8個(gè)裸燕麥品種萌發(fā)期抗逆性綜合評(píng)價(jià)

馬金慧，周文喜，薩如拉，張 鐵，范 富

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.通遼市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3.通遼市市政事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

鹽堿脅迫影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，是導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降的主要非生物逆境因素之一［1］，也是目前制約農(nóng)作物產(chǎn)量增加的主要逆境因素之一［2］。目前，在全世界范圍內(nèi)約有9.6億hm2的鹽堿地，我國(guó)大約有3 300萬hm2的鹽堿土地［3］，約占世界總鹽堿土地的1/29。由于全球氣候的變化，土壤鹽漬化的威脅日益加劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上約有20%的耕地受到土壤鹽漬化影響［4］，土壤鹽漬化導(dǎo)致約50%的作物產(chǎn)量受到影響［5］。土壤中主要的致害鹽類是中性鹽（NaCl）［6］。鹽離子使植物生長(zhǎng)發(fā)育受到多種危害［7］，如滲透脅迫使植物體內(nèi)鹽離子濃度過高導(dǎo)致種子在吸水的時(shí)候速度變慢，種子萌發(fā)受到影響，種子的發(fā)芽勢(shì)也會(huì)降低；再如植物受毒害作用、體內(nèi)糖分的累積受到抑制［8］等。NaHCO3和Na2CO3等堿性鹽對(duì)植物的危害往往大于NaCl和Na2SO4等中性鹽。

燕麥為禾本科燕麥屬，一年生草本植物，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。與傳統(tǒng)栽培作物小麥等相比較，燕麥具有更強(qiáng)的抗逆性［9］，對(duì)鹽堿土表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，因此，在許多國(guó)家倍受重視并廣泛栽培，被廣泛認(rèn)為是鹽堿地改良的重要替代作物之一［10-16］。目前，有關(guān)燕麥耐鹽性的研究較多［8-10］，但是關(guān)于裸燕麥萌發(fā)期對(duì)鹽堿脅迫抗逆性的綜合評(píng)價(jià)研究較少。為此，以NaCl模擬鹽脅迫、NaHCO3模擬堿脅迫環(huán)境，采用主成分分析法對(duì)裸燕麥萌發(fā)期各性狀進(jìn)行綜合鑒定，篩選耐鹽堿能力強(qiáng)的裸燕麥品種及其主要鑒定指標(biāo)，以期為裸燕麥抗逆基因挖掘和鹽堿地燕麥生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及環(huán)境

供試裸燕麥品種為白燕2號(hào)（N1）、白燕3號(hào)（N2）、白燕4號(hào)（N3）、白燕5號(hào)（N4）、白燕8號(hào)（N5）、白燕11號(hào)（N6）、壩莜13號(hào)（N7）、寧莜1號(hào)（N8），均由吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。試驗(yàn)于內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鹽脅迫環(huán)境試驗(yàn)設(shè)置0（CK）、50 mmol·L-1（TY1）、100 mmol·L-1（TY2）、200 mmol·L-1（TY3）、300 mmol·L-1（TY4）5個(gè)濃度梯度。堿脅迫環(huán)境試驗(yàn)設(shè)置0（CK）、20 mmol·L-1（TJ1）、40 mmol·L-1（TJ2）、60 mmol·L-1（TJ3）、80 mmol·L-1（TJ4）等5個(gè)濃度梯度。采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法對(duì)8種裸燕麥種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，挑選顆粒飽滿、大小一致的裸燕麥種子，用3%的過氧化氫進(jìn)行消毒，消毒時(shí)長(zhǎng)為3~5 min。將培養(yǎng)皿（90 mm）清洗后置于烘箱高溫滅菌，每皿鋪入2層濾紙，再將選出的100粒種子放置在培養(yǎng)皿內(nèi)。每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)加入10 mL鹽（堿）溶液，對(duì)照培養(yǎng)皿內(nèi)加入10 mL蒸餾水，設(shè)3次重復(fù)。將所有培養(yǎng)皿放置恒溫光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，溫度設(shè)置為25℃，共培養(yǎng)7 d。

1.3 測(cè)試指標(biāo)

在第4天測(cè)定發(fā)芽勢(shì)，于第7天結(jié)束萌發(fā)后，分別測(cè)定發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重等指標(biāo)。

發(fā)芽勢(shì)（第4天）＝發(fā)芽高峰時(shí)種子的發(fā)芽個(gè)數(shù)/供試種子個(gè)數(shù)×100%。

發(fā)芽率（第7天）＝發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

芽長(zhǎng)：第7天用直尺測(cè)量裸燕麥苗從胚到最長(zhǎng)裸燕麥葉長(zhǎng)的長(zhǎng)度。

根長(zhǎng)：第7天用直尺測(cè)量裸燕麥苗從胚到最長(zhǎng)裸燕麥根長(zhǎng)的長(zhǎng)度。

干重：將幼苗置于105℃烘箱2 h殺青，再將溫度調(diào)至80℃烘至恒質(zhì)量，于電子分析天平上稱量［17］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析、主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗逆脅迫對(duì)不同裸燕麥品種萌發(fā)的影響

2.1.1 不同裸燕麥品種對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)CK條件下8個(gè)裸燕麥品種的發(fā)芽勢(shì)在85.00%~92.33%之間，N2、N4、N5、N6發(fā)芽勢(shì)較高，N3發(fā)芽勢(shì)最低；發(fā)芽率在87.00%~97.67%之間，N4發(fā)芽率最高，N3發(fā)芽率最低；芽長(zhǎng)在8.03~11.60 cm之間，N1、N2、N5、N6、N8芽長(zhǎng)較長(zhǎng)，N4芽長(zhǎng)最短；各品種根長(zhǎng)在3.63~5.57 cm之間，N5和N6根長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)；鮮重在109.67~133.33 mg之間，N2、N4和N5鮮重均在130.00 mg以上，N3和N8表現(xiàn)相對(duì)較差；各品種干重在11.33~14.43 mg之間，N2、N4和N5干重相對(duì)較高且均在14 mg以上。在50 mmol·L-1（TY1）NaCl脅迫下，裸燕麥品種發(fā)芽勢(shì)在73.33%~94.33%之間，N2和N5發(fā)芽勢(shì)相對(duì)較高，N7表現(xiàn)最差；發(fā)芽率在81.67%~96.33%之間，N2、N4和N5表現(xiàn)出較好的耐鹽性，N8表現(xiàn)最差；芽長(zhǎng)在8.60~11.37 cm之間，N5表現(xiàn)最好，N4表現(xiàn)最差；根長(zhǎng)在3.93~5.83 cm之間，N6表現(xiàn)最好，N8表現(xiàn)最差；鮮重在108.53~139.50 mg之間，N2和N4鮮重相對(duì)較重，N3表現(xiàn)最差；干重在10.40~14.83 mg之間，N2、N4和N5干重相對(duì)較重，N8表現(xiàn)最差。在100 mmol·L-1（TY2）NaCl脅迫條件下，N2發(fā)芽勢(shì)最高，為84.00%；N1發(fā)芽率最高，為88.00%；N5的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重均在組內(nèi)表現(xiàn)最好，分別為10.23 cm、4.67 cm、127.40 mg、12.50 mg。在200 mmol·L-1（TY3）NaCl脅迫條件下，各裸燕麥品種的各項(xiàng)指標(biāo)與TY2的各項(xiàng)指標(biāo)相比，均呈降低趨勢(shì)；發(fā)芽勢(shì)為22.00%~56.00%，發(fā)芽率為22.33%~55.00%，芽長(zhǎng)為6.10~9.47 cm，根長(zhǎng)為2.00~4.07 cm，鮮重為83.17~114.83 mg，干重為8.13~11.03 mg。在300 mmol·L-1（TY4）NaCl脅迫條件下，發(fā)芽勢(shì)為7.33%~41.33%，發(fā)芽率為9.67%~22.33%，芽長(zhǎng)為5.23~8.17 cm，根長(zhǎng)為1.20~3.07 cm，鮮重為73.23~96.17 mg，干重為6.60~9.40 mg（表1）。

表1 不同裸燕麥品種對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)Tab.1 Responses of different naked oat varieties to salt stress

2.1.2 不同裸燕麥品種對(duì)堿脅迫的響應(yīng)CK條件下8個(gè)裸燕麥品種的表現(xiàn)與鹽脅迫的一致。在20 mmol·L-1（TJ1）NaHCO3脅迫條件下，各裸燕麥品種發(fā)芽勢(shì)在73.33%~92.33%之間，N2和N5發(fā)芽勢(shì)相對(duì)較高，N7和N8表現(xiàn)相對(duì)較差；發(fā)芽率在79.00%~96.67%之間，N2、N4、N5發(fā)芽率相對(duì)較高，N8表現(xiàn)最差；芽長(zhǎng)在8.33~11.70 cm之間，N5表現(xiàn)最好，N4和N7表現(xiàn)相對(duì)較差；根長(zhǎng)在3.50~5.53 cm之間，N2、N5和N6表現(xiàn)相對(duì)較好，N3根長(zhǎng)最短；鮮重在105.73~134.00 mg之間，N4、N5和N6鮮重均在130 mg以上，N3表現(xiàn)最差；干重在10.13~14.50 mg之間，N4表現(xiàn)最好，N3干重最低。在40 mmol·L-1（TJ2）NaHCO3脅迫條件下，N2和N5發(fā)芽勢(shì)和N1、N2、N5發(fā)芽率均較高，都在80.00%以上；N5芽長(zhǎng)顯著高于其他裸燕麥品種（P<0.05）；N6根長(zhǎng)最長(zhǎng)，為4.33 cm；N2、N4、N5和N6鮮重較重，均在110 mg以上，其中，N5顯著高于其他品種；N4、N5和N6干重顯著高于其他品種。在60 mmol·L-1（TJ3）NaHCO3脅迫條件下，與處理TJ1、TJ2相比，各指標(biāo)值均呈降低趨勢(shì)，發(fā)芽勢(shì)為15.33%~52.33%，發(fā)芽率為19.67%~50.67%，芽長(zhǎng)為5.73~9.13 cm，根長(zhǎng)為1.27~3.77 cm，鮮重為78.33~96.17 mg，干重為7.23~9.70 mg。在80 mmol·L-1（TJ4）NaHCO3脅迫條件下，N2、N5發(fā)芽勢(shì)最高；N2發(fā)芽率最高；N2、N5芽長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)；N5、N6根長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)；N4、N5、N6鮮重相對(duì)較重；N4干重最重（表2）。

表2 不同裸燕麥品種對(duì)堿脅迫的響應(yīng)Tab.2 Responses of different naked oat varieties to alkali stress

2.2 不同裸燕麥品種萌發(fā)期抗逆性的主成分分析

主成分分析把多個(gè)指標(biāo)降維為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，以幾個(gè)綜合因子來代表原來眾多的變量，使綜合因子盡可能反映原來變量的信息量［18］。通過上述分析發(fā)現(xiàn)，在100 mmol·L-1NaCl和40 mmol·L-1NaHCO3脅迫條件下，各品種間生長(zhǎng)指標(biāo)的差異較為明顯，故確定100 mmol·L-1NaCl、40 mmol·L-1NaHCO3為裸燕麥抗逆性試驗(yàn)的適宜鹽堿劑量。

2.2.1 100 mmol·L-1NaCl脅迫條件下的主成分分析 原始變量之間是否具有較強(qiáng)的相關(guān)性是能否進(jìn)行主成分分析的前提，通過計(jì)算，系數(shù)矩陣R中的相關(guān)系數(shù)均大于0.300 0（表3），說明原始變量間有較強(qiáng)的相關(guān)性，能夠進(jìn)行主成分分析。

表3 鹽脅迫條件下各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient among indexes under salt stress

8個(gè)裸燕麥萌發(fā)期耐鹽性前2個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.55%。第1個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為67.64%，其中，發(fā)芽勢(shì)和鮮重相對(duì)載荷較大，反映了鹽脅迫條件下裸燕麥種子萌發(fā)時(shí)期的狀況；第2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為20.91%，其中，芽長(zhǎng)具有較大載荷，可以反映鹽脅迫下裸燕麥幼苗的萌發(fā)情況（表4）。

表4 鹽脅迫條件下主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvector and contribution rate of principal components under salt stress

結(jié)合主成分分析中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的規(guī)格化特征向量，以特征向量為權(quán)重構(gòu)建裸燕麥種子萌發(fā)期耐鹽性的主成分函數(shù)表達(dá)式：

式中Yi（i=1，2）為主成分，X1~X6分別為發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重和干重。

根據(jù)主成分的貢獻(xiàn)率占所提取主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率的比例，計(jì)算出2個(gè)主成分的權(quán)重分別為0.763 9和0.236 1，得到耐鹽性模型為Y=0.763 9Y1+0.236 1Y2。利用模型計(jì)算得到8種裸燕麥萌發(fā)期耐鹽性的主成分綜合評(píng)價(jià)見表5。

表5 8個(gè)裸燕麥品種的隸屬函數(shù)值、權(quán)重、綜合評(píng)價(jià)值（D值）及耐鹽排序Tab.5 Membership function value，weight，comprehensive evaluation value（D value）and salt tolerance ranking of 8 naked oat varieties

根據(jù)文獻(xiàn)［17］中的公式計(jì)算出各裸燕麥品種的2個(gè)主成分隸屬函數(shù)值，結(jié)合權(quán)重計(jì)算出各品種萌發(fā)期耐鹽性的綜合評(píng)價(jià)值，依據(jù)D值大小進(jìn)行排序，耐鹽性強(qiáng)弱依次為：N6＞N5＞N2＞N1＞N7＞N3＞N4＞N8。

2.2.2 40 mmol·L-1NaHCO3脅迫條件下的主成分分析 堿脅迫條件下系數(shù)矩陣R中的相關(guān)系數(shù)均大于0.300 0（表6）。

表6 堿脅迫條件下各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient among indexes under alkali stress

8個(gè)裸燕麥萌發(fā)期耐堿性前2個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.62%；結(jié)合主成分分析中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的規(guī)格化特征向量（表7），以特征向量為權(quán)重構(gòu)建裸燕麥種子萌發(fā)期耐堿性的主成分函數(shù)表達(dá)式：

表7 堿脅迫條件下主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率Tab.7 Eigenvector and contribution rate of principal components under alkali stress

根據(jù)主成分的貢獻(xiàn)率占所提取主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率的比例，計(jì)算出2個(gè)主成分的權(quán)重為別為0.763 9和0.236 1，得到耐鹽性模型為Y=0.764 5Y1+0.235 5Y2。利用模型計(jì)算得到8種裸燕麥萌發(fā)期耐鹽性的主成分綜合評(píng)價(jià)見表8。

表8 8個(gè)裸燕麥品種的隸屬函數(shù)值、權(quán)重、綜合評(píng)價(jià)值（D值）及耐堿排序Tab.8 Membership function value，weight，comprehensive evaluation value（D value）and alkali tolerance ranking of 8 naked oat varieties

由表8可知，各品種萌發(fā)期耐堿性的綜合評(píng)價(jià)值大小依次為：N6＞N5＞N2＞N7＞N1＞N3＞N4＞N8，耐堿性強(qiáng)弱與耐鹽性基本一致。

3 討論與結(jié)論

不同裸燕麥品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重對(duì)不同鹽濃度的響應(yīng)各不相同，同等鹽濃度條下的不同品種裸燕麥的各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)也存在很大差異。在低于100 mmol·L-1NaCl脅迫條件下和40 mmol·L-1NaHCO3脅迫條件下，大部分品種的裸燕麥種子發(fā)芽情況較好；高鹽濃度的情況下，裸燕麥種子的發(fā)芽率相對(duì)較低。在鹽脅迫50 mmol·L-1濃度和堿脅迫20 mmol·L-1濃度時(shí)，白燕3號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)和鮮重等指標(biāo)，白燕8號(hào)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和芽長(zhǎng)等指標(biāo)均有低濃度促進(jìn)的趨勢(shì)，這與賴弟利等［4］、張才喜等［19］的其他作物種子在鹽脅迫條件下萌發(fā)的趨勢(shì)一致。

鹽堿脅迫對(duì)不同裸燕麥品種萌發(fā)的影響差異較大，低濃度鹽堿脅迫可以促進(jìn)裸燕麥種子的萌發(fā)，而高濃度鹽堿脅迫則會(huì)抑制裸燕麥種子的萌發(fā)。通過主成分分析和隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)，從6個(gè)指標(biāo)中確定發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率來評(píng)價(jià)裸燕麥種子萌發(fā)時(shí)期的耐鹽堿性強(qiáng)弱。通過綜合評(píng)價(jià)得出在同濃度下，裸燕麥品種白燕4號(hào)、白燕5號(hào)、寧莜1號(hào)耐鹽堿能力相對(duì)較差，白燕11號(hào)表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的耐鹽堿優(yōu)勢(shì)。今后，將需進(jìn)一步采用本地區(qū)鹽堿土浸出液進(jìn)行脅迫試驗(yàn)，驗(yàn)證白燕3號(hào)、白燕8號(hào)和白燕11號(hào)的較高耐鹽堿性。