盛 偉,吳欣池,梁 浩,李慈云,馬艷艷,張靖雪,丁西朋,李欣勇,劉國道
(1. 海南大學熱帶作物學院, 海南 ???570228;2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所, 海南 儋州 571737)
土壤鹽漬化是一種非生物脅迫,極大地限制了作物的種子萌發(fā)、產(chǎn)量及品質(zhì),給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了諸多不便[1]。我國鹽堿化耕地面積已達到3.417 ×107hm2,篩選和種植耐鹽作物是合理利用鹽堿土的有效措施之一[2]。木豆(Cajanus cajan)為豆科牧草,用途廣泛,可作糧食和飼料[3],在藥理活性[4]方面也具有極大潛力,在我國熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍栽培[5]。因此,開展木豆耐鹽種質(zhì)資源的挖掘及耐鹽機制研究,可為常規(guī)育種工作奠定基礎,為急需改善的鹽堿化耕地提供發(fā)展思路。
目前,關(guān)于木豆品種的篩選鑒定和耐鹽機制的研究仍在起步階段,李拴林等[6]發(fā)現(xiàn)在不同鹽脅迫濃度下木豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根和胚芽,隨鹽濃度的增大而降低。Garg 和Sharma[7]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫可降低植物生物量、增加對根的負面效應。不同木豆種質(zhì)資源在形態(tài)指標和物候期方面存在較大變異[8]。在對耐鹽性關(guān)鍵指標的篩選中,已在扁蓿豆(Medicago ruthenica)[9]、偃麥草(Elytrigia repens)[10]、苜蓿(M. sativa)[11]、白三葉(Trifolium repens)[12]和白花草木樨(Melilotus alba)[13]中已經(jīng)明確,但對不同基因型木豆種質(zhì)耐鹽性關(guān)鍵指標的篩選和耐鹽性綜合評價鮮見報道,嚴重影響了木豆在鹽堿地的推廣應用。
本研究以41 份木豆種質(zhì)資源為材料,利用NaCl模擬鹽脅迫,運用變異系數(shù)分析、相關(guān)性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類分析評價方法,確定木豆萌發(fā)期耐鹽性評價指標,篩選萌發(fā)期耐鹽種質(zhì),并探討不同基因型木豆種質(zhì)萌發(fā)期鹽脅迫的生理耐受響應機制,旨在為木豆大規(guī)模耐鹽性鑒定和耐鹽機制研究,提供鑒定方法和理論基礎。
供試材料41 份木豆種質(zhì)均由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所種質(zhì)資源庫提供(表1)。
表1 41 份木豆種質(zhì)資源基本信息Table 1 Basic information of the 41 pigeon pea varieties
為確定參試木豆材料萌發(fā)期耐鹽性評價的適宜脅迫濃度,提前從參試材料中隨機選取6 份木豆種質(zhì)材料,分別在NaCl 質(zhì)量分數(shù)梯度為0 (CK)、0.15%、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%、1.50% 時預試驗。結(jié)果表明,NaCl 質(zhì)量分數(shù)為0.90% 時,6 份木豆材料發(fā)芽率和幼苗生長受到明顯抑制,且材料間差異顯著,因此最終選擇0.90% 的NaCl 溶液用以評價41份木豆材料萌發(fā)期的耐鹽性。
選取大小均勻一致、飽滿、無病蟲害的種子,利用無水乙醇進行浸泡消毒(20 min),隨后用蒸餾水將種子清洗干凈待用。采用紙上發(fā)芽法,對照組和處理組各設3 次重復,每重復50 粒,每培養(yǎng)皿鋪2 層濾紙,分別施加10 mL 對應溶液。將種子均勻置于培養(yǎng)皿內(nèi),在人工氣候箱進行恒溫培養(yǎng)(25 ℃),相對濕度為50%,第10 天發(fā)芽結(jié)束。
1.3.1形態(tài)指標的測定
每隔24 h 觀察記錄發(fā)芽種子數(shù),以胚根或胚芽突破種皮并長于種子長度為發(fā)芽標準,計算種子的發(fā)芽率(%)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。計算公式如下:
公式(2)中,Gt為第t日種子的發(fā)芽數(shù),Dt為相應的發(fā)芽試驗天數(shù)。
試驗結(jié)束時,每處理隨機選取10 株幼苗,用清水洗凈,稱量鮮重,隨后利用LA-S 根系掃描軟件(杭州萬深檢測科技有限公司)進行掃描分析,獲得幼苗的根長(cm)、苗長(cm)、根長/苗長、根系表面積(cm2)、根系體積(cm3)、根系平均直徑(mm)。
1.3.2 生理指標的測定
在萌發(fā)期耐鹽性不同的各類別中,挑選代表性材料在幼苗第10 天時,進行取樣。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性采用NBT 光還原法測定[14];過氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[15];過氧化氫酶(catalase, CAT)活性采用紫外吸收法測定[16]。
利用Excel 2007 進行數(shù)據(jù)錄入和作圖表,SPSS 23軟件進行數(shù)據(jù)分析。使用變異系數(shù)分析、相關(guān)性分析和因子主成分分析,對木豆萌發(fā)期耐鹽性評價指標進行篩選;根據(jù)隸屬函數(shù)分析和聚類分析,對41 份木豆材料萌發(fā)期耐鹽性綜合評價。同時,為減少各材料間指標性狀固有性差異,各指標值均使用相對值來進行分析。
公式(5)為正向隸屬函數(shù)公式,公式(6)為反向隸屬函數(shù)公式,式中:R(Xi) 為各指標隸屬函數(shù)值,Xi為指標測定值,Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標的最小值和最大值;Wj為第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度及權(quán)重大?。籔j表示各品種第j個綜合指標的貢獻率;D值表示在鹽脅迫下各品種耐鹽能力的綜合評價值。
如表2 所列,鹽脅迫下,木豆種子萌發(fā)期10 項觀測指標的變異系數(shù)在0.178~0.790,說明41 份木豆材料的各指標性狀之間存在差異。其中,相對根系表面積、相對根系體積、相對根長、相對苗長、相對根冠比的變異系數(shù)均在0.500 以上,分別為0.790、0.645、0.621、0.551 和0.580,說明這5 項指標在鹽脅迫后的變化更大。相對根系平均直徑、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)和相對鮮重的變異系數(shù)均未超過0.300,分別為0.253、0.178、0.202、0.293和0.293,說明這5 項指標受鹽脅迫的影響較小。
表2 鹽脅迫下41 份木豆材料的10 項相對指標Table 2 Variation in 10 physiological response indices for 41 pigeon pea varieties under salt stress
如表3 所列,相對根系表面積與相對根系平均直徑極顯著負相關(guān)(P< 0.01),與相對根系體積、相對根長極顯著正相關(guān);相對根系平均直徑與相對根長顯著負相關(guān)(P< 0.05);相對根系體積與相對活力指數(shù)、相對鮮重、相對根冠比顯著正相關(guān),與相對根長極顯著正相關(guān);相對發(fā)芽率與相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)極顯著正相關(guān);相對發(fā)芽指數(shù)與相對活力指數(shù)顯著正相關(guān),與相對鮮重顯著負相關(guān);相對活力指數(shù)與相對根長、相對苗長顯著正相關(guān),與相對鮮重極顯著正相關(guān);相對根長與相對苗長顯著正相關(guān),與相對鮮重和相對根冠比則極顯著正相關(guān);相對苗長與相對鮮重極顯著正相關(guān),與相對根冠比極顯著負相關(guān)。這說明10 項觀測指標間密切程度高,進一步通過主成分分析來確定木豆萌發(fā)期耐鹽性評價指標。
表3 鹽脅迫下41 份木豆材料各指標間相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson’s correlation coefficients of 10 physiological response indices for 41 pigeon pea varieties under salt stress
主成分分析(表4) 表明,前4 個主成分的累加貢獻率達80.14%,特征值都大于1,因此將前4 個成分作為41 份木豆材料耐鹽性評價的主要因子。第1 主成分對應特征向量中載荷排名前3 的指標是相對根長、相對根系體積和相對根系表面積,分別為0.790、0.738 和0.718;第2 主成分對應特征向量載荷排名前3 的指標是相對根冠比、相對苗長和相對鮮重,分別為-0.811、0.736 和0.512;第3 主成分對應特征向量載荷排名前3 的指標是相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽率和相對活力指數(shù),分別為0.903、0.770和0.392;第4 主成分對應特征向量載荷排名前3 的指標是相對根系平均直徑、相對根系體積和相對苗長,分別為0.795、0.365 和-0.322。綜合相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果,選擇4 個主成分中與其他指標存在極顯著相關(guān)性且特征向量絕對值最大的指標(相對根長、相對根冠比、相對發(fā)芽指數(shù)和相對根系平均直徑)作為木豆種子萌發(fā)期耐鹽評價指標。
表4 4 個主成分的貢獻率及載荷矩陣Table 4 Principal component analysis coefficients and cumulative contributions of the 10 physiological response indices used for 41 pigeon pea varieties under salt stress
綜合隸屬函數(shù)值結(jié)果(表5)表明,41 份木豆材料種子萌發(fā)期耐鹽能力存在明顯差異,排在前3 位的耐鹽綜合隸屬函數(shù)值分別為0.620、0.558 和0.527,都在0.5 以上,表明這3 份材料耐鹽性較強;排在最后3 位的隸屬函數(shù)值都在0.3 以下,分別為0.292、0.289 和0.259,表明耐鹽性較弱。
表5 41 份木豆材料耐鹽隸屬函數(shù)值Table 5 Subordinate function value analysis of 41 pigeon pea varieties under salt stress
聚類分析(圖1) 結(jié)果表明,在歐式距離5 處可將41 份木豆材料劃分為4 個類群:第1 類群為高耐鹽型種質(zhì),含有1 份種質(zhì),約占總材料的2.44%;第2 類群為耐鹽型種質(zhì),含有10 份種質(zhì),占總材料的24.39%;第3 類群為中間型種質(zhì),含有23 份種質(zhì),占總材料的56.10%;第4 類群為鹽敏感型種質(zhì),含有7 份種質(zhì),占總材料的17.07%。
圖1 41 份木豆材料耐鹽性聚類分析圖Figure 1 Cluster analysis plot of 41 pigeon pea varieties under salt stress
從耐鹽性結(jié)果得到的4 種不同耐鹽性類群中,分別選擇代表性材料(高耐鹽型“34”、耐鹽型“3”和“9”、中間型“37”和“8”、鹽敏感型“35”和“22”)進行生理指標測定分析。結(jié)果表明,0.9%鹽脅迫處理下不同耐鹽性木豆的SOD 活性均不同程度下降(除鹽敏感型“35”外),其中,耐鹽型“9”、中間型“8”和鹽敏感型“22”顯著低于對照(P< 0.05),高耐鹽型木豆的SOD 活性高于鹽敏感型(圖2),表明高耐鹽型木豆較鹽敏感型清除活性氧的能力更強,對細胞膜系統(tǒng)損害的抵抗力更強。0.9% 鹽脅迫處理下的高耐鹽型、中間型和鹽敏感型木豆的POD 活性均顯著高于對照(P< 0.05),分別為對照的3.80 倍、1.91 倍、2.05 倍、4.36 倍、2.91 倍和4.57 倍,高耐鹽型木豆的POD 活性高于耐鹽型、中間型和鹽敏感型;中間型和鹽敏感型木豆在鹽脅迫處理下,其POD 活性呈上升趨勢,表明植株對鹽敏感的程度越高,對細胞損傷程度越高。在0.9% 鹽脅迫處理下,CAT 活性與對照相比變化較小,僅高耐鹽型“34”和耐鹽型“3”顯著高于對照(P< 0.05),但高耐鹽型、耐鹽型同鹽敏感型的CAT 變化趨勢有所不同;高耐鹽型“34”和耐鹽型木豆“3”和“9”的CAT 分別較對照提升了37.02%、97.31% 和11.58%,鹽敏感型木豆“35”和“22”的CAT 較對照降低了34.31%和11.67%。
圖2 不同耐鹽性木豆在鹽脅迫下的超氧化物歧化、過氧化物酶和過氧化氫酶活性Figure 2 Superoxide dismutase (SOD), peroxisome (POD), and catalase (CAT) activities of the different salt-tolerant pigeon pea varieties under salt stress
本研究發(fā)現(xiàn),在0.9%鹽脅迫下,41 份木豆種子萌發(fā)期耐鹽性具有明顯差異,可分為高耐鹽型(2.44%)、耐鹽型(24.39%)、中間型(56.10%) 和鹽敏感型(17.07%)。通常情況下,鹽脅迫可顯著降低植物種子發(fā)芽率[9-10,12,17]。然而,本研究發(fā)現(xiàn),0.9%鹽脅迫對木豆種子的發(fā)芽抑制不顯著,這可能是由于木豆種子發(fā)芽速率快,導致鹽脅迫對其影響不顯著,但是鹽脅迫可顯著抑制木豆幼苗的生長。這一研究結(jié)果與低鹽濃度脅迫能促進草木樨[18]、沙打旺(Astragalus adsurgens)[19]種子發(fā)芽相似。作物的耐鹽性,在不同的生長發(fā)育階段存在差異,木豆在萌發(fā)期表現(xiàn)出較好的耐鹽性種質(zhì),在苗期是否具有相同的特性有待進一步研究。
作物種質(zhì)資源對環(huán)境的可塑性是培育品種的基礎[20],在逆境條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定性和優(yōu)異性的特點,是培育優(yōu)良品種的關(guān)鍵[21]。在作物的萌發(fā)期進行耐鹽性鑒定,具有周期性短、效率性高和可操作性強的特點,是鑒定作物出苗率和成苗率的關(guān)鍵時期[22]。作物材料間具有差異,一般發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長、苗長作為作物萌發(fā)期耐鹽鑒定的重要指標[23]。
已有研究表明,發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)可作為紫花苜蓿(Medicago sativa)種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性評價指標[24]。此外,地上部鮮重、根鮮重、根干重、根長、根體積和根分枝數(shù)可作為綠豆(Vigna radiata)苗期耐鹽性評價指標[25];同時,葉面積、葉綠素熒光、根冠比和SPAD 可作為苜蓿苗期耐鹽性鑒定指標[26]。本研究結(jié)果表明,相對根長、相對根冠比、相對發(fā)芽指數(shù)和相對根系平均直徑可作為41 份木豆材料耐鹽性評價指標。通過隸屬函數(shù)分析和聚類分析得到41 份木豆材料的耐鹽性排序。目前該方法已在大豆(Glycine max)[27]、水稻(Oryza sativa)[28]等作物中應用。
本研究表明,鹽脅迫對木豆種子萌發(fā)的影響主要在表觀形態(tài)方面,體現(xiàn)在幼苗地上部與地下部的生長差異,未來可進一步對木豆苗期進行耐鹽性評價,和耐鹽性評價指標的篩選。
抗氧化酶系統(tǒng)是植物體內(nèi)重要的酶促防御系統(tǒng),可有效清除植物在非生物脅迫下,積累過多的活性氧和維持氧化還原系統(tǒng)動態(tài)平衡[29]。SOD 主要通過降低氧自由基,清除活性氧,達到緩解細胞膜系統(tǒng)損害[30]。POD 和 CAT 則是降低細胞內(nèi)過氧化氫的積累,從而保護細胞膜的完整性,提高逆境耐受能力[31]。本研究結(jié)果表明,在鹽脅迫處理下,隨著木豆種子對鹽敏感的增加,SOD 活性呈下降趨勢,POD 活性則呈上升趨勢;CAT 活性與對照相比變化較小,但高耐鹽型、耐鹽型同鹽敏感型的變化趨勢有所不同,較對照呈下降趨勢。總的來說,高耐鹽型和耐鹽型木豆幼苗在鹽脅迫下生理響應中,能夠及時促發(fā)體內(nèi)酶促防御系統(tǒng),而中間型和鹽敏感型木豆更能受到鹽離子的侵害。這一研究結(jié)果與鹽脅迫下耐鹽型谷子(Setaria italica)[32]和燕麥(Avena sativa)[33]較鹽敏感型種質(zhì)生理耐受性更強一致。
對41 份木豆種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性評價,根據(jù)耐鹽性的強弱可分為高耐鹽型、耐鹽型、中間型和鹽敏感型4 種不同類型。其中,相對根長、相對根冠比、相對發(fā)芽指數(shù)和相對根系平均直徑可作為后期木豆種質(zhì)篩選主要評價指標。本研究為木豆耐鹽種質(zhì)評價和耐鹽育種提供理論依據(jù)。