馬鈴薯種質(zhì)資源的耐堿性評(píng)價(jià)和耐堿種質(zhì)離體篩選

劉芳 陳廣俠 趙朋 于韶瑋 楊元軍

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；耐堿性；綜合評(píng)價(jià)；種質(zhì)篩選

土壤鹽漬化已成為一個(gè)全球性問(wèn)題，我國(guó)土地的鹽漬化程度也比較高，面積約9913×104hm2，占國(guó)土面積的10.03%。鹽漬土分布地區(qū)比較廣泛，主要在東北松嫩平原、華北黃淮海平原、沿海地區(qū)和新疆、河西走廊、柴達(dá)木盆地。馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)豐富，是我國(guó)第五大作物，全國(guó)年播種面積達(dá)到545.61x104hm2，總產(chǎn)量達(dá)到1.22億噸，是我國(guó)糧食安全的重要組成部分。因此，充分利用鹽堿地種植馬鈴薯，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全和提高鹽堿地利用率具有重要意義。

馬鈴薯屬于中度鹽敏感作物，大部分品種在鹽堿脅迫下植株的形態(tài)和生理方面都會(huì)受到影響，植株表現(xiàn)為變矮、簇生、葉片黃化，葉片葉綠素含量降低、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加、抗氧化酶活性增強(qiáng)。目前，適宜在鹽堿地上種植的馬鈴薯品種非常缺乏，因此篩選和培育馬鈴薯耐鹽堿品種（系）是在鹽堿地上高效種植馬鈴薯的關(guān)鍵。本試驗(yàn)就馬鈴薯耐鹽堿種質(zhì)篩選進(jìn)行相關(guān)研究，以期為耐鹽堿馬鈴薯品種（系）培育和馬鈴薯耐鹽堿機(jī)理研究提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以課題組前期從1000余份馬鈴薯種質(zhì)中篩選出的12份耐鹽種質(zhì)和10份鹽敏感種質(zhì)為材料（表1）。

1.2試驗(yàn)方法

選取生理狀態(tài)一致的上述22份種質(zhì)材料的組培苗，去掉頂芽，將植株切成含有一個(gè)腋芽的1cm莖段，接種到不同濃度NaHC03培養(yǎng)基上，每處理4瓶，每瓶接種6個(gè)莖段。基礎(chǔ)培養(yǎng)基為MS培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH值為5.80后加入NaHC03，使其濃度分別為0、5、10、15、20mmol/L。在2000lx、12 h/d光照條件下培養(yǎng)60d．測(cè)定植株的有效生長(zhǎng)率，并建立植株有效生長(zhǎng)率與NaHCO3濃度的回歸方程。根據(jù)回歸方程，計(jì)算植株有效生長(zhǎng)率達(dá)到50%時(shí)的NaHC03濃度，并以此濃度確定為馬鈴薯耐堿性評(píng)價(jià)的適宜堿濃度。

將供試22份種質(zhì)的莖段定植于確定的堿濃度培養(yǎng)基上，每處理4瓶，每瓶接種6個(gè)莖段。在2000 lx、12h/d光照條件下培養(yǎng)，60d后調(diào)查植株的生長(zhǎng)狀況，測(cè)定植株的有效生長(zhǎng)率、株高、莖葉重、根數(shù)、根重，根據(jù)公式（耐堿系數(shù)=堿脅迫下植株某一指標(biāo)的測(cè)定值／非堿脅迫下植株該指標(biāo)的測(cè)定值）計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的耐堿系數(shù)。根據(jù)這些指標(biāo)值及其耐堿系數(shù)，對(duì)種質(zhì)的耐堿性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)上述耐堿性評(píng)價(jià)，篩選出耐堿種質(zhì)，加大選擇壓，分析其在高濃度NaHC03脅迫下的生長(zhǎng)情況，篩選出高度耐堿種質(zhì)。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1馬鈴薯種質(zhì)耐堿性評(píng)價(jià)的適宜堿濃度

植株有效生長(zhǎng)率代表植株能夠生長(zhǎng)的百分比。圖1顯示，NaHC03濃度為0～20mmol/L時(shí)，隨著NaHCO。濃度升高，植株的有效生長(zhǎng)率逐漸降低，擬合曲線(xiàn)為v=-4.7738x+105.32，其中，y為有效生長(zhǎng)率，x為NaHC03濃度。根據(jù)公式計(jì)算植株有效生長(zhǎng)率為50%時(shí)的NaHC03濃度為11.60mmol/L，把這個(gè)濃度確定為篩選馬鈴薯耐堿性的適宜堿濃度。

2.2馬鈴薯種質(zhì)資源的耐堿性評(píng)價(jià)

相對(duì)耐堿性是指相較于對(duì)照處理植株在堿性鹽脅迫下生長(zhǎng)對(duì)堿的耐受性，它是一個(gè)相對(duì)值（耐堿系數(shù)）。絕對(duì)耐堿性是指植株在堿脅迫下的生長(zhǎng)情況，它反映植株對(duì)堿脅迫環(huán)境的適應(yīng)性。

2.2.1馬鈴薯種質(zhì)的相對(duì)耐堿性鑒定對(duì)22份種質(zhì)在11.60mmol/L NaHCO3脅迫下的耐堿系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。與非堿脅迫相比，在11.60mmol/L NaHCO3脅迫下，植株有效生長(zhǎng)率、莖葉重、根重、株高、生根數(shù)的耐堿系數(shù)整體上呈下降趨勢(shì)。其中B154、D56、S201503、SD336的有效生長(zhǎng)率變化小，均在10%以下，D55、B302、SD751、16vY16有效生長(zhǎng)率降低12%～17%。D56、S201503、15vC2-37、XS8的莖葉重受影響較效，減少量在20%以?xún)?nèi)；D56、S201503、15vC2-37、XS8、B686株高受影響較小，減少量在10%以?xún)?nèi)。所以D56、S201503、15vC2-37、XS8植株地上部受到的影響較小。在所有生長(zhǎng)指標(biāo)中，根重受到的影響最大，其中B154受到的影響最小，減少量低于10%，減少量在50%以?xún)?nèi)的有B154、D56、D55、S201503、SD405；生根數(shù)受到的影響較大，減少量在30%以下的有B154、15vC2-37、B686、16vY16，減少量低于10%的只有B154。總之，在11.60mmol/L NaHCO3脅迫下，B154、D56和S201503生長(zhǎng)受到的影響較小。

從表2中可以看出，耐堿材料的有效生長(zhǎng)率、莖葉重、根重、株高和生根數(shù)的耐堿系數(shù)平均值為0.77、0.69、0.45、0.84、0.58，鹽敏感材料對(duì)應(yīng)指標(biāo)的耐堿系數(shù)為0.51、0.33、0.17、0.40、0.30，表明耐鹽材料的耐堿系數(shù)明顯高于鹽敏感材料。

2.2.2馬鈴薯種質(zhì)的絕對(duì)耐堿性鑒定對(duì)22份種質(zhì)在11.60mmol/L NaHCO3脅迫下的生長(zhǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。不同材料的莖葉重、根重、株高和生根數(shù)的表現(xiàn)不同（圖2）。由表3可知，B154、D56、S201503、SD336的有效生長(zhǎng)率在90%以上，D55、B302、SD751的有效生長(zhǎng)率在80%～90%之間；有效生長(zhǎng)植株中，B154、D56、S201503、D55的莖葉重較高，在2.00g以上，B154、D56、S201503．XS8、B686的株高較高，在10.00cm以上。所以地上部生長(zhǎng)較好的種質(zhì)是B154、D56、S2015030 8154、D56、D55、16vY16的根重在0.7g以上；B154、D56、S201503、16vY16、9304、B515的生根數(shù)在3條以上，所以B154、D56、16vY16的地下部生長(zhǎng)較好。總之，地上部和地下部生長(zhǎng)較好的種質(zhì)為B154、D56。

從表3中可以看出，耐鹽材料的有效生長(zhǎng)率、莖葉重、根重、株高和生根數(shù)的平均值為76.39%、1.60g、0.61g、9.41cm、2.64條，鹽敏感材料對(duì)應(yīng)指標(biāo)的平均值為47.08%、0.71g、0.26g、4.47cm、1.51條。表明耐鹽材料的生長(zhǎng)指標(biāo)明顯優(yōu)于鹽敏感材料。

2.2.3馬鈴薯種質(zhì)高度耐堿品系鑒定通過(guò)上述耐堿性評(píng)價(jià)，篩選出兩份耐堿種質(zhì)B154和D56。為明確這2份種質(zhì)的耐堿極限，設(shè)置20mmol/L NaHCO3處理，分析其在高濃度NaHCO3脅迫下的生長(zhǎng)情況。結(jié)果（表4）顯示，20mmol/LNaHC03脅迫下，B154和D56仍有約一半的植株能夠有效生長(zhǎng)，莖葉重分別為1.50g和0.45g，為對(duì)照的34.48%和14.56%；根重分別為0.65g和0.14g，為對(duì)照的31.25%和9.33%；株高分別為8.31cm和5.10cm，為對(duì)照的64.77%和48.90%。

3討論與結(jié)論

我國(guó)的鹽堿土主要分為中性鹽漬化土壤和堿性土壤，其中中性鹽漬土的主要成分為NaCl和Na2S04，堿性土壤的主要成分為NaHCO3和Na2C03，并且在蘇打型堿性土壤中NaHCO3的含量很高。堿性土壤在濱海鹽堿地和東北的松嫩平原都有分布。因此，本試驗(yàn)選用NaHCO3脅迫來(lái)篩選馬鈴薯耐堿種質(zhì)。另外，一般選用半致死劑量來(lái)確定濃度或劑量：紫薇種子EMS誘變的適宜濃度是種子的半致死劑量；Co射線(xiàn)用于藜麥誘變育種的適宜劑量是半致死劑量：利用半致死劑量的秋水仙素誘變，獲得高品質(zhì)油莎豆變異種質(zhì)資源。本研究中，11.60mmol/LNaHC03堿脅迫下，植株的有效生長(zhǎng)率達(dá)到50%，因此確定11.60mmol/L NaHCO3作為篩選馬鈴薯耐堿種質(zhì)的適宜堿濃度。

馬鈴薯在11.60mmol/L NaHCO3脅迫下，植株的有效生長(zhǎng)率降低，并且部分種質(zhì)植株白化，不能正常生長(zhǎng)。莖葉重、株高、根重和生根數(shù)整體上都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，根重受到的影響最大，這與前人的研究結(jié)果一致。堿性環(huán)境下，根系細(xì)胞質(zhì)的氨基酸帶負(fù)電荷，易于吸收外界溶液中的陽(yáng)離子：并且pH通過(guò)影響礦質(zhì)離子的存在狀態(tài)，引起溶液中養(yǎng)分的溶解或沉淀，自由離子濃度降低，膜脂過(guò)氧化和毒害物質(zhì)積累等的共同作用導(dǎo)致膜系統(tǒng)受到損傷，影響離子的吸收。所以在11.60mmol/L NaHCO3脅迫時(shí)，馬鈴薯植株根部不能正常吸收環(huán)境中的離子，進(jìn)而引起植株莖葉生長(zhǎng)受到抑制。另外，由于根系直接與堿接觸，根系的水勢(shì)降幅大于葉片，所以根部受到的影響最大。

植物對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的生理和代謝過(guò)程，涉及到離子平衡、激素調(diào)節(jié)、色素代謝等過(guò)程。鹽脅迫下，作物抵御鹽的方式主要有拒鹽、排鹽和稀鹽。稀鹽主要是指作物在鹽分脅迫下，吸收大量的水分以稀釋體內(nèi)的鹽分濃度。本研究中，耐堿性鹽馬鈴薯種質(zhì)的根部比較發(fā)達(dá)，質(zhì)量較高，這些發(fā)達(dá)的根部有利于從環(huán)境中吸收更多的水分，通過(guò)稀鹽的方式來(lái)抵御堿性鹽脅迫對(duì)植株的損傷。另外，耐堿性鹽馬鈴薯種質(zhì)植株的株高較高，地上部質(zhì)量較高，植株發(fā)達(dá)，這些均有利于光合作用的進(jìn)行，積累更多的有機(jī)物質(zhì)并運(yùn)輸?shù)礁浚龠M(jìn)根部的生長(zhǎng)發(fā)育，從而有利于抵御鹽對(duì)根的損傷。堿性鹽脅迫下，耐鹽堿作物品種保持了較高的可溶性糖、有機(jī)酸和K+含量。近年，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們利用組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)作物耐堿性與活性氧的清除、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等有關(guān)。馬鈴薯耐堿性鹽的機(jī)理目前仍不清楚，還需進(jìn)一步研究。

本研究中，馬鈴薯耐鹽材料的耐堿性?xún)?yōu)于鹽敏感材料。趙明輝等的研究表明，5、10mmol/LNaHC03脅迫時(shí)，馬鈴薯的表型性狀和生理性狀表現(xiàn)都得出耐中性鹽無(wú)性系的耐堿性大于感鹽無(wú)性系。這是因?yàn)闊o(wú)論是堿性鹽還是中性鹽最終均造成細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)的破壞，根部吸收大量鹽離子并運(yùn)輸?shù)狡渌课唬M(jìn)而引起葉綠素合成受阻、PSⅡ電子轉(zhuǎn)移和碳同化受到抑制等一系列生理反應(yīng)，最終導(dǎo)致植株的生長(zhǎng)發(fā)育受阻。

本試驗(yàn)利用12份耐鹽材料和10份鹽敏感材料組培苗的生長(zhǎng)指標(biāo)及其耐堿系數(shù)對(duì)11.60mmol/LNaHC03脅迫下馬鈴薯種質(zhì)的耐堿性進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出兩份高度耐堿種質(zhì)B154和D56，它們?cè)?0mmol/L NaHCO3脅迫下仍有一定程度生長(zhǎng)，株高分別達(dá)到8.31cm和5.10cm，分別為對(duì)照的64.77%和48.90%。這些材料既具有耐鹽性，又具有耐堿性，可為創(chuàng)新馬鈴薯耐鹽堿種質(zhì)和培育耐鹽堿品種提供良好的材料和方法。