粒用高粱耐鹽種質(zhì)資源鑒選與評(píng)價(jià)

范 娜，白文斌，彭之東,趙建武

(1. 山西省農(nóng)科院高粱研究所，山西 榆次 030600；2. 高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 榆次 030600)

土壤鹽漬化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的世界性問題之一，鹽脅迫影響植物的發(fā)芽、生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。目前全球耕地鹽漬化對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)已構(gòu)成較大威脅，并且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。世界上大約有20%的耕地及一半的灌溉地演化為鹽漬地，山西省共有鹽堿化土壤 2.618萬hm2，鹽堿地主要分布在大同、朔州、忻州、晉中、呂梁、臨汾、運(yùn)城、太原等地[2]。

高粱是世界和中國(guó)主要的糧食作物和飼料作物之一，屬于短日照 C4植物，生長(zhǎng)能力較強(qiáng)，可用作糧、飼、釀造等多種用途，是干旱半干旱地區(qū)的主要作物[3]。鹽脅迫對(duì)高粱的生長(zhǎng)發(fā)育有很大影響，根據(jù)田間土壤鹽分運(yùn)行規(guī)律，作物在萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)期間受鹽脅迫的危害尤為嚴(yán)重[4]。多年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)高粱的耐鹽性以及篩選鑒定方法進(jìn)行了研究，王寶山等[5]研究了高粱根、地上部、生長(zhǎng)葉片及葉鞘、成熟葉片及葉鞘對(duì)NaCl脅迫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)NaCl脅迫下葉鞘鮮質(zhì)量降幅最大，其次是生長(zhǎng)葉片，成熟葉鞘和成熟葉片的變化最?。谎芯窟€發(fā)現(xiàn)，NaCl脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制主要是抑制正在生長(zhǎng)的器官，對(duì)地上部生長(zhǎng)的抑制作用大于根部。長(zhǎng)期鹽脅迫加速器官的衰老和死亡，降低高粱主根長(zhǎng)、根體積、苗高，致使植株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量下降。Francios等[6]對(duì)高粱整個(gè)生育期的耐鹽性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)高粱芽期的耐鹽性高于其它生長(zhǎng)時(shí)期。對(duì)高粱種質(zhì)資源的大量研究表明,高粱芽期、苗期均耐鹽的品種很少。秦嶺等[7]對(duì)103份高粱種質(zhì)資源在芽期進(jìn)行耐鹽性鑒定與評(píng)價(jià),表明在鹽濃度為1.86%時(shí)不同品種間的耐鹽能力存在較大差異,高粱在芽期耐鹽致死濃度約為2.08%。粒用高粱作為耐鹽作物已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，但是都集中在粒用品種的研究，對(duì)粒用高粱耐鹽材料的篩選及耐鹽性研究尚少見報(bào)道。本試驗(yàn)采用了室內(nèi)模擬鹽脅迫對(duì)不同粒用高粱材料在萌發(fā)期、苗期的影響，采用相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析, 旨在為高粱耐鹽材料的篩選及耐鹽性研究提供理論依據(jù)，為高粱耐鹽品種選育和耐鹽基因挖掘提供材料。

1 材料和方法

1.1 供試材料

前期進(jìn)行了室內(nèi)篩選試驗(yàn)，從400份材料中選出50份有特點(diǎn)的親本材料。試驗(yàn)材料名稱見表1。

表1 高粱材料一覽表

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 萌發(fā)期材料篩選 將50份材料用 70%酒精活化30 s，然后用無離子水沖洗干凈。培養(yǎng)皿中用雙層濾紙鋪好，分別標(biāo)記。將種子表面水分吸干，置于直徑為12cm的培養(yǎng)皿中，每培養(yǎng)皿50 粒種子。每培養(yǎng)皿中加入10 mL蒸餾水或150 mmol·L-1NaCl溶液，置于人工氣候培養(yǎng)室，晝/夜溫度為28℃/25℃，濕度為 60%，光照/黑暗時(shí)間為 12 h/12 h。種子自培養(yǎng)每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，在第10天測(cè)定葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)，每培養(yǎng)皿測(cè)定3株，再取平均值。發(fā)芽以種子胚根達(dá)種子1/2為標(biāo)準(zhǔn)[8]。

1.2.2 苗期材料篩選 將篩選出的30份材料置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽，將發(fā)芽基本一致的種子種于裝有相同質(zhì)量沙土的花盆中，每盆播種10粒，設(shè)置三次重復(fù)，加入150 mmol·L-1NaCl溶液澆灌，以等量澆水為對(duì)照,調(diào)查鹽水處理和對(duì)照幼苗成活率[8]。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)

(1)種子萌發(fā)階段測(cè)試指標(biāo)

第3 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第6 d 統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及相對(duì)鹽害率[9-11]。

發(fā)芽勢(shì)=3 d后發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

發(fā)芽率=6 d后發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)=處理發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照發(fā)芽勢(shì)×100%

相對(duì)發(fā)芽率=處理發(fā)芽率/對(duì)照發(fā)芽率×100%

第15 d用直尺測(cè)定根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)。

相對(duì)鹽害率=[(對(duì)照出苗數(shù)值-鹽處理出苗數(shù)值)/對(duì)照出苗數(shù)值]×100%。

(2)苗期試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)

分別于第7、10、13、15、27天統(tǒng)計(jì)出苗情況。

相對(duì)生長(zhǎng)速率(cm·d-1)=處理第15天株高-處理第5天株高/10。

枯萎?dāng)?shù)=高粱品種在同一鹽濃度處理下第15天的平均枯萎?dāng)?shù)

1.4 分析軟件和分析方法

用 Excel 2003和DPS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高粱材料對(duì)萌發(fā)期鹽脅迫的響應(yīng)

發(fā)芽勢(shì)反映種子發(fā)芽的快慢和整齊度,發(fā)芽率反映種子發(fā)芽的數(shù)量[12]。150 mmol·L-1NaCl 脅迫下，50份高粱親本材料萌發(fā)期生長(zhǎng)指標(biāo)幾乎都小于對(duì)照，不同品種降低幅度不同。相對(duì)發(fā)芽率的數(shù)值范圍為 0.27%～93.4%，相對(duì)發(fā)芽勢(shì)數(shù)值范圍為15.15%～97.4%，根長(zhǎng)數(shù)值范圍在 0.3～4.5 cm，葉長(zhǎng)數(shù)值范圍為 0.4～2.8cm；鹽害系數(shù)數(shù)值范圍0.026～0.794。根據(jù)表2可知：材料09305R、67B、07221三尺三、L16(白)、遼寧黑高粱后代、3438、 ESB19B 、B 吉、20550-30、紅粒變、L矮-2、東北5R 、BV4、07221、瀘晉5·7系、B 3001 、B 11486 、B 700萌發(fā)期表現(xiàn)出較好的耐鹽性，3560R、10337B、忻52、吉16、93943·157、363C、B 瀘45、B 11506、高賴組合、吉26、鐵10612、SPP1表現(xiàn)出鹽敏性。從以上材料中篩選出30份材料進(jìn)行下一步苗期試驗(yàn)。

2.2 鹽脅迫對(duì)高粱苗期生長(zhǎng)的影響

2.2.1 鹽脅迫對(duì)高粱苗期生長(zhǎng)速率的影響 將篩選出的30份材料進(jìn)行苗期試驗(yàn)。由圖1可知，于苗期播種后第7、10、13、15、17d統(tǒng)計(jì)高粱苗高度，鹽脅迫下50份高粱親本材料生長(zhǎng)情況有明顯區(qū)別，特別是在播種15d后。材料09305R、67B、07221三尺三、L16(白)、3438表現(xiàn)出較好的耐鹽性，3560R、10337B、SPP1表現(xiàn)出鹽敏性。

圖1 不同高粱材料鹽脅迫下苗期生長(zhǎng)情況Fig.1 Growth of different sorghum materials under salt stress at seedling stage

2.2.2 鹽脅迫對(duì)高粱苗期耐鹽指標(biāo)的影響 將篩選出的30份材料進(jìn)行苗期試驗(yàn)，由表3可知，生長(zhǎng)速率范圍在0.65～1.25之間，枯萎?dāng)?shù)在0.68～4.88之間，確定苗期耐鹽程度分為敏感、中敏、耐鹽和高耐四個(gè)級(jí)別。其中09305R、67B、3438和07221等表現(xiàn)出高耐鹽性狀，3560R、吉16、10337B等表現(xiàn)出鹽敏感性狀。

2.3 鹽脅迫下高粱品種各性狀相對(duì)值的相關(guān)性分析

選用芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、苗高、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽率鹽害系數(shù)、發(fā)芽勢(shì)鹽害系數(shù)、生長(zhǎng)速率、枯萎?dāng)?shù)等9個(gè)耐鹽指數(shù)進(jìn)行隸屬函數(shù)值分析。多數(shù)性狀間的相關(guān)性都達(dá)到了顯著或極顯著水平，結(jié)果見表4。葉鮮重與葉干重、發(fā)芽率鹽害系數(shù)與發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)呈極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.98**。根長(zhǎng)與發(fā)芽勢(shì)之間的相關(guān)性也較高，相關(guān)系數(shù)分別為 0.86**。

表2 NaCl處理對(duì)高粱萌發(fā)期生長(zhǎng)的影響

表3 鹽脅迫對(duì)高粱苗期生長(zhǎng)速率的影響

表4 鹽脅迫下高粱品系各性狀耐鹽指數(shù)與平均隸屬函數(shù)值的相關(guān)性分析

注：*表示顯著(p<0.05),**表示差異極顯著(p<0.01)。

Note: * indicates significant difference (p<0.05), ** indicates extremely significant difference (p<0.01).

2.4 鹽脅迫對(duì)高粱各性狀影響情況的主成分分析

利用化學(xué)計(jì)量學(xué)中的主成分分析和模糊聚類方法進(jìn)行分析，可以把不同高粱材料對(duì)鹽脅迫的萌發(fā)特性和生長(zhǎng)特性的響應(yīng)離散的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便對(duì)樣品的相似性進(jìn)行明確的評(píng)價(jià)[13-14]。各特征值的累計(jì)百分率代表各綜合指標(biāo)對(duì)遺傳方差貢獻(xiàn)的百分率,特征向量表示在各綜合指標(biāo)中供試品種各性狀對(duì)綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)的大小。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)列出相關(guān)矩陣，求出特征根及其相應(yīng)的特征向量，為排除作用較小而干擾較大的因素，提高分析精確率，從10個(gè)特征根中選取 3 個(gè)較大的特征根及相應(yīng)的 3 個(gè)特征向量[15-16]。如表5 所示，第Ⅰ主成分的貢獻(xiàn)率為 70.29%，第Ⅰ主成分中發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率鹽害系數(shù)正值較高，主要反映的種子萌發(fā)生長(zhǎng)狀況，可稱其為萌發(fā)生長(zhǎng)因子；第Ⅱ主成分的貢獻(xiàn)率為 13.01%，第Ⅱ主成分中苗長(zhǎng)、生長(zhǎng)速率正值較高，主要反映高粱的生長(zhǎng)狀況；第Ⅲ主成分的貢獻(xiàn)率為 9.67%，第Ⅲ主成分與各指標(biāo)的因子荷載中，以鹽害系數(shù)負(fù)荷量最大，主要反映高粱耐鹽能力。由表6可知，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá) 92.97%，可見前 3 個(gè)主成分足以說明該數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，完全符合主成分分析的要求，故取前 3 個(gè)主成分作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。這 3 個(gè)主成分與 10 個(gè)耐鹽性狀的相關(guān)系數(shù)(即因子負(fù)荷量)反映了它們之間的相關(guān)性[17]。

表6 各因子載荷矩陣

2.5 聚類分析

隸屬函數(shù)值法能避免單一指標(biāo)的片面性[18-19]，可較為全面、準(zhǔn)確地反映高粱品系苗期的耐鹽性。本實(shí)驗(yàn)采用聚類分析將30個(gè)高粱品系的9個(gè)耐鹽指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由圖2看出，耐鹽級(jí)別分為五大類。第 1 類群，包括3560R、10337B、鐵10612，共計(jì)3個(gè)品系，該類群各指標(biāo)的相對(duì)值均較低，屬于高度鹽敏感品系。第 2 類群，包括吉16、363C等共計(jì)5個(gè)品系，這些品系的各性狀指標(biāo)相對(duì)值相對(duì)較小，屬于鹽敏感品系。第 3 類群，包括07221、BV4等共10個(gè)品系，該類群各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)值居中，屬于中等耐鹽品系。第 4類群，包括遼寧黑高粱后代、L16(白)等共10個(gè)品系，該類群各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)值較大，可認(rèn)定為耐鹽品系。第 5類群，包括09305R、67B等，共2個(gè)品系，占供試材料的20%。這 4個(gè)品系各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)值均大，可認(rèn)定為高耐鹽品系[20]。

圖2 30個(gè)高粱品系聚類圖Figure 2 Dendrogram of 30 sorghum lines

3 結(jié)果與討論

1)鹽脅迫能通過滲透脅迫、離子毒害和離子失衡來抑制植物生長(zhǎng)。作物在種子萌發(fā)階段對(duì)鹽分最敏感, 過量鹽分影響高粱發(fā)芽和芽苗生長(zhǎng)。高粱耐鹽性是一個(gè)多因素的綜合結(jié)果, 在高粱生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段表現(xiàn)出的耐鹽特性也不同。萌發(fā)期是高粱群體數(shù)量建成的關(guān)鍵時(shí)期,萌發(fā)期極易受鹽脅迫環(huán)境的影響, 所以在萌發(fā)期篩選出具有耐鹽能力的品種對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。將以上篩選出30份材料進(jìn)行苗期試驗(yàn)。于苗期播種后第7、10、13、15、17天統(tǒng)計(jì)高粱苗高度，鹽脅迫下50份高粱親本材料生長(zhǎng)情況有明顯區(qū)別，特別是在播種后15d后。材料09305R、67B、07221三尺三、L16(白)、3438表現(xiàn)出較好的耐鹽性，3560R、10337B、SPP1表現(xiàn)出鹽敏性。

2)本試驗(yàn)選用高粱發(fā)芽率、發(fā)芽時(shí)、根長(zhǎng)、苗高、生長(zhǎng)速率和枯萎指數(shù)等9個(gè)相關(guān)指標(biāo)作為高粱耐鹽的重要指標(biāo)。

3)本實(shí)驗(yàn)主成分分析表明：萌發(fā)生長(zhǎng)因子、生長(zhǎng)因子、鹽害系數(shù)反映了高粱耐鹽的特性。利用聚類分析法把30份親本材料分成高度耐鹽型、耐鹽型、中等耐鹽型、鹽敏感型和高度鹽敏感型品種 5大類。

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