玉米自交系萌發(fā)期耐鹽性鑒定

段雅娟 曹士亮 于 滔 李文躍 楊耿斌 王成波 劉寶民 劉長華

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，150080，黑龍江哈爾濱；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，150086，黑龍江哈爾濱）

鹽堿土地面積約占世界陸地面積的25%以上，我國鹽堿土地總面積接近1億hm2[1-2]。不科學(xué)的耕作模式和施肥方式等造成了耕地次生鹽漬化日益嚴重，土壤鹽漬化已經(jīng)成為抑制作物增產(chǎn)的重要因素之一[3]。

玉米是我國主要的糧食作物之一，對保障國家糧食安全具有重大意義[4]。玉米屬于鹽敏感作物，特別是在萌發(fā)期受到土壤鹽脅迫會延遲出苗時間、降低發(fā)芽率和影響?zhàn)B分吸收等，最終造成玉米根系生長受損及產(chǎn)量、品質(zhì)下降[5-7]。研究[8]表明，探究玉米現(xiàn)有種質(zhì)資源耐鹽性鑒定標(biāo)準(zhǔn)，培育耐鹽、抗鹽玉米品種是應(yīng)對土壤大面積鹽堿化最經(jīng)濟有效的途徑。有關(guān)玉米種質(zhì)的耐鹽性研究較多，于瑩等[9]研究表明，隸屬函數(shù)均值是玉米耐鹽鑒定的重要指標(biāo)之一，均值越高其耐鹽性越強；鄧杰等[10]研究表明，玉米自交系萌發(fā)期耐鹽性與玉米的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長、胚芽長、胚根鮮重和胚芽鮮重等性狀都呈顯著或者極顯著的正相關(guān)；付艷等[11]研究表明，NaCl溶液濃度為250mmol/L可作為玉米苗期耐鹽性鑒定的適宜濃度，且能夠較好地反映出不同自交系的耐鹽性差異；王秀華等[12]研究表明，耐鹽綜合評價指數(shù)（D值）與各指標(biāo)耐鹽指數(shù)的隸屬函數(shù)值均呈極顯著正相關(guān)，說明D值可以作為各玉米品種耐鹽能力綜合評價的指標(biāo)。而關(guān)于玉米萌發(fā)期耐鹽性鑒定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，因此，本研究以390份玉米自交系為試驗材料，研究10個與玉米萌發(fā)期耐鹽性密切相關(guān)的指標(biāo)，并進行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析，探尋玉米萌發(fā)期耐鹽性鑒定和評價的指標(biāo)，篩選出萌發(fā)期耐鹽性高的玉米種質(zhì)資源，為培育耐鹽玉米新品種提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020年10-12月進行，以黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供的390份玉米自交系為材料，編號設(shè)為1～390。

1.2 試驗方法

在390份玉米自交系中分別選取飽滿粒大的種子，用0.5% NaClO溶液消毒10min，再用蒸餾水沖洗3次；然后將種子分別泡在0和250mmol/L的NaCl溶液中12h，得到鹽脅迫種子。

采用恒溫恒濕培養(yǎng)箱（溫度20℃～25℃，濕度75%）進行暗發(fā)芽培養(yǎng)。設(shè)置0（對照）和250mmol/L NaCl溶液2個處理，3次重復(fù)。將鹽脅迫種子分別置于以蛭石為基質(zhì)的發(fā)芽盒中；4d后，統(tǒng)計種子4d生根率和發(fā)芽率；7d后，統(tǒng)計種子7d生根率、發(fā)芽率、根鮮重、芽鮮重、根干重、芽干重、根長和芽長。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.3.1 相關(guān)性分析 采用SPSS 19進行方差基本統(tǒng)計量及相關(guān)性分析。

1.3.2 主成分分析 用公式（1）計算隸屬函數(shù)值，

其中，Xj表示第j個綜合指標(biāo)；Xmin表示某自交系第j個綜合指標(biāo)的最小值；Xmax表示第j個綜合指標(biāo)的最大值，U(Xj)為第j個綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值[13]。用公式（2）計算指標(biāo)權(quán)重。

其中，Wj表示第j個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度，即權(quán)重；Pj為各材料第j個綜合指標(biāo)的貢獻率[14]。

用公式（3）計算耐鹽綜合評價指數(shù)（D值）[15]，

1.3.3 聚類分析 根據(jù)D值用R語言的hclust函數(shù)進行系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米萌發(fā)期耐鹽指標(biāo)分析

390份玉米自交系的 10個萌發(fā)期耐鹽指標(biāo)結(jié)果見表1。由表1可知，鹽脅迫對不同指標(biāo)的影響存在差異，且10個指標(biāo)表現(xiàn)差異較大，其中4d發(fā)芽率的變異系數(shù)最大，為170.04%，其次為4d生根率的變異系數(shù)（71.25%），而根長的變異系數(shù)最小，為0.38%。變異系數(shù)表現(xiàn)為4d發(fā)芽率＞4d生根率＞7d發(fā)芽率＞7d生根率＞7d芽鮮重＞7d芽干重＞7d根鮮重＞7d根干重＞芽長＞根長。變異系數(shù)大說明該指標(biāo)對鹽脅迫敏感，各自交系間遺傳多樣性豐富。

表1 玉米自交系耐鹽指標(biāo)的統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis of salt tolerance indexes of maize inbred lines

2.2 耐鹽指標(biāo)相關(guān)性分析

由表2可知，10個指標(biāo)之間均存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系。根長與7d根鮮重、根干重、芽干重和芽長相關(guān)系數(shù)分別為0.59、0.55、0.52和0.62；芽長與4d生根率、發(fā)芽率和7d生根率、發(fā)芽率、根鮮重、芽鮮重、根干重、芽干重和根長之間相關(guān)系數(shù)分別為 0.56、0.58、0.54、0.63、0.51、0.73、0.52、0.76和0.62。其中，7d生根率與7d發(fā)芽率之間相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.94；4d發(fā)芽率與7d根長的相關(guān)性最小，相關(guān)系數(shù)為0.31。說明在供試材料中，鹽脅迫對玉米萌發(fā)期 10個指標(biāo)均會產(chǎn)生不同程度的影響，且主要影響玉米發(fā)芽后的生長。

表2 玉米自交系耐鹽指標(biāo)間相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between salt tolerance indexes of maize inbred lines

2.3 耐鹽指標(biāo)主成分分析

由表3可知，前4個綜合指標(biāo)的貢獻率分別為62.8403%、12.4934%、7.6659%和6.5368%，累計貢獻率達到 89.5364%，反映了所有材料的大部分信息。在第1主成分中，7d發(fā)芽率和7d芽干重的權(quán)重系數(shù)較大，分別為0.3464和0.3456，因此確定第1主成分主要由7d發(fā)芽率和7d芽干重構(gòu)成，反映了原始數(shù)據(jù)信息量的62.8403%；第2主成分中，7d芽鮮重的權(quán)重系數(shù)（0.3477）最大，攜帶了12.4934%的信息量；在第3主成分中，7d根干重的權(quán)重系數(shù)（0.4655）最大，反映了7.6659%的信息量；在第4主成分中，根長的權(quán)重系數(shù)（0.7044）最大，貢獻率為6.5368%。由于前4個主成分累計貢獻率反映了大部分的信息，因此將原來 10個具有相關(guān)性的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5個新的綜合性狀，即7d發(fā)芽率和7d芽干重、7d芽鮮重、7d根干重和根長，確定為玉米萌發(fā)期耐鹽性鑒定和評價指標(biāo)。

表3 各指標(biāo)主成分的特征向量及貢獻率Table 3 The feature vector and contribution rate of the principal components of each index

2.4 各材料萌發(fā)期耐鹽性聚類分析及綜合評價

根據(jù) 5個綜合指標(biāo)貢獻率的大小，利用公式（1）、（2）和（3）計算出供試材料D值（表4）。根據(jù)D值將390份玉米自交系耐鹽性劃分為高度鹽敏感型、中度鹽敏感型、鹽敏感型、耐鹽型、中度耐鹽型和高度耐鹽型 6個等級。其中編號 290（18GWASPHG356）和 186（18GWASPHG228）材料的隸屬函數(shù)U(X1)～U(X4)和D值均較大，為高度耐鹽型，占供試材料的0.51%；編號為160、161、336、248和171材料的D值相對較高，為中度耐鹽型，占1.28%；編號261、22、142、80、164、245、313、33和325材料的D值相對較高，為耐鹽型，占2.31%。耐鹽型以上材料占全部供試材料的4.10%，說明供試的390份玉米自交系耐鹽型材料較少，多數(shù)材料對鹽脅迫敏感。

表4 部分玉米自交系D值及綜合評價Table 4 D values and comprehensive evaluation of some maize inbred lines

依據(jù)D值對 390份玉米自交系材料進行聚類分析。在遺傳距離約0.15時，可將供試玉米自交系劃分為6個類群（圖1）。類群Ⅰ的D值變化范圍在0.00～0.19，包括編號為1、2、5和7等298份自交系，屬于高度鹽敏感型材料；類群Ⅱ的D值變化范圍在 0.20～0.30，包括編號為 365、5、152和 158等49份自交系，為中度鹽敏感型材料；類群Ⅲ的 D值變化范圍在 0.32～0.43，包括編號為 367、52、70和289等27份自交系，為鹽敏感型材料；類群Ⅳ的 D值變化范圍在0.46～0.58，包括編號為261、22、142、80、164、245、313、33 和 325 9 份自交系，為耐鹽型材料；類群Ⅴ的D值變化范圍在0.61～0.69，為中度耐鹽型材料，包括 160、161、336、248和171 5份自交系；類群Ⅵ有編號290和186這2個自交系，D值分別為0.99和0.86，其耐鹽性最強，為高度耐鹽型。

3 討論

當(dāng)前我國玉米品種研究重點是抗逆品種的培育，隨著土壤鹽漬化程度加劇，玉米耐鹽性的鑒定研究也越來越受到人們重視。高英波等[16]以30個黃淮海區(qū)夏玉米為試驗材料，確定發(fā)芽率、籽粒產(chǎn)量、發(fā)芽勢、胚芽長和胚芽重5個指標(biāo)為玉米萌發(fā)期耐鹽性的評價依據(jù)，將30個玉米品種分為4個類群。

常紅軍等[17]通過不同濃度鹽脅迫下，對玉米種子發(fā)芽率、幼苗生物量及葉片凈光合速率的影響中發(fā)現(xiàn)，玉米的耐鹽機理較為復(fù)雜，同一品種不同生育時期的耐鹽性也不相同。郝德榮等[18]以10d的株高、地上鮮重、地下鮮重、地上干重、地下干重及存活率為鑒定指標(biāo)，將157份玉米自交系分為6個類群，篩選出 10份高耐鹽性玉米種質(zhì)。趙小強等[19]研究表明，16份玉米自交系的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽長、胚根長、胚芽鮮重和胚根鮮重都從不同角度反映出種子萌發(fā)期的耐鹽性。本研究測定了玉米萌發(fā)期鹽脅迫后4d的發(fā)芽率、生根率以及脅迫后7d的發(fā)芽率、生根率、芽鮮重、芽干重、根鮮重、根干重、芽長和根長10個指標(biāo)，通過主成分分析將10個單一指標(biāo)簡化為5個相互獨立的綜合指標(biāo)，即7d芽干重、7d發(fā)芽率、7d根干重、7d芽鮮重和根長，這5個指標(biāo)可作為玉米萌發(fā)期耐鹽性的鑒定指標(biāo)，并且根據(jù)D值將390份玉米自交系分為6個耐鹽等級，能對玉米萌發(fā)期的耐鹽性進行全面有效的評價。

大多數(shù)玉米種子在萌發(fā)期對鹽脅迫最為敏感，鹽脅迫會嚴重影響種子的發(fā)芽及幼苗的生長。劉學(xué)等[20]采用154和350mmol/L NaCl溶液研究玉米芽期耐鹽性，測定出芽期相對鹽害率與已知自交系耐鹽性級別的相關(guān)系數(shù)為0.27，鑒定結(jié)果與本身耐鹽性符合程度不高。張海艷等[21]研究表明，采用220和270mmol/L NaCl溶液模擬鹽脅迫環(huán)境均能綜合、全面地鑒定玉米品種的耐鹽性，且后者的抑制作用更為嚴重。谷思玉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種對不同鹽濃度脅迫的反應(yīng)也不相同，當(dāng)鹽濃度達到120mmol/L時，各組品種的發(fā)芽勢與對照組的差異均達到顯著水平。而本研究中，當(dāng)NaCl溶液濃度為250mmol/L時，不同玉米自交系品種萌發(fā)均受到顯著的抑制作用，各指標(biāo)對鹽脅迫的敏感程度表現(xiàn)為4d發(fā)芽率＞4d生根率＞7d發(fā)芽率＞7d生根率＞7d芽鮮重＞7d芽干重＞7d根鮮重＞7d根干重＞芽長＞根長，故本研究設(shè)置0和250mmol/L NaCl溶液2個濃度處理，更準(zhǔn)確反映了玉米種子萌發(fā)期的耐鹽性。

4 結(jié)論

通過主成分分析確定7d芽干重、7d發(fā)芽率、7d根干重、7d芽鮮重和7d根長可作為玉米萌發(fā)期耐鹽性的鑒定指標(biāo)。根據(jù)萌發(fā)期D值將390份玉米自交系分為6個等級，其中高度鹽敏感材料298份，中度鹽敏感型49份，鹽敏感型27份，耐鹽型9份，中度耐鹽型5份，高度耐鹽型的2份。