孕穗期甜高粱耐鹽性綜合評價(jià)

袁 闖，陸安橋，朱 林，許 興，2

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021)

關(guān)鍵字：甜高粱；孕穗期；耐鹽性；綜合評價(jià)

全球有大量鹽堿地，土地鹽堿化程度日益加劇，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鹽漬化土壤大約1.15×108hm2，占可用土地面積的4.88%[1-2]。土壤鹽堿化嚴(yán)重抑制著農(nóng)作物的發(fā)展，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。鹽堿地的利用主要集中在兩方面，一方面是物理或者化學(xué)方法改良鹽堿地，另一方面是利用生物改良鹽堿地，后者成為近幾年研究的熱點(diǎn)[4]。甜高粱(sweet sorghum)是一種重要的能源作物，具有高能、高生物產(chǎn)量和含糖量高等特點(diǎn)，同時(shí)還具有耐旱、耐鹽、耐堿、耐澇和耐貧瘠等優(yōu)良特性，享有沙漠中“駱駝”的美稱[5]。在寧夏銀北平原存在大量的鹽堿地，充分利用甜高粱生物改良銀北平原鹽堿地，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值[6-7]。

目前，作物耐鹽性研究多通過多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià)[8]。張華文等[9]研究指出，隨著鹽濃度的增加，高梁種子發(fā)芽率呈現(xiàn)下降趨勢。朱元?jiǎng)偟萚10]研究指出，在不同鹽脅迫條件下，高粱的農(nóng)藝性狀受到抑制，并且是濃度越高抑制現(xiàn)象越明顯。孫璐等[11]研究指出，在鹽脅迫下，高粱的過氧化物和丙二醛含量會(huì)增加，在一定范圍內(nèi)隨NaCl濃度增加而增加。孫璐等[12]研究還指出，低濃度NaCl脅迫下，高粱幼苗葉綠素含量會(huì)增加，高濃度NaCl脅迫下，葉綠素含量會(huì)降低，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、最大熒光、初始熒光等也會(huì)降低。因此，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、最大熒光、初始熒光等是研究高粱耐鹽性具有代表性的指標(biāo)。對于植物耐鹽性分析評價(jià)主要通過相關(guān)性分析、成分分析、模糊隸屬函數(shù)和聚類分析等方法。

不同作物耐鹽性不同，同一作物不同品種耐鹽性也有差異，同一品種的作物不同生育期耐鹽性也不一樣。針對甜高粱而言，孕穗期是甜高粱生長旺盛和對外界不良環(huán)境敏感的時(shí)期，也是甜高粱耐鹽性鑒定的主要時(shí)期。各生育期耐鹽材料的篩選對甜高粱種植具有重要的意義[13]。目前，有關(guān)孕穗期甜高粱田間耐鹽性鑒定研究較少，主要集中在芽期、苗期盆栽和苗期水培等方面，并且室內(nèi)試驗(yàn)條件與田間環(huán)境相差較大。植物耐鹽鑒定是一個(gè)復(fù)雜的過程，鹽脅迫對于植物的影響持續(xù)整個(gè)生育期。劉妍妍等[14]研究指出，鹽脅迫對于作物生長發(fā)育的影響是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，包含了一系列的生理生化反應(yīng)，利用單一指標(biāo)不能客觀地反映作物的耐鹽性，所以作物耐鹽性方法的確定應(yīng)該是多方面的。本試驗(yàn)對孕穗期不同甜高粱品種的耐鹽性進(jìn)行了綜合評價(jià)和分類，旨在為甜高粱的大田耐鹽性研究奠定基礎(chǔ)和提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以22種不同基因型甜高粱為試驗(yàn)材料，材料由中科院遺傳發(fā)育研究所提供，具體試驗(yàn)材料如表1。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年4月在銀川市石嘴山平羅縣高莊鄉(xiāng)(東經(jīng)106°30′9″，北緯38°52′33″)進(jìn)行,試驗(yàn)田位于銀川北部平原，海拔大約為1 100 m，屬于黃河沖積平原，氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊祷哪詺夂颉Ｍ寥利}堿化比較嚴(yán)重。春季播種時(shí)0～40 cm具體土壤理化性質(zhì)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，選輕度鹽堿地(土壤全鹽含量為0.589 g·kg-1，pH 8.42)和重度鹽堿地(土壤全鹽含量為5.448 g·kg-1，pH 9.23)2個(gè)試驗(yàn)處理。采用條播的播種方式，每個(gè)小區(qū)面積為22 m2(5 m×4.4 m)，寬窄行種植8行(寬行70 cm，窄行40 cm)，平均行距為55 cm，株距為20 cm，小區(qū)間隔留1 m空行，采用4～5粒穴播，播種深度約為3 cm；每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)小區(qū)，2塊獨(dú)立的試驗(yàn)田四周分別種植2 m保護(hù)行。播種前需要備種、整種、施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K20=20∶15∶15)270 kg·hm-2，整地耙平，播種時(shí)精選子粒飽滿、大小基本一致的種子。在生育期內(nèi)定期進(jìn)行人工除草、灌水和施肥等管理。

表1 供試材料品種

表2 樣地土壤理化性質(zhì)(0～40 cm)

1.4 測定指標(biāo)及方法

于甜高粱孕穗期(7月27日)各小區(qū)挑選4株長勢基本一致植株測量以下指標(biāo)：用卷尺測得從根基部到最高葉尖的長度為株高(PH)；用游標(biāo)卡尺測量地上莖基部的直徑為莖粗(CD)；用卷尺測量全株葉片長和寬，長為葉基部至葉尖部的距離，寬為葉片最寬部位，測量角度垂直于主葉脈，葉面積(LA)=長×寬×0.75[14]；采用SPAD-plus手持葉綠素計(jì)在田間測定頂部葉片葉綠素相對含量(SPAD)，每個(gè)葉片分為前中后3個(gè)部分避開主葉脈進(jìn)行測定；使用LI-6400IT(LI-COR.USA)便攜式光合儀，選擇晴天，在上午9∶00—11∶30測量各小區(qū)葉片光合，測量選擇植株最上部的剛剛完全展開葉片，記錄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和大氣二氧化碳濃度(Ca)等數(shù)據(jù)；采用Pocket PEA便攜式植物熒光儀進(jìn)行熒光參數(shù)測定，記錄熒光參數(shù)初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)；植株含水量(PWC)及細(xì)胞膜透性(CMP)的測定按參考文獻(xiàn)方法施行[15]，測量小區(qū)單位面積鮮株產(chǎn)量(kg·m-2)。

1.5 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與分析

采用Excel 2010和Spss 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析等分析。利用隸屬函數(shù)值對試驗(yàn)材料耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)，主要公式如下：

(1)各個(gè)指標(biāo)耐鹽系數(shù)(Salt Tolerance Coefficient，STC)

STC=重度鹽脅迫測量值/輕度鹽脅迫測量值

(2)隸屬函數(shù)值

U(Xj)=((Xj-Xmin))/((Xmax-Xmin))

式中,Xj表示第j個(gè)因子的得分值，Xmin表示第j個(gè)因子最小得分值，Xmax表示第j個(gè)因子最大得分值。

(3)權(quán)重

式中,Wj表示第j個(gè)因子在所有公因子中的重要程度，Pj為品種第j個(gè)因子貢獻(xiàn)率。

(4)綜合評價(jià)

式中，Di為試驗(yàn)材料孕穗期甜高粱耐鹽性綜合評價(jià)值，k為樣品個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下孕穗期甜高粱農(nóng)藝性狀的變化

由表3和表4可知，與輕度鹽脅迫相比，重度鹽脅迫對供試材料的農(nóng)藝性狀均產(chǎn)生顯著影響。輕度鹽堿脅迫下，F(xiàn)6199的PH最低，F(xiàn)6229的PH最高；F6096的CD最小，F(xiàn)6106的CD最大；F6229的LA最小，F(xiàn)6306的LA最大；F6106的SPAD最小，F(xiàn)6372的SPAD最大；F6372單位面積鮮株產(chǎn)量(Y)最低，F(xiàn)6043的Y最高。重度鹽堿脅迫下，F(xiàn)6271的PH最低，F(xiàn)6229和F6180的PH最大；F6229的CD最小，F(xiàn)6059的CD最大；F6372的LA最小，F(xiàn)6306的LA最大；F6180的SPAD最低，F(xiàn)6056的SPAD最高；F6372的Y最低，F(xiàn)6043的Y最高。材料間和處理間差異均達(dá)顯著水平。PH、CD、LA和Y的變異系數(shù)在0.067～0.449之間，說明本試驗(yàn)選的材料具有較好的代表性，株高、莖粗、葉面積和產(chǎn)量對鹽脅迫的反應(yīng)敏感。另外，PH、CD、LA和Y在輕度和重度鹽脅迫下測量值的相關(guān)系數(shù)在0.546～0.977之間，說明PH、CD、LA和Y對鹽脅迫敏感程度存在差異。

2.2 鹽脅迫下孕穗期甜高粱生理性狀及光合性能的變化

由表3和表4可知，與輕度鹽脅迫相比，重度鹽脅迫對供試材料的生理性狀及光合性能產(chǎn)生了顯著影響，材料間和處理間差異均達(dá)顯著水平。輕度鹽堿脅迫下，F(xiàn)6018的CMP最低，F(xiàn)6386的CMP最高；F6096Pn和蒸騰速率Tr最低，F(xiàn)6137的Pn和Tr最高；F6271的Gs最小，F(xiàn)6172的Gs最高；F6271的Fv/F0最小，F(xiàn)6138的Fv/F0最大；F6229的Fm最小，F(xiàn)6141的Fm最大；F6018的F0最小，F(xiàn)6386的F0最大。重度鹽堿脅迫下，F(xiàn)6018的CMP最低，F(xiàn)6386的CMP最高；F6229的Pn最低，F(xiàn)6059的Pn最高；F6096的Tr最低，F(xiàn)6137的Tr最高；F6229的Gs最小，F(xiàn)6172的Gs最高；F6372的Fv/F0最小，F(xiàn)6138的Fv/F0最大；F6372的Fm最小，F(xiàn)6306的Fm最大；F6018的F0最小，F(xiàn)6043的F0最大。Fv/Fm和PWC不同處理間無顯著差異。Pn、Gs、Fm、Fv/F0和Tr等指標(biāo)變異系數(shù)在0.0120～0.4490之間，說明生理性狀對鹽脅迫反應(yīng)較敏感。此外，在輕度和重度鹽脅迫處理下，Pn、Gs、Fm、Fv/F0和Tr等指標(biāo)相關(guān)系數(shù)在0.1220～0.9770之間，表明Pn、Gs、Fm、Fv/F0和Tr等指標(biāo)對鹽脅迫的反應(yīng)敏感程度存在差異。

2.3 各單項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)及相關(guān)性分析

采用耐鹽系數(shù)可以消除不同品種之間固有差異，能夠比較準(zhǔn)確地體現(xiàn)甜高粱抗旱能力大小。由表4可知，與輕度鹽脅迫相比，重度鹽脅迫下各項(xiàng)指標(biāo)均存在明顯差異，同一指標(biāo)的不同供試材料耐鹽系數(shù)變化明顯，變異系數(shù)在0.05～0.265范圍之間。22個(gè)不同品種甜高粱在重度鹽脅迫下，PH、LA、SPAD、PWC、Pn、Tr、Gs、Fm、Fv/Fm、Fv/F0與輕度鹽脅迫相比均有所下降(STC<1)，CMP、F0與輕度鹽脅迫相比均有所上升(STC>1)，說明甜高粱不同指標(biāo)對鹽脅迫的敏感程度不同。由表6可知，指標(biāo)之間存在不同程度相關(guān)性，其中PH與Tr達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)，與Pn、Gs達(dá)到顯著正相關(guān)；CD與Pn達(dá)到顯著正相關(guān)；LA與Fv/Fm、Fv/F0、Fm達(dá)到極顯著正相關(guān)；PWC與Fv/Fm達(dá)到顯著正相關(guān)；Pn與Tr達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)，與Gs達(dá)到極顯著正相關(guān)；Fv/Fm與Fv/F0、Fm達(dá)到極顯著正相關(guān)；Fv/F0與Fm達(dá)到極顯著正相關(guān)，與Y達(dá)到顯著正相關(guān)。

表5 鹽脅迫條件下孕穗期甜高粱各指標(biāo)的耐鹽系數(shù)

2.4 主成分分析

由表7可知，F(xiàn)1-F5因子的特征值貢獻(xiàn)分別為32.288、22.523、11.810、9.595、6.029，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.246%，其他因子的貢獻(xiàn)率可以忽略。于是可以將15項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成5項(xiàng)新的互相獨(dú)立綜合指標(biāo)，并代替所有原始指標(biāo)的絕大部分抗旱信息。F1在Fv/Fm和Fv/F0上表現(xiàn)出較高載荷量；F2在Pn和Gs表現(xiàn)出較高載荷量；F3在CMP和PWC上表現(xiàn)出較高載荷量；F4在Ci/Ca上表現(xiàn)出較高載荷量，F(xiàn)5在CMP和Fv上表現(xiàn)出較高載荷量。

2.5 耐鹽性綜合評價(jià)及等級劃分

由表8可知D值的大小，并根據(jù)D值的大小對孕穗期甜高粱的耐鹽性強(qiáng)弱進(jìn)行排序。F6059 的D值最大，表明其耐鹽性最強(qiáng)；F6271的D值最小，表明其耐鹽性最弱。對D值采用最大距離的聚類分析方法(圖1)，將22個(gè)甜高粱品種分為5類：第Ⅰ類為高度耐鹽型種質(zhì)，包括F6059和F6043，占總數(shù)9.1%；第Ⅱ類為耐鹽型種質(zhì)F6141、F6080、F6027、F6017和F6099，占總數(shù)22.27%；第Ⅲ類為中度耐鹽型種質(zhì),包括F6137、F6199、F6096、F6138、F6172，占總數(shù)22.27%；第Ⅳ類為耐鹽敏感型種質(zhì)，包括F6180、F6056、F6106、F6036、F6306、F6386和F6018，占總數(shù)31.82%；第Ⅴ類為耐鹽高度敏感型，包括F6372、F6229和F6271，占總數(shù)13.64%。

3 討 論

3.1 重度鹽脅迫對孕穗期甜高粱農(nóng)藝性狀的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，重度鹽堿脅迫條件下，不同品種甜高粱的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)存在差異，同一品種在不同鹽脅迫下的耐鹽性表現(xiàn)不同，表明不同甜高粱品種的耐鹽性存在差異。鄭世英等[16]研究指出，Na+造成土壤導(dǎo)水性能下降，改變了土壤的滲透勢，造成植物吸水困難，明顯降低植物的葉面積、株高、干物質(zhì)量和根長。李德鋒等[17]研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量與株高、葉面積、葉長和莖粗成正相關(guān)。張會(huì)麗等[18]研究指出，與輕度鹽脅迫相比，重度鹽脅迫使玉米的株高和莖粗明顯降低，莖粗是衡量作物生長的最重要指標(biāo)。劉玉蘭等[19]研究指出，SPAD值隨著鹽脅迫程度的增加先升高后降低，細(xì)胞膜透性隨著鹽脅迫的增加呈現(xiàn)升高趨勢。這與本研究的結(jié)果基本一致。本研究發(fā)現(xiàn)，與輕度鹽脅迫相比，重度鹽脅迫下甜高粱株高、莖粗和葉面積均呈現(xiàn)下降趨勢,其原因?yàn)橹囟塞}堿化引起土壤水勢升高，造成作物吸水困難，最終導(dǎo)致株高、莖粗和葉面積的下降。

表6 鹽脅迫條件下孕穗期甜高粱各項(xiàng)耐鹽系數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣

表7 各項(xiàng)綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率

表8 各品種的綜合指標(biāo)U(Xj) 、D值及綜合評價(jià)

圖1 22個(gè)品種甜高粱聚類樹狀圖Fig.1 The dendrogram of cluster for 22 cultivars of sweet sorghum

3.2 重度鹽脅迫對孕穗期甜高粱生理指標(biāo)的影響

作物受到鹽脅迫時(shí)，其體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，以降低逆境造成的傷害。本研究發(fā)現(xiàn)與輕度鹽脅迫比，重度鹽脅迫下各品種細(xì)胞膜透性增加。張會(huì)麗等[20]研究指出，重度鹽脅迫的處理凈光合作用均低于對照田。馮國郡等[21]研究指出，與對照田相比，鹽堿地條件下供試材料葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)均降低。這與本研究的結(jié)果一致，可能原因是鹽脅迫破壞了甜高粱的光合作用，降低了葉片的葉綠素值，導(dǎo)致其體內(nèi)代謝紊亂，從而影響其正常的生長。劉建新等[22]和邢慶振等[23]研究指出，鹽脅迫使植物的PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)降低。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，重度鹽脅迫下最大熒光(Fm)和PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)呈下降趨勢，而初始熒光(F0)呈現(xiàn)上升趨勢，可能是由于鹽脅迫條件下土壤中的鹽分影響植物光系統(tǒng)對光能的傳遞和吸收造成的。這與沈宗根等[25]研究基本一致。

3.3 不同品種孕穗期甜高粱耐鹽性的綜合分析

農(nóng)藝性狀和生理指標(biāo)等可以客觀反映甜高粱孕穗期的生長狀況，不同品種甜高粱的各項(xiàng)指標(biāo)對鹽脅迫反應(yīng)存在差異[26-27]。作物耐鹽是多基因控制，受多種因素影響，單獨(dú)使用某些指標(biāo)很難準(zhǔn)確和客觀反映作物耐鹽性；而多項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)作物耐鹽性，容易導(dǎo)致其耐鹽性信息發(fā)生重疊，最終影響綜合評價(jià)的結(jié)果[28-30]。因此，本試驗(yàn)從國內(nèi)外眾多專家已篩選出的耐鹽相關(guān)的農(nóng)藝和生理指標(biāo)中選出15項(xiàng)方便、簡單和直觀的指標(biāo)進(jìn)行測定，并在此基礎(chǔ)上利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對孕穗期甜高粱的耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)。本試驗(yàn)運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)對22個(gè)甜高粱品種孕穗期耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)，根據(jù)D值進(jìn)行聚類分析將其耐鹽性分為5類，篩選出高度耐鹽型品種為F6059和F6043，高度敏感型品種為F6372、F6229和F6271，可為其耐鹽育種及機(jī)理研究提供基礎(chǔ)研究材料。對于甜高粱其他生育期耐鹽性情況還有待深入研究。