不同地區(qū)亞麻萌發(fā)期耐鹽堿性遺傳多樣性分析?

郭棟良，江海霞，鐘俐，楊亮杰，閆文亮，張喻，謝麗瓊

(新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046)

0 引言

土壤鹽堿化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中限制土地生產(chǎn)力的主要因素之一，嚴(yán)重降低作物產(chǎn)量和品質(zhì).全世界約有10億hm2鹽堿化土壤[1]，中國鹽堿地總面積約為0.99億hm2[2]，有效利用鹽堿地對(duì)于提高作物產(chǎn)量具有重大意義，通過挖掘作物本身的耐鹽能力，篩選和培育耐鹽作物品種是開發(fā)利用鹽堿地的有效途徑之一[3].亞麻（Linum usitatissimumL.）是人類最早使用的天然植物纖維之一，具有“麻中皇后”之美稱[4].亞麻籽粒含有豐富不飽和脂肪酸，是重要的醫(yī)療保健食品[5].篩選亞麻耐鹽堿種質(zhì)對(duì)培育高產(chǎn)耐鹽堿亞麻品種、促進(jìn)鹽堿地亞麻栽培具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

土壤鹽化與堿化往往相伴而生[6]，大多數(shù)植物在芽期和苗期對(duì)土壤鹽分較為敏感[7]，在鹽堿脅迫下，種子的迅速定植和生長(zhǎng)決定出苗率、齊苗率，對(duì)作物的產(chǎn)量影響很大.國內(nèi)外植物耐鹽堿性研究主要集中在一些大田作物，如水稻[8,9]、小麥[10,11]、玉米[12]、大豆[13,14]、高粱[15]等，對(duì)亞麻耐鹽堿的研究較少.趙東升[16]從200份材料中篩選出了11份耐鹽堿性較強(qiáng)的亞麻品種.郭媛等[17]從342份亞麻種質(zhì)獲得5份高耐鹽堿品種，并分析了鹽脅迫和堿脅迫對(duì)亞麻苗期陽離子吸收和分配影響[18].郭瑞等[19]認(rèn)為堿脅迫對(duì)亞麻傷害大于鹽脅迫的最主要原因是堿脅迫導(dǎo)致Na+過度積累.混合鹽堿脅迫Na+與高pH值對(duì)亞麻萌發(fā)的抑制效應(yīng)比單獨(dú)的中性鹽或堿性鹽脅迫大[20].作物耐鹽堿的綜合評(píng)價(jià)，研究者多采用發(fā)芽率等生理指標(biāo)變化的隸屬函數(shù)法，其中平均隸屬函數(shù)法將各指標(biāo)對(duì)綜合鹽堿耐性的貢獻(xiàn)視為一致，而加權(quán)隸屬函數(shù)法考慮指標(biāo)變異程度，側(cè)重點(diǎn)不同對(duì)種質(zhì)耐性的評(píng)價(jià)也不盡相同.

國內(nèi)栽培亞麻種質(zhì)遺傳多樣性較為狹窄[21].本研究以來自埃及、印度、埃塞爾比亞、中國等42個(gè)國家的185份亞麻種質(zhì)為材料，遺傳多樣性豐富.在復(fù)合鹽堿脅迫下，根據(jù)發(fā)芽率、芽長(zhǎng)生理指標(biāo)，采用平均隸屬函數(shù)法結(jié)合加權(quán)隸屬函數(shù)法綜合分析不同來源亞麻種質(zhì)的耐鹽堿遺傳多樣性，并結(jié)合亞麻重要農(nóng)藝性狀，篩選高耐鹽堿亞麻種質(zhì)，為培育耐鹽堿優(yōu)良種質(zhì)提供依據(jù).

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

來自42個(gè)國家的185份亞麻材料，其中國內(nèi)5份，國外180份.所有材料均由新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物工程研究中心保存，種質(zhì)來源見表1.

表1 185份亞麻種質(zhì)來源

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方法參照《亞麻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》略有改動(dòng)[22].每個(gè)品種挑取50粒種子置于5ml EP管中，75%C2H5OH浸泡5min，無菌水沖洗2次，1%NaClO浸泡20min，無菌水沖洗2～3次晾干.置于含有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入15mL 1.5%的復(fù)合鹽堿溶液（NaCl 80%、MgSO410%、K2SO410%，pH=9.5），以蒸餾水為對(duì)照.在24?C，光照16 h/黑暗8h，光照強(qiáng)度5 000lx的條件下培養(yǎng)7d，重復(fù)2次，培養(yǎng)過程中及時(shí)補(bǔ)充水分.試驗(yàn)于2017年3月-2017年7月在新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物工程研究中心進(jìn)行.

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

以胚根長(zhǎng)達(dá)種子長(zhǎng)度1/2為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，在培養(yǎng)第7天統(tǒng)計(jì)各品種發(fā)芽數(shù)，每皿隨機(jī)選取10株，用游標(biāo)卡尺測(cè)量芽長(zhǎng)(Shoot length).計(jì)算發(fā)芽率(Germination rate)、相對(duì)發(fā)芽率(Relative germination rate)、相對(duì)芽長(zhǎng)(Relative Shoot length).公式如下：發(fā)芽率=第7天的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%，相對(duì)發(fā)芽率=各個(gè)處理的發(fā)芽率/對(duì)照的發(fā)芽率×100%，相對(duì)芽長(zhǎng)=處理的芽長(zhǎng)/對(duì)照的芽長(zhǎng)×100%.

1.2.3 耐鹽堿性綜合評(píng)價(jià)

以相對(duì)發(fā)芽率和相對(duì)芽長(zhǎng)為依據(jù)，利用平均、加權(quán)隸屬函數(shù)法對(duì)185份亞麻種質(zhì)進(jìn)行耐鹽堿性綜合評(píng)價(jià).平均隸屬函數(shù)值公式：μ(Xi)=(Xi?Ximin)/(Ximax?Ximin)[23]，μ(X)=Pμ(Xi)/N[17].式中Xi為基于鑒定指標(biāo)i的鹽害系數(shù)，Ximax和Ximin分別是Xi最大值和最小值，μ(Xi)是基于鑒定指標(biāo)i的隸屬函數(shù)值，N為鑒定指標(biāo)數(shù)，μ(X)為多個(gè)鑒定指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值.權(quán)重計(jì)算公式···,n)[24]，式中CVi為各供試材料μ(Xi)的變異系數(shù)，Wi表示CVi在總變異中所占比例.加權(quán)隸屬函數(shù)值計(jì)算公式.采用SPSS 22.0 軟件對(duì)亞麻種質(zhì)耐鹽堿性進(jìn)行聚類分析.

1.2.4 田間產(chǎn)量測(cè)定

5月初在新疆烏魯木齊市米東區(qū)試驗(yàn)田播種，釆用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為2m2，區(qū)長(zhǎng)1m，寬2m，5行區(qū)條播，每平方米有效播種粒數(shù)為2 000粒.區(qū)間道0.4m，組間道lm，試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)1.5m寬保護(hù)行，按常規(guī)生產(chǎn)方式進(jìn)行田間管理.生理成熟期參照《亞麻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[22]進(jìn)行農(nóng)藝性狀測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫下亞麻萌發(fā)期表型分析

復(fù)合鹽堿脅迫下185份亞麻種質(zhì)萌發(fā)期GR和SL性狀表型值分布如表2所示.對(duì)照發(fā)芽率為75%～100%,平均發(fā)芽率為91.78%，變異系數(shù)為5.22%；芽長(zhǎng)為1.78cm～4.61cm，平均芽長(zhǎng)為3.17cm，變異系數(shù)為16.89%.復(fù)合鹽堿脅迫下，發(fā)芽率為0～91.00%，平均發(fā)芽率為32.69%，較對(duì)照平均值降低64.38%，變異系數(shù)為68.32%，是對(duì)照變異系數(shù)的13.09倍；芽長(zhǎng)在0cm～0.96cm之間，平均芽長(zhǎng)為0.48cm，較對(duì)照平均值降低84.85%，變異系數(shù)為36.67%，是對(duì)照變異系數(shù)的2.17倍.結(jié)果表明：與對(duì)照相比，鹽堿脅迫下亞麻種子發(fā)芽率和芽長(zhǎng)均受到不同程度的抑制；芽長(zhǎng)受到抑制程度更大，1.5%的復(fù)合鹽堿脅迫下能夠明顯區(qū)分亞麻各品種間耐鹽堿性的差異.相對(duì)發(fā)芽率在0.00%～100%之間，其中高于90%的材料有3份，分別是TOMAGAON（C141）、Mures（C73）、CIli 1918（C109），低于10%的材料有32份，其中低于2%的材料有3份，分別是HINDI（C124）、G 2063-5-10（C70）、Viking（C80）.相對(duì)芽長(zhǎng)在0.00%-41.09%之間，其中HINDI（C124）、CIli 1689（C183）、Sel.C.I.19-47 Pale Blue（C81）低于3%，BETA 201（C158）、Buda 80（C35）、CIli 1519（C102）、Novelty（C3）高于28%.

表2 復(fù)合鹽堿溶液對(duì)亞麻萌發(fā)期的影響

2.2 亞麻種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性的綜合評(píng)價(jià)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)亞麻種質(zhì)的耐鹽堿性，研究根據(jù)相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)芽長(zhǎng)的變化，比較了平均隸屬函數(shù)法（μ(X)）和加權(quán)隸屬函數(shù)法（Dvalue）對(duì)供試亞麻種質(zhì)抗性的評(píng)價(jià)，并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析，見表3.結(jié)果表明不同隸屬函數(shù)值間存在極顯著的相關(guān)性（P<0.001，相關(guān)系數(shù)為0.991），表明μ(X)、Dvalue均可綜合評(píng)價(jià)亞麻萌發(fā)期的耐鹽堿性.而μ(RGR)和μ(RSL)相關(guān)系數(shù)為0.525，表明不同的生理指標(biāo)在評(píng)價(jià)亞麻耐鹽堿性上存在差異.

表3 基于各指標(biāo)隸屬函數(shù)值的相關(guān)性分析

分別用μ(X)和D值對(duì)供試亞麻種質(zhì)進(jìn)行聚類分析，μ(X)值變化范圍為0～0.7701.聚類結(jié)果顯示：185份亞麻種質(zhì)被分為5個(gè)類群，第1類群為18份高度耐鹽堿品種（占供試品種總數(shù)的9.73%）；第2類群為36份耐鹽堿品種（占供試品種總數(shù)的19.46%）；第3類群為52份中耐鹽堿品種(占供試品種總數(shù)的28.11%)；第4類群為60份鹽堿敏感品種（占供試品種總數(shù)的32.43%）；第5類群為19份鹽堿高度敏感品種（占供試品種總數(shù)的10.27%）.D值變化范圍為0～0.820 4，D值聚類結(jié)果將亞麻種質(zhì)分為5個(gè)類群：第1類群為12份高度耐鹽堿品種（占供試品種總數(shù)的6.49%）；第2類群為37份耐鹽堿品種（占供試品種總數(shù)的20.00%）；第3類群為63份中耐鹽堿品種(占供試品種總數(shù)的34.05%)；第4類群為53份鹽堿敏感品種（占供試品種總數(shù)的28.65%）；第5類群為20份鹽堿高度敏感品種（占供試品種總數(shù)的10.81%）.兩種方法分析185份亞麻種質(zhì)耐堿性分布均呈現(xiàn)兩端少中間型多的特點(diǎn)，見圖1.

以μ(X)值為依據(jù)的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，185份亞麻材料中耐鹽堿性最強(qiáng)的是C73、C99、C102，而依據(jù)D值，耐性最強(qiáng)的前三位是C73、C141、C99，兩種評(píng)價(jià)方法在分析亞麻種質(zhì)耐鹽堿性上存在差異.綜合μ(X)和D值聚類分析獲得10份高度耐鹽堿種質(zhì)，占供試材料的5.41%，19份高敏種質(zhì)，占供試材料的10.27%，其余156份亞麻種質(zhì)為中間型，占供試材料的84.32%.其中，10份高耐鹽堿亞麻種質(zhì)均為國外品種.

2.3 亞麻耐鹽堿性與農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

亞麻耐鹽堿性、株高、分支數(shù)、種子大小等均為與作物產(chǎn)量相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀.研究分析了亞麻耐鹽堿性與各農(nóng)藝性狀的相關(guān)性，結(jié)果表明：耐鹽堿性與株高、工藝長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，與蒴果數(shù)呈正相關(guān)，與種子粒長(zhǎng)、粒寬以及千粒重?zé)o明顯的相關(guān)性，見表4.

表4 鹽堿脅迫下各指標(biāo)隸屬函數(shù)值與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

為適應(yīng)不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化，及人類馴化方向不同，亞麻現(xiàn)已分為纖用和油用兩大類群.選取類型明確的亞麻種質(zhì)，分析油用（n=17）和纖用（n=56）亞麻種質(zhì)間耐鹽堿性的差異，結(jié)果表明不同類型的亞麻耐鹽堿存在顯著差異，油用亞麻種質(zhì)鹽堿耐性極顯著強(qiáng)于纖用亞麻，見圖2.

圖1 基于兩種隸屬函數(shù)法對(duì)185份亞麻相對(duì)耐鹽堿性聚類分析

圖2 亞麻不同類群耐鹽堿性差異比較

2.4 亞麻耐鹽堿性種質(zhì)農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)

通過田間試驗(yàn)對(duì)10份高耐鹽堿亞麻進(jìn)行農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)和產(chǎn)量評(píng)估，結(jié)果顯示：株高在61.00～106.6 cm之間，見表5，其中Mures株高最高，原莖產(chǎn)量也最高，達(dá)4 751.75 kg·hm?2；OLEIFERA原莖產(chǎn)量次之，為4 523.25 kg·hm?2；TJK04-20種子產(chǎn)量最高，達(dá)1 954.75 kg·hm?2，而株高僅為67.94 cm；Mures、Lusatia、Linota種子產(chǎn)量也均在1 800 kg·hm?2以上.綜合鹽堿耐性和產(chǎn)量，Mures可作為油纖兼用高耐鹽堿育種材料，油用種質(zhì)TJK04-20種子產(chǎn)量最高，原莖產(chǎn)量不佳，但具有白粉病抗性（未發(fā)表數(shù)據(jù)），可作為抗病耐鹽堿油用種質(zhì)種植.

表5 10份高耐鹽堿亞麻種質(zhì)農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)

3 討論

中國鹽堿地主要分布于中國東北、華北、西北內(nèi)陸等區(qū)域[2]，亞麻主產(chǎn)區(qū)主要集中在甘肅、寧夏、新疆、東北等地，因此篩選和培育耐鹽堿亞麻品種對(duì)充分利用鹽堿地和提高亞麻總產(chǎn)量具有重要的實(shí)際意義.可通過溫室盆栽和田間耐鹽性鑒定等方法評(píng)價(jià)作物的耐鹽堿性[15].不同作物、不同生育期對(duì)鹽堿的敏感性不同[15]，本研究發(fā)現(xiàn)萌發(fā)期是亞麻對(duì)鹽堿最為敏感的時(shí)期，苗期（>14DAG）生長(zhǎng)的亞麻能夠耐受較高離子的鹽堿脅迫（數(shù)據(jù)未發(fā)表），因此萌發(fā)期耐性強(qiáng)弱是決定亞麻能否定植的關(guān)鍵時(shí)期，萌發(fā)期耐鹽堿性篩選能夠快速、高效地對(duì)亞麻品種耐性進(jìn)行評(píng)價(jià).

在作物芽期應(yīng)對(duì)鹽等非生物脅迫的研究中，多數(shù)研究表明單一生理指標(biāo)不能很好的評(píng)價(jià)種質(zhì)抗逆性[3,15]，前人常采用發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、耐鹽堿指數(shù)和鮮重等[15,26,27]不同生理指標(biāo)組合來衡量品種間抗性的變化.由于發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)，根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)與鮮重等部分生理指標(biāo)間存在一定的交互關(guān)系，進(jìn)行種質(zhì)抗性綜合評(píng)價(jià)時(shí)，會(huì)因信息疊加而導(dǎo)致單一評(píng)價(jià)指標(biāo)作用放大.在鹽堿脅迫下變異大的生理指標(biāo)，并不一定是耐鹽堿性最顯著相關(guān)的指標(biāo)[28]，存在權(quán)重與抗性相關(guān)性不能很好統(tǒng)一等問題.因此，抗性鑒定生理指標(biāo)并不是越多越好.

種子進(jìn)入苗期要完成萌發(fā)和定植兩個(gè)過程，發(fā)芽率和芽長(zhǎng)分別反映了逆境脅迫下種子活力受影響的程度與萌發(fā)后在脅迫環(huán)境下植物生長(zhǎng)的能力，基本反映了抗逆性的差別.與對(duì)照相比，鹽堿脅迫下亞麻發(fā)芽率和苗生長(zhǎng)受到不同程度的抑制，芽長(zhǎng)受到抑制程度更大，與郭媛等[17]人的研究結(jié)果一致.μ(RGR)與μ(X)、Dvalue的相關(guān)性均高于μ(RSL)，說明發(fā)芽率與萌發(fā)期耐鹽堿性的關(guān)系最為密切，與裸燕麥[28]中的研究結(jié)果一致.本研究以復(fù)合鹽堿溶液處理185份亞麻種質(zhì)，鑒定指標(biāo)的變化在群體中呈現(xiàn)顯著的變異（發(fā)芽率變異系數(shù)為68.32%，芽長(zhǎng)變異系數(shù)為36.67%），說明該體系能夠較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)亞麻種質(zhì)耐鹽堿性.

隸屬函數(shù)法常用于作物耐鹽堿性綜合評(píng)價(jià)[17,28?30]，其中平均隸屬函數(shù)法將不同生理指標(biāo)對(duì)作物耐鹽堿性貢獻(xiàn)視為一致，加權(quán)隸屬函數(shù)法則考慮了不同指標(biāo)的權(quán)重，即不同指標(biāo)的變異程度.本研究分別用這兩種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)盡管種質(zhì)抗性的排列順序有差異，在極端抗性材料中（各10%的高抗和高敏材料），二者的一致性達(dá)97.37%，說明平均隸屬函數(shù)法和加權(quán)隸屬函數(shù)法在評(píng)價(jià)作物耐鹽堿性中只是分析角度不同，并無優(yōu)劣之別.而利用兩種隸屬函數(shù)法對(duì)亞麻耐鹽堿性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能更加準(zhǔn)確的篩選高耐鹽堿亞麻種質(zhì).

油用亞麻和纖用亞麻在株高、分支數(shù)等表型上有明顯的區(qū)分.亞麻耐鹽堿性與重要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析顯示，耐性變化與株高、工藝長(zhǎng)度、蒴果數(shù)顯著相關(guān)，見表4.進(jìn)一步對(duì)部分油用和纖用類群耐鹽堿性差異分析，結(jié)果表明油用亞麻種質(zhì)鹽堿耐性極顯著強(qiáng)于纖用亞麻，見圖2，這與郭媛等[20]人的研究結(jié)果一致.而與郭媛等人[20]的推測(cè)相反的是耐鹽性與種子大小并無相關(guān)性，說明種子大小不是影響纖用和油用亞麻鹽堿耐性差異的主要原因.亞麻種子應(yīng)對(duì)干旱脅迫的研究發(fā)現(xiàn)，亞麻種子的吸水率與抗旱性相關(guān)，而種子大小與抗旱性不相關(guān)，以上抗鹽堿性的結(jié)果表明，在油料作物亞麻中，種子在逆境脅迫下的定植并不依賴種子大小，這與大豆[31]、鷹嘴豆[32]中的研究結(jié)果不同.

4 結(jié)論

選用可溶性鹽含量1.5%、pH 9.5的復(fù)合鹽堿溶液能夠明顯區(qū)分亞麻品種間耐鹽堿性的差異.本研究評(píng)價(jià)了來自42個(gè)國家的185份亞麻種質(zhì)抗鹽堿能力，其中10份為高耐鹽堿種質(zhì)，占供試材料的5.41%，19份為高敏種質(zhì)，占供試材料的10.27%，其余156份亞麻種質(zhì)為中間型，占供試材料的84.32%.兩種隸屬函數(shù)法分析亞麻種質(zhì)耐鹽堿性變化，10%極端抗性材料一致性達(dá)97.37%.油用亞麻種質(zhì)鹽堿耐性極顯著強(qiáng)于纖用亞麻類群，且種子大小并不是影響纖用和油用亞麻鹽堿耐性差異的主要原因.