高粱芽期耐鹽指標(biāo)篩選及耐鹽性評(píng)價(jià)

穆志新，李萌，秦慧彬

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031）

高粱芽期耐鹽指標(biāo)篩選及耐鹽性評(píng)價(jià)

穆志新，李萌，秦慧彬

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031）

以49份高粱種質(zhì)資源為材料，對(duì)其進(jìn)行耐鹽性分析。在芽期鹽脅迫條件下，萌發(fā)第4天測(cè)定發(fā)芽勢(shì)，第7天測(cè)定發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量，利用隸屬函數(shù)分析、主成分分析及聚類(lèi)分析進(jìn)行耐鹽性綜合評(píng)價(jià)和指標(biāo)篩選。結(jié)果表明，12 g/L NaCl是進(jìn)行高粱芽期耐鹽性鑒定的適宜鹽濃度，各性狀耐鹽指標(biāo)間變異大；6個(gè)芽期性狀間存在著一定相關(guān)性；聚類(lèi)分析將49份高粱種質(zhì)資源分成耐鹽型、中等耐鹽型和鹽敏感型種質(zhì)3大類(lèi)。發(fā)芽率、根鮮質(zhì)量和芽鮮質(zhì)量可以作為高粱芽期耐鹽性鑒定的指標(biāo)。

高粱；芽期；耐鹽性；主成分分析；聚類(lèi)分析

土壤鹽堿化是限制植物生長(zhǎng)與生產(chǎn)的重要因素[1]。我國(guó)約有鹽堿地0.27億hm2，約占全國(guó)可耕地面積的25%[2-4]，嚴(yán)重影響著我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。高粱是世界五大谷類(lèi)作物之一[5]，屬于短日照C4植物，具有糧、飼、釀造等多種用途，抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄[6]，是干旱半干旱地區(qū)的主要作物[7]。研究不同高粱種質(zhì)資源的耐鹽性，培育耐鹽品種，是實(shí)現(xiàn)鹽堿地高效利用及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑。

高粱在萌發(fā)期不易保全苗，芽期耐鹽性強(qiáng)是高粱能在鹽漬化嚴(yán)重地區(qū)萌發(fā)成苗必須具備的特性，學(xué)者對(duì)小麥[8]、大豆[9]、谷子[10]等作物芽期耐鹽性都有研究，但對(duì)高粱萌發(fā)期耐鹽性進(jìn)行系統(tǒng)全面評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。

本研究以山西省8個(gè)縣收集到的49份高粱種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料，研究了芽期鹽脅迫對(duì)不同高粱材料的影響，以期篩選出有效的耐鹽鑒定指標(biāo)，旨在為高粱種質(zhì)資源耐鹽材料的篩選提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用49份高粱地方種質(zhì)資源為供試材料（表1）。

表1 高粱材料編號(hào)、名稱(chēng)及來(lái)源地

1.2 試驗(yàn)方法

8個(gè)縣各選取1份高粱資源為材料，每個(gè)試驗(yàn)材料挑選30粒大小一致且飽滿(mǎn)的種子，經(jīng)0.1% HgCl2溶液消毒10 min，蒸餾水沖洗5次，濾紙吸干，置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中。設(shè)0（CK），4，8，12，16，20 g/L共6個(gè)NaCl溶液進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，各處理3次重復(fù)。每培養(yǎng)皿中加入8 mL蒸餾水或鹽溶液，置于人工氣候箱中發(fā)芽，箱內(nèi)晝/夜溫度28℃/ 25℃，光/暗為12 h/12 h，濕度60%。通過(guò)測(cè)定發(fā)芽數(shù)以及高粱芽期的生長(zhǎng)情況，得到在12 g/L鹽溶液脅迫下，材料間及處理與對(duì)照間各生長(zhǎng)指標(biāo)的差異最明顯，因此，將12 g/L定為正式試驗(yàn)的鹽脅迫濃度。

處理組每個(gè)培養(yǎng)皿中加入8 mL 12 g/L NaCl溶液，蒸餾水作對(duì)照，3次重復(fù)。發(fā)芽條件同預(yù)備試驗(yàn)。培養(yǎng)第4天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽勢(shì)，第7天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽率，并從每個(gè)培養(yǎng)皿中選取代表性的5株測(cè)量根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、芽鮮質(zhì)量及根鮮質(zhì)量，計(jì)算平均值。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

發(fā)芽勢(shì)＝4 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)× 100%；發(fā)芽率＝7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)× 100%；耐鹽指數(shù)＝鹽處理值/對(duì)照值。各指標(biāo)的耐鹽指數(shù)分別表示為相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)根鮮質(zhì)量、相對(duì)芽鮮質(zhì)量。

利用隸屬函數(shù)值法[11]，求各測(cè)定指標(biāo)的隸屬值。

其中，Xij為第i個(gè)材料第j個(gè)指標(biāo)的耐鹽指數(shù)；Xjmax為第j個(gè)指標(biāo)測(cè)定值的最大值，Xjmin為最小值；X（u）是第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。測(cè)定指標(biāo)若與耐鹽性呈正相關(guān)，采用公式（1）計(jì)算，負(fù)相關(guān)則用公式（2）計(jì)算。最后將各材料不同指標(biāo)的隸屬值累加求其均值，得到平均隸屬函數(shù)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，計(jì)算各指標(biāo)的耐鹽指數(shù)，用SPSS 18.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析以及聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱種質(zhì)資源芽期對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)

由表2可知，12 g/L鹽溶液對(duì)49份高粱種質(zhì)資源的各測(cè)定指標(biāo)都有抑制作用，表明鹽脅迫對(duì)高粱種子芽期的影響不僅限于發(fā)芽指標(biāo)上，還表現(xiàn)在抑制根及芽的生長(zhǎng)上。不同材料抑制程度不同，因此，各測(cè)定指標(biāo)變幅不同。發(fā)芽勢(shì)的相對(duì)值變化范圍為0.000～0.974，相對(duì)發(fā)芽率介于0.084～0.942，根長(zhǎng)的相對(duì)值在0.190～0.660，相對(duì)芽長(zhǎng)的變化范圍為0.068～0.501，相對(duì)根鮮質(zhì)量的變化范圍為0.243～0.900，相對(duì)芽鮮質(zhì)量的變化范圍為0.032～0.536。

由表2可知，靈丘縣收集到的白高粱種質(zhì)（4號(hào)），在鹽脅迫下仍保持高發(fā)芽率，根的生長(zhǎng)受到的抑制作用比較小，芽苗受到的影響卻較大。興縣收集到的軟高粱（9號(hào)），在鹽脅迫下，發(fā)芽快，根表現(xiàn)為鹽脅迫不敏感。五臺(tái)縣的粘黃狼黍（20號(hào)）各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)值都比較居中，說(shuō)明對(duì)鹽脅迫環(huán)境中度敏感。來(lái)自石樓縣的茭子（30號(hào)）發(fā)芽勢(shì)和根長(zhǎng)的觀測(cè)值高于其他高粱種質(zhì)，根鮮質(zhì)量的相對(duì)值也較大，說(shuō)明受鹽脅迫影響較小。隰縣收集到的帚用高粱（32號(hào)）發(fā)芽率、芽長(zhǎng)的觀測(cè)值都小于其他高粱種質(zhì)，芽鮮質(zhì)量的相對(duì)值下降幅度大，表現(xiàn)為發(fā)芽遲緩，芽苗生長(zhǎng)受阻，受鹽脅迫影響很大。來(lái)自武鄉(xiāng)縣的茭子（44號(hào)）芽長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量以及芽鮮質(zhì)量的相對(duì)值均高于其他高粱種質(zhì)，說(shuō)明對(duì)鹽脅迫環(huán)境不敏感。

表2 鹽脅迫下高粱種質(zhì)各性狀相對(duì)值

2.2 鹽脅迫下高粱各性狀的相關(guān)性分析

對(duì)鹽脅迫下高粱種質(zhì)芽期各性狀的相對(duì)值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)間具有很強(qiáng)的相關(guān)性（表3）。芽鮮質(zhì)量和芽期其他指標(biāo)間均為極顯著相關(guān)，和芽長(zhǎng)的相關(guān)性最大，達(dá)到0.867，發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)、芽長(zhǎng)之間相關(guān)性也較高，分別為0.765和0.505，根長(zhǎng)與發(fā)芽勢(shì)、芽長(zhǎng)及根鮮質(zhì)量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.476，0.483和0.460。

表3 鹽脅迫下高粱種質(zhì)各性狀的相關(guān)性分析

2.3 對(duì)高粱種質(zhì)芽期耐鹽性的主成分分析

表4 3個(gè)主成分特征值及貢獻(xiàn)率

對(duì)高粱種質(zhì)芽期各性狀相對(duì)值進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示，前3個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為56.19%，17.54%，12.11%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.84%（表4）。

第I主成分的特征值λ1＝3.371，貢獻(xiàn)率最大，達(dá)56.19%，芽長(zhǎng)及芽鮮質(zhì)量的負(fù)荷量較大（表5），均達(dá)到0.8以上，反映了鹽脅迫下，芽苗生長(zhǎng)的情況可以用來(lái)鑒定高粱芽期耐鹽性。第Ⅱ主成分的特征值λ2＝1.052，貢獻(xiàn)率為17.54%，根鮮質(zhì)量、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率載荷數(shù)值較大，反映了高粱發(fā)芽和根部的綜合情況。第Ⅲ主成分的特征值λ3＝0.726，貢獻(xiàn)率為12.11%，其中，根鮮質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)最大，代表了鹽脅迫下根部的生長(zhǎng)情況。

表5 各因子的載荷矩陣

綜上分析可看出，3個(gè)主成分足以反映出鹽脅迫下高粱芽期耐鹽性的信息，將6個(gè)變量減少為3個(gè)綜合指標(biāo)。發(fā)芽率、根鮮質(zhì)量、芽鮮質(zhì)量可作為大批量高粱種質(zhì)資源芽期耐鹽性鑒定的主要指標(biāo)。

2.4 不同高粱種質(zhì)資源耐鹽性評(píng)價(jià)

依據(jù)各種質(zhì)資源的平均隸屬函數(shù)值，利用系統(tǒng)聚類(lèi)中的組內(nèi)聯(lián)接法，在歐式平方距離為8時(shí)，49份材料被歸為3個(gè)類(lèi)群（圖1）。

第Ⅰ類(lèi)群有包括五臺(tái)縣粘黃狼黍等在內(nèi)的30份材料，其中，五臺(tái)縣11份，武鄉(xiāng)縣6份，隰縣4份，石樓縣4份，興縣和靈丘縣各2份，繁峙縣1份。平均隸屬函數(shù)值在0.233～0.472，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量及芽鮮質(zhì)量的耐鹽指數(shù)分別為0.274，0.528，0.376，0.210，0.427和0.181。其被認(rèn)定為中等耐鹽型種質(zhì)。

第Ⅱ類(lèi)群有包括隰縣帚用高粱、高粱以及石樓縣黑高粱，共3份材料。平均隸屬函數(shù)值在0.046～0.141，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量及芽鮮質(zhì)量的耐鹽指數(shù)分別為0，0.135，0.261，0.087，0.372和0.114。其被認(rèn)定為鹽敏感型種質(zhì)。

第Ⅲ類(lèi)群有包括武鄉(xiāng)縣茭子等在內(nèi)的16份材料，其中，靈丘縣3份，石樓縣3份，武鄉(xiāng)縣3份，隰縣2份，興縣2份，繁峙、五臺(tái)、五寨各1份。平均隸屬函數(shù)值在0.530～0.843，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量及芽鮮質(zhì)量的耐鹽指數(shù)分別為0.589，0.787，0.541，0.296，0.629，0.306。其被認(rèn)定為耐鹽型種質(zhì)。

3 討論

根據(jù)作物以及鑒定時(shí)期的不同，選擇適宜的鹽脅迫濃度，綜合評(píng)價(jià)作物耐鹽性。脅迫強(qiáng)度小，試驗(yàn)材料間變異小，很難準(zhǔn)確估計(jì)作物的耐鹽能力；脅迫強(qiáng)度大，試驗(yàn)材料間變異大，可能會(huì)掩蓋作物的某些耐鹽特性[12-13]。本研究中，12 g/L鹽脅迫下，高粱各種質(zhì)資源出芽較晚，植株生長(zhǎng)所受影響較大，各性狀耐鹽指數(shù)變動(dòng)范圍大，材料間各生長(zhǎng)指標(biāo)的差異明顯，因此，選擇12 g/L鹽脅迫濃度對(duì)高粱種質(zhì)資源芽期進(jìn)行耐鹽性鑒定是科學(xué)、合理的。

作物在高鹽環(huán)境下，外部形態(tài)、生理代謝都表現(xiàn)出不同的適應(yīng)能力，研究對(duì)象、鑒定時(shí)期以及調(diào)查方法不同，評(píng)價(jià)的指標(biāo)也存在一定差異[14]。王金妹等[15]研究不同鹽度脅迫條件下蓖麻的生長(zhǎng)情況及生理指標(biāo)，結(jié)果表明，發(fā)芽率、生物量以及Pn，Tr，Ci，Gs，F(xiàn)v/Fm，qP和有效光化學(xué)量子產(chǎn)量可作為蓖麻耐鹽性鑒定的重要指標(biāo)。張國(guó)偉等[16]利用砂培試驗(yàn)?zāi)M鹽脅迫，篩選出株高、葉片伸展速率、地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量、根系活力和凈光合速率的鹽害系數(shù)，作為棉花苗期耐鹽鑒定指標(biāo)。陳波等[17]研究表明，玉米芽期耐鹽性評(píng)價(jià)應(yīng)以種子耐鹽指數(shù)、活力耐鹽指數(shù)、相對(duì)芽干質(zhì)量、相對(duì)根干質(zhì)量、相對(duì)儲(chǔ)藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率及相對(duì)生長(zhǎng)量為主。本研究中，高粱種質(zhì)的萌發(fā)因子（相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率），根部生長(zhǎng)因子（相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)根鮮質(zhì)量）和葉部生長(zhǎng)因子（相對(duì)芽長(zhǎng)、相對(duì)芽鮮質(zhì)量）等6個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)性強(qiáng)，主成分分析表明，發(fā)芽率、根鮮質(zhì)量、芽鮮質(zhì)量可以作為大批量高粱種質(zhì)資源芽期耐鹽性鑒定的主要指標(biāo)?；诟鞣N質(zhì)資源平均隸屬函數(shù)值的聚類(lèi)分析篩選到16份耐鹽型高粱種質(zhì)，為今后高粱育種奠定了基礎(chǔ)。

高粱種質(zhì)應(yīng)首先具備較好的萌發(fā)特性才能實(shí)現(xiàn)高粱生產(chǎn)和鹽漬土壤的有效利用，不同高粱種質(zhì)資源的耐鹽性具有差異性。山西省內(nèi)8個(gè)縣均收集到耐鹽性強(qiáng)的高粱地方種質(zhì)資源，農(nóng)家種及其野生近緣種具有許多優(yōu)良性狀，是作物育種的基礎(chǔ)，應(yīng)加大收集力度，篩選出抗逆性強(qiáng)的材料，為土地的高效利用提供資源。

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Screening of Salt Tolerance Indices and Salt Tolerance Evaluation of Sorghum Germplasm Resources at Germination Stage

MUZhixin，LI Meng，QINHuibin
（Key Laboratory ofCrop Gene Resources and Germplasm Enhancement on Loess Plateau，Ministry ofAgriculture，Shanxi Key Laboratory ofGenetic Resources and Genetic Improvement ofMinor Crops，Institute ofCrop Germplasm Resources，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

This study analyzed the salt tolerance of 49 sorghum germplasm resources.Indices were measured under salt stress,the germination force was measured on the fourth day and the germination percentage,shoot length,root length,shoot fresh quality,root fresh quality were measured on the seventh day.Subjection value,principal component analysis and cluster analysis were used to evaluate the salt tolerance and select the salt tolerance index of sorghum during germination stage.The results indicated that 12 g/L NaCl was the suitable salt concentration for salt tolerance identification at germination period,the salt tolerance index range of sorghum strains was different.There were correlations among the 6 traits.The 49 sorghum germplasm resources were divided into salt-resistant,medium salt-resistant and salt-sensitive three categories by cluster analysis.The germination percentage,the root fresh quality and the shoot fresh quality can be used as identification indicators ofsorghum at germination stage.

sorghum;germination stage;salt tolerance;principal component analysis;cluster analysis

S514

：A

：1002-2481（2017）07-1075-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.08

2017-01-03

山西省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目（201605D121018）；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技自主創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（2017zzcx-17）

穆志新（1974-），男，山西渾源人，副研究員，主要從事農(nóng)作物種質(zhì)資源研究工作。