知，僅有3個指標在所有品種中耐酸鋁系數大于1.0。其中，脯氨酸作為重要的抗逆物質在鋁脅迫下葉片中含量也出現明顯升高，地上部和根系鋁含量在鋁脅迫條件下均極顯著上升，其余指標中除根冠比在少數品種中耐酸鋁系數大于1.0，其他指標在所有品種中耐酸鋁系數均小于1.0，特別是地上部干重以及地上部鈣、鎂含量等3個指標的耐酸鋁系數較低，均在0.5以下。同時，各項指標的耐酸鋁系數在不同甘蔗品種間變化幅度也不盡相同，變異系數在12.168%～30.244%之間。因此，不同甘蔗品種對鋁脅迫的響應方式及各項指標的變化均存在較大差異，如僅使用單一指標的耐酸鋁系數進行品種耐酸鋁性評價將會具有較大的片面性。

此外，對14個指標的耐酸鋁系數進行兩兩相關性分析。由表4可知，除根冠比和地上部磷含量2個指標外，其余12個指標間都存在顯著或極顯著相關性，且地上部和根系鋁含量與其余10個指標呈顯著或極顯著負相關，剩余10個指標間均呈顯著或極顯著正相關。其中，相對葉綠素含量與地上部氮含量的相關系數最高，達到0.9以上，其次是相對葉綠素含量與株高、地上部鉀、鈣、鎂含量的相關系數，根長與根系干重的相關系數，以及地上部干重與株高、葉片脯氨酸含量、地上部和根系鋁含量的相關系數絕對值均較高，在0.8以上。這表明各項指標的耐酸鋁系數所貢獻的耐酸鋁性間存在著信息重疊，不能直接同時利用這些指標對甘蔗各品種的耐酸鋁性進行準確評價。

2.3 各性狀指標的耐酸鋁系數主成分分析

利用 DPS v15.1 軟件對14個單項指標的耐酸鋁系數進行主成分分析和各因子的載荷矩陣分析。根據主成分因子特征值大于１以及累計貢獻率大于80%的原則，選擇前3個特征值大于1，其累計貢獻率達到80.52%的因子作為主成分因子（表5），其余特征值小于1的因子忽略不計。其中，主成分因子Ⅰ特征值為8.62，貢獻率達到61.57%，對應特征向量中載荷較大的3個指標為相對葉綠素含量、地上部干重、株高（表6），可大致歸納為地上部生長形態和生理因子；主成分因子Ⅱ特征值為1.58，貢獻率達到11.25%，對應特征向量中載荷較大的3個指標為根冠比、根系干重、根長，可歸納為根系生長相關因子；主成分因子Ⅲ特征值為1.08，貢獻率達到7.70%，對應特征向量中載荷較大的3個指標為地上部鈣、鎂、氮含量，可歸納為養分吸收利用相關因子。因此，可以把原來的14個單項指標轉換為3個新的相互獨立的綜合指標，覆蓋原來14個單項指標80.52%的信息。

2.4 甘蔗品種耐酸鋁性綜合評價和聚類分析

使用主成分分析得到的3個綜合耐酸鋁指標，利用隸屬函數公式計算其隸屬函數值，再根據3個綜合耐酸鋁指標貢獻率的權重分別計算耐酸鋁性綜合評價值，用于26個甘蔗品種耐酸鋁性的綜合評價。由表7可知，26個甘蔗品種的耐酸鋁性綜合評價值介于0.125～0.838之間，表明不同品種的耐酸鋁性存在明顯差異。其中，云蔗11-1074 綜合評價值最高，達到0.838，表明該品種耐酸鋁能力最強；海蔗32號的綜合評價值最低，僅有0.125，表明其對酸鋁脅迫的耐性最弱。

然后，將26個甘蔗品種的各指標耐酸鋁綜合隸屬函數值，使用歐氏距離、最長距離法進行聚類分析。由圖1可知，通過聚類分析將26個品種耐酸鋁性劃分為3類群。第1類群品種耐酸鋁性較強，包括云蔗11-1074、中糖2號等6個品種，占所有品種的23.1%。第2類群品種耐酸鋁性居中，包括桂糖58號、中蔗6號等12個品種，占所有品種的46.2%。第3類群品種耐酸鋁性最弱，包括中糖1號、海蔗32號等8個品種，占所有品種的30.8%。

2.5 甘蔗耐酸鋁性鑒定指標篩選

為分析各單項指標與耐酸鋁性間的關系，篩選甘蔗苗期耐酸鋁性鑒定指標，建立耐酸鋁性評價的數學模型，進行甘蔗耐酸性預測，對測定的14個鑒定指標進行了逐步回歸分析。以各品種的耐酸鋁性綜合評價值作為因變量，各單項指標的耐酸鋁系數作為自變量，建立最優回歸方程：耐酸鋁性綜合評價值=－0.284＋0.097X2＋0.394X4＋0.480X6＋0.109X7－0.087X8＋0.095X10＋0.131X12（F=1 306.96**，R2=0.998 6）。方程中X2、X4、X6、X7、X8、X10、X12分別代表根長、根系干重、相對葉綠素含量、葉片脯氨酸含量以及地上部鋁含量、氮含量和鉀含量，上述指標對苗期甘蔗的耐酸鋁性均有極顯著影響，因此在對苗期甘蔗進行耐酸鋁性鑒定時可選擇對這些指標進行測定。此外，利用上述方程計算的26個甘蔗品種苗期耐酸鋁性預測值與耐酸鋁性綜合評價值極顯著相關，r=0.999 0**，表明利用該方程對苗期甘蔗的耐酸鋁性進行預測具有較高的準確性。

3 討論與結論

酸鋁脅迫通常會對根系生長、養分吸收、地上部生長，以及質膜透性、保護酶活性、光合作用等作物生長發育相關的多方面、多層次生理生化過程均會產生影響。因此，根系相對伸長量、根長、根系鋁及主要營養元素含量和累積量、根系活力、根系和地上部生物量、株高，SOD、CAT、POD等氧化保護酶活性，丙二醛、脯氨酸含量，葉片光合速率、葉綠素熒光參數、代謝酶等形態和生理生化指標都有被用于作物耐酸鋁性的評價和鑒定［13-15，18-22］。但是，由于不同作物或同一作物不同品種間的耐酸鋁機制不盡相同，上述各項指標在不同品種間對于酸鋁脅迫反應通常也存在差異，用單一指標開展作物耐酸鋁性評價將會有非常大的片面性，難以全面準確地反映作物品種耐酸鋁性的強弱。因此，對于耐酸鋁性這類復雜性狀，采用多項指標主成分分析和隸屬函數綜合評價方法會有更高的可靠性。本研究首次在甘蔗中，通過對5個形態指標和9個生理生化指標進行測定，對不同生態蔗區選育的26個品種進行了耐酸鋁性綜合評價。相關性分析證實測定的14個指標對于耐酸鋁性的貢獻存在較大的重疊，隨后的主成分分析將14個指標中相關性強的指標進行歸納合并，轉化為3個新的獨立綜合指標，通過累計貢獻率可知這3個新指標覆蓋原始14個指標80%以上的信息。然后，根據這3個新綜合指標隸屬函數值和貢獻率的權重分別計算26個品種的耐酸鋁性綜合評價值，使得各品種的綜合耐酸鋁性有了一個相對全面可靠并且彼此間可比較的數字化分數。通過聚類分析，26個品種中綜合評價值最高的3個品種（云蔗11-1074、中糖2號和海蔗28）被劃分為耐酸鋁性強的品種，中糖3號、中蔗13號等12個品種耐酸鋁性綜合評價值較低，為耐酸鋁性差或對酸鋁敏感品種。通過對這些品種耐酸鋁性的評價，不僅可以獲得一些耐酸鋁性的品種資源用于今后的遺傳育種，同時還可為這些品種推廣種植區域的選擇提供參考。

對于耐酸鋁性狀，在作物遺傳育種過程中，選擇一些觀察方便、測定容易又能準確反映作物品種對酸鋁耐性的指標是很重要的。在苗期油菜研究中發現，通過逐步回歸方程分析，10個測定指標中株高、根長、葉片中可溶性糖含量以及葉片中脯氨酸含量4個指標對耐酸鋁性有顯著影響，可以作為苗期油菜耐酸鋁性鑒定的指標［13］。在割手密研究中，從7個指標中確定了根長、地上和地下干物質量可作為耐酸鋁的重要篩選指標［14］。在大豆研究中，從8個指標中選擇根系干重、地上部干重、株高、葉面積作為大豆耐酸鋁毒基因型篩選的重要指標［11］。由此可見，大量的形態和生理生化指標均與作物酸鋁耐性有關，但是不同作物間由于對酸鋁脅迫耐性機制的差異，導致其在關鍵鑒定指標上也會存在一定差異。在本研究中，以耐酸鋁性綜合評價值為因變量，各指標耐酸鋁系數為自變量，進行最優回歸方程分析，在14個指標中根長、根系干重、相對葉綠素含量、葉片脯氨酸含量以及地上部鋁含量、氮含量和鉀含量等7個指標對甘蔗苗期耐酸鋁性有極顯著影響。其中，根長、根系干重這2個形態指標和相對葉綠素含量、葉片脯氨酸、地上部氮和鉀含量這4個生理生化指標均與甘蔗耐酸鋁性呈顯著正相關，而地上部鋁含量與甘蔗耐酸鋁性呈極顯著負相關。篩選出7個鑒定指標與上述3種作物有部分指標重合，整體間又存在明顯差異，也進一步證實，不同作物對酸鋁脅迫反應的差異。此外，需要注意的是，本研究主要針對甘蔗苗期耐酸鋁性開展研究，甘蔗不同發育時期對于酸鋁脅迫反應也可能存在差異，因此苗期篩選的指標是否適用于其他生長發育時期還有待進一步研究。

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收稿日期：2023-07-07

基金項目：海南省基礎與應用基礎研究計劃（自然科學領域）高層次人才項目（編號：320RC715）；海南省自然科學基金（編號：2019RC291）；現代農業產業技術體系（糖料）建設專項資金（編號：CARS-170716）。

作者簡介：曹崢英（1982—），女，湖北黃石人，博士，助理研究員，主要從事遺傳育種研究。E-mail：caozhengying@itbb.org.cn。

通信作者：彭李順，博士，副研究員，主要從事植物營養生理研究。E-mail：penglishun@itbb.org.cn。