寶力格 陸 平 史夢莎 許 月 劉敏軒,*

中國高粱地方種質芽期苗期耐鹽性篩選及鑒定

寶力格1,2陸 平2史夢莎2許 月3,*劉敏軒2,*

1吉林大學珠海學院, 廣東珠海 519041;2中國農業(yè)科學院作物科學研究所, 北京 100081;3吉林大學生命科學學院, 吉林長春 130012

日益嚴重的土壤鹽漬化對現(xiàn)代農業(yè)生產造成了巨大的危害。高粱既是世界五大糧食作物之一, 又是耐鹽性很強的抗逆作物。開展高粱耐鹽性研究、篩選出一批綜合耐鹽能力優(yōu)良的高粱品種對開發(fā)利用鹽漬化土地、增加糧食產量和維持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究對110份中國高粱地方品種分別進行了芽期200 mmol L-1和苗期100 mmol L-1的NaCl脅迫試驗, 測定芽期發(fā)芽勢、發(fā)芽率以及苗期的相對葉綠素含量(SPAD)、苗長、根長、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重等指標。計算芽期、苗期鹽脅迫下性狀值占對照性狀值的百分比表明, 參試品種芽期相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率范圍分別為0~98.89%、23.65%~101.79%, 鹽脅迫下相對發(fā)芽勢變化差異顯著。苗期相對葉綠素含量、相對苗長、相對根長、相對苗鮮重、相對苗干重、相對根鮮重、相對根干重變化范圍分別為59.53%~99.91%、52.47%~95.23%、47.87%~100.14%、27.43%~95.28%、30.48%~98.26%、21.62%~100.34%、31.46%~102.13%。采用隸屬函數(shù)值分析和主成分分析2種方法結合聚類分析對參試高粱芽期和苗期的耐鹽能力綜合評定, 鑒定出芽期高度耐鹽材料22份, 耐鹽材料32份; 苗期高度耐鹽材料37份, 耐鹽材料41份; 其中, 來自內蒙古的朝陽棒槌(00003011)和來自北京的白韃子帽(00001081)等10個品種在芽期和苗期均表現(xiàn)高度耐鹽, 可作為后續(xù)全生育期耐鹽鑒定和耐鹽育種的優(yōu)異資源。對芽期隸屬函數(shù)值排名以及苗期值排名結果進行相關性分析表明, 芽期與苗期耐鹽性沒有顯著相關性; 主成分分析結果表明, 反映生物量的指標如苗干重、根鮮重可作為苗期大量材料耐鹽鑒定的評價指標。

高粱; NaCl脅迫; 芽期; 苗期; 耐鹽性

土壤鹽漬化是危害我國乃至世界農業(yè)發(fā)展的一個重要因素[1]。據聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和糧農組織(FAO)的不完全統(tǒng)計, 全世界各種鹽漬土面積約10億公頃, 廣泛分布于100多個國家和地區(qū)[2], 其中我國鹽漬化土地面積近1億公頃[3]。此外, 由于工業(yè)污染、不合理灌溉以及化肥使用不當?shù)热藶橐蛩氐挠绊? 次生鹽漬化土壤的面積仍然在快速增加[4]。高粱是禾本科C4植物, 作為世界五大谷類作物之一[5], 是世界上5億最貧困人口的主食[6], 同時也是我國優(yōu)質白酒釀造的主要原料[7], 在世界上干旱和半干旱地區(qū)廣泛種植[8]。高粱起源于非洲貧瘠的環(huán)境條件, 在長期自然和人工選擇作用下形成了對干旱、鹽堿、低溫等一系列的抗性, 特別是高粱的耐鹽堿性, 在禾本科作物中表現(xiàn)非常突出。在不同生育階段高粱的耐鹽堿性是有所區(qū)別的, 其耐鹽機理也有所不同。因此, 研究不同高粱品種在各個生育階段的耐鹽性, 篩選出一批綜合耐鹽能力突出的品種對開發(fā)利用鹽漬化土地、增加糧食產量和維持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

隨著糧食需求和可耕種土地面積之間矛盾的日益突出, 國內外學者對多種農作物, 如水稻[9-10]、玉米[11-12]、小麥[13]等進行了耐鹽性研究, 取得了一定的進展。目前, 針對高粱不同生育時期使用不同篩選方法的耐鹽鑒定研究有很多, Costa等[14]比較了飼用高粱耐鹽品種和鹽敏感品種的酶活性變化, 結果表明在鹽脅迫下耐鹽高粱的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性增幅更大, 而鹽敏感品種的過氧化物酶活性減小, 耐鹽品種的過氧化物酶活性增加; 孫璐等[15]通過主成分分析法對42份高粱品種進行了萌發(fā)期篩選, 并提出了根部生長因子是對鹽脅迫的主要響應因子; 張士超等[16]使用了光化學效率以及幼苗和根的Na+、K+含量等指標作為高粱苗期耐鹽篩選的參考指標; 崔江慧等[17]使用了側根數(shù)鹽害率、葉片萎蔫數(shù)、葉片萎蔫時間等指標。這些指標的使用雖然使耐鹽評價更加準確, 但并不適合大規(guī)模的耐鹽篩選。任富莉等[18]使用多個指標以及不同的分析方法對田間苗期和室內苗期進行了耐鹽分析, 說明了隸屬函數(shù)法和主成分分析法在分析結果上差異很小; 王春語等[19]采用不斷提高鹽濃度的方法從396份高粱品種中篩選出芽期強耐鹽材料, 但由于鹽脅迫濃度遠大于高粱的半致死脅迫濃度, 并不能將該方法應用于其他生育期; 呂建澎等[20]用NaCl和Na2CO3進行了混合鹽脅迫篩選, 相比于單獨NaCl脅迫, 篩選的結果更為客觀。

目前, 大多數(shù)針對高粱耐鹽性篩選的研究要么選定的生育時期相對比較單一, 要么篩選材料群體規(guī)模較小、生態(tài)區(qū)域代表性不夠, 很少有研究對我國不同生態(tài)區(qū)的主要高粱地方品種進行多生育期、多篩選指標的耐鹽性鑒定。在此背景下, 本研究以涵蓋我國主要生態(tài)區(qū)的110份高粱品種為試驗材料, 針對高粱在鹽脅迫下最為重要的2個生長發(fā)育時期進行多篩選指標綜合分析, 擬建立更加系統(tǒng)、全面、快速的高粱耐鹽評價體系, 發(fā)掘一批芽期和苗期耐鹽能力都比較優(yōu)異的高粱種質資源以供耐鹽機理研究、耐鹽育種利用和鹽漬地推廣種植。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

110份試驗材料包括來自全國16個省(自治區(qū))的高粱代表性地方品種(附表1), 均由中國農業(yè)科學院作物科學研究所種質資源中心小宗作物課題組提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 芽期耐鹽性鑒定 隨機選擇九三一五(00003659)、二牛心(00007178)、大粒高粱(00009037) 3個高粱品種, 從中挑選籽粒飽滿、大小一致的種子, 先用1%的次氯酸鈉溶液消毒15 min, 再用自來水和蒸餾水各沖洗3次, 放入鋪有雙層濾紙的滅菌培養(yǎng)皿, 每培養(yǎng)皿放置30粒種子, 鹽濃度梯度設置為0 (CK)、50、100、150、200、250、300 mmol L-1NaCl, 每個處理3個重復。將培養(yǎng)皿放入光照培養(yǎng)箱(PER CIVAL-AR36L3)中, 在25℃恒溫、晝夜光照周期為12 h/12 h、70%濕度、光照強度200 μmol m-2s-1條件下, 培養(yǎng)至第4天更換新的滅菌培養(yǎng)皿和處理溶液并統(tǒng)計發(fā)芽數(shù), 第7天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù), 以胚根長度達到0.2 mm作為發(fā)芽指標。通過測定不同鹽脅迫濃度下3個品種的第4天發(fā)芽勢, 第7天發(fā)芽率, 發(fā)現(xiàn)在200 mmol L-1NaCl脅迫下品種間生長情況差異最明顯, 將其作為芽期耐鹽篩選的鹽脅迫濃度。在200 mmol L-1的NaCl溶液或蒸餾水(對照)的條件下, 使用上述鑒定方法對所有參試高粱進行芽期耐鹽鑒定。

發(fā)芽勢= 第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽率= 第7天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

1.2.2 苗期耐鹽性鑒定 苗期最適鹽脅迫濃度篩選所用材料同芽期, 將蛭石裝入育苗盤中, 并用蒸餾水對其完全浸潤, 種子消毒處理后種入育苗盤, 播種深度約1 cm, 放入光照培養(yǎng)箱中, 在25℃恒溫、晝夜光照周期為12 h/12 h、70%濕度、光照強度200 μmol m-2s-1條件下培養(yǎng), 約7 d種子發(fā)芽, 用1/2Hoagland營養(yǎng)液澆灌[21], 待幼苗長至二葉一心期, 挑選長勢一致的幼苗每孔定苗5株, 開始用含有NaCl的Hoagland營養(yǎng)液處理幼苗, 設NaCl濃度梯度為0 (CK)、50、100、150、200 mmol L-1NaCl, 每個處理3個重復, 長至四葉一心期時挑選每孔3株測定苗長、根長、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重、葉綠素含量, 取平均值, 用SPAD儀(TYS-B)測定葉綠素含量。篩選發(fā)現(xiàn)在100 mmol L-1濃度脅迫下品種間生長差異最明顯, 最終確定苗期耐鹽篩選的NaCl濃度為100 mmol L-1 [22], 使用上述方法對所有材料進行苗期耐鹽性鑒定。

1.3 統(tǒng)計方法

計算芽期、苗期各耐鹽指標的相對值即鹽脅迫下性狀值占對照性狀值的百分比。采用隸屬函數(shù)值法[23], 計算芽期耐鹽性指標相對值的隸屬值, 若測定指標與耐鹽性呈正相關, 使用公式(1)計算, 若為負相關, 則用公式(2)計算。

U= (X?min)/(max?min) (1)

U= 1? (X?min)/(max?min) (2)

式中,X表示第個品種第指標的耐鹽指數(shù),max為最大值,min是最小值,U是第個品種第指標(= 1, 2, …, )的隸屬函數(shù)值。按不同品種對各指標的隸屬函數(shù)值進行平均計算, 得到隸屬函數(shù)平均值。

對苗期耐鹽性指標的相對值使用主成分分析法[15], 其中綜合得分模型值用公式(3)計算。

式中,w代表權重, 即各主成分的相對方差貢獻率,f代表第個因子的因子得分。

1.4 數(shù)據分析

用Microsoft Excel 2016統(tǒng)計各品種性狀相對值并進行方差分析, 計算各處理平均數(shù)及各性狀相對值, 用SPSS 24.0進行描述性統(tǒng)計分析、相關性分析、主成分分析及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同高粱品種對芽、苗期鹽脅迫的響應

在200 mmol L-1NaCl脅迫下, 110份高粱品種的相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率平均值分別為47.09%和77.13%, 其中相對發(fā)芽勢的變異系數(shù)比較大, 說明110份高粱品種在該濃度鹽脅迫下相對發(fā)芽勢差異非常明顯(表1)。在所有參試材料中, 來自山西的八葉青(00001804)、來自廣西的上龍高粱(00013035)及大粒高粱(00013036)在鹽脅迫下的相對發(fā)芽勢均為0, 而來自內蒙古的朝陽棒槌(00003011)的相對發(fā)芽勢在所有材料中最高, 達到98.89% (附表2)。相對發(fā)芽率測定結果顯示, 來自陜西的露仁高粱(00009929)最低, 僅23.65%, 而河北的多穗高粱(00001504)最高, 達101.79%,山西的鑼錘穗(00002401)、河北的大紅高粱(00001256)、遼寧的白大稈(00003217)也很高, 超過100%。綜合2個指標發(fā)現(xiàn), 大毛衣(00005061)、鑼錘穗(00002401)、朝陽棒槌(00003011)的相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率均比較高, 表明在鹽脅迫下這些材料的種子發(fā)芽能力和活力均表現(xiàn)較高水平, 從而具有較好的芽期耐鹽性。露仁高粱(00009929)、八葉青(00001804)等高粱品種芽期耐鹽能力比較弱。

在100 mmol L-1NaCl脅迫下, 110份高粱品種苗期的相對葉綠素含量、相對苗長、相對根長、相對苗鮮重、相對苗干重、相對根鮮重和相對根干重的平均值和變化范圍見表1, 其中相對葉綠素含量的變異系數(shù)最低, 表明在該濃度鹽脅迫下不同高粱品種中相對葉綠素含量變異程度較低。黑龍江的黑殼棒(00004539)相對葉綠素含量、相對根鮮重分別為99.92%和99.09%, 其相對根長為83.61%, 根部受鹽脅迫影響較小, 其地上部分受脅迫影響明顯, 相對苗鮮重僅為45.54%, 耐鹽能力表現(xiàn)平平; 而甘肅的二牛心(00007178)和貴州的褐高粱(00013200)的各項相對指標均比較低, 苗期耐鹽能力較差; 北京的白娥粘(00001080)和河北的大紅高粱(00001256)的各項相對指標都較高, 表現(xiàn)出了較好的苗期耐鹽能力。

表1 在鹽脅迫下110份高粱品種各耐鹽指標的描述統(tǒng)計量及方差分析

G1: relative germination potential; G2: relative germination rate; S1: relative chlorophyll content; S2: relative seedling length; S3: relative root length; S4: relative seedling fresh weight; S5: relative seedling dry weight; S6: relative root fresh weight; S7: relative root dry weight.

2.2 鹽脅迫下高粱各指標的相關性分析

分別對鹽脅迫下芽期的2個指標和苗期的7個指標進行了相關性分析, 結果見表2, 多數(shù)指標間相關性都達到了顯著或極顯著水平, 其中相對苗鮮重(S4)與相對苗干重(S5)相關性最高, 相關系數(shù)為0.798, 相對根鮮重(S6)與相對根干重(S7)的相關性也比較高為0.726, 相對苗長(S2)與相對苗鮮重(S4)和相對苗干重(S5)的相關性分別為0.671和0.616, 相對發(fā)芽勢(G1)和相對發(fā)芽率(G2)的相關性達到0.593, 以上指標相關性極顯著(<0.01)。另外, 相對葉綠素含量與相對苗長、相對苗鮮重及相對根鮮重的相關性均比較低。

2.3 110份高粱的芽期耐鹽性分析

因芽期耐鹽性指標與芽期耐鹽性呈正相關, 所以根據公式(1)分別計算110份高粱品種的相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率2個指標的隸屬函數(shù)值及其平均隸屬函數(shù)值(附表3)。根據平均隸屬函數(shù)值的大小, 使用基于歐式平方距離的組間連接法對110份高粱進行聚類分析(圖1), 在歐式平方距離介于3和4之間時, 供試高粱被分為4類, 第一類群包括22個品種, 占供試材料的20%, 隸屬函數(shù)均值范圍在0.806~0.988之間, 這些材料鹽脅迫下各性狀相對數(shù)值很高, 可被認定為芽期高度耐鹽品種; 第二類群, 共32個品種, 占供試材料的29.1%, 隸屬函數(shù)均值范圍在0.639~0.789之間, 各性狀相對數(shù)值較高, 為芽期耐鹽品種; 第三類群, 共37個品種, 占供試材料的33.6%, 隸屬函數(shù)均值范圍在0.349~0.628之間, 各性狀相對數(shù)值較低, 屬于芽期鹽敏感材料, 第四類群, 共19個品種, 占供試材料的17.3%, 隸屬函數(shù)均值范圍在0.018~0.310之間, 各性狀相對數(shù)值很低, 是芽期高度鹽敏感品種。

表2 鹽脅迫下各指標的相關系數(shù)

*和**分別表示5%和1%的顯著水平?？s寫同表1。

*and**indicate significance at the 5% and 1% probability levels, respectively. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

圖1 110份高粱品種的芽期耐鹽性聚類圖

圖中數(shù)字范圍為各品種耐鹽性排序(平均隸屬函數(shù)值)范圍。

The numerical range in figure is the range of the salt tolerance (based on average membership function value) of various landraces.

2.4 110份高粱品種苗期耐鹽性分析

相關性分析結果顯示苗期耐鹽性指標間相關性較好, 但不同指標間相關性存在差異, 為了使評價性狀體系簡潔有效, 就需要避免性狀反映信息重復, 因此使用主成分分析法對指標進行降維處理, 前3個主成分貢獻率分別為47.9%、15.4%、15.0%, 累積貢獻率達到78.2%, 結果見表3, 符合主成分分析要求(累計貢獻率大于70%), 能夠解釋該組數(shù)據的變化趨勢, 因此取前3個主成分作為數(shù)據的有效成分。各因子在主成分中的載荷可以代表主成分與各指標的相關系數(shù)見表4。第I主成分中, 相對苗干重的相關系數(shù)最大(0.859), 相對苗鮮重次之(0.820), 相對苗長、相對根鮮重和相對根干重這3個性狀的相關系數(shù)也達到了0.7以上, 反映了高粱幼苗生長狀況可作為判斷其是否耐鹽的主要因素; 第II主成分中, 相對葉綠素含量的相關系數(shù)最大, 說明幼苗的光合作用能力與高粱的耐鹽強弱有密切關系; 第III主成分中, 相對根鮮重的相關系數(shù)最大, 相對根長和相對根干重也較大, 說明了根部生長情況反映了高粱的耐鹽能力。

綜上分析, 3個主成分足以反映鹽脅迫下高粱苗期耐鹽的信息, 因此相對苗干重、相對葉綠素含量和相對根鮮重可作為鑒定高粱苗期耐鹽性的重要指標。

主成分載荷與其相對應特征值所開的平方根的比值[24], 可得到每個性狀的成分得分系數(shù), 據此可獲得如下3個主成分得分公式。

1=0.192S1+0.417S2+0.246S3+0.448S4+0.470S5+0.389S6+0.395S7

表3 3個主成分的特征值及貢獻率

表4 各因子載荷矩陣

2=0.752S1-0.264S2+0.386S3-0.352S4-0.165S5+0.018S6+0.253S7

3=0.130S1+0.258S2+0.526S3+0.204S4+0.144S5-0.572S6-0.501S7

根據1、2和3的值, 各品種的綜合得分根據下列公式計算。

根據上述公式計算獲得110個高粱品種的苗期耐鹽性綜合得分()及耐鹽性排序結果, 見附表3, 并利用系統(tǒng)聚類中基于歐式平方距離的組間連接法,對110份高粱品種進行聚類分析, 見圖2, 在歐式平方距離介于2和3之間時, 供試高粱被分為4類。第一類群包括37個品種, 占供試材料的33.6%,值在1.0655~1.2184之間, 各相對性狀數(shù)值很高, 受鹽脅迫影響最小, 因此可認定為苗期高度耐鹽品種; 第二類群, 共41個品種, 占供試材料的37.3%,值在0.9465~1.0616之間, 各相對性狀數(shù)值較高, 可認定為苗期耐鹽品種; 第三類群, 共30個品種, 占供試材料的27.3%,值在0.7673~0.9379之間, 各相對性狀數(shù)值比較低, 可認定為苗期鹽敏感品種; 第四類群, 共2個品種, 占供試材料的1.8%,值在0.6079~0.6607之間, 各相對性狀數(shù)值很低, 受鹽脅迫影響最大, 是苗期高度鹽敏感品種。

2.5 芽期苗期耐鹽性綜合分析

根據芽期和苗期的耐鹽性聚類分析, 110份高粱耐鹽性分類清單見表5, 其中, 來自內蒙古的朝陽棒槌(00003011)、大白色(00008230)、八葉齊(00002443)、北京的白韃子帽(00001081)、北平五號(00001067)、山東的大青殼栗母雞(00005092)、遼寧的白大稈(00003217)、山西的八葉春齊(00001812)、黑龍江的頂頭紅(00008566)、短棒子(00004595)10個品種在芽期和苗期均高度耐鹽, 其中朝陽棒槌在芽期耐鹽性排序中為第3位, 在苗期耐鹽性排序中為第9位, 白韃子帽在芽期耐鹽性排序中為第12位, 苗期耐鹽性排序中為第7位, 2個品種在鹽脅迫下各性狀值都很高, 綜合耐鹽性表現(xiàn)最好; 廣西的上龍高粱(00013035)和貴州的褐高粱(00013200) 2個品種在芽期和苗期耐鹽性表現(xiàn)都比較差, 上龍高粱在芽期耐鹽性排序為105位, 苗期耐鹽性排序中為101位, 褐高粱在芽期耐鹽性排序中為104位, 在苗期耐鹽性排序中為110位, 這2個品種在鹽脅迫下各性狀受影響非常大, 綜合耐鹽性表現(xiàn)最差。

圖2 110份高粱品種的苗期耐鹽性聚類圖

圖中數(shù)字范圍為各品種耐鹽性排序(值)范圍。

The numerical range in figure is the range of the salt tolerance (based onvalue) of various landraces.

表5 110份高粱品種的芽苗期耐鹽性分類

對芽期隸屬函數(shù)值排名以及苗期值排名進行相關性分析顯示, 其相關系數(shù)為0.123 (=0.202), 說明高粱芽期耐鹽性與苗期耐鹽性是不相關的。很多高粱品種在芽期和苗期2個時期的耐鹽性差異較大, 如芽期耐鹽性排在第2位的鑼錘穗(00002401), 苗期耐鹽性排序僅在83位, 而在苗期耐鹽性排序中第11位的軟高粱(00007173), 在芽期耐鹽性排序中為101位。

3 討論

高粱作為耐鹽能力較強的作物之一, 其耐鹽機制尚未得到明確的解釋, 對其進行耐鹽性評價, 篩選鑒定出耐鹽性較強的品種對于開展耐鹽分子機制研究、耐鹽育種以及充分利用鹽漬化土地具有十分重要的意義。

在前人的研究當中, 高粱的耐鹽性鑒定主要集中在育成品種、雜交種、品系等材料上, 如孫璐等[15]采用人工氣候箱內培養(yǎng)皿培養(yǎng)對42份高粱雜交種進行脅迫處理, 任富莉等[18]選取了60份選育品種和4份地方品種進行室內萌發(fā)期耐鹽性評定, 周福平等[22]以20份高粱品系為材料, 利用隸屬函數(shù)值法和聚類分析法進行耐鹽性分析。對高粱地方品種開展耐鹽性鑒定的研究也有一些, 如穆志新等[5]以山西省8個縣收集到的49份高粱種質資源研究了芽期鹽脅迫對不同高粱材料的影響, 王春語等[19]選取粒用高粱、甜高粱、草用高粱等189份地方品種進行了耐鹽性研究, 但總體而言, 選用的材料數(shù)量相對較少且生態(tài)區(qū)覆蓋不全面。育成品種是育種家根據各地區(qū)的育種目標, 利用原有品種基礎, 通過一定的科學方法和育種技術, 培育出適于該地區(qū)生產發(fā)展需要的優(yōu)良品種, 而地方品種是經過長期的自然選擇和人工種植, 形成的能夠適應當?shù)刈匀簧L環(huán)境的品種, 地方品種的遺傳多樣性更為豐富, 往往蘊含著優(yōu)異的抗逆、抗病等基因資源, 因此對地方品種開展抗逆性鑒定對于抗逆優(yōu)異資源挖掘和基因鑒定利用具有更為重要的意義。本研究選取我國16個省(自治區(qū))的110份高粱地方品種進行了芽、苗期的耐鹽性鑒定, 這些省份大部分位于干旱和半干旱地區(qū)的高粱主產地, 同時涵蓋中國7大鹽漬土分布區(qū)的絕大部分地區(qū)。根據試驗結果, 材料間耐鹽性存在較大差異, 其中苗期耐鹽性達到耐鹽級別以上的品種超過半數(shù), 這表明了大量的地方品種具有很大的耐鹽潛力, 可以為選育新的耐鹽品種提供優(yōu)良親本。

鑒定指標的選擇需要根據耐鹽鑒定的時期和材料數(shù)量的多少來確定, 顧驍?shù)萚25]選取30份水稻品種使用可溶性蛋白、可溶性糖、過氧化物酶及多種生理生化指標進行了苗期耐鹽性鑒定, 在材料數(shù)量較少時選取多個較為復雜的指標可以提高鑒定的準確度。而孫現(xiàn)軍等[26]選取550份水稻品種使用有效分蘗數(shù)、主穗長度、主穗結實率、單株產量等農藝性狀作為指標進行全生育期的大田耐鹽鑒定, 說明在材料數(shù)量較多、生育期跨度較長的耐鹽鑒定工作中更適合使用與產量直接相關的鑒定指標, 保證最大效率地篩選出所需要的耐鹽品種。本研究使用發(fā)芽勢和發(fā)芽率2個指標作為芽期耐鹽性鑒定的指標,發(fā)芽勢和發(fā)芽率都能夠檢驗種子在鹽脅迫下的發(fā)芽能力, 其中發(fā)芽率主要檢測種子發(fā)芽的多少, 而發(fā)芽勢主要測試種子生命力的強弱, 比如鹽脅迫下種子的發(fā)芽速度和發(fā)芽整齊度。在苗期耐鹽性指標方面使用了相對葉綠素含量(SPAD), 鹽脅迫下高粱相對葉綠素含量不同程度地低于對照組, 在主成分分析試驗結果中, 第II主成分表明, 相對SPAD指標可以說明高粱品種的耐鹽性, 已有大量的研究表明SPAD值與生化方法測定的葉綠素含量存在線性關系[27], 但因為各品種間相對SPAD變異程度不是特別明顯, 所以相對SPAD并不適用于大量樣本的篩選。此外, 苗鮮重、苗干重、根鮮重、根干重等指標能充分反映材料的耐鹽性, 即生物量是表現(xiàn)植物生長情況的最直觀證據[28]。

目前對于高粱的耐鹽性研究多數(shù)針對單一生育時期, 也有一部分學者對某2個生育期之間的過渡生育期進行研究, 孫璐等[15]和王龍海[29]的研究對高粱的芽期耐鹽性篩選延長至第10天左右, 待種子發(fā)育成嫩苗后測定芽苗長、芽苗鮮重等指標。這種鑒定方法能在短時間內鑒定大量的材料, 效率較高, 但是鑒定結果可能與分別鑒定芽期和苗期耐鹽性存在差異。本試驗結果表明, 高粱芽期與苗期的耐鹽能力沒有明顯的相關性, 這與陳亞萍[30]、姜奇彥等[31]研究結論相一致, 植物在芽期和苗期的耐鹽能力都至關重要, 種子萌發(fā)是植物適應鹽生環(huán)境并在該環(huán)境下成功建植的關鍵前提[32], 發(fā)芽期受到鹽脅迫時, 種子因吸收水分的能力降低, 其發(fā)芽率會顯著降低[33]。高粱苗期對鹽脅迫最為敏感[34], 在苗期階段鹽脅迫對植物的危害包括滲透脅迫[35]、離子毒害[36-37]、電解質外滲率增加和自由基含量增加引起的質膜傷害[38-39]、光合作用和呼吸作用引起的生理代謝紊亂等[40-41], 耐鹽性機制的不同可能導致植物不同生育時期的耐鹽性差異。本研究對110份高粱品種同時進行芽期和苗期的多指標篩選, 鑒定出如朝陽棒槌和白韃子帽等在2個生育時期耐鹽能力都表現(xiàn)優(yōu)異的高粱品種。

在農業(yè)生產中, 良好的出苗率和植株生長情況才是保證產量的基礎, 對大量的高粱品種進行耐鹽篩選時, 田間自然鑒定受外界影響較大, 盡量使用多個直觀的形態(tài)指標在實驗室條件下初步篩選, 可以有效提高篩選的效率, 同時關注各個生育時期的耐鹽性, 保證篩選出的品種具有真正的耐鹽應用價值。

4 結論

芽期與苗期耐鹽性無顯著相關性。苗干重和根鮮重可以作為大量高粱品種耐鹽性評價指標。從110份高粱地方品種中篩選出朝陽棒槌(00003011)和白韃子帽(00001081)等10個在芽期和苗期均表現(xiàn)為高度耐鹽的品種可供后續(xù)耐鹽基因發(fā)掘和耐鹽品種選育等利用。

附表 請見網絡版: 1) 本刊網站http://zwxb. chinacrops.org/; 2) 中國知網http://www.cnki.net/; 3) 萬方數(shù)據http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical-zuo wxb.aspx。

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Screening and identification of Chinese sorghum landraces for salt tolerance at germination and seedling stages

BAO Li-Ge1,2, LU Ping2, SHI Meng-Sha2, XU Yue3,*, and LIU Min-Xuan2,*

1Zhuhai College of Jilin University, Zhuhai 519041, Guangdong, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3College of Life Sciences, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China.

The deterioration of soil salinization has caused great harm to modern agricultural production in the world. Sorghum is not only one of five main crops, but also an outstanding salt tolerant crop. The screening and identification of sorghum salt tole-rance will be very important to the development and utilization of salinized land, increasing grain yield and maintaining sustainable agricultural development. In this experiment, 110 sorghum landraces were selected to test salt tolerance at germination (200 mmol L-1NaCl treated) and seedling stages (100 mmol L-1NaCl treated). The two germination indicators including the germination potential and the germination rate, as well as seven seedling indicators, including the relative chlorophyll content (SPAD), seedling length, root length, seedling fresh weight, seedling dry weight, root fresh weight, root dry weight were measured. The relative values of various indicators under salt stress were calculated, showing that the relative germination potential and relative germination rate of 110 sorghum landraces were 0–98.89% and 23.65%–101.79%, and The seven seedling indicators were 59.53%–99.91%, 52.47%–95.23%, 47.87%–100.14%, 27.43%–95.28%, 30.48%–98.26%, 21.62%–100.34%, 31.46%–102.13%, respectively. Combined the membership function value analysis, principal component analysis with cluster analysis, the salt tole-rance ability of the 110 landraces at germination stage and seedling stage was comprehensively evaluated and the 110 landraces were clustered into four groups. A batch of sorghum landraces with salt tolerance at germination and seedling stages were identified, especially ten landraces, including Chaoyangbangchui (00003011) from Inner Mongolia and the Baidazimao (00001081) from Beijing showed high salt tolerance, which can be used in further research. There was no significant correlation in salt tole-rance between the germination stage and the seedling stage. Principal component analysis results indicated that seedling dry weight and root fresh weight can be used as indicators for the evaluation of salt tolerance of a large number of sorghum landraces at seedling stage.

sorghum;NaCl stress; germination stage; seedling stage; salt tolerance

10.3724/SP.J.1006.2020.94138

本研究由國家現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項(CARS-06-13.5-A16)和中國農業(yè)科學院創(chuàng)新工程雜糧等特色作物育種材料創(chuàng)制和新品種選育創(chuàng)新團隊項目資助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-06-13.5-A16) and the Agricultural Science and Technology Innovation Program of CAAS.

劉敏軒, E-mail: liuminxuan@caas.cn, Tel: 010-82105751; 許月, E-mail: xu_yue@jlu.edu.cn

E-mail: baolg17@mails.jlu.edu.cn

2019-09-17;

2020-01-15;

2020-02-17.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200214.1726.006.html