不同胡麻資源苗期耐鹽性評(píng)價(jià)及鑒定指標(biāo)篩選

張艷萍，葉春雷，趙 瑛，張運(yùn)暉，張敏敏，趙 瑋

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅蘭州 730070）

土壤鹽漬化會(huì)使土壤板結(jié)，導(dǎo)致肥力降低，從而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)［1］。我國(guó)目前鹽堿地面積約占耕地的10%左右［2］，近年來鹽堿化和次生鹽堿化的土壤面積還在不斷增加［3］，因此開發(fā)改良和高效利用鹽漬土地已經(jīng)成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一［4］。胡麻（Linure usitatissmum）是我國(guó)重要的特色油料作物之一［5-9］，但胡麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著干旱與鹽漬脅迫的雙重挑戰(zhàn)。實(shí)踐證明，耐鹽品種的選育和種植是開發(fā)利用鹽堿地的有效途徑之一［10］，研究和分析鹽脅迫對(duì)胡麻生長(zhǎng)的影響，篩選出胡麻耐鹽指標(biāo)和培育耐鹽堿的優(yōu)良種質(zhì)資源，將對(duì)胡麻產(chǎn)業(yè)的高效持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

植物種子萌發(fā)期和幼苗期是決定其能否在鹽漬脅迫下生存的關(guān)鍵時(shí)期［11］。胡麻萌發(fā)期耐鹽性綜合評(píng)價(jià)和鑒定指標(biāo)篩選在前期我們已做了研究和報(bào)道［12］，郭瑞等［13］研究了在中性鹽和堿性鹽脅迫下對(duì)亞麻的光合作用以及離子平衡等的影響，李文婷等［14］開展了亞麻幼苗鹽脅迫下的生理生化特性研究。已有的研究針對(duì)纖用亞麻的較多，關(guān)于油用亞麻在幼苗時(shí)期耐鹽性的綜合評(píng)價(jià)以及鑒定指標(biāo)篩選還未有系統(tǒng)的研究。我們從前期進(jìn)行的萌發(fā)期耐鹽性篩選的研究材料中選擇了不同耐鹽性的10 份胡麻資源，對(duì)其苗期的10 個(gè)指標(biāo)開展了主成分分析、聚類分析和回歸分析，綜合評(píng)價(jià)了不同胡麻材料苗期耐鹽能力，對(duì)比分析了10份胡麻資源萌發(fā)期和苗期的耐鹽性的統(tǒng)一性，同時(shí)篩選出了苗期耐鹽指標(biāo)，以期為今后胡麻耐鹽育種和栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

根據(jù)前期進(jìn)行的胡麻萌發(fā)期耐鹽性篩選試驗(yàn)中的表現(xiàn)，從不同胡麻表現(xiàn)類群中選取胡麻資源10 份，其中STS 引自加拿大，輪選1 號(hào)、輪選3號(hào)由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院選育并提供，伊亞4號(hào)由新疆伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育并提供，定亞5 號(hào)由甘肅定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育并提供，R40、R24、DYMS、R196、隴亞10 號(hào)由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019 年9 月在溫度為25 ℃、濕度為60%、光照為15 000 lx、16 h 光照/8 h 黑暗的人工氣候室進(jìn)行。選用32 孔穴育苗盤（上口徑58 mm、下口徑20 mm、深度110 mm）育苗，各參試材料均選取飽滿的種子播種于裝滿新鮮蛭石的穴盤中，每穴播20 粒。

采用單鹽（NaCl）脅迫濃度篩選預(yù)實(shí)驗(yàn)，以確定適宜的單鹽脅迫濃度。預(yù)實(shí)驗(yàn)選用隴亞10 號(hào)和定亞5 號(hào)為指示品種，NaCl 溶液濃度設(shè)置為0（CK）、50、100、150、200、250、300、350、400 mmol/L，測(cè)定存活率、株高、總鮮重、總干重和根干重，根據(jù)各指標(biāo)狀況（見表1），確定適宜的脅迫濃度為300 mmol/L。

待幼苗長(zhǎng)至8～10 片真葉時(shí)每穴定苗15 株，開始脅迫處理。每品種對(duì)照與脅迫處理各栽植8穴。做好標(biāo)記后置于氣候室進(jìn)行培養(yǎng)。對(duì)照每穴澆灌50 mL Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液，處理每穴澆灌50 mL用Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液配制的300 mmol/L 鹽脅迫溶液，每隔4 d 澆灌1 次，培養(yǎng)15 d 后測(cè)定存活率、株高、總鮮重、總干重和根干重等指標(biāo)。

用直尺測(cè)量株高，用千分之一電子天平測(cè)量地下干重和地上干重。采用乙醇提取法測(cè)定葉綠素含量，采用茚三酮試劑顯色法測(cè)定脯氨酸含量，采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定SOD 酶活性，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD 酶活性，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量［15］。

存活率=（脅迫結(jié)束后成活株苗數(shù)/脅迫開始時(shí)株苗數(shù)）×100%

生長(zhǎng)速率=［（脅迫結(jié)束時(shí)株高-脅迫開始前株高）/15 d］×100%

相對(duì)值=脅迫下的各指標(biāo)測(cè)定值/對(duì)照的各指標(biāo)測(cè)定值

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的基本處理采用Microsoft Excel 2007 軟件，數(shù)據(jù)方差分析、相關(guān)性分析、因子和主成分分析、聚類分析以及回歸分析采用SPSS 22.0 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 胡麻苗期鹽脅迫濃度的確定

從表1 可以看出，隴亞10 號(hào)和定亞5 號(hào)苗期經(jīng)不同濃度的鹽溶液脅迫處理后，在50 mmol/L 處理下，除相對(duì)存活率外，其余指標(biāo)均較CK 有所上升。從鹽濃度100 mmol/L 開始，除相對(duì)存活率之外，其余各指標(biāo)均較CK 隨著鹽脅迫濃度的增大而減小。鹽脅迫濃度為350 mmol/L 時(shí)，2 個(gè)品種的相對(duì)成活率均為0；鹽濃度為250 mmol/L 時(shí)，2 個(gè)品種的各指標(biāo)較對(duì)照降低30%～50%。鹽脅迫濃度為300 mmol/L 時(shí)，2 個(gè)胡麻品種的多數(shù)指標(biāo)較對(duì)照降低50%～60%，僅有相對(duì)根干重降低到70%以上。需要考核的10 個(gè)指標(biāo)在這一濃度下都能夠進(jìn)行檢測(cè)，故選擇300 mmol/L 作為本試驗(yàn)的處理濃度。

表1 NaCl 脅迫濃度篩選預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 不同胡麻品種（系）苗期鹽脅迫下各指標(biāo)變化

10 個(gè)胡麻品種（系）苗期的10 個(gè)指標(biāo)在鹽脅迫下均有不同程度的變化，其中5 個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)均表現(xiàn)為不同程度的降低，5 個(gè)生理指標(biāo)除葉綠素外均有不同程度的增長(zhǎng)（表2、表3）。根據(jù)鹽脅迫前后各指標(biāo)均值變化的幅度看，生長(zhǎng)指標(biāo)中變化較大的是存活率、地下部干重、生長(zhǎng)速率，較CK 分別降低了45.39%、42.86%、46.60%（P＜0.01）；生理指標(biāo)中變化較大的是脯氨酸，較CK 增長(zhǎng)了336.64%（P＜0.01）。其次，生長(zhǎng)指標(biāo)中株高和地上部干重較CK 分別降低了27.33%、20.69%（P ＜0.01）；生理指標(biāo)中，過氧化物酶較CK 增長(zhǎng)了30.06%（P＜0.01），丙二醛和超氧化物歧化酶較CK有所增長(zhǎng)但差異不顯著，葉綠素較CK 有降低但差異不顯著。從變異系數(shù)看，鹽脅迫之后均較CK 有不同程度的增加，說明各指標(biāo)對(duì)鹽脅迫都有不同程度的敏感性，其中存活率對(duì)該濃度的鹽脅迫表現(xiàn)最為敏感，較CK 的變異系數(shù)增加63.64 百分點(diǎn)；其次是株高、地下部干重、生長(zhǎng)速率、脯氨酸和過氧化物酶表現(xiàn)敏感，較CK 的變異系數(shù)分別增加23.20、19.03、18.52、24.97、15.17 百分點(diǎn)。

表2 鹽脅迫下各指標(biāo)的最大值和最小值

表3 鹽脅迫下各指標(biāo)的變化

2.3 各指標(biāo)間的相關(guān)性

從胡麻苗期10 個(gè)指標(biāo)相對(duì)值間的相關(guān)性分析結(jié)果（表4）可以看出，超氧化物歧化酶除與存活率、脯氨酸和葉綠素等指標(biāo)之間無相關(guān)性外，其余指標(biāo)之間均存在顯著或極顯著的正相關(guān)。其中存活率與脯氨酸、葉綠素的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.901**、0.909**，株高與地下部干重、地上部干重、生長(zhǎng)速率、丙二醛和葉綠的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.938**、0.995**、0.972**、0.916** 和0.905**，地下部干重與地上部干重、生長(zhǎng)速率、丙二醛、脯氨酸和葉綠素的相關(guān)性達(dá)到0.923**、0.967**、0.902**、0.966** 和0.973**，地上部干重與生長(zhǎng)速率、丙二醛的相關(guān)性達(dá)到0.965**、0.941**，生長(zhǎng)速率與丙二醛、脯氨酸和葉綠素的相關(guān)性達(dá)到0.921**、0.929** 和0.963**，脯氨酸和葉綠色的相關(guān)性達(dá)到0.968**。

表4 各指標(biāo)相對(duì)值的相關(guān)系數(shù)①

2.4 因子分析

用SPSS 22.0 軟件對(duì)胡麻苗期鹽脅迫下的10個(gè)指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行因子分析，根據(jù)分析方法中的2 條重要原則［15］，10 個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成了2 個(gè)主成分綜合指標(biāo)（表5）。第一主成分的貢獻(xiàn)率為85.122%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為8.638%，涵蓋了原10 個(gè)指標(biāo)93.760%的信息量。分析表6 數(shù)據(jù)，第一主成分在存活率、地下部干重、地上部干重、生長(zhǎng)速率等指標(biāo)上具有較高的載荷量，以胡麻苗期生長(zhǎng)的情況為主，可稱為生長(zhǎng)因子；第二主成分在超氧化物歧化酶、脯氨酸、葉綠素、丙二醛等指標(biāo)上具有較高的載荷量，以胡麻苗期植株體內(nèi)生理變化的情況為主，可稱為生理因子。

表5 主成分的特征值以及貢獻(xiàn)率

表6 各因子載荷矩陣

2.5 耐鹽性綜合評(píng)價(jià)

對(duì)各因子經(jīng)過分析，獲得2 個(gè)主成分的特征向量矩陣（表7），從而獲得主成分的得分公式，如下：

表7 特征向量矩陣

式中的X 為因子分析中的各原始變量標(biāo)準(zhǔn)化后相對(duì)應(yīng)的變量，X1為相對(duì)存活率，X2為相對(duì)株高，X3為相對(duì)地下部干重，X4為相對(duì)地上部干重，X5為相對(duì)生長(zhǎng)速率，X6為相對(duì)丙二醛，X7為相對(duì)脯氨酸，X8為相對(duì)葉綠素，X9為相對(duì)超氧化物歧化酶，X10為相對(duì)過氧化物酶。根據(jù)2 個(gè)主成分的特征值以及Z1、Z2的值，可得各胡麻資源苗期耐鹽綜合得分公式：Z=8.512 Z1+0.864Z2。依據(jù)耐鹽綜合得分公式，可計(jì)算出各胡麻資源苗期的耐鹽綜合Z 值，進(jìn)而對(duì)10 份胡麻資源苗期的耐鹽性進(jìn)行排序（表8）。

表8 耐鹽性排序

經(jīng)過聚類分析（圖1），在歐式距離為5 時(shí)可將10 份胡麻材料聚成4 類。第一類4 份，分別為輪選1 號(hào)、DYMS、R40 和隴亞10 號(hào)，Z 值介于9～24。其中輪選1 號(hào)和DYMS 的Z 值在20 以上，分別為23.50、20.62，屬于相對(duì)耐鹽材料；R40 和隴亞10 號(hào)的Z 值20 以下，分別為14.12、9.60，屬于相對(duì)較耐鹽材料。第二類4 份，Z 值在-2 和3之間，分別為定亞5 號(hào)、R196、輪選3 號(hào)、STS，屬于相對(duì)中等耐鹽材料。第三類1 份，為R24，Z值為-9.15，屬于相對(duì)鹽敏感類型。第四類1 份，為伊亞4 號(hào)，Z 值為-64.07，屬于相對(duì)高度鹽敏感類型。

圖1 系統(tǒng)聚類分析［使用平均聯(lián)接（組間）的譜系圖］

2.6 回歸分析

以耐鹽綜合Z 值作為因變量，各指標(biāo)的相對(duì)值作為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，獲得多元線性逐步回歸方程：Z=-62.707+87.641X5+19.468X10（R2=0.982）。式中X5、X10分別代表相對(duì)生長(zhǎng)速率和相對(duì)過氧化物酶。回歸模型經(jīng)回歸系數(shù)測(cè)驗(yàn)和決定系數(shù)驗(yàn)證，均達(dá)到極顯著水平，表明在鹽脅迫下，胡麻苗期的生長(zhǎng)速率和過氧化氫酶活性等指標(biāo)可作為其耐鹽能力鑒定的關(guān)鍵指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

已有研究表明，作物在受到鹽堿脅迫時(shí)，會(huì)通過改變其生長(zhǎng)形態(tài)和調(diào)控生理生化的響應(yīng)機(jī)制來應(yīng)對(duì)［16－17］。但作物耐鹽堿特性是受多因子影響的復(fù)雜性狀［18］，僅選用單項(xiàng)指標(biāo)來衡量是不夠科學(xué)和準(zhǔn)確，因此我們選擇5 個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)和5 個(gè)生理生化指標(biāo)進(jìn)行研究，其中5 個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)均受到極顯著的抑制影響，而生理生化指標(biāo)的丙二醛、脯氨酸、SOD 酶和POD 酶都有上升，葉綠素有所下降。丙二醛的上升說明鹽脅迫已經(jīng)造成植物細(xì)胞膜的損傷［19］，脯氨酸的極顯著上升說明其已經(jīng)成為保護(hù)植物的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保護(hù)了大分子物質(zhì)，清除自由基［20］；SOD 和POD 等活性氧酶的增加同樣是緩解植物氧化傷害［21］；鹽脅迫下植物細(xì)胞吸收了過量鹽分，體內(nèi)的葉綠素合成就會(huì)受到抑制，故而含量下降。各指標(biāo)相互作用，協(xié)同保護(hù)植物，以達(dá)到應(yīng)對(duì)鹽害的目的。

本研究采用近年來得到廣泛認(rèn)可的綜合評(píng)價(jià)方法抗逆系數(shù)法、主成分分析法。該方法許多作物的鑒定上都得到了理想的結(jié)果，如在高粱耐鹽性［22］、綠豆耐堿性［23］、胡麻抗旱性［24］、谷子抗逆性［4］。在胡麻萌發(fā)期耐鹽性綜合評(píng)價(jià)中也得到了較準(zhǔn)確的驗(yàn)證［12］。我們通過因子分析以及回歸分析，在10 個(gè)指標(biāo)中最終確定出生長(zhǎng)速率和過氧化氫酶活性作為胡麻苗期耐鹽性室內(nèi)快速鑒定的關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)行預(yù)測(cè)值的耐鹽性排序驗(yàn)證（僅6、7、8 之間排序有的互換）和與耐鹽綜合Z 值的相關(guān)性驗(yàn)證（R2=0.982 2**），表明篩選出的2 個(gè)指標(biāo)對(duì)胡麻苗期耐鹽性的預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。

植物的抗逆性會(huì)隨著不同的生育期出現(xiàn)差異［25］，而且植物在逆境中的定植不但取決于萌發(fā)條件，幼苗時(shí)期的抗逆性也很關(guān)鍵［26］。趙瑋等［12］在對(duì)胡麻萌發(fā)期和苗期耐鹽性研究中發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)期篩選濃度為100 mmol/L、苗期篩選濃度為300 mmol/L 時(shí)，苗期能夠耐受的鹽濃度明顯高于萌發(fā)期。有研究曾證實(shí)，作物萌發(fā)期的耐鹽性與植株生長(zhǎng)后期的耐鹽性一致，如高粱［27］、玉米［28］、粟米［29］，但也有研究表明萌發(fā)期的耐鹽性與植株生長(zhǎng)后期的耐鹽性無關(guān)聯(lián)，比如小麥和水稻等［30］。于是我們從胡麻萌發(fā)期耐鹽性鑒定中評(píng)價(jià)為強(qiáng)、中、弱耐鹽性的材料中抽取了10 份材料繼續(xù)進(jìn)行苗期耐鹽性鑒定評(píng)價(jià)，探究胡麻萌發(fā)期和苗期耐鹽性的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)萌發(fā)期表現(xiàn)較強(qiáng)耐鹽性的輪選1號(hào)、R40 和DYMS 在苗期鑒定出依舊有較強(qiáng)的耐鹽性；萌發(fā)期表現(xiàn)中等偏耐鹽性的隴亞10 號(hào)和伊亞4 號(hào)在苗期鑒定出隴亞10 號(hào)表現(xiàn)為較強(qiáng)耐鹽性，伊亞4 號(hào)卻表現(xiàn)為高度鹽敏感性；萌發(fā)期表現(xiàn)中等偏鹽敏感性的R196 和輪選3 號(hào)在苗期鑒定出中等耐鹽性；萌發(fā)期表現(xiàn)鹽敏感性的STS 和R 24 在苗期鑒定出STS 表現(xiàn)為中等耐鹽性，R24 仍表現(xiàn)為鹽敏感性；萌發(fā)期表現(xiàn)高度鹽敏感性的定亞5 號(hào)在苗期鑒定表現(xiàn)出中等耐鹽性的特性。綜上所述，胡麻萌發(fā)期的耐鹽性與苗期的耐鹽性具有不完全的一致性，各個(gè)生育期的耐鹽性有待進(jìn)一步研究。