近年来全球温室效应不断加剧，气温逐年上升，高温对植物生长发育的影响研究备受关注，未来高温天气可能会威胁到粮食安全生产^[1-2]。到2020、2030、2050和2100年，全国年平均气温将可能分别升高1.3~2.1、1.5~2.8、2.3~3.3和3.9~6.0 ℃^[3]。马铃薯喜冷凉，不耐高温，适宜生长温度为18~22 ℃，因此，未来马铃薯部分种植区域将面临高温胁迫。植物由于生长环境温度过高而对自身造成的伤害称为热害^[4]。植物受到高温伤害后，植物体本身会出现植株徒长、叶片变褐和生殖生长异常等现象^[5-6]。郭建平等^[7]研究发现：高温胁迫加快了植物生长，缩短了生育期；贾志银^[8]研究发现：高温胁迫7 d后，辣椒幼苗的株高明显增加，叶面积和茎直径减小；于景金等^[9]发现：植物组织遭遇高温胁迫时，其原生质膜结构遭到破坏，透性增大，原生质体内发生脱水现象，各种能溶于水的物质包括电解质跟水分出现不同程度的流失现象；而植株体内的丙二醛(MDA)和游离脯氨酸含量会增加以适应胁迫环境^[10]。高温会抑制马铃薯的生长发育、产量形成及品质，严重时可使其大幅减产^[11]。目前对马铃薯品种(系)耐热性评价的研究较少，因此，本研究通过人工模拟高温环境的方法对22个马铃薯品种(系)进行高温胁迫，测定其农艺性状及叶片生理指标含量的变化，筛选出马铃薯耐热能力的关键性指标，为马铃薯耐热性评价提供理论依据；运用隶属函数法综合评价不同马铃薯材料的耐热性，为高温区域马铃薯主栽品种的选育和推广奠定基础，同时为马铃薯耐热育种中亲本材料的选择提供依据。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

供试的22个马铃薯品种(系)见表1。选取完整无损、通过休眠、大小均匀一致的马铃薯块茎为种薯，材料由云南农业大学薯类作物研究所提供。

表  1  参试马铃薯品种(系)

Table  1.  Potato varieties (lines)

编号No.	品种(系) variety (line)	代码code		编号No.	品种(系) variety (line)	代码code		编号No.	品种(系) variety (line)	代码code
1	青薯10号	QS10		9	云薯305	YS305		17	中薯20号	ZS20
2	云薯401	YS401		10	新芋4号	XY4		18	合作88	HZ88
3	根优薯4号	GS4		11	白洋芋	BYY		19	滇薯167	D167
4	冀张薯8号	JZS8		12	费乌瑞它	Favorita		20	滇薯187	D187
5	云薯103	YS103		13	天09-4-105	T09-4-105		21	滇同薯1号	DTS1
6	云薯501	YS501		14	根优薯5号	GS5		22	镇薯1号	ZS1
7	滇薯201	DS201		15	翼张薯12号	JZS12
8	荷兰8号	HL8		16	芒果洋芋	MGYY

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1.2   试验设计

试验于2017年在云南农业大学薯类作物研究所进行。供试材料种植于冷光源人工气候箱(购于赛福实验仪器公司)，箱子容积1 100 L，控温范围：−15~50 ℃；控湿RH范围：50%~95%；光照度：两层内置垂直光照，采用LED植物生长灯，共6块灯板，板光照强度：0~12 000 lx。将参试材料置于光照12 h、黑暗12 h、光照强度为11 000 lx、温度22 ℃、湿度为75%的冷光源植物培养箱中培养30 d；后将各植株进行正常生长温度处理(22 ℃)和高温处理(26 ℃和30 ℃)，光照时间、黑暗时间、光照强度和相对湿度均分别为12 h、12 h、11 000 lx和70%，每个处理设3个重复，处理时间为40 d，并在处理进行的第20、40天进行各项指标的测定。通过测量生理指标和农艺性状评估每个品种(系)的耐热性，并进行综合评价及聚类分析。

1.3   测定指标及方法

株高、茎粗和结薯数的测定参照NY/T 1303—2007进行；选取植株的倒四叶，用直尺测量其长度和最宽处的宽度，按照公式“长×宽×0.76”计算叶面积^[12]。电导率、丙二醛和脯氨酸含量分别采用外渗透电导法(电导仪法)、硫代巴比妥酸(TBA)法和磺基水杨酸法测定^[13]。

1.4   耐热性综合评价

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1.5   数据统计分析

数据采用SPSS 20.0统计软件进行单因素方差分析(ANOVA)，采用Duncan’s法检验处理间平均值的显著差异。显著水平为0.05，数据表示为“平均值±标准误”。采用Ward法对各马铃薯指标的隶属函数值进行聚类分析，并运用R语言进行聚类图的绘制^[16]。

2.   结果与分析

2.1   高温对马铃薯品种(系)农艺性状的影响

2.1.1   对株高的影响

由图1可知：处理20和40 d后，马铃薯的株高总体均随着温度的升高呈上升趋势，且不同温度下各品种(系)的株高差异显著(P<0.05)。比较处理20和40 d后株高的平均值可知：与对照(常温22 ℃)相比，天09-4-105的株高增加幅度最高，为11.22 cm；滇同薯1号的增幅最低，仅为3.65 cm。说明高温胁迫对马铃薯植株的株高有明显的促进作用。

图  1  高温胁迫20和40 d后马铃薯品种(系)的株高

注：柱形图上的不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)；下同。

Figure  1.  Plant height of potato varieties (lines) after high temperature stress for 20 days and 40 days

Note: Different letters above bar chart mean significant difference at P<0.05; the same as below.

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2.1.2   对叶面积的影响

由图2可知：处理20和40 d后，马铃薯叶片的叶面积均随温度的升高而呈下降趋势，且不同温度下各品种(系)的叶面积差异显著(P<0.05)。比较处理20和40 d后叶面积的平均值可知：与对照(常温22 ℃)相比，冀张薯8号的叶面积下降幅度最大，为8.01 cm²；云薯501的降幅最低，仅为1.80 cm²。说明高温胁迫对马铃薯植株叶片的叶面积有明显的抑制作用，且胁迫程度越大，抑制作用越明显。

图  2  高温胁迫20和40 d 后马铃薯品种(系)的叶面积

Figure  2.  Leaf area of potato varieties (lines) after high temperature stress for 20 days and 40 days

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2.1.3   对茎粗的影响

由图3可知：处理20和40 d后，马铃薯植株的茎粗总体均随温度的升高呈下降趋势，且不同温度下各品种(系)的茎粗差异显著(P<0.05)。比较处理20和40 d后茎粗的平均值可知：与对照(常温22 ℃)相比，云薯401的下降幅度最大，为2.04 cm；滇薯187的降幅最低，仅为0.64 cm。说明高温胁迫对马铃薯植株的茎粗有明显的抑制作用，且胁迫程度越大，抑制作用越明显。

图  3  高温胁迫20和40 d 后马铃薯品种(系)的植株茎粗

Figure  3.  Plant stem diameter of potato varieties (lines) after high temperature stress for 20 days and 40 days

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2.1.4   对结薯数的影响

收获时(40 d)统计结薯数。由图4可知：随着温度的升高，马铃薯的结薯数总体呈下降趋势。在30 ℃条件下，近半数的供试品种已经出现不结薯的现象。与对照(常温22 ℃)相比，根优薯4号的结薯情况受高温胁迫影响最严重，而滇薯187受影响最轻。说明高温胁迫对马铃薯的结薯现象有明显的抑制作用，且胁迫程度越大，抑制作用越明显。

图  4  高温胁迫后收获马铃薯品种(系)的结薯数(40 d)

Figure  4.  Number of potato chips in potato varieties (lines) after high temperature stress (40 d)

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2.2   高温对马铃薯品种(系)生理指标的影响

2.2.1   对相对电导率的影响

由图5可知：处理20和40 d后，马铃薯叶片的相对电导率均随温度的升高呈上升趋势，且不同温度下各品种(系)叶片的相对电导率差异显著(P<0.05)。与对照(常温22 ℃)相比，处理20 d时，新芋4号的相对电导率上升幅度最大(30.43%)，滇薯167的相对电导率上升幅度最小(7.41%)；处理40 d时，云薯305的相对电导率上升幅度最大(21.89%)，滇薯167的相对电导率上升幅度最小(3.78%)。说明高温胁迫会使马铃薯叶片的相对电导率明显升高，且胁迫程度越大，升高效果越明显。

图  5  高温胁迫20和40 d后马铃薯品种(系)叶片的相对电导率

Figure  5.  Relative electrical conductivity of potato varieties (lines) after high temperature stress for 20 days and 40 days

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2.2.2   对丙二醛(MDA)的影响

由图6可知：处理20和40 d后，马铃薯叶片的MDA含量总体均随温度的升高呈上升趋势，且不同温度下各品种(系)叶片MDA含量差异显著(P<0.05)。与对照(常温22 ℃)相比，处理20 d时，滇薯201的MDA含量上升幅度最大(83.6%)，根优薯4号的MDA含量上升幅度最小(51.47%)；处理40 d时，费乌瑞它的MDA含量上升幅度最大(80.88%)，中薯20号的MDA含量上升幅度最小(29.77%)。说明高温胁迫会使马铃薯叶片中的MDA含量明显升高，且胁迫程度越大，升高效果越明显。

图  6  高温胁迫20和40 d后马铃薯品种(系)叶片MDA含量

Figure  6.  MDA content in leaves of potato varieties (lines) after high temperature stress for 20 days and 40 days

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2.2.3   对脯氨酸(Pro)的影响

由图7可知：处理20和40 d后，马铃薯叶片的Pro含量总体均随温度的升高呈上升趋势，且不同温度下各品种(系)叶片Pro含量差异显著(P<0.05)。与对照(常温22 ℃)相比，处理20 d时，芒果洋芋的Pro含量上升幅度最大(76.41%)，冀张薯8号的Pro含量上升幅度最小(26.96%)；处理40 d时，根优薯4号的Pro含量上升幅度最大(60.60%)，镇薯1号的Pro含量上升幅度最小(37.23%)。说明高温胁迫会使马铃薯叶片中Pro含量明显升高，且胁迫程度越大，升高效果越明显。

图  7  高温胁迫20和40 d后马铃薯品种(系)叶片Pro含量

Figure  7.  Leaf proline content of potato varieties (lines) after high temperature stress for 20 days and 40 days

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2.3   高温胁迫对22个马铃薯品种(系)农艺性状及生理指标的影响

对22个马铃薯品种(系)在26 ℃和30 ℃高温胁迫下的农艺性状和生理指标分析(表2)显示：与正常生长温度下(22 ℃)的马铃薯相比，处理20和40 d后，马铃薯植株的株高、叶片相对电导率、丙二醛和脯氨酸含量均显著增加，而茎粗显著减小。在处理20 d下，26 ℃时叶面积变化并不显著，但是在30 ℃和40 d下均显著减小。

表  2  高温胁迫对22个马铃薯品种(系)农艺性状及生理的影响(mean±SE)

Table  2.  Effects of high temperature stress on the agronomic traits and physiology of 22 potato varieties (lines)

处理时间/d treatment time	温度/℃ temperature	株高/cm plant height	叶面积/cm2 leaf area	茎粗/cm stem diameter	相对电导率/% REC	丙二醛/(μmol·g−1) MDA content	脯氨酸/(μmol·g−1) Pro content
	22	9.29±0.35 c	6.74±0.37 a	3.71±0.06 a	0.45±0.01 c	4.44±0.20 c	18.28±0.86 c
20	26	11.17±0.32 b	6.03±0.35 a	2.87±0.05 b	0.52±0.01 b	8.65±0.37 b	31.67±1.54 b
	30	13.25±0.42 a	4.07±0.19 b	2.51±0.04 c	0.60±0.08 a	12.66±0.39 a	46.25±1.76 a
	22	12.55±0.60 c	7.65±0.42 a	3.77±0.06 a	0.54±0.09 c	6.85±0.31 c	26.92±0.95 c
40	26	14.96±0.51 b	5.37±0.32 b	2.82±0.05 b	0.62±0.05 b	11.56±0.42 b	41.61±1.27 b
	30	18.38±0.78 a	3.59±0.19 c	2.44±0.05 c	0.68±0.06 a	15.59±0.40 a	52.95±1.39 a
注：不同字母表示差异显著性(P<0.05)。 Note: The data are marked with different letters to indicate the significant difference (P<0.05).

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2.4   不同马铃薯品种(系)耐热性综合评价

由表3可知：22个马铃薯品种(系)中，镇薯1号、滇薯187、青薯10号、云薯401和滇同薯1号对高温的耐受性较强，隶属函数综合排序排在前5位。

表  3  各品种(系)综合指标的隶属函数值及T值

Table  3.  Membership function values and T values of comprehensive indicators for each variety (line)

品种(系) varieties (lines)	隶属函数值(U) membership function value						T值 T value	综合排序 comprehensive rank
	株高 plant height	叶面积 leaf area	茎粗 stem diameter	相对电导率 REC	MDA含量 MDA content	Pro含量 Pro content
青薯10号QS10	0.582	0.460	0.610	0.653	0.429	0.471	0.534	3
云薯401 YS401	0.486	0.492	0.446	0.536	0.627	0.557	0.524	4
根优薯4号GS4	0.372	0.366	0.651	0.382	0.576	0.556	0.484	13
冀张薯8号JZS8	0.453	0.347	0.503	0.631	0.337	0.497	0.461	20
云薯103 YS103	0.510	0.645	0.347	0.346	0.490	0.535	0.479	15
云薯501 YS501	0.520	0.531	0.374	0.530	0.611	0.511	0.513	6
滇薯201 DS201	0.549	0.422	0.634	0.450	0.535	0.453	0.507	7
荷兰8号HL8	0.606	0.512	0.454	0.341	0.601	0.405	0.487	12
云薯305 YS305	0.469	0.575	0.592	0.336	0.545	0.466	0.497	8
新芋4号 XY4	0.465	0.386	0.657	0.550	0.368	0.529	0.493	10
白洋芋 BYY	0.422	0.448	0.346	0.507	0.628	0.442	0.466	18
费乌瑞它 Favorita	0.556	0.461	0.337	0.450	0.335	0.385	0.420	21
天09-4-105 T09-4-105	0.438	0.442	0.547	0.391	0.454	0.537	0.468	17
根优薯5号GS5	0.400	0.488	0.529	0.613	0.413	0.432	0.479	14
冀张薯12号JZS12	0.448	0.392	0.378	0.654	0.442	0.405	0.453	22
芒果洋芋MGYY	0.389	0.432	0.474	0.484	0.461	0.560	0.467	19
中薯20 ZS20	0.508	0.492	0.514	0.666	0.350	0.449	0.497	9
合作88 HZ88	0.556	0.554	0.361	0.477	0.417	0.573	0.490	11
滇薯167 D167	0.417	0.475	0.566	0.374	0.572	0.424	0.471	16
滇薯187 D187	0.630	0.492	0.442	0.565	0.454	0.659	0.540	2
滇同薯1号 DTS1	0.593	0.652	0.383	0.364	0.542	0.581	0.519	5
镇薯1号 ZS1	0.444	0.643	0.481	0.359	0.479	0.637	0.577	1

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2.5   马铃薯品种(系)的系统聚类分析

根据各马铃薯品种(系)耐热性综合评价T值，采用R语言先计算供试材料的欧氏距离，后采用Ward法对22个马铃薯品种(系)的耐热性进行聚类，结果(图8)显示：镇薯1号、青薯10号、滇薯187、云薯401、滇同薯1号、云薯501和滇薯201的耐热性最强，聚为一类；云薯305、中薯20号、新芋4号、合作88、云薯103、根优薯5号、根优薯4号和荷兰8号耐热性中等，聚为一类；费乌瑞它、滇薯167、天09-4-105、白洋芋、芒果洋芋、冀张薯8号和冀张薯12号耐热性最弱，聚为一类。

图  8  22个马铃薯品种(系)的耐热性聚类分析

Figure  8.  Cluster analysis of heat tolerance of 22 potato varieties (lines)

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3.   讨论

随着全球气候持续变暖，极端天气发生概率持续增加，而耐热性是指作物在高温环境中适应且能恢复正常生命活动的能力。高温逆境对植物的伤害涉及一系列形态指标的变化及生理响应，当胁迫程度超出耐受极限时就会导致植物死亡^[17]。耐热性评价就是按作物品种(系)的耐热能力进行筛选、归类和排序的过程，通过耐热性评价能为耐热育种提供优异的种质资源。本试验从诸多抗逆指标中评价不同马铃薯品种(系)的耐热能力，建立马铃薯耐热性评价体系，进而对高温区域的马铃薯品种(系)评价。

3.1   高温胁迫对马铃薯品种(系)农艺性状的影响

本研究表明：高温胁迫下诸多农艺性状都予以响应，株高与温度呈正相关；叶面积、植株茎粗、结薯数与温度呈负相关，虽然大多品种(系)在26和30 ℃下都符合变化趋势，但高温环境会影响植物光合作用，进而影响植物干物质的积累，需要消耗自身营养物质来抵御高温伤害，表现为生长缓慢，甚至停滞。叶片的干物质分配比例会明显降低；高温会使植株徒长，导致分配到块茎的干物质减少，因此结薯数也明显减少，甚至表现为不结薯。但也有个别供试样品出现与变化趋势不相符的现象，说明马铃薯对低温胁迫的忍耐程度也存在品种间的差异。总体来说，随着温度的升高，马铃薯植株呈增加趋势，叶面积、茎粗及结薯数都呈下降趋势，这与郭建平等^[7]和贾志银^[8]在其他植物上的研究结果一致。

3.2   叶片细胞膜透性与高温胁迫的关系

当植物组织受到逆境迫害，如高温或低温、干旱等胁迫后，由于膜结构被破坏或功能受损，使细胞膜透性增大，细胞中的水溶性物质将有不同程度外渗；此时将组织浸入去离子水中，将因为电解质的外渗，水的电导率进而加大，受到的迫害愈严重，外渗愈多，电导率的增加也愈大。所以细胞膜的受伤害程度可以用电导仪测定外液的电导率增加值而得知。所以测定细胞膜透性是一种灵敏且快速的评估植物耐热性的方法。本研究表明：随着温度的升高，马铃薯叶片的细胞膜透性也会增大，这与郭盈添等^[18]和李佳佳等^[19]的研究结果相一致。

3.3   叶片丙二醛和脯氨酸含量与高温胁迫的关系

马铃薯在经受高温胁迫后，会通过一系列生理生化反应对高温环境进行响应。不同马铃薯品种对不同温度的响应不同，这与不同马铃薯品种(系)生理特性密切相关。许多研究证实：膜透性、膜脂过氧化程度及渗透调节物质含量与植物的耐热性密切相关。高温胁迫会使植物组织中丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)的积累，会加剧生物膜过氧化，因此MDA和Pro含量能够反映植物细胞膜质受损伤的程度，可反映出植物的耐热性强弱。吴小娟等^[20]研究表明：随着温度的升高，MDA和Pro含量都呈上升趋势，植物叶片中的MDA含量代表细胞膜质过氧化程度的程度，MDA含量高，说明细胞膜质的过氧化程度越高，细胞膜受到的伤害越严重。而Pro是植物体内重要的渗透调节物质。在高温胁迫下，Pro为了维持细胞水势而显著增加，并诱导某些调控蛋白的表达，降低渗透势。马铃薯叶片在高温胁迫后膜脂过氧化程度呈增加趋势且不同品种其过氧化程度差异较大，这与戴鸣凯等^[11]和张武君等^[21]的研究结果相一致。

4.   结论

22个马铃薯品种对高温的响应各不相同。随着处理温度的升高，马铃薯总体表现为株高、叶片相对电导率、MDA含量和Pro含量显著增加；植株茎粗、叶面积和结薯数减少。滇薯187、滇同薯1号、青薯10号、镇薯1号和云薯401等5个品种的耐热性较好，适合在部分高温胁迫严重的区域推广种植，也可以作为马铃薯耐热性育种的亲本材料。