部分CIMMYT小麥種質(zhì)的耐鹽性鑒定與評價

宮文萍，李洪振，付希強，李豪圣，韓 冉，劉 成,4，劉建軍

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮北部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室/小麥玉米國家工程實驗室，山東濟南 250100； 2.武城縣農(nóng)業(yè)局，山東武城 253300； 3.山東匯邦渤海農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，山東東營 257090； 4.山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東濟南 250100)

土壤鹽漬化已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球化問題，是作物減產(chǎn)的重要原因之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國鹽漬化和次生鹽漬化土壤約3.6×107hm2，主要分布在東北、西北、華北和沿海地區(qū)[2]，其中，濱海地區(qū)因海水入侵、水鹽運移等的影響，土壤鹽漬化現(xiàn)象尤為突出，鹽漬土壤面積約占全國鹽漬土壤總面積的7%。環(huán)渤海地區(qū)的灘涂和鹽堿荒地約6.8×105hm2，是中國主要的鹽堿地分布區(qū)域，其中黃河三角洲地區(qū)有近50%的土地存在不同程度的土壤鹽漬化現(xiàn)象[3]。鹽堿地和鹽漬化土壤制約大部分農(nóng)作物生產(chǎn)，使其更難以發(fā)揮高產(chǎn)潛力。除對鹽堿地進行改良利用外，培育耐鹽新品種也是解決土壤鹽漬化的有效措施。種質(zhì)資源是培育新品種的物質(zhì)基礎(chǔ)，篩選耐鹽性強的種質(zhì)資源，對選育耐鹽小麥品種具有重要意義。

小麥?zhǔn)侵袊钪匾募Z食作物之一，但耐鹽小麥種質(zhì)資源匱乏，嚴重阻礙了小麥耐鹽品種的選育進展。20世紀(jì)40年代以來，眾多研究團隊通過多種耐鹽鑒定方法分別對普通小麥品種、地方品種、國外引進品種、高代品系、小麥與遠緣材料雜交后代和誘變突變體等材料進行大量篩選，獲得了部分耐鹽材料[4-9]。為進一步豐富小麥耐鹽種質(zhì)的遺傳多樣性，發(fā)掘小麥耐鹽資源，本研究對引自國際玉米小麥改良中心(CIMMYT)的417份小麥種質(zhì)進行了耐鹽性研究，以鹽害指數(shù)、根系鹽害易感指數(shù)(salt sensitive index，SSI)和相對苗長的隸屬綜合函數(shù)值為評價指標(biāo)，從供試材料中篩選綜合耐鹽性較強的小麥種質(zhì)，以期為定位小麥耐鹽位點、發(fā)掘和克隆小麥耐鹽基因提供研究材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

417份CIMMYT小麥種質(zhì)均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所何中虎研究員引進并惠贈；青麥6號(QM6)為耐鹽對照品種，由青島農(nóng)業(yè)大學(xué)穆平教授惠贈。

1.2 芽期耐鹽性鑒定

試驗設(shè)計和相對鹽害指數(shù)的計算方法在文獻[10]的基礎(chǔ)上略作修改。設(shè)1個對照和1個處理，各重復(fù)3次。每重復(fù)均挑選50粒飽滿無損傷的種子用0.1% HgCl2消毒10 min，滅菌水沖洗2次后置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿，處理組培養(yǎng)皿中加入10 mL滅菌去離子水配置的2.0% NaCl溶液，對照組培養(yǎng)皿加入10 mL滅菌去離子水，然后置于25 ℃恒溫箱，在光、暗處理各12 h的條件下培養(yǎng)7 d。相對鹽害指數(shù)是指對照與鹽處理種子平均發(fā)芽率的差值占對照種子平均發(fā)芽率的百分比，相對鹽害指數(shù)越小，種子耐鹽能力越強。小麥芽期耐鹽級別參考《小麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，相對鹽害指數(shù)<20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和>80%分別屬于高耐鹽、耐鹽、中度耐鹽、鹽害敏感和鹽害高度敏感材料。

1.3 苗期耐鹽性鑒定

1.4 耐鹽性的綜合評價

采用Microsoft Excel 2007軟件計算小麥總根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)的SSI值以及鹽害指數(shù)和相對苗長的耐鹽隸屬函數(shù)值，計算耐鹽隸屬函數(shù)綜合值，并采用SPSS 16.0軟件進行聚類分析和差異顯著性分析，采用with-group linkage(組內(nèi)連接聚類法)和squared Euclidean distance(歐式距離平方)[12-13]進行聚類分析。

耐鹽隸屬函數(shù)計算公式：X(u) =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X(u) = 1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

其中，X為參試材料的某一指標(biāo)測定值，Xmax、Xmin分別為所有品種中此指標(biāo)的最大值和最小值。若所用指標(biāo)與耐鹽性呈正相關(guān)，采用(1)式計算；反之，則采用( 2)式計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 芽期耐鹽性鑒定結(jié)果

以耐鹽品種青麥6號為對照，用2.0%的NaCl對417份小麥種質(zhì)進行芽期耐鹽性鑒定。結(jié)果顯示，高耐鹽、耐鹽、中度耐鹽、鹽害敏感和鹽害高度敏感小麥種質(zhì)分別有4、90、195、89和39份，分別占鑒定小麥種質(zhì)總數(shù)的0.9%、21.5%、46.8%、21.3%和9.4%。其中，青麥6號的相對鹽害指數(shù)為35%，表現(xiàn)為高耐鹽[11]；相對鹽害指數(shù)低于青麥6號的小麥種質(zhì)有39份(表1)，占鑒定種質(zhì)資源總數(shù)的9%。方差分析顯示，39份小麥種質(zhì)中，cm58、cm163、cm439、cm440和cm538的芽期耐鹽性顯著高于青麥6號(P<0.05)。

表1 39份芽期初選種質(zhì)在苗期的耐鹽性表現(xiàn)Table 1 Salt tolerance of the 39 wheat accessions at seedling stage

2.2 苗期耐鹽性鑒定結(jié)果

對39份小麥種質(zhì)的根系進行測定分析，結(jié)果顯示，其總根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)分別為20.0～42.16 cm、4.19～8.05 cm2、0.07～0.12 cm3和6.00～25.00條，相應(yīng)SSI值分別為0.66～1.13、0.55～1.19、0.44～1.49和0.42～1.17，其中，cm103的總根長SSI值、根體積SSI、根表面積SSI值、根尖數(shù)SSI值均顯著低于對照(表1)，說明cm103的苗期耐鹽性顯著優(yōu)于青麥6號。

39份小麥種質(zhì)在正常生長條件下的苗長為14.2～21.5 cm，鹽脅迫下的苗長為11.1～17.6 cm，相對苗長為0.67～0.91(表1)。其中，青苗6號的相對苗長為0.84，且cm49、cm293、cm430和cm472的相對苗長顯著大于青麥6號。

2.3 苗期根系耐鹽指標(biāo)的相關(guān)性分析與主成分分析

對39份小麥種質(zhì)和青麥6號苗期根系的4個SSI耐鹽性評價指標(biāo)進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，4個SSI指標(biāo)兩兩間均呈顯著正相關(guān)(表2)，說明這4個指標(biāo)提供的耐鹽信息交叉重疊，需要進一步通過主成分分析進行判斷。主成分分析結(jié)果顯示，總根長SSI值在主成分中的作用最大，貢獻率為83.07%(表3)，因此，總根長SSI值可作為根系耐鹽指標(biāo)用于材料耐鹽性綜合評價。

表2 苗期根系耐鹽指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of salt tolerance index at seedling stage

表3 苗期根系主成分的特征值和貢獻率Table 3 Eigen value and contribution rate of root principal components at seedling stage

2.4 綜合耐鹽性聚類分析

綜合總根長SSI值、鹽害指數(shù)、相對苗長的隸屬函數(shù)綜合值進行聚類分析，結(jié)果表明，在歐氏距離平方值為20時，可以將39份小麥種質(zhì)的綜合耐鹽性劃分為3類(圖1)：Ⅰ類，綜合耐鹽性低于青麥6號的小麥種質(zhì)25份；Ⅱ類，綜合耐鹽性與青麥6號相似的小麥種質(zhì)10份；Ⅲ類，綜合耐鹽性高于青麥6號的小麥種質(zhì)4份，材料編號分別為cm58、cm163、cm439、cm440，是改良現(xiàn)有小麥品種耐鹽性的優(yōu)良資源。

3 討 論

3.1 小麥耐鹽性種質(zhì)的篩選

為獲得小麥耐鹽種質(zhì)資源，國內(nèi)學(xué)者對不同來源的小麥品種、高代品系以及誘變突變體等材料進行了篩選與鑒定。馬雅琴等[6]對引自美國的28份春小麥種質(zhì)進行耐鹽性鑒定，篩選獲得2個具有推廣應(yīng)用潛力的耐鹽材料。王萌萌等[7]對882份小麥品種資源進行耐鹽性初步鑒定，篩選出芽期和苗期均達到中度耐鹽的品種43份。喬佩等[8]對3個小麥突變體進行耐鹽性評價，發(fā)現(xiàn)突變體 CAO8113K的耐鹽性優(yōu)于其他小麥材料?；?鵬等[14]對116份國內(nèi)外春小麥品種(系)進行苗期耐鹽性鑒定，篩選出7份苗期耐鹽性較好的小麥材料。郭 超等[15]對7份美國優(yōu)質(zhì)冬小麥品種進行耐鹽性篩選，獲得2份高耐鹽小麥品種。雖然有關(guān)耐鹽小麥品種篩選鑒定的研究較多，但用于國內(nèi)小麥耐鹽性品種培育的小麥種質(zhì)資源依然有限。本研究以引自國際玉米小麥改良中心的春小麥為試驗材料，從中篩選獲得綜合耐鹽性優(yōu)于對照青麥6號的小麥種質(zhì)4份，分別為cm58、cm163、cm439和cm440，這些小麥種質(zhì)均可作為耐鹽主效基因位點發(fā)掘和耐鹽小麥新品種培育的優(yōu)異種質(zhì)，值得深入研究。

圖1 39份小麥種質(zhì)的芽期和苗期綜合耐鹽性聚類分析

3.2 小麥耐鹽性綜合評價

植株的發(fā)芽率、生長形態(tài)，包括幼苗根長、苗長等是植物對鹽脅迫適應(yīng)能力的綜合體現(xiàn)。在小麥耐鹽鑒定指標(biāo)選擇方面，張巧鳳等[9]選擇相對鹽害指數(shù)、相對根長和相對苗長作為鑒定指標(biāo)對293份小麥種質(zhì)的芽期和苗期的耐鹽性進行了鑒定；喬 佩等[8]選擇發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽長、相對根/苗長和芽/根鮮(干)重等作為鑒定指標(biāo)對誘變小麥種質(zhì)芽期和苗期的耐鹽性進行鑒定；曹俊梅等[16]選擇根長、葉長等指標(biāo)對11份小麥品種苗期的耐鹽性進行了鑒定；于 亮等[17]在苗期選擇出苗率、相對株高、相對根長作為耐鹽性檢測指標(biāo)。綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，小麥根部耐鹽性形態(tài)研究主要選擇相對根長為主要鑒定指標(biāo)，且一般選擇主根。楊 婷等[18]研究發(fā)現(xiàn)，非鹽脅迫下側(cè)根長和側(cè)根數(shù)較鹽脅迫下分別增加了206.2%和 237.8%。本研究利用LA-S植物根系分析儀掃描植株根系，認為總根長、根體積、根表面積和根尖數(shù)4個指標(biāo)可用于鑒定苗期耐鹽性，所測總根長不但包括主根長還包含所有側(cè)根長，能從根的整體形態(tài)上分析其耐鹽性，其結(jié)果更具代表性和說服力。另外，將作物干旱脅迫易感指數(shù)[19-20]引入小麥耐鹽鑒定試驗，作為小麥鹽脅迫鑒定指標(biāo)，有效鑒定了小麥苗期鹽脅迫程度。

20世紀(jì)40年代以來，國內(nèi)外學(xué)者探索使用單一指標(biāo)分析法和多個指標(biāo)綜合分析法對小麥耐鹽性進行評價。單一指標(biāo)分析法是采用單一指標(biāo)，例如鹽害指數(shù)[5,10]、相對鹽害率[7]等方法評價小麥的耐鹽性。該方法因篩選指標(biāo)單一具有快速便捷的優(yōu)點，適用于大量材料的初級篩選，但不能全面評價小麥的耐鹽性。多個指標(biāo)綜合分析法主要包括指標(biāo)排序法[21]、打分法[22]、隸屬函數(shù)法[9,23]和主成分分析法[23]等。目前被廣泛應(yīng)用的有隸屬函數(shù)法和主成分分析法，這2種方法的聯(lián)合使用能有效避免因評價指標(biāo)之間的相關(guān)性而造成耐鹽性評價存在偏差，使耐鹽性評價更全面[23]。本研究先通過相對鹽害指數(shù)對417份材料進行快速初步篩選，獲得39份芽期耐鹽性較好的材料，然后運用主成分分析法將總根長SSI值作為根系耐鹽性的唯一指標(biāo)，最后，將總根長SSI值、相對鹽害指數(shù)和相對苗長的隸屬函數(shù)綜合值作為耐鹽評價綜合指標(biāo)，對39份小麥種質(zhì)進行聚類分析，從中篩選鑒定出了4個綜合耐鹽性較好的小麥材料，為改良現(xiàn)有小麥品種的耐鹽性提供了資源。