基于鹽脅迫的小麥農(nóng)藝性狀多樣性分析及評(píng)價(jià)

吳儒剛，裴艷婷，張 超，范業(yè)泉，靳義榮，劉 鵬，賈德新，戴忠民

(1.德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東德州 253015；2.德州學(xué)院生物系，山東德州 253023)

小麥作為擁有世界上40%以上消費(fèi)群體的糧食作物，其產(chǎn)量的高低直接影響著世界糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。全世界可耕地面積約 18.29×108hm2，人均僅有0.26 hm2[1]。我國人均耕地面積不足世界平均耕地面積的1/2，且隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的不斷發(fā)展，耕地面積會(huì)逐漸降低。糧食需求的壓力越來越大，亟需開發(fā)后備土地資源。目前，我國可利用的鹽堿化耕地面積約為760×104hm2[2]，占全國可利用土地面積的 4.88%[3]。種植耐鹽作物是鹽堿化耕地有效利用的最簡單方式之一[4-5]。我國已經(jīng)審定的耐鹽小麥品種有德抗961[6]、山融3號(hào)、小偃60和新春29[7]等，品種數(shù)量較少，產(chǎn)量較低。鑒定耐鹽小麥種質(zhì)資源[8-9]、篩選耐鹽小麥品種[10-11]、培育耐鹽小麥品種成為小麥育種的重要研究方向。小麥耐鹽性雖是耐鹽基因和調(diào)控機(jī)制的結(jié)果[12]，但需借助鹽脅迫通過表型性狀來體現(xiàn)。目前，小麥種質(zhì)資源的表型性狀的遺傳多樣性研究多是有關(guān)大田水澆條件下的國外資源[13-15]、異地資源[16]、育成品種等[17-20]，陳祥萍等[21]和邵千順等[22]則對(duì)旱地小麥品種、系進(jìn)行了遺傳多樣性分析。另有部分學(xué)者對(duì)國外小麥材料進(jìn)行了耐鹽性鑒定工作[8-9,23]，多在苗期、水培條件下進(jìn)行。鹽脅迫下針對(duì)黃淮麥區(qū)最新審定的小麥品種的遺傳多樣性的研究還未見報(bào)道。為此，我們搜集近年來黃淮麥區(qū)國審、省審的水、旱地小麥品種為試驗(yàn)材料，利用新建的標(biāo)準(zhǔn)化鹽池，進(jìn)行了鹽脅迫(0、0.3%和0.5% NaCl)下小麥遺傳多樣性研究，以期在不同鹽濃度下，探索小麥高產(chǎn)的性狀表現(xiàn)規(guī)律，篩選出耐鹽小麥資源，為小麥耐鹽育種的親本選配和后代選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取黃淮麥區(qū)及北部冬麥區(qū)近10余年國審、省審的小麥品種132個(gè)(表1)，組成自然群體。所有材料均為德州繁殖一年后，收獲的種子。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地的標(biāo)準(zhǔn)化鹽池中的12個(gè)鹽池進(jìn)行，每個(gè)鹽池長5 m，寬5 m，深1.5 m，四周是0.5 m的混凝土墻，底部未封閉。鹽池土壤為白壤土，有機(jī)質(zhì)含量 0.84%，堿解氮45.23 mg·kg-1，速效磷25 mg·kg-1，速效鉀83 mg·kg-1。前茬為玉米，秸稈全部清除。為保證地力均勻，底肥按照每池雞糞8 kg、磷酸二胺1.5 kg和尿素1.5 kg的比例混合攪拌均勻，均勻撒施到每個(gè)鹽池，并及時(shí)造墑。以NaCl為鹽源，設(shè)對(duì)照(0)、低(0.3% NaCl)和高 (0.5% NaCl)3個(gè)鹽濃度，根據(jù)返鹽高峰期鹽分的測定值，依照耕層鹽分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)鹽池補(bǔ)充相應(yīng)重量的NaCl顆粒，人工均勻撒施。人工深翻土地，耙碎磨平明暗坷垃，去除秸稈殘茬，保證鹽池土地平整，防止因地面高低不平，導(dǎo)致返鹽高峰期出現(xiàn)局部鹽斑，造成鹽分分布不均，影響試驗(yàn)的一致性。2次重復(fù)，隨機(jī)排列。自制點(diǎn)播器打孔，單粒點(diǎn)播。行長1 m，行距20 cm，株距5 cm，1行區(qū)，田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2.2 測定項(xiàng)目與方法

于小麥灌漿中期，測整行的株數(shù)和穗數(shù)，計(jì)算單株成穗數(shù)；隨機(jī)選擇有代表性植株10株，測定株高、穗下莖節(jié)長、主莖穗長度、主莖小穗數(shù)、主莖穗粒數(shù)、耐鹽指數(shù)、綜合耐鹽指數(shù)、小穗密度和籽粒密度。全部收獲脫粒，計(jì)產(chǎn)并換算成單株產(chǎn)量，數(shù)粒儀數(shù)取2次500粒，測千粒重。各性狀的耐鹽指數(shù)計(jì)算公式參照張 園等[24]方法；綜合耐鹽指數(shù)(Comprehensive salt tolerance index 簡稱CSTI)、小穗密度(spikelet density簡稱SD)、籽粒密度(grain density簡稱GD)的計(jì)算公式為：

表1 供試小麥品種Table 1 Wheat varieties used in the study

式中，pi為每個(gè)性狀的耐鹽指數(shù)； SNP為主莖小穗數(shù)；GNS為主莖穗粒數(shù)；SL為主莖穗長。

1.2.3 耐鹽評(píng)價(jià)方法

參照張 園等[24]方法進(jìn)行耐鹽級(jí)別、綜合耐鹽指數(shù)的劃分和耐鹽性評(píng)價(jià)(表2)。

表2 耐鹽性級(jí)別劃分Table 2 Classification of salt tolerance

HR:Highly resistant; R:Resistant; MR:Moderate; S:Sensitive; HS:Highly sensitive.

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016整理，采用Shannon-weaver 遺傳多樣性指數(shù)衡量遺傳多樣性[25]，利用DPS 7.05進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

由表3可知，供試材料各農(nóng)藝性狀在不同鹽濃度下的變異系數(shù)不盡相同，整體表現(xiàn)為高鹽>低鹽>對(duì)照，3種處理的平均變異系數(shù)均大于10；各農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性指數(shù)均大于2(對(duì)照的株高除外)。說明供試材料間農(nóng)藝性狀存在較大差異，遺傳多樣性豐富；鹽脅迫增加了品種間的差異，有利于品種間耐鹽性的比較和篩選。

2.1.1 由變異系數(shù)分析遺傳多樣性

低鹽脅迫條件下，各農(nóng)藝性狀的平均變異系數(shù)較對(duì)照略大，為12.055%，變化范圍為 6.822%～24.096%，變異系數(shù)最大、最小的性狀為單株產(chǎn)量和主莖小穗數(shù)，變異系數(shù)大于10%的性狀為單株產(chǎn)量、單株成穗數(shù)和穗下莖節(jié)長。在高鹽脅迫條件下，各農(nóng)藝性狀變異系數(shù)的平均值為 13.418%，變化范圍為7.913%～28.495%，變異系數(shù)最大、最小的性狀為單株產(chǎn)量、主莖穗長，變異系數(shù)大于10%的性狀為單株產(chǎn)量、單株成穗數(shù)、主莖穗粒數(shù)和穗下莖節(jié)長。說明鹽分脅迫有利于供試品種耐鹽性的比較和篩選。

表3 132份小麥品種的主要農(nóng)藝性狀Table 3 Major agronomic characters of 132 wheat varieties

PNP:Panicle number per plant; PH:Plant height; PL:Peduncle length; SL:Spike length; SNP:Spikelet number per spike; GNS:Grain number per spike; TGW:Thousand grain weight;GWP:Grain weight per plant; AV:Average.

2.1.2 由遺傳多樣性指數(shù)分析遺傳多樣性

由表3可知，在低鹽脅迫條件下，各農(nóng)藝性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為 2.055，主莖穗長和主莖穗粒數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最大，均為2.075，單株產(chǎn)量的遺傳多樣性指數(shù)最小，為2.032，其他各農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性指數(shù)依次是主莖小穗數(shù)>千粒重>株高>穗下莖節(jié)長 >單株成穗數(shù)。在高鹽脅迫條件下，各農(nóng)藝性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為 2.058，穗下莖節(jié)長的遺傳多樣性指數(shù)最大，為2.076，千粒重的遺傳多樣性指數(shù)最小為 2.029，其他各農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性指數(shù)依次是主莖穗粒數(shù)>單株成穗數(shù)>單株產(chǎn)量>主莖小穗數(shù)>株高>主莖穗長。除對(duì)照株高的遺傳多樣性指數(shù)為1.983外，其他性狀在不同鹽分濃度下的遺傳多樣性指數(shù)均大于2。說明供試小麥品種間耐鹽性存在較大的差異。

2.2 主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

132份黃淮麥區(qū)小麥品種的8個(gè)農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析的結(jié)果(表4)表明，本試驗(yàn)條件下，單株產(chǎn)量均與單株成穗數(shù)、主莖穗長和主莖小穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)，且與單株成穗數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大，說明單株成穗數(shù)是決定單株產(chǎn)量的最關(guān)鍵因素。株高與穗下莖節(jié)長呈極顯著正相關(guān)，穗下莖節(jié)長和主莖穗長呈顯著正相關(guān)。主莖穗長與主莖小穗數(shù)、主莖小穗數(shù)與主莖穗粒數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，說明主莖穗長決定主莖小穗數(shù)，主莖小穗數(shù)越多則主莖穗粒數(shù)也越多。

在對(duì)照、低鹽和高鹽脅迫下，單株成穗數(shù)與株高分別呈不相關(guān)、顯著正相關(guān)、極顯著正相關(guān)；在對(duì)照和低鹽脅迫下，單株成穗數(shù)與千粒重的相關(guān)性不顯著，而在高鹽脅迫下，與千粒重呈顯著正相關(guān)，說明隨著鹽分濃度的增加，單株成穗數(shù)與株高的相關(guān)性增大。株高與主莖穗長在對(duì)照條件下呈顯著正相關(guān)，而在低鹽和高鹽脅迫下呈極顯著正相關(guān)，說明株高與主莖穗長的相關(guān)性隨鹽分濃度的增加而增大；株高與主莖穗粒數(shù)、單株產(chǎn)量和千粒重在高鹽脅迫下分別呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)，而在對(duì)照和低鹽脅迫下均為相關(guān)性不顯著；穗下莖節(jié)長、主莖穗長均與千粒重在對(duì)照和低鹽脅迫下呈不顯著負(fù)相關(guān)，在高鹽脅迫下呈極顯著正相關(guān)。

2.3 主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

分別對(duì)132份黃淮麥區(qū)小麥品種的7個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析(表5)，提取貢獻(xiàn)率均大于10%的4個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率在0、 0.3%、0.5%鹽濃度下分別達(dá)到83.613%、 82.677%和88.897%，較好地代表了8個(gè)性狀的絕大部分信息。

對(duì)照和低鹽條件下，第1、第3和第4主成分對(duì)應(yīng)的特征值分別為2.471和2.578、0.998和0.947、0.959和0.843，影響最大的性狀均為主莖小穗數(shù)、千粒重和單株穗數(shù)，而第2主成分對(duì)應(yīng)的特征值為1.424和1.419，影響最大的性狀為株高和主莖穗粒數(shù)。對(duì)照條件下，株高對(duì)第2主成分影響最大；低鹽條件下，主莖穗粒數(shù)對(duì)第2主成分的影響最大。因此，對(duì)照和低鹽條件下，第1、第2、第3、第4主成分可概括為小穗數(shù)因子、株高(主莖穗粒數(shù))因子、粒重因子和穗數(shù)因子。

在高鹽條件下，第1主成分的特征值為 2.765，影響最大的性狀為主莖穗長，其次是主莖小穗數(shù)、主莖穗粒數(shù)和株高。第2主成分的特征值為1.633，影響最大的性狀為穗下莖節(jié)長，其次是主莖小穗數(shù)和主莖穗粒數(shù)。第3主成分的特征值為0.946，影響最大的形狀為單株成穗數(shù)，穗下莖節(jié)長次之。第4主成分的特征值為0.878，影響最大的性狀為千粒重。因此，在高鹽脅迫條件下，第1、第2、第3、第4主成分可概括為穗長因子、穗下莖因子、穗數(shù)因子和粒重因子。

2.4 小麥品種的耐鹽性綜合評(píng)價(jià)

由表6可以看出，以綜合耐鹽指數(shù)為指標(biāo)，在低鹽脅迫條件下，小麥品種被分為4類，其中耐鹽性極強(qiáng)的品種為煙農(nóng)5286和青農(nóng)2號(hào)，耐鹽性強(qiáng)的品種有28個(gè)，占所有品種的21.2%，62.1%品種耐鹽性中等，20個(gè)品種耐鹽性弱，不含耐鹽性極弱的品種。在高鹽脅迫條件下，小麥品種被分為5類，其中耐鹽性極強(qiáng)的品種有6個(gè)，耐鹽性強(qiáng)的品種有35個(gè)，占所有品種的26.5%，62個(gè)品種為中等耐鹽品種，26個(gè)品種耐鹽性弱，濟(jì)寧12號(hào)、新麥26和保麥10號(hào)的耐鹽性極弱。

以綜合耐鹽指數(shù)≥1.10為指標(biāo)，篩選出兩種鹽濃度下均表現(xiàn)為強(qiáng)耐鹽性的品種11個(gè)，有河北省的衡4399和石麥15，山東省的青麥6、青豐1、青農(nóng)2和煙5286，河南省的洛旱6、鄭366、周麥22、周麥23和周麥28。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，石麥15是抗旱耐鹽堿小麥品種冀麥38的后裔；山東的4個(gè)品種均為魯麥14的后代；河南品種中除鄭麥366外，其他4個(gè)品種均含有溫麥6號(hào)的基因。結(jié)合田間的群體長勢表現(xiàn)，認(rèn)為周麥22號(hào)、洛旱6號(hào)、鄭366、青農(nóng)2號(hào)、煙5286和衡4399為高產(chǎn)耐鹽小麥種質(zhì)資源，可以作為耐鹽育種的首選 材料。

表6 132個(gè)小麥品種的耐鹽性分類Table 6 Salt tolerance evaluation of 132 wheat varieties

級(jí)別Grade綜合耐鹽指數(shù)CSTI相對(duì)耐鹽性Relative tolerance材料數(shù)量 Quantity of material低鹽Low salt高鹽High salt1≥1.30極強(qiáng) HR 2621.10～1.29強(qiáng) R 283530.90～1.09中等 MR 826240.70～0.89弱 S 20265≤ 0.69極弱 HS 03

3 討 論

耐鹽種質(zhì)資源是作物耐鹽育種的基礎(chǔ)。深入分析并掌握鹽脅迫下小麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，對(duì)耐鹽小麥遺傳改良意義重大。前人分別用SSR[26]、RAPD[27]技術(shù)來分析耐鹽小麥的遺傳多樣性。本試驗(yàn)主要分析不同鹽脅迫下各農(nóng)藝性狀所表現(xiàn)出的遺傳差異性，結(jié)果表明，各農(nóng)藝性狀的平均變異系數(shù)隨鹽濃度的增加有增大趨勢，尤其是單株產(chǎn)量和單株成穗數(shù)，說明這兩個(gè)性狀的穩(wěn)定性較差，但是選擇潛力大[28]，有利于品種耐鹽性的比較和篩選。從遺傳多樣性指數(shù)來看，鹽脅迫下各性狀的遺傳多樣性指數(shù)均大于2。說明鹽脅迫有利于耐鹽性材料的篩選。

朱永興等[29]認(rèn)為，株高是耐鹽小麥篩選的指標(biāo)之一，肖 宇等[30]和喬海龍等[31]研究表明，鹽脅迫下品種株高降幅少，其抗鹽性就強(qiáng)。本試驗(yàn)相關(guān)分析表明，在高鹽脅迫下，株高與單株產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，這與朱永興等[29]和申玉香等[32]的研究結(jié)果一致，說明株高可以作為耐鹽小麥鑒定的性狀之一。而在低鹽脅迫下，千粒重與單株產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，說明輕度鹽分條件下，千粒重也可以作為小麥品種耐鹽性的一項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這與喬海龍等[31]的結(jié)論相一致。

主成分分析被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物的種質(zhì)資源多樣性研究,運(yùn)用該方法可將錯(cuò)綜復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)性狀概括為相互獨(dú)立的少數(shù)幾個(gè)性狀代表的主成分，能直觀反映因子間不同性狀的貢獻(xiàn)大小，有助于目標(biāo)性狀的選擇。鄒德堂等[33]將水稻材料的15個(gè)性狀的耐鹽指數(shù)簡化為7個(gè)主成分，周麗艷等[34]將11個(gè)農(nóng)藝性狀簡化為5個(gè)主成分。本研究將不同鹽脅迫下的7個(gè)指標(biāo)簡化為4個(gè)主成分：在低鹽脅迫下，4個(gè)主成分的特征值分別為2.578、1.419、0.947、0.843，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.677%，對(duì)應(yīng)的性狀分別為主莖小穗數(shù)、主莖穗粒數(shù)、千粒重和單株成穗數(shù)；在高鹽脅迫下，4個(gè)主成分的特征值分別為2.765、1.633、0.946、 0.878，累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.897%，對(duì)應(yīng)的性狀分別為主莖穗長、穗下莖節(jié)長、單株成穗數(shù)和千粒重。

本研究中，在低鹽、高鹽脅迫下，綜合耐鹽指數(shù)達(dá)到1.10以上的分別有30個(gè)和41個(gè)品種，其中11個(gè)品種在兩種鹽脅迫下，均表現(xiàn)出較好的抗鹽性。結(jié)合田間的群體表現(xiàn)和產(chǎn)量結(jié)果，篩選出周麥22號(hào)、洛旱6號(hào)、鄭366、青農(nóng)2號(hào)、煙5286和衡4399為高產(chǎn)、耐鹽小麥種質(zhì)資源，本研究是在鹽池中進(jìn)行，能確保鹽分濃度的準(zhǔn)確可靠，田間操作嚴(yán)格按照調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，最大限度的控制了試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)結(jié)果可為小麥耐鹽品種的篩選和培育工作提供理論依據(jù)。雖然鹽池耐鹽鑒定比較接近大田實(shí)際生產(chǎn)，但結(jié)果仍然受環(huán)境的影響較大，應(yīng)該將表型數(shù)據(jù)與分子標(biāo)記相結(jié)合[35]，利用連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析等基因組學(xué)方法[36]，深入系統(tǒng)地進(jìn)行研究，充分發(fā)掘有利基因，為親本選配提供理論依據(jù)。