漯系列甘薯品種苗期耐鹽性評價

王清，孟凡奇*，張勇躍，馬春業(yè)，孫健，朱新紅，秦素妍，劉勇鵬，黃大華，劉志堅，司學剛

(1.漯河市農(nóng)業(yè)科學院，河南 漯河 462000；2.江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所/江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇 徐州 221131；3.漯河市農(nóng)業(yè)技術推廣站，河南 漯河 462000)

隨著全球人口急劇增加、氣候變暖、不合理的灌溉方式及肥料施用等誘發(fā)鹽漬化土壤面積不斷擴大，全世界約有10 億hm2耕地鹽漬化，且呈逐年上升趨勢[1]。 目前我國鹽堿地面積約9 913 萬hm2，據(jù)估計到2050 年，將有50%的耕地鹽堿化[2，3]。 鹽堿脅迫是當前農(nóng)作物面臨的重要問題之一，鹽堿地上種植作物會遭受離子毒害、滲透脅迫等，最終導致其形態(tài)學、生理學及生物化學等性狀受到影響，進而抑制正常生長，嚴重威脅作物生產(chǎn)與其可持續(xù)發(fā)展[4-6]。

甘薯作為旋花科一年生或多年生蔓生塊根植物，是我國重要的糧食、飼料、工業(yè)原料及新型能源作物，種植面積僅次于水稻、小麥和玉米[7，8]，具有營養(yǎng)豐富、用途廣泛、產(chǎn)量高、抗逆性(耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等)強等特點[9]，而且適宜在邊際土地上種植。 隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，甘薯作為經(jīng)濟和能源作物的作用日益凸顯[10]。 鹽漬化土壤含鹽量高，適宜種植的作物少。 相關研究表明，甘薯種植在含鹽量0.5%的土地上仍有一定產(chǎn)量，但品種間差異較大[11]。 鹽漬化土壤種植甘薯，不僅生長發(fā)育受到抑制，成活率降低，產(chǎn)量和品質(zhì)也下降，限制甘薯增產(chǎn)潛力，使甘薯產(chǎn)業(yè)面臨巨大危機[12，13]。 因此，培育和篩選耐鹽甘薯品種，提高甘薯的耐鹽性將是其未來主要育種目標之一[14]。

作物形態(tài)變化研究在其耐鹽性鑒定與評價中被廣泛應用[9]。 而利用隸屬函數(shù)法、綜合評價值(D 值)對水稻[3]、甜瓜[15]、小麥[16]、辣椒[17]等作物進行抗逆性、耐鹽性鑒定已有相關報道。 甘薯耐鹽性研究也有報道:周志林等[18]研究發(fā)現(xiàn)，150 mmol/L NaCl 脅迫下耐鹽基因型甘薯可保持較高的生長速率；段文學等[9]通過多元統(tǒng)計分析表明，植株莖葉干鮮重、根系鮮重、葉片SOD 活性、MDA 及脯氨酸含量可以作為甘薯苗期耐鹽性的鑒定指標；郭小丁[19]在大田條件下以產(chǎn)量為評價指標，篩選出多個耐鹽甘薯品種。 前人雖對甘薯耐鹽形態(tài)及生理等指標鑒定進行過相關研究，但甘薯具有豐富的遺傳多樣性，個體差異大，不同品種的耐鹽能力差異較大，其耐鹽指標的變化情況也不盡相同。 本試驗設置100、150、200 mmol/L 3個鹽濃度脅迫處理，研究其對16 個甘薯品種幼苗生長的影響，利用相關性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)法對鹽脅迫下甘薯苗期12 個農(nóng)藝性狀進行綜合分析和評價，并通過聚類分析將參試品種按耐鹽能力大小進行分類，客觀全面地評價不同甘薯品種苗期耐鹽差異，為鹽漬土的開發(fā)利用挖掘耐鹽甘薯品種，也為培育耐鹽甘薯新品種、快速評價甘薯苗期耐鹽性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 參試品種

紫薯型品種:漯紫薯1 號、漯紫薯4 號、漯紫薯5號和漯紫薯6 號；食用型品種:漯蘇薯17 號、A114-2和漯薯13 號；兼用型品種:漯薯6 號、漯徐薯8 號、漯徐薯9 號、漯薯10 號、漯薯11、漯薯12 號、漯薯14號、漯薯15 號和漯薯16 號。 上述品種均由漯河市農(nóng)業(yè)科學院園藝與薯類作物研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗于2021 年5 月在漯河市農(nóng)業(yè)科學院試驗基地人工溫室內(nèi)進行。 各品種均選取4 個長20 cm 左右的莖尖薯苗栽插于營養(yǎng)缽(土壤∶蛭石∶腐殖質(zhì)＝1∶1∶1)中，每個營養(yǎng)缽栽1 株。 設置空白對照和100、150、200 mmol/L NaCl 處理開展耐鹽性篩選，對照用1/2Hoagland 營養(yǎng)液澆灌，鹽脅迫處理為含有不同鹽濃度的1/2Hoagland 營養(yǎng)液。 薯苗栽插5 天時開始處理，每個處理組每天遞增50 mmol/L NaCl 至其終濃度，之后每5 天澆灌1 次。 每處理10 個營養(yǎng)缽，重復3 次。

1.3 測定指標及方法

鹽脅迫25 天時，測定甘薯總?cè)~數(shù)、綠葉數(shù)、蔓長、生長量、莖粗、頂3—頂8 節(jié)間長、總節(jié)間數(shù)、葉綠素含量、頂3 葉葉面積、根系長度、地上部干鮮重和地下部干鮮重。 其中，薯苗總?cè)~片數(shù)、綠葉數(shù)采用觀察法計數(shù)；蔓長為苗基部到植株生長點的長度，根系長度為莖節(jié)的根原基至最長須根的距離，生長量為薯苗終蔓長減去原始蔓長，均用直尺測量；莖粗為苗基部位置直徑，用數(shù)顯游標卡尺測量；地上部和地下部鮮重，用千分度電子天平稱量；地上部和地下部干重:其鮮樣于烘箱中105℃殺青15 min，然后80℃烘48 h 至恒重，用千分度電子天平稱量；葉綠素含量用葉綠素測定儀(YNYLS，鄭州錦農(nóng)科技有限公司產(chǎn)品)測定[19]；頂3葉葉面積用葉面積儀(YaXin-1241，北京雅欣理儀科技有限公司產(chǎn)品)測量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用WPS 表格統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)并按下列公式計算各指標相對值、脅迫系數(shù)及各指標隸屬函數(shù)值等；用SPSS 19.0 軟件對各指標相對值進行相關性分析，對脅迫系數(shù)進行主成分分析，根據(jù)D值進行聚類分析。

相對值(%)＝鹽脅迫處理值/對照值×100 ；

脅迫系數(shù)(%)＝(對照值-鹽脅迫處理值)/對照值×100 ；

變異系數(shù)(%)＝標準差/均值×100 ；

隸屬函數(shù)值μ(Xj)＝(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin) ；

各綜合指標的權重Wj＝Pj/∑Pj(j ＝1，2，…，n) ；

各材料耐鹽性綜合評價值D ＝∑[U(Xj)×Wj](j＝1，2，…，n) 。

式中μ(Xj) 表示第j 個指標的隸屬函數(shù)值，Xjmax、Xjmin分別表示第j 個指標的最大值和最小值；Wj即權重，表示第j 個指標在所有綜合指標中的重要度，Pj則表示每個供試品種第j 個綜合指標的貢獻率；D 表示各供試品種耐鹽性的綜合評價值，具體分析參考周亞峰等[15]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽濃度脅迫下甘薯幼苗農(nóng)藝性狀差異

由表1 可知，與CK 相比，100 mmol/L NaCl脅迫下，除了根系長度、地上地下部鮮重、地上地下部干重外，16 個參試品種的其余各項指標均未達到顯著差異；150 mmol/L NaCl 脅迫下，各項指標與CK 均達到顯著差異；150 mmol/L 與200 mmol/L NaCl 脅迫處理相比，綠葉數(shù)、生長量、莖粗、總節(jié)間數(shù)、地下部干重差異不顯著。 這表明選擇150 mmol/L NaCl 脅迫處理對甘薯幼苗進行耐鹽性評價較為適宜。

表1 不同鹽濃度脅迫下甘薯幼苗農(nóng)藝性狀差異

此外，隨著鹽濃度升高，14 個指標的均值均表現(xiàn)為不同程度的降低。 150 mmol/L NaCl 脅迫下，對鹽脅迫響應較為敏感的是地下部鮮重(脅迫系數(shù) 68.85%)、 地下部干重(脅迫系數(shù)68.64%)、綠葉數(shù)(脅迫系數(shù)47.29%)、生長量(脅迫系數(shù)40.06%)；除莖粗(脅迫系數(shù)2.93%)、葉綠素含量(脅迫系數(shù)10.76%)外，其余指標的脅迫系數(shù)均超過15%。 說明該濃度鹽脅迫下14 個指標在供試品種之間表現(xiàn)出較大差異，變異系數(shù)較大的有地下部鮮重(變異系數(shù)63.87%)、綠葉數(shù)(變異系數(shù)61.68%)、地下部干重(變異系數(shù)52.79%)，除莖粗(變異系數(shù)6.78%)、葉綠素含量(變異系數(shù)12.43%)外，其余性狀的變異系數(shù)均在16%以上，表明這些性狀對鹽脅迫尤為敏感，不同品種甘薯幼苗的耐鹽性存在顯著遺傳差異。

2.2 鹽脅迫下甘薯苗期各農(nóng)藝性狀相對值的相關性分析

由表2 可以看出，甘薯幼苗總?cè)~數(shù)與綠葉數(shù)、地上部鮮重、地下部鮮重呈極顯著正相關，與總節(jié)間數(shù)、地上部干重、地下部干重呈顯著正相關；綠葉數(shù)與地上部鮮重、地上部干重呈極顯著正相關，與葉綠素含量、地下部鮮重呈顯著正相關；蔓長與莖粗呈顯著正相關；頂3 葉葉面積與地上部鮮重呈顯著正相關；根系長度與地下部鮮重呈顯著正相關；地上部鮮重與地上部干重呈極顯著正相關；地下部鮮重與地下部干重呈極顯著正相關。生長量、頂3—頂8 節(jié)間總長與其它指標均無顯著相關性，表明除這2 個指標外其余12 個指標均存在不同程度的相關性，綜合影響著甘薯幼苗的耐鹽能力，可作為甘薯品種耐鹽與否的評價指標。

2.3 鹽脅迫下甘薯苗期農(nóng)藝性狀的主成分分析

采用主成分分析法，對多個變量進行綜合和簡化，可有效避免各個指標間的信息重疊。 將12個指標(總?cè)~數(shù)、綠葉數(shù)、蔓長、莖粗、總節(jié)間數(shù)、葉綠素含量、頂3 葉葉面積、根系長度、地上部干鮮重和地下部干鮮重)對應的相對變化值(或脅迫系數(shù))構建原始數(shù)據(jù)矩陣，對數(shù)據(jù)標準化處理后取大于1 的特征值，共獲得4 個主成分(表3)，其貢獻率依次為39.986%、19.947%、13.475%和9.252%，累積貢獻率達82.660%，即可解釋82.660%的總變異，表明這4 個獨立的綜合指標能夠反映12 個原始指標所攜帶的絕大部分信息，其余8 個成分則可忽略不計。

表3 150 mmol/L NaCl 脅迫下甘薯苗期農(nóng)藝性狀主成分特征值和貢獻率

由表3 和表4 可知，主成分1 貢獻率為39.986%，主要作用因子是綠葉數(shù)(0.882)、地上部鮮重(0.839)、總?cè)~數(shù)(0.829)、地上部干重(0.813)、葉綠素含量(0.561)、頂3 葉葉面積(0.501)等；主成分2 貢獻率為19.947%，主要作用因子是根系長度(0.857)、地下部鮮重(0.416)、總?cè)~數(shù)(0.345)等；主成分3 貢獻率為13.475%，主要作用因子是總節(jié)間數(shù)(0.717)、蔓長(0.676)等；主成分4 貢獻率為9.252%，主要作用因子是地下部鮮重(0.490)、地下部干重(0.409)、莖粗(0.387)等。綜合4 個主成分所攜帶的信息看出，綠葉數(shù)、地上部鮮重、總?cè)~數(shù)、地上部干重、根系長度這5 個關鍵指標足以反映12 個指標的絕大部分信息。

表4 150 mmol/L NaCl 脅迫下甘薯苗期農(nóng)藝性狀各綜合指標的系數(shù)

2.4 甘薯苗期耐鹽性綜合評價

由表5 可知，以4 個綜合指標值作為基礎數(shù)據(jù)，利用1.4 中的隸屬函數(shù)公式分別計算16 個參試品種的隸屬函數(shù)值μ。 針對某一指標，隸屬函數(shù)值越大，說明該品種在此綜合指標中越耐鹽，反之耐鹽性越弱。 依據(jù)苗期各綜合指標對總變異貢獻率的大小，利用1.4 中的權重公式計算出4 項指標的權重(W)，依次為:0.4837、0.2413、0.1630、0.1119。 利用4 個綜合指標值及其權重計算出供試品種的耐鹽性綜合評價值(D值)，并根據(jù)D值大小對不同品種的耐鹽性強弱進行排名，D 值越小，耐鹽性越強，反之越弱。 耐鹽性前3 位的品種分別是漯薯11、漯蘇薯17 號和漯薯13 號，鹽敏感前3 位的品種分別是漯薯14 號、漯薯6 號和漯紫薯5 號。

表5 150 mmol/L NaCl 脅迫下16 個甘薯品種的μ(X)、權重(W)和D 值

基于D 值最大距離法進行聚類，用Ward 法的歐氏距離來衡量不同品種的耐鹽能力強弱(圖1):在歐式距離為5 時16 個供試品種劃分為4類，即極耐鹽、耐鹽、弱耐鹽、鹽敏感4 個等級。 其中，Ⅰ類極耐鹽品種包括漯薯13 號、漯紫薯4 號、漯薯11、漯徐薯9 號和漯蘇薯17 號(5 個)；Ⅱ類耐鹽品種包括A114-2、漯薯15 號和漯薯16 號(3個)；Ⅲ類弱耐鹽品種包括漯紫薯1 號和漯紫薯6號(2 個)；Ⅳ類鹽敏感品種包括漯紫薯5 號、漯薯6 號、漯薯10 號、漯薯12 號、漯薯14 號和漯徐薯8 號(6 個)。

圖1 鹽脅迫下甘薯苗期耐鹽性聚類分析

3 討論與結(jié)論

甘薯作為一種重要的雜糧先鋒作物，雖具有抗逆性強、適應性廣等突出特點，但是鹽分過量也會影響植株的正常生長發(fā)育，生物量、葉面積等會受到不同程度的抑制[20]。 研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下不同甘薯品種幼苗保護酶活性、脯氨酸含量及維持細胞滲透勢的能力各不相同，因此對鹽脅迫的反應會呈現(xiàn)出較大差異[21，22]。 有研究表明，隨NaCl脅迫濃度的提高，甘薯幼苗株高和葉面積生長受到抑制，葉片中的生長素水平下降[12]；王文婷等[23]研究認為，隨著鹽濃度逐漸增加，甘薯幼苗鹽害程度增大。 本試驗中，3 種鹽濃度(100、150、200 mmol/L NaCl)脅迫下，隨著鹽濃度增加不同甘薯幼苗的鹽害程度呈現(xiàn)不同變化:150 mmol/L NaCl 脅迫下幼苗14 個農(nóng)藝性狀指標與CK 均差異顯著，其與200 mmol/L NaCl 脅迫相比14 個農(nóng)藝性狀中綠葉數(shù)、生長量等指標差異均不顯著，且除莖粗、葉綠素含量外其它12 個農(nóng)藝性狀的品種間變異系數(shù)均在16%以上，因此可作為甘薯幼苗耐鹽性評價的適宜濃度。 這與崔紀超等[24]的結(jié)論(150 mmol/L NaCl 鹽脅迫下，不同甘薯品種苗期相對生長量、葉面積、植株死亡率、鹽害率和鹽害指數(shù)、植株干重、鮮重等均發(fā)生變化)、王靈燕等[25]在室內(nèi)的結(jié)論(150 mmol/L NaCl 條件下篩選出了苗期耐鹽性強的品種)相一致。 過曉明等[26]研究指出，甘薯幼苗葉綠素含量隨鹽脅迫濃度的增加不斷下降但差異不顯著，本研究則發(fā)現(xiàn)鹽濃度由150 mmol/L 增至200 mmol/L 時差異顯著，這與前人研究略有差異，可能主要是由于不同甘薯品種基因型不同所致。

作物耐鹽性是多個因素相互作用的綜合反應體系，單一或者少量指標存在局限性，也不具有說服力，難以全面準確地反映作物的耐鹽能力[27]。赫衛(wèi)等[28]研究表明，鑒定及描述作物相關農(nóng)藝性狀具有直觀、簡便、易行、快速的特點，可以利用相關性分析、主成分分析和隸屬函數(shù)法、聚類分析等多元分析方法對耐鹽性、抗逆性強的品種進行鑒定篩選。 本研究對鹽脅迫下16 個甘薯品種苗期的14 個生長性狀進行相關性、主成分和聚類分析，結(jié)果表明，除生長量、頂3—頂8 節(jié)間總長這2個指標外其余12 個性狀指標均存在不同程度的相關性；采用主成分分析法，將原有12 個指標的脅迫系數(shù)按其貢獻率大小轉(zhuǎn)換為4 個獨立的綜合決定指標，其累積貢獻率達82.660%，即能代表供試品種的絕大部分信息及耐鹽能力的差異，其中篩選的綠葉數(shù)、根系長度、總節(jié)間數(shù)、地下部干重4 個耐鹽指標與段文學等[9]利用逐步回歸方法、孫凱等[27]利用隸屬函數(shù)法選出的具有顯著性差異的決定性指標結(jié)果一致。 運用隸屬函數(shù)對4 個獨立綜合指標按其貢獻率(權重)進行加權，獲得可客觀反映各品種耐鹽性的綜合評價值(D 值)，其可在不同品種之間進行直接比較，并能直觀地反映甘薯品種的耐鹽性差異。 利用隸屬函數(shù)對各品種農(nóng)藝性狀指標的脅迫系數(shù)歸一量化，通過聚類分析將16 個甘薯品種分成4 類:Ⅰ類為極耐鹽品種(5 個)、Ⅱ類為耐鹽品種(3 個)、Ⅲ類為弱耐鹽品種(2 個)、Ⅳ類為鹽敏感品種(6 個)。 篩選出耐鹽性極強品種3 個，分別是漯薯11、漯蘇薯17 號和漯薯13 號。 本試驗也發(fā)現(xiàn)，耐鹽品種對鹽脅迫具有很好的適應性，能保持較高生長速率，這與隆小華等[29]的研究結(jié)果相似。

溫室條件下的甘薯苗期鑒定可以有效避免氣候及土壤等外界因素的影響，能相對客觀地反映各個甘薯品種苗期的耐鹽程度[24，30]，但決定甘薯經(jīng)濟產(chǎn)量的指標主要是塊根，因此苗期確定耐鹽的甘薯品種是否適宜在鹽堿地種植且獲得高產(chǎn)，還需要生產(chǎn)實踐，結(jié)合大田鮮薯及薯干產(chǎn)量等數(shù)據(jù)進一步驗證[31，32]。