引進春小麥品種萌發期耐鹽性鑒定及評價

王興州,時曉磊,張 恒,曲可佳,耿洪偉,丁孫磊,張金波,嚴勇亮

(1.新疆農業大學農學院/農業生物技術重點實驗室,烏魯木齊 830052;2.新疆農業科學院農作物品種資源研究所,烏魯木齊 830091;3.新疆農業科學院國際科技合作交流處,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤鹽漬化已經成為限制農業發展的主要非生物脅迫因子之一[1]。受到不同程度的鹽害脅迫后,相當大一部分農作物品種難以發揮其高產和優質的潛力[2]。目前我國約有0.3×108hm2土地存在不同程度的鹽漬化[3,4]。鹽漬化土壤的開發利用有多種途徑,其中以培育和種植耐鹽作物品種最為經濟有效。培育耐鹽作物品種,開發利用鹽堿地,是解決糧食生產的重要措施[5]。新疆是我國受鹽漬化危害較嚴重的地區,鹽漬化面積為2.18×107hm2,約占全國鹽漬化面積的1/3[6,7],在新疆耕地中受不同程度鹽漬化危害的耕地面積122.88×104hm2,占總耕地面積的30.12%,占低產田面積的63.20%,其中受到中度、重度鹽漬化威脅的低產田占總耕地的22.06%;在1 031.75×104hm2的宜農荒地中,受鹽堿限制的面積達515.11×104hm2,占總面積的49.93%[8]。小麥(TriticumaestivumL.)是全球主要糧食作物之一,全球約有35%～40%的人口以小麥為主要糧食[9]。也是為我國三大糧食作物之一[10]。小麥種質資源豐富,不同種質耐鹽性存在差異,耐鹽種質資源是培育耐鹽品種的重要材料基礎。篩選適合在新疆地區鹽漬地種植的小麥品種,對開發和利用新疆大量的鹽漬化土地有很重要的意義。【前人研究進展】劉旭等[11]通過對400份材料芽期、苗期進行鑒定,篩選出耐鹽性突出的3份材料:紅螞蚱、科遺26、希望。王萌萌等[12]對882份小麥品種資源進行初步鑒定,篩選出芽期耐鹽性為一級的品種328份,苗期和芽期都達到中度耐鹽的品種43份。彭智等[13]對321份小麥材料的苗期、芽期進行耐鹽性鑒定,得到芽期高耐材料21份。李媛媛等[14]對283份小麥種質資源進行萌發期鹽堿脅迫實驗,基于11項性狀指標綜合分析了小麥種質資源耐鹽堿性特點,通過聚類分析,將鹽、堿脅迫下283份小麥材料各劃分為3類,篩選出10份耐鹽堿型材料。種子萌發期是植物生命史中最為重要的階段,也是對鹽堿脅迫最敏感的時期[15],萌發期是小麥耐鹽的關鍵時期,種子的萌動發芽是小麥整個生命歷程的開始,萌發期的耐鹽性就是在鹽脅迫下小麥種子吸水后膨脹萌動生根的綜合能力[16]。【本研究切入點】目前小麥耐鹽性評價方法多樣,主要分為單指標分析和多指標綜合分析兩大類。單指標分析主要用相對鹽害率[11,12]評價作物的耐鹽性,適用于大量耐鹽材料的初級篩選,但是往往忽略了最長根長、苗高等對于鹽脅迫的反應差異,多指標分析包括隸屬函數法[17,18]、主成分分析[19]、聚類分析[20],該類分析同時運用多個指標,全面反應耐鹽性,有效避免單一指標對實驗結果造成評價片面的結果,為研究小麥萌發期耐鹽性生理機制和小麥耐鹽品種的培育篩選以及推廣種植提供重要的理論依據[21,22]。小麥耐鹽堿機理的復雜性,至今仍沒有發現哪一形態指標可以單獨作為其耐鹽堿性鑒定的依據。需測定小麥萌發期各形態指標,比較其鹽堿處理和對照間的差異,綜合評價不同品種耐鹽堿脅迫的能力。【擬解決的關鍵問題】以77份春小麥種質為材料進行耐鹽性鑒定,篩選關鍵材料進行種質資源創新,為小麥耐鹽堿育種提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料77份,來源分別為阿根廷、埃及、美國、意大利、波蘭、前蘇聯、肯尼亞、墨西哥、巴西等17個國家,由新疆農業科學院品種資源研究所提供。用于發芽試驗的種子于2021年在新疆農業科學院品種資源研究所實驗室內培養箱中進行培養。表1

表1 供試小麥品種及耐鹽綜合性評價值

續表1 供試小麥品種及耐鹽綜合值

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

參照《小麥耐鹽性鑒定評價技術規范NY/PZT 001-2002》的方法[23],每份材料挑選大小均勻、籽粒飽滿、無病蟲害種子600粒,先用5%的次氯酸鈉消毒15 min,蒸餾水反復沖洗5次,消毒完畢后用蒸餾水浸種8 h。設1個對照(蒸餾水)和1個處理,3次重復,每次重復用種50粒,將浸種完畢的種子腹溝向下放入鋪有一層發芽紙的發芽盒內(12 cm×12 cm×5 cm),處理加入200 mmol/L NaCl溶液10 mL,采用ZFG-600智能光照種子發芽箱,恒溫20℃培養,12 h光照,12 h黑暗交替培養10 d,為避免水分蒸發造成NaCl溶液濃度降低,每天定時更換溶液。以胚芽生長長度超過種子長度的1/3或胚根超過種子長度的1/2為發芽,發芽第5 d統計各品種的發芽數,計算各品種的發芽勢。培養第10 d,統計各品種的發芽數,計算各品種的發芽率,挑選10株長勢一致的幼苗,測量最長根長(RL)、苗高(SH)、根數(RN)、胚芽鞘長度(CL)、根鮮重(RFW)、幼苗鮮重(SFW)、根干重(RDW)、幼苗干重(SDW),并進行相關計算。發芽第10 d,在對照和NaCl處理2種條件下,各挑選10株長勢一致的小麥,將小麥根部與幼苗分離,用電子天平稱取地上部分與地下部分鮮重;將根部與幼苗放置烘箱內105℃殺青15 min,再置于烘箱內80℃烘干8 h,用電子天平稱取地上干重與地下干重。

1.2.2 耐鹽表型性狀測量

發芽勢(%)=(鹽處理第5 d正常發芽種子數/供試種子數)×100%;

發芽率(%)=(鹽處理第10 d正常發芽種子數/供試種子數)×100%;

相對值(%)=(鹽處理指標測定值/對照指標測定值)×100%。

1.2.3 耐鹽性綜合評價

依據李鳳琴[24]方法,小麥耐鹽性是受多種因素影響的一種較為復雜的性狀,小麥的耐鹽性需要多指標進行評價,運用小麥耐鹽性各指標的相對值獲得隸屬函數值、權重值和萌發期耐鹽綜合性評價(D)值,分析供試小麥品種的耐鹽性。

1.3 數據處理

運用Microsoft excel 2010對原始數據進行運算與處理,SPSS 21.0對各性狀進行相關性分析、主成分分析、聚類分析以及因子分析。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種種子萌發對鹽脅迫響應差異

研究表明,NaCl脅迫下10個指標均受不同程度的抑制,較對照均呈現下降的趨勢,NaCl對種子萌發具有一定的抑制作用。NaCl脅迫下,最長根長均值為3.01 cm,受抑制最嚴重,較對照比較下降了79.47%,苗高、根數、胚芽鞘長、根鮮重、幼苗鮮重、根干重、幼苗干重、發芽勢、發芽率均值是4.23 cm、4.90個、2.58 cm、33.29 mg、45.77 mg、4.92 mg、7.11 mg、41.64%、47.65%,與對照相比分別下降了79.47%、65.03%、0.14%、10.02%、57.77%、60.78%、51.29%、47.06%、26.96%、26.22%。除根數外,NaCl脅迫下其余指標變異系數較對照均顯著增加,其中最長根長表現突出,增加了124.99%。表2

表2 NaCl 脅迫下小麥種子各萌發指標的變化

2.2 不同小麥品種萌發期各指標的相關性

研究表明,相對根數與相對最長根長、相對幼苗高、相對幼苗干重分別呈不顯著負相關、不顯著正相關、顯著正相關;相對根鮮重與相對根數呈不顯著正相關;相對根干重分別與相對幼苗高、相對根數、相對胚芽鞘、相對發芽勢呈顯著正相關、不顯著正相關、顯著正相關、不顯著正相關;其余各指標之間均呈極顯著正相關。小麥耐鹽性是一個復雜的數量性狀。其中,相對幼苗鮮重與相對幼苗高,相對發芽率與相對發芽勢呈極顯著正相關,相關系數最高,分別達到0.767和0.789。表3

2.3 不同品種小麥萌發期耐鹽性綜合評價

研究表明,按照D值進行從小到大排序,變幅范圍為0.08～0.77。季拉多522、W.S.25、耐鹽性表現最好,D值分別達到了0.77、0.76,Atri 3890/Skl耐鹽性表現最差,D值為0.08。表1

2.4 不同小麥品種萌發期耐鹽性聚類

研究表明,77份材料分為4大類,第Ⅰ類包括澄利馬拉、季拉多593、季拉多522、GLENNSON 81等17份材料,占供試材料的22.08%,D值平均值為0.70,屬于耐鹽型小麥品種。第Ⅱ類包括卡培蒂、吉爾吉奧449、先驅麥、Simons Berg等36份材料,占供試材料的46.75%,D值平均值為0.55,屬于中度耐鹽型小麥品種。第Ⅲ大類包括Kenya 178 Q8、Klein Trou、Kommunar、S 468、S 5746等16份材料,占供試材料的20.78%,D值平均值為0.41,屬于對鹽敏感型小麥品種。第Ⅳ類包括Sea Wari 48、Suno 43626、Purple S556、Quilamapu 10-077等8份材料,占供試材料的10.39%,D值平均值為0.23,屬于對鹽高感型小麥品種。表4,圖1

圖1 77份國外品種萌發期綜合耐鹽等級

表4 供試材料基于聚類分析耐鹽類型分布頻率

2.5 不同小麥品種萌發期耐鹽性主成分

研究表明,前2個主成分因子貢獻率分別為49.21%、15.32%,累計貢獻率達到64.53%,從10個因子中選取前2個貢獻率最高的因子作為數據分析的有效成分,載荷量的高低反映主因子與各指標的相關程度。表5

表5 主成分特征值及貢獻率

第一主因子與幼苗鮮重、幼苗干重相關性最大,相關系數分別是0.87、0.82,反映了各小麥品種鹽脅迫下幼苗生長狀況,可稱為生物量因子。第二主因子與根數相關性最大,相關系數為0.62,不同品種萌發期鹽脅迫下根部密度狀況,可稱為根部性狀因子。幼苗鮮重、幼苗干重、幼苗高以及根數可作為小麥萌發期耐鹽性鑒定和綜合評價的重要指標。表6

表6 2個主因子的的載荷矩陣

3 討 論

3.1 鹽脅迫對種子萌發期的影響

影響種子萌發的外部環境條件包括很多,其中鹽脅迫是最重要的限制因素之一[25]。種子萌發期是植物生長中對鹽脅迫十分敏感的階段,植物是否能在鹽堿環境中正常生長,主要取決于它能否發芽、發芽率的高低以及發芽速度的快慢[26],馬樹慶等[27]和任利莎等[28]研究表明,發芽率高的品種,更能高產穩產。目前新疆主要春小麥新品種屬于高產、豐產品種,屬于耐鹽品種的較少[29]。

單一指標不能全面反映作物的耐鹽性,應綜合考慮多種指標對耐鹽性的作用,即選用多個指標共同評價作物耐鹽性,以合理有效地區分不同基因型間的耐鹽性[30]。試驗通過測量小麥根數、最長根長、幼苗鮮重、幼苗干重、根鮮重、根干重等指標,通過計算耐鹽綜合D值進行排序,篩選適宜在新疆種植的小麥品種17份。庫尼都孜阿依·吐爾汗等[31]通過測量小麥最長根長、苗高、胚芽鞘長、發芽率、發芽勢等指標,并通過計算D值進行綜合排序,運用相關性分析得出小麥耐鹽的綜合評價值,篩選出適宜在新疆地區種植的高耐品種6份。孟祥浩等[32]通過對小麥萌發期各指標數據的多重比較發現,綜合所有測試指標,篩選出2個耐鹽性較高的品種。小麥的耐鹽堿性是多基因控制的數量遺傳性狀[33,34],由多種因素協同作用而形成。

3.2 鹽脅迫下小麥萌發期表型變化

幼苗高與幼苗鮮重可以作為耐鹽品種篩選的主要指標,王萍等[35]用NaCl處理冬小麥煙農19和克旱16得出地上部比地下部對NaCl脅迫更為敏感。李媛媛等[14]通過主成分分析研究發現,小麥胚芽對鹽脅迫的敏感性要高于根系,研究中小麥的地上部分對鹽敏感情況較高于地下部分,與前人的研究結果一致[14,35]。

在鹽脅迫下春小麥各萌發指標的變化中發現,小麥根部最長根長較CK值變化最大,其次為幼苗鮮重,而鹽脅迫下的胚芽鞘長的均值相對于CK來說并未產生較大的變化,變異系數也相對較少。王芳等[36]在NaCl脅迫下對小麥胚芽鞘進行研究表明,鹽脅迫對小麥胚芽鞘具有抑制作用,一定濃度NaCl處理下小麥胚芽鞘的長度可作為耐鹽篩選的指標,與試驗所得到的結果不符,可能是不同小麥品種的耐鹽能力具有一定的差異性,該實驗鹽脅迫下部分引進品種胚芽鞘長度與對照相比較無較大的變化,而部分品種胚芽鞘受到極強的抑制作用。

3.3 春小麥萌發期耐鹽性綜合評價

對于運用耐鹽綜合值D值進行聚類分析,把77份春小麥品種分為4大類,可以避免誤差,所得到的結果更為精準,更具有可靠性。

4 結 論

77份小麥品種中,Yakwax Eqypgotimstein、澄利馬拉、季拉多 593、季拉多 522等17個品種耐鹽最強,瀨戶小麥、Tcerros(CHECK)、卡培蒂、吉爾吉奧 449等36個品種為中度耐鹽品種,Kenya 178 Q8、Klein Trou、Kommunar、Pacific Blue Stem等16個品種為敏感型品種,Sea Wari 48、Suno 43626、Purple S556、Quilamapu 10-077等8個品種為高度敏感品種。幼苗鮮重以及根數可作為小麥萌發期耐鹽性鑒定的可靠指標。