山西省主推小麥品種芽期及苗期耐鹽性的綜合評價

劉彤彤 李 寧 魏良迪 楊進文 史雨剛 王曙光 孫黛珍*

(1．山西農業大學 食品科學與工程學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學 農學院，山西 太谷 030801)

小麥(TriticumaestivumL.)不僅是世界范圍內種植最廣泛的作物之一，同時也是人類食物的重要來源[1]。目前，研究人員借助品種改良等方法使小麥單產每年提高0.9%左右[2-3]，但小麥單產的年均增長量需要保持在2%左右才能滿足人口不斷增長對世界糧食安全的預期需求[4]。土壤鹽堿化是限制作物高產的主要因素之一，給全球范圍內的作物生產造成了重大損失[5]，加上人類生產活動所引發的諸多不利后果使得鹽堿化土地面積逐年增加，嚴重制約了世界范圍內的小麥生產[6]。我國的鹽堿化土地面積約有200萬hm2，其中山西省鹽堿化土地占總面積的1/10以上，主要分布在大同、臨汾、運城和太原等8個市的51個縣(市、區)[7]。而且，多年的煤炭開采及挖掘造成的水土流失和地下水污染加劇了山西省的土地鹽堿化程度[7]。因此，進一步挖掘山西省小麥品種的耐鹽性，篩選并培育出適于山西地區鹽堿地種植的小麥品種對于解決全省乃至全國的糧食安全問題具有重大意義。

小麥種質資源豐富，不同基因型小麥的耐鹽性之間存在著顯著差異[8-9]。在前期研究中，人們根據不同耐鹽性評價指標篩選出了許多耐鹽性小麥基因型。Kiani-Pouya等[10]利用葉綠素含量作為小麥耐鹽性的評價標準，研究發現鹽脅迫可以顯著降低小麥產量和總葉綠素含量，基因型‘PF70354/BOW’、‘Ghods’和‘H499.71A/JUP’可以在正常、中度和重度鹽脅迫下保持較高濃度的葉綠素含量。Rahnama等[11]研究表明，耐鹽性小麥可以在鹽脅迫下維持較高水平的氣孔導度，來獲得更高的分蘗能力和產量。Al-Khaishany等[12]根據10個不同小麥品種在鹽脅迫下的生理和農藝性狀表現對耐鹽小麥品種進行篩選，并對耐鹽性評價標準進行鑒定，結果表明，基因型‘Shebam8’為耐鹽性小麥品種，葉片中的K+/Na+、葉面積和葉綠素含量可作為耐鹽性的篩選標準。然而，目前有很多研究認為，小麥耐鹽性是受不同組織間形態性狀和生理因素協調作用的復雜性狀，利用單項指標評價其耐鹽性具有片面性，因此有學者提出利用耐鹽系數、主成分分析(PCA)以及隸屬函數等多個參數綜合評估小麥品種的耐鹽性是篩選耐鹽性小麥的最佳方法[13-14]。陳春舟等[15]應用隸屬函數、因子分析和聚類分析等方法綜合評價了16個小麥品種苗期的耐鹽性，從中篩選出了3個苗期耐鹽性較高的小麥品種。李媛媛等[16]利用主成分分析和聚類分析等方法從283份小麥材料中篩選出10份耐鹽堿型材料。

本研究采用主成分分析、隸屬函數分析、綜合評價值(D)和聚類分析相結合的方法，對近年來在山西省主推的40個小麥品種進行芽期及苗期耐鹽性的綜合評價，根據評價結果分別篩選出在2個時期具有較高耐鹽性的小麥品種，旨在為培育適應山西省鹽堿地種植的耐鹽性小麥品種提供材料基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為40個近年來在山西省各麥區主推的小麥品種，其中運城地區17個，臨汾地區12個，長治地區8個，太原地區3個(表1)。所有試驗材料于2019年收集后種植于山西農業大學農學院申奉試驗田，然后于2020年6月下旬分別收獲各品種種子。

表1 供試材料的品種名稱Table 1 The name of the tested material

1.2 試驗方法

1.2.1小麥芽期耐鹽性鑒定

從每個品種中挑選30粒健康的種子用清水洗凈后全部浸沒在10%次氯酸鈉溶液中消毒10 min，之后用去離子水反復沖洗干凈，然后均勻擺放在事先鋪有2層濾紙的培養皿(直徑為10 cm)中，向培養皿中加入20 mL去離子水(CK)或1.2% NaCl溶液(鹽脅迫)。將所有培養皿放在人工氣候箱中(RLD-450E-4，寧波樂電儀器制造有限公司，中國寧波)，在溫度為(25±1)℃的黑暗環境下孵育3 d，然后將其生長條件設定為12 h光照/12 h黑暗，光強設定為10 000 lx。試驗設3次重復。

在處理第3和7天以胚芽鞘長及胚根長同時達種子長度作為種子的發芽標準統計各品種的發芽數，并計算發芽勢(Germination potential，GP)和發芽率(Germination rate，GR)。計算公式如下:

發芽勢=3 d內發芽種子粒數/供試種子粒數×100%

(1)

發芽率=7 d內發芽種子粒數/供試種子粒數×100%

(2)

在第7天測量每個品種的芽長(Bud length，SL)、主根長(Root length，RL)和根數(Root number，RN)；然后將幼苗的地上部和根部用剪刀分開，利用濾紙反復吸干根部表面水分后分別稱量芽鮮重(Bud fresh weight，BFW)及根鮮重(Root fresh weight，RFW)。

1.2.2小麥苗期耐鹽性鑒定

種子預處理方法同1.2.1。將每個品種種子擺放到發芽盤中進行發芽培養，培養7 d后挑選長勢一致的幼苗放于水培盒中繼續進行培養，并在盒中添加2.5 L Hoagland營養液，每隔2 d更換1次營養液。幼苗生長至兩葉一心期后，在水培盒中加入1.2% NaCl溶液模擬鹽脅迫條件，不添加處理液的Hoagland營養液作為對照。試驗設3次重復。鹽處理7 d后在每個品種挑選長勢一致的5株幼苗進行如下指標的測定：

測定其苗高(Plant height,PH)、主根長、根數、根鮮重和莖葉鮮重(Shoot fresh weight,SFW)；然后分別在105 ℃下殺青30 min后80 ℃烘至恒重，測定根干重(Root dry weight,RDW)和莖葉干重(Shoot dry weight,SDW)。

1.3 數據分析

利用耐鹽系數以及耐鹽性綜合評價D值對小麥品種的耐鹽性進行評價。計算公式[17-19]如下：

各性狀的耐鹽系數=鹽處理下的測定值/對照條件下的測定值

(3)

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

(4)

式中：U為各性狀的隸屬函數值；Xi為第i個品種的性狀測定值；Xmax和Xmin為參試品種某一性狀的最大值和最小值。

(5)

式中：Wi表示第i個公因子在所有公因子中的重要程度；Pi為各品種第i個性狀與耐鹽系數間的相關系數，表示各品種第i個公因子的貢獻率。

(6)

式中：D為各材料在鹽脅迫下利用綜合指標評價所得的耐鹽性綜合評價值。D值越大表示綜合耐鹽性越高。

運用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 23.0軟件進行描述性統計分析、主成分分析和聚類分析，應用R 3.5.0的Corrplot軟件包進行相關性圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 小麥芽期及苗期各性狀的描述性統計分析

鹽脅迫條件下小麥芽期各性狀平均值與對照相比除根鮮重以外，其余性狀均顯著低于對照(表2)。各性狀在對照條件下的變異系數分布范圍是13.25%(根數)到31.81%(根鮮重)，鹽脅迫處理條件下的變異系數分布范圍從21.42%(根數)到36.20%(發芽勢)。各性狀耐鹽系數最小值為0.30(發芽勢)，最大值為0.85(根數)，可見不同性狀對芽期鹽脅迫的敏感度存在較大差異(表3)。此外各性狀耐鹽系數的變異系數均大于20.00%，說明不同品種在同一性狀的耐鹽系數方面同樣存在較大的品種間差異。

與對照相比，鹽脅迫條件下小麥苗期各性狀平均值除根數以外其余性狀的均值都顯著降低(表2)。另外在對照和鹽脅迫條件下，除了根數之外其他性狀的變異系數皆超過10%，其中鹽脅迫下莖葉干重的變異系數最大，達到33.33%。各性狀耐鹽系數的分布范圍從0.60(莖葉鮮重)到1.05(根數)，可見苗期不同表型性狀對鹽脅迫的敏感程度差異較大(表3)。此外各性狀耐鹽系數的變異系數最小值為11.42%(根數)，最大值為36.00%(根干重)，說明這些苗期性狀的耐鹽系數也存在較大的品種間差異。

表2 鹽處理及對照條件下小麥芽期及苗期各性狀的統計分析Table 2 Data statistics of wheat traits at germination and seedling stage under salt treatment and control condition

表3 小麥芽期及苗期各性狀耐鹽系數的統計分析Table 3 Data statistics of salt tolerance coefficient of wheat traits at germination and seedling stage

2.2 小麥芽期及苗期不同性狀的相關性分析

對小麥芽期及苗期各表型性狀的耐鹽系數分別進行了相關性分析。芽期結果顯示(表4)，在芽長、根長、根數、芽鮮重和根鮮重這5個性狀的耐鹽系數之間，除根長與根數和根鮮重的相關性不顯著以外，其余各性狀兩兩之間互為顯著或極顯著正相關關系。此外，根鮮重、發芽勢和發芽率這3個性狀的耐鹽系數之間互為極顯著正相關。

表4 小麥芽期耐鹽系數的相關性分析Table 4 Correlation analysis of salt tolerance coefficient of wheat in germination stage

苗期各耐鹽系數的相關性分析結果顯示(表5)，苗高與莖葉鮮重和莖葉干重之間呈極顯著正相關，根數與根鮮重之間呈顯著正相關，莖葉鮮重、根鮮重、莖葉干重和根干重這4個性狀的耐鹽系數之間，除根鮮重與根干重的相關性不顯著以外，其余各性狀兩兩之間互為顯著或極顯著正相關關系。

表5 小麥苗期耐鹽系數的相關性分析Table 5 Correlation analysis of salt tolerance coefficient of wheat in seedling stage

2.3 小麥芽期及苗期耐鹽性的綜合評價

對芽期和苗期各性狀的耐鹽系數分別進行主成分分析，以累計貢獻率大于85%為原則選擇主成分。芽期和苗期分別選擇了3和4個獨立的主成分作為耐鹽鑒定綜合指標(表6)。芽期第1主成分中起主要作用的指標是：芽長、根長和芽鮮重，第2主成分是發芽勢和發芽率，第3主成分是根數和根鮮重。苗期第1主成分中起主要作用的指標是:莖葉鮮重和莖葉干重，第2主成分是根數，第3主成分是根長，第4主成分是苗高和根鮮重。

表6 小麥芽期及苗期各性狀的主成分分析Table 6 Principal component analysis of traits of wheat at germination and seedling stage

用主成分分析得到的因子得分值作為鑒定小麥芽期和苗期耐鹽性的綜合指標，然后計算各指標的隸屬函數值和權重值，最后計算出40個小麥品種在芽期和苗期的綜合評價D值，即各品種的綜合耐鹽能力。從表7中看出，供試小麥材料芽期耐鹽性綜合評價D值的變化范圍為0.15～0.83，其中‘良星68’的芽期耐鹽性最強，D值為0.83；‘長麥6686’的芽期耐鹽性最弱，D值為0.15。然后對D值采用平方歐氏距離進行系統聚類分析(圖1(a))，將全部40個品種分為3個不同耐鹽類型，分別為耐鹽型、中間型和鹽敏感型品種。其中芽期耐鹽型品種有9個(22.5%)，除‘良星68’耐鹽性綜合表現最佳以外，‘晉太182’‘晉太1508’‘品育8012’‘長麥3897’等品種也都具有較高的耐鹽能力；中間型品種有20個，占品種總數的50%，其余11個品種為芽期鹽脅迫敏感型小麥品種。

供試小麥材料苗期耐鹽性綜合評價D值的變化范圍為0.27～0.73(表7)，其中‘臨糯88’的苗期耐鹽性最強，D值為0.73；‘長麥251’的苗期耐鹽性最弱，D值為0.27。聚類分析結果顯示(圖1(b))，其中苗期耐鹽型品種占品種總數的27.50%(11個)，中間型品種占52.50%(21個)，敏感型品種占20.00%(8個)。

表7 供試材料耐鹽性的綜合評價(D值)Table 7 D value of the tested material

2.4 小麥芽期與苗期耐鹽性評價結果的比較

通過比較參試品種芽期和苗期不同耐鹽類型的評價結果(表8)發現，有5個品種在2個時期都屬于耐鹽型品種，分別為：‘石農086’‘臨糯88’‘品育8161’‘冬黑1206’‘品育8012’；有8個品種在2個時期都屬于中間型品種，分別為：‘長麥6135’‘山農17’‘晉麥95’‘晉麥62’‘晉麥102’‘臨豐3號’‘運早719’‘長麥5973’；有2個品種在2個時期都屬于敏感型品種，分別為：‘煙農1212’‘山農29’。

表8 芽期和苗期不同的耐鹽類型Table 8 Comparison of salt tolerance types of varieties at germination stage and seedling stage

同時為了驗證同一品種在芽期和苗期的耐鹽性方面是否存在顯著相關性，進一步擬合了芽期和苗期耐鹽性綜合評價值之間的關系。結果表明參試品種在這2個時期的耐鹽性之間無顯著相關性(R2=0.075 2)(圖2)。這在不同時期的評價結果中也有所體現，例如‘長麥3897’，在芽期屬于耐鹽型品種，而在苗期卻屬于敏感型品種；‘山農24’‘運黑161’‘冀麥22’在小麥芽期均屬于敏感型品種，而在苗期卻屬于耐鹽型品種。

圖中橫坐標為歐式距離The abscissa in the figure represents euclidean distance圖1 小麥芽期(a)及苗期(b)的聚類分析結果Fig.1 Cluster analysis of wheat at germination and seedling stage

圖中圓圈代表不同品種在2個時期的D值。The circles in the figure represent the D value distribution of different varieties in the two periods.圖2 小麥芽期和苗期耐鹽性綜合評價D值的相關性分析Fig.2 Correlation analysis of D value in wheat germination stage and seedling stage

3 討 論

3.1 鹽脅迫對小麥幼苗生長的影響

鹽脅迫會顯著抑制小麥的正常生長發育，而且這一影響過程會持續發生在小麥的整個生命周期當中[20]。芽期和苗期是小麥營養生長最先要經歷的2個時期，這一階段的發育狀況，將會直接決定小麥后續發育時期的長勢，甚至影響小麥最終產量的形成，這2個時期也是受鹽脅迫影響最早的2個時期[21]。李媛媛等[16]在鹽脅迫下分析小麥萌發期各性狀的變化情況，結果表明鹽脅迫下小麥萌發期的發芽率、發芽勢、胚根長、胚根鮮重和胚芽鮮重均低于對照。彭智等[22]對鹽脅迫條件下小麥芽期和苗期各形態指標的測定結果表明，除根數以外其余指標均低于對照，說明鹽脅迫顯著影響了種子萌發和幼苗的生理及生長。但不同性狀的下降幅度從10.0%至84.2%不等，表明不同指標對鹽脅迫敏感性存在差異。本研究結果表明，除芽期根鮮重和苗期根數以外，其余各形態指標均受到鹽脅迫的顯著抑制，這與前人研究結果基本相同。本研究發現，相對于根數，小麥幼苗根長及根鮮重受到鹽脅迫的影響更大，可能是由于在小麥苗期進行鹽脅迫前，各品種的根數基本相同，而7 d后對照條件下小麥幼苗根數增加的幅度不明顯。若采用從芽期到苗期連續鹽脅迫的方法，可能會提升對照條件下幼苗根數增加的空間，進一步加大其與鹽脅迫的差距。

3.2 小麥耐鹽性的評價方法

小麥的耐鹽性是受多基因控制的復雜數量性狀，因此小麥在受到鹽脅迫后，往往會通過自身的多種形態及生理途徑的協同作用來應答鹽脅迫環境，因此難以利用單一指標來全面的反映小麥的耐鹽性[23]，應利用多種指標來綜合評價不同材料的耐鹽能力，從而合理有效地區分不同基因型間的耐鹽性差異[24]。彭智等[22]通過計算321份小麥材料在鹽脅迫下芽期及苗期各相關性狀的隸屬函數值、權重值和耐鹽綜合評價D值，從中篩選出芽期高耐鹽材料21份，苗期高耐鹽材料18份。李媛媛等[16]利用主成分分析和聚類分析等相結合的方法從283份小麥材料篩選出10份耐鹽堿型材料。本研究發現，鹽脅迫下小麥芽期和苗期大多數性狀均受到顯著的影響，并且無論是芽期還是苗期都存在性狀間的顯著或極顯著相關性，利用單一性狀的耐鹽系數來反映不同小麥品種的耐鹽性差異存在局限性。因此，本研究利用主成分分析、隸屬函數分析和綜合評價值相結合的方法，對山西省主推小麥品種進行耐鹽性的鑒定與評價，并進一步利用聚類分析將其分為耐鹽型品種、中間型品種和敏感型品種3個類別。

3.3 小麥不同發育時期耐鹽性的相關性

前人研究表明，小麥不同發育時期的耐鹽性機理不盡相同，這使得同一材料在不同發育時期所表現出的耐鹽性存在差異[25-26]。本研究也得到了相似的結論，例如‘長麥3897’，在芽期屬于耐鹽型品種，而在苗期卻被劃分為敏感型品種，‘山農24’‘運黑161’‘冀麥22’在小麥芽期均屬于敏感型品種，而在苗期卻屬于耐鹽型品種。同時本研究分析了芽期和苗期耐鹽性綜合評價值之間的相關性，結果表明參試品種在這2個時期的耐鹽性之間無顯著相關性，這也與前人的研究結果相似[27]。因此想要得到全生育期均有較高耐鹽能力的小麥品種，就要對小麥多個生育期的耐鹽性進行鑒定，從中篩選出多個時期均表現耐鹽的小麥材料。本研究對比分析了40個山西省主推小麥品種在芽期和苗期的耐鹽性綜合評價結果，發現有5個品種在2個時期都屬于耐鹽型品種，分別為：‘石農086’‘臨糯88’‘品育8161’‘冬黑1206’‘品育8012’。

‘石農086’是通過選用‘魯麥14’為母本、‘邯6172’為父本經雜交選育而成，具有高產、穩產、抗逆性強和適應性廣等特點[28]。該品種于2014—2015年度參加山西省南部中熟冬麥區水地組區域試驗，平均畝產520.3 kg[29]。‘臨糯88’是山西農業大學小麥研究所2018年選育的糯性小麥品種，具有穩產、優質、支鏈淀粉高和糯性優良等特性[30]。‘品育8161’是山西農業大學小麥研究所利用‘4802’為母本、‘臨優9202’為父本進行雜交，經系譜法選育而成，該品種的主要特點是高產優質、抗倒伏和抗寒性好[31]。‘冬黑1206’是利用復合雜交選育而成的具有高產、穩產、廣適性和抗旱性等特點[32]。‘品育8012’是以‘臨優20165’為母本、‘濟麥22’為父本雜交選育成的抗白粉病的高產小麥品種[33]。這些品種可為山西省鹽堿地小麥生產用種以及耐鹽性小麥品種的培育提供材料基礎。