高粱品種萌發(fā)期耐鹽性篩選與鑒定

徐曉雪，孫 飛，肖夢穎，張瑞棟，周宇飛，黃瑞冬

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

中國鹽堿地面積約為9.9×107hm2，且有呈逐年增加的趨勢[1]。鹽堿脅迫會抑制作物的生長，使作物的產(chǎn)量和品質(zhì)降低[2，3]。鹽脅迫對作物萌發(fā)期生長發(fā)育的影響已有較多研究。低濃度的鹽對種子的萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用，但隨著鹽濃度的增高，種子的萌發(fā)會受到一定程度的抑制。楊霄乾等發(fā)現(xiàn)，用NaCl處理番茄種子，隨著鹽濃度的增加，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、耐鹽指數(shù)均呈下降的趨勢[4]。在谷子[5]、玉米[6]等作物上也有相似的研究結(jié)果。此外，鹽脅迫不僅會影響作物的滲透調(diào)節(jié)，還會損傷作物光合系統(tǒng)，影響細(xì)胞膜透性，產(chǎn)生離子毒害等直接影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[7-9]。

高粱具有耐鹽堿、耐貧瘠等特點(diǎn)，適宜在鹽堿地等邊際土地上種植[10，11]。雖然高粱具有較強(qiáng)的耐鹽特性，但是不同的高粱品種，不同生育時期對鹽脅迫的耐受力不盡相同，萌發(fā)期是高粱對鹽脅迫較為敏感的時期之一[12]。本試驗(yàn)以12份不同的高粱雜交種為試材，采用NaCl溶液進(jìn)行脅迫，研究不同高粱雜交品種萌發(fā)期的耐鹽性并篩選耐鹽性較強(qiáng)的高粱品種，對高粱萌發(fā)期的各個耐鹽指標(biāo)進(jìn)行綜合性評價，以期為高粱的耐鹽種質(zhì)資源開發(fā)以及耐鹽堿栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 供試材料及來源

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

于人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)。高粱種子用5%的次氯酸鈉進(jìn)行浸泡消毒，然后用蒸餾水將種子表面的次氯酸鈉清洗干凈，將消毒后的種子放于鋪有吸水紙的培養(yǎng)皿(直徑150 mm)中進(jìn)行發(fā)芽，每個培養(yǎng)皿中放置25粒高粱種子。以金糯1號、龍雜18號、晉雜34號、遼粘3號和錦雜100為材料進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，采用0(ck)、50、100、150、200 mmol·L-1NaCl進(jìn)行脅迫處理，測定發(fā)芽率和根長、芽長等指標(biāo)。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，150 mmol·L-1NaCl脅迫下各品種間的性狀指標(biāo)差異最顯著，因此，本試驗(yàn)以150 mmol·L-1NaCl濃度作為高粱萌發(fā)期耐鹽性鑒定的鹽濃度。將待試種子分別置于加入10 mL鹽溶液和蒸餾水的培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)，每個處理設(shè)置3次重復(fù)。氣候箱設(shè)定溫度為(25±2)℃，濕度為(60±5)%，光照時間為08：00—20：00時，光強(qiáng)設(shè)置為320μmol·(m2·s)-1。培養(yǎng)第3天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，統(tǒng)計至第10天，測量高粱的芽鮮重、芽干重、芽長、根鮮重、根干重、根長。

式中，X3為第3天種子發(fā)芽數(shù)；X10為第10天種子發(fā)芽數(shù);X為供試種子總數(shù)；Xt為第t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法及軟件

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法、主成分分析、聚類分析對高粱的發(fā)芽指標(biāo)相對值分別進(jìn)行處理。

式中，A為某一品種某一指標(biāo)的相對值；Amax為該指標(biāo)的最大值；Amin為該指標(biāo)的最小值。

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下不同高粱品種萌發(fā)性狀的變化

對鹽脅迫下的12個高粱品種萌發(fā)期的根長、芽長、根鮮重、芽鮮重等9個指標(biāo)進(jìn)行測量(表2)，12個高粱雜交品種鹽脅迫后的性狀值幾乎都小于對照。根長的范圍一般為3.62～13.66 cm，芽長的范圍一般為6.15～10.23 cm，單株根鮮重的范圍一般為19.83～51.46 mg，單株芽鮮重的范圍一般為51.17～78.97 mg，單株根干重的范圍一般為1.93～8.21 mg，單株芽干重的范圍一般為4.18～9.56 mg，發(fā)芽勢的范圍一般為26.00%～91.00%，發(fā)芽率的范圍一般為34.00%～91.00%，發(fā)芽指數(shù)的范圍一般為11.88～39.05。鹽脅迫后，龍米梁1號、金糯1號的芽鮮重較對照差異不顯著，錦雜100的芽長、根長與對照無顯著差異，而龍雜10號的各指標(biāo)與對照間均存在極顯著差異水平，龍雜17號的芽鮮重與對照存在顯著差異水平，其余各指標(biāo)較對照極顯著下降。各指標(biāo)下降幅度在不同品種、不同指標(biāo)間存在差異。

對各萌發(fā)指標(biāo)的相對值進(jìn)行分析(表3)。相對發(fā)芽率的最大值為107.81%，最小值為42.85%；相對發(fā)芽勢的最大值為109.52%，最小值為32.65%；相對發(fā)芽指數(shù)的最大值為110.81%，最小值為39.12%；相對芽鮮重的最大值為98.09%，最小值為65.97%；相對芽干重的最大值為91.55%，最小值為52.83%；相對芽長的最大值為91.84%，最小值為59.12%；相對根鮮重的最大值為93.78%，最小值為42.71%；相對根干重的最大值為95.24%，最小值為62.84%；相對根長最大值為83.15%，最小值為31.96%。龍米粱1號和錦雜106各項(xiàng)指標(biāo)的相對值均比較大，表現(xiàn)出較好的耐鹽性，金糯1號除了相對根長和相對根鮮重外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好。除此之外，一些品種的各項(xiàng)指標(biāo)較小，表現(xiàn)出對鹽脅迫比較敏感的特性，如遼雜37號的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率和多個生長指標(biāo)的相對值均較小，遼粘3號除了相對根長外，其余指標(biāo)的相對值均表現(xiàn)較小，耐鹽性較弱。

表2 鹽脅迫下不同高粱品種的萌發(fā)性狀

表3 鹽脅迫下高粱品種各萌發(fā)性狀的相對值 單位：%

2.2 鹽脅迫下高粱品種的耐鹽性評價

利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對鹽脅迫下12個高粱品種的耐鹽性進(jìn)行綜合評價，將同一品種的不同性狀相對值的隸屬值相加后計算隸屬平均值，隸屬值的平均值越大，耐鹽性越強(qiáng)。由表4可以看出，龍米粱1號的隸屬值最高，達(dá)到0.93，在12個品種中耐鹽性最強(qiáng)，錦雜106和金糯1號的隸屬值也較高，分別為0.70和0.66，耐鹽性較強(qiáng)，遼粘3號的隸屬值最低，為0.12，耐鹽性較弱。

表4 高粱品種在鹽脅迫下各生長指標(biāo)相對值的隸屬值

表5 鹽脅迫下各性狀隸屬平均值的相關(guān)系數(shù)

2.3 鹽脅迫下高粱幼苗各指標(biāo)隸屬平均值的相關(guān)性分析

對鹽脅迫下高粱萌發(fā)各性狀的隸屬平均值進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)，多數(shù)性狀間都表現(xiàn)為顯著或極顯著相關(guān)。其中，芽鮮重與芽干重，發(fā)芽勢與發(fā)芽率的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)0.96，表現(xiàn)為極顯著相關(guān)；芽鮮重與根干重之間的相關(guān)系數(shù)為0.93；根干重與芽干重之間的相關(guān)系數(shù)為0.86；根干重與發(fā)芽勢間的相關(guān)系數(shù)為0.73；根干重與發(fā)芽率間的相關(guān)系數(shù)為0.74，均達(dá)極顯著相關(guān)。發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽率、發(fā)芽勢之間也呈極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.83、0.88。芽鮮重、根干重、芽干重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)與總隸屬平均值達(dá)極顯著正相關(guān)，其中發(fā)芽率的相關(guān)系數(shù)最高為0.88，芽鮮重和芽干重次之，相關(guān)系數(shù)均為0.86，發(fā)芽勢第三，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.85。

2.4 高粱品種耐鹽性的主成分分析

主成分分析法可以將多個實(shí)測變量簡化為較少變量，是一種降維、簡化數(shù)據(jù)的方法。主成分分析法既簡化了數(shù)據(jù)，又能體現(xiàn)變量間的相關(guān)性。對12個高粱品種9個性狀指標(biāo)的相對值進(jìn)行主成分分析(表6)，將原來的9個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為3個新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率為88.252%，代表了原來9個指標(biāo)的大部分信息。3個主成分在9個高粱性狀指標(biāo)的載荷量，反映了主成分與高粱性狀指標(biāo)的相關(guān)性(表7)。

表6 3個主成分的特征根值以及貢獻(xiàn)率

表7 各因子載荷矩陣

第Ⅰ主成分的貢獻(xiàn)率為54.047%，該主成分在發(fā)芽率和發(fā)芽勢中的載荷較大，說明第Ⅰ主成分主要反映了高粱的萌發(fā)狀況。

第Ⅱ主成分的貢獻(xiàn)率為21.671%，該主成分在根干重、根鮮重中載荷較大，說明第Ⅱ主成分主要反映了高粱的根部生長狀況。

第Ⅲ主成分的貢獻(xiàn)率為12.504%，該主成分在芽干重和芽鮮重中的載荷較大，說明第Ⅲ主成分主要反映了高粱芽部的生長狀況。

由于前3個主成分反映了原來9個單項(xiàng)指標(biāo)88.252%的信息，可對高粱的耐鹽性進(jìn)行評價，而且發(fā)芽率、根干重和芽干重分別在高粱的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ主成分中所占載荷量最大，因此可以將這3個指標(biāo)作為篩選與評價高粱耐鹽性的主要指標(biāo)。

2.5 12個高粱品種的耐鹽性聚類分析

對各高粱品種的平均隸屬值進(jìn)行聚類分析(圖1)。將12個高粱品種按照耐鹽性強(qiáng)弱分為4個類群。

第Ⅰ類群，只有龍米梁1號，該品種各指標(biāo)的相對值均較高，屬于高度耐鹽品種。

第Ⅱ類群，包括錦雜106、金糯1號、錦雜100、龍雜17號、龍雜18號，這一類群各性狀指標(biāo)的相對值比較居中，因此可認(rèn)定該類群為耐鹽品種。

第Ⅲ類群，錦雜109，龍雜16號、龍雜10號、遼雜37號、晉雜34號。這一類群各性狀指標(biāo)的相對值比較低，因此可認(rèn)定該類群為鹽敏感品種。

第Ⅳ類群，只有遼粘3號，該品種各項(xiàng)性狀指標(biāo)的相對值最低，屬于高度鹽敏感品種。

注：編號1、2、3……為12個品種隸屬函數(shù)平均值降序排序。圖1 12個高粱品種耐鹽性的聚類分析

3 討論與結(jié)論

土壤鹽漬化是影響作物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的因素之一，雖然各地的鹽漬化土壤鹽分組成比例有所不同，但均大量含有NaCl[13]，因此本試驗(yàn)選用NaCl作為鹽脅迫較為合理且具有代表性。不同高粱品種其耐鹽性有所不同，不同生育時期的耐鹽性也不盡相同，萌發(fā)期是高粱對鹽脅迫較為敏感的時期。鹽脅迫對不同萌發(fā)指標(biāo)的影響也各不相同，單一的指標(biāo)對高粱耐鹽性的評價并不全面，因此應(yīng)結(jié)合多個性狀指標(biāo)來全面的進(jìn)行高粱耐鹽性評價。隸屬函數(shù)法可以對作物的多個生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，利用該方法評測作物抗逆性的強(qiáng)弱，可克服單一指標(biāo)評價的片面性。柴媛媛等[20]利用隸屬函數(shù)法對NaCl脅迫下甜高粱種子的發(fā)芽指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。高雪等[21]測定鹽脅迫下甜高粱孕穗期的生理指標(biāo)及酶活性，并通過隸屬函數(shù)法評價5個甜高粱品系的耐鹽性。可以判斷出隸屬函數(shù)法是評價高粱耐鹽性的有效方法之一[22]。本試驗(yàn)采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對12個雜交高粱品種的耐鹽性進(jìn)行綜合評價排序，并對其隸屬平均值進(jìn)行聚類分析，將12個高粱品種分為四大類，結(jié)果表明，耐鹽性最強(qiáng)的品種為龍米粱1號，遼粘3號的耐鹽性最差。龍米粱1號的各項(xiàng)指標(biāo)在150 mmol·L-1NaCl脅迫下均表現(xiàn)較好，尤其是根部生長因子，龍米粱1號可能通過根系的適應(yīng)性來抵抗鹽脅迫，其具體作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

鮮重、干重、株高、根長和萌發(fā)因子等指標(biāo)是判斷作物耐鹽性強(qiáng)弱的有效指標(biāo)[23]。本試驗(yàn)通過測定高粱的鮮重、干重、根長、芽長、發(fā)芽率和發(fā)芽勢等指標(biāo)，將12個高粱品種的9個性狀指標(biāo)的相對值進(jìn)行主成分分析，將原來的9個鑒定指標(biāo)轉(zhuǎn)化為3個新的獨(dú)立綜合指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)萌發(fā)因子與高粱耐鹽性的相關(guān)性最高，其次為根部生長因子和芽部生長因子。其中，萌發(fā)因子中負(fù)荷量最大的指標(biāo)為發(fā)芽率、根部生長因子中負(fù)荷量最大的指標(biāo)為根干重、芽部生長因子中負(fù)荷量最大的指標(biāo)為芽干重，因此認(rèn)為可以將發(fā)芽率、根干重和芽干重作為鑒定與篩選高粱萌發(fā)期耐鹽性強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。孫璐的研究認(rèn)為，根長、葉重、發(fā)芽率可作為判斷高粱萌發(fā)期耐鹽性鑒定的主要指標(biāo)，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致[24]。王明泉等認(rèn)為，發(fā)芽勢、苗干重等可作為鑒定玉米自交系苗期耐鹽性的指標(biāo)[25]。牛遠(yuǎn)等研究認(rèn)為，下胚軸長、根鮮重和鮮生物量可作為大豆芽期耐鹽性鑒定的主要指標(biāo)[26]。孫東雷等研究表明，可以用相對含水量和鮮重來鑒定花生萌發(fā)期的耐鹽性[27]。本研究結(jié)果與之相似，但也有不同之處，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)材料、生育時期以及耐鹽性的鑒定方法有所不同。此外，本試驗(yàn)主要針對的是高粱萌發(fā)期的耐鹽性篩選，而鹽害通常會伴隨作物的整個生育時期，所以高粱其他生育時期的耐鹽性仍需進(jìn)一步研究。