粒用高粱耐鹽種質資源鑒選與評價

范 娜，白文斌，彭之東,趙建武

(1. 山西省農科院高粱研究所，山西 榆次 030600；2. 高粱遺傳與種質創新山西省重點實驗室，山西 榆次 030600)

土壤鹽漬化是影響農業生產和生態環境的世界性問題之一，鹽脅迫影響植物的發芽、生長，最終導致農作物減產。目前全球耕地鹽漬化對農作物的生產已構成較大威脅，并且呈現逐年增長的趨勢[1]。世界上大約有20%的耕地及一半的灌溉地演化為鹽漬地，山西省共有鹽堿化土壤 2.618萬hm2，鹽堿地主要分布在大同、朔州、忻州、晉中、呂梁、臨汾、運城、太原等地[2]。

高粱是世界和中國主要的糧食作物和飼料作物之一，屬于短日照 C4植物，生長能力較強，可用作糧、飼、釀造等多種用途，是干旱半干旱地區的主要作物[3]。鹽脅迫對高粱的生長發育有很大影響，根據田間土壤鹽分運行規律，作物在萌發和幼苗生長期間受鹽脅迫的危害尤為嚴重[4]。多年來，國內外對高粱的耐鹽性以及篩選鑒定方法進行了研究，王寶山等[5]研究了高粱根、地上部、生長葉片及葉鞘、成熟葉片及葉鞘對NaCl脅迫的響應，發現NaCl脅迫下葉鞘鮮質量降幅最大，其次是生長葉片，成熟葉鞘和成熟葉片的變化最小；研究還發現，NaCl脅迫對植株生長的抑制主要是抑制正在生長的器官，對地上部生長的抑制作用大于根部。長期鹽脅迫加速器官的衰老和死亡，降低高粱主根長、根體積、苗高，致使植株鮮質量和干質量下降。Francios等[6]對高粱整個生育期的耐鹽性進行了研究,發現高粱芽期的耐鹽性高于其它生長時期。對高粱種質資源的大量研究表明,高粱芽期、苗期均耐鹽的品種很少。秦嶺等[7]對103份高粱種質資源在芽期進行耐鹽性鑒定與評價,表明在鹽濃度為1.86%時不同品種間的耐鹽能力存在較大差異,高粱在芽期耐鹽致死濃度約為2.08%。粒用高粱作為耐鹽作物已經引起國內外學者的重視，但是都集中在粒用品種的研究，對粒用高粱耐鹽材料的篩選及耐鹽性研究尚少見報道。本試驗采用了室內模擬鹽脅迫對不同粒用高粱材料在萌發期、苗期的影響，采用相關分析、主成分分析和聚類分析, 旨在為高粱耐鹽材料的篩選及耐鹽性研究提供理論依據，為高粱耐鹽品種選育和耐鹽基因挖掘提供材料。

1 材料和方法

1.1 供試材料

前期進行了室內篩選試驗，從400份材料中選出50份有特點的親本材料。試驗材料名稱見表1。

表1 高粱材料一覽表

1.2 試驗方法

1.2.1 萌發期材料篩選 將50份材料用 70%酒精活化30 s，然后用無離子水沖洗干凈。培養皿中用雙層濾紙鋪好，分別標記。將種子表面水分吸干，置于直徑為12cm的培養皿中，每培養皿50 粒種子。每培養皿中加入10 mL蒸餾水或150 mmol·L-1NaCl溶液，置于人工氣候培養室，晝/夜溫度為28℃/25℃，濕度為 60%，光照/黑暗時間為 12 h/12 h。種子自培養每天統計發芽數，在第10天測定葉長、根長，每培養皿測定3株，再取平均值。發芽以種子胚根達種子1/2為標準[8]。

1.2.2 苗期材料篩選 將篩選出的30份材料置于25℃恒溫培養箱中進行催芽，將發芽基本一致的種子種于裝有相同質量沙土的花盆中，每盆播種10粒，設置三次重復，加入150 mmol·L-1NaCl溶液澆灌，以等量澆水為對照,調查鹽水處理和對照幼苗成活率[8]。

1.3 試驗測試指標

(1)種子萌發階段測試指標

第3 d統計發芽勢，第6 d 統計發芽率、發芽指數及相對鹽害率[9-11]。

發芽勢=3 d后發芽種子數/種子總數×100%

發芽率=6 d后發芽種子數/種子總數×100%

相對發芽勢=處理發芽勢/對照發芽勢×100%

相對發芽率=處理發芽率/對照發芽率×100%

第15 d用直尺測定根長、芽長。

相對鹽害率=[(對照出苗數值-鹽處理出苗數值)/對照出苗數值]×100%。

(2)苗期試驗測試指標

分別于第7、10、13、15、27天統計出苗情況。

相對生長速率(cm·d-1)=處理第15天株高-處理第5天株高/10。

枯萎數=高粱品種在同一鹽濃度處理下第15天的平均枯萎數

1.4 分析軟件和分析方法

用 Excel 2003和DPS對數據進行描述性統計分析，并進行相關性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同高粱材料對萌發期鹽脅迫的響應

發芽勢反映種子發芽的快慢和整齊度,發芽率反映種子發芽的數量[12]。150 mmol·L-1NaCl 脅迫下，50份高粱親本材料萌發期生長指標幾乎都小于對照，不同品種降低幅度不同。相對發芽率的數值范圍為 0.27%～93.4%，相對發芽勢數值范圍為15.15%～97.4%，根長數值范圍在 0.3～4.5 cm，葉長數值范圍為 0.4～2.8cm；鹽害系數數值范圍0.026～0.794。根據表2可知：材料09305R、67B、07221三尺三、L16(白)、遼寧黑高粱后代、3438、 ESB19B 、B 吉、20550-30、紅粒變、L矮-2、東北5R 、BV4、07221、瀘晉5·7系、B 3001 、B 11486 、B 700萌發期表現出較好的耐鹽性，3560R、10337B、忻52、吉16、93943·157、363C、B 瀘45、B 11506、高賴組合、吉26、鐵10612、SPP1表現出鹽敏性。從以上材料中篩選出30份材料進行下一步苗期試驗。

2.2 鹽脅迫對高粱苗期生長的影響

2.2.1 鹽脅迫對高粱苗期生長速率的影響 將篩選出的30份材料進行苗期試驗。由圖1可知，于苗期播種后第7、10、13、15、17d統計高粱苗高度，鹽脅迫下50份高粱親本材料生長情況有明顯區別，特別是在播種15d后。材料09305R、67B、07221三尺三、L16(白)、3438表現出較好的耐鹽性，3560R、10337B、SPP1表現出鹽敏性。

圖1 不同高粱材料鹽脅迫下苗期生長情況Fig.1 Growth of different sorghum materials under salt stress at seedling stage

2.2.2 鹽脅迫對高粱苗期耐鹽指標的影響 將篩選出的30份材料進行苗期試驗，由表3可知，生長速率范圍在0.65～1.25之間，枯萎數在0.68～4.88之間，確定苗期耐鹽程度分為敏感、中敏、耐鹽和高耐四個級別。其中09305R、67B、3438和07221等表現出高耐鹽性狀，3560R、吉16、10337B等表現出鹽敏感性狀。

2.3 鹽脅迫下高粱品種各性狀相對值的相關性分析

選用芽長、根長、苗高、發芽勢、發芽率、發芽率鹽害系數、發芽勢鹽害系數、生長速率、枯萎數等9個耐鹽指數進行隸屬函數值分析。多數性狀間的相關性都達到了顯著或極顯著水平，結果見表4。葉鮮重與葉干重、發芽率鹽害系數與發芽率、發芽勢呈極顯著的正相關，相關系數分別為 0.98**。根長與發芽勢之間的相關性也較高，相關系數分別為 0.86**。

表2 NaCl處理對高粱萌發期生長的影響

表3 鹽脅迫對高粱苗期生長速率的影響

表4 鹽脅迫下高粱品系各性狀耐鹽指數與平均隸屬函數值的相關性分析

注：*表示顯著(p<0.05),**表示差異極顯著(p<0.01)。

Note: * indicates significant difference (p<0.05), ** indicates extremely significant difference (p<0.01).

2.4 鹽脅迫對高粱各性狀影響情況的主成分分析

利用化學計量學中的主成分分析和模糊聚類方法進行分析，可以把不同高粱材料對鹽脅迫的萌發特性和生長特性的響應離散的數據標準化處理，以便對樣品的相似性進行明確的評價[13-14]。各特征值的累計百分率代表各綜合指標對遺傳方差貢獻的百分率,特征向量表示在各綜合指標中供試品種各性狀對綜合指標貢獻的大小。

根據相關系數列出相關矩陣，求出特征根及其相應的特征向量，為排除作用較小而干擾較大的因素，提高分析精確率，從10個特征根中選取 3 個較大的特征根及相應的 3 個特征向量[15-16]。如表5 所示，第Ⅰ主成分的貢獻率為 70.29%，第Ⅰ主成分中發芽率、發芽勢和發芽率鹽害系數正值較高，主要反映的種子萌發生長狀況，可稱其為萌發生長因子；第Ⅱ主成分的貢獻率為 13.01%，第Ⅱ主成分中苗長、生長速率正值較高，主要反映高粱的生長狀況；第Ⅲ主成分的貢獻率為 9.67%，第Ⅲ主成分與各指標的因子荷載中，以鹽害系數負荷量最大，主要反映高粱耐鹽能力。由表6可知，前3個主成分的累計貢獻率達 92.97%，可見前 3 個主成分足以說明該數據的變化趨勢，完全符合主成分分析的要求，故取前 3 個主成分作為數據分析的有效成分。這 3 個主成分與 10 個耐鹽性狀的相關系數(即因子負荷量)反映了它們之間的相關性[17]。

表6 各因子載荷矩陣

2.5 聚類分析

隸屬函數值法能避免單一指標的片面性[18-19]，可較為全面、準確地反映高粱品系苗期的耐鹽性。本實驗采用聚類分析將30個高粱品系的9個耐鹽指標的隸屬函數值進行標準化處理。由圖2看出，耐鹽級別分為五大類。第 1 類群，包括3560R、10337B、鐵10612，共計3個品系，該類群各指標的相對值均較低，屬于高度鹽敏感品系。第 2 類群，包括吉16、363C等共計5個品系，這些品系的各性狀指標相對值相對較小，屬于鹽敏感品系。第 3 類群，包括07221、BV4等共10個品系，該類群各項指標相對值居中，屬于中等耐鹽品系。第 4類群，包括遼寧黑高粱后代、L16(白)等共10個品系，該類群各項指標相對值較大，可認定為耐鹽品系。第 5類群，包括09305R、67B等，共2個品系，占供試材料的20%。這 4個品系各項指標的相對值均大，可認定為高耐鹽品系[20]。

圖2 30個高粱品系聚類圖Figure 2 Dendrogram of 30 sorghum lines

3 結果與討論

1)鹽脅迫能通過滲透脅迫、離子毒害和離子失衡來抑制植物生長。作物在種子萌發階段對鹽分最敏感, 過量鹽分影響高粱發芽和芽苗生長。高粱耐鹽性是一個多因素的綜合結果, 在高粱生長發育的不同階段表現出的耐鹽特性也不同。萌發期是高粱群體數量建成的關鍵時期,萌發期極易受鹽脅迫環境的影響, 所以在萌發期篩選出具有耐鹽能力的品種對于農業生產有重要意義。將以上篩選出30份材料進行苗期試驗。于苗期播種后第7、10、13、15、17天統計高粱苗高度，鹽脅迫下50份高粱親本材料生長情況有明顯區別，特別是在播種后15d后。材料09305R、67B、07221三尺三、L16(白)、3438表現出較好的耐鹽性，3560R、10337B、SPP1表現出鹽敏性。

2)本試驗選用高粱發芽率、發芽時、根長、苗高、生長速率和枯萎指數等9個相關指標作為高粱耐鹽的重要指標。

3)本實驗主成分分析表明：萌發生長因子、生長因子、鹽害系數反映了高粱耐鹽的特性。利用聚類分析法把30份親本材料分成高度耐鹽型、耐鹽型、中等耐鹽型、鹽敏感型和高度鹽敏感型品種 5大類。

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