季 新, 肖 迪, 張佳會, 李 猛, 劉秋員, 衛(wèi)云飛, 劉 娟

(1.信陽農(nóng)林學院, 河南 信陽 464000; 2.信陽市優(yōu)質(zhì)稻米工程技術(shù)研究中心, 河南 信陽 464000;3.信陽市水稻遺傳改良與生理生態(tài)重點實驗室, 河南 信陽 464000)

土地鹽漬化是影響我國農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和種植面積進一步擴大的重要限制因素之一[1]。我國的鹽堿土地面積大、類型多樣、分布廣泛,現(xiàn)有大約9 913萬hm2鹽堿地和234萬hm2沿海灘涂,主要分布在東北、西北及沿海地區(qū)[2]。水稻是我國最重要的糧食作物之一,是鹽中度敏感作物[3]。由于水稻特殊的栽培方式,在栽培過程中形成的水田環(huán)境具有淋鹽、洗鹽、壓鹽的效果,使水稻成為鹽漬化土地開發(fā)利用的“先鋒作物”[4-5]。因此,培育耐鹽性更強的水稻品種是保障鹽堿稻區(qū)糧食安全生產(chǎn)、增加水稻總產(chǎn)量和改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑之一。水稻的生長發(fā)育從種子萌發(fā)開始,經(jīng)過一系列的生理過程,直到新種子形成為止,期間經(jīng)歷多個生長發(fā)育時期,即水稻萌發(fā)期、幼苗期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期和成熟期,其中幼苗期和抽穗開花期對鹽脅迫最敏感[6-8]。馬帥國等[9]研究評價分析165份粳稻種質(zhì)資源苗期耐鹽性,發(fā)現(xiàn)水稻幼苗相對地上部鮮重、相對根鮮重、相對地上部干重、相對根干重、相對植株干重和地上部含水量與耐鹽級別均呈極顯著正相關(guān)。劉艷等[10]利用0.5%鹽濃度評價63份水稻種質(zhì)資源的苗期耐鹽性,發(fā)現(xiàn)以幼苗的整體干質(zhì)量和整體鮮質(zhì)量2個綜合評價指標較為合理。水稻根系對土壤中的鹽分含量變化最為敏感,是最先遭受鹽脅迫的部位[11]。隨著鹽濃度的升高,水稻根數(shù)減少,根長變短,水稻地上部的生長、產(chǎn)量的形成與根系數(shù)量、根系長度、根系活力等根系性狀緊密相關(guān)。

特種稻是指具有特殊遺傳性狀和用途的水稻品種,主要可以分為香稻、有色稻、專用稻、藥稻、甜稻、軟稻、巨胚稻等7類[12],與普通栽培稻相比,特種稻米中含有更加豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、脂類化合物質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素以及微量元素等人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)[13]。杜孝敬等[14]研究發(fā)現(xiàn),不同香稻品種芽期和苗期生長均受鹽脅迫抑制,篩選鑒定到香稻品種糧香6-4的綜合耐鹽性較好。目前關(guān)于特種稻的研究主要是針對品種選育與栽培技術(shù),但是特種稻是否存在耐鹽基因資源和具有耐鹽特性的研究鮮有報道。據(jù)此,本研究以36種不同特種稻種質(zhì)資源為試驗材料,以鹽濃度為0.9% NaCl模擬鹽脅迫,通過測定鹽脅迫下地上部和根系鮮重、干重及根系形態(tài)參數(shù),采用多元統(tǒng)計分析法綜合評價分析不同特種稻種質(zhì)資源的耐鹽性,篩選苗期耐鹽性較強的特種稻種質(zhì)資源,為特種稻在鹽漬化土地開發(fā)利用提供品種支持,同時為耐鹽基因挖掘、耐鹽育種提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗收集所用的36種特種稻種質(zhì)資源名稱和編號見表1。

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)水培的方法,挑選不同特種稻品種的飽滿種子,用10% H2O2溶液消毒10 min,期間不停攪拌,用流動的自來水沖洗6次(1 min/次),再用蒸餾水清洗5～6次,然后置于培養(yǎng)箱28 ℃黑暗條件下于蒸餾水中浸泡催芽48 h,之后將露白一致的種子播于PCR板(底部有小孔)上,將PCR板固定于泡沫板上,放置于水培盒中,先用蒸餾水培養(yǎng)5 d,再用1/4濃度的全營養(yǎng)液進行培養(yǎng)2 d,之后再用1/2濃度的營養(yǎng)液培養(yǎng)2 d,最后用全營養(yǎng)液培養(yǎng)至三葉期(水培營養(yǎng)液配方參照國際水稻所營養(yǎng)液的方法,pH值控制在5.0～5.5),以不添加NaCl作為對照組,在營養(yǎng)液中添加0.9% NaCl模擬鹽脅迫處理,其他培養(yǎng)條件均與對照組相同,鹽處理7 d后取樣,測定相應的試驗指標。

1.3 測定指標及其方法

1.3.1最長根長、地上部及根系生物量的測定

鹽處理7 d后,分別測定株高、根系最長根長、地上部鮮重、根系鮮重、地上部干重、根系干重,其中最長根長是從植株底部到最長根根尖部。用剪刀將植株的胚乳去除,根部剪下,用電子天平分別稱取地上部鮮重與根系鮮重。隨后將地上部與根系放入種子袋中,在烘箱105 ℃下殺青20 min,80 ℃烘干至恒重,分別稱量地上部干重與根系干重,換算得出含水量/%=[(地上部鮮重+根系鮮重-地上部干重-根系干重)/(地上部鮮重+根系鮮重)]×100%。根據(jù)公式計算相對地上部鮮重、相對地上部干重、相對根系鮮重、相對根系干重、相對最長根長、相對含水量[15]。相對地上部鮮重(地上部干重、根系鮮重、根系干重、株高、最長根長、含水量)=鹽脅迫地上部鮮重(地上部干重、根系鮮重、根系干重、株高、最長根長、含水量)/對照組地上部鮮重(地上部干重、根系鮮重、根系干重、株高、最長根長、含水量)。

1.3.2根系形態(tài)參數(shù)的測定

測量根系鮮重后,采用根系掃描分析儀(EPSON EXPERSSION 1680)掃描根系圖像存入電腦,再用WinRHIZO圖像分析軟件(Regent Instruments Company,Canada)分析總根長、總根表面積、總根體積和根平均直徑,根據(jù)公式計算各根系形態(tài)參數(shù)的相對值,相對總根長(總根表面積、根平均直徑、總根體積)=鹽脅迫總根長(總根表面積、根平均直徑、總根體積)/對照總根長(總根表面積、根平均直徑、總根體積)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2020軟件對數(shù)據(jù)進行整理,使用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計主成分分析、隸屬函數(shù)、耐鹽指數(shù)及聚類分析等。

利用公式計算得出的相對地上部鮮重(XRS)、相對地上部干重(GRS)、相對根系鮮重(XRR)、相對根系干重(GRR)、相對株高(PRP)、相對最長根長(LRM)、相對含水量(WRW)相對總根長(LRT)、相對總根表面積(ART)、相對根平均直徑(DRA)和相對根總體積(VRT)等11項指標,對36種不同特種稻的耐鹽性進行綜合評價。由于11種指標的特征值不同,先將指標數(shù)據(jù)標準化再進行主成分分析(Principal component analysis,PCA),計算11種測定指標的權(quán)重與權(quán)重歸一化,然后對36種參試材料的耐鹽性進行綜合計算,得出耐鹽性綜合評價值D[16],隨后根據(jù)D值,進行聚類分析。具體計算方法如下所示。

R(Xji) = (Xji-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),j=1,2,…,n

(1)

式中:R表示隸屬函數(shù)值,Xji表示第i個種質(zhì)第j個主成分分值,Xjmin表示第j個主成分的最小值,Xjmax表示第j個主成分的最大值。

(2)

式中,Wj表示第j個主成分在所有主成分中的重要程度,Pj表示經(jīng)主成分分析所得的第j個主成分的貢獻率。

(3)

式中,D值表示第i個種質(zhì)在鹽脅迫條件下的耐鹽性綜合評價值。

逐步回歸:將測定的各項指標的相對變化值作為自變量,耐鹽綜合評價值作為因變量開展逐步回歸分析,以獲得最優(yōu)的回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同特種稻種質(zhì)資源在鹽脅迫條件下苗期各測定指標表現(xiàn)

由表2可知,相對根系干重的變異范圍和變異系數(shù)最大,分別為0.21～2.41和34.32%,其次是相對地上部干重,其變異范圍和變異系數(shù)分別為0.46～3.36和30.89%。除相對含水量、相對根平均直徑之外,其余9個指標的變異系數(shù)均在20.0%以上,說明這些測定指標在不同特種稻種質(zhì)資源之間表現(xiàn)差異較大,變異較豐富。

2.2 主成分分析

為了能更精確分析36種特種稻材料的耐鹽性,對上述測定的相對地上部鮮重、相對地上部干重、相對根系鮮重、相對根系干重、相對株高、相對最長根長、相對含水量、相對總根長、相對總根表面積、相對根平均直徑、相對總根體積等11個指標進行主成分分析,經(jīng)SPSS軟件計算得到各個主成分的特征值、貢獻率、累積貢獻率(表3)。其中PC 1特征值為5.05,PC 2特征值為1.53,PC 3特征值為1.28,均大于1,三者累積貢獻率達71.43%(表3),基本反映了原始變量的信息,符合主成分分析要求。因此,通過主成分分析將不同特種稻種質(zhì)資源的11個測定指標轉(zhuǎn)化為3個獨立的綜合指標,開展進一步的耐鹽性綜合評價分析。

表3 特征值、方差貢獻率及主成分載荷矩陣Table 3 Eigenvalue,variance contribution rate,and principal component load matrix

2.3 隸屬函數(shù)及不同特種稻苗期耐鹽性綜合評價

根據(jù)不同特種稻種質(zhì)資源的主成分值,利用公式(1)計算3個綜合評價指標的隸屬函數(shù)值。對于同一綜合評價指標如PC 1,鹽脅迫下,山稻的R1最大,為0.85,而黑香糯193的R1最小,為0.17,表明山稻在主成分PC 1表現(xiàn)為耐鹽性最強,而黑寶糯在該指標上耐鹽性最弱(表4)。

表4 每份鑒定種質(zhì)的主成分值、隸屬函數(shù)值與綜合評價D值Table 4 Principal component values, membership function values, and comprehensive evaluation D-value of each germplasm

對36份不同特種稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)進行歸一化處理,利用公式(2)計算各主成分的權(quán)重,3個綜合評價指標的權(quán)重分別是64.30%,19.48%,16.23%(表3)。結(jié)合隸屬函數(shù)值及權(quán)重,依據(jù)公式(3)計算得出綜合評價D值(表4),并以D值對不同特種稻耐鹽能力進行評價分析,不同特種稻種質(zhì)資源的D值分布范圍為0.24～0.68(表4),綜合評價D值越大說明參試材料的耐鹽性越強。

2.4 不同特種稻苗期耐鹽相關(guān)指標的聚類分析

根據(jù)綜合評價D值,將36份不同特種稻種質(zhì)資源進行系統(tǒng)聚類分析。由圖1分析可知,在歐氏距離5.0處,將36份特種稻種質(zhì)資源分為5個類群,第Ⅰ類群D值為0.68,有1份種質(zhì)(山稻),耐鹽級別為高耐;第Ⅴ類群D值范圍介于0.52～0.46之間,有8份種質(zhì)(Y-9(黃白)、浙白、黑寶糯、寧粳2號、黃繼香8號、小香、黑寶糯192-1、紫紅3號),耐鹽級別為耐鹽;第Ⅳ類群D值范圍介于0.44～0.37之間,有14份種質(zhì)(HS/香黃華占、青黃2號、珍珠糯、白香粳、南粳9108、黑香米-2、云氮3號、武香粳稻14、高株稻、紫紅2號、新稻568、浙黃、黑凡-17、紫紅1號),耐鹽級別為弱耐;第Ⅲ類群D值范圍介于0.36～0.31之間,有9份種質(zhì)(鄂中5號、Y 3、紫紅4號、Y 5、寧香1號、香稻丸、方欣4號、珍珠糯、廣紫糯稻),耐鹽級別為敏感;第Ⅱ類群D值范圍介于0.29～0.24之間,有4份種質(zhì)(紫稻1號、Y 2、農(nóng)香粳、黑香糯193),耐鹽級別為高敏。

圖1 基于綜合評價D值的36份不同特種稻種質(zhì)資源聚類分析 Fig.1 Cluster analysis of 36 different special rice germplasm accessions based on the comprehensive evaluation D-value

2.5 回歸模型的建立及苗期耐鹽主要評價指標篩選

為篩選與特種稻種質(zhì)資源耐鹽能力鑒定相關(guān)性強的測定指標,利用綜合評價D值及11個測定指標,建立可用于特種稻苗期耐鹽性評價的數(shù)學模型,將D值作為因變量,把各測定指標相對變化值作為自變量,進行逐步回歸分析,建立最優(yōu)回歸方程:D=0.088+0.169×XRS+0.144×GRS+0.117×XRR+0.048×GRR-0.192×DRA。該方程決定系數(shù)R2=0.949,F值為131.539,p<0.001,因此該方程可較好地評估不同特種稻種質(zhì)資源的耐鹽能力綜合評價D值。由該方程可知,11個指標中有5個指標對特種稻苗期耐鹽性有顯著影響,分別是相對地上部鮮重、相對地上部干重、相對地上部鮮重、相對根系干重和相對根平均直徑,與D值均呈顯著相關(guān)。由表5分析可知,對該回歸方程的預估精確度進行評價分析發(fā)現(xiàn),除了新稻568的預測精度為87.88%外,其他特種稻種質(zhì)資源的綜合評價D值的預測精度均在91.60%以上。因此,本回歸方程中的指標能夠展現(xiàn)不同特種稻種質(zhì)資源的耐鹽性。

表5 回歸方程的預估精確度分析Table 5 Analysis of evaluation accuracy of regression equation

3 討 論

鹽漬化導致作物細胞離子失衡,養(yǎng)分失調(diào),抑制作物正常的生長發(fā)育,最終阻礙作物產(chǎn)量的形成。特種稻是一類具有特殊遺傳性狀和用途的水稻種質(zhì)資源[17]。利用特種稻的種質(zhì)資源和特殊優(yōu)勢,鑒定篩選耐鹽性強的特種稻種質(zhì)資源,為鹽堿地的開發(fā)利用提供材料,為耐鹽特種稻新品種選育提供種質(zhì)資源。

水稻的耐鹽性是受多種因素影響的復雜數(shù)量性狀,容易受到外界環(huán)境變化和自身的基因型表達的影響,僅利用某一個指標很難準確評價水稻耐鹽性的強弱,需要多個指標同時進行[9,18]。水稻在各個生長發(fā)育時期耐鹽性是不同的,幼苗期與抽穗揚花期是對鹽脅迫最為敏感的時期,因此,水稻苗期是鑒定水稻耐鹽性強弱的最佳時期之一。目前關(guān)于水稻品種的耐鹽性鑒定已經(jīng)開展了很多工作,劉艷等[10]通過根系總長度、總表面積、總體積等形態(tài)學參數(shù),對56份粳稻種質(zhì)資源的苗期耐鹽性進行了評價篩選。袁杰等[19]通過調(diào)查42份水稻品種(系)的株高、根長、苗鮮重、苗干重、根鮮重、根干重等評價分析水稻苗期耐鹽性。由于不同測定指標對特種稻耐鹽性的貢獻不同,耐鹽指數(shù)是由多個測定指標綜合統(tǒng)計的結(jié)果,是水稻幼苗期耐鹽強弱的重要評價指標之一,耐鹽指數(shù)越大,水稻幼苗耐鹽性越強[20]。張治振等[21]采用耐鹽指數(shù)評價分析不同水稻品種幼苗耐鹽性,可以明確區(qū)分耐鹽和鹽敏感水稻品種。耿雷躍等[16]對19份水稻種質(zhì)資源進行全生育期耐鹽性鑒定,結(jié)果表明,墾優(yōu)0702和墾育88的耐鹽性綜合評價D值較高,分別是0.66,0.64,屬于耐鹽能力極強。本研究選取了36份不同特種稻種質(zhì)資源,通過比較分析不同種質(zhì)資源苗期的耐鹽性綜合評價D值,表明大部分特種稻種質(zhì)資源的耐鹽性綜合評價D值在0.37以上,如山稻的耐鹽性綜合評價D值為0.68,表現(xiàn)為高耐鹽性。

利用主成分等多元統(tǒng)計分析方法可以將多個耐鹽相關(guān)指標轉(zhuǎn)化為幾個相互獨立并能反映樣本變異的少數(shù)指標,進而高效綜合評價不同作物種質(zhì)資源的生物學特性[22-23]。馬帥國等[9]通過主成分分析、隸屬函數(shù)及聚類分析等方法,篩選出不同耐鹽性水稻種質(zhì)資源,并對耐鹽性強弱進行分類。潘世駒等[24]根據(jù)芽長、根長和根條數(shù)的相對抑制率,采用聚類分析法將寒地水稻分為強耐鹽、中耐鹽和弱耐鹽等類型。李逸等[25]運用主成分分析、聚類分析及相關(guān)分析等方法,將17份寒地水稻種質(zhì)資源分為四大類(強耐鹽、耐鹽、鹽敏感、強鹽敏感),并指出根干重、根長度、根表面積、根體積、根尖數(shù)和莖數(shù)等6項指標可以作為寒地水稻耐鹽性的評價指標。本研究采用主成分分析,將11個特種稻種質(zhì)資源苗期耐鹽性鑒定指標轉(zhuǎn)化為3個主成分,結(jié)合隸屬函數(shù)及權(quán)重獲得可客觀反映特種稻苗期耐鹽性的綜合評價D值,利用D值進行聚類分析,將36份特種稻種質(zhì)資源劃分為高耐、耐鹽、弱耐、敏感和高敏等五種類型。

研究表明,鹽脅迫對水稻幼苗的鮮重和干重均有顯著影響[9-10,26]。鹽脅迫抑制不同水稻品種的根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)及根平均直徑,而耐鹽品種的根系生長指標受鹽脅迫影響較小[27]。王娜等[28]研究發(fā)現(xiàn),水稻苗期耐鹽性與根總表面積、平均直徑、總根體積呈極顯著正相關(guān)。鹽脅迫對水稻種質(zhì)資源的形態(tài)生長及生理指標影響存在一定的差異,單一某項指標不能準確判斷不同水稻種質(zhì)耐鹽性的差異。馬帥國等[9]通過建立回歸模型,篩選到相對根干重、相對地上部干重、相對地上部含水量、耐鹽級別和相對根長等5個評價水稻耐鹽性的關(guān)鍵指標。本研究根據(jù)綜合評價D值和各指標的相對變化值,采用逐步線性回歸分析方法,最終篩選到相對地上部鮮重、相對地上部干重、相對根系鮮重、相對根系干重、相對根平均直徑等5個特種稻種質(zhì)資源苗期耐鹽性評價的關(guān)鍵鑒定指標。

4 結(jié) 論

本研究應用多元統(tǒng)計學方法獲得相對地上部鮮重、相對地上部干重、相對根系鮮重、相對根系干重、相對根平均直徑等5個測定指標為最佳耐鹽性表型鑒定指標。篩選到苗期耐鹽性較強的特種稻種質(zhì)山稻、Y-9(黃白)、浙白和黑寶糯,可作為特種稻耐鹽育種的種質(zhì)。由于本研究僅對這些種質(zhì)苗期生長特性進行了研究,對于其耐鹽性的生理、分子機制以及田間抗鹽性仍需進一步探究。