52份豌豆種質(zhì)萌發(fā)期耐鋁毒性的綜合評(píng)價(jià)與篩選

崔 翠 程 闖 趙愉風(fēng) 郜歡歡 王瑞莉 王劉艷 周清元

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52份豌豆種質(zhì)萌發(fā)期耐鋁毒性的綜合評(píng)價(jià)與篩選

崔 翠 程 闖 趙愉風(fēng) 郜歡歡 王瑞莉 王劉艷 周清元*

西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院, 重慶 400715

隨著土壤酸化的日益加重, 鋁毒成為影響作物種子萌發(fā)質(zhì)量以及產(chǎn)量的重要脅迫因子之一。本研究采用單項(xiàng)耐鋁毒系數(shù)(AC值)、綜合耐鋁毒系數(shù)(CAC值)、平均隸屬函數(shù)值(ASF值)、耐性綜合評(píng)價(jià)值(A值)等指標(biāo)及相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析和逐步回歸分析等方法, 綜合評(píng)價(jià)豌豆種質(zhì)萌發(fā)期鋁毒耐性, 建立綜合篩選評(píng)價(jià)體系, 并篩選萌發(fā)期耐鋁毒豌豆種質(zhì)。利用篩選出的適宜濃度40 mg L–1Al3+處理52份豌豆品種(系)種子, 結(jié)果顯示, 萌發(fā)期8個(gè)相關(guān)性狀在處理組及對(duì)照組品種間均存在顯著差異, 遺傳多樣性指數(shù)分別介于1.43~2.03和1.51~2.06之間?；贏C值聚類分析, 52份豌豆種質(zhì)可被分為3個(gè)耐性級(jí)別, 其中, 第I級(jí)含2份, 為耐鋁毒品種(系); 第II級(jí)含19份, 為敏感品種(系); 第III級(jí)含31份, 為鋁毒極敏感性品種(系)。利用豌豆種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、芽長、根長、芽干重、根干重7項(xiàng)指標(biāo), 結(jié)合最優(yōu)回歸方程可初步鑒定豌豆萌發(fā)期耐鋁毒特性。通過綜合評(píng)價(jià)和聚類分析, 篩選出萌發(fā)期鋁毒耐性極強(qiáng)的種質(zhì)C175和C145, 可作為豌豆鋁毒耐性育種和耐性機(jī)制研究的重要資源。

豌豆; 萌發(fā)期; 耐鋁毒特性; 綜合評(píng)價(jià); 種質(zhì)資源篩選

隨著酸雨的影響及氮肥的大量施用, 酸性土壤面積呈逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)[1]。鋁毒是酸性土壤中限制作物生長及作物生產(chǎn)的主要因素[2]。施用石灰進(jìn)行土壤改良或選擇抗(耐)性作物品種是減少鋁毒危害的有效措施[3]。由于土壤改良費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 且破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡, 開發(fā)抗(耐)鋁毒作物基因型及利用作物耐鋁毒品種進(jìn)行生產(chǎn)是緩解酸性土壤鋁毒最經(jīng)濟(jì)有效的途徑。近年來, 耐鋁毒種質(zhì)資源篩選及其鋁毒耐性機(jī)制在作物生產(chǎn)中已經(jīng)引起廣泛重視。舒暢[3]從45個(gè)基因型不同的水稻(L.)中篩選出苗期耐鋁性相對(duì)較強(qiáng)材料1份。劉武[4]將141個(gè)玉米(L.)自交系按照抗鋁能力強(qiáng)弱分為3類, 其中鋁耐受型有25個(gè)自交系。齊波等[5]通過509份種質(zhì)資源苗期耐鋁毒性鑒定, 認(rèn)為大豆種質(zhì)資源存在更大的耐鋁毒和敏感性變異, 并遴選出15份強(qiáng)耐鋁毒資源。熊潔等[6]從23個(gè)油菜(L.)品種中篩選出3個(gè)在苗期耐鋁類型。由此可見, 作物耐鋁毒評(píng)價(jià)與資源篩選的研究較多, 但主要是針對(duì)幼苗期耐鋁毒種質(zhì)[3-6]。萌發(fā)期是作物生長發(fā)育最重要的起始階段, 種子萌發(fā)過程中胚根及胚芽均處于酸性土壤鋁毒條件下, 鋁毒對(duì)植物種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長等存在明顯影響[7], 然而關(guān)于利用綜合性狀進(jìn)行萌發(fā)期耐鋁毒種質(zhì)資源篩選研究則少見報(bào)道。

豌豆作為世界第四大食用豆類作物, 屬于鋁敏感作物[8]。從現(xiàn)有豌豆種質(zhì)資源中篩選耐鋁毒種質(zhì)資源, 并挖掘抗(耐)鋁毒基因用于豌豆育種具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。目前, 關(guān)于萌發(fā)期耐鋁豌豆種質(zhì)資源篩選未見報(bào)道。本研究通過溶液濾紙法模擬酸性土壤鋁毒對(duì)豌豆種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、鮮重、干重、根長、芽長和根冠比等相關(guān)性狀的影響, 采用單項(xiàng)耐鋁毒性系數(shù)、隸屬函數(shù)、主成分分析、聚類分析等綜合評(píng)價(jià)方法, 篩選萌發(fā)期鋁毒耐性較強(qiáng)的豌豆種質(zhì), 旨在為深入研究豌豆對(duì)酸性土壤的耐性和選育高產(chǎn)耐鋁毒豌豆品種提供參考依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

52份參試豌豆種質(zhì)是從重慶(合川、南川、白市驛、北碚)、四川(成都、仁壽)、廣東(廣州)等地收集到的品種(系), 經(jīng)西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)院多年種植并選擇的后代選系(表1)。

表1 參試品種(系)及其來源

#表示濃度篩選試驗(yàn)選用豌豆品種。#Pea varieties selected for experiment of concentration screening.

1.2 適宜Al3+濃度篩選

以A1Cl3?6H2O為鋁源, 分別配制濃度為0 mg L–1(CK)、20 mg L–1、40 mg L–1、80 mg L–1及160 mg L–1的鋁離子溶液(pH 5.0); 從供試種質(zhì)資源材料中選擇耐性具有一定差異的C154 (朱砂紅-2)、C145 (食莢大菜豌)和C158 (黑眼豌豆) 3份品種為濃度篩選試驗(yàn)材料。在每個(gè)品種中選擇飽滿、大小一致的豌豆種子進(jìn)行鋁毒脅迫試驗(yàn)。先對(duì)供試種子采用95%乙醇進(jìn)行表面消毒15~30 s, 清水沖洗后用1.5%次氯酸鈉浸泡5~10 min, 再用無菌水清洗5~6次, 每次清洗2~3 min, 并去除漂浮、軟化等劣質(zhì)種子。選取健康飽滿豌豆種子置培養(yǎng)皿中, 加入適量清水(以充分淹沒豌豆種子為準(zhǔn)), 于(25±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行吸脹作用。24 h后將種子擺放在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中(=120 mm), 每皿25粒, 處理組分別加入20 mL不同濃度Al3+溶液, 處理及對(duì)照均設(shè)置4次重復(fù)。將培養(yǎng)皿放在RXZ-500C光照培養(yǎng)箱中, 溫度為(25±1)℃, 日/夜光照條件為16 h/8 h; 每隔24 h更換培養(yǎng)皿中濾紙并補(bǔ)充20 mL相應(yīng)濃度的Al3+溶液。7 d后調(diào)查根長和芽長, 根據(jù)生長情況篩選適宜鋁毒脅迫處理濃度。

1.3 耐鋁性篩選

按照濃度篩選時(shí)方法和培養(yǎng)條件, 以適宜Al3+濃度對(duì)52份材料在種子萌發(fā)過程中進(jìn)行鋁毒脅迫試驗(yàn)(蒸餾水處理為對(duì)照)。參照農(nóng)作物發(fā)芽技術(shù)規(guī)定(GB/T 35434-1995)在試驗(yàn)第5天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)(germination energy, GE), 第8天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率(germination rate, GR), 發(fā)芽期內(nèi)每天統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)數(shù), 計(jì)算發(fā)芽指數(shù)(germination index, GI)[9]。試驗(yàn)第8天選取每皿10株測(cè)量其根長(root length, RL)、芽長(bud length, BL)、根干重(dry weight of root, RDW)、芽干重(dry weight of shoot, SDW)和根冠比(root/shoot ratio, RSR)。

發(fā)芽指數(shù)(GI) = ∑(Gt/Dt); 根冠比(RSR) = 根干重/芽干重。其中Gt為試驗(yàn)天數(shù)內(nèi)種子萌發(fā)數(shù), Dt為相對(duì)發(fā)芽天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS 19.0[10]和DPS 2006[11]統(tǒng)計(jì)軟件整理數(shù)據(jù), 計(jì)算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、遺傳多樣性指數(shù)、相關(guān)系數(shù)、主成分分析、聚類分析等。

根據(jù)平均值()和標(biāo)準(zhǔn)差(S)進(jìn)行分級(jí)處理和頻次分布統(tǒng)計(jì), 即每個(gè)性狀進(jìn)行10級(jí)分類, 1級(jí)<-2S, 10級(jí)≥+2S, 中間每隔0.5S為1級(jí), 每1級(jí)的相對(duì)頻率(P)用于計(jì)算遺傳多樣性指數(shù)(￠)[12],' =-∑P× lnP, 其中,P為某性狀第級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

參考汪燦等[13]方法, 以各品種8個(gè)指標(biāo)測(cè)定值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 對(duì)各性狀測(cè)定值進(jìn)行平均數(shù)差異顯著性分析、遺傳多樣性指數(shù)分析; 然后, 按照公式(1)和(2)計(jì)算各單項(xiàng)指標(biāo)性狀的鋁毒耐性系數(shù)(aluminum toxicity tolerance coefficient, AC)和綜合耐鋁系數(shù)(comprehensive aluminum tolerance coefficient, CAC)。以AC值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各單項(xiàng)指標(biāo)性狀A(yù)C值間的相關(guān)性、并進(jìn)行主成分分析; 按照公式(3)和公式(4)分別計(jì)算各品種各單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)()和平均隸屬函數(shù)值(average subordinate function value, ASF)。按照公式(5)分別計(jì)算每個(gè)品種的鋁毒耐性綜合評(píng)價(jià)值(aluminum toxicity tolerance value, A值)。

式(1)中, AC表示第個(gè)品種第個(gè)指標(biāo)的單項(xiàng)鋁毒耐性系數(shù),X、CK分別表示第個(gè)指標(biāo)下第個(gè)品種鋁毒脅迫和對(duì)照處理的指標(biāo)測(cè)定值。代表性狀指標(biāo)數(shù),代表品種數(shù); 式(2)和(3)中, CAC指第個(gè)品種的綜合耐鋁系數(shù),(ACij)指基于單項(xiàng)指標(biāo)鋁毒系數(shù)的第個(gè)品種的第個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值, ACmin、ACmax分別表示所有參試材料某一指標(biāo)耐性系數(shù)的最小值和最大值; 式(4)中, ASF為第個(gè)品種的平均隸屬函數(shù)值,R為第個(gè)品種的第個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

基于豌豆萌發(fā)期8個(gè)性狀A(yù)C值, 采用歐式距離和離差平方法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析, 劃分52份材料耐鋁毒等級(jí); 同時(shí), 以各指標(biāo)鋁毒耐性系數(shù)AC值為自變量, 以A值為因變量進(jìn)行逐步回歸分析, 獲得回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜鋁離子脅迫濃度的篩選

不同材料對(duì)不同濃度Al3+脅迫反應(yīng)不同(表2)。其中, 20 mg L–1Al3+濃度處理對(duì)3個(gè)品種根和芽生長影響較小, 尤其是地上部分芽長與對(duì)照差異均未達(dá)到顯著水平, 地下部分除C154較對(duì)照顯著降低外, C145和C158均較對(duì)照顯著增加, 說明低濃度鋁脅迫促進(jìn)部分材料根系生長; Al3+脅迫濃度為80 mg L–1時(shí), 3個(gè)品種根系生長均受到顯著抑制, 當(dāng)濃度增至160 mg L–1時(shí), 參試品種根和芽生長均較對(duì)照受到顯著抑制, 甚至萎縮死亡, 表明80 mg L–1及160 mg L–1的脅迫濃度都不利于品種間耐性差異篩選。當(dāng)脅迫濃度在40 mg L–1時(shí), C154和C145芽長較各自對(duì)照差異不顯著, 而C158芽長則較對(duì)照顯著降低; C145和C158根長較各自對(duì)照差異不顯著, 而C154根長則較對(duì)照差異達(dá)到顯著水平?？梢? 在40 mg L–1Al3+脅迫濃度下, 根系和芽生長在品種間受到影響顯著性不同, 能夠較好地區(qū)分其耐鋁性差異。因此, 選擇40 mg L–1Al3+為豌豆萌發(fā)期耐鋁毒種質(zhì)資源篩選的適宜濃度。

2.2 表型特征及遺傳多樣性分析

從表3可以看出, 8個(gè)性狀在處理和對(duì)照組中各品種間差異均達(dá)到顯著水平。在對(duì)照組中, 52份豌豆種質(zhì)各性狀變異系數(shù)介于19.04%~41.24%, 其中芽干重>根冠比>根干重>根長>芽長>發(fā)芽指數(shù)>發(fā)芽勢(shì)>發(fā)芽率。鋁毒脅迫處理后, 各性狀變異系數(shù)介于15.23%~43.03%, 具體表現(xiàn)為根冠比>芽干重>根干重>根長>芽長>發(fā)芽指數(shù)>發(fā)芽勢(shì)>發(fā)芽率。兩種條件下各指標(biāo)性狀遺傳多樣性指數(shù)(￠)均大于1.00, 其中, 對(duì)照組￠介于1.51~2.06間, 均值為1.91, 根干重、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽干重和芽長5個(gè)性狀的￠均大于2.00, 8個(gè)性狀的￠為根干重>根長>發(fā)芽指數(shù)>芽干重>芽長>根冠比>發(fā)芽勢(shì)>發(fā)芽率; 處理組￠介于1.43~2.03之間, 均值為1.84, 低于對(duì)照組, 根長、芽長和芽干重￠大于2.00, 8個(gè)性狀￠為根長>芽干重>芽長>根干重>發(fā)芽指數(shù)>發(fā)芽勢(shì)>發(fā)芽率>根冠比。從各性狀在品種間差異顯著性檢驗(yàn)、變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)來看, 52份豌豆種質(zhì)遺傳差異較大, 脅迫前后各性狀都呈現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性, 因此進(jìn)行鋁毒耐性種質(zhì)資源篩選具有廣泛的遺傳基礎(chǔ)。

表2 不同濃度的鋁脅迫處理對(duì)豌豆萌發(fā)的影響

BL: bud length; RL: root length.

表3 鋁脅迫條件下豌豆種質(zhì)各指標(biāo)測(cè)定值及其均值差異性分析

*和**表示品種間分別在0.05和0.01水平上顯著差異。

GR: germination rate; GE: germination energy; GI: germination index; RL: root length; BL: buds length; RDW: root dry weight; SDW: shoot dry weight; RSR: root/shoot ratio.*and**are significant differences among cultivars at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

2.3 單項(xiàng)耐鋁毒系數(shù)(AC值)相關(guān)性和綜合耐性系數(shù)(CAC值)分析

不同基因型間同一指標(biāo)耐鋁毒系數(shù)(AC值)存在差異, 變異系數(shù)介于19.84%~49.64%之間。從AC值均值結(jié)果看, 芽干重、芽長、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均大于1.00, 根長、根干重和根冠比都小于1.00, 說明鋁毒脅迫對(duì)52份豌豆種質(zhì)萌發(fā)期地下部分毒害作用大于對(duì)發(fā)芽能力和地上部分生長。8個(gè)指標(biāo)在品種間差異達(dá)到顯著水平, 盡管鋁毒脅迫對(duì)部分指標(biāo)影響不大, 但不同基因型對(duì)鋁毒響應(yīng)存在較大差異, 所以僅靠均值大小無法判斷鋁毒對(duì)各指標(biāo)的影響, 也無法說明鋁毒脅迫下這些性狀在各品種間存在的差異。從表4可以看出, 發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長、根干重、芽干重7個(gè)性狀A(yù)C值彼此間呈顯著正相關(guān), 其中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)間相關(guān)系數(shù)均大于0.90, 而根長、根干重、芽長、芽干重4個(gè)性狀間相關(guān)系數(shù)均大于0.80。根冠比與其余7個(gè)性狀均呈負(fù)相關(guān), 與芽長和芽干重間相關(guān)性達(dá)顯著水平。同時(shí), 相關(guān)分析說明各性狀耐鋁毒系數(shù)所提供信息發(fā)生重疊。因此, 僅根據(jù)單一性狀耐鋁毒系數(shù)大小進(jìn)行耐鋁毒特性評(píng)價(jià)具有片面性。按照綜合耐鋁毒系數(shù)(CAC)值大小初步判斷各品種耐性大小, 13個(gè)品種(系)CAC值大于1.00, 其中C175、C145和C152排序靠前; C155和C163 CAC值較小, 排序靠后。

表4 各性狀耐鋁系數(shù)(AC值)相關(guān)系數(shù)矩陣

*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)?？s寫同表3。

*and**are significant correlation at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Abbreviations are the same as those given in Table 3.

2.4 單項(xiàng)耐鋁毒系數(shù)(AC值)的隸屬函數(shù)分析

8個(gè)性狀單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值平均值介于0.20~ 0.34之間, 小于中值0.5, 趨近最小值, 說明52份種質(zhì)多數(shù)表現(xiàn)為對(duì)鋁毒敏感。各品系平均隸屬函數(shù)值介于0.115~0.848之間, 品系間差異極大, 大于中值(0.5)的僅3份, 分別為C175、C145和C152, 其中C175的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)3個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)值均為1.00, 根長、芽長、根干重、芽干重的隸屬函數(shù)值均大于0.8, 平均隸屬函數(shù)值最高, 整體表現(xiàn)為耐鋁毒特性最好, 綜合排名第1; C145的根長、芽長、根干重、芽干重4個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)值均為1.00, 但其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和根冠比受到鋁毒影響較大, 隸屬函數(shù)值較C175降低, 綜合排位居第2。C155、C163、C173等39份材料平均隸屬函數(shù)值(ASF值)在0.1~0.3之間, 表明這些品種(系)對(duì)鋁毒極敏感, 發(fā)芽能力、根系和芽的生長受鋁毒影響嚴(yán)重。C159、C104、C117等10份品系的ASF值在0.3~0.5之間, ASF居于前兩組之間, 但仍低于中值0.5, 所以屬于對(duì)鋁毒較敏感品系?？傊? 鋁毒脅迫后不同豌豆種質(zhì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長等各性狀的ASF表現(xiàn)出差異, 通過每品種(系)各性狀的平均隸屬函數(shù)值對(duì)52份豌豆種質(zhì)耐鋁毒性排序, 全面衡量鋁毒對(duì)種質(zhì)發(fā)芽能力及根和芽生長的綜合影響, 可避免單一性狀指標(biāo)的片面性。

2.5 主成分分析與鋁毒耐性綜合評(píng)價(jià)值(A值)評(píng)價(jià)

利用DPS v7.05軟件對(duì)8個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)耐鋁系數(shù)(AC值)進(jìn)行主成分分析, 前2個(gè)因子貢獻(xiàn)率分別為69.78%和14.33%, 累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.11%, 其特征值λ≥1.15。抽取前2個(gè)因子, 將具有相同本質(zhì)的變量歸為一類, 將8個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo), 進(jìn)一步獲得第一和第二主成分因子的載荷矩陣。其中, 主成分1 (PC1)在發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長、根鮮重、根干重、芽鮮重和芽干重的特征向量值載荷較高, 代表著除根冠比之外的其他7個(gè)性狀。主成分2 (PC2)在根冠比上載荷量較大。從2個(gè)主成分因子包含內(nèi)容和貢獻(xiàn)率來看, PC1包含遺傳信息量最大, 貢獻(xiàn)率最高, 成為種質(zhì)萌發(fā)期耐鋁性篩選的主要指標(biāo), PC2作為參考指標(biāo)。從表5可以看出, 52份材料中, PC1得分大于0的有18份種質(zhì), 占比34.62%; PC1得分低于0的有34份, 占比65.38%。PC2得分大于0的有20份種質(zhì), 占比38.46%; 得分小于0的有32份, 占比61.54%?？紤]到PC1和PC2在鋁毒耐性上的貢獻(xiàn)率大小不同, 根據(jù)綜合耐鋁毒評(píng)價(jià)值(A值)大小排序顯示, 52份種質(zhì)A值大于0的有17份, 占32.69%, 其中C175的PC1得分11.11, PC2得分2.43, A值8.10, 在52份種質(zhì)中排名第1; C145的PC1得分7.50, PC2得分-2.72, 其A值為4.85, 在52份種質(zhì)中排名第2。A值小于0.00共有38份, 占67.31%, 其中C155、C163、C103等種質(zhì)A值均小于-1.00, 為鋁毒耐性極敏感品種(系)。

2.6 聚類分析

根據(jù)單項(xiàng)耐鋁毒系數(shù)(AC值), 采用離散平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類, 在歐式遺傳距離D = 4.00左右, 將52份種質(zhì)劃分為3類, 其中C175和C145為第I類型, 為耐性較強(qiáng)的品種(系), 占參試材料的3.85%; 第II類包括C105, C152、C104、C137、C154、C109、C136等共19份材料, 占36.54%, 屬于對(duì)鋁毒敏感豌豆種質(zhì); 第III類包括C056、C079、CO52、C001、C051、C110等31份材料, 占52份種質(zhì)的59.62%, 為鋁毒極敏感型材料(圖1)。對(duì)耐性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)統(tǒng)計(jì)表明, 除根冠比外, 其余單項(xiàng)指標(biāo)AC值、CAC值、ASF值和A值均隨鋁毒耐性的降低而降低。

表5 52份豌豆的2個(gè)主成分因子得分、綜合評(píng)價(jià)值(A值)及其預(yù)測(cè)值

PC1和PC2 對(duì)應(yīng)的是每個(gè)品種的前2個(gè)主成分因子得分; P為根據(jù)回歸方程計(jì)算的預(yù)測(cè)A值。

PC1 and PC2 correspond to the first two principal component scores of each variety; P is the predicted A-value calculated according to the regression equation.

2.7 回歸分析及耐鋁毒鑒定指標(biāo)的選擇

為了進(jìn)一步分析萌發(fā)期各單項(xiàng)指標(biāo)與耐鋁毒特性之間的關(guān)系, 篩選出耐鋁毒鑒定指標(biāo), 建立耐鋁毒評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型, 預(yù)測(cè)耐鋁毒性。以8個(gè)鑒定指標(biāo)(AC值)為自變量, 以耐鋁毒度量值(A值)為因變量, 進(jìn)行逐步回歸, 建立最優(yōu)回歸方程=-6.95+1.331+1.532+1.253+0.934+ 0.655+0.786+0.437(= 233442.04**,2= 0.9998)。公式中1、2、3、4、5、6、7分別代表發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長、根干重、芽干重。由方程可知, 除根冠比外7項(xiàng)指標(biāo)對(duì)豌豆耐鋁毒特性都有顯著影響; 52份豌豆種質(zhì)的耐鋁毒特性預(yù)測(cè)值P與耐鋁毒綜合度量值(A值)極顯著相關(guān),= 0.9999**(表9), 表明該回歸方程對(duì)豌豆萌發(fā)期耐鋁毒特性預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度極高、效果較好。

3 討論

土壤為植物提供生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分, 與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。土壤酸化導(dǎo)致鋁離子濃度增加, 對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用[14]。種子萌發(fā)是作物形態(tài)建成的起始階段, 然而該過程在表層土壤中進(jìn)行且所需時(shí)間較短而沒有引起足夠重視。鋁毒對(duì)種子萌發(fā)過程中胚根伸長具有一定抑制作用[7], 從而影響胚芽及幼苗生長, 最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。作物鋁毒耐性是由微效多基因或者主基因+微效多基因所控制的復(fù)雜數(shù)量遺傳性狀[15]和環(huán)境共同影響的。在田間進(jìn)行耐鋁性篩選和評(píng)價(jià)由于土壤空間變異引起較高的變異系數(shù), 最終影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性[16]。溶液濾紙法(soluting-paper method)是用于植物種子Al脅迫研究的一種簡(jiǎn)單、快速、利于pH控制的方法[17]。本研究為了最大程度地減少其他環(huán)境因子對(duì)種子萌發(fā)的影響, 選擇在室內(nèi)光照培養(yǎng)箱采用溶液濾紙法, 更能體現(xiàn)種質(zhì)在萌發(fā)期對(duì)鋁毒耐性的遺傳行為。

圖1 52份豌豆種質(zhì)資源基于AC值的聚類分析圖

適宜的脅迫濃度是作物萌發(fā)期耐性資源篩選的關(guān)鍵, 濃度過低難于區(qū)分不同材料耐性差異, 過高則抑制種子萌發(fā)或很快致死, 因此濃度過高或過低都讓作物基因型間的差異傾向于消除[18]。不同作物或同一作物不同處理方式, 脅迫濃度也存在著較大差異[5-6]。Rosado等[18]將8個(gè)麻瘋樹(L.)種質(zhì)的種子置不同濃度Al溶液發(fā)芽室中, 結(jié)果85 mg L–1的濃度能夠區(qū)分8個(gè)種質(zhì)耐鋁性水平。然而, Martins等[19]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 鋁離子濃度大于40 mg L–1時(shí), 不同鋁毒耐性的麻風(fēng)樹種子根發(fā)育已經(jīng)嚴(yán)重受到抑制, 難以區(qū)分品系間鋁毒耐性, 因此認(rèn)為篩選麻風(fēng)樹種子萌發(fā)期鋁毒耐性的推薦濃度為40 mg L–1。熊潔等[6]利用1 mmol L–1的AlCl3溶液處理23個(gè)油菜品種盆栽幼苗, 篩選到耐性較強(qiáng)的品種。應(yīng)小方等[8]通過溶液培養(yǎng)試驗(yàn), 以100 mg L–1鋁溶液處理18個(gè)優(yōu)質(zhì)大豆品種(系), 從中篩選到具有較強(qiáng)耐鋁毒能力的大豆基因型4個(gè)。本試驗(yàn)參考前人研究結(jié)果, 預(yù)實(shí)驗(yàn)確定40 mg L–1Al3+為52份豌豆種質(zhì)鋁毒脅迫濃度, 該濃度與部分學(xué)者進(jìn)行種子萌發(fā)期鋁毒脅迫濃度相近[19]。40 mg L–1的Al3+脅迫處理有效區(qū)分了52份豌豆種質(zhì)萌發(fā)期耐鋁毒能力的強(qiáng)弱。

作物耐鋁毒特性是指作物在鋁毒脅迫下的適應(yīng)性和抵抗能力。耐鋁毒性鑒定就是對(duì)不同基因型種質(zhì)耐鋁毒能力鑒定、篩選、評(píng)價(jià)和歸類的一個(gè)過程, 因此, 選用合適的鑒定指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法極為重要。已有研究表明, 植物受到鋁毒害的主要作用位點(diǎn)是根尖, 最初表現(xiàn)出的癥狀是根系伸長生長受到明顯抑制[7,20]。根系性狀及其對(duì)鋁毒害的反應(yīng)已被廣泛地用于作物耐鋁性篩選。然而, 生物是一個(gè)整體, 種子萌發(fā)過程中胚根和胚芽生長具有一定相關(guān)性。從豌豆萌發(fā)期8個(gè)性狀A(yù)C值間相關(guān)性來看, 根長與發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根干重、芽長、芽干重6個(gè)性狀均顯著正相關(guān), 其中與根干重、芽長和芽干重相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.86、0.82和0.80, 相關(guān)性較強(qiáng), 表明鋁毒脅迫對(duì)根系影響程度決定著胚芽的生長質(zhì)量。8個(gè)性狀間的相關(guān)性說明鋁毒影響是綜合的, 以單一指標(biāo)判斷鋁毒耐性并不全面。主成分分析是一種處理高維數(shù)據(jù)的方法, 通過降維達(dá)到簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的目的, 在薏苡(L.)、燕麥(L.)等多種作物性狀評(píng)價(jià)與種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)中已得到廣泛運(yùn)用[13,21]。本文根據(jù)單項(xiàng)耐性系數(shù)(AC值)進(jìn)行主成分分析, 結(jié)果PC1和PC2累計(jì)代表8個(gè)性狀遺傳信息的84.11%, 所以PC1和PC2可以作為52份豌豆種質(zhì)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo), 但是這2個(gè)指標(biāo)權(quán)重并不等同, 為了進(jìn)一步減少單項(xiàng)指標(biāo)(主成分)的評(píng)價(jià)片面性, 本研究根據(jù)每個(gè)品系的PC1、PC2得分及其貢獻(xiàn)率, 計(jì)算每個(gè)品系鋁毒耐性的綜合度量值(A值), 再根據(jù)A值排序比較各種質(zhì)相對(duì)鋁毒耐性大小, 這種排序更全面、更科學(xué)。為了分析耐鋁性鑒定指標(biāo)與耐鋁性之間的關(guān)系, 本研究以萌發(fā)期8個(gè)鑒定指標(biāo)(AC值)為自變量, 以對(duì)鋁毒耐性的綜合度量值(A值)為因變量, 進(jìn)行逐步回歸, 建立最優(yōu)回歸方程。從方程結(jié)果看, 除根冠比外, 其余7個(gè)指標(biāo)均包含在回歸方程中。因此, 在豌豆萌發(fā)期耐鋁毒種質(zhì)資源篩選中, 可以測(cè)定這7項(xiàng)指標(biāo), 利用該公式計(jì)算A值, 再根據(jù)A值快速預(yù)測(cè)豌豆種質(zhì)耐鋁毒能力。

通過對(duì)52份豌豆種質(zhì)的綜合耐鋁毒系數(shù)(CAC值)、主成分分析、平均隸屬函數(shù)值(ASF值)和鋁毒耐性綜合度量(A值)并結(jié)合聚類分析, 發(fā)現(xiàn)C175和C145在所有評(píng)價(jià)體系中均表現(xiàn)為萌發(fā)期耐鋁性較強(qiáng)。這2個(gè)品系將在豌豆耐鋁性育種, 尤其是萌發(fā)期耐鋁毒豌豆新品種選育中發(fā)揮重要作用。溶液濾紙法被廣泛用于植物種子耐Al性篩選研究[17-19], 然而室內(nèi)篩選出來的種質(zhì)和復(fù)雜的大田環(huán)境篩選結(jié)果可能存在一定差異?；虮磉_(dá)存在著一定的時(shí)空特性, 作物對(duì)非生物脅迫的耐性與生長發(fā)育時(shí)期有關(guān)[22], 因此, 這2個(gè)材料在苗期以及成株期是否具有較強(qiáng)的耐鋁毒特性還有待驗(yàn)證。

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Screening and comprehensive evaluation of aluminum-toxicity tolerance during germination stage in 52 varieties (lines) of pea germplasm

CUI Cui, CHENG Chuang, ZHAO Yu-Feng, GAO Huan-Huan, WANG Rui-Li, WANG Liu-Yan, and ZHOU Qing-Yuan*

College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715, China

With increasing acidification of soil, aluminum toxicity has become one of the important stress factors affecting seed germination quality and crop yield. The purpose of this study is to explore the characteristics of aluminum toxicity tolerance in different genotypes of, and establish the comprehensive evaluation system for screening and breeding new varieties with aluminum toxicity tolerance. The identification of tolerance at germination stage was performed according to the comprehensive tolerance coefficient of aluminum toxicity (CAC) value, the average subordinate function value (ASF value), the comprehensive evaluation value of aluminum toxicity tolerance (A-value) in correlation analysis, frequency analysis, principal component analysis, cluster analysis and stepwise regression analysis. Fifty-two pea varieties collected from different places were treated with 40 mg L–1Al3+screened in the pretest. There were significant differences between treatment and control groups in germination rate, germination energy, germination index, root length, bud length, root dry weight, bud dry weight, root-shoot ratio, and the genetic diversity index ranging from 1.43-2.03 and 1.51-2.06, respectively, showing extensive genetic variation. Cluster analysis was carried out based on A value, exhibiting that the tested cultivars were roughly divided into groups with three aluminum toxicity tolerance grades. The first group including two varieties is tolerant to aluminum toxicity, the second group including 19 varieties is sensitive to aluminum toxicity, and the last group containing 31 other varieties is very sensitive to aluminum toxicity. Combined with the optimal regression equation, seven indexes of pea seed germination rate, germination potential, germination index, bud length, root length, bud dry weight and root dry weight were used to comprehensively evaluate and identify the aluminum toxicity tolerance of pea during germination period. Through comprehensive evaluation and cluster analysis, germplasm C175 and C145 were screened out with strong tolerance to aluminum toxicity in germinating stage, which can be used as important resources for breeding near varieties and studying the mechanism of tolerance to aluminum toxicity in pea.

pea; germination period; aluminum toxicity tolerance; comprehensive evaluation; germplasm resources screening

2018-08-21;

2019-01-12;

2019-02-19.

10.3724/SP.J.1006.2019.84110

周清元, E-mail: zhouqy2005@163.com

E-mail: cuigreeny@163.com

本研究由國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-12)和重慶市社會(huì)事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新項(xiàng)目(cstc2015shmszx80026)資助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-12) and the Science and Technology Committee of Chongqing (cstc2015shmszx80026).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190219.0929.003.html