利用隸屬函數(shù)法對不同基因型甘薯耐鹽堿能力的分析與評價

孫 凱，張勝利，朱弘博，韓忠才，徐 飛

（吉林省蔬菜花卉科學(xué)研究院，吉林 長春130033）

土壤的鹽堿化是一個世界性的生態(tài)問題，全球超過10%的陸地正遭受著土壤鹽堿化的侵蝕.根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織以及教科文組織的不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地的面積約為9.54億hm2，其中我國約為1.3億hm2［1］.土壤鹽堿化程度加重，次生鹽堿土地面積的不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重影響和制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.在人口不斷增長和能源緊缺的今天，如何利用鹽堿化土地，已成為政府和科學(xué)界關(guān)注的熱點問題［2］.

甘薯（Ipomoea betatas Lam.），也稱為地瓜、甜薯、紅苕、番薯等，屬旋花科甘薯屬草本植物，是重要的糧食作物、能源原料作物和飼料作物，此外也是一種耐逆性較強的作物.已有的研究主要集中在甘薯的中性鹽脅迫上，表明不同甘薯品種的耐鹽程度差別很大［3－4］；有關(guān)甘薯對鹽堿混合脅迫下的研究和品種篩選目前報道的還較少.鹽堿脅迫是包含了堿性鹽脅迫和中性鹽脅迫的混合脅迫，鹽堿脅迫下植物不僅受Na＋的毒害，還會受高pH 和低水勢的脅迫［5］.因此本實驗以5個吉林省主栽的甘薯品種為材料，研究了鹽堿脅迫下甘薯的生理指標(biāo)變化，評價了不同品種的耐鹽堿性，旨在研究鹽堿混合脅迫下甘薯的生理特性變化，以為甘薯的耐鹽堿品種的篩選和鹽堿地栽培提供參考.

甘薯的耐鹽堿性受多種基因影響，是多個因素相互作用而構(gòu)成的綜合反應(yīng)體系，由于每一項指標(biāo)不能一概地反應(yīng)甘薯的耐鹽堿性，單項的機(jī)理研究又存在一定的局限性，也不具有說服力，因此綜合多個指標(biāo)進(jìn)行研究分析才可以使實驗結(jié)果更加客觀.隸屬函數(shù)法是模糊集合的特征函數(shù)，利用隸屬函數(shù)法對植物的抗逆性進(jìn)行分析在玉米、馬鈴薯、水稻等作物的抗逆性研究中都有報道.本文通過求出各耐鹽堿性指標(biāo)在品種中的隸屬函數(shù)值，再通過平均值來評價各個品種的耐鹽堿性，對甘薯的耐鹽堿性進(jìn)行了綜合的分析與評價，以期為耐鹽堿指標(biāo)的選擇提供一種可行的方法，同時為培育優(yōu)良的耐鹽堿甘薯品種提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為吉徐薯1號、吉徐薯2號、吉1114、徐紫薯2號、徐薯28，均由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)植物研究所惠贈.

1.2 實驗設(shè)計

采用沙培方式種植薯苗，選取生長良好、長勢一致的甘薯苗為試材.薯苗扦插后第一周作為緩苗期，早晚各澆1次Hoagland營養(yǎng)液，澆灌量為細(xì)沙持水量的2倍；扦插后第二周開始處理，用Hoagland營養(yǎng)液將NaHCO3和Na2CO3按照n（NaHCO3）∶n（Na2CO3）＝5∶1的比例配制成鹽濃度為100mmol／L的溶液作為鹽堿處理液，對照組使用Hoagland營養(yǎng)液，處理后每隔2d取樣測量各個指標(biāo).

1.3 測定指標(biāo)及方法

植株鮮干重、葉綠素含量、相對電導(dǎo)率、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、SOD 活性根據(jù)張治安和張美善報道的方法進(jìn)行測定［6］.

1.4 綜合評價

采用隸屬函數(shù)法對各個品種進(jìn)行耐鹽堿性評價.即

式中：F（I）為隸屬函數(shù)值；I 為指標(biāo)的測定數(shù)值；Imax，Imin分別為實驗品種的某一指標(biāo)的最大值和最小值.當(dāng)某指標(biāo)與植物耐鹽堿能力成正相關(guān)時采用公式（1），當(dāng)某指標(biāo)與植物耐鹽堿能力成負(fù)相關(guān)時采用公式（2）；最后將各個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值求和計算平均值.隸屬函數(shù)值越大說明植株受到危害的程度越大，即耐鹽堿性越弱.通過比較平均值的大小，即可評價各甘薯品種抗鹽堿性的強弱.

1.5 數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010（Microsoft）和SPSS 19.0（IBM SPSS）軟件進(jìn)行分析處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯植株葉綠素含量的影響

鹽堿脅迫對不同基因型甘薯品種植株葉綠素含量的影響結(jié)果見表1.由表1可見，不同基因型的甘薯在鹽堿脅迫下葉綠素的含量均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，但各品種間存在差異.與對照相比，徐紫薯2號的葉綠素含量下降的最小，吉徐薯1號和吉徐薯2號下降較大，徐薯28和吉1114居中.鹽堿脅迫下，植物吸收水分困難，葉片發(fā)黃，植株葉綠素含量有所降低，這也影響了植物的光合作用，進(jìn)而使植物生長緩慢.

表1 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯幼苗葉綠素含量的影響

2.2 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯相對電導(dǎo)率的影響

鹽堿脅迫對不同基因型甘薯品種相對電導(dǎo)率的影響結(jié)果見表2.由表2可見，鹽堿脅迫下，5個甘薯品種的相對電導(dǎo)率均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，其中吉徐薯2號增大幅度最大，比對照增大了76.52%；吉徐薯1號增大了63.16%；吉1114增大幅度最小，增大了19.06%；徐紫薯2號和徐薯28的相對電導(dǎo)率增大幅度居中，且差異性不顯著.植株相對電導(dǎo)率的變化可以反映出細(xì)胞受傷害的程度，5個甘薯品種中，吉徐薯2號的相對電導(dǎo)率最高，說明細(xì)胞受傷害的程度最為嚴(yán)重.

2.3 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯丙二醛含量的影響

鹽堿脅迫對5個甘薯品種丙二醛含量的影響結(jié)果見表3.由表3可見，在鹽堿處理下，不同基因型甘薯的丙二醛含量均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，其中吉1114增加最少，且與其他品種間差異顯著；吉徐薯1號和吉徐薯2號增加較大，兩品種間差異不顯著；徐紫薯2號的丙二醛含量大于徐薯28的，且達(dá)到了差異顯著的水平.植株體內(nèi)丙二醛含量的變化可以反映植株受危害的程度，鹽堿脅迫下吉1114丙二醛含量最低，吉徐薯1號最高，說明吉1114受到的危害最小，而吉徐薯1號最大.

表2 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯幼苗細(xì)胞膜透性的影響

表3 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯幼苗丙二醛含量的影響

2.4 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯植株鮮重、干重的影響

鹽堿脅迫對5個甘薯品種鮮重、干重的影響結(jié)果如圖1所示.由圖1可見，鹽堿脅迫抑制了5個甘薯品種的生長，但對每個品種的抑制程度不同，其中吉徐薯1號的植株鮮重比對照減少60.16%；徐薯28的植株鮮重減小幅度最小，為31.81%；吉徐薯2號的植株干重減小幅度最大為79.81%；吉1114的植株干重減小幅度最小，為44.04%.從甘薯植株鮮、干重的變化可以看出，吉1114的耐鹽堿性比較強，而吉徐薯1號和吉徐薯2號較弱.

圖1 鹽堿脅迫對不同品種甘薯 幼苗鮮重、干重的影響

圖2 鹽堿脅迫對不同甘薯品種可溶性蛋白、 可溶性糖含量的影響

2.5 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯可溶性蛋白、可溶性糖含量的影響

鹽堿脅迫對不同基因型甘薯植株體內(nèi)可溶性蛋白、可溶性糖含量的影響結(jié)果見圖2.由圖2可見，鹽堿脅迫下甘薯植株體內(nèi)的可溶性蛋白、可溶性糖含量均有所增加.與對照相比，5個甘薯品種可溶性蛋白含量的增幅在9.22%～27.34%的范圍內(nèi)，吉徐薯1號增加幅度最小，徐紫薯2號增加幅度最大；可溶性糖含量增加幅度差異較大，徐薯28增加幅度最多達(dá)到47.87%，吉徐薯1號最小為9.42%.

2.6 鹽堿脅迫對不同基因型甘薯保護(hù)性酶類的影響

鹽堿脅迫下甘薯植株體內(nèi)的SOD 活性（鮮樣）呈先升高后降低的趨勢，5個甘薯品種的變化基本趨勢相同.如圖3所示，在第3次取樣時達(dá)到峰值，吉1114的峰值最高，且與其他品種間均達(dá)到差異顯著的水平，其次為徐紫薯2號和徐薯28號，但差異并不顯著；從第4次取樣開始各品種的SOD 活性開始下降；最后一次取樣時，吉1114的SOD 活性最高，吉徐薯2號的SOD 活性最小.

圖3 鹽堿脅迫對不同甘薯品種SOD活性的影響

2.7 不同基因型甘薯的耐鹽堿性評價

以7個指標(biāo)的變化幅度為依據(jù)，利用隸屬函數(shù)法分析5個甘薯品種的耐鹽堿能力，結(jié)果見圖4.如圖4所示，不同基因型甘薯品種的耐鹽堿能力存在較大差異.

圖4 5個甘薯品種耐鹽堿能力綜合評價

3 討論及結(jié)論

研究表明，鹽堿脅迫引發(fā)了甘薯植株體內(nèi)一系列的生理響應(yīng)機(jī)制，對甘薯具有抑制生長的效應(yīng)，降低了植株的鮮重、干重、葉綠素含量等指標(biāo)，且不同品種間存在著明顯的差異.本文以丙二醛含量、植株鮮干重、葉綠素含量、細(xì)胞膜透性等7個指標(biāo)的變化為依據(jù)，運用隸屬函數(shù)法分析了5個甘薯品種的耐鹽堿能力，根據(jù)綜合指數(shù)的排序，其耐鹽堿能力強弱的綜合排序為：吉1114＞徐薯28＞徐紫薯2號＞吉徐薯2號＞吉徐薯1號.

有研究表明，鹽堿脅迫提高了植株葉綠素酶的活性，進(jìn)而加快了葉綠素的降解，導(dǎo)致葉綠素含量減少［7］；同時降低了植株碳的同化量，從而降低了植株的光合效率，抑制了植株的生長［8］.大量實驗證明，生物量可以綜合體現(xiàn)出植物的耐鹽堿性，是評價植物耐鹽堿性的可信指標(biāo)［9－10］，在番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）、大豆（Glycine max）、水稻（Oryza glaberrima）、小麥（Triticum aestivum Linn.）等植物的研究中已有報道［11－18］，結(jié)果與本文中甘薯的干重、鮮重、葉綠素含量均有所降低的結(jié)論一致.

相對電導(dǎo)率是反映植物細(xì)胞膜系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，在逆境條件下，膜蛋白會因細(xì)胞膜受到破壞使細(xì)胞質(zhì)外滲，進(jìn)而導(dǎo)致相對電導(dǎo)率加大，增幅越大傷害程度就越大［19］，反映較為直接.本文中，吉1114的相對電導(dǎo)率增幅最小，反映出其具有一定的耐鹽堿能力，這與最后耐鹽堿性綜合評價的結(jié)果一致.

鹽堿脅迫下，高Na＋的存在使植株吸水困難，植物細(xì)胞膜系統(tǒng)也受到一定的破壞而發(fā)生失水，植株就會產(chǎn)生一些生理響應(yīng)機(jī)制，合成新的可溶性蛋白、可溶性糖以加強滲透調(diào)節(jié)作用，增強植株的抗鹽堿性.本實驗中，5個甘薯品種的可溶性蛋白、可溶性糖含量在受到鹽堿脅迫后都有所增加，反映出甘薯具有一定的耐鹽堿性，但也因品種的不同存在差異.

植株在逆境時，會積累較多的活性氧，丙二醛是膜脂過氧化的終產(chǎn)物之一，其含量高低可以作為細(xì)胞受脅迫程度的指標(biāo)之一，它的主要傷害是導(dǎo)致膜脂過氧化，損傷生物膜結(jié)構(gòu)；與此同時植物體內(nèi)保護(hù)性酶活性會應(yīng)激提高以保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧的損傷［20－21］.本研究中，5個甘薯品種的丙二醛含量均升高，但程度不同，說明不同品種受到傷害的程度不同.甘薯體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)相關(guān)酶活性明顯受到鹽堿脅迫的影響，SOD 活性應(yīng)激升高，之后逐漸降低，這說明甘薯植株自身有著比較強的生理適應(yīng)性，在一定程度上，能有效清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧，最大程度減少甘薯所受到的傷害，且品種間存在著差異.

本研究采用隸屬函數(shù)法對5個甘薯品種的7項指標(biāo)進(jìn)行了綜合耐鹽堿性評價，評價消除了個別指標(biāo)帶來的片面性，較客觀地評價了不同基因型甘薯的耐鹽堿性.但是此次研究尚未考慮每項指標(biāo)的貢獻(xiàn)率問題，有待在今后的進(jìn)一步研究中結(jié)合聚類分析法、隸屬函數(shù)法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化法等［22－23］進(jìn)行論證，使抗逆性的研究結(jié)果更加明確、客觀.

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