长林无性系油茶抗旱性的综合评价

冯士令， 程浩然， 李　旭， 邓俊琳， 刘　露， 丁春邦

( 四川农业大学 生命科学学院， 四川 雅安 625014 )



长林无性系油茶抗旱性的综合评价

冯士令， 程浩然， 李旭， 邓俊琳， 刘露， 丁春邦*

( 四川农业大学 生命科学学院， 四川 雅安 625014 )

摘要：油茶产区在夏季常伴有持续干旱、高温少雨等天气，造成油茶产量不高。为了解持续干旱对油茶生理造成的影响，该研究以两年生的9个长林无性系油茶为材料，在温室内模拟自然干旱胁迫试验，并研究干旱胁迫第0、5、10、15、20和25天时其叶片生理生化指标的变化。同时以各生理指标的抗旱系数作为衡量油茶抗旱性的指标，利用主成分分析、隶属函数法及权重对其抗旱能力进行综合评价。结果表明：将14个单项指标降维成3个独立的综合指标，并通过隶属函数值和权重确定各油茶耐旱性综合评价值，进而得到长林无性系油茶的抗旱强弱依次为长林59号>长林22号>长林53号>长林4号>长林40号>长林8号>长林3号>长林27号>长林18号。

关键词：干旱胁迫， 抗旱系数， 相关性分析，主成分分析， 权重

油茶(Camelliaoleifera)属于山茶科 (Theaceae)多年生四季常绿油料树种(姚小华等，2012)，是中国南方乡土植物，与油棕、油橄榄和椰子并称为世界四大名优木本食用油料作物。油茶生长需水期一般在花果发育和油脂转化时期，若降雨量较少会阻碍其正常的生长发育，果实大量脱落。

目前，我国西南地区，干旱次数增多，部分省份干旱持续时间长，严重制约农林产业发展，造成大量经济损失。选育一些优良树种，特别是对水分亏缺有较强抵抗力的林木是我国西南地区农林产业发展所面临的一个重要问题。长林系列油茶无性系在我国南方地区大量引种，但随着其生长环境的改变，以及引种地区夏季常伴有持续伏旱、高温少雨等天气，油茶产量不高，仍需根据该地区气候特点不断进行优种选优工作(左继林等，2013)。因此，研究油茶在缺水情况下的生理生化反应，选择抗旱能力强的油茶无性系，不仅有助于油茶在干旱地区的推广，而且对改善当地经济状况起到积极的作用。

本试验模拟自然干旱胁迫对各油茶品种的活性氧代谢，抗氧化酶活性及光合参数的影响，并采用主成分分析法等多元统计分析法对其抗旱能力进行综合评价，为四川地区选育抗旱性强的油茶品种，以及科学引种栽培提供一定试验依据。

1材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2011年4月引种江西省的2年生长林无性系油茶：长林3号(C3)、长林4号(C4)、长林8号(C8)、长林18号(C18)、长林22号(C22)、长林27号(C27)、长林40号(C40)、长林53号(C53)及长林59号(C59)共9个品种。于2012年4月中旬，将长势均一且健康的苗木移植于高30 cm， 上下口径分别为30 cm 和25 cm塑料盆中，每盆1株，育苗基质为四川农业大学科研农场大田地表土，经测定，土壤有机质含量15.98 g·kg-1，钾含量1.319 g·kg-1，氮含量1.14 g·kg-1，磷含量0.296 g·kg-1，土壤pH值5.78，田间最大持水量40.2%。油茶苗随机摆放在两侧通风且温室内光照条件一致的区域，在缓苗7月，挑选长势基本相同的植株进行自然干旱试验。

1.2 试验处理

试验材料持续3 d浇透水后不再浇水，采用自然干旱法进行试验。试验设置2个水分处理，即对照组(WCK)，田间最大持水量的75%，确保植株健康生长；处理组(WRS)，进行停水胁迫处理，以5 d 为一个处理期，分别干旱胁迫0、5、10、15、20和25 d。各处理3次重复，各品种6株植物。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤含水量采用TDR100土壤水分速测仪进行测定。

1.3.3 光合参数分别在干旱胁迫处理期的最后一天的早上8:00-10:00，用便携式光合仪GFS-3000，测定油茶幼苗上端第4-6功能叶的光合指标。测定光合参数：蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)；水分利用率(WUE)，其按WUE=Pn/Tr公式计算得出(李月灵等，2013)。

1.4 抗旱性评价

1.4.1 抗旱系数抗旱系数(DRC)=处理组测定值/对照组测定值×100%(白志英等，2008)

(1)

1.4.2 隶属函数分析各综合指标的隶属函数值(杨升等，2013)用下列公式计算：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

公式(2)中Xj是第j个综合指标值，Xmin和Xmax分别代表第j个综合指标测定值的最小值和最大值,j=1, 2……n。

1.4.3 权重的确定据各个综合指标贡献率大小及公式(3)求出3个综合指标重要程度即权重(王军等，2007；周广生等，2003；谢志贤，1983)：

(3)

式中，Wj和pj分别表示第j个综合指标测定值的权重及贡献率,j=1, 2, ……n。

1.4.4 抗旱性综合评价由(4)式得出各幼苗抗旱性综合评价值(王树刚等，2011；张耿等，2007；冯士令等，2013)：

(4)

j=1, 2, ……n

1.5 数据分析

用Excel 2007进行数据整理，SPSS 20.0软件进行数据的差异性检测和多元统计分析等。

2结果与分析

2.1 干旱胁迫下土壤含水量的变化

由图1可见，随着水分胁迫时间延长，处理组的土壤含水量一直下降，且胁迫前期下降较为迅速。胁迫至10 d，与对照相比土壤含水量降低了40.87%，此时C18部分新叶出现萎缩，其他油茶品种叶片正常。胁迫至25 d时，与对照相比土壤含水量降低了81.05%，C18、C27嫩芽部分脱落，新叶大量脱落；C3和C8嫩芽大量呈褐色，新叶部分脱落；C4、C22、C40、C53和C59新叶大量卷曲，新叶部分脱落。

图 1　干旱胁迫下土壤含水量变化Fig. 1　Soil water content under drought stress

2.2 各单项指标的抗旱系数及简单相关性分析

2.3 主成分分析

运用主成分分析法对9个油茶品种的光合参数、抗氧化酶活性、活性氧及渗透物质含量等14个生理指标的抗旱系数进行分析，并得到前三个综合指标的贡献率，第一、二、三主成分贡献率分别为55.431%、17.666%、9.054%，累积贡献率为82.151%，前三个主成分累积贡献率大于75%，能够充分概括该试验数据的大部分信息，这样把最初14个生理指标降维并简化为3个新的彼此独立的综合指标(表3)，分别用CI、CII和CIII表示。

第1主成分表达式：

CI=0.114X1+0.111X2+0.005X3+0.015X4+0.119X5+0.119X6+0.124X7+0.113X8+0.117X9-0.034X10-0.090X11-0.108X12-0.082X13+0.073X14

表 1　各油茶品种各项指标的抗旱系数

注：X1.超氧阴离子产生速率； X2.过氧化氢含量； X3.超氧化物歧化酶活性； X4.过氧化物酶活性； X5.过氧化氢酶活性； X6.硫代巴比妥酸反应含量； X7.相对电导率； X8.脯氨酸含量； X9.可溶性蛋白含量； X10.叶绿素含量； X11.净光合速率； X12.气孔导度； X13.蒸腾速率； X14.水分利用率。下同(X1-X14)。

表 2　各单项指标的相关系数矩阵

注：*表示P<0.05的显著水平，**表示P< 0.01的极显著水平。

Note: *Significant atP< 0.05，**Significant atP< 0.01.

第2主成分表达式：

CII=0.064X1+0.090X2+0.265X3+0.328X4+0.102X5+0.010X6-0.006X7+0.141X8+0.138X9+0.148X10+0.207X11+0.117X12+0.247X13+0.064X14

第3主成分表达式：

CIII=0.130X1+0.123X2-0.477X3-0.143X4+0.114X5+0.054X6-0.003X7+0.109X8+0.095X9-0.379X10+0.350X11+0.272X12+0.341X13+0.130X14

表 3　各综合指标的系数和贡献率

表 4　不同品种的综合指标值、隶属函数值、权重及D值

由上述3个表达式可知，在CI表达式中CAT活性、TBARS含量、相对电导率及可溶性蛋白含量的系数较大，所以第一主成分基本体现蛋白质含量和细胞膜透性指标；在CII表达式中SOD活性、POD活性、净光合速率、蒸腾速率的系数相对较大，故第二主成分大致概括为抗氧化酶活性、光合参数指标；在CIII表达式中Pn、Tr、Gs、Chl含量、SOD活性的系数较大，因此第三主成分大致概括为光合参数指标。上述分析表明蛋白质含量、细胞膜透性、抗氧化酶活性及光合参数是反应抗旱性重要指标。

2.4 综合评价

2.4.1 隶属函数分析根据表3中各综合指标系数求出9个油茶品种各自的3个综合指标值分别用C(I)、C(II)和C(III)表示；再由公式(2)求出各品种的综合指标的隶属函数值用U(I)、U(II)、U(III)(表4)。

2.4.2 权重的确定根据公式(3)，计算得出3个综合指标权重分别为0.675、0.215、0.110(表4)。

2.4.3 综合评价根据公式(4)计算出各油茶品种的综合抗旱能力大小，由D值(见表4)对植物幼苗的耐旱性强弱进行评估得到：长林59号>长林22号>长林53号>长林4号>长林40号>长林8号>长林3号>长林27号>长林18号，其中长林59号的D值最大，表明该品种抗旱能力最强；其次是长林22号；长林18号的D值最小，说明其抗旱能力最差。

3讨论

干旱胁迫下，植物体内活性氧产生和清除的平衡体系紊乱(周有文等，2013)，植物自身会通过调节细胞的渗透物质含量(赵法等，2010)，使其渗透势保持在较高水平，但随着胁迫时间延长，胁迫程度超过植物自我调适范围，抗氧化酶清除自由基能力下降，细胞膜系统遭到破坏，电解质外渗，细胞膜相对透性增加(崔晓涛等，2009)，叶绿素分解，叶绿素含量下降，进而造成植物光合作用下降。

植物抗旱性是个复杂的生理调控过程，受到诸多体内外环境因素影响，在水分亏缺环境下，植物各项生理指标所指示的胁迫抵抗力往往不一致，一般简单方法难以得到准确结果(赵一鹤等，2012；冯慧芳等，2011；赵兰等2011)。从油茶品种抗旱系数可以看出，不同品种生理指标的变化幅度不同，其相应的抗旱系数会得出不同抗旱结果，而且由相关系数矩阵可知，大部分指标间存在显著或极显著的相关性，它们所传达的信息重叠性严重，直接运用这些数据研究油茶幼苗的耐旱性会引起较大偏差。

综上所述，单一指标难以全面地体现油茶抗胁迫能力，而直接运用大量的油茶生理指标来评价其抗性也有不足之处，因此需要采用主成分分析等多元统计分析法对油茶幼苗的抗旱能力进行综合评价才具有一定的科学性。本研究采用主成分分析法，把最初的具有信息相关性的14个生理指标转换为3个新的彼此独立的综合指标(CI-CIII)，由于主成分累积贡献率达到82.151%，故在原有信息不损失或损失很少情况下，不仅克服了生理指标间交叠性，也可以在此基础上利用各样品的综合指标值及其综合隶属函数值，得出权重值，避免了试验者确定权重的主观性，最后得到一个无量纲的纯数D值。这样使各油茶品种抗旱性的强弱具有可比性，客观地筛选出抗旱性强的品种，初步评定9个油茶无性系耐旱性强弱为长林59号>长林22号>长林53号>长林4号>长林40号>长林8号>长林3号>长林27号>长林18号。

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Comprehensive evaluation of drought tolerance forCamelliaoleiferaChanglin clones

FENG Shi-Ling, CHENG Hao-Ran, LI Xu, DENG Jun-Lin,LIU Lu, DING Chun-Bang*

(CollegeofLifeSciences,SichuanAgriculturalUniversity, Ya’an 625014, China )

Abstract:In summer, it is often high temperature and drought result in low yield of Camellia oleifera in C. oleifera plantation. Water defect will reduce the plant photosynthesis with consequent low yield of plants. However, there is little information on the drought stress physiological research of C. oleifera. In order to study the effects of physiology of C. oleifera under constantly drought stress, the 2-year-old seeding of C. oleifera Changlin clones were cultured in pots(30 cm × 30 cm × 25 cm) in greenhouse. There were two water stress treatment groups named respectively control group and drought stress group in this study. The drought stress group suffered from persistent irrigation water deficit, while the control group cultivated under normal irrigation condition. Subsequently, the change of physiological and biochemical indices of leaves including reactive oxygen species contents, antioxidant enzyme activities, osmotic substances contents, cell membrane permeability and photosynthesis were measured on 0, 5, 10, 15, 20 and 25 d after drought stress in order to screen C. oleifera of strong resistant of environmental stress. In this study, the different drought resistance coefficients of C. oleifera such as superoxide anion radical ·) content, hydrogen peroxide (H2O2) content, the activities of peroxidase (POD), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD), the relative electric conductivity, proline content (Pro), chlorophyll content, net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr) and water use efficiency (WUE) were as drought tolerance indices. Finally, the comprehensive evaluation of drought resistance coefficients of C. oleifera physiological indices was performed with correlation analysis, principal component analysis, subordinative function and weight. The result indicated that 14 indices could be classified into 3 independent comprehensive components, and then utilized the value of weight and subordinative function to perform the values of comprehensive evaluation of different Camellia varieties. According to the value of different comprehensive evaluation value, the order of drought-resistance of nine C. oleifera Changlin clones was “Changlin59” > “Changlin22” > “Changlin53” > “Changlin4” > “Changlin40” > “Changlin8” > “Changlin3” > “Changlin27” > “Changlin18”. The results extensively provide certain scientific basis for breeding, introduction and cultivation of drought-tolerant Camellia varieties in Sichuan.

Key words:drought stress, drought resistance coefficient, correlation analysis, principal component analysis, weight

DOI:10.11931/guihaia.gxzw201405006

收稿日期:2014-05-05修回日期：2015-04-09

基金项目：四川省科技支撑计划项目(2013NZ0047)[Supported by Key Technology R & D Program of Sichuan Provincial Office of Science and Technology(2013NZ0047)]。

作者简介：冯士令(1987-)，女，河北辛集人，博士研究生，主要从事植物逆境生理学研究，(E-mail)915143015@qq.com。 *通讯作者：丁春邦，教授，博士生导师，主要从事植物学教学与科研工作,(E-mail)dcb@sicau.edu.cn。

中图分类号：Q945.78

文献标识码：A

文章编号：1000-3142(2016)06-0735-06

冯士令，程浩然，李旭，等. 长林无性系油茶抗旱性的综合评价 [J]. 广西植物， 2016， 36(6)：735-740

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