不同馬鈴薯品種(品系)耐鹽性鑒定與綜合評價

于國紅， 劉朋程， 李明哲， 郝洪波， 崔海英， 郭安強

(河北省農林科學院旱作農業研究所/河北省農作物抗旱研究重點實驗室，河北衡水 053000)

馬鈴薯(L.)具有產量高、營養價值大的特性，是世界上第四大農作物，被我國列為主糧。我國馬鈴薯種植面積達500多萬hm，馬鈴薯生產在我國農業生產和經濟發展中占重要地位。馬鈴薯屬于鹽敏感型作物，也是我國干旱/半干旱地區重要的經濟作物。近年來，隨著干旱/半干旱地區長期鹽分積累和農事操作不當，導致土壤鹽漬化逐漸加重，嚴重制約了馬鈴薯產業的發展。開展馬鈴薯耐鹽性生理應答機制研究，一方面有利于篩選到抗鹽性好的馬鈴薯品種，另一方面有利于深入挖掘馬鈴薯的抗鹽生理機制。

馬鈴薯耐鹽性評價常用的試驗方法包括大田鑒定法、盆栽法及組織培養法。其中組織培養法的優點是組培苗對鹽更敏感，環境更易控制。前人利用組織培養法對馬鈴薯耐鹽性生理應答機制進行了相關研究，主要集中在2個方面。一方面是通過滲透調節途徑，主要研究丙二醛、可溶性糖等物質在鹽脅迫下的變化。丙二醛(MDA)是膜脂過氧化產物，能夠間接反映細胞膜受損程度，鹽脅迫導致馬鈴薯 MDA 含量增加。可溶性糖是參與逆境滲透調節的另一重要物質，鹽脅迫會使可溶性糖快速作出響應，導致可溶性糖含量增加。另一方面是氧化脅迫途徑。張景云等研究發現，在一定濃度鹽脅迫下馬鈴薯的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性均顯著升高，且耐鹽品種相對值顯著高于感鹽品種。陳彥云等研究表明，在能耐受鹽脅迫的條件下，馬鈴薯的POD、過氧化氫酶(CAT)活性迅速提高，以清除植物體內大量的自由氧基，維持細胞膜的穩定性。

前人對馬鈴薯抗鹽性的研究主要集中在單個生理指標的變化，而結合多個指標評價馬鈴薯抗鹽性的研究較少。評價作物的抗鹽性不僅需要合適的生理指標，而且要適宜的評價方法。將隸屬函數分析、聚類分析等方法和多種指標相結合，對作物抗鹽性進行綜合評價是目前研究的熱點。本研究利用組織培養法對不同馬鈴薯品種(系)展開耐鹽性鑒定試驗，對處于正常和鹽脅迫條件下的10個品種(系)組培苗生理指標進行測定分析，結合隸屬函數分析、聚類分析及灰色關聯度分析對馬鈴薯耐鹽性進行綜合評價，以期篩選出抗鹽性強的馬鈴薯品種，為馬鈴薯耐鹽品種選育提供種質資源，為馬鈴薯抗鹽機理研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

本試驗于2019—2020年在河北省農林科學院旱作農業研究所馬鈴薯組培室進行。試驗材料包括由筆者所在課題組引進并保存的費烏瑞它(對照)、北方009、135、TACNA、SOSNA、F8、冀張薯5號、冀張14號、冀張3號、克新23號，共10個品種(系)。采用雙因素隨機區組設計，因素一為品種(系)；因素二為處理方式，以正常生長為對照，以250 mmol/L鹽脅迫為處理。取4周左右苗齡的試管苗進行試驗，正常生長條件是在含有50 mL MS固體培養基的組培瓶中生長，鹽脅迫條件是在含有250 mmol/L NaCl的50 mL MS 培養基的組培瓶中生長。鹽處理條件設置為 50、150、250 mmol/L NaCl 3個梯度。因只有到250 mmol/L NaCl 時不同品種(系)馬鈴薯才出現不同的表型差異，因此后期只測定了正常生長和250 mmol/L NaCl 2種生長條件下樣品的生理指標。生長環境為溫度(25±2) ℃的組培室，在16 h光照/8 h 黑暗的條件下培養。每瓶設5株馬鈴薯組培苗作為1個重復，每個處理6個重復。處理馬鈴薯組培苗出現表型時進行取樣，并測定生理指標。

1.2 指標測定方法

葉綠素含量采用95%乙醇提取法測定；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定；可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法測定；SOD活性采用氮藍四唑法測定；POD活性采用愈創木酚法測定；CAT活性采用紫外吸收法測定。生理指標具體檢測方法參見文獻[13]。然后按照以下公式，計算抗鹽系數、綜合抗鹽系數、抗鹽指數、隸屬函數值，對隸屬函數值進行聚類分析，劃分抗鹽級別：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3 數據處理

利用Microsoft Excel 2013進行數據處理和作圖，利用DPS統計軟件進行方差分析(最小極差法進行多重比較)、關聯度分析及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫下馬鈴薯葉綠素含量變化

葉綠素是作物進行光合作用所必需的光合色素，作物體內葉綠素含量的高低可以判定其光合作用的強弱。如圖1所示，與正常處理相比，10個馬鈴薯品種(系)在鹽脅迫下葉綠素含量均顯著降低，但下降幅度有所差異。135、冀張薯5號、費烏瑞它、TACNA、克新23號、SOSNA、冀張14號、冀張3號、F8、北方009葉綠素含量在鹽脅迫下分別顯著降低48.79%、6.59%、29.57%、40.28%、29.99%、47.09%、52.13%、16.89%、8.17%、30.59%，降低幅度大小順序為冀張14號>135>SOSNA>TACNA>北方009>克新23號>費烏瑞它>冀張3號>F8>冀張薯5號。葉綠素含量降低幅度越大的品種(系)說明其對鹽脅迫越敏感，光合作用受到的影響越大。

2.2 鹽脅迫對馬鈴薯滲透調節物質的影響

植物在遭受一定逆境脅迫時，體內丙二醛、可溶性糖含量均會有所增加。丙二醛是膜脂過氧化的主要產物，其值大小可代表植物在逆境脅迫下受到的氧化傷害；可溶性糖可通過調節植物細胞內外滲透壓，減輕逆境脅迫的傷害。如圖2-A所示，與正常處理相比，10個馬鈴薯品種(系)受到鹽脅迫后其丙二醛含量均有不同程度的升高，但僅費烏瑞它、克新23號、冀張14號、F8、北方009達到顯著水平，這5個品系較正常處理分別提高26.79%、83.53%、63.10%、106.54%、17.00%。丙二醛含量增加幅度越高的品種(系)受到的氧化脅迫也相對越大。如圖2-B所示，鹽脅迫下馬鈴薯可溶性糖含量較正常處理均有不同程度升高，冀張薯5號、冀張14號升高不顯著，其他品種(系)均顯著升高。135、費烏瑞它、 TACNA、克新23號、 SOSNA、冀張3號、F8、北方009分別升高45.35%、45.42%、37.49%、162.35%、54.36%、30.93%、247.50%、54.88%，升高幅度大小順序依次為F8>克新23號>北方009>SOSNA>費烏瑞它>135>TACNA>冀張3號。可溶性糖含量升高的品種(系)細胞內外滲透壓發生了明顯變化，可溶性糖含量升高幅度越大的品種(系)，其抗鹽性越好。

2.3 鹽脅迫下馬鈴薯抗氧化酶活性的影響

植物在逆境脅迫下會產生活性氧，活性氧會損害細胞膜的結構和功能，而SOD、POD、CAT為清除活性氧的關鍵酶。與正常處理相比，鹽脅迫條件下，冀張薯5號、費烏瑞它、TACNA、克新23號、SOSNA、冀張14號、冀張3號、F8、北方009中SOD酶活性分別顯著提高14.32%、30.44%、46.10%、21.90%、14.97%、89.79%、8.37%、43.68%、9.19%(圖3-A)。與正常處理相比，在鹽脅迫下，除北方009外，其他馬鈴薯品種(系)中POD活性均顯著提高(圖3-B)，提高幅度大小順序依次為冀張3號>135>冀張14號>F8>費烏瑞它>克新23號>冀張薯5號>SOSNA>TACNA。與正常處理相比，鹽脅迫下馬鈴薯CAT活性均顯著升高，升高幅度大小順序依次為F8>135>北方009>冀張薯5號>SOSNA>TACNA>克新23號>費烏瑞它>冀張14號>冀張3號(圖3-C)。同一品種(系)在鹽脅迫下的3種抗氧化酶活性變化幅度有所差異，說明不同品種(系)在鹽脅迫下所依賴的清除活性氧的酶有所差異。

2.4 單項指標的抗鹽性評價

根據公式(1)(2)計算出各個材料各個指標的單項抗鹽系數和綜合抗鹽系數(表1)。綜合抗鹽系數結果顯示，馬鈴薯抗鹽性由強到弱的順序依次為F8>冀張3號>135>克新23號>費烏瑞它>SOSNA>北方009>冀張薯5號>冀張14號>TACNA。參照連續變數的數次分布統計方法，將各性狀的抗鹽系數以組距為0.5分成9個組區間，制成次數分布表(表2)。結果顯示，同一組間各性狀的抗鹽系數分布有較大差距，同一種質不同指標抗鹽系數并不完全一致。因此，利用單一生理指標的抗鹽系數來評價馬鈴薯抗鹽性并不準確。

表1 各個材料的抗鹽系數

表2 供試材料各個性狀指標的抗鹽系數在不同區間的分布

2.5 綜合抗鹽評價

利用相關分析計算各個性狀與綜合抗鹽指數的相關系數，首先利用公式(4)計算出各品種(系)的隸屬函數值，然后根據綜合隸屬函數值的大小對供試材料進行抗鹽性排序(表3)，最后利用最長距離法對綜合隸屬函數進行聚類分析，劃分抗鹽級別。如圖4所示，當歐氏距離為0.1528時，可將馬鈴薯品種(系)抗鹽性分為4類：第1類為耐鹽品系F8；第2類為中等耐鹽品種(系)，包括135、冀張薯5號、克新23號、冀張3號；第3類為中等感鹽品種(系)，包括費烏瑞它、SOSNA、北方009；第4類感鹽品種(系)，包括TACNA、冀張14號。

表3 各個材料的抗鹽性排序

2.6 灰色關聯度分析

按灰色系統理論要求，將10個不同馬鈴薯品種(系)的綜合抗鹽系數和鹽脅迫下的 6個指標視為一個整體，即灰色系統。將綜合抗鹽指數作為參考數列(母序列)，各個指標原始數據標準化處理后的值作為比較數列(子序列)，建立灰色系統，計算各個指標與其綜合抗鹽指數的關聯度(表4)。在鹽脅迫條件下，6個指標與綜合抗鹽系數的密切程度(關聯序)為POD 活性>丙二醛含量>SOD 活性>可溶性糖含量>CAT活性>葉綠素含量。

表4 馬鈴薯中各指標與綜合抗鹽系數關聯度及關聯序

3 討論

鹽脅迫條件下，馬鈴薯通過改變體內生理生化過程來響應逆境環境。本研究通過對不同處理條件下不同馬鈴薯品系中葉綠素含量、可溶性糖含量、丙二醛含量、SOD活性、POD活性、CAT活性6個生理指標進行測定與綜合分析，篩選馬鈴薯耐鹽性強的品種(系)，解析馬鈴薯耐鹽生理應答機制。

葉綠素主要與植物的光合作用有關，其含量的高低決定了植物對不同光的吸收和利用效率，是研究植物生理的重要指標之一。一定濃度的鹽脅迫可促使植物體內葉綠素含量增加，過高濃度鹽脅迫會使葉綠素含量呈下降趨勢。本研究發現，鹽脅迫條件下，10個馬鈴薯品種(系)中葉綠素含量均呈下降趨勢，說明鹽脅迫會導致馬鈴薯葉綠素分解，這與趙曼利等的研究結果一致。在逆境條件下，丙二醛是植物細胞膜發生膜脂過氧化的產物，其大量累積可造成細胞調節功能紊亂，損傷生物膜，而細胞膜脂過氧化程度與植物對逆境條件反應的強弱成負相關。可溶性糖是植物重要的滲透調節物質和營養物質，它們的積累能提高細胞的保水能力，減輕活性氧對膜脂和蛋白質的過氧化作用，從而對生物膜起到保護作用。本研究結果表明，鹽脅迫條件下，不同馬鈴薯品種(系)中丙二醛和可溶性糖含量均呈上升趨勢，表明馬鈴薯細胞膜受到損害，而馬鈴薯通過釋放可溶性糖來減少損傷。植物在受到鹽脅迫時會產生各種活性氧及其化合物，它們會對機體的正常生理活動產生危害，SOD、POD、CAT可以在細胞中通過不同途徑協同作用降低這種危害。本研究結果表明，鹽脅迫促使了不同馬鈴薯品種(系)酶活性增加，這與顧恒等的研究結果一致。

近年來，土壤鹽漬化給農業生產帶來嚴峻挑戰，為了篩選抗鹽性種質資源、探究作物抗旱生理應答機制，一些學者采用相關分析、隸屬函數分析、聚類分析、灰色關聯度分析等方法相結合對作物的抗鹽性進行綜合評價。本研究結果顯示，利用單一生理指標計算得到的抗鹽系數有所差異，說明采用單一生理指標的抗鹽系數不能準確評價馬鈴薯的抗鹽性，這與王苗苗等的研究結果一致。通過進一步結合單項指標抗鹽系數、隸屬函數分析、聚類分析以及灰色關聯度分析對馬鈴薯種質資源的抗鹽性進行綜合分析，可將10個不同馬鈴薯品種(系)抗鹽性分為4類：第1類為耐鹽品系F8；第2類為中等耐鹽品種(系)，包括135、冀張薯5號、克新23號、冀張3號；第3類為中等感鹽品種(系)，包括費烏瑞它、SOSNA、北方009；第4類為感鹽品種(系)，包括TACNA、冀張14號。在鹽脅迫條件下，6個指標與綜合抗鹽系數的密切程度(關聯序)為POD 活性>丙二醛含量>SOD 活性>可溶性糖含量>CAT活性>葉綠素含量。

4 結論

鹽脅迫能夠降低馬鈴薯葉綠素含量，增加丙二醛和可溶性糖含量，提高保護酶活性。單一生理指標的變化不能說明馬鈴薯品種(系)的抗鹽強弱，運用隸屬函數分析、聚類分析、灰色關聯度分析相結合，可以對馬鈴薯種質資源的抗鹽性進行綜合評價。