甘蔗与三芒草（Tripidium arundinaceum）远缘渐渗后代苗期耐旱性多性状综合评价

《Plants》：Multitrait Evaluation of Drought Tolerance at the Seedling Stage in Advanced Backcross Germplasm Derived from Sugarcane × Tripidium arundinaceum

　　

摘要专业翻译 甘蔗（Saccharum spp.）是重要的糖料和生物能源作物，但其生产常受干旱胁迫制约。野生近缘种三芒草（Tripidium arundinaceum）具有优异的耐旱潜力，可作为甘蔗抗旱改良的宝贵种质资源。本研究以甘蔗与三芒草杂交衍生的高代回交群体（advanced backcross germplasm）为材料，在苗期对多个与耐旱性相关的形态及生理性状进行了系统评价。研究人员设置了正常供水与干旱胁迫两种水分处理，测定了株高、茎径、分蘖数、叶片相对含水量（relative water content, RWC）、叶绿素含量（chlorophyll content）、脯氨酸（proline）积累量、丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量及抗氧化酶活性等指标，并采用抗旱系数（drought tolerance coefficient, DTC）和隶属函数法（membership function value analysis）对供试材料的综合耐旱性进行了评价与筛选。结果表明，不同基因型在干旱胁迫下各性状均表现出显著差异，部分渐渗后代在多个耐旱相关性状上显著优于亲本，表现出较强的耐旱性。通过多性状综合评价，研究筛选出若干耐旱性突出的优良渐渗系，可作为甘蔗抗旱育种的候选亲本材料。该研究为利用野生种质改良甘蔗抗旱性提供了理论依据和材料支撑。

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一、研究背景与科学问题

干旱是限制全球农作物生产最主要的非生物胁迫因子之一。甘蔗作为世界上重要的糖料作物和新兴的生物能源作物，其种植区域多分布于热带和亚热带地区，这些地区季节性干旱频发，严重影响甘蔗的产量和品质。传统甘蔗栽培品种遗传基础狭窄，对干旱胁迫的耐受能力有限，而通过常规育种途径提升抗旱性的进展缓慢。甘蔗近缘野生种三芒草（Tripidium arundinaceum）原生于干旱或半干旱环境，经过长期自然选择积累了丰富的耐旱基因资源，被认为是甘蔗抗旱改良最具潜力的野生亲本之一。然而，野生种与栽培种之间存在严重的生殖隔离和性状连锁累赘，如何有效利用三芒草的耐旱基因并克服不良性状连锁，是远缘杂交育种面临的核心难题。高代回交（advanced backcross）策略通过多代回交和定向选择，可在保留野生种目标基因的同时最大程度恢复栽培种遗传背景，是渐渗野生优异基因的有效途径。然而，目前对于甘蔗与三芒草高代回交后代苗期耐旱性的系统评价研究仍较为缺乏，不同渐渗系在干旱胁迫下的生理响应机制及其综合耐旱潜力尚不明确。因此，开展苗期耐旱性多性状综合评价，对于筛选优异耐旱种质、解析耐旱遗传机制以及推动甘蔗抗旱育种实践均具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员以甘蔗与三芒草杂交并连续回交获得的高代渐渗系群体为研究对象，在苗期设置了正常供水（对照）和干旱胁迫两种水分处理，对供试材料的多个形态和生理指标进行了系统测定与分析。研究共评价了包括株高、茎径、有效分蘖数、地上部与地下部生物量、叶片相对含水量（RWC）、叶绿素含量、脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性等在内的多项指标。基于各性状的抗旱系数（DTC），研究人员采用隶属函数法对不同基因型的综合耐旱性进行了排序和分级，并进一步分析了各耐旱相关性状之间的相关性。研究结果显示，干旱胁迫显著降低了供试材料的株高、生物量和叶片相对含水量，同时显著增加了脯氨酸积累量和抗氧化酶活性，表明供试材料对干旱胁迫产生了典型的生理应激响应。不同基因型间各性状对干旱胁迫的响应程度存在显著差异，部分渐渗后代在多个耐旱相关性状上表现优异，其综合抗旱隶属函数值显著高于栽培亲本，表现出较强的耐旱性。相关性分析表明，叶片相对含水量、脯氨酸含量和抗氧化酶活性与综合耐旱性呈显著相关，可作为苗期耐旱性快速筛选的有效指标。最终，研究人员从供试群体中筛选出若干综合耐旱性突出的优良渐渗系，这些材料在干旱胁迫下仍能维持较高的生长量和生理代谢水平，具有作为抗旱育种亲本的重要价值。

三、主要技术方法

研究人员采用盆栽控水法模拟苗期干旱胁迫，设置正常供水和干旱胁迫两个水分梯度。供试材料为甘蔗与三芒草杂交后连续回交多代获得的高代渐渗系群体，以栽培亲本作为对照。研究测定了形态指标（株高、茎径、分蘖数、生物量）和生理指标（叶片相对含水量、叶绿素含量、脯氨酸含量、丙二醛含量、超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性）。数据统计采用抗旱系数计算、隶属函数综合评价、方差分析和相关性分析等方法。

四、研究结果

干旱胁迫对形态指标的影响：与对照相比，干旱胁迫下所有基因型的株高、茎径、分蘖数和生物量均显著下降，但不同基因型的下降幅度存在明显差异，部分渐渗系的生长受抑程度显著轻于栽培亲本，表现出较好的生长维持能力。

干旱胁迫对生理指标的影响：干旱胁迫导致叶片相对含水量和叶绿素含量显著降低，而脯氨酸含量和丙二醛含量显著升高。耐旱性较强的渐渗系表现出较高的脯氨酸积累能力和较低的膜脂过氧化水平，说明其渗透调节能力和抗氧化防御能力更强。

抗氧化酶活性变化：干旱胁迫下，供试材料的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性均显著上升，但耐旱渐渗系的酶活性增幅显著大于敏感基因型，表明其活性氧清除系统更为高效。

综合耐旱性评价：基于各性状抗旱系数的隶属函数综合分析，供试基因型被划分为耐旱性强、中等和弱三个等级。筛选出的强耐旱渐渗系在多数单项指标上均表现优异，综合抗旱能力显著优于栽培亲本。

性状相关性分析：相关性分析显示，叶片相对含水量、脯氨酸含量和抗氧化酶活性与综合耐旱性呈显著正相关，而丙二醛含量与综合耐旱性呈显著负相关，这些指标可作为苗期耐旱性评价的有效选择指标。

五、讨论与结论

讨论部分指出，甘蔗与三芒草的高代回交渐渗系在苗期耐旱性上表现出丰富的遗传变异，远缘渐渗有效引入了野生种的耐旱基因，同时回交过程在很大程度上恢复了栽培种的农艺性状。多性状综合评价比单一指标更能全面反映材料的真实耐旱潜力，叶片相对含水量和抗氧化能力可作为耐旱筛选的核心指标。研究还讨论了不同耐旱机制在渐渗系中的协同作用，认为渗透调节和抗氧化防御是渐渗系耐旱的主要生理基础。

研究结论认为，甘蔗与三芒草高代回交群体中存在显著的耐旱性遗传变异，通过多性状综合评价成功筛选出多个综合耐旱性突出的优良渐渗系。这些材料可作为甘蔗抗旱育种的重要亲本资源，为后续抗旱基因的定位克隆和分子标记辅助选择奠定了材料基础。该研究为利用三芒草野生种质改良甘蔗抗旱性提供了理论依据和实践指导，对推动甘蔗抗旱育种进程具有重要意义。