红砂，其分布于荒漠、半荒漠、戈壁等地，具有很强抗旱、耐盐和集沙能力[1,2]，是我国温带、草原化荒漠主要植被类型之一，也是重要防风固沙植物[3,4]。近年来，红砂抗旱性机理[2,4,5]与评价[6,7]越来越受到关注和重视;红砂抗旱优良种源[7,8,9]与家系选择[8,9,10]工作也取得了初步成果。

植物抗旱能力判定是一个综合过程，研究植物抗旱性对一些抗旱性良好的植物种源及家系进行筛选和培育就成为了现代植物研究工作中亟待解决的问题[11,12]。对于林木抗旱性评价多以生理指标[7,13]如叶绿素Chl、可溶性蛋白质SP、可溶性糖SS、游离脯氨酸Pro、丙二醛MDA等，光合荧光指标[6,7,8]如光合量子效率AQY、暗呼吸速率Rd、光补偿点LCP、光饱和点LSP、最大净光合速率Pnmax、PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm等为基础，而2014—2016年试验对生长指标、生理指标及荧光指标测定分析发现[8,10]，部分指标与红砂抗旱性强弱有较大相关性，因此，本试验选取SP、SS、MDA、Pro、Chla+b、Chla、Chlb、Chla/b、稳态荧光产量Fs、最大荧光产量Fm、初始荧光Fo、可变荧光Fv、PSⅡ最大光化学量子产量QY、光化学淬灭系数qP、非光化学淬灭系数NPQ、PSⅡ的潜在活性Fv/Fo等16个影响较大指标进行测定。采用综合分析方法如隶属函数法[14]或主成分分析法[8,15]，在尽量不损失有效信息条件下，对多个指标进行高度概括，对植株抗旱性进行综合分析评价。

林木性状早期选择是缩短林木育种周期，加速选择进程的重要措施[13]。研究证明乔木以生理[16,17]、形态[18,19]或分子[20,21]等指标进行早期评价具有可行性。以往对红砂在种源[9]、家系[8,10]等方面利用生理指标或者荧光指标做优良家系早期选择的相关研究，筛选出12个优良家系。但是，较少有该树种在同一生境条件、不同苗龄下对红砂的生理特性、优良家系筛选及早期选择性状稳定等方面进行综合评价和分析。

本试验在前人[8,10]研究基础上，以77个红砂家系为研究对象，以叶片生理指标和相关荧光参数为主要指标，通过对之前研究成果整理分析，探讨不同种源的红砂家系在同一生境下是否能够根据主成分分析法筛选出具有优良抗旱性的家系，指导红砂家系选择;经过数年的选择，评价抗旱优良家系是否稳定，为选育和推广红砂抗旱优良家系提供科学参考。

表1红砂采样地概况

1、材料与方法

1.1研究区概况

试验地选择在凉州区羊下坝镇(38°24'N,103°9'E)，海拔1378m，平均土壤含水量0.4%，土壤为碱性砂壤，属川区地带，紧靠腾格里沙漠边缘，干旱少雨[22,23]，平均降雨量113.2mm，多集中于7—9月;年蒸发量2604.3mm。

1.2田间设计与试验材料

材料来自23个种源(表1),1380个单株。2012年1月在试验地的大棚中进行穴盘育苗，获得1380个家系。2013年4月采用随机区组试验设计，3个重复，株行距0.5m×1.5m，定植，最终保存1196个家系。按常规水肥管理措施进行栽培管理。

2014年选择77个红砂家系作为第1批家系，每个家系随机选择3个单株共计231个红砂植株进行测定;2015、2016年继续测定以上红砂家系，在其中筛选出优良、普通、较差3个层次红砂家系共36个家系108个单株作为第2批经过家系选择后所得到的红砂家系;2017年则测定第2批36个红砂家系108单株;2018年在第2批基础上再次进行家系早期选择，选出第3批红砂家系3个层次共18个红砂家系54个单株继续测定。

1.3测定指标及方法

2014—2018年的每年7月在试验地采取红砂叶片，每个家系选取3株为重复，进行标记，立刻装入液氮罐，带回实验室待测。

可溶性蛋白(SP)采用考马斯亮蓝G-250染色法[24];可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法[25];游离脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸提取法[26];叶绿素(Chl)相关指标采用丙酮比色法测定[27];丙二醛含量(MDA)采用硫代巴比妥酸比色法[27]。

叶绿素荧光采用FluorCam便携式叶绿素荧光成像仪测定相关指标[28,29,30]。

1.4数据处理

数据处理采用Excel2007和SPSS22.0，采用主成分分析法对红砂家系进行综合评价;对比分析年际间评价结果，按其综合排序后各层次重合率进行选择，以此筛选抗旱优良红砂家系。

2、结果与分析

2.177个红砂家系抗旱指标

根据累计贡献率大于85%的原则(表2)选择前5个主成分来分析，其累计贡献率是90.323%，说明这5个主成分可以代表所有指标进行红砂家系间评价。第一主成分主要为Fs、Fm、Fo、Fv、Chla+b，特征值为12.406，说明叶绿素荧光作为植物光合作用研究的探针，不仅能反映光能吸收、光化学反应和激发能传递等光合作用的原初反应过程，且与质子梯度的建立、电子传递及二氧化碳(CO2)固定和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)合成等过程相关，对红砂抗旱性能有着重要作用;第二主成分主要为Fv/Fo、QY、qP、Fv、Chla，特征值为2.393，说明在干旱条件下，红砂通过调节PSⅡ的潜在活性、光化学淬灭系数及叶绿素等来维持植物正常生理活动，在红砂抗旱性中起一定作用;第三主成分主要为MDA、SS、Chla/b、QY、Fv/Fo，特征值为1.602，通过MDA了解细胞膜脂过氧化程度，以间接测定膜系统受损程度以及红砂家系抗旱性，而SS在干旱条件下通过降低脱水或者细胞质结晶而保护细胞膜完整功能，以此来影响红砂抗旱性;第四主成分主要为SP、Pro，特征值为1.369，在干旱胁迫下，SP、Pro等物质主动积累，降低红砂体内渗透势，使其继续吸水，防止脱水，增强红砂抗旱性;第五主成分主要为NPQ、MDA、Pro，特征值为1.199，通过非化学淬灭系数的增加或降低，增强红砂自身光保护能力及降低渗透势，防止脱水。

表277个红砂家系主抗旱指标主成分分析

2.22014—2016年77个红砂家系选择

77个红砂家系通过测定Chla、Chlb、Chla+b、Chla/b、Pro、SS、SP、MDA等8个间接指标，通过主成分分析法，在尽量不损失有效信息的前提下，将所选全部指标经高度概括后降维转化为几个相互独立的综合指标，来更好地评价77个家系的综合抗旱能力，用主成分分析法得出红砂家系的综合得分排序，排名越靠前则表明该家系抗旱能力越强。由表3得，2a生红砂家系进入前11排序是:HG-3>HSW-1>XGG-3>QYS-2>ZZG2-3>BYHT-3>ZZG1-2>ZZG1-1>HSZ-3>WD-1>XKK-4;3a生红砂家系排序是:XGG-3>BYHT-3>WD-1>QYS-2>HSW-1>ZZG1-1>ZZG2-3>HG-3>XGG-1>ZZG1-2>LZ-1;4a生红砂家系排序是:XGG-3>BYHT-3>WD-1>QYS-2>HSW-1>ZZG2-3>XGG-1>ZZG1-2>ZZG1-1>LZ-1>HG-3。

2a与3a、4a生红砂家系在排序上有所不同，即在抗旱性能力上2a和3a、4a生红砂家系可能略有差异，而3a、4a生红砂家系排序则比较一致，即在抗旱能力上3a、4a生红砂家系表现稳定。

表3前3a筛选得出红砂抗旱优良家系主成分综合得分

2.32017—2018年红砂抗旱优良家系选择

从表4得知，5a生优良红砂家系排序是:XGG-3>BYHT-3>QYS-2>HSW-1>WD-1>ZZG2-3;6a生优良红砂家系排序是:XGG-3>BYHT-3>WD-1>QYS-2>ZZG2-3>HSW-1。这2a红砂家系在优良、普通或者较差家系选择结果都较为一致，仅顺序次位稍有差异。

2.42014—2018年红砂抗旱优良家系选择与重合率对比

对2014—2018年所有红砂家系进行对比。在红砂不同树龄的生长阶段中，按照比例，利用测定指标进行主成分分析，对2014—2016年红砂植株分成优良、普通和较差家系，2a生红砂植株与3a、4a生优良抗旱红砂家系重合率从66.67%升高至83.33%，普通红砂抗旱家系重合率从50%达到83.33%，较差红砂家系重合率从16.67%到50%。2017—2018年红砂植株是从前3a的77个家系中分析选择的第2批、第3批红砂家系，5a与6a生再次选择的优良抗旱红砂家系重合率从83.33%升高至100%，普通红砂抗旱家系重合率从50%达到83.33%，较差红砂家系重合率从33.33%到83.33%。从其他树龄与6a生红砂各层次选择的家系重合率可知，重合率均是稳定的增长，红砂家系从2a生至6a生植株见表5。

表45a、6a生筛选得出红砂抗旱优良家系主成分综合得分

表52014—2018年红砂家系重合率对比

3、讨论

枫香[31]、赤桉[32]、红皮云杉[33]等在早期选择中依靠植株胸径、株高和材积来综合评价家系是否优良，由此，单一试验指标作为选育优良家系标准，其结果可能会出现一定偏差，且随着林龄增长而产生变化，因而，在选育过程中若兼顾不同指标，评价结果可能会比较可靠。林木优良家系评价指标选择就显得尤为重要，王志昊[34]在几种沙生植物抗旱性评价中对小檗、黄柳、杠柳、蛇葡萄、乌柳、沙柳等6种沙生植物通过测定其荧光指标、生化指标等做抗旱性评价，在黄樟[35]优良家系评价中则选择多个生长指标来评价。这与本试验相似，选用多指标对红砂家系抗旱性进行综合评价。对类似于白刺[23]、小檗[34]等小灌木其材积、树高、胸径等在短时间内变化不明显，而其生理指标、光合和荧光参数等差异明显，且对于植株抗旱性有较大影响，这一结论已被前人研究证明[36,37]。之前红砂抗旱性评价选择采用荧光参数[7]、渗透调节物质[18]等指标来评价，认为以这些指标为基础来进行红砂早期选择具有一定可行性，而本试验也得出生理指标和荧光指标皆能较好评价红砂家系抗旱性能。王志昊[34]评价沙生植物抗旱性时对以上指标与抗旱性之间的联系进行了阐述;种培芳等[7]在4个地理种群红砂抗旱性综合评价中提出渗透调节物质更能评价植物抗旱性，这与本试验选取的指标相符。而大量试验证明主成分分析法[8]和隶属函数法[20,21]具有异曲同工之妙，皆认为以植物抗旱性指标为基础进行综合评价排序是可行有效的[37,38]，这与本试验对家系测定后，采取对实验数据降维想法，采用因子分析对多个相关性指标转化成几个互相独立综合指标进行评价，得出结果也一致。

77个不同红砂家系、231个单株全部测定到选择的36个家系、108个红砂单株最终有目的测定得到18个家系、54个各层次红砂单株，得出在同一生境下确实能够根据上面16个相关指标筛选出优良红砂抗旱家系，且经过主成分分析，从2a、3～4a、5a和6a生红砂家系排序对比发现，家系在2a、3a时排序变化波动较大，家系表现优异与否不够稳定，这可能与植株树龄较幼，对于环境及其他因素未完全适应有关，性状不够稳定，因此，该阶段可能不是选择优良家系的最佳树龄。北美鹅掌楸也表明，早期个体分化较大，不宜过早选育，其早期选择时间应延后[39];而在4a、5a和6a生红砂家系综合排序中，优良、普通或者较差层次红砂家系均出现较好一致性，重合率绝大部分超过83%，即早期选择抗旱优良红砂家系在选育后的生长过程中依然表现优良，可以获得性状稳定的抗旱性优良红砂家系。杨雪艳[40]认为，卡西亚松经过早期选择亦可获得性质稳定的优良卡西亚松家系。本试验结果表明，红砂进行优良抗旱性早期选择具有可行性，并且最佳选择红砂植株年龄应该在5a、6a及以上。赵奋成等[41]认为，优良家系选择可以找出植物最佳选择年龄，湿地松×洪都拉斯加勒比松杂种最佳选择年龄为3～4a，郝自远等[39]认为，北美鹅掌楸在6a进行早期选择较为合理。

4、结论

2014—2018年连续试验选择中，从试验结果得:抗旱性指标Chla+b、Chla、MDA、SS、Chla/b、SP、Pro、Fs、Fm、Fo、Fv、Fv/Fo、QY、qP、PSⅡ、NPQ等16个指标可作为间接指标来评价红砂家系是否具有优良抗旱性;早期选择的抗旱指标累计贡献率达85%以上，抗旱优良红砂家系表现越来越稳定。综合评价分析表明，77个红砂家系中表现优良稳定的5个抗旱红砂家系为小甘沟-3号、巴彦浩特3-4号、乌达-1号、泉眼山-2号、海石湾-1号;还发现红砂实际种植年龄超过5a植株选育结果可能会更可靠有效。

本研究中从2014年筛选出11个优良抗旱红砂家系(小甘沟-3号、巴彦浩特3-4号、乌达-1号、泉眼山-2号、海石湾-1号、小甘沟-1号、扎子沟2-3号、扎子沟1-2号、临泽-1号、黑山镇3号、扎子沟1-1号)，到2018年选择5个抗旱优良家系(小甘沟-3号、巴彦浩特3-4号、乌达-1号、泉眼山-2号、海石湾-1号)，选择标准越来越严格，在优良家系中选育抗旱更优良红砂家系。而2018年得到的5个家系其中的4个红砂家系XGG-3、BYHT-3、WD-1、QYS-2，从2014—2018年，每一次选择均入选为优良家系，且排序均靠前，说明红砂早期选择在抗旱指标基础上采用主成分分析法是可行的，且结果稳定，数年选择的重合率超过83%。

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基金:科技厅国际合作项目17YF1WA161(033118);科技厅创新基地与人才计划17JR7WA018(033119);教育厅科技成果转化项目2017D-14(041033)资助.