9份番茄材料種子萌發(fā)期耐鹽堿性評價

張文博, 劉蕓希, 李國銘, 劉慧英

(石河子大學農(nóng)學院/特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團重點實驗室, 新疆 石河子 832003)

土壤鹽漬(堿)化是制約作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的主要非生物脅迫因子之一[1]。我國目前有各類鹽堿地約5.5億畝(3 670萬hm2),其中具有農(nóng)業(yè)利用前景的鹽堿地總面積約1.85億畝(1 230萬hm2),主要集中分布在東北、中北部、西北、濱海和華北五大區(qū)域[3-4]。篩選和培育耐鹽堿品種是現(xiàn)階段鹽堿地治理與農(nóng)業(yè)利用最為有效的手段之一。

番茄(SolanumlycopersicumL.)作為我國重要的園藝作物之一,在露地和設施生產(chǎn)中廣泛栽培。番茄耐鹽性中等,但仍會受到土壤鹽漬(堿)化威脅,導致產(chǎn)量和品質(zhì)下降[5]。經(jīng)過耐鹽堿性改良的番茄品種可用于我國鹽堿區(qū)蔬菜生產(chǎn)。因此鑒定并利用耐鹽堿品種和挖掘耐鹽堿基因,對鹽堿地地區(qū)番茄可持續(xù)生產(chǎn)具有重要的意義[6-7]。種子萌發(fā)是植物構(gòu)建的第一步,也是對逆境最為敏感的時期之一,可以作為植物耐鹽堿性鑒定的重要時期[8-10]。本研究以9份番茄材料作為試驗材料,根據(jù)當?shù)佧}堿土的特征,采用4種鹽(NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3),按照1∶9∶9∶1摩爾比混合配置成不同濃度的溶液以模擬鹽堿脅迫環(huán)境,分析不同程度鹽堿脅迫下番茄材料種子萌發(fā)期各項指標的變化,以評價9份番茄材料的耐鹽堿性。旨在為番茄耐鹽堿品種的創(chuàng)新利用提供理論參考,為耐鹽堿基因的挖掘提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗材料為中國科學院遺傳發(fā)育研究所提供的9份番茄種質(zhì)材料(新鹽1號～新鹽9號)。

1.2 試驗方法

試驗采用4種鹽(NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3),按1∶9∶9∶1摩爾比配置成鹽堿溶液,鹽堿溶液濃度設置6個水平,分別為0(ck,去離子水),20,25,30,35,40 mmol/L的溶液。

每份番茄種質(zhì)材料挑選飽滿均勻的種子,配置0.1% HgCl2溶液浸種消毒15 min,然后用無菌水沖洗干凈,將9份種子分別置于墊有雙層濾紙的發(fā)芽盒中培養(yǎng)。發(fā)芽盒中加入不同濃度的鹽堿溶液進行處理,每個處理重復3次。置于人工氣候箱中培養(yǎng),溫度設定為25 ℃,光照周期為16 h/8 h,光照強度為350 μmol/(m2·s),濕度為50%～55%,試驗過程中以稱重法補充所需水分。以胚根突破種皮2 mm視為萌發(fā),并定期統(tǒng)計種子萌發(fā)情況。

1.3 測定項目及方法

種子發(fā)芽指標測定參照《國際種子檢驗規(guī)程》,測定其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長。

發(fā)芽率/%=(第14天時發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽勢/%=(第7天時發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt,式中:Gt為第t天的發(fā)芽數(shù),Dt為相應的發(fā)芽天數(shù);

活力指數(shù)=GI×S,式中:GI為發(fā)芽指數(shù),S為胚根長度;

胚芽長度(X芽)=(X1+X2+X3+……+X10)/10;

胚根長度(Y根)=(Y1+Y2+Y3+……+Y10)/10;

相對發(fā)芽率/%=(脅迫發(fā)芽率/對照發(fā)芽率)×100%;

相對發(fā)芽勢/%=(脅迫發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢)×100%;

相對根長/%=(脅迫根長/對照根長)×100%;

相對芽長/%=(脅迫芽長/對照芽長)×100%;

發(fā)芽率鹽害率/%=[(對照發(fā)芽率-脅迫發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率]×100%;

發(fā)芽勢鹽害率/%=[(對照發(fā)芽勢-脅迫發(fā)芽勢)/對照發(fā)芽勢]×100%;

根長鹽害率/%=[(對照根長-脅迫根長)/對照根長]×100%;

芽長鹽害率/%=[(對照芽長-脅迫芽長)/對照芽長]×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

1.4.1各主成分的隸屬函數(shù)值

公式為:μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),j=1,2,...,n

式中,μ(Xj)為第j個綜合指標的耐鹽堿系數(shù);Xjmax為第j個綜合指標的耐鹽堿系數(shù)的最大值;Xjmin為第j個綜合指標的耐鹽堿系數(shù)的最小值。

1.4.2各綜合指標權(quán)重的計算

1.4.3耐鹽堿綜合評價值(D)

1.4.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件計算各指標值的耐鹽堿系數(shù)和相對鹽害率,采用SPSS 19.0軟件進行主成分分析,結(jié)合隸屬函數(shù)法求出不同供試品種的D值并排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對番茄種子發(fā)芽勢的影響

由表1可知,不同濃度鹽堿脅迫下,各材料間的發(fā)芽勢差異顯著。與對照相比,20 mmol/L鹽堿溶液處理時,多數(shù)番茄材料受到抑制,其中新鹽1號、新鹽2號、新鹽5號和新鹽8號的發(fā)芽勢受到鹽堿脅迫較為明顯。隨著鹽堿濃度升高,達到 30 mmol/L 時,新鹽3號和新鹽6號只受輕微影響,其他材料發(fā)芽勢迅速降低,新鹽1號和新鹽2號兩個番茄材料甚至完全不萌發(fā),表明較高濃度的鹽堿脅迫會顯著降低種子的發(fā)芽勢。當濃度為35 mmol/L時,各材料間的發(fā)芽勢較對照差異顯著,大多數(shù)的發(fā)芽勢均低于50%。在40 mmol/L鹽堿溶液的脅迫下,供試材料均不萌發(fā)。

表1 鹽堿脅迫下番茄種子發(fā)芽勢Table 1 Germination potential of tomato seeds under saline-alkali stress

2.2 鹽堿脅迫對番茄種子發(fā)芽率的影響

由表2可知,隨鹽堿溶液濃度的升高,9份番茄種子的發(fā)芽率呈下降趨勢,但不同番茄材料降幅存在差異。在20 mmol/L時,新鹽1號和新鹽8號的發(fā)芽率的降幅最大,說明受鹽堿脅迫影響較大,而新鹽3號、新鹽4號和新鹽6號品種的發(fā)芽率基本不受脅迫影響。但隨著鹽堿溶液濃度的增加,對發(fā)芽率的抑制程度不同。其中,新鹽1號在25 mmol/L鹽堿脅迫液中基本不發(fā)芽,而新鹽2號、新鹽6號和新鹽9號即使在40 mmol/L的脅迫液中仍有較高的發(fā)芽率,且以新鹽3號最耐鹽堿,說明番茄材料間對鹽堿脅迫的敏感性差異較大。

表2 鹽堿脅迫下番茄種子發(fā)芽率Table 2 Germination rate of tomato seeds under saline-alkali stress

2.3 鹽堿脅迫對番茄芽苗胚軸長度的影響

由表3可知,隨鹽堿脅迫程度的增加,9份番茄芽苗的胚軸長度受到抑制的程度提高,但不同供試材料受到的抑制程度不同。在20 mmol/L時,相比對照,各供試番茄的胚軸長度受鹽堿脅迫影響較小。從25 mmol/L開始,番茄種子胚軸長度均隨鹽堿溶液濃度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢,當濃度達到40 mmol/L時,試驗材料均出現(xiàn)不萌發(fā)或幼芽停止生長甚至壞死的現(xiàn)象。

表3 鹽堿脅迫下番茄芽苗的胚軸長度Table 3 Hypocotyl length of tomato seedlings under saline-alkali stress

2.4 鹽堿脅迫對番茄芽苗胚根長度的影響

由表4可知,隨鹽堿溶液濃度的增加,參試番茄材料的胚軸生長逐漸受到抑制,但各參試材料間抑制程度不同。在20 mmol/L時,各供試番茄材料的胚根長度相比對照有輕微影響。從30 mmol/L開始,番茄幼苗的胚根長度隨鹽堿溶液濃度的升高而急劇下降。當鹽堿濃度達到40 mmol/L時,各供試材料胚根長度為0～2 cm,呈現(xiàn)不發(fā)芽或幼芽不生長甚至壞死的現(xiàn)象。

表4 鹽堿脅迫下番茄芽苗的胚根長度Table 4 Radicle length of tomato sprouts under saline-alkali stress

2.5 鹽堿脅迫對番茄種子活力指數(shù)的影響

由表5可知。隨鹽堿脅迫程度的增加,供試番茄種子的活力指數(shù)逐漸降低。當鹽堿溶液濃度為20 mmol/L時,新鹽1號、新鹽2號、新鹽4號、新鹽6號、新鹽7號和新鹽9號等的活力指數(shù)降幅較大,因此受影響較大,胚根生長緩慢甚至枯萎;當濃度達到30 mmol/L時,大部分番茄材料的胚芽開始腐爛,胚根生長緩慢, 其中新鹽1號、新鹽2號和新鹽8號的活力指數(shù)大幅度下降,表明這3個材料對鹽堿混合脅迫比較敏感。

表5 鹽堿脅迫下番茄種子的活力指數(shù)Table 5 Vigour index of tomato seeds under saline-alkali stress

2.6 鹽堿脅迫下番茄萌發(fā)相關(guān)指標分析

分別計算 20～40 mmol/L 脅迫下各指標與對照的相對值,以20～40 mmol/L 的平均值作為脅迫濃度。由表6可知,在鹽堿脅迫下,不同材料及不同萌發(fā)指標之間的差異較大,分析結(jié)果顯示,新鹽3號的相對發(fā)芽勢(75.30%)最高,顯著高于其他供試番茄材料,說明發(fā)芽勢受鹽堿脅迫的影響較小。新鹽3號的相對發(fā)芽率(85.93%)最高,且顯著高于其他番茄材料。相對芽長受鹽堿脅迫的影響最小,相對根長受鹽堿脅迫的影響僅次于相對發(fā)芽勢。新鹽4號的相對芽長(85.00%)和相對根長(48.33%)均最大,且顯著高于其他番茄材料。新鹽8號的相對發(fā)芽勢鹽害率(92.11%)最高。新鹽1號的相對發(fā)芽率鹽害率(88.37%)最高,顯著高于新鹽2號(68.94%),說明新鹽1號受鹽堿脅迫影響最大。芽長鹽害率(64.89%)和根長鹽害率(68.62%)均以新鹽1號最高,且顯著高于其他供試番茄材料,說明20～40 mmol/L脅迫對番茄生長發(fā)育有明顯的抑制作用。各項指標的變異系數(shù)在9.59%～71.46%之間,其中相對發(fā)芽勢和發(fā)芽率鹽害率的變異系數(shù)最大,分別為71.46%和51.85%,說明鹽堿脅迫對番茄種子的這2項指標更易造成影響。

表6 鹽堿脅迫下番茄萌發(fā)相關(guān)指標分析Table 6 Analysis of related indicators of tomato germination under saline-alkali stress 單位:%

2.7 主成分分析

主成分分析是通過降維的方法將多個指標通過幾個綜合的指標反映出來,以少量主成分來反映原始指標提供的信息,可以使研究目標較為集中,研究結(jié)果較為清晰。為了對不同常規(guī)型番茄種子的耐鹽堿性進行綜合評價,選取常規(guī)型番茄品種9項指標進行主成分分析,其中特征值與方差貢獻率是選取主成分的關(guān)鍵。

對供試的9個番茄材料的9項與耐鹽堿性有關(guān)的指標進行主成分分析。從表7可以看出,按照累積貢獻率≥85%的原則提取3個主成分Z1、Z2和Z3,分別對應的貢獻率為68.088%,16.866%和10.562%,這3個主成分的累積貢獻率達到了95.517%,基本包含了所測供試常規(guī)番茄耐鹽堿指標的全部信息,3個主成分的基本表達式如下:

表7 番茄種子耐鹽堿性評價的主成分分析Table 7 Principal component analysis of salt and alkali tolerance evaluation of tomato seeds

Z1=0.132X1+0.155X2+0.131X3+0.124X4-0.132X5-0.155X6-0.131X7-0.124X8+0.124X9;

Z2=0.375X1+0.083X2-0.168X3-0.384X4-0.375X5-0.083X6+0.168X7+0.384X8+0.116X9;

Z3=-0.051X1+0.078X2-0.552X3+0.286X4+0.051X5-0.078X6+0.552X7-0.286X8+0.510X9。

式中,X1～X9分別表示供試番茄的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根長、相對芽長、發(fā)芽勢鹽害率、發(fā)芽率鹽害率、根長鹽害率、芽長鹽害率和活力指數(shù)9項指標。

如表8,番茄各項指標的載荷矩陣中各個因子系數(shù)絕對值大小能直觀地體現(xiàn)該因子貢獻值大小。 從表2～表8可以看出,主成分表達式中貢獻率最大的因子依次是:第1主成分中的發(fā)芽率鹽害率(-0.155)、相對發(fā)芽率(0.155),第2主成分中的芽長鹽害率(0.384)、相對芽長(-0.384),第3主成分中的根長鹽害率(0.552)、相對根長(-0.552)。

表8 番茄各項指標的載荷矩陣Table 8 Load matrix of each index of tomato

2.8 隸屬函數(shù)分析

根據(jù)綜合評價公式對9份番茄種質(zhì)材料種子萌發(fā)期的耐鹽堿性進行綜合評價(求得D值)。D值反映了各材料的綜合耐鹽堿能力的大小,數(shù)值越大表明越耐鹽堿,結(jié)果如圖1所示。供試番茄材料的D值排序依次為新鹽3號>新鹽6號>新鹽9號>新鹽4號>新鹽7號>新鹽5號>新鹽2號>新鹽8號>新鹽1號。其中新鹽3號、新鹽6號和新鹽9號的D值分別為1.00,0.78和0.76,說明其發(fā)芽率鹽害率、芽長鹽害率和根長鹽害率低,耐鹽堿性最強,而新鹽8號和新鹽1號的D值在所有供試野生型番茄中最低,耐鹽堿性最弱。

注:C1～C9代表新鹽1號～新鹽9號。圖1 常規(guī)番茄耐鹽堿的綜合評價值Fig.1 Comprehensive evaluation of salt and alkali tolerance of conventional tomato

3 討 論

在種子萌發(fā)期間,評定種子的發(fā)芽情況常用發(fā)芽率、發(fā)芽勢、相對鹽害率以及活力指數(shù)等評價指標,發(fā)芽勢能反映種子出苗整齊度以及出苗速度,發(fā)芽指數(shù)代表了種子的活力大小[11-13]。而發(fā)芽率同樣作為檢測種子抗逆性的重要指標之一,此外還使用相對鹽害率來直觀地反映種子受鹽脅迫的程度[14-15]。逆境下種子萌發(fā)的胚芽和胚根長度,也能反映非生物脅迫對種子萌芽成幼苗期間的危害[16]。本研究結(jié)果表明,9份供試番茄材料的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長和芽長等均隨著鹽堿濃度的增大而減小,這與張慶昕等[17]在飼用谷子上的研究結(jié)果基本一致。徐婷等[18]研究發(fā)現(xiàn),鹽堿脅迫抑制花生種子萌發(fā),且隨著鹽堿溶液濃度增加,種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和活力指數(shù)均呈明顯的下降趨勢,而鹽害率呈上升趨勢。本研究表明,20 mmol/L脅迫下對大部分番茄材料發(fā)芽的活力指數(shù)影響較小,當鹽堿溶液濃度達到35 mmol/L時,大部分番茄材料的種子發(fā)芽活力指數(shù)下降趨勢明顯,說明進行耐鹽堿評價的適宜濃度為35 mmol/L。

王慧敏等[19]研究發(fā)現(xiàn),鹽堿脅迫對谷子種質(zhì)資源萌發(fā)期的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對芽長、相對根長、發(fā)芽率鹽害率、發(fā)芽勢鹽害率、芽長鹽害率以及根長鹽害率等指標均有影響。鹽堿脅迫涉及一系列復雜的生理生化反應,植物耐鹽堿性的強弱是由多方面耐鹽堿指標體現(xiàn)的,而評價某一種質(zhì)的耐鹽堿性,僅靠單一的指標,無法客觀地評價其耐鹽堿性[20]。因此,選擇合適的耐鹽堿評價方法至關(guān)重要。大多數(shù)作物在進行耐鹽堿性評價時,多采用隸屬函數(shù)等的評價方法,往往忽略了各項指標的重要程度[21-24]。本試驗運用主成分分析法先降維分析,再結(jié)合隸屬函數(shù)分析法進行綜合評價,比較了不同番茄材料種子萌發(fā)期耐鹽堿性的差異,對番茄材料的耐鹽堿性做了綜合評價,既避免了單個指標分析結(jié)果的片面性,又考慮了不同指標間權(quán)重的差別。因此,這種分析方法能夠客觀反映不同試驗材料的耐鹽堿能力。本試驗對發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)和鹽害率等9個耐鹽堿性相關(guān)指標進行耐鹽堿能力綜合評價,使用主成分分析法,將9個相互獨立的指標轉(zhuǎn)換為3個相對獨立的復合指標,累計貢獻率可達95.517%(表7),基本包含了所測供試常規(guī)番茄耐鹽堿指標的全部信息。將所有供試常規(guī)番茄材料的D值經(jīng)過排序,各材料耐鹽堿能力由強至弱依次為新鹽3號、新鹽6號、新鹽9號、新鹽4號、新鹽7號、新鹽5號、新鹽2號、新鹽8號、新鹽1號。耐鹽堿等級劃分結(jié)果表明,不同番茄品種在相同鹽堿溶液脅迫下,新鹽3號較其他材料的耐鹽堿能力強,為高耐鹽堿品種,新鹽1號相比其他番茄材料的耐鹽堿能力最差,為鹽堿敏感品種。本研究旨在篩選耐鹽堿番茄材料,擴大番茄種植面積,從而提高鹽堿地利用率,為加快番茄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎材料和理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

綜上所述,相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對芽長、相對根長和種子活力指數(shù)等5個指標可以作為番茄種子萌發(fā)期耐鹽堿性鑒定的綜合指標。35 mmol/L的鹽堿濃度能較好地反映番茄材料間的耐鹽堿性差異。9份參試番茄材料中,耐鹽堿性較強的為新鹽3號、新鹽6號和新鹽9號。