水稻重組自交系群體芽期和苗期耐鹽性鑒定與評價

張燕紅,侯天鈺,巴音花,趙彩月,呂玉平,布哈麗且木·阿不力孜,趙志強,李 冬,杜孝敬,袁 杰,王奉斌

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院核技術(shù)生物技術(shù)研究所/干旱荒漠區(qū)作物抗逆遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室(籌)/新疆農(nóng)作物生物技術(shù)重點實驗室,烏魯木齊 830091;2.新疆農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091)

0 前 言

【研究意義】水稻(OryzasativaL.)為中度鹽敏感作物[1],是世界上主要的糧食作物之一[2]。中國鹽堿地總面積約有9.913×107hm2,其中新疆鹽漬化土壤總面積約2.18×107hm2,占可利用土地面積的22.01%[3]。以耐鹽性較強的優(yōu)良品種作為鹽堿地稻作生產(chǎn)的直接種植材料,或以此為親本進行耐鹽堿品種改良,是提高鹽堿地利用率的有效手段[4]。篩選耐鹽性優(yōu)良水稻種質(zhì)資源,對鑒定現(xiàn)有品種中耐鹽堿性較強的優(yōu)良品種有重要意義。【前人研究進展】目前在水稻發(fā)芽期和苗期耐鹽性鑒定方面已開展了相關(guān)研究[5-7]。WANG 等[8]在對1個水稻重組自交系群體的芽期耐鹽性評價中發(fā)現(xiàn),水稻種子萌發(fā)初期(0～5 d)可能對鹽脅迫更加敏感。CHEN等[9]研究發(fā)現(xiàn),鹽脅迫會明顯降低水稻種子的發(fā)芽率,使芽長和根長與空白對照相比顯著縮短。夏秀忠等[10]評價了419份廣西水稻地方品種核心種質(zhì)苗期耐鹽性,發(fā)現(xiàn)大部分種質(zhì)資源表現(xiàn)為鹽敏感,篩選到12份耐鹽種質(zhì)資源。田蕾等[11]以125 mmol/L NaCl 溶液對64份粳稻資源進行鹽脅迫處理,并調(diào)查其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長和鹽害率等,結(jié)果表明,水稻芽期對鹽脅迫較為敏感,并將這些種質(zhì)劃分成鹽敏感型、弱耐鹽和耐鹽類群等4個類群。水稻的耐鹽性可能會因品種與鹽濃度不同其耐鹽性存在差異,幼苗期對鹽脅迫較為敏感[12]。【本研究切入點】水稻苗期的耐鹽性在一定程度上能夠代表整個植株的耐鹽性等級[13],能否有效利用和發(fā)揮水稻自身的耐鹽潛力是關(guān)鍵,需篩選更多的優(yōu)良的耐鹽種質(zhì)資源。【擬解決的關(guān)鍵問題】以219份水稻重組自交系材料為研究對象,芽期和苗期分別以1.2% NaCl和0.7% NaCl進行處理,測定種子萌發(fā)期和幼苗生長期的相關(guān)形態(tài)指標,綜合評價水稻萌發(fā)期及幼苗期耐鹽性,為水稻耐鹽育種提供優(yōu)異資源和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

219份重組自交系群體材料由新疆農(nóng)業(yè)科學院核生所水稻實驗室提供。藥品有蒸餾水、NaCl和 Yoshida營養(yǎng)液。耗材為直徑9 cm的培養(yǎng)皿、濾紙和96孔PCR板。

1.2 方 法

1.2.1 芽期鹽脅迫處理

每份材料選取籽粒飽滿、大小一致的種子50粒,用75%的酒精消毒15 min后用無菌水沖洗3遍,放置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中。設(shè)置對照組(蒸餾水)和鹽脅迫組(NaCl溶液)兩個處理,每處理3個重復。處理組加入15 mL的1.2%氯化鈉(NaCl)溶液[14]蓋好培養(yǎng)皿蓋,放置于30℃恒溫箱內(nèi)進行發(fā)芽培養(yǎng),每天觀察種子的發(fā)芽情況,保持溶液和鹽濃度不變。第3 d和第7 d分別統(tǒng)計參試材料的發(fā)芽勢與發(fā)芽率。篩選出極強和極弱材料在處理10 d后,每個處理隨機調(diào)查10株,并測量芽長、根長、根數(shù)。

1.2.2 苗期鹽脅迫處理

每份材料選取籽粒飽滿的種子100粒,放置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中,加入20 mL蒸餾水,蓋好培養(yǎng)皿蓋,放置于30℃恒溫箱催芽2 d。選取發(fā)芽一致的芽種轉(zhuǎn)入底部帶孔的96孔PCR板中,每份材料選64株種植在4個不同PCR板中,每板種植6個材料。每個處理組用1/2 倍Yoshida營養(yǎng)液培養(yǎng)2周;第3周開始用1倍Yoshida 營養(yǎng)液培養(yǎng)至3葉1心期。設(shè)2個處理分別為對照組與處理組,各設(shè)3個重復,處理組用0.7% NaCl進行脅迫處理[15]。培養(yǎng)7 d后,更換處理組和對照組營養(yǎng)液為正常營養(yǎng)液。復水第7 d,每個處理調(diào)查長勢一致的10株,統(tǒng)計鹽害等級、株高、存活株數(shù)。

1.2.3 耐鹽堿性評價指標

1.2.3.1 芽期耐鹽性評價指標

相對芽長、相對根長、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對鹽害率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)作為發(fā)芽期耐鹽性的評價指標。

發(fā)芽勢(%)=(發(fā)芽粒數(shù)/供試總粒數(shù))×100%;

相對發(fā)芽勢(%)=(處理發(fā)芽勢/對照組的發(fā)芽勢)×100%;

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽粒數(shù)/供試總粒數(shù))×100%;

相對發(fā)芽率(%)=(處理發(fā)芽率/對照組的發(fā)芽率)×100%;

相對芽長(%)=(NaCl處理種子芽長/對照種子芽長)×100%;

相對根長(%)=(NaCl處理種子根長/對照種子根長)×100;

發(fā)芽勢相對鹽害率(%)=(對照發(fā)芽勢-處理發(fā)芽勢)/ 對照發(fā)芽勢×100;

發(fā)芽率相對鹽害率(%)=(對照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100;

發(fā)芽指數(shù)GI=∑(Gt/Dt).(Gt指第t天種子發(fā)芽數(shù),Dt指相應發(fā)芽天數(shù))[16,17];

活力指數(shù)VI=GI×S.(S指種苗生長量,為脅迫10 d的根長)[18]。

式中,處理發(fā)芽率為1.2% NaCl 鹽水處理的待鑒定材料種子發(fā)芽率,對照發(fā)芽率:為對照蒸餾水處理的待鑒定材料種子發(fā)芽率。

以1.2% NaCl單鹽處理的種子發(fā)芽率為標準分1～9級評價[19]。表1

表1 水稻發(fā)芽期耐鹽性評價標準

1.2.3.2 苗期耐鹽性評價指標

存活率=存活株數(shù)/總株數(shù)×100%。

式中,存活株數(shù)(有1片綠葉成活計為存活單株)計算成活率,株高是指莖基部到地上部最長葉端的距離。

以0.7% NaCl單鹽處理種子受害癥狀苗期評價指標分1～9級評價[19]。表2

表2 水稻苗期耐鹽性評價標準

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016錄入數(shù)據(jù)、SPSS進行差異顯著性分析,利用Origin 2021軟件繪制試驗圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下219份重組自交系群體芽期各評價指標的表現(xiàn)

研究表明,鹽脅迫處理下的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均值顯著下降,與對照處理相比分別下降了83.4%和69.4%。1.2% NaCl處理的發(fā)芽勢變異最大,變幅為0%～66.3%,變異系數(shù)為169.19%;對照處理的發(fā)芽率變異最小,變幅為82.2%～99.4%,變異系數(shù)為3.2%。相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率的均值分別為4.9%和28.3%,變異系數(shù)分別為163.77%和70.28%。在鹽脅迫下,發(fā)芽率和發(fā)芽勢的鹽害率均值分別為48.1%和73.9%,鹽脅迫嚴重抑制了水稻種子的萌發(fā),并且對發(fā)芽勢的影響較大。圖1,表3

注:不同小寫字母表示相同材料在不同處理下差異顯著(P<0.05),下同

2.2 219份水稻重組自交系群體苗期耐鹽性比較

研究表明,0.7% NaCl處理后,秧苗的存活率均受到顯著影響,鹽脅迫處理的存活率顯著低于對照處理的存活率,平均下降81.79%,鹽脅迫顯著抑制了水稻苗期存活率。圖2

圖2 不同處理下群體材料苗期存活率比較

2.3 219份重組自交系群體芽期和苗期的耐鹽級別分布

研究表明,在鹽脅迫處理下,水稻芽期耐鹽性按照發(fā)芽率耐鹽指數(shù)和耐鹽力等級劃分獲得高耐、耐鹽、中、敏感、高敏的水稻資源分別為3、15、39、71與91份,達到中及以上水平的水稻資源共57份,占比26.0%,而敏感和高敏材料共有167份,占比73.8%。

水稻群體苗期耐鹽性按照鹽害癥狀調(diào)查法劃分耐鹽等級,材料間耐鹽性差異較大,獲得苗期耐鹽性中度以上的材料共有52份,占比23.7%,耐鹽性弱和極弱材料有167份,占比76.3%。圖3

表3 219份水稻群體材料鹽脅迫下芽期性狀指標

2.4 219份水稻重組自交系群體耐鹽性極強和極弱材料的表型比較

2.4.1 耐鹽性和敏感性材料的芽期表型比較

研究表明,芽期鹽脅迫處理第10 d,分別對4份耐鹽材料和6份敏感材料進行拍照。對照組不同材料生長狀況良好,基本保持一致;在1.2%鹽脅迫下的耐鹽材料表現(xiàn)出生長緩慢,相對芽長為1.8 cm,敏感材料的種子發(fā)芽明顯受到了抑制,相對芽長為0.5 cm。鹽脅迫處理下不同材料的發(fā)芽勢和發(fā)芽率與對照處理相比顯著下降,耐鹽材料的發(fā)芽勢和發(fā)芽率平均降低52.6%和11.2%;敏感材料的發(fā)芽勢和發(fā)芽率平均降低95.6%和95.3%,并且敏感材料的發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著低于耐鹽材料。圖3

注:a:芽期;b:苗期

鹽脅迫處理下不同材料的芽長、根長和根數(shù)與對照處理相比顯著下降,耐鹽材料芽長平均減少5.7 cm,敏感材料芽長平均減少7.5 cm。經(jīng)過鹽處理后,無論是耐鹽材料還是敏感材料,其根長和根數(shù)均為0,鹽脅迫嚴重抑制了根的生長。圖4～6

注: A:耐鹽材料,B:敏感材料,下同

注:不同大寫字母代表相同處理下不同材料差異顯著,不同小寫字母代表相同材料在不同處理下差異顯著(P<0.05),下同

圖6 不同處理下耐鹽和敏感材料芽長變化

2.4.2 耐鹽性和敏感性材料的苗期表型比較

研究表明,不同材料之間的耐鹽性存在差異,耐鹽材料出現(xiàn)株高和根長變短現(xiàn)象,敏感材料出現(xiàn)葉片干枯,植株死亡。鹽脅迫條件下耐鹽和敏感材料的株高和存活率與對照處理相比顯著下降,耐鹽材料的株高平均減少5.8 cm,敏感材料株高平均減少8.7 cm。敏感材料與耐鹽材料相比,株高有所下降,但不顯著。耐鹽材料的存活率與對照處理相比平均下降79.2%;敏感材料的存活率與對照處理相比平均降低82.3%;耐鹽材料的存活率高于敏感材料6.1%。圖7,圖8

圖7 0.7% NaCl脅迫條件下耐鹽材料和敏感材料

圖8 不同處理下耐鹽和敏感材料株高和存活率變化

3 討 論

植物種子在萌發(fā)期受到鹽脅迫時,發(fā)芽時間會延遲,發(fā)芽率降低,生育進程受到抑制[20]。肖文斐等[21]在對31個秈稻品種的芽期耐鹽性評價中發(fā)現(xiàn),各品種在9 g/L NaCl溶液處理下發(fā)芽起始時間明顯延遲,發(fā)芽變緩,發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著降低。試驗按照GB/T3543.4-1995的標準進行耐鹽評價,對219份重組自交系材料芽期采用1.2% NaCl處理,通過對群體材料發(fā)芽勢、發(fā)芽率分析結(jié)果表明,高濃度鹽脅迫抑制了種子的萌發(fā),發(fā)芽勢和發(fā)芽率均值顯著下降,與對照處理相比分別下降了83.4%和69.4%,發(fā)芽率和發(fā)芽勢的鹽害率均值分別為48.1%和73.9%。賈寶艷等[22]認為,發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率和相對鹽害率是衡量水稻芽期耐鹽能力的主要指標。研究中,在水稻群體發(fā)芽期篩選出耐鹽性極強和強的材料共18份;耐鹽性中度的材料有39個;耐鹽性弱和極弱材料有167份。

崔江慧等[23]在對10份高粱材料的鹽處理時發(fā)現(xiàn),側(cè)根鹽害率的變化最大,表明側(cè)根的發(fā)生和伸長對鹽脅迫最敏感,水稻中也有類似的報道[9]。研究中,用耐鹽指數(shù)法篩選出的4份耐鹽材料和6份敏感材料,并評價耐鹽和敏感材料的芽長、根長、根數(shù)等指標。在鹽處理下,耐鹽材料和敏感材料的芽長與對照處理相比顯著下降,分別下降5.7和7.5 cm。無論是耐鹽材料還是敏感材料,其根長和根數(shù)均為0,根的生長受到了抑制,水稻種子萌發(fā)時根的伸長對鹽脅迫最為敏感,芽次之,與前人的研究結(jié)果一致。

水稻在不同生育時期,其耐鹽性不同,其中種子萌發(fā)期的耐鹽性最強,幼苗期耐鹽性最弱[24]。苗期將存活天數(shù)、存活率,苗高、鮮重干重、死葉率等用于評價苗期測定指標[25],在某種程度上苗期可以作為全生育期耐鹽性水平的參考[26]。目前關(guān)于水稻耐鹽性鑒定已經(jīng)開展了很多工作,馬帥國等[27]利用125 mmol/L NaCl 鹽脅迫對165份粳稻種質(zhì)資源進行評價,篩選了2個苗期耐鹽性強的水稻材料。郭望模等[20]利用3種不同的鹽濃度對 16 份不同耐鹽能力的秈、粳、爪哇稻進行苗期耐鹽性鑒定,發(fā)現(xiàn) NaCl濃度對許多苗期形態(tài)指標有顯著影響,隨著NaCl處理時間的增長,葉片鹽害指數(shù)與脅迫濃度間的相關(guān)性越來越大。

試驗對219份水稻重組自交系群體材料苗期進行0.7% NaCl處理,通過調(diào)查苗期鹽害等級,苗期篩選出耐鹽性強的材料有2份,耐鹽性中度的材料有50份,耐鹽性弱和極弱材料有117份。鹽處理后水稻材料幼苗均出現(xiàn)株高變矮和根長變短情況,鹽害指數(shù)評價4份耐鹽材料和6份敏感材料,耐鹽材料株高和敏感材料株高與對照處理比較,平均減少2.8和5.3 cm;耐鹽材料和敏感材料存活率與對照處理相比,平均下降79.17%和82.29%。

4 結(jié) 論

219份水稻重組自交系材料芽期受到鹽脅迫后,發(fā)芽勢和發(fā)芽率的鹽害率分別為73.9%和48.1%;鹽脅迫處理后水稻材料幼苗存活率平均下降81.79%,均出現(xiàn)株高變矮和根長變短情況。耐鹽材料和敏感材料的耐鹽性不同,耐鹽材料的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和芽長平均降低52.6%、11.2%和5.7 cm;敏感材料的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和芽長平均降低95.6% 、95.3%和7.5 cm,且敏感材料的發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著低于耐鹽材料。苗期耐鹽材料株高和存活率下降分別為5.8 cm和79.17%,敏感材料株高和存活率顯著下降,分別為8.7 cm和82.29%。篩選出芽期耐鹽性強材料18份,苗期耐鹽性強材料2份。