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耐低钾马铃薯品种的筛选与评价

刘寅笃, 脱军康, 李成举, 张锋, 张春利, 张莹, 王云姣, 范又方, 姚攀锋, 孙超, 刘玉汇, 刘震, 毕真真, 白江平

植物学报 2024, 59 (1): 75-88. DOI: 10.11983/CBB23016

摘要（202）

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土壤缺钾严重降低了我国马铃薯(Solanum tuberosum)的产量。而不同品种马铃薯对低钾的响应差异较大。因此, 采用耐低钾马铃薯品种可通过提高钾素利用效率减少钾肥施用量, 成为我国农业可持续发展和绿色发展的重要途径。该研究对30个马铃薯品种在正常钾处理(202.5 kg∙hm^-2 K₂O)和低钾处理(0 kg∙hm^-2 K₂O)下的17个指标进行测定, 并对9个代表性指标, 包括叶面积指数、根冠比、茎叶干质量、根干质量、单株产量、单株大薯产量、单株小薯产量、块茎干质量和块茎钾积累量进行后续分析。结果表明, 在低钾条件下, 各项指标均有不同程度的下降。主成分分析表明, 这9个指标可转换为4个独立的综合指标, 累计贡献率达87.1%。根据综合评价值(D值)和聚类分析, 将30个品种分为6类, 其中第1类为高度耐低钾品种, 包括Lucinda、Favorita、Kexin1、Xisen6、Xingjia2、Helan15和Chuanyin2, 第2类为中度耐低钾品种, 包括Longshu20、Dingshu3、Jizhang12(W)、Jiuen1、Longshu19和Jizhang12(Y)。此外还建立了耐低钾性评价回归模型Y= -0.595+0.247X₅+0.155X₄+0.138X₃+0.167X₈+0.088X₁+0.081X₆+0.097X₉+0.053X₂(R²=0.999, P=0.000), 利用回归方程对30个品种的估计精度均在90%以上。在低钾条件下, 可利用单株产量、根干质量、茎叶干质量、块茎干质量、叶面积指数、单株大薯产量、块茎钾积累量和根冠比快速鉴定耐低钾马铃薯品种。

No.	Cultivars	Main planting area
1	Helan15	Shandong
2	Favorita	Heilongjiang, Liaoning, Inner Mongolia, Hebei, Shandong, Jiangsu, Guangdong
3	Xingjia2	Guangdong, Guangxi, Jiangxi, Fujian, Sichuan
4	Xuechuan8	Inner Mongolia, Shanxi
5	Longshu20	Gansu
6	Xisen6	Inner Mongolia, Heilongjiang, Hebei, Shanxi, Shaanxi, Ningxia, Shandong, Sichuan
7	Lucinda	Inner Mongolia, Heilongjiang, Jilin, Liaoning, Hebei, Shanxi, Shaanxi, Ningxia, Gansu, Xinjiang
8	Atlantic	Guangxi, Shanxi, Tianjin, Inner Mongolia, Gansu
9	Chuanyin2	Hebei, Inner Mongolia
10	Jizhang12(Y)	Hebei, Shanxi, Shaanxi, Inner Mongolia, Tianjin, Gansu
11	Lishu6	Yunnan
12	Dingshu4	Gansu
13	Xindaping	Gansu
14	Longshu7	Guangdong, Qinghai, Ningxia, Inner Mongolia, Heilongjiang, Jilin, Liaoning, Gansu, Yunnan, Guizhou, Guangdong, Guangxi
15	Huasong7	Inner Mongolia, Hebei, Shanxi, Shaanxi, Gansu, Ningxia, Yunnan, Guizhou, Xinjiang, Qinghai, Xizang, Guangdong, Fujian, Guangxi, Hubei, Hunan, Shandong
16	Longshu14	Gansu, Inner Mongolia
17	Dingshu6	Gansu, Inner Mongolia
18	Longshu22	Gansu
19	Qingshu9	Qinghai, Ningxia, Gansu
20	L0109-4	Gansu
21	Jizhang12(W)	Hebei, Shanxi, Shaanxi, Inner Mongolia, Tianjin, Gansu
22	Longshu10	Gansu
23	Heijingang	Inner Mongolia, Heilongjiang, Gansu, Xinjiang, Sichuan, Jilin, Liaoning, Hebei, Shanxi, Shaanxi, Ningxia, Shandong, Henan
24	Jiuen1	Hebei, Henan, Shandong, Inner Mongolia, Guangdong, Fujian
25	Longshu19	Gansu
26	Qingshu10	Qinghai
27	Kexin1	Heilongjiang, Jilin, Liaoning, Hebei, Inner Mongolia, Shanxi, Shaanxi, Gansu
28	Dingshu3	Qinghai, Ningxia, Gansu
29	Zhuangshu3	Qinghai, Ningxia, Gansu
30	Longshu3	Gansu, Ningxia, Shanxi, Qinghai, Xinjiang, Hebei, Inner Mongolia, Heilongjiang

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表1 马铃薯品种及主栽地区

正文中引用本图/表的段落

供试材料为我国30个马铃薯(Solanum tuberosum L.)主栽品种原种(表1), 由甘肃省农业科学院马铃薯研究所提供。

利用指标的相对值可以消除不同品种间的固有差异, 更能准确反映各品种耐低钾能力的强弱(王吉祥等, 2021)。根据公式(1)计算各测定指标的相对值, 即耐低钾系数(LPTC)。不同品种马铃薯经低钾胁迫后所测得的9个指标(叶面积指数、根冠比、茎叶干质量、根干质量、单株产量、单株大薯产量、单株小薯产量、块茎干质量和块茎钾积累量)均有所下降, 表现为LPTC<1 (表3), 不同品种各指标的变化幅度差异较大。因此, 仅用某个单项指标来评价马铃薯耐低钾性会得到不同的结果且缺乏说服力。

以上结果表明, 在第1主成分的表达式中, 单株产量、单株大薯产量、块茎干质量及块茎钾积累量的系数绝对值较大, 因此这4个指标决定第1个综合指标, 该综合指标反映最终块茎产量、干物质量及钾积累量。在第2主成分的表达式中, 茎叶干质量和根干质量的系数绝对值较大, 因此这2个指标决定第2个综合指标, 该综合指标反映植株地上部及地下部干物质积累。在第3主成分的表达式中, 叶面积指数和单株小薯产量的系数绝对值较大, 这2个指标决定第3个综合指标, 该综合指标反映植株光合作用及小薯产量。在第4主成分的表达式中, 根冠比的系数绝对值较大, 该指标决定第4个综合指标, 该综合指标反映植株地上部与地下部生物量的比例。

对于综合指标如F(X₁), 经过低钾胁迫处理后, Kexin1的U(X₁)值最大, 为1.000, 表明此品种在F(X₁)表现为高度耐低钾性, 而Atlantic的U(X₁)值最小, 为0.000, 说明该品种在F(X₁)表现为低钾高度敏感性(表6)。用公式(3)计算4个综合指标的权重W_j分别为0.505、0.208、0.155和0.132 (表6)。

分别利用公式(2)、(4)和(5)计算不同品种马铃薯的耐低钾性综合指标值F(X)、隶属函数值U(X)和综合评价值D值, 并以D值为标准, 对各品种进行排序(表6)。结果表明, Lucinda、Favorita和Kexin1的D值位列前3, 说明它们具有较强的耐低钾性, Dingshu6的D值最小, 表明该品种对低钾高度敏感。

通过聚类分析将30个马铃薯品种划分为6大类: 高度耐低钾型、中度耐低钾型、一般耐低钾型、低钾一般敏感型、低钾中度敏感型及低钾高度敏感型(图1)。鉴于此, 在我国不同马铃薯主产区选择种植不同的耐低钾马铃薯品种, 将从根本上解决土壤钾缺乏问题。综合前人研究结果及本研究结论, 可在我国北方一作区(黑龙江、内蒙古、甘肃、河北北部、陕西、宁夏及青海等地)缺钾土壤上种植Dongnong310 (史佳文等, 2019)、Gaoyuan7 (韩新爱等, 2007)、Favorita、Longshu20、Xisen6、Lucinda、Chuanyin2、Jizhang12(Y)、Jizhang12(W)、Jiuen1、Longshu19、Kexin1和Dingshu3等耐低钾品种; 在中原二作区(山东、江苏、江西、河北南部和河南等地)缺钾土壤上种植Helan15、Favorita、Xingjia2、Xisen6及Jiuen1等耐低钾品种; 在我国南方冬作区(广东、广西及福建等省)缺钾土壤上种植Favorita、Xingjia2和Jiuen1等耐低钾品种; 在我国西南混作区(四川、贵州和云南等省)缺钾土壤上种植C19、Lishu6、Huayu5和Zhengshu5等高效耐低钾型品种(罗兰等, 2021; Deng et al., 2021)以及Xingjia2和Xisen6等耐低钾品种。研究表明, Kexin1为高度抗旱材料(赵媛媛等, 2018), Dongnong310、Jizhang12(Y)、Jizhang12(W)和Favorita均为中度抗旱材料(王燕等, 2016; 杜培兵等, 2019; 于国红等, 2022)。因此, 一方面可在土壤钾素与水分均缺乏的地区种植这类耐低钾且抗旱的品种, 以缓解土壤钾素缺乏与水分不足的不利影响; 另一方面此类品种含有丰富的抗性遗传资源, 后续可对其进行深入研究, 发掘相关抗性基因, 构建双抗调控网络, 解析耐低钾及抗旱分子机制。

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