堿脅迫對(duì)不同品種燕麥幼苗生長及生理特性的影響

孫墨可， 李俊偉， 張 曼， 董玉迪， 田 娟， 李穎慧， 徐威威， 郭來春， 王春龍， 任長忠

(1.吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林白城 1370001； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)雜糧產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林長春 015636)

土地鹽堿化是人類面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題，我國鹽漬土面積約為5億畝(1 hm=15畝)，可開發(fā)利用的面積達(dá)2億畝，報(bào)道指出，鹽堿化土壤面積還在逐年擴(kuò)大。蘇打鹽堿土是一類具有較高pH值的鹽堿土壤，其鹽分主要是NaHCO和NaCO，該類型鹽堿逆境嚴(yán)重影響植物的正常生長發(fā)育。燕麥?zhǔn)且环N耐逆性較強(qiáng)的作物，在開發(fā)和改良鹽堿地過程中具有潛在利用價(jià)值。以往研究主要集中在中性鹽脅迫方面，對(duì)堿脅迫的研究相對(duì)較少，相較于鹽脅迫，堿對(duì)植物的脅迫作用更強(qiáng)烈，其逆境脅迫機(jī)制也更為復(fù)雜，堿脅迫除了產(chǎn)生離子脅迫、滲透脅迫之外，還會(huì)產(chǎn)生pH值脅迫；植物能夠通過離子再平衡、滲透調(diào)節(jié)、清除活性氧自由基、穩(wěn)定pH值等方式響應(yīng)鹽堿脅迫。對(duì)于堿性鹽逆境的研究，現(xiàn)已對(duì)向日葵、水稻、小麥、苜蓿、羊草、星星草、虎尾草、堿地膚等農(nóng)作物或鹽生植物開展了逆境影響下的植物生長發(fā)育、生理生化機(jī)制、生態(tài)適應(yīng)性等多方面的研究。燕麥的耐鹽堿特性逐漸受到人們的關(guān)注，已有燕麥耐鹽堿機(jī)制、鹽堿逆境栽培管理等方面的探究。鹽堿逆境條件下，燕麥根系通過分泌草酸優(yōu)化根際的鹽堿土壤環(huán)境，莖葉對(duì)鹽堿環(huán)境中的金屬陽離子具有選擇吸收特性，表明燕麥適應(yīng)鹽堿逆境的同時(shí)也對(duì)該類土壤本身具有改良作用。目前對(duì)種質(zhì)耐堿性的評(píng)價(jià)報(bào)道較少，用于鑒定耐堿能力的主要指標(biāo)也不明確，有必要對(duì)燕麥耐堿材料及其關(guān)鍵篩選指標(biāo)進(jìn)行探究。從20份燕麥材料中篩選耐堿燕麥材料，并明確評(píng)價(jià)燕麥耐堿能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用20份燕麥品種為試驗(yàn)材料，以上材料由白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院燕麥研究所選育，為中國與加拿大燕麥雜交后代，材料基因多樣性豐富。各材料信息如表1所示。

表1 燕麥材料信息

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年在白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行，光照/黑暗處理(12 h/12 h)，溫度(23±2) ℃。采用花盆播種，花盆直徑22 cm、高18 cm，每盆裝 5 kg 沙子。將20份材料重復(fù)3次分別播種于60盆內(nèi)，每盆播種30粒。每隔3 d澆1/2 Hoagland 營養(yǎng)液 500 mL。出苗后每盆定苗20株。待幼苗生長至三葉期，處理組每隔3 d施加500 mL堿溶液(NaHCO∶NaCO=5 ∶1，pH值為8.3)，堿濃度由25、50、75、100 mmol/L分次逐漸增加，達(dá)到最終濃度后，每次按最終濃度繼續(xù)處理，CK組繼續(xù)澆灌 1/2 Hoagland 營養(yǎng)液，從處理開始計(jì)算，持續(xù)處理 21 d；取樣測(cè)定幼苗株高、鮮質(zhì)量、根長、Na含量、K含量、根系活力(RA)、脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(SS)含量、抗氧化酶活性和丙二醛(MDA)含量。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

取10株材料，用直尺測(cè)量株高(PH)、根長(RL)，植株鮮質(zhì)量(FW)取地上部分用分析天平稱質(zhì)量。

取葉片測(cè)定以下生理指標(biāo)：采用火焰分光光度法測(cè)定Na、K含量；采用水合茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量；采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量；采用光還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶 (POD) 活性；采用過氧化氨法測(cè)定過氧化氫酶(CAT)活性；采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量。采集根系，采用萘胺氧化法測(cè)定根系活力。測(cè)定方法參考李合生的《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)》。

耐堿指數(shù)計(jì)算方法：耐堿指數(shù)=(處理值/對(duì)照)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel整理，顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)性分析、主成分分析采用SPSS 22.0軟件，聚類-熱圖采用Heatmapper繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 20份材料各性狀的耐堿指數(shù)

單項(xiàng)指標(biāo)在不同材料之間的耐堿指數(shù)存在很大的變異，這可能與不同材料響應(yīng)堿脅迫的方式不同有關(guān)；堿脅迫也引起植株從表型到生理物質(zhì)等12項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生不同程度的變化。耐堿指數(shù)越大，表示堿處理之后該指標(biāo)變化越大。由表2可知，堿脅迫引起植株株高、鮮質(zhì)量、根長、K含量等指標(biāo)降低，而Na含量、根系活力、脯氨酸含量、可溶性糖含量、抗氧化酶活性、丙二醛含量等指標(biāo)升高。

表2 20份材料各性狀的耐堿指數(shù)

2.2 性狀耐堿系數(shù)顯著性分析

由表3各項(xiàng)指標(biāo)耐堿系數(shù)方差檢驗(yàn)表明，在20份燕麥材料間均具有極顯著差異，表明各項(xiàng)指標(biāo)在后續(xù)分析過程中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 顯著性分析

2.3 性狀耐堿系數(shù)相關(guān)性分析

檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)耐堿系數(shù)之間的相關(guān)性，如表4所示，多數(shù)指標(biāo)之間達(dá)顯著水平，不同程度的相關(guān)性說明多組數(shù)據(jù)之間存在部分信息重疊，通過主成分分析可以對(duì)原有信息進(jìn)行有效提取，最終將原數(shù)據(jù)多項(xiàng)資料的主要信息濃縮到少數(shù)幾個(gè)主要因子中。

表4 相關(guān)性分析

2.4 主成分分析

主成分的特征根和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，載荷對(duì)應(yīng)的指標(biāo)可以反映鹽堿脅迫下燕麥的逆境響應(yīng)狀況，載荷矩陣通過相關(guān)系數(shù)反映了主成分與其他指標(biāo)之間的關(guān)系，可以明確具體指標(biāo)對(duì)主成分負(fù)荷的相對(duì)大小和作用方向，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大，說明關(guān)系越密切。

從表5可知，前3個(gè)主成分的單獨(dú)特征根均大于1，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到80.983%，提取前3個(gè)因子作為主成分替代原始數(shù)據(jù)中的12類分量。第1主成分的貢獻(xiàn)率為59.413%，其中，K含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性等指標(biāo)的耐堿系數(shù)對(duì)第1主成分的貢獻(xiàn)最大，第1主成分因子可視作生理調(diào)節(jié)綜合因子；第2主成分的貢獻(xiàn)率為12.172%，CAT活性耐堿系數(shù)的載荷較大，第2主成分因子可稱為過氧化氫酶活性因子；第3主成分的貢獻(xiàn)率為9.398%，載荷最高的是Na含量和MDA含量，第3主成分可稱為毒害物質(zhì)因子。

表5 入選的特征根及特征向量

根據(jù)主成分分析，利用各分量的特征向量，構(gòu)建各指標(biāo)與材料的抗堿性函數(shù)關(guān)系式，抗堿性函數(shù)表達(dá)式如下所示：

=-0780+0757+0741-0622+0905+0675++0854+0844+0847+0558-0762；

=-0516-0369-0326+0353-0087+0468+0188-0051+0181+0342+0683+0177；

=-0133+0251+0398+0572-0208-0241+0310+0325+0230+0012-0210+0392。

式中：(=1，2，3)為主成分；～分別為株高、鮮質(zhì)量、根長、Na含量、K含量、根系活力、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性、CAT活性和MDA含量的耐堿系數(shù)。

直接使用、或不能對(duì)燕麥苗期的抗堿性做出綜合評(píng)價(jià)，按照各主成分的貢獻(xiàn)率得到綜合因子得分函數(shù)，即：

=059+019+009。

該函數(shù)評(píng)估了20份燕麥苗期耐堿能力的綜合得分，結(jié)果見表6。

由表6可見，20份燕麥材料的耐堿能力從強(qiáng)到弱依次為BY6>BY7>BY12>BY19>BY15>BY8>BY17>BY14>BY2>BY9>BY20>BY11>BY1>BY18>BY16>BY5>BY3>BY10>BY4>BY13。

表6 20份燕麥材料苗期耐堿能力的綜合得分及排名

2.5 燕麥耐堿能力聚類-熱圖

熱圖中，紅色表示相應(yīng)指標(biāo)在劃分類群中發(fā)揮的作用強(qiáng)，深綠色其次，綠色則最小。如圖1所示，聚類分析將20份材料劃分為4類，其中，第1類屬于高耐堿性材料，包括BY7、BY6、BY19、BY9、BY12、BY11、BY18，共計(jì)7份材料；第2類屬于耐堿性材料，包括BY8、BY2、BY15、BY10、BY14等5份材料；第3類屬于不耐堿材料，包括BY1、BY5、BY20、BY16、BY17等5份材料；第4類屬于堿敏感材料，包括BY13、BY4、BY3等3份材料。

由熱圖可知，不同指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)燕麥耐堿性的影響不同，影響作用從強(qiáng)到弱的順序依次為可溶性糖含量>脯氨酸含量>Na含量>POD活性>SOD活性>CAT活性>MDA含量>根系活力>根長>株高>K含量>植株鮮質(zhì)量。

3 討論與結(jié)論

通過耐堿系數(shù)計(jì)算、方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析、綜合分析、聚類-熱圖分析，對(duì)20份材料的耐堿性進(jìn)行評(píng)價(jià)和類群劃分，分析各項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)耐堿能力中的作用大小。

本試驗(yàn)參照已有研究方法，首先計(jì)算材料的耐堿系數(shù)。從不同材料角度來看，單項(xiàng)指標(biāo)在不同材料之間的耐堿系數(shù)存在較大的變異，這可能與不同材料響應(yīng)堿脅迫的敏感度存在差異有關(guān)；從不同評(píng)價(jià)指標(biāo)角度來看，堿脅迫也引起植株12項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生不同程度的變化，表現(xiàn)為堿脅迫抑制株高、鮮質(zhì)量、根長等，導(dǎo)致植株K含量減少，Na含量升高，生理調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化物質(zhì)和細(xì)胞毒害物質(zhì)等含量大幅度升高。

利用主成分分析將燕麥響應(yīng)堿脅迫的12項(xiàng)耐堿系數(shù)歸納成生理調(diào)節(jié)綜合因子、抗氧化酶因子、毒害物質(zhì)因子3個(gè)主成分，貢獻(xiàn)率分別為59.413%、12.172%、9.398%，累積貢獻(xiàn)率為80.983%，各指標(biāo)按照不同比例被提取到主要的3個(gè)主成分中，其中，K含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性在第1主成分中的負(fù)荷量最大，CAT活性在第2主成分中的負(fù)荷量最大、Na含量和MDA含量在第3主成分中的負(fù)荷量最大。主成分分析結(jié)合聚類分析是一種典型的數(shù)據(jù)分析方法，在群體材料分類研究中得到廣泛應(yīng)用。

通過綜合因子得分函數(shù)評(píng)價(jià)20份燕麥材料的耐堿能力，結(jié)果顯示，白燕6號(hào)、白燕7號(hào)及白燕12號(hào)等材料屬于強(qiáng)耐堿燕麥材料，白燕13號(hào)、白燕4號(hào)、白燕3號(hào)等屬于堿敏感材料，這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致。利用多指標(biāo)對(duì)種質(zhì)資源的耐堿性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能更好地揭示燕麥對(duì)堿脅迫的適應(yīng)機(jī)制，提高耐堿性鑒定的準(zhǔn)確性。段文學(xué)等采用主成分分析結(jié)合聚類方法評(píng)價(jià)了甘薯苗期的耐鹽性；王志恒等評(píng)價(jià)藜麥生長初期對(duì)不同類型逆境的耐性，發(fā)現(xiàn)材料耐性水平因逆境類型而異。

熱圖將不同指標(biāo)的影響作用進(jìn)行了區(qū)分；聚類結(jié)果將20份燕麥材料劃分為4類，包括7份強(qiáng)耐堿性材料、5份耐堿性材料、5份不耐堿材料和3份堿敏感材料，該聚類結(jié)果與綜合因子得分函數(shù)計(jì)算的排名結(jié)果基本一致，說明本次研究中所采用的評(píng)價(jià)方法及其評(píng)價(jià)結(jié)果較為可靠；不同指標(biāo)對(duì)堿脅迫的響應(yīng)變化不同，不同材料在單個(gè)指標(biāo)維度上的響應(yīng)水平存在差異，這與本研究中表1反映的結(jié)果相吻合，熱圖能區(qū)分12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在類群劃分過程中的效應(yīng)強(qiáng)度，可溶性糖含量、脯氨酸含量和Na含量等對(duì)類群劃分的影響較大，是評(píng)價(jià)材料耐堿能力的關(guān)鍵指標(biāo)，而株高、鮮質(zhì)量和根長等指標(biāo)對(duì)類群劃分的作用最小，可能與表型指標(biāo)的變化幅度較小有關(guān)。

本研究對(duì) 20份燕麥材料的耐堿能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)和劃分，并明確了燕麥苗期耐堿能力的鑒定指標(biāo)，為相關(guān)研究的材料選擇和研究方法運(yùn)用提供參考。