大麥種質(zhì)資源苗期耐堿性鑒定與綜合評價

李建波，劉志萍，郭呈宇，呂二鎖，巴 圖，馬 宇，王金波，王文迪，王海澤，徐壽軍

（1.內(nèi)蒙古民族大學 農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 通遼028043；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010031）

全球約有8.3×1011hm2的土地受鹽堿化的影響，其中，有一半為堿性地［1-2］.我國東北鹽堿化土壤已達3.70×107hm2，是世界上三大蘇打鹽堿地集中分布區(qū)之一［3］，且每年以1.4%的速率擴增［4］.土壤的鹽堿化可分為土壤的鹽化和堿化，鹽化土壤中以中性鹽為主，如NaCl、Na2SO4等，而堿化土壤中以堿性鹽為主，如NaHCO3、Na2CO3等［5-6］.堿性土壤中由于存在額外的高pH值（8.0～11.0）脅迫［7］，對植物的傷害較中性鹽脅迫更為嚴重［8-9］.高pH值可能導致種子發(fā)芽率降低、根細胞結(jié)構(gòu)破壞、養(yǎng)分有效性改變和養(yǎng)分吸收紊亂，從而導致農(nóng)作物產(chǎn)量顯著下降［10］.因此，鹽堿地的改造與開發(fā)利用已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的重要問題.篩選耐堿植物資源，培育耐堿品種，是高效利用鹽堿地的最根本途徑.

大麥是世界第四大禾谷類作物，栽培歷史悠久，分布范圍廣，兼具食用、飼用、藥用和釀造用等多種用途，具有抗旱、抗寒、耐貧瘠和耐鹽堿等特性，是禾本科作物中公認的耐鹽堿作物［11］，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟中占有重要的地位和作用［12］.因此，大麥可作為一種研究耐鹽堿的模式作物，用于探究與耐鹽堿性有關(guān)的復雜的生理生化與遺傳機制，并開發(fā)其基因資源以提高谷類作物的耐鹽性［13］.因此，耐堿大麥種質(zhì)資源的篩選、鑒定與評價就顯得尤為重要.本研究對285份不同來源的大麥材料進行耐堿性鑒定，對其進行耐堿性綜合評價，以期為耐鹽大麥新品種的培育提供種質(zhì)資源和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)高新農(nóng)業(yè)科技園區(qū)智能溫室進行，供試285份大麥種質(zhì)由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院大麥研究室提供，詳見表1.

表1供試大麥種質(zhì)資源編號Tab.1 Code of tested barley germplasm resources

續(xù)表1

續(xù)表1

1.2 試驗設(shè)計

苗期堿脅迫在育苗盒內(nèi)進行，將蛭石裝入含有12個孔的育苗盒中，并用蒸餾水對其完全浸潤，種子消毒處理后種入育苗盒，播種深度約1 cm，每個基因型單次重復為6個孔，每個孔內(nèi)播種4粒種子.種子發(fā)芽后利用1/2 Hoagland營養(yǎng)液澆灌培養(yǎng)，待幼苗長至二葉一心期，進行堿脅迫處理，脅迫液濃度為100 mmol·L-1混合堿（Na2CO3∶NaHCO3=1∶1），并設(shè)置無脅迫液的1/2 Hoagland營養(yǎng)液作為對照.每個處理3次重復，脅迫處理5 d后，記錄每個基因型的萎蔫指數(shù)，并且每個基因型取5株測定苗高、根長、根條數(shù)、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重，取平均值.剩余植株用于記錄每個基因型的存活天數(shù).

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

計算苗期各指標的相對耐堿系數(shù)，即脅迫下各性狀的平均值與對照下各性狀的平均值比值.采用DPSv18.10進行相關(guān)性分析、隸屬函數(shù)分析、主成分分析、逐步線性回歸分析以及聚類分析，以構(gòu)建大麥耐堿種質(zhì)資源的表型評價體系.

萎蔫指數(shù)等級劃分為：0級，生長正常；1級，生長稍受抑制，只有葉尖皺縮；2級，30%的葉片呈灰綠色，缺乏葉綠素；3級，50%的葉片呈灰綠色，缺乏葉綠素；4級，大多數(shù)葉片枯黃，只有心葉為綠色；5級，幾乎所有植株死亡.

存活天數(shù)利用加權(quán)平均值法計算，即，存活天數(shù)=∑（脅迫天數(shù)×每天死亡株數(shù)）/總株數(shù).

隸屬函數(shù)值計算公式［14］為：X（ij）=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin），式中X（ij）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，Xjmax、Xjmin分別為指標的最大值和最小值.如果某一指標與抗耐性呈負相關(guān)，則采用反隸屬函數(shù)計算，公式為：X（ij）=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）.

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀耐堿性遺傳多樣性分析

大麥苗期堿脅迫下，各性狀的相對值均小于1，表明各性狀在堿脅迫下均呈降低趨勢（表2）.不同性狀

間，相對地上鮮重的變異最大，變幅為0.24～0.97，變異系數(shù)為30.36%；萎蔫系數(shù)的變異最小，變幅為1.33～4.33，變異系數(shù)為12.71%.

2.2 性狀間的相關(guān)分析

圖1堿脅迫下大麥種質(zhì)各性狀的相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis of various traits of barley under alkaline stress

由圖1可知，存活天數(shù)與相對地上鮮重、相對根干重和萎蔫系數(shù)呈顯著或極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.14（P＜0.05），-0.13（P＜0.05）和-0.58（P＜0.01）.相對根條數(shù)與相對苗長、相對地上干重、相對地上鮮重、相對根鮮重和相對根干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.18（P＜0.01），0.21（P＜0.01），0.25（P＜0.01），0.34（P＜0.01）和0.27（P＜0.01）.相對苗長與相對地上干重、相對地上鮮重、相對根鮮重和相對根干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.49（P＜0.01），0.49（P＜0.01），0.22（P＜0.01）和0.27（P＜0.01）.相對地上干重與相對地上鮮重、相對根鮮重和相對根干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.64（P＜0.01），0.27（P＜0.01），0.46（P＜0.01）.相對根鮮重與相對地上鮮重和相對根干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.29（P＜0.01）和0.51（P＜0.01）.相對地上鮮重與相對根干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.43（P＜0.01）.

2.3 主成分分析與評價

前6個主成分代表大麥種質(zhì)堿脅迫下各表型性狀87.201%的遺傳信息量（表3）.第1主成分貢獻率為31.562%，主要與地上鮮重和地上干重相對值有關(guān)，反映大麥地上部的堿害性狀.第2主成分貢獻率為17.554%，主要與存活天數(shù)和萎蔫系數(shù)有關(guān)，反映了大麥綜合的耐堿害性狀.第3主成分貢獻率為12.449%，主要與根長和根條數(shù)有關(guān)，反映了大麥地下部的堿害性狀.第4主成分貢獻率為11.667%，主要與苗長有關(guān)，反映大麥地上部的堿害性狀.第5主成分貢獻率為7.955%，主要與根鮮重和根干重有關(guān)，反映大麥地下部的堿害性狀.第6主成分貢獻率為6.014%，主要與根長、地上干鮮重有關(guān).

將種質(zhì)資源的9個表型性狀的值利用模糊隸屬函數(shù)進行標準化處理，其中，萎蔫系數(shù)利用反隸屬函數(shù)進行標準化處理，并將其帶入6個主成分的得分中，求得各種質(zhì)的6個主成分得分，6個主成分得分分別是F1=0.383X1-0.030X2+0.283X3+0.468X4+0.361X5+0.463X6+0.437X7-0.104X8-0.085X9，F(xiàn)2=0.112X1+0.085X2+0.090X3+0.040X4+0.065X5+0.094X6-0.047X7+0.695X8+0.688X9，F(xiàn)3=-0.079X1+0.693X2+0.489X3-0.235X4+0.366X5-0.248X6-0.009X7+0.031X8-0.155X9，F(xiàn)4=0.480X1+0.562X2-0.219X3+0.201X4-0.422X5+0.212X6-0.364X7-0.085X8-0.058X9，F(xiàn)5=0.027X1+0.262X2-0.778X3-0.150X4+0.423X5+0.005X6+0.321X7+0.128X8-0.074X9，F(xiàn)6=-0.703X1+0.347X2-0.042X3+0.286X4-0.244X5+0.298X6+0.252X7-0.179X8+0.241X9.利用6個主成分貢獻率權(quán)重（0.362，0.201，0.143，

0.134，0.091和0.069），構(gòu)建用于篩選大麥優(yōu)異耐堿種質(zhì)的評價指標F值，其為F=0.362F1+0.201F2+0.143F3+0.134F4+0.091F5+0.069F6，F(xiàn)值越高，表明該種質(zhì)耐堿性越強.

利用285份大麥種質(zhì)在堿脅迫下F值的大小，篩選出排名前10的種質(zhì)為226（2.170），233（2.086），112（2.052），109（2.043），265（2.031），222（2.023），248（1.981），139（1.980），35（1.979）和240（1.970），其F值較高，表明其耐堿性較好；排名較低的10份種質(zhì)為165（1.183），63（1.267），175（1.352），1（1.382），75（1.412），2（1.427），198（1.428），65（1.462），89（1.465）和204（1.469），其F值較低.

表3大麥種質(zhì)堿脅迫下各性狀的主成分分析Tab.3 Principal component analysis of each trait of barley germplasms under alkaline stress

以參試材料表型性狀及F值進行逐步回歸分析，并構(gòu)建線性回歸方程以用于耐堿種質(zhì)資源篩選，構(gòu)建方程為：F=0.0436+0.1613X1+0.2234X2+0.1758X4+0.1654X5+0.1907X6+0.1427X7+0.0896X8+0.0831X9，其中，X1，X2，X4，X5，X6，X7，X8和X9分別代表相對苗長、相對根長、相對地上鮮重、相對根鮮重、相對地上干重、相對根干重、存活天數(shù)和萎蔫系數(shù).該方程的相關(guān)系數(shù)為0.998 1，決定系數(shù)為0.998 0，表明X1，X2，X4，X5，X6，X7，X8和X9這8個變量可決定總得分F值總變異的99.8%.相關(guān)分析結(jié)果表明，這9個表型性狀均與F值呈極顯著相關(guān)（表4），該方程可用于大麥種質(zhì)資源耐堿性的篩選與評價.

表4表型性狀與綜合得分（F值）間的相關(guān)性Tab.4 Correlation between phenotypic traits and comprehensive score（F-value）

2.4 表型性狀的聚類分析

根據(jù)各品種的綜合得分值進行聚類分析，劃分為4類不同類型的品種，其中，第一類（I）為耐堿型，包括編號為24，35，109，112，133，139，222，225，226，233，240，248和265等13個品種；第二類（II-1）為中度

耐堿型，包括編號為7，9，11，14，16，18，20，21，25，26，27，28，29，30，31，33，39，41，42，48，49，50，54，55，59，66，69，71，76，77，78，80，81，82，88，91，98，103，105，106，108，114，125，126，127，134，135，136，138，149，150，151，152，157，159，161，166，168，169，170，171，177，178，179，192，196，197，200，201，202，208，211，213，220，221，234，235，242，249，252，253，254，256，260，262，263，264，269，270，271，274，278，279和284等94個品種；第三類（II-2）為中度堿敏感型，包括編號為3，6，8，10，12，13，19，23，32，34，38，43，44，45，46，47，51，56，57，58，60，61，62，64，67，68，74，83，86，90，94，95，96，97，107，113，117，124，129，137，140，142，144，146，153，155，156，158，160，162，167，172，182，183，186，189，194，195，205，207，216，219，223，224，227，229，230，231，232，239，241，243，244，246，247，251，255，257，258，259，261，266，268，272，275，276，280，282，283和285等90個品種；第四類（III）為堿敏感型，包括編號為1，2，4，5，15，17，22，36，37，40，52，53，63，65，70，72，73，75，79，84，85，87，89，92，93，99，100，101，102，104，110，111，115，116，118，119，120，121，122，123，128，130，131，132，141，143，145，147，148，154，163，164，165，173，174，175，176，180，181，184，185，187，188，190，191，193，198，199，203，204，206，209，210，212，214，215，217，218，228，236，237，238，245，250，267，273，277和281等88個品種.

3 討論與結(jié)論

堿脅迫對植物的傷害主要包括滲透脅迫、離子毒害和高pH脅迫［15］.與中性鹽脅迫相比，堿性鹽脅迫破壞植物細胞的離子平衡，影響K+和Ca2+等離子在植物細胞內(nèi)的分布，對微量元素的吸收效率更低，嚴重抑制植物的生長發(fā)育.大麥具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐瘠薄、早熟等生物學特性，抗逆性強、適應性廣，對大麥種質(zhì)資源進行耐鹽堿評價，篩選出耐鹽堿性較強的品種對于開展耐鹽堿生理與分子機制、耐鹽堿育種以及鹽堿地高產(chǎn)栽培技術(shù)研究具有十分重要意義.

有關(guān)大麥耐鹽堿種質(zhì)評價研究，目前主要集中在耐鹽性的篩選上，國內(nèi)外學者［16-19］對近3萬份大麥種質(zhì)進行耐鹽性鑒定，發(fā)現(xiàn)六棱大麥較二棱大麥耐鹽性更強［17］，并獲得一系列耐鹽種質(zhì).目前公認的耐鹽大麥品種有青島芒大麥、CM27、C2118和Erie［18］.然而，對于大麥耐堿性種質(zhì)挖掘的研究較少，本研究選取285份大麥種質(zhì)，包括育成品種、農(nóng)家種，進行苗期耐堿性評價，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，品種間耐堿性存在較大差異，其中，苗期中度耐堿性以上的品種超過1/3，這表明這些種質(zhì)資源蘊含著優(yōu)異的耐堿資源，可以為耐堿性新品種的選育提供優(yōu)良親本.

耐堿性評價指標的選擇需要根據(jù)耐鹽堿鑒定的時期和品種數(shù)量級來確定.在品種數(shù)量較多的耐鹽堿鑒定工作中更適合使用便捷、直觀、簡易的鑒定指標，以保證最大效率地篩選出耐鹽堿品種.本研究選擇9個形態(tài)指標，包括2個綜合指標（萎蔫系數(shù)和存活天數(shù)）以及7個形態(tài)指標（苗高、根長、根條數(shù)、地上干重、地上鮮重、根干重和根鮮重）進行測定.對大麥種質(zhì)資源進行堿脅迫處理，苗高、地上干重、地上鮮重、根干重和根鮮重等指標表現(xiàn)出不同程度的下降，表明堿脅迫明顯抑制了大麥生長和發(fā)育.然而，作物耐鹽堿性是受自身遺傳及外界環(huán)境影響的復雜的數(shù)量性狀，各評價指標的重要程度不盡相同，單獨使用某些或某一個指標很難準確、可靠地反映作物耐堿性的內(nèi)在本質(zhì).此外，許多鑒定指標間存在一定的相關(guān)性，導致這些指標所反映的耐鹽堿信息發(fā)生交叉與重疊［20］.因此，筆者運用主成分分析、系統(tǒng)聚類和回歸分析等多元分析方法對大麥萌發(fā)期耐堿性進行了綜合評價.

本研究在堿脅迫下，對不同基因型大麥苗期的7個形態(tài)指標和2個綜合指標進行計算得到各形態(tài)指標的耐堿系數(shù)，利用隸屬函數(shù)和主成分分析，將9個指標轉(zhuǎn)換為6個獨立的綜合指標，并得到各大麥種質(zhì)的耐堿綜合得分（F值），依據(jù)對F值的聚類分析結(jié)果，可將大麥種質(zhì)資源劃分為耐堿型、中等耐堿型、中等堿敏感型和堿敏感型4種類型.最后，利用逐步回歸法建立了可靠的大麥苗期耐堿性評價模型，F(xiàn)=0.0436+0.1613X1+0.2234X2+0.1758X4+0.1654X5+0.1907X6+0.1427X7+0.0896X8+0.0831X9，篩選出相對苗長、相對地上干鮮重、相對根干鮮重、存活天數(shù)和萎蔫系數(shù)等5個顯著影響大麥耐堿性的單項評價指標.應用該綜合評價模型可以有效預測大麥種質(zhì)的耐堿性強弱，為大麥抗逆栽培、耐堿種質(zhì)篩選及優(yōu)良品種選育提供科學依據(jù).