蕪菁種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性的綜合評價

周 宇， 楊佳佳， 姚文英， 孫蓓蓓， 軒正英

(塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300

鹽害是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上重要的逆境危害之一，嚴重制約了蔬菜生產(chǎn)和設(shè)施農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。中國含鹽堿土地很多，其總面積約為3.67×107hm2[1]，新疆各類鹽堿地面積達 1 336.1×104hm2，占全國鹽堿地面積的36.8%[2]。因此，開發(fā)耐鹽資源，將是解決人口增長和資源短缺矛盾的重要途徑，無疑也是保護生物多樣性、遏制土地退化、促進生態(tài)良性循環(huán)、發(fā)展現(xiàn)代鹽土農(nóng)業(yè)的最佳選擇，是解決資源問題和生態(tài)問題的根本之策。新疆的鹽堿土主要以硫酸鹽和氯化物、或氯化物硫酸鹽、或硫酸鹽為主，在南疆以碳酸鹽為主。在這些鹽中NaCl和Na2SO4分別居于第1、第2位。國內(nèi)外學者針對作物耐鹽性作了大量研究，但在蔬菜方面的研究僅涉及蘿卜、菜用大豆、黃瓜、西瓜、番茄等作物，而有關(guān)蕪菁耐鹽性的研究報道較少。施月婕等的研究表明，蕪菁種子對Na2SO4比較敏感，不同含量的NaCl和Na2SO4溶液對蕪菁種子發(fā)芽過程的影響分析結(jié)果表明，蕪菁種子的發(fā)芽與鹽溶液的含量呈負相關(guān)，并具有一定的耐鹽性[3]。

蕪菁(turnip)，新疆稱為恰瑪古，屬十字花科(Cruciferae)蕓薹屬蕓薹種蕪菁亞種，是深受各少數(shù)民族喜愛的一種根菜類作物，在新疆廣泛種植，尤其是南疆各少數(shù)民族聚居區(qū)栽培面積更大。新疆表土層土壤含鹽量很高，一般為20%～40%，高者可達60%。這些因素導致在鹽堿地種植蕪菁出苗差、成苗率低、保苗難，造成缺苗斷壟而影響后期產(chǎn)量。因此，篩選出適于在鹽堿地上種植的耐鹽材料是鹽堿地種植蕪菁首先應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。

萌發(fā)期是植物生長的關(guān)鍵時期，此時抗逆性最為薄弱[4-7]，而鹽脅迫下發(fā)芽指標的測定已成為植物耐鹽性鑒定最常用的方法之一。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，20 g/L NaCl和Na2SO4復鹽溶液對種質(zhì)材料的抑制作用較為顯著。因此，本研究研究了16份種質(zhì)材料在20 g/L NaCl、Na2SO4復鹽溶液脅迫下的萌發(fā)期耐鹽性的表現(xiàn)，以期篩選出優(yōu)異耐鹽種質(zhì)材料，為蕪菁耐鹽品種選育及鹽漬土地的開發(fā)利用提供研究基礎(chǔ)，同時對開展蕪菁耐鹽機理研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用筆者所在項目組保存的蕪菁品種(系)16份，其中地方品種6份，小孢子培養(yǎng)獲得的DH群體10份。從品種(系)來源來看，包括新疆品種(系)12份，天津2份，河北2份(表1)。

表1 蕪菁種質(zhì)材料的名稱與來源

1.2 試驗方法

本試驗于2016年11月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團南疆特色果樹生產(chǎn)工程實驗室進行，采用RTOT-268D型人工光照培養(yǎng)箱對供試蕪菁種子進行培養(yǎng)。每個品種挑選大小一致、籽粒飽滿的種子30粒，用1 g/L高錳酸鉀溶液消毒10 min，蒸餾水清洗數(shù)次，后置于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加NaCl和Na2SO4復鹽溶液，設(shè)定20 g/L復鹽處理，以蒸餾水作為空白對照，進行3次重復。溶液量以雙層濾紙濕潤、傾斜時皿底無溶液為宜，每天定時更換濾紙和鹽溶液，以保持鹽溶液濃度不變。置于人工光照培養(yǎng)箱[25 ℃，光照 ∶黑暗=12 h ∶12 h，光照度37.5 μmol/(m2·s)]中連續(xù)培養(yǎng)7 d，每天統(tǒng)計1次發(fā)芽數(shù)。

1.3 測定指標與方法

種子萌發(fā)期間，每天記載發(fā)芽的種子數(shù)，并按照如下方法計算各指標。

發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽勢=第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，其中Gt為第t天發(fā)芽種子個數(shù)，Dt為相應(yīng)發(fā)芽時間，d；

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×胚根鮮質(zhì)量；

耐鹽系數(shù)=處理值/對照值×100%。

鹽脅迫第7天隨機取6株幼苗測定葉綠素含量、苗高和胚根長。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.4.1 數(shù)據(jù)標準化 運用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法對耐鹽系數(shù)進行標準化：

(1)

式中：Xij表示i種類j指標的隸屬值；Xij表示i種類j指標的測定值；Xj，max、Xj，min分別表示指標的最大值和最小值。

(2)

式中：Vj表示標準差系數(shù)。

1.4.2 權(quán)重處理 采用標準差系數(shù)法，計算標準差系數(shù)Vj，歸一化后得到各個耐鹽指標的權(quán)重系數(shù)Wj。

(3)

1.4.3 綜合評價值 種質(zhì)材料的耐鹽綜合評價D值經(jīng)以下公式獲得：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 蕪菁種質(zhì)資源各指標耐鹽系數(shù)的差異

發(fā)芽率反映種子發(fā)芽的數(shù)量；發(fā)芽勢反映種子發(fā)芽的整齊度和速率；發(fā)芽指數(shù)反映的是蕪菁種子的綜合活力；活力指數(shù)能較為綜合地反映蕪菁種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、種子活力和幼苗的生長勢；而葉綠素、苗高和胚根長則反映幼苗生長勢的重要指標[8]。

從表2可以看出，16份種質(zhì)材料的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、葉綠素含量、苗高和胚根長的耐鹽系數(shù)差異明顯，其中葉綠素含量變化范圍為0～64.48%，苗高變化范圍0～30.41%，胚根長變化范圍0～5.03%，發(fā)芽勢變化范圍5.26%～99.22%，發(fā)芽勢變化范圍為3.70%～99.22%，發(fā)芽指數(shù)變化范圍3.42%～73.10%，活力指數(shù)變化范圍 0～12.34%。所有材料在鹽脅迫下的葉綠素含量、苗高和胚胚根長均低于對照組。個別材料的(W3、W8、W13)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢高于對照組，表現(xiàn)出較高的耐鹽性。16份蕪菁材料間變化幅度最小的耐鹽指標為胚根長，為38.12%；葉綠素含量的耐鹽系數(shù)變化最大，為117.77%。其余的指標變化幅度在64.84%～92.67%，說明這些蕪菁材料在萌發(fā)期的耐鹽性存在著較大差異。

2.2 種質(zhì)資源耐鹽性的綜合評價

表3所顯示的是16份蕪菁種質(zhì)材料在NaCl和Na2SO4復鹽脅迫下的葉綠素含量、苗高、胚根長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標的耐鹽系數(shù)的平均值。我們從表3中可以看出不同蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽系數(shù)有很大差異，葉綠素含量、苗高、胚根長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)最大的值是W2、W13、W12、W9、W9、W9和W15；葉綠素含量、苗高、胚根長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)最小的值是(W4、W5、W6、W14、W15、W16)、(W5、W8、W14、W15、W16)、W5、W14、W14、W14和W5。在葉綠素含量、苗高、胚根長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)各指標中，每項指標對16份蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性程度都不完全相同，說明不同的指標從不同角度來反映蕪菁種質(zhì)材料耐鹽性程度，但單一的指標不能全面反映蕪菁種質(zhì)材料的綜合耐鹽性，因此只有通過多項指標綜合評價才能較為客觀地評價蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性程度。利用公式(1)～(4)對表3中的數(shù)據(jù)進行標準化轉(zhuǎn)化，從而得到各指標耐鹽系數(shù)的隸屬函數(shù)值矩陣T(表4)，再通過公式計算出葉綠素含量、苗高、胚根長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)各指標的權(quán)重系數(shù)矩陣U(表5)。通過T與U這2個矩陣的復合運算，得到各蕪菁種質(zhì)材料的綜合評價D值。并按照材料的數(shù)字順序?qū)⑵渑判颍瑥谋?中可以看出，W10的綜合評價D值最大，為0.86，耐鹽性最強；W5的綜合評價D值最小，為0.01，耐鹽性最弱。

表2 蕪菁種質(zhì)資源各指標耐鹽系數(shù)的差異

表3 萌發(fā)期耐鹽指標的耐鹽系數(shù)及其排序

表4 蕪菁種質(zhì)資源耐鹽系數(shù)隸屬函數(shù)值及綜合評價

2.3 種質(zhì)資源萌發(fā)期各指標耐鹽系數(shù)的相關(guān)性分析

從表6可以看出，葉綠素含量與苗高、綜合評價D值，苗高與綜合評價D值，發(fā)芽率與發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、綜合評價D值，發(fā)芽勢與發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、綜合評價D值，發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)、綜合評價D值，V活力指數(shù)與綜合評價D值均呈極顯著正相關(guān)。

同時從偏相關(guān)系數(shù)可以看出，葉綠素含量與苗高、胚根長、活力指數(shù)呈極顯著負相關(guān)，與發(fā)芽指數(shù)呈顯著負相關(guān)，與綜合評價D值呈極顯著正相關(guān)；苗高與胚根長、發(fā)芽指數(shù)呈顯著負相關(guān)，與活力指數(shù)呈極顯著負相關(guān)，與綜合評價D值呈極顯著正相關(guān)；胚根長與發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)呈顯著負相關(guān)，與綜合評價D值呈極顯著正相關(guān)；發(fā)芽率與發(fā)芽勢呈極顯著正相關(guān)；發(fā)芽指數(shù)與綜合評價D值呈顯著正相關(guān)；活力指數(shù)與綜合評價D值呈極顯著正相關(guān)(表6)。

表5 蕪菁種質(zhì)資源各耐鹽指標的權(quán)重系數(shù)

2.4 種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性聚類分析

利用DPS 7.05軟件基于綜合評價D值對種質(zhì)資源各指標隸屬函數(shù)值進行聚類分析，在距離約為0.9時可將16份蕪菁種質(zhì)材料分為4大類(圖1)。根據(jù)綜合評價D值可將這16個蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性分為高耐、中耐、不耐、敏感等4類(表7)，并對各指標單獨聚類得到結(jié)果見表8。從表7和表8中可以看到，第1類為中等耐鹽的材料1份(W15)；第2類為不耐鹽的材料4份(W3、W6、W11和W12)；第3類為高耐鹽材料5份(W2、W7、W9、W10和W13)；第4類為鹽敏感性材料6份(W1、W4、W5、W8、W14和W16)。

表6 蕪菁種質(zhì)資源各指標耐鹽系數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：左下角為相關(guān)系數(shù)，右上角為偏相關(guān)系數(shù)；r0.05=0.497，r0.01=0.623。**、*為通過0.05、0.10的顯著性檢驗。

2.5 高耐鹽種質(zhì)材料的主要表現(xiàn)性狀

從表7中可以看出，高耐鹽類群中的5份蕪菁種質(zhì)材料耐鹽系數(shù)均值均表現(xiàn)較強的耐鹽性，其中葉綠素含量最高為0.67，苗高最高為0.76，胚根長最長為0.67，發(fā)芽率較高為 0.77，發(fā)芽勢較高為0.75，發(fā)芽指數(shù)較高為0.65，活力指數(shù)較高為0.60，綜合評價D值最高為0.70。因此，此5份蕪菁種質(zhì)材料可作為選育耐鹽品種的候選資源。

表7 種質(zhì)資源基于綜合評價D值的系統(tǒng)分析

表8 基于綜合評價D值和各指標聚類后的分級結(jié)果

3 討論

植物種質(zhì)資源的耐鹽性是受多基因控制的數(shù)量性狀，種質(zhì)資源間的耐鹽性存在著較大差異性，單一指標很難全面反映植物耐鹽性[9-12]。本研究以發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、葉綠素含量、苗高和胚根長這7個指標對16份種質(zhì)材料進行耐鹽性評價，發(fā)現(xiàn)這些單一指標的耐鹽系數(shù)可以從不同的方面來反映蕪菁耐鹽性，但是各指標的評價結(jié)果不盡相同，如按照葉綠素含量、胚根長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和活力指數(shù)作為評價標準，W10則為高耐鹽性的種質(zhì)材料，而按照苗高和發(fā)芽指數(shù)作為評價標準，W10則為中耐鹽性類群，在綜合評價D值的評價中W10在高耐鹽性類群。所以，不同指標的耐鹽性評價結(jié)果與綜合評價D值存在著不同程度上的差異。可見，種質(zhì)資源在耐鹽性評價時不能只用單一的指標作為評價標準，應(yīng)該科學地使用多個指標進行綜合評價。

應(yīng)用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法能夠綜合評價植物抗逆性，目前在藜麥[13]、棉花[14]、花椰菜[15]等作物上已有相關(guān)報道。植物耐鹽性評價指標有很多，但皆不相同，在評價時如忽略權(quán)重因子的重要性，就會導致評價的不客觀性和不科學性。鑒于傳統(tǒng)的多個評價指標，其結(jié)果無法統(tǒng)一，因此本研究應(yīng)用隸屬函數(shù)法計算并賦予7個與耐鹽性密切相關(guān)的指標以權(quán)重，綜合考慮各指標的權(quán)重比值，通過矩陣復合運算，所得到的評價結(jié)果也更為科學準確。這與前人在高粱[16]、番茄[17]、裸燕麥[18]等植物耐鹽性評價中的研究結(jié)果類似。本研究所篩選出的W2、W7、W9、W10和W13這5個高耐鹽的蕪菁種質(zhì)資源有望通過基因手段培育出高耐鹽型的蕪菁新品種。

聚類分析是植物進行耐鹽性評價常用的方法[19-21]，本研究發(fā)現(xiàn)，各耐鹽指標單獨聚類分析與綜合評價D值的聚類分析得出的結(jié)果較為一致，均被劃分為高耐鹽群類當中，只有極個別的如胚根長聚類中W8、W12和W16，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)聚類中的W15不在綜合評價D值的高耐鹽類群中，但是W15都在發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)這4個指標的高耐鹽類群中，所以為了更科學地反映蕪菁種植資源的耐鹽性，引用隸屬函數(shù)法對其進行綜合評價，由此在綜合評價D值的耐鹽性分級中，W15的耐鹽性定位是中等耐鹽。而胚根長作為單一指標進行聚類分析的結(jié)果與綜合評價D值聚類結(jié)果差異較大，所以，本研究認為胚根長這個指標不易作為評價種質(zhì)資源的耐鹽性指標。

4 結(jié)論

種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性的評價受到多個指標的影響。運用隸屬函數(shù)法，計算并賦予測定指標相應(yīng)的權(quán)重值，對16份種質(zhì)資源進行耐鹽性評價和排序，綜合評價D值可全面地反映蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性。通過綜合評價D值、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、葉綠素含量、苗高和胚根長，并分別進行聚類分析，結(jié)果顯示，胚根長不宜作為耐鹽性的評價指標。基于綜合評價D值的聚類分析，可將16份種質(zhì)資源按照耐鹽性強弱分為高耐、中耐、不耐和敏感4種類型，其中W2、W7、W9、W10和W13這5份種質(zhì)資源屬于高耐鹽性材料，W1、W4、W5、W8、W14和W16為鹽敏感性材料，這些可為耐鹽性新品種遺傳改良及其耐鹽遺傳機制研究提供材料基礎(chǔ)。