基于鹽脅迫的小麥農藝性狀多樣性分析及評價

吳儒剛，裴艷婷，張 超，范業泉，靳義榮，劉 鵬，賈德新，戴忠民

(1.德州市農業科學研究院，山東德州 253015；2.德州學院生物系，山東德州 253023)

小麥作為擁有世界上40%以上消費群體的糧食作物，其產量的高低直接影響著世界糧食安全和農業可持續發展。全世界可耕地面積約 18.29×108hm2，人均僅有0.26 hm2[1]。我國人均耕地面積不足世界平均耕地面積的1/2，且隨著城鎮化和工業化的不斷發展，耕地面積會逐漸降低。糧食需求的壓力越來越大，亟需開發后備土地資源。目前，我國可利用的鹽堿化耕地面積約為760×104hm2[2]，占全國可利用土地面積的 4.88%[3]。種植耐鹽作物是鹽堿化耕地有效利用的最簡單方式之一[4-5]。我國已經審定的耐鹽小麥品種有德抗961[6]、山融3號、小偃60和新春29[7]等，品種數量較少，產量較低。鑒定耐鹽小麥種質資源[8-9]、篩選耐鹽小麥品種[10-11]、培育耐鹽小麥品種成為小麥育種的重要研究方向。小麥耐鹽性雖是耐鹽基因和調控機制的結果[12]，但需借助鹽脅迫通過表型性狀來體現。目前，小麥種質資源的表型性狀的遺傳多樣性研究多是有關大田水澆條件下的國外資源[13-15]、異地資源[16]、育成品種等[17-20]，陳祥萍等[21]和邵千順等[22]則對旱地小麥品種、系進行了遺傳多樣性分析。另有部分學者對國外小麥材料進行了耐鹽性鑒定工作[8-9,23]，多在苗期、水培條件下進行。鹽脅迫下針對黃淮麥區最新審定的小麥品種的遺傳多樣性的研究還未見報道。為此，我們搜集近年來黃淮麥區國審、省審的水、旱地小麥品種為試驗材料，利用新建的標準化鹽池，進行了鹽脅迫(0、0.3%和0.5% NaCl)下小麥遺傳多樣性研究，以期在不同鹽濃度下，探索小麥高產的性狀表現規律，篩選出耐鹽小麥資源，為小麥耐鹽育種的親本選配和后代選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取黃淮麥區及北部冬麥區近10余年國審、省審的小麥品種132個(表1)，組成自然群體。所有材料均為德州繁殖一年后，收獲的種子。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

試驗在德州市農業科學研究院試驗基地的標準化鹽池中的12個鹽池進行，每個鹽池長5 m，寬5 m，深1.5 m，四周是0.5 m的混凝土墻，底部未封閉。鹽池土壤為白壤土，有機質含量 0.84%，堿解氮45.23 mg·kg-1，速效磷25 mg·kg-1，速效鉀83 mg·kg-1。前茬為玉米，秸稈全部清除。為保證地力均勻，底肥按照每池雞糞8 kg、磷酸二胺1.5 kg和尿素1.5 kg的比例混合攪拌均勻，均勻撒施到每個鹽池，并及時造墑。以NaCl為鹽源，設對照(0)、低(0.3% NaCl)和高 (0.5% NaCl)3個鹽濃度，根據返鹽高峰期鹽分的測定值，依照耕層鹽分設計標準，每個鹽池補充相應重量的NaCl顆粒，人工均勻撒施。人工深翻土地，耙碎磨平明暗坷垃，去除秸稈殘茬，保證鹽池土地平整，防止因地面高低不平，導致返鹽高峰期出現局部鹽斑，造成鹽分分布不均，影響試驗的一致性。2次重復，隨機排列。自制點播器打孔，單粒點播。行長1 m，行距20 cm，株距5 cm，1行區，田間管理同當地大田。

1.2.2 測定項目與方法

于小麥灌漿中期，測整行的株數和穗數，計算單株成穗數；隨機選擇有代表性植株10株，測定株高、穗下莖節長、主莖穗長度、主莖小穗數、主莖穗粒數、耐鹽指數、綜合耐鹽指數、小穗密度和籽粒密度。全部收獲脫粒，計產并換算成單株產量，數粒儀數取2次500粒，測千粒重。各性狀的耐鹽指數計算公式參照張 園等[24]方法；綜合耐鹽指數(Comprehensive salt tolerance index 簡稱CSTI)、小穗密度(spikelet density簡稱SD)、籽粒密度(grain density簡稱GD)的計算公式為：

表1 供試小麥品種Table 1 Wheat varieties used in the study

式中，pi為每個性狀的耐鹽指數； SNP為主莖小穗數；GNS為主莖穗粒數；SL為主莖穗長。

1.2.3 耐鹽評價方法

參照張 園等[24]方法進行耐鹽級別、綜合耐鹽指數的劃分和耐鹽性評價(表2)。

表2 耐鹽性級別劃分Table 2 Classification of salt tolerance

HR:Highly resistant; R:Resistant; MR:Moderate; S:Sensitive; HS:Highly sensitive.

1.3 數據處理

試驗數據用Excel 2016整理，采用Shannon-weaver 遺傳多樣性指數衡量遺傳多樣性[25]，利用DPS 7.05進行相關性分析、主成分分析。

2 結果與分析

2.1 主要農藝性狀的遺傳多樣性分析

由表3可知，供試材料各農藝性狀在不同鹽濃度下的變異系數不盡相同，整體表現為高鹽>低鹽>對照，3種處理的平均變異系數均大于10；各農藝性狀的遺傳多樣性指數均大于2(對照的株高除外)。說明供試材料間農藝性狀存在較大差異，遺傳多樣性豐富；鹽脅迫增加了品種間的差異，有利于品種間耐鹽性的比較和篩選。

2.1.1 由變異系數分析遺傳多樣性

低鹽脅迫條件下，各農藝性狀的平均變異系數較對照略大，為12.055%，變化范圍為 6.822%～24.096%，變異系數最大、最小的性狀為單株產量和主莖小穗數，變異系數大于10%的性狀為單株產量、單株成穗數和穗下莖節長。在高鹽脅迫條件下，各農藝性狀變異系數的平均值為 13.418%，變化范圍為7.913%～28.495%，變異系數最大、最小的性狀為單株產量、主莖穗長，變異系數大于10%的性狀為單株產量、單株成穗數、主莖穗粒數和穗下莖節長。說明鹽分脅迫有利于供試品種耐鹽性的比較和篩選。

表3 132份小麥品種的主要農藝性狀Table 3 Major agronomic characters of 132 wheat varieties

PNP:Panicle number per plant; PH:Plant height; PL:Peduncle length; SL:Spike length; SNP:Spikelet number per spike; GNS:Grain number per spike; TGW:Thousand grain weight;GWP:Grain weight per plant; AV:Average.

2.1.2 由遺傳多樣性指數分析遺傳多樣性

由表3可知，在低鹽脅迫條件下，各農藝性狀的平均遺傳多樣性指數為 2.055，主莖穗長和主莖穗粒數的遺傳多樣性指數最大，均為2.075，單株產量的遺傳多樣性指數最小，為2.032，其他各農藝性狀的遺傳多樣性指數依次是主莖小穗數>千粒重>株高>穗下莖節長 >單株成穗數。在高鹽脅迫條件下，各農藝性狀的平均遺傳多樣性指數為 2.058，穗下莖節長的遺傳多樣性指數最大，為2.076，千粒重的遺傳多樣性指數最小為 2.029，其他各農藝性狀的遺傳多樣性指數依次是主莖穗粒數>單株成穗數>單株產量>主莖小穗數>株高>主莖穗長。除對照株高的遺傳多樣性指數為1.983外，其他性狀在不同鹽分濃度下的遺傳多樣性指數均大于2。說明供試小麥品種間耐鹽性存在較大的差異。

2.2 主要農藝性狀的相關性分析

132份黃淮麥區小麥品種的8個農藝性狀相關性分析的結果(表4)表明，本試驗條件下，單株產量均與單株成穗數、主莖穗長和主莖小穗數呈極顯著正相關，且與單株成穗數的相關系數最大，說明單株成穗數是決定單株產量的最關鍵因素。株高與穗下莖節長呈極顯著正相關，穗下莖節長和主莖穗長呈顯著正相關。主莖穗長與主莖小穗數、主莖小穗數與主莖穗粒數均呈極顯著正相關，說明主莖穗長決定主莖小穗數，主莖小穗數越多則主莖穗粒數也越多。

在對照、低鹽和高鹽脅迫下，單株成穗數與株高分別呈不相關、顯著正相關、極顯著正相關；在對照和低鹽脅迫下，單株成穗數與千粒重的相關性不顯著，而在高鹽脅迫下，與千粒重呈顯著正相關，說明隨著鹽分濃度的增加，單株成穗數與株高的相關性增大。株高與主莖穗長在對照條件下呈顯著正相關，而在低鹽和高鹽脅迫下呈極顯著正相關，說明株高與主莖穗長的相關性隨鹽分濃度的增加而增大；株高與主莖穗粒數、單株產量和千粒重在高鹽脅迫下分別呈極顯著正相關和顯著正相關，而在對照和低鹽脅迫下均為相關性不顯著；穗下莖節長、主莖穗長均與千粒重在對照和低鹽脅迫下呈不顯著負相關，在高鹽脅迫下呈極顯著正相關。

2.3 主要農藝性狀的主成分分析

分別對132份黃淮麥區小麥品種的7個主要農藝性狀進行主成分分析(表5)，提取貢獻率均大于10%的4個主成分，其累計貢獻率在0、 0.3%、0.5%鹽濃度下分別達到83.613%、 82.677%和88.897%，較好地代表了8個性狀的絕大部分信息。

對照和低鹽條件下，第1、第3和第4主成分對應的特征值分別為2.471和2.578、0.998和0.947、0.959和0.843，影響最大的性狀均為主莖小穗數、千粒重和單株穗數，而第2主成分對應的特征值為1.424和1.419，影響最大的性狀為株高和主莖穗粒數。對照條件下，株高對第2主成分影響最大；低鹽條件下，主莖穗粒數對第2主成分的影響最大。因此，對照和低鹽條件下，第1、第2、第3、第4主成分可概括為小穗數因子、株高(主莖穗粒數)因子、粒重因子和穗數因子。

在高鹽條件下，第1主成分的特征值為 2.765，影響最大的性狀為主莖穗長，其次是主莖小穗數、主莖穗粒數和株高。第2主成分的特征值為1.633，影響最大的性狀為穗下莖節長，其次是主莖小穗數和主莖穗粒數。第3主成分的特征值為0.946，影響最大的形狀為單株成穗數，穗下莖節長次之。第4主成分的特征值為0.878，影響最大的性狀為千粒重。因此，在高鹽脅迫條件下，第1、第2、第3、第4主成分可概括為穗長因子、穗下莖因子、穗數因子和粒重因子。

2.4 小麥品種的耐鹽性綜合評價

由表6可以看出，以綜合耐鹽指數為指標，在低鹽脅迫條件下，小麥品種被分為4類，其中耐鹽性極強的品種為煙農5286和青農2號，耐鹽性強的品種有28個，占所有品種的21.2%，62.1%品種耐鹽性中等，20個品種耐鹽性弱，不含耐鹽性極弱的品種。在高鹽脅迫條件下，小麥品種被分為5類，其中耐鹽性極強的品種有6個，耐鹽性強的品種有35個，占所有品種的26.5%，62個品種為中等耐鹽品種，26個品種耐鹽性弱，濟寧12號、新麥26和保麥10號的耐鹽性極弱。

以綜合耐鹽指數≥1.10為指標，篩選出兩種鹽濃度下均表現為強耐鹽性的品種11個，有河北省的衡4399和石麥15，山東省的青麥6、青豐1、青農2和煙5286，河南省的洛旱6、鄭366、周麥22、周麥23和周麥28。進一步分析發現，石麥15是抗旱耐鹽堿小麥品種冀麥38的后裔；山東的4個品種均為魯麥14的后代；河南品種中除鄭麥366外，其他4個品種均含有溫麥6號的基因。結合田間的群體長勢表現，認為周麥22號、洛旱6號、鄭366、青農2號、煙5286和衡4399為高產耐鹽小麥種質資源，可以作為耐鹽育種的首選 材料。

表6 132個小麥品種的耐鹽性分類Table 6 Salt tolerance evaluation of 132 wheat varieties

級別Grade綜合耐鹽指數CSTI相對耐鹽性Relative tolerance材料數量 Quantity of material低鹽Low salt高鹽High salt1≥1.30極強 HR 2621.10～1.29強 R 283530.90～1.09中等 MR 826240.70～0.89弱 S 20265≤ 0.69極弱 HS 03

3 討 論

耐鹽種質資源是作物耐鹽育種的基礎。深入分析并掌握鹽脅迫下小麥種質資源的遺傳多樣性，對耐鹽小麥遺傳改良意義重大。前人分別用SSR[26]、RAPD[27]技術來分析耐鹽小麥的遺傳多樣性。本試驗主要分析不同鹽脅迫下各農藝性狀所表現出的遺傳差異性，結果表明，各農藝性狀的平均變異系數隨鹽濃度的增加有增大趨勢，尤其是單株產量和單株成穗數，說明這兩個性狀的穩定性較差，但是選擇潛力大[28]，有利于品種耐鹽性的比較和篩選。從遺傳多樣性指數來看，鹽脅迫下各性狀的遺傳多樣性指數均大于2。說明鹽脅迫有利于耐鹽性材料的篩選。

朱永興等[29]認為，株高是耐鹽小麥篩選的指標之一，肖 宇等[30]和喬海龍等[31]研究表明，鹽脅迫下品種株高降幅少，其抗鹽性就強。本試驗相關分析表明，在高鹽脅迫下，株高與單株產量極顯著正相關，這與朱永興等[29]和申玉香等[32]的研究結果一致，說明株高可以作為耐鹽小麥鑒定的性狀之一。而在低鹽脅迫下，千粒重與單株產量極顯著正相關，說明輕度鹽分條件下，千粒重也可以作為小麥品種耐鹽性的一項評價標準，這與喬海龍等[31]的結論相一致。

主成分分析被廣泛應用于農作物的種質資源多樣性研究,運用該方法可將錯綜復雜、相互關聯的多個性狀概括為相互獨立的少數幾個性狀代表的主成分，能直觀反映因子間不同性狀的貢獻大小，有助于目標性狀的選擇。鄒德堂等[33]將水稻材料的15個性狀的耐鹽指數簡化為7個主成分，周麗艷等[34]將11個農藝性狀簡化為5個主成分。本研究將不同鹽脅迫下的7個指標簡化為4個主成分：在低鹽脅迫下，4個主成分的特征值分別為2.578、1.419、0.947、0.843，累計貢獻率為82.677%，對應的性狀分別為主莖小穗數、主莖穗粒數、千粒重和單株成穗數；在高鹽脅迫下，4個主成分的特征值分別為2.765、1.633、0.946、 0.878，累計貢獻率為88.897%，對應的性狀分別為主莖穗長、穗下莖節長、單株成穗數和千粒重。

本研究中，在低鹽、高鹽脅迫下，綜合耐鹽指數達到1.10以上的分別有30個和41個品種，其中11個品種在兩種鹽脅迫下，均表現出較好的抗鹽性。結合田間的群體表現和產量結果，篩選出周麥22號、洛旱6號、鄭366、青農2號、煙5286和衡4399為高產、耐鹽小麥種質資源，本研究是在鹽池中進行，能確保鹽分濃度的準確可靠，田間操作嚴格按照調查標準執行，最大限度的控制了試驗誤差，試驗結果可為小麥耐鹽品種的篩選和培育工作提供理論依據。雖然鹽池耐鹽鑒定比較接近大田實際生產，但結果仍然受環境的影響較大，應該將表型數據與分子標記相結合[35]，利用連鎖分析和關聯分析等基因組學方法[36]，深入系統地進行研究，充分發掘有利基因，為親本選配提供理論依據。