120份辣椒種質(zhì)資源苗期耐鹽性研究

張濤，劉勇鵬，韓婭楠，常曉軻，宋丹陽，姚秋菊

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學園藝學院，河南 鄭州 450002；3.漯河市農(nóng)業(yè)科學院，河南 漯河 462000)

辣椒(CapsicumannuumL.)為茄科辣椒屬植物，一年或多年生草本植物。原產(chǎn)于中南美洲熱帶地區(qū)。明朝末年經(jīng)絲綢之路和海路傳入中國。果實富含Vc、辣椒素等營養(yǎng)物質(zhì)，顏色由未成熟時的綠色變?yōu)榧t色或黃色，可鮮食、干制、加工，供食用和藥用，其中維生素 C的含量在蔬菜中居第一位，在國際市場上享有盛譽[1]。辣椒在世界各地廣泛種植，種植面積在蔬菜作物中排名第2。中國是辣椒的生產(chǎn)和消費大國，由于種植效益高，深受農(nóng)民喜愛，已成為脫貧致富的主要經(jīng)濟作物。據(jù)統(tǒng)計，中國辣椒種植面積約有200萬hm2，約占全球種植總面積的30%以上，產(chǎn)量更是接近全球總產(chǎn)量的50%[2-3]。當前由于過量施用化肥，特別是過度偏施 N、P 肥及設施農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，中國含鹽量超出正常水平的土地面積約為 3 460萬hm2，鹽堿化耕地760萬hm2，并且每年都在不斷遞增，給辣椒高效生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[4]。研究表明，植物對鹽脅迫的適應性反應是一個非常復雜的生理生態(tài)學問題，是綜合性的反應[5]。鹽脅迫下植物引起生理干旱，導致根系吸水困難，根系不發(fā)達，其次破壞植物的正常生理代謝，使植物呼吸消耗增多，光合速率降低，植株矮小、病害加重等。因此，提高作物的耐鹽性已經(jīng)成為當前作物育種的一個主攻方向[6-7]。挖掘辣椒物質(zhì)本身的耐鹽能力，篩選培育耐鹽品種，建立科學而高效的耐鹽性評價方法是極其必要的[8]。在植物耐鹽性鑒定方面較多采用多指標主成分分析的隸屬函數(shù)法對品種耐鹽性進行綜合評價，該方法在水稻[9]、甜菜[10]、小麥[11-12]等多種植物上得到廣泛應用，而在辣椒幼苗期耐鹽性快速評價方面相關報道較少[13]。以150 mmol·L-1NaCl溶液為主鹽分脅迫的研究在辣椒苗期上已有報道[14-15]，經(jīng)NaCl脅迫后，辣椒幼苗的地上與地下生長量都呈現(xiàn)下降的趨勢，鹽濃度越高，相對生長量越小，對幼苗生長的脅迫越嚴重。本研究以辣椒栽培品種為試材，設置濃度為150 mmol·L-1NaCl營養(yǎng)液對辣椒苗期進行鹽脅迫處理，測定苗期的主要農(nóng)藝性狀指標，通過多指標相關性及各指標脅迫系數(shù)主成分分析，采用隸屬函數(shù)法、聚類分析篩選出耐鹽性較強的品種，也為辣椒品種的耐鹽性苗期快速評價提供科學支撐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及編號

供試的120份辣椒種子由河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所提供。辣椒品種(系)及編號及名稱見表1。

表1 供試辣椒品種(系)Table 1 Pepper varieties (lines) tested

續(xù)表 供試辣椒品種(系)Continuing table Pepper varieties (lines) tested

1.2 試驗設計

120份辣椒種子進行催芽處理后在河南農(nóng)業(yè)大學第三生活區(qū)溫室內(nèi)進行。先用72孔穴盤，采用蛭石進行育苗，長到三葉一心后，選取生長一致的30株，栽入2個15孔穴盤內(nèi)，其中15株正常灌施(1/2 Hoagland 營養(yǎng)液)當作對照，另外15株在營養(yǎng)液中(1/2 Hoagland 營養(yǎng)液中加150 mmol·L-1NaCl溶液100 mL)灌溉，進行鹽脅迫處理。每隔5 d灌施一次。

1.3 測定指標與方法

在鹽脅迫處理第30天，測定各品種幼苗葉片數(shù)、綠葉數(shù)、株高、莖粗、地上部和地下部干鮮質(zhì)量，根體積、根總表面積、根系平均直徑、根總長等生物量。

幼苗葉片數(shù)、綠葉數(shù)直接采用觀察法計數(shù)；株高為苗基部到植株生長點的高度，用直尺測量；莖粗為苗基部位置，用數(shù)顯游標卡尺測量；地上部和地下部鮮質(zhì)量，用千分之一電子天平測量；地上與地下部干質(zhì)量，將地上部及地下部于105 ℃烘箱中殺青15 min，然后在 80 ℃的烘箱中烘48 h，用千分之一電子天平測量；根系總長度、根體積、根直徑、根表面積的測定，利用根系掃描儀(Epson，Long Beach，USA)進行測量。

相對值=(鹽脅迫處理值/正常對照值)×100%；

脅迫系數(shù)=(正常對照值-脅迫處理值)/正常對照值×100%；

變異系數(shù)=標準差/均值×100%；

隸屬函數(shù)值X′ij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

式中：X′ij為i種類j指標的隸屬函數(shù)值，Xij為i種類j指標的測定值，Xjmax、Xjmin分別為指標的最大值和最小值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用WPS表格計算各指標相對值、脅迫系數(shù)及相對隸屬函數(shù)值，用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件對脅迫系數(shù)的相對隸屬函數(shù)值進行主成分分析、聚類分析處理。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫下辣椒苗期相關農(nóng)藝性狀差異分析

由表2可知，與對照處理相比，鹽脅迫下辣椒苗期株高、莖粗、葉片數(shù)、綠葉數(shù)、地上鮮質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下干質(zhì)量、總根長、根表面積、根體積、根系平均直徑12個農(nóng)藝性狀指標的平均值均顯著降低，其中，對鹽脅迫響應最為敏感的性狀為地下鮮質(zhì)量、地下干質(zhì)量、地上干質(zhì)量、根總體積、綠葉數(shù)，脅迫系數(shù)分別高達43.14%、37.29%、37.11%、34.40%和30.48%。此外，除了株高、莖粗的脅迫系數(shù)為8.39%、3.64%外，其他指標的脅迫系數(shù)均在10%以上。鹽脅迫下辣椒苗期12個農(nóng)藝性狀在品種(系)間的變異幅度均較大，其中在鹽脅迫處理下，地上鮮質(zhì)量和地上干質(zhì)量的變異系數(shù)最大，達51.31%和53.18%，其他性狀變異系數(shù)也均在10%以上，表明這些性狀對鹽脅迫較為敏感，辣椒苗期在耐鹽方面存在顯著差異，為耐鹽品種(系)的篩選提供了依據(jù)。

表2 鹽脅迫下辣椒苗期生長發(fā)育的差異Table 2 Differences in growth and development of pepper seedlings under salt stress

2.2 鹽脅迫下辣椒苗期各農(nóng)藝性狀主成分分析

由表3和表4可知，采用主成分分析綜合得分法，將原來的12個農(nóng)藝性狀的相對變化值(脅迫系數(shù))構建原始數(shù)據(jù)矩陣，經(jīng)過數(shù)據(jù)標準化處理，按其貢獻率大小選擇主成分個數(shù)可知：前3個主成分累計貢獻率達63.171%，特征值總和為7.580，可以代表供試材料12個指標的絕大部分信息及耐鹽能力的差異。主成分1中，方差貢獻率為27.536%，根系特征貢獻率較大，由大到小依次為根系平均直徑、根系總表面積、根系總體積、總根長；主成分2中，方差貢獻率為23.329%，株高、地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量特征貢獻率較大，由大到小依次為地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、株高；主成分3中，方差貢獻率為12.307%，莖粗、綠葉數(shù)、葉片數(shù)、地下鮮質(zhì)量特征貢獻率較大，由大到小依次為：綠葉數(shù)、葉片數(shù)、地下鮮質(zhì)量、莖粗。

表3 鹽脅迫下辣椒苗期農(nóng)藝性狀的主成分特征值和貢獻率Table 3 Eigenvalues and variance contributions ofthe principal components of pepper agronomic traits at seedling stage under salt stress

表4 鹽脅迫下辣椒苗期農(nóng)藝性狀各綜合指標的系數(shù)Table 4 The contribution rate of comprehensive index of pepper agronomic traits at seedling stage under salt stress

2.3 鹽脅迫下120份辣椒種質(zhì)資源平均隸屬函數(shù)分析

由表5可知，利用隸屬函數(shù)對總根長、根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑、株高、莖粗、葉片數(shù)、綠葉數(shù)、地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量11個農(nóng)藝性狀的脅迫系數(shù)進行平均隸屬函數(shù)綜合評價排名。其中耐鹽性排名前10的品種為PC135、PC298-1-1、PC66、PC361F3、PY28、PC308、PC287、PC45、PC41-7、P295，平均隸屬函數(shù)值為0.839 1、0.873 6、0.870 8、0.864 9、0.863 0、0.858 2、0.857 4、0.846 1、0.845 1、0.834 8 ；后10的品種為PC107-1、PC17-7-1-1、PY351、PC200-2、P351、PC320-1、PC341F3-1、PC32-1、PC115-1、PC323F3，平均隸屬函數(shù)值為0.583 9、0.577 0、0.571 6、0.550 8、0.544 3、0.539 3、0.537 2、0.517 5、0.507 0、0.478 6 。

表5 鹽脅迫下辣椒苗期農(nóng)藝性狀隸屬函數(shù)分析Table 5 Membership function analysis of agronomic characters of pepper seedling under salt stress

續(xù)表 鹽脅迫下辣椒苗期農(nóng)藝性狀隸屬函數(shù)分析Continuing table Membership function analysis of agronomic characters of pepper seedling under salt stress

續(xù)表 鹽脅迫下辣椒苗期農(nóng)藝性狀隸屬函數(shù)分析Continuing table Membership function analysis of agronomic characters of pepper seedling under salt stress

2.4 鹽脅迫下120份辣椒種質(zhì)資源聚類分析及篩選

將3個主成分決定指標(總根長、根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑、株高、葉片數(shù)、地上鮮質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、莖粗、綠葉數(shù))的脅迫系數(shù)利用隸屬函數(shù)消除量綱差異，進行歸一化處理，然后采用 Ward 法的歐氏距離衡量不同品種(系) 耐鹽能力差異大小。以取得的隸屬函數(shù)值對120份辣椒種質(zhì)資源進行聚類分析，由圖1所示，在歐式距離為10：00時將120份辣椒種子資源分為5類，并根據(jù)5類材料的平均隸屬函數(shù)值將其劃分極強、強、中、弱、極弱5個等級。Ⅰ類為耐鹽性極強品種，分別有豫櫻1號、豫椒101、P24-7、P174、P295、P305、P358、PC26-4、PC41-7、PC45、PC66、PC70-17、PC86-2、PC99、PPC110-1-1、C113-1-3、PC135、PC195、PC219-1、PC231、PC237-3、PC241、PC282、PC287、PC289-2、PC298-1-1、PC308、PC329、PC308、PC315、PC334、PC340F3、PC34-19、PC352F3、PC361F3、PY28，共34份；Ⅱ類為耐鹽性強品種，P59-25、P296、P300、P302、P312、P338、P356、PC17-7-1-1、PC18-9、PC19、PC28、PC36-4、PC39-28、PC41-29、PC44、PC47-1、PC68、PC73-2、PC96、PC112-1、PC213、PC215、PC221-1、PC236-2、PC242-2-1、PC246、PC267-1、PC270、PC281-1、PC312、PC315、PC318-2、PC328、PC335F3-1、PC336F3-2、PC338-1、PC339F3、PC342F3、PC347F3、PC348F3、PC351-1、PC352-1、PC35-23-1、PC353F3、PC356F3、PC359F3、PC362F3、PY48、PY352、PY353，共50份；Ⅲ類為中耐鹽性品種，主要有P336、P354、PC56、PC77、PC79、PC88、PC102-1、PC107-1、PC200-2、PC210、PC247-1、PC268-1、PC277、PC285-1、PC307、PC311F3-1、PC320-1、PC324F3，共計18份種質(zhì)資源；Ⅵ類為耐鹽性弱品種，主要有P355、PC30-2、PC32-1、PC111、PC162、PC236-3、PC266、PC284-1-1、PC319、PC330F3-1、PC349F3，共計11份種質(zhì)資源；Ⅴ類為耐鹽性極弱品種，主要有P351、PC58、PC115-1、PC323F3、PC325F3、PC341F3-1、PY351，共計7份種質(zhì)資源。

圖1 鹽脅迫下辣椒苗期隸屬函數(shù)值的聚類樹形圖Fig.1 Arborescence of cluster analysis of pepper seedling subordinate function value under salt stress

3 結論與討論

植物耐鹽性是一個受多種因素控制的復雜農(nóng)藝性狀，對植物生長的影響涉及離子毒害、滲透脅迫等眾多生理生化的綜合反應，且品種不同對鹽脅迫的敏感程度和耐鹽能力也不同[16-18]。武文珺等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在NaCl脅迫下株高、莖粗、鹽害指數(shù)在不同朝天椒品種間表現(xiàn)差別明顯，可參考此指標以評價品種的耐鹽性；洪茵恬等[20]研究也發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫對線辣椒總根長、總根表面積、平均根系直徑、總根體積等有顯著的影響，且不同品(系)種間差異明顯，可以作為耐鹽性評價指標；本研究通過對鹽脅迫下辣椒苗期12個農(nóng)藝性狀進行差異性分析得到的結果此結果一致，12個農(nóng)藝性狀在品種(系)間變異系數(shù)均在10%以上，這為耐鹽品種(系)的篩選提供了依據(jù)。采用主成分分析綜合得分法，將原來的12個生長性狀脅迫系數(shù)按其貢獻率大小可轉換為3個主成分11個性狀決定指標，累計貢獻率達63.171%，代表供試材料的絕大部分信息及耐鹽能力的差異；王勤禮等[21]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫對辣椒根系生長較地上部莖葉生長更為敏感，這與主成分1中，根系特征貢獻率較大的結果相一致。赫衛(wèi)等[22]研究表明，農(nóng)藝性狀的鑒定和描述具有直觀、簡便、易行、快速的特點，可以利用相關性分析、主成分分析和聚類分析等多元分析方法，能很好地處理大量復雜數(shù)據(jù)，找出規(guī)律，指導育種；本研究利用隸屬函數(shù)對各品種的性狀指標脅迫系數(shù)歸一量化，通過聚類分析將120份種質(zhì)資源分成5類，按照平均隸屬函數(shù)值大小分為:Ⅰ類為耐鹽性極強品種(24份)、Ⅱ類為耐鹽性強品種(25份)、Ⅲ類為中耐鹽性品種(23份)、Ⅵ類為耐鹽弱品種(41份)、Ⅴ類為耐鹽性極弱品種(7份)，同時排名篩選出耐鹽性前10的品種，為PC135、PC298-1-1、PC66、PC361F3、PY28、PC308、PC287、PC45、PC41-7、P295，這為選育耐鹽性強的辣椒品種提供一定的耐鹽種質(zhì)資源。

目前辣椒幼苗期耐鹽基因型篩選指標仍缺乏統(tǒng)一的標準，相關的研究也比較少，不同研究者評價和鑒定耐鹽能力的指標也不一致。本試驗根據(jù)辣椒幼苗期12個耐鹽性相關農(nóng)藝性狀的脅迫系數(shù)，利用主成分分析選出具有顯著性差異的11個性狀指標，其中株高、地下鮮質(zhì)量、根體積3個耐鹽指標與李曉芬等[23]利用多元方差分析選出具有顯著性差異的決定相對指標性狀上結果一致，與郭春蕊等[24]研究表明，株高、根長、地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量不宜作為辣椒苗期耐鹽評價的指標，只做一般性參考，結果不一致。植物的生長量是植物對鹽脅迫的綜合體現(xiàn)及對鹽脅迫的綜合適應，其中苗期的生長量最能代表植物各品種間的耐鹽性狀差異[25-27]。本研究對辣椒幼苗期的生長量進行主成分綜合評價能快速有效鑒定出高耐鹽材料和相對鹽敏感材料，為下一步將要進行的全生育期田間試驗耐鹽優(yōu)質(zhì)品種的篩選提供參考依據(jù)，也為后續(xù)通過基因克隆、轉基因育種等方法培育優(yōu)質(zhì)辣椒新品種提供重要基因資源。