韓麗萍，郭衛(wèi)衛(wèi)，韓曉凡，李夕梅，王會芳，張玉梅，仇宏偉

（青島農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/青島農(nóng)業(yè)大學山東省旱作農(nóng)業(yè)技術重點實驗室/山東省耐鹽作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用工程技術研究中心，山東青島266109）

0 引言

近年來，由于全球氣候變暖、水資源短缺、工業(yè)污染、不合理施肥及大水漫灌導致排水不暢等原因，土壤鹽漬化的現(xiàn)象不斷加劇。在全球灌溉土地中，約有50%的土地在遭受不同程度地鹽堿化的危害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重威脅，因此土壤鹽堿化已經(jīng)成為全球性的重要問題[1-2]?！澳壳爸袊s有鹽堿地面積十五億畝，鹽漬土面積五億畝，可改良利用的約有一億畝”[3-4]，因此篩選耐鹽作物新品種對于提高鹽堿地利用效率和作物產(chǎn)量具有重要意義[5]。

小麥(Triticum aestivumL.)作為中國第二大口糧作物，土壤鹽漬化嚴重阻礙其生長發(fā)育。李昀等研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽濃度的升高黑麥草、野大麥等牧草的發(fā)芽率顯著降低[6-7]；同時如果土壤中鹽分過多，還會導致土壤中的水勢下降，植物細胞水勢過高，導致植物吸水困難，最終還會引起植物失水，甚至死亡[8-10]。因此，選育優(yōu)良的耐鹽小麥品種、篩選小麥耐鹽的快速鑒定方法顯得尤為重要。小麥耐鹽性狀是由多基因控制的復雜數(shù)量性狀，在小麥生長發(fā)育不同時期選擇不同的耐鹽性鑒定方法可能會得到不同的結果；目前常用耐鹽性鑒定方法有盆栽法、水培法、田間鑒定及鹽池鑒定等方法[11-12]，但是多數(shù)方法缺乏系統(tǒng)性和準確性，不能簡便有效的反映小麥的耐鹽性。因此快速有效、可靠便捷的篩選方法已經(jīng)成為小麥耐鹽育種的重要限制因素。

萌發(fā)期作為小麥生長發(fā)育的第一個重要時期，對鹽害比較敏感，因此萌發(fā)期耐鹽性是衡量小麥能否在鹽漬環(huán)境下建植成功最關鍵的時期之一[13]。近年來，許多學者運用隸屬函數(shù)法、鹽害指數(shù)法及主成分分析法(PCA)等對作物耐鹽性進行了大量的研究，例如于亮等[14]運用鹽害指數(shù)法指定了小麥芽苗期耐鹽性鑒定技術規(guī)程；張國新等[15]利用隸屬函數(shù)法鑒定了水稻品種的耐鹽性；斯日古楞等[16]用主成分分析法研究了8個飼用燕麥品種萌發(fā)期耐鹽性。但多數(shù)鹽濃度跨度較小或測定指標較少，具有一定的局限性，不能反映出多水平鹽脅迫條件下作物的綜合萌發(fā)狀況。而近年來興起的自組織映射(SOM)聚類分析能較好地從多水平、多因素著手，建立多水平多觀察值之間復雜的映射關系，獲得很好的分析效果，已被廣泛應用于各種聚類分析領域[17-18]。

本試驗以3個不同濃度的NaCl溶液模擬鹽脅迫，運用PCA分析和SOM聚類分析法對40個小麥品種的萌發(fā)性狀綜合分析及評定，為小麥萌發(fā)期耐鹽的進一步研究和生產(chǎn)應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所需40個小麥品種的編號及名稱如下表所示（表1）。

表1 供試小麥品種

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理 選取顆粒飽滿、大小一致的小麥種子50粒，用1%的NaClO溶液消毒10 min、蒸餾水沖洗5次，隨后用濾紙吸干，均勻的擺放在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中。

對照組每培養(yǎng)皿加入8 mL的蒸餾水，處理組每培養(yǎng)皿中加入8mL的NaCl溶液，設置80、160、240mmol/L三個濃度梯度，置于22℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7天，每天補充等量蒸餾水，用以保持脅迫液的水勢，對照組及處理組均設置3次重復。

1.2.2 測定項目指標和方法 小麥萌發(fā)第3天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)并計算小麥的發(fā)芽勢；萌發(fā)第7天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)并測定小麥發(fā)芽率。第7天從各處理中隨機選取生長一致的5株小麥苗，測量最長根長、胚芽鞘長、第一片葉長、苗鮮重后，置于37℃烘箱烘干后稱量芽干重、根干重和種子剩余干重，并計算干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率。

分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9表示相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對最長根長、相對第一片葉長、相對胚芽鞘長、相對芽干重、相對苗鮮重、相對根干重、相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率。

式中：M1：第7天全部正常萌發(fā)種子粒數(shù)；M2：第3天正常萌發(fā)種子粒數(shù)；M：供試種子粒數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析用 Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并計算各處理下萌發(fā)性狀的平均值和相對值。用SPSS 20.0進行相關性分析和PCA分析，并對小麥品種萌發(fā)期的耐鹽性進行綜合評價。

利用MATLAB 2012a對40個品種進行SOM分析。為了減少各小麥品種間固有的差異，各項測定指標均采用鹽脅迫處理與對照測定的相對值，從而能更好地反映不同小麥品種的耐鹽性。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種萌發(fā)期鹽脅迫的響應

相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對最長根長等9個指標在不同鹽濃度下總體呈現(xiàn)出不同程度的下降，隨鹽濃度的增加，下降幅度也增大（表2）。

表2 鹽脅迫條件下小麥各萌發(fā)性狀的相對值

續(xù)表2

續(xù)表2

3個鹽濃度下，大多數(shù)小麥品種的相對發(fā)芽率在0.80～1.10 之間 ；其中，‘青麥 W04(9)’在 160 mmol/L鹽濃度時相對發(fā)芽率最高，為1.10；‘煙農(nóng)24(23)’在240 mmol/L鹽濃度時相對發(fā)芽率最低，為0.70。大多數(shù)小麥品種的相對發(fā)芽勢在0.80～1.09之間，但‘泰山 7307(17)’、‘ 泰 山 27(18)’、‘ 煙 農(nóng) 24(23)’、‘ 煙 農(nóng)197(26)’、‘良星99(34)’等5個小麥品種在鹽濃度為240 mmol/L時的相對發(fā)芽勢分別為0.79、0.72、0.70、0.70、0.76。40個小麥品種的相對最長根長隨著鹽濃度的增加呈明顯下降的趨勢，耐鹽性較強的品種，例如：‘德抗961(1)’、‘青麥6號(2)’、‘小偃60(20)’等在80mmol/L鹽濃度時具有較高的相對最長根長。240mmol/L鹽濃度時，40個小麥品種的相對第一片葉長都為0，‘煙農(nóng)197(26)’在80 mmol/L鹽濃度時具有最大的相對第一片葉長，為0.92。相對胚芽鞘長在不同鹽濃度下的變異幅度為0.10～1.36，80 mmol/L鹽濃度時，‘青麥6號(2)’具有最大的相對胚芽鞘長；240 mmol/L鹽濃度時，‘煙農(nóng)836(37)’相對胚芽鞘長最小。大多數(shù)小麥品種相對芽干重隨著鹽濃度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，但‘德抗961(1)’、‘濟麥20(3)’、‘濟麥22(4)’和‘臨沂019(31)’等4個小麥品種在240 mmol/L鹽濃度下的相對芽干重高于160 mmol/L鹽濃度時的測定值，‘泰山7307(17)’在160 mmol/L鹽濃度時具有最高的相對芽干重。相對苗鮮重的變異范圍為0.26～0.98，80 mmol/L鹽濃度時，‘山農(nóng)21(12)’的相對苗鮮重最高，為0.98。相對根干重作為小麥耐鹽性的一個重要指標，也呈現(xiàn)較大的變異幅度，為0.05～1.58；240 mmol/L鹽濃度時，‘齊麥2號(28)’除具有較小的相對芽干重外，其相對根干重也呈現(xiàn)最低值為0.05，‘新山農(nóng)20(29)’具有最高的相對根干重，為1.58?！R麥2號(28)’、‘煙1212(39)’、‘煙農(nóng)21(40)’在240 mmol/L鹽濃度時相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最低，僅為0.07，80 mmol/L鹽濃度時，‘新山農(nóng)20(29)’相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最高，為0.70。

上述結果表明，高濃度的鹽脅迫對小麥種子萌發(fā)影響較大，可以使小麥的不同品種表現(xiàn)出不同的耐鹽性；而低濃度的鹽脅迫對小麥種子萌發(fā)影響較小或略有提升活力的作用。

不同小麥品種間及相同品種不同鹽濃度脅迫條件下萌發(fā)期各指標間差異顯著，除芽干重在品種和不同鹽脅迫濃度互作差異不顯著外，由此引起的互作差異顯著，說明鹽脅迫對小麥萌發(fā)性狀影響明顯，且不同基因型間存在差異（表3）。

表3 小麥響應鹽脅迫的方差分析

續(xù)表3

為綜合分析不同小麥品種在不同鹽脅迫濃度下的耐鹽性，對40個小麥品種在3個脅迫濃度下的測定值賦相同權重，結果表明，不同鹽濃度脅迫條件下各萌發(fā)性狀測定指標幾乎都小于對照組，且不同品種變異范圍不同。相對發(fā)芽率變化的范圍為0.82～1.07，相對發(fā)芽勢的變化范圍為0.81～1.07，相對最長根長的變化范圍為0.23～0.42，相對第一片葉長的變化范圍為0.14～0.47，相對胚芽鞘長的變化范圍為0.48～0.96，相對芽干重的變化范圍為0.34～0.92，相對苗鮮重的變化范圍為0.47～0.75，相對根干重的變化范圍為0.34～0.82，相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率的變化范圍為0.28～0.49（表4）。

表4 鹽脅迫條件下小麥各萌發(fā)性狀權重后的相對值

續(xù)表4

‘德抗961(1)’、‘青麥6號(2)’、‘小偃60(20)’和‘山融3號(24)’等4個小麥品種各項指標的相對值較大，表現(xiàn)出較強的耐鹽能力?！旣?1(7)’、‘齊麥2號(28)’和‘新山農(nóng)20(29)’等4個小麥品種各項指標的相對值比較小，因此推測其對鹽脅迫比較敏感。干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率可以反映出各品種對種子中貯藏物質(zhì)的利用速率與效率以及體內(nèi)能量供應水平，是衡量小麥耐鹽性的重要指標，分析發(fā)現(xiàn)，‘濟寧125592(33)’的相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最高，為0.49，說明對鹽脅迫不敏感，‘齊麥2號(28)’的相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最低，為0.28，說明對鹽脅迫較敏感。

2.2 不同小麥品種萌發(fā)期各性狀的相關性分析

利用雙變量簡單相關系數(shù)法對不同鹽濃度脅迫下萌發(fā)期9個指標性狀的相對值進行相關性分析，結果如表5所示，各性狀指標之間均呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關，相對發(fā)芽勢與相對發(fā)芽率相關系數(shù)最大，為0.959**；相對發(fā)芽率與相對第一片葉長、相對發(fā)芽勢與相對芽干重顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.115*和0.090*；相對發(fā)芽率與相對芽干重無顯著差異；除上述性狀，其他各性狀間均呈極顯著正相關（表5）。

表5 鹽脅迫條件下小麥各萌發(fā)性狀的相關系數(shù)

2.3 不同小麥品種萌發(fā)期耐鹽性主成分分析

主成分分析是通過降維的思想，通過幾個較少的變量盡可能多的反映原來變量的信息，是處理多因素問題的有效統(tǒng)計方法。本試驗中，利用主成分分析方法對不同鹽溶液脅迫強度下各性狀指標的加權平均值進行分析，結果表明，第i主成分的貢獻率為36.746%，從公式(5)中可以看出，第i主成分上相對第一片葉長和相對胚芽鞘長都有較高的載荷，分別為0.269和0.274，說明第i主成分主要由相對第一片葉長和相對胚芽鞘長決定，可以初步認定第i主成分反映小麥在鹽脅迫下的葉片生長發(fā)育狀況，因此可以把第i主成分稱為“葉片性狀因子”。第ii主成分的貢獻率為25.02%，從公式(6)中可以看出，第ii主成分在相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢上有較大的載荷，分別為0.384和0.405，第ii主成分反映的是小麥種子的萌發(fā)狀況，因此可以把第ii主成分稱為“萌發(fā)因子”。第iii主成分的貢獻率為11.925%，從公式(7)中可以看出，第iii主成分在相對苗鮮重上有較大的載荷，為0.504，主要反映的是地上部的生長發(fā)育狀況，因此，可以把第iii主成分稱為“地上部性狀因子”（表6）。

表6 3個主成分特征值及累計貢獻率

綜上所述，前3個主成分的累計貢獻率達73.691%，可以反映本試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢，符合主成分分析的要求，因此前3個主成分可以作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。

根據(jù)各成分的因子載荷矩陣和成分向量矩陣（表7和表8），獲得各因子得分見公式(5)～(7)。

表7 各因子載荷矩陣

表8 各成分向量矩陣

根據(jù)公式(5)、(6)、(7)中Y1、Y2和Y3的值，各品種的綜合得分公式見公式(8)。

Y值越大，耐鹽性越強，計算后的Y值見表9。

表9 個小麥品種主成分Y值及耐鹽排序

因此，各小麥品種萌發(fā)期耐鹽性為1＞24＞2＞20＞18＞21＞40＞16＞9＞19＞ 6＞15＞5＞14＞13＞4＞39＞30＞8＞10＞23＞38＞35＞22＞17＞11＞26＞33＞25＞12＞3＞27＞36＞3＞2＞29＞34＞28＞7＞31＞37。

2.4 小麥品種萌發(fā)期耐鹽性聚類分析

利用MATLAB軟件對不同鹽溶液濃度下40個小麥品種9個性狀指標標準化后的相對值進行自組織映射(SOM)聚類分析，結果表明，40個小麥品種可以分為4種類型，同時結合主成分分析結果判斷，第I類到Ⅳ類耐鹽性逐漸降低。第I類小麥品種耐鹽性最強，屬于高度耐鹽品種‘，德抗961(1)’‘、青麥6號(2)’‘、山融3號(20)’和‘小偃60(24)’等4個小麥品種屬于第I種類型；第II類小麥品種耐鹽性較強，屬于耐鹽性品種，包 括‘濟麥22(4)’、‘濟南17(5)’、‘濟南18(6)’和‘青麥W04(9)’等14個小麥品種；第III類小麥品種耐鹽性一般，屬于中等耐鹽性品種，包括‘濟麥20(3)’、‘魯原502(8)’、‘青農(nóng)2號(10)’、‘山農(nóng)20(11)’等16個小麥品種；第IV類小麥品種耐鹽性最弱，屬于鹽敏感性品種，包括‘魯麥21(7)’、‘齊麥2號(28)’、‘新山農(nóng)20(29)’、‘臨沂019(31)’等6個小麥品種（表10）。

表10 基于SOM神將網(wǎng)絡的聚類分析結果

3 討論

萌發(fā)期耐鹽性鑒定是耐鹽小麥品種早期選擇的基礎[19]，由于小麥耐鹽性受多種因素影響，單一指標不能全面標評價小麥萌發(fā)期的耐鹽能力，而多指標評價又非常繁瑣，因此通過其中的幾個主要因素則可以快速、準確的鑒定小麥的耐鹽性[20]。本試驗通過主成分分析和SOM聚類分析的方法，對40個小麥品種萌發(fā)期耐鹽性進行了鑒定與分類，從耐鹽性的排序和分類結果上看，基本與實際的研究結果一致，因此該方法能夠有效地對40個小麥品種的耐鹽性進行評定。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度鹽溶液脅迫條件下，大多數(shù)小麥品種各萌發(fā)指標都有不同程度地下降，說明鹽脅迫抑制了小麥萌發(fā)，但較低濃度鹽脅迫條件下個別品種某些測定指標較對照有所上升，可能是一定程度上鹽脅迫促進了種子的某些萌發(fā)進程，這與前人研究結果一致[21]。通過主成分分析可知，葉片性狀因子對小麥萌發(fā)期耐鹽性影響最大，因此，在田間鑒定不便于測定根系時，也可通過對葉片性狀因子的測定評價小麥的耐鹽性。

SOM聚類過程通過自動尋找樣本中的內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)屬性，自組織、自適應地改變網(wǎng)絡參數(shù)與結構，可應用于聚類分析[22]。本試驗中應用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡對不同品種小麥耐鹽性進行聚類分析，其結果與主成分分析結果較為一致，說明SOM應用于小麥耐鹽性分類是可行的，可見該分析方法具有一定的科學性和指導性，不失為小麥耐鹽性鑒定的一個簡便有效的方法。

4 結論

通過主成分和SOM聚類分析，我們根據(jù)耐鹽性強弱將40個小麥品種分為4大類?！驴?61(1)’、‘青麥6號(2)’、‘山融3號(20)’和‘小偃60(24)’4個品種屬于高度耐鹽品種；‘濟麥22(4)’、‘濟南17(5)’、‘濟南18(6)’和‘青麥W04(9)’等14個品種屬于耐鹽性品種，‘濟麥20(3)’、‘魯原 502(8)’、‘青農(nóng) 2 號(10)’、‘山農(nóng) 20(11)’等16個品種屬于中等耐鹽性品種；‘魯麥21(7)’、‘齊麥 2號(28)’、‘新山農(nóng) 20(29)’和‘臨沂019(31)’等 6個品種屬于敏感性品種。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、主根長、第一片葉長、胚芽鞘長可作為小麥品種萌發(fā)期耐鹽性鑒定的重要指標。