王兴州,时晓磊,张 恒,曲可佳,耿洪伟,丁孙磊,张金波,严勇亮

(1.新疆农业大学农学院/农业生物技术重点实验室,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院农作物品种资源研究所,乌鲁木齐 830091;3.新疆农业科学院国际科技合作交流处,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】土壤盐渍化已经成为限制农业发展的主要非生物胁迫因子之一[1]。受到不同程度的盐害胁迫后,相当大一部分农作物品种难以发挥其高产和优质的潜力[2]。目前我国约有0.3×108hm2土地存在不同程度的盐渍化[3,4]。盐渍化土壤的开发利用有多种途径,其中以培育和种植耐盐作物品种最为经济有效。培育耐盐作物品种,开发利用盐碱地,是解决粮食生产的重要措施[5]。新疆是我国受盐渍化危害较严重的地区,盐渍化面积为2.18×107hm2,约占全国盐渍化面积的1/3[6,7],在新疆耕地中受不同程度盐渍化危害的耕地面积122.88×104hm2,占总耕地面积的30.12%,占低产田面积的63.20%,其中受到中度、重度盐渍化威胁的低产田占总耕地的22.06%;在1 031.75×104hm2的宜农荒地中,受盐碱限制的面积达515.11×104hm2,占总面积的49.93%[8]。小麦(TriticumaestivumL.)是全球主要粮食作物之一,全球约有35%～40%的人口以小麦为主要粮食[9]。也是为我国三大粮食作物之一[10]。小麦种质资源丰富,不同种质耐盐性存在差异,耐盐种质资源是培育耐盐品种的重要材料基础。筛选适合在新疆地区盐渍地种植的小麦品种,对开发和利用新疆大量的盐渍化土地有很重要的意义。【前人研究进展】刘旭等[11]通过对400份材料芽期、苗期进行鉴定,筛选出耐盐性突出的3份材料:红蚂蚱、科遗26、希望。王萌萌等[12]对882份小麦品种资源进行初步鉴定,筛选出芽期耐盐性为一级的品种328份,苗期和芽期都达到中度耐盐的品种43份。彭智等[13]对321份小麦材料的苗期、芽期进行耐盐性鉴定,得到芽期高耐材料21份。李媛媛等[14]对283份小麦种质资源进行萌发期盐碱胁迫实验,基于11项性状指标综合分析了小麦种质资源耐盐碱性特点,通过聚类分析,将盐、碱胁迫下283份小麦材料各划分为3类,筛选出10份耐盐碱型材料。种子萌发期是植物生命史中最为重要的阶段,也是对盐碱胁迫最敏感的时期[15],萌发期是小麦耐盐的关键时期,种子的萌动发芽是小麦整个生命历程的开始,萌发期的耐盐性就是在盐胁迫下小麦种子吸水后膨胀萌动生根的综合能力[16]。【本研究切入点】目前小麦耐盐性评价方法多样,主要分为单指标分析和多指标综合分析两大类。单指标分析主要用相对盐害率[11,12]评价作物的耐盐性,适用于大量耐盐材料的初级筛选,但是往往忽略了最长根长、苗高等对于盐胁迫的反应差异,多指标分析包括隶属函数法[17,18]、主成分分析[19]、聚类分析[20],该类分析同时运用多个指标,全面反应耐盐性,有效避免单一指标对实验结果造成评价片面的结果,为研究小麦萌发期耐盐性生理机制和小麦耐盐品种的培育筛选以及推广种植提供重要的理论依据[21,22]。小麦耐盐碱机理的复杂性,至今仍没有发现哪一形态指标可以单独作为其耐盐碱性鉴定的依据。需测定小麦萌发期各形态指标,比较其盐碱处理和对照间的差异,综合评价不同品种耐盐碱胁迫的能力。【拟解决的关键问题】以77份春小麦种质为材料进行耐盐性鉴定,筛选关键材料进行种质资源创新,为小麦耐盐碱育种提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料77份,来源分别为阿根廷、埃及、美国、意大利、波兰、前苏联、肯尼亚、墨西哥、巴西等17个国家,由新疆农业科学院品种资源研究所提供。用于发芽试验的种子于2021年在新疆农业科学院品种资源研究所实验室内培养箱中进行培养。表1

表1 供试小麦品种及耐盐综合性评价值

续表1 供试小麦品种及耐盐综合值

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

参照《小麦耐盐性鉴定评价技术规范NY/PZT 001-2002》的方法[23],每份材料挑选大小均匀、籽粒饱满、无病虫害种子600粒,先用5%的次氯酸钠消毒15 min,蒸馏水反复冲洗5次,消毒完毕后用蒸馏水浸种8 h。设1个对照(蒸馏水)和1个处理,3次重复,每次重复用种50粒,将浸种完毕的种子腹沟向下放入铺有一层发芽纸的发芽盒内(12 cm×12 cm×5 cm),处理加入200 mmol/L NaCl溶液10 mL,采用ZFG-600智能光照种子发芽箱,恒温20℃培养,12 h光照,12 h黑暗交替培养10 d,为避免水分蒸发造成NaCl溶液浓度降低,每天定时更换溶液。以胚芽生长长度超过种子长度的1/3或胚根超过种子长度的1/2为发芽,发芽第5 d统计各品种的发芽数,计算各品种的发芽势。培养第10 d,统计各品种的发芽数,计算各品种的发芽率,挑选10株长势一致的幼苗,测量最长根长(RL)、苗高(SH)、根数(RN)、胚芽鞘长度(CL)、根鲜重(RFW)、幼苗鲜重(SFW)、根干重(RDW)、幼苗干重(SDW),并进行相关计算。发芽第10 d,在对照和NaCl处理2种条件下,各挑选10株长势一致的小麦,将小麦根部与幼苗分离,用电子天平称取地上部分与地下部分鲜重;将根部与幼苗放置烘箱内105℃杀青15 min,再置于烘箱内80℃烘干8 h,用电子天平称取地上干重与地下干重。

1.2.2 耐盐表型性状测量

发芽势(%)=(盐处理第5 d正常发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽率(%)=(盐处理第10 d正常发芽种子数/供试种子数)×100%;

相对值(%)=(盐处理指标测定值/对照指标测定值)×100%。

1.2.3 耐盐性综合评价

依据李凤琴[24]方法,小麦耐盐性是受多种因素影响的一种较为复杂的性状,小麦的耐盐性需要多指标进行评价,运用小麦耐盐性各指标的相对值获得隶属函数值、权重值和萌发期耐盐综合性评价(D)值,分析供试小麦品种的耐盐性。

1.3 数据处理

运用Microsoft excel 2010对原始数据进行运算与处理,SPSS 21.0对各性状进行相关性分析、主成分分析、聚类分析以及因子分析。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种种子萌发对盐胁迫响应差异

研究表明,NaCl胁迫下10个指标均受不同程度的抑制,较对照均呈现下降的趋势,NaCl对种子萌发具有一定的抑制作用。NaCl胁迫下,最长根长均值为3.01 cm,受抑制最严重,较对照比较下降了79.47%,苗高、根数、胚芽鞘长、根鲜重、幼苗鲜重、根干重、幼苗干重、发芽势、发芽率均值是4.23 cm、4.90个、2.58 cm、33.29 mg、45.77 mg、4.92 mg、7.11 mg、41.64%、47.65%,与对照相比分别下降了79.47%、65.03%、0.14%、10.02%、57.77%、60.78%、51.29%、47.06%、26.96%、26.22%。除根数外,NaCl胁迫下其余指标变异系数较对照均显著增加,其中最长根长表现突出,增加了124.99%。表2

表2 NaCl 胁迫下小麦种子各萌发指标的变化

2.2 不同小麦品种萌发期各指标的相关性

研究表明,相对根数与相对最长根长、相对幼苗高、相对幼苗干重分别呈不显著负相关、不显著正相关、显著正相关;相对根鲜重与相对根数呈不显著正相关;相对根干重分别与相对幼苗高、相对根数、相对胚芽鞘、相对发芽势呈显著正相关、不显著正相关、显著正相关、不显著正相关;其余各指标之间均呈极显著正相关。小麦耐盐性是一个复杂的数量性状。其中,相对幼苗鲜重与相对幼苗高,相对发芽率与相对发芽势呈极显著正相关,相关系数最高,分别达到0.767和0.789。表3

2.3 不同品种小麦萌发期耐盐性综合评价

研究表明,按照D值进行从小到大排序,变幅范围为0.08～0.77。季拉多522、W.S.25、耐盐性表现最好,D值分别达到了0.77、0.76,Atri 3890/Skl耐盐性表现最差,D值为0.08。表1

2.4 不同小麦品种萌发期耐盐性聚类

研究表明,77份材料分为4大类,第Ⅰ类包括澄利马拉、季拉多593、季拉多522、GLENNSON 81等17份材料,占供试材料的22.08%,D值平均值为0.70,属于耐盐型小麦品种。第Ⅱ类包括卡培蒂、吉尔吉奥449、先驱麦、Simons Berg等36份材料,占供试材料的46.75%,D值平均值为0.55,属于中度耐盐型小麦品种。第Ⅲ大类包括Kenya 178 Q8、Klein Trou、Kommunar、S 468、S 5746等16份材料,占供试材料的20.78%,D值平均值为0.41,属于对盐敏感型小麦品种。第Ⅳ类包括Sea Wari 48、Suno 43626、Purple S556、Quilamapu 10-077等8份材料,占供试材料的10.39%,D值平均值为0.23,属于对盐高感型小麦品种。表4,图1

图1 77份国外品种萌发期综合耐盐等级

表4 供试材料基于聚类分析耐盐类型分布频率

2.5 不同小麦品种萌发期耐盐性主成分

研究表明,前2个主成分因子贡献率分别为49.21%、15.32%,累计贡献率达到64.53%,从10个因子中选取前2个贡献率最高的因子作为数据分析的有效成分,载荷量的高低反映主因子与各指标的相关程度。表5

表5 主成分特征值及贡献率

第一主因子与幼苗鲜重、幼苗干重相关性最大,相关系数分别是0.87、0.82,反映了各小麦品种盐胁迫下幼苗生长状况,可称为生物量因子。第二主因子与根数相关性最大,相关系数为0.62,不同品种萌发期盐胁迫下根部密度状况,可称为根部性状因子。幼苗鲜重、幼苗干重、幼苗高以及根数可作为小麦萌发期耐盐性鉴定和综合评价的重要指标。表6

表6 2个主因子的的载荷矩阵

3 讨 论

3.1 盐胁迫对种子萌发期的影响

影响种子萌发的外部环境条件包括很多,其中盐胁迫是最重要的限制因素之一[25]。种子萌发期是植物生长中对盐胁迫十分敏感的阶段,植物是否能在盐碱环境中正常生长,主要取决于它能否发芽、发芽率的高低以及发芽速度的快慢[26],马树庆等[27]和任利莎等[28]研究表明,发芽率高的品种,更能高产稳产。目前新疆主要春小麦新品种属于高产、丰产品种,属于耐盐品种的较少[29]。

单一指标不能全面反映作物的耐盐性,应综合考虑多种指标对耐盐性的作用,即选用多个指标共同评价作物耐盐性,以合理有效地区分不同基因型间的耐盐性[30]。试验通过测量小麦根数、最长根长、幼苗鲜重、幼苗干重、根鲜重、根干重等指标,通过计算耐盐综合D值进行排序,筛选适宜在新疆种植的小麦品种17份。库尼都孜阿依·吐尔汗等[31]通过测量小麦最长根长、苗高、胚芽鞘长、发芽率、发芽势等指标,并通过计算D值进行综合排序,运用相关性分析得出小麦耐盐的综合评价值,筛选出适宜在新疆地区种植的高耐品种6份。孟祥浩等[32]通过对小麦萌发期各指标数据的多重比较发现,综合所有测试指标,筛选出2个耐盐性较高的品种。小麦的耐盐碱性是多基因控制的数量遗传性状[33,34],由多种因素协同作用而形成。

3.2 盐胁迫下小麦萌发期表型变化

幼苗高与幼苗鲜重可以作为耐盐品种筛选的主要指标,王萍等[35]用NaCl处理冬小麦烟农19和克旱16得出地上部比地下部对NaCl胁迫更为敏感。李媛媛等[14]通过主成分分析研究发现,小麦胚芽对盐胁迫的敏感性要高于根系,研究中小麦的地上部分对盐敏感情况较高于地下部分,与前人的研究结果一致[14,35]。

在盐胁迫下春小麦各萌发指标的变化中发现,小麦根部最长根长较CK值变化最大,其次为幼苗鲜重,而盐胁迫下的胚芽鞘长的均值相对于CK来说并未产生较大的变化,变异系数也相对较少。王芳等[36]在NaCl胁迫下对小麦胚芽鞘进行研究表明,盐胁迫对小麦胚芽鞘具有抑制作用,一定浓度NaCl处理下小麦胚芽鞘的长度可作为耐盐筛选的指标,与试验所得到的结果不符,可能是不同小麦品种的耐盐能力具有一定的差异性,该实验盐胁迫下部分引进品种胚芽鞘长度与对照相比较无较大的变化,而部分品种胚芽鞘受到极强的抑制作用。

3.3 春小麦萌发期耐盐性综合评价

对于运用耐盐综合值D值进行聚类分析,把77份春小麦品种分为4大类,可以避免误差,所得到的结果更为精准,更具有可靠性。

4 结 论

77份小麦品种中,Yakwax Eqypgotimstein、澄利马拉、季拉多 593、季拉多 522等17个品种耐盐最强,濑户小麦、Tcerros(CHECK)、卡培蒂、吉尔吉奥 449等36个品种为中度耐盐品种,Kenya 178 Q8、Klein Trou、Kommunar、Pacific Blue Stem等16个品种为敏感型品种,Sea Wari 48、Suno 43626、Purple S556、Quilamapu 10-077等8个品种为高度敏感品种。幼苗鲜重以及根数可作为小麦萌发期耐盐性鉴定的可靠指标。