基于熵權-TOPSIS模型的大麥萌發期耐堿種質評價

巴 圖, 李建波, 李國興, 王文迪, 馬 宇, 呂二鎖,杜慧婷, 徐壽軍, 劉志萍

(1.內蒙古自治區農牧業科學院作物科學研究所, 呼和浩特 010000;2.內蒙古民族大學農學院, 內蒙古 通遼 028000;3.內蒙古自治區飼用作物工程中心, 內蒙古 通遼 028000;4.通遼市高林屯種畜繁育中心, 內蒙古 通遼 028000)

土壤鹽堿化已成為限制農業發展的主要非生物脅迫因素之一,鹽堿化土壤中由于存在較高的可溶性鹽,限制了根系對水分和養分的吸收,影響植物的生長發育,最終導致作物產量和土地生產力降低。鹽堿化正在成為主要的環境挑戰之一,全球超過8.3×109hm2的土壤已經受到鹽堿化的危害,其中亞洲涉及約1.0×109hm2的土地面積,而中國東北約7.66×106hm2的土地也受到鹽堿化的影響[1]。因此,土壤鹽堿化阻礙了作物產量的提升,對全球糧食安全構成重大威脅。受氣候變化和人類活動的共同影響,鹽堿化土地面積仍在逐年增加,鹽堿化程度不斷加深,每年新增鹽堿地約2.0×104hm2[2],土地鹽堿化的發展趨勢不容樂觀。

鹽堿脅迫分為鹽脅迫和堿脅迫,2種脅迫均能導致嚴重的離子失衡、滲透脅迫、抗氧化系統破壞和植物生長抑制[3]。鹽脅迫主要因NaCl和Na2SO4等中性鹽引起的離子毒害和滲透應激,進而引起植物代謝紊亂[4]。堿脅迫除了具有鹽脅迫特性外,還因NaHCO3和Na2CO3等堿性鹽引起的高pH脅迫影響細胞pH穩定性,破壞細胞膜完整性,并降低根系活力,導致鐵、錳、鋅和磷等礦質營養缺乏,光合作用功能下降[5]。因此,堿脅迫較鹽脅迫對植物造成的損害更為嚴重。

作物受鹽堿脅迫損害程度取決于作物的基因型、鹽堿濃度和發育階段。萌發期作為作物生活史的起始階段,決定了作物萌發、成苗以及活力,進而影響作物的形態建成和群體密度,最終決定了作物產量的形成[6]。然而,作物的萌發期屬于脅迫敏感期,易受外界環境干擾,對鹽堿脅迫最為敏感,此時期土壤由于地表裸露,水分蒸發和毛細上升較其他時期高,導致作物萌發期較其他生長期面臨更高的鹽分[7]。因此,萌發期鹽堿脅迫的抗性對于其生存力和穩定性至關重要。

大麥是世界第四大禾谷類作物,用途廣泛,籽粒兼具食用、飼用和工業釀造等價值[8],與其他谷類作物(包括小麥、水稻、黑麥和燕麥)相比,大麥對鹽堿脅迫具有較高的耐受性;另一方面,大麥種間存在巨大遺傳差異[9],因此,挖掘耐鹽堿大麥,可為大麥和其他作物的耐鹽堿遺傳改良提供重要基因資源,有利于鹽堿地生產力的提升。目前,有關大麥耐鹽堿研究主要集中在耐鹽性上,而對耐堿性研究鮮見報道[10]。本研究以10個大麥品種為材料,測定不同堿脅迫下種子發芽率、發芽指數、活力指數和根長、芽長等性狀,以期為大麥耐堿性提供遺傳信息,為今后耐堿品種篩選與品種改良提供基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為B 1614、Quench、甘墾啤7號、墾啤麥8號、甘墾啤0520、墾啤麥9號、Conquest、蘇啤6號、四川MS、奇臺9919等10個大麥品種,由內蒙古民族大學提供。

1.2 試驗設計

選取籽粒飽滿、大小均勻且無病蟲害的種子,經5%的次氯酸鈉溶液消毒10 min后,用蒸餾水沖洗2次,分別放入加有不同濃度(0,30,60,90,120 mmol/L)的堿(NaHCO3與Na2CO3摩爾比為9∶1)溶液的培養皿中培養,3次重復,每個重復100粒。各處理放在光照培養箱中培養,光照12 h,溫度25 ℃,黑暗12 h,溫度20 ℃,定時補充蒸餾水以保持濾紙濕潤。以芽長超過種子長度一半為標準,從發芽第3天開始記錄發芽數等指標,第7天測定發芽率、根長和芽長等指標。

1.3 測定指標

參考Kaur等[11]的方法進行發芽勢、發芽率、萌發系數、活力指數、發芽指數、根長、芽長和根冠比(根長/芽長)等指標的測定。

1.4 數據分析

利用Excel軟件進行數據初步處理,利用DPS軟件進行相關性分析、差異性分析和回歸分析,利用Origin 2022軟件作圖。利用余健等[12]和楊瑾等[13]的方法計算熵權、確定指標權重,利用基于熵權法-TOPSIS模型進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 堿脅迫對不同品種大麥種子發芽性狀的綜合影響

由表1可知,不同堿脅迫濃度下,各發芽參數在品種間、堿脅迫處理間和品種×堿脅迫處理互作間均存在極顯著差異,且表現為品種方差>脅迫方差>互作方差,表明品種間存在較大的遺傳差異。由表2可知,不同堿脅迫下發芽勢、發芽率、發芽指數、萌發系數、活力指數、芽長、根長和根冠比等指標間存在極顯著相關性。

表1 不同品種大麥在不同堿脅迫下萌發性狀的方差分析Table 1 The analysis of variance for different varieties of barley under different alkali stress treatments

表2 堿脅迫下各性狀相關性分析Table 2 Correlation analysis on various traits under alkali stress

2.2 堿脅迫對不同品種大麥種子萌發特性的影響

由表3可知,隨著堿脅迫濃度增加,10個大麥品種的發芽勢均呈下降趨勢(圖1 A)。堿脅迫的影響在90 mmol/L時差異最顯著,與對照相比,四川MS發芽勢降低最少,為45.81%,而奇臺9919降低最多,達92.46%。在120 mmol/L時,有6個品種發芽勢為0。各品種的發芽率也隨堿脅迫濃度的增加呈降低趨勢(圖1 B),但在30 mmol/L時,Quench、甘墾啤0520、Conquest和四川MS與對照相比發芽率更高。堿脅迫下各品種發芽率變異最大濃度為90 mmol/L,該濃度下Conquest發芽率降低幅度最小,為16.55%,墾啤麥9號降低幅度最大,為68.73%。

圖1 堿脅迫對大麥種子萌發特性的影響Fig.1 Effect of alkali stress on barley seed germination characteristics

表3 不同品種大麥在不同堿脅迫下的萌發特性Table 3 Germination characteristics of different barley genotypes under different alkali stresses

隨著堿脅迫濃度的增加,種子發芽指數逐漸減慢(圖1 C)。對照下,Quench的發芽指數最快,其次是四川MS、B 1614的發芽指數最慢。從30 mmol/L到120 mmol/L,均以四川MS發芽指數最快,墾啤麥9號的發芽指數最慢。萌發系數隨堿濃度的增加呈降低趨勢(圖1 D)。30 mmol/L濃度下,甘墾啤0520的萌發系數較對照大,奇臺9919降幅最大,達17.94%。60 mmol/L濃度下,與對照相比甘墾啤0520萌發系數降幅最小(3.34%),其次是四川MS(10.55%),降幅最大的為墾啤麥9號,在90 mmol/L的堿脅迫下獲得了相同的結果。在120 mmol/L濃度下,萌發系數降幅最小的為甘墾啤0520,其次為四川MS,降幅最大的為蘇啤6號,其次為奇臺9919。

2.3 堿脅迫對不同品種大麥幼苗活力特性的影響

由表4可知,幼苗活力指數隨著堿脅迫濃度的增加而呈現降低趨勢(圖1 E),不同品種間差異顯著。與對照相比,不同堿脅迫處理均以四川MS降幅最小,其次為Conquest,以蘇啤6號的降幅最大,其次為奇臺9919。與對照相比,堿脅迫下品種對芽長、根長和根冠比表現出顯著負效應,特別是在較高濃度下,表現為隨堿濃度增加呈現降低趨勢(圖1 F～圖1 H)。在30 mmol/L濃度下,Quench、甘墾啤7號、甘墾啤0520和四川MS的芽長、根長和根冠比均較對照有所增加。在60 mmol/L濃度下,芽長變化范圍為9.81 cm(甘墾啤0520)～15.11 cm(四川MS),根長變化范圍為3.13 cm(Quench)～5.95 cm(四川MS),根冠比變化范圍為28.03%(奇臺9919)～42.11%(B 1614)。在90 mmol/L濃度下,芽長變化范圍為4.23 cm(Quench)～9.63 cm(四川MS),根長變化范圍為0.59 cm(Quench)～2.85 cm(四川MS),根冠比變化范圍為13.86%(Quench)～29.51%(四川MS)。在120 mmol/L濃度下,芽長變化范圍為3.05 cm(Quench)～6.37 cm(四川MS),根長變化范圍為0.20 cm(Quench)～1.16 cm(四川MS),根冠比變化范圍為6.37%(甘墾啤7號)～18.87%(奇臺9919、蘇啤6號)。此外,與對照相比,在30～120 mmol/L堿脅迫下,根長降幅分別為1.40%,44.51%,77.90%和91.88%。而芽長在30 mmol/L濃度下與對照相比增加了0.79%,在60～120 mmol/L濃度下分別降低了15.89%,50.83%和68.90%,表明堿脅迫對根長的影響更為顯著。

表4 不同品種大麥在不同堿脅迫下的幼苗活力特性Table 4 Seedling vigor characteristics of different barley genotypes under different alkali stresses

2.4 堿脅迫下大麥萌發期耐堿性綜合評價

依據熵權法計算各指標的權重,再基于加權TOPSIS法計算最優方案距離和最劣方案距離,計算出C值,C值越大,表示耐堿性越強。如表5所示,不同堿脅迫濃度下各品種的耐堿性不同,30 mmol/L濃度時,以甘墾啤0520表現最佳,蘇啤6號最差。在60 mmol/L濃度下,以四川MS表現最佳,奇臺9919最差。90 mmol/L濃度下,以四川MS表現最佳,Quench最差。120 mmol/L濃度下,以墾啤麥8號表現最佳,其次為四川MS,Quench表現最差。綜合四個濃度下C值的總隸屬函數值,以四川MS耐堿性最強,其次為墾啤麥8號,Quench耐堿性最差,其次為奇臺9919。

表5 基于熵權-TOPSIS模型的萌發期耐堿性綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation of alkali tolerance in germination period based on entropy weight-TOPSIS model

依據4個堿脅迫處理的C值進行聚類分析(圖2),將10個大麥品種分為4類,第Ⅰ類為耐堿類型,包括四川MS和墾啤麥8號兩份材料;第Ⅱ類為中度耐堿類型,包括甘墾啤0520和甘墾啤7號兩份材料;第Ⅲ類為中度堿敏感類型,包括Conquest、B 1614和蘇啤6號三份材料;第Ⅳ類為堿敏感類型,包括Quench、墾啤麥9號和奇臺9919三份材料。

圖2 不同堿脅迫下10個大麥品種萌發期耐堿性聚類分析Fig.2 Clustering analysis of 10 barley varieties for alkaline tolerance during germination under different alkaline stresses

2.5 不同品種大麥萌發相關指標與脅迫程度的逐步回歸分析

由表6可知,采用逐步回歸法分析不同脅迫強度下耐堿性敏感指標。輕度(60 mmol/L)、中度(90 mmol/L)和重度堿脅迫(120 mmol/L)的劃分標準依據: 1) 堿脅迫半致死濃度為發芽率達到對照發芽率50%時相對應的堿溶液濃度; 2) 本研究中30 mmol/L、60 mmol/L、90 mmol/L、120 mmol/L濃度下發芽率分別為對照的95.75%,81.79%,61.79%和45.21%(圖1 B); 3) 30 mmol/L濃度下,堿脅迫對某些品種的生長具有促進作用(表3、表4)。因此,分別以60 mmol/L、90 mmol/L和120 mmol/L濃度作為輕度、中度和重度堿脅迫的模擬濃度。

表6 不同品種大麥種子萌發相關指標與脅迫程度的逐步回歸分析Table 6 Stepwise regression analysis of germination related indexes and stress degree of different barley varieties

輕度堿脅迫(60 mmol/L)下,發芽勢、發芽指數、根長、活力指數和根冠比(根長/芽長)等5個指標表現較為顯著(R2=0.999),可作為中度堿脅迫的評價指標。中度堿脅迫(90 mmol/L)下,發芽勢、發芽指數、活力指數和根冠比等4個指標能夠反映各品種的耐堿能力(R2=0.997)。重度堿脅迫(120 mmol/L)下,發芽指數、萌發系數和活力指數等3個指標反應敏感,表現顯著(R2=0.998)。綜合3種脅迫強度來看,發芽指數和活力指數2個指標對堿脅迫最為敏感,表現顯著,可作為今后大麥萌發期耐堿性評價的指標。

3 討論與結論

不同品種大麥對堿脅迫的響應不同,其種子萌發和幼苗特性也不同。本研究中,隨著堿脅迫程度的增加,各品種的發芽率、幼苗長度(根長和芽長)、發芽指數和活力指數均顯著降低,這與Ahmad等[14]的結果一致。此外,在小麥[15-16]和高粱[17]的報道中也認為,在鹽脅迫下保持較高發芽率的品種,其生物量也較高。顯然,堿脅迫抑制了植物對水分的吸收,降低植物生長速率。此外,堿脅迫引發生理性缺水,加劇離子和滲透失衡,從而破壞植物根系,進而導致養分失衡,抑制養分向地上部的轉移[18]。因此,幼苗生長參數如活力指數、芽長、根長等對耐鹽堿性至關重要,并隨鹽堿濃度的增加而顯著降低。然而,降低的程度因品種不同而異,如Quench、甘墾啤7號、甘墾啤0520和四川MS在輕度鹽堿化(30 mmol/L)條件下生長未受抑制,反而促進根長和芽長的生長,而B 1614和奇臺9919的根長和芽長受到抑制,這與王佺珍等[19]結果一致,這可能是由于低濃度的鹽堿環境刺激植物響應,抗氧化酶活性提高,活性氧清除系統高效運行,進而有利根系對水分和養分的吸收,促進植物萌發生長。但隨著濃度增加,外部溶液濃度大于細胞內部濃度,細胞失水,活性氧清除系統一定程度受到損害,導致植物生長受到抑制,甚至死亡。

Rani等[20]研究發現,隨NaCl濃度增加,與根生長相比,芽生長受到的影響更為顯著。本研究中,隨著堿脅迫濃度增加,根系生長受到的影響較芽長更為顯著。NaCl脅迫屬于中性鹽脅迫,無pH脅迫,堿脅迫中除了具有鹽脅迫特性外,還具有高pH脅迫,導致根系在堿環境中受到的損傷更為復雜和嚴重。這可能是導致堿脅迫對根系抑制更顯著的原因,當然,下胚軸表面過高的鹽分積累會進一步抑制根系的生長[21-22]。而Na+的大量積累會導致滲透脅迫和生理性干旱,從而導致植物根系吸水能力下降和離子毒性增強。因此,導致細胞膜破壞、溶質泄漏和酶活性出現變化[23]。類似地,Mbinda和Kimtai[24]報道了較高水平鹽脅迫可顯著抑制不同高粱品種種子萌發以及由于高滲透勢和特定離子毒害的聯合作用而影響幼苗生長。因此,較高濃度(60 mmol/L、90 mmol/L和120 mmol/L)的堿性溶液處理可能是導致本研究中一些品種(如墾啤麥9號、蘇啤6號和奇臺9919)的發芽率急劇降低的原因。

研究大麥不同脅迫下的耐鹽堿性是耐鹽堿育種的基礎。本研究采用熵權-TOPSIS模型-聚類分析對10份大麥種質進行耐堿性綜合評價,可將不同大麥材料劃分為4個耐堿級別類型,其中類群Ⅰ中包含高度耐堿材料2份,類群Ⅱ中包含中度耐堿材料2份,類群Ⅲ中包含中度堿敏感材料3份,類群Ⅳ中包含堿敏感材料3份。該方法結合了熵權和TOPSIS優點,既考慮了參評指標的權重,又體現了TOPSIS法能充分利用數據資料的優點,該方法對數據分布及樣本含量沒有嚴格限制,原理簡明,數據計算簡單易行,結果準確。而種質資源綜合評價的主流方法,模糊隸屬函數法和主成分分析法均有缺點,隸屬函數法未考慮各評價指標的相對重要性,而主成分分析法在分析過程中會有遺傳信息的損失,且該方法易受指標間的信息重疊的影響[25]。因此,熵權-TOPSIS模型綜合兩個方法優點,提高了種質資源評價的準確性。依據不同堿脅迫強度下各品種的C值與評價指標的回歸分析,發現在輕度堿脅迫下,有效評價指標為發芽勢、發芽指數、根長、活力指數和根冠比;在中度堿脅迫下有效評價指標為發芽勢、發芽指數、活力指數和根冠比;重度堿脅迫下有效評價指標為發芽指數、萌發系數和活力指數等。綜合來看,發芽指數和活力指數2個指標無論在何種脅迫下對堿脅迫均表現敏感,可作為今后大麥萌發期耐堿性評價的指標,這與Kaur等[11]的研究結果一致。