中圖分類號:S565.1 文獻標志碼:A 文章編號:1008-0864(2025)07-0054-18
Alkaline Tolerance Screening and Evaluation Analysis of Soybean Germplasm Resources at Seedling Stage
ZHENGHuanbin 1,2 ,LIMing3,YANGSuxin2*,WUWeilin1*
(1.College of Agriculture,Yanbian University,Jilin Yanji 133002,China;2.KeyLaboratoryof Soybean Molecular Design Breding,NortheastInstituteofGeographyndAgroecology,ChineseAcademyofSiences,Changcun3OO2,China;.ege ofLife Sciences,JilinAgricultural University,Changchun130118,China)
Abstract:Inorder to explore the tolerance of diferent soybean germplasm resources to alkali stress treatmentat seedling stage,andestablish theevaluationsystemof soybeanalkaline toleranceat seedlingstage,326 soybean varieties were as materials.They were treated with the pH9.O,150 mmol·L-1 mixed alkali solution(NaHCO :Na2CO 3 3 =5:1 )for7d.Thechanges of12 growth-related indexes underdiferent treatments,such asdry/fresh weightof shoot orroot,total dry/fresh weight,intactrootsnumber intactroots length,roottipsnumber,rot/shootratio,relative chlorophyllcontent,and water contentof plants weredetermined.The results showed that alkali stresssignificantly reduced the growth indexes of soybean varieties at seedling stage except root/shoot ratio.The comprehensive evaluation value ( D value)of alkali tolerance was obtained by principal component analysis and fuzzy membership function method.According to the D value,326 soybean varieties were classified into 4 groups:extremely alkali tolerantvarieties(18varieties),alkali tolerant varieties(14Ovarieties),alkali sensitivevarieties(13O varieties) and extremely alkali sensitive varieties(38 varieties),and the comprehensive evaluation system were established. Above results providedtheoretical basis for theselectionand evaluation of alkaline resistant soybean varieties.
eywords:soybeans;alkali tolerance;germplasm screening;comprehensive evaluation
土壤鹽堿化對全球農(nóng)業(yè)造成了一定的威脅,根據(jù)糧食及農(nóng)業(yè)組織(糧農(nóng)組織)的數(shù)據(jù),目前有超過10億 hm2 的土地受到鹽分的影響,其中,約60% 屬于蘇打鹽堿地。這些土地 pH 較高,主要是由碳酸氫鈉 (NaHCO3) 和碳酸鈉 (Na2CO3) 等堿性鹽造成[1-2]。我國鹽堿地面積較廣,部分地區(qū)耕地鹽堿化趨勢加劇,且鹽堿化程度較高。隨著土壤鹽堿化程度的加劇植物生長能力減弱,甚至不能生存。造成土壤鹽堿化的原因較多,如全球氣候變暖等自然因素、過度施肥等人為因素,導(dǎo)致土壤次生鹽堿化日益加重,嚴重影響了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展,對我國經(jīng)濟發(fā)展和糧食安全產(chǎn)生了巨大的威脅。堿土對作物的危害遠大于鹽土,這是由于堿土對作物的傷害除了與鹽土共有的滲透脅迫和離子脅迫以外,還有高 pH 等方面的影響,其中對作物危害最大的是高 pH[4-5] 。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展,前人對大豆響應(yīng)中性鹽脅迫的研究較多,而對混合堿脅迫的研究較少,因此,挖掘大豆耐堿種質(zhì)資源對鹽堿地的改良和合理利用具有重要意義。
大豆[Glycinemax(L.)Merr.]是豆科大豆屬的一年生草本植物。我國是大豆最大的消費國,但卻因為大豆種植面積有限,產(chǎn)量遠達不到人們對大豆的需求量8。利用鹽堿地種植耐鹽堿大豆來擴大大豆種植面積,對提高邊際土地的利用以及緩解國家糧食壓力有著重要的現(xiàn)實和經(jīng)濟意義。研究表明,“治堿種豆”是改良鹽堿地的有效方法。大豆屬于中度耐鹽作物,但大豆幼苗期是鹽堿脅迫的決定性生育階段,苗期受到鹽堿脅迫會使植株葉片枯黃萎縮、莖稈短小[0-1],因此,選擇大豆苗期進行大豆種質(zhì)資源耐鹽堿性篩選具有較好的代表性。本研究通過比較在混合堿處理下不同大豆品種苗期生長指標的變化,對326份大豆品種的耐堿性進行評價分析,以期為耐堿性大豆品種的篩選和評價提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗品種
以326份育成大豆品種作為試驗材料,均由提供,品種名稱及來源如表1所示。這些品種來源于9個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市),其中147份來源于,124份來源于黑龍江,45份來源于遼寧。4份來源于內(nèi)蒙古,2份來源于四川,來源于北京、陜西、山西、安徽的種質(zhì)各1份。
1.2試驗設(shè)計
為確定最適混合堿溶液脅迫處理的水平,選用耐鹽堿大豆品種東生118和吉育86進行混合堿溶液水平梯度試驗。每個品種播種30盆,每盆播種1粒種子。將挑選好的種子播種到裝有蛭石的育苗缽中進行萌發(fā),播種后將育苗缽放在育苗盤中,每3d澆1次水。在播種7d后挑選15株長勢一致的大豆幼苗分別進行50、100、150、200mmol?L-1 的混合堿溶液脅迫處理,以清水為對照?;旌蠅A溶液為 (9.0±0.1) 。處理方法如下:每個育苗盤放置18盆,每次固定向育苗盤里加人3L的混合堿處理液,考慮到處理液的蒸發(fā),在第4天更換1次育苗盤并重新加入3L處理液。待脅迫7d后,對幼苗進行表型觀察以及根系相關(guān)指標的測定。
挑選大小均一、狀態(tài)良好、種臍完整的種子,將每個品種播種12盆,每盆播種1粒種子。將挑選好的種子播種到裝有蛭石的育苗缽中進行萌發(fā),播種后將育苗缽放在育苗盤中,每3d澆1次水。播種7d后挑選6株長勢一致的大豆幼苗,根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果進行適宜水平的混合堿溶液脅迫處理(AT),以清水為對照(CK)。脅迫處理方法同上。待脅迫7d后,測度不同處理下幼苗的葉片及生理生化指標,重復(fù)3次。
1.3試驗方法
1.3.1指標測定對脅迫和對照處理的幼苗及根部進行拍照,利用浙江托普云農(nóng)根系分析儀GXY-B分析完整根數(shù)(intactrootsnumber,IRN)、根尖數(shù)(roottipsnumber,TRN)、完整根長(intactrootslength,IRL)等生長參數(shù)。選擇大豆幼苗第1片三出復(fù)葉的頂小葉利用SPAD-502PLUS測定葉綠素相對含量(relativechlorophyll content,CHI),在該葉片的上、中、下3個部位進行測定,取平均值。將脅迫7d的幼苗從葉痕處剪斷,分為地上部和地下部組織,用萬分之一分析天平分別稱量地下部鮮重(rootfreshweight,RFW)和地上部的鮮重(shootfreshweight,SFW),然后在烘箱 烘5d至恒重后稱量地下部干重(rootdryweight,RDW)和地上部干重(shoot dryweight,SDW),并計算幼苗總鮮重(totalfreshweight,TFW)、總干重(totaldryweight,TDW)、根冠比(root/shoot ratio,RSR)、植株水分含量(plant water content,PWC)。
1.3.2綜合耐堿能力評價使用模糊隸屬函數(shù)法[12-13]計算各指標的隸屬函數(shù)值,進一步計算各指標的權(quán)重,統(tǒng)計326份大豆種質(zhì)資源的綜合評價值( D 值)。
1.4數(shù)據(jù)分析
使用Excel2021軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析,用SPSS20和 0rigin2021 進行顯著性分析、相關(guān)性分析、主成分(principalcomponent,PC)分析、隸屬函數(shù)分析以及聚類分析。
2 結(jié)果與分析
2.1大豆苗期堿脅迫水平的確定
由圖1可知,在 50,100,150mmol?L-1 混合堿脅迫條件下,東生118幼苗地上部植株生長狀態(tài)良好,當脅迫處理水平為 200mmol?L-1 時,植株葉片變黃,且輕度萎蔫;吉育86在 50mmol?L-1 脅迫下,植株生長狀態(tài)良好,當脅迫水平為 100mmol?L-1 時植株葉片開始變黃, 150mmol?L-1 脅迫水平下,葉片皺卷,數(shù)目減少。在混合堿脅迫條件下,東生118幼苗根系生長受到了不同程度的抑制,當脅迫水平大于 150mmol?L-1 時,抑制程度明顯;吉育86幼苗根系在 150mmol-1 的混合堿處理條件下生長明顯受到抑制,在 200mmol?L-1 脅迫下根系呈現(xiàn)瀕死狀態(tài)。綜上,選取 150mmol?L-1 混合堿用于篩選和評價大豆品種的耐堿性。
2.2堿脅迫下326份大豆種質(zhì)的苗期表型分析
由表2可知,與CK相比,堿脅迫處理后大豆幼苗生長相關(guān)指標顯著降低,表明大豆幼苗受到堿脅迫后生長發(fā)育減緩。CK處理的變異系數(shù)為 2.63%~54.14% ,各性狀的變異系數(shù)表現(xiàn)為RSRgt;RDWgt;IRNgt;RTNgt;SFW gt; SDW gt; RFWgt;TDWgt;TFW gt; IRI ,gt; CHIgt;PWC;堿脅迫處理的變異系數(shù)為 7.47%~68.19% ,各性狀的變異系數(shù)表現(xiàn)為CHIgt;SFW gt; IRN gt; RDW gt; TFW gt; RSR gt; IRLgt;RFWgt;TDWgt;SDWgt;RTNgt;PWC 。除PWC和CHI外,其他10個指標在CK和堿脅迫處理下的變異系數(shù)均大于 10% ,這可能與不同大豆種質(zhì)的遺傳背景有關(guān)。在堿脅迫處理后,苗期各指標對堿脅迫的響應(yīng)程度存在差異,CHI的變異系數(shù)最大,為 68.19% ,說明堿脅迫處理對不同大豆種質(zhì)資源苗期的CHI有顯著影響。
2.3大豆種質(zhì)資源苗期指標的相關(guān)性分析
在CK和堿脅迫處理下,對12個幼苗生長指標進行相關(guān)性分析,結(jié)果(圖2)表明,在CK處理下,IRL與IRN的相關(guān)系數(shù)最大( r=0.98 ,PWC與TDW的相關(guān)系數(shù)最?。?r=0.076) ;在堿脅迫處理下,TDW與SDW的相關(guān)系數(shù)最大( (r=0.98) ,RSR與TDW的相關(guān)系數(shù)最小 (r=0.15) 。在CK處理下,PWC與SFW、RFW和TFW呈現(xiàn)出較弱的正相關(guān),RSR與RFW、TFW、SDW呈現(xiàn)出較弱的負相關(guān);而在堿脅迫處理下,PWC與SFW、RFW、TFW、SDW、RDW、TDW、IRN、RTN、IRL、RSR、CHI呈顯著正相關(guān),RSR與SFW、RFW、TFW、RDW、TDW、IRN、RTN、IRL、CHI、PWC呈顯著正相關(guān)。綜上,根系的生長發(fā)育和植株水分含量對大豆響應(yīng)堿脅迫、提高幼苗脅迫耐受性具有重要作用。
2.4326份大豆種質(zhì)資源的主成分分析
為了確定可用于篩選大豆苗期耐堿性評價的重要指標,將堿脅迫下326份大豆種質(zhì)資源的12個幼苗生長指標進行主成分分析,如表3所示,有3個主成分的特征值大于0.7,累計貢獻率為87.470% ,表明這3個主成分所包含的信息能夠反映12個指標的大部分信息,可以作為評價大豆苗期耐堿性的綜合指標。第1主成分(PC1)的特征值為8.227,方差貢獻率為 68.559% ,12個性狀的荷載值均為正;第2主成分(PC2)的特征值為1.355,方差貢獻率為 11.288% ,其中荷載值絕對值較大的性狀是RSR和PWC;第3主成分(PC3)的特征值為0.915,方差貢獻率為 7.623% ,其中荷載值絕對值較大的性狀是SFW、CHI、IRN、RTN和IRL,荷載值分別為0.305、0.358、-0.445、-0.612和-0.415。
綜上,通過主成分分析將大豆幼苗的12個指標轉(zhuǎn)換為3個獨立的綜合指標,用于下一步的耐堿性綜合評價分析。
2.5大豆種質(zhì)資源耐堿性綜合評價
根據(jù)主成分分析中方差貢獻率和累計貢獻率,計算各品種的耐堿性綜合評價 D 值,如表4所示。326份大豆種質(zhì)資源的耐堿性綜合得分 D 值平均為0.388,變幅為 0.072~0.865,D 值越大表明品種的耐堿性越強,反之則品種的耐堿性越弱。綜合排名前10的種質(zhì)從大到小依次為渾江大金黃、通化白眉、臨江大黃豆、九臺無限白花、一窩蜂、湯原禿莢子、蓑衣領(lǐng)-2、大粒黃-1、大白果、鐵莢四粒黃;綜合排名后10的種質(zhì)從小到大依次為元寶金、黑河3號、九農(nóng)9號、九農(nóng)5號、綏農(nóng)1號、群選1號、20號、九農(nóng)6號、鐵豐9號、公交5201-18。
2.6326份大豆種質(zhì)的聚類分析
基于耐堿性綜合評價 D 值采用歐式距離法將326份大豆種質(zhì)資源進行聚類分析,結(jié)果(圖3)表明,326份種質(zhì)被劃分為4個類群,根據(jù)各類群種質(zhì)的耐堿性,將類群I為極端耐堿型,其 D 值為 0.668~ 0.865,包含18份品種,占總品種數(shù)的 5.52% ;將類群
Ⅱ為耐堿型,其 D 值為0.388\~0.663,包含140份品種,占總品種數(shù)的 42.94% ;將類群Ⅱ為敏堿型,其 D 值為0.189\~0.380,包括130份品種,占總數(shù)的 39.88% ;將類群V為極端敏堿型,其 D 值為0.073\~0.186,包含38份品種,占總數(shù)的 11.66% 。
2.7大豆耐堿性指標的篩選
為能準確預(yù)測大豆苗期的耐堿能力,以 D 值為因變量,根據(jù)12個指標的得分,篩選出的SFW、RFW、TFW、RDW、TDW、PWC、CHI、IRN、RTW、IRL共10個指標建立回歸方程( F=9312.502 R2= 0.997),如下。
由回歸方程可知,上述7個指標對大豆苗期耐堿性有極顯著影響。因此,在大豆苗期,可通過測定SFW、RFW、TFW、RDW、TDW、PWC、CHI,利用回歸方程估算其 D 值,從而初步判斷該品種苗期的耐堿性。
2.8代表性品種的表型鑒定
在聚類分析得到的4個類群中,每一類群隨機挑選1個品種的表型與 D 值進行驗證(圖4)。由 D 值聚類分析可知,編號為52的品種大白果為極端耐堿型(類群 I),D 值為0.744,在堿脅迫處理下,幼苗呈現(xiàn)出良好的長勢,且葉片未呈現(xiàn)出萎蔫失綠現(xiàn)象,即 D 值與表型相一致;編號為186的品種綏農(nóng)4號為耐堿型(類群Ⅱ), D 值為0.603,在堿脅迫處理下,幼苗的生長發(fā)育受到影響,葉片發(fā)黃;編號為
283的品種九臺豬眼豆為敏堿型(類群I) D 值為0.532,其幼苗生長發(fā)育受到明顯抑制,葉片發(fā)黃皺縮,且發(fā)黃皺縮的葉片數(shù)占總?cè)~片數(shù)的3/4以上,與D 值相符;編號為33的品種荊山撲為極端敏堿型(類群V), ?D 值為0.177,在堿脅迫處理下,幼苗枯萎死亡,與 D 值相符。綜上表明,綜合評價 D 值可與植株表型相結(jié)合來綜合評價種質(zhì)的耐堿性。
3討論
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,大豆苗期的耐鹽堿性直接決定大豆能否在鹽堿脅迫條件下保證全苗和壯苗,因此,選育苗期耐堿能力強的品種可以有效提高大豆在鹽堿地的生長能力。在過去的耐鹽和耐堿研究中,往往采用中性鹽或堿性鹽的鹽溶液來模擬脅迫條件。張春蘭等[15]研究表明, NaHCO3 和Na2CO3 是蘇打鹽堿土的主要成分,堿性鹽對生態(tài)造成的危害較鹽脅迫更大,植物會受到離子排斥、滲透耐受和組織耐受以及高 pH C ΔpH?9 的多重傷害。因此,本研究采用 NaHCO3 和 Na2CO3 按5:1的配比制成 150mmol?L-1 的混合堿溶液 ΦpH=9.0± 0.1)對326份大豆種質(zhì)資源進行苗期耐堿性篩選。
大豆耐堿性是涉及多種生理生化機制的復(fù)雜性狀,到目前為止,對大豆耐堿性的篩選并沒有統(tǒng)一的標準,這與大豆種質(zhì)的多樣化有關(guān)。采用單一指標對大豆種質(zhì)資源的耐堿性進行評價是不準確的,且不同指標對大豆種質(zhì)耐堿性的評價結(jié)果也存在差異。張新草等以大豆發(fā)芽勢、發(fā)芽率、幼苗長、根長、苗鮮重、根鮮重和根干重進行測定,篩選出發(fā)芽率、幼苗長和根鮮重3個指標可作為耐鹽堿性的鑒定指標。李祥祥等選用24份冀東地區(qū)的野生大豆種質(zhì)進行評價,篩選出株高、地下部干重、莖干重和單株復(fù)葉4個鑒定指標。本研究對326份大豆種質(zhì)資源的12個苗期生長指標進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),與CK處理下相比,在堿脅迫處理下各指標間的相關(guān)性呈現(xiàn)出顯著變化,大部分性狀間的相關(guān)系數(shù)均達到0.5以上,各指標間均呈顯著相關(guān)。
目前,通過主成分分析和隸屬函數(shù)分析建立了多種作物的抗逆性鑒定的綜合評價方法,如花生耐冷性18]、水稻白葉枯病抗性19]、大豆耐低溫性2等。本研究通過主成分分析法將12個指標轉(zhuǎn)化為3個具有代表性的綜合指標,并利用這3個指標通過隸屬函數(shù)法進一步計算出326份大豆種質(zhì)的耐堿性綜合評價值 (D 值), D 值可反映品種的耐堿性。根據(jù) D 值將326份大豆種質(zhì)劃分為4個類群:極端耐堿型、耐堿型、敏堿型以及極端敏堿型。孫浩楠等通過聚類分析將234份大豆品種劃分為5個類群:高耐低氮型、耐低氮型、中耐氮型、低氮敏感型、低氮高敏型;胡雯恬22通過對166份大豆苗期7個相對性狀進行耐堿性的綜合評價發(fā)現(xiàn),供試品種可劃分成極端耐堿型、耐堿型、中等耐堿型、敏堿型和極端敏堿型5個等級;與本研究結(jié)果基本一致。通過聚類分析篩選出的極端耐堿品種,為未來的研究和培育耐堿性大豆新品種提供了豐富的資源,并為下一步的分子育種奠定了一定的基礎(chǔ),有助于土壤鹽堿度較高地區(qū)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的更可持續(xù)發(fā)展。
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