孕穗期甜高粱耐盐性综合评价

袁 闯，陆安桥，朱 林，许 兴，2

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021； 2.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021)

关键字：甜高粱；孕穗期；耐盐性；综合评价

全球有大量盐碱地，土地盐碱化程度日益加剧，据有关数据统计，我国盐渍化土壤大约1.15×108hm2，占可用土地面积的4.88%[1-2]。土壤盐碱化严重抑制着农作物的发展，并造成了巨大的经济损失[3]。盐碱地的利用主要集中在两方面，一方面是物理或者化学方法改良盐碱地，另一方面是利用生物改良盐碱地，后者成为近几年研究的热点[4]。甜高粱(sweet sorghum)是一种重要的能源作物，具有高能、高生物产量和含糖量高等特点，同时还具有耐旱、耐盐、耐碱、耐涝和耐贫瘠等优良特性，享有沙漠中“骆驼”的美称[5]。在宁夏银北平原存在大量的盐碱地，充分利用甜高粱生物改良银北平原盐碱地，具有重要的经济和生态价值[6-7]。

目前，作物耐盐性研究多通过多项指标综合评价[8]。张华文等[9]研究指出，随着盐浓度的增加，高梁种子发芽率呈现下降趋势。朱元刚等[10]研究指出，在不同盐胁迫条件下，高粱的农艺性状受到抑制，并且是浓度越高抑制现象越明显。孙璐等[11]研究指出，在盐胁迫下，高粱的过氧化物和丙二醛含量会增加，在一定范围内随NaCl浓度增加而增加。孙璐等[12]研究还指出，低浓度NaCl胁迫下，高粱幼苗叶绿素含量会增加，高浓度NaCl胁迫下，叶绿素含量会降低，净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、最大荧光、初始荧光等也会降低。因此，净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、最大荧光、初始荧光等是研究高粱耐盐性具有代表性的指标。对于植物耐盐性分析评价主要通过相关性分析、成分分析、模糊隶属函数和聚类分析等方法。

不同作物耐盐性不同，同一作物不同品种耐盐性也有差异，同一品种的作物不同生育期耐盐性也不一样。针对甜高粱而言，孕穗期是甜高粱生长旺盛和对外界不良环境敏感的时期，也是甜高粱耐盐性鉴定的主要时期。各生育期耐盐材料的筛选对甜高粱种植具有重要的意义[13]。目前，有关孕穗期甜高粱田间耐盐性鉴定研究较少，主要集中在芽期、苗期盆栽和苗期水培等方面，并且室内试验条件与田间环境相差较大。植物耐盐鉴定是一个复杂的过程，盐胁迫对于植物的影响持续整个生育期。刘妍妍等[14]研究指出，盐胁迫对于作物生长发育的影响是一个极其复杂的过程，包含了一系列的生理生化反应，利用单一指标不能客观地反映作物的耐盐性，所以作物耐盐性方法的确定应该是多方面的。本试验对孕穗期不同甜高粱品种的耐盐性进行了综合评价和分类，旨在为甜高粱的大田耐盐性研究奠定基础和提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以22种不同基因型甜高粱为试验材料，材料由中科院遗传发育研究所提供，具体试验材料如表1。

1.2 试验地概况

试验于2018年4月在银川市石嘴山平罗县高庄乡(东经106°30′9″，北纬38°52′33″)进行,试验田位于银川北部平原，海拔大约为1 100 m，属于黄河冲积平原，气候属于中温带半干旱荒漠性气候。土壤盐碱化比较严重。春季播种时0～40 cm具体土壤理化性质如表2所示。

1.3 试验设计

试验采取单因素随机区组设计，选轻度盐碱地(土壤全盐含量为0.589 g·kg-1，pH 8.42)和重度盐碱地(土壤全盐含量为5.448 g·kg-1，pH 9.23)2个试验处理。采用条播的播种方式，每个小区面积为22 m2(5 m×4.4 m)，宽窄行种植8行(宽行70 cm，窄行40 cm)，平均行距为55 cm，株距为20 cm，小区间隔留1 m空行，采用4～5粒穴播，播种深度约为3 cm；每个品种3个重复小区，2块独立的试验田四周分别种植2 m保护行。播种前需要备种、整种、施复合肥(N∶P2O5∶K20=20∶15∶15)270 kg·hm-2，整地耙平，播种时精选子粒饱满、大小基本一致的种子。在生育期内定期进行人工除草、灌水和施肥等管理。

表1 供试材料品种

表2 样地土壤理化性质(0～40 cm)

1.4 测定指标及方法

于甜高粱孕穗期(7月27日)各小区挑选4株长势基本一致植株测量以下指标：用卷尺测得从根基部到最高叶尖的长度为株高(PH)；用游标卡尺测量地上茎基部的直径为茎粗(CD)；用卷尺测量全株叶片长和宽，长为叶基部至叶尖部的距离，宽为叶片最宽部位，测量角度垂直于主叶脉，叶面积(LA)=长×宽×0.75[14]；采用SPAD-plus手持叶绿素计在田间测定顶部叶片叶绿素相对含量(SPAD)，每个叶片分为前中后3个部分避开主叶脉进行测定；使用LI-6400IT(LI-COR.USA)便携式光合仪，选择晴天，在上午9∶00—11∶30测量各小区叶片光合，测量选择植株最上部的刚刚完全展开叶片，记录净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和大气二氧化碳浓度(Ca)等数据；采用Pocket PEA便携式植物荧光仪进行荧光参数测定，记录荧光参数初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在光化学效率(Fv/F0)；植株含水量(PWC)及细胞膜透性(CMP)的测定按参考文献方法施行[15]，测量小区单位面积鲜株产量(kg·m-2)。

1.5 统计数据与分析

采用Excel 2010和Spss 17.0进行数据统计分析，计算平均数、标准差，并进行相关性分析、主成分分析、聚类分析等分析。利用隶属函数值对试验材料耐盐性进行综合评价，主要公式如下：

(1)各个指标耐盐系数(Salt Tolerance Coefficient，STC)

STC=重度盐胁迫测量值/轻度盐胁迫测量值

(2)隶属函数值

U(Xj)=((Xj-Xmin))/((Xmax-Xmin))

式中,Xj表示第j个因子的得分值，Xmin表示第j个因子最小得分值，Xmax表示第j个因子最大得分值。

(3)权重

式中,Wj表示第j个因子在所有公因子中的重要程度，Pj为品种第j个因子贡献率。

(4)综合评价

式中，Di为试验材料孕穗期甜高粱耐盐性综合评价值，k为样品个数。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫下孕穗期甜高粱农艺性状的变化

由表3和表4可知，与轻度盐胁迫相比，重度盐胁迫对供试材料的农艺性状均产生显著影响。轻度盐碱胁迫下，F6199的PH最低，F6229的PH最高；F6096的CD最小，F6106的CD最大；F6229的LA最小，F6306的LA最大；F6106的SPAD最小，F6372的SPAD最大；F6372单位面积鲜株产量(Y)最低，F6043的Y最高。重度盐碱胁迫下，F6271的PH最低，F6229和F6180的PH最大；F6229的CD最小，F6059的CD最大；F6372的LA最小，F6306的LA最大；F6180的SPAD最低，F6056的SPAD最高；F6372的Y最低，F6043的Y最高。材料间和处理间差异均达显著水平。PH、CD、LA和Y的变异系数在0.067～0.449之间，说明本试验选的材料具有较好的代表性，株高、茎粗、叶面积和产量对盐胁迫的反应敏感。另外，PH、CD、LA和Y在轻度和重度盐胁迫下测量值的相关系数在0.546～0.977之间，说明PH、CD、LA和Y对盐胁迫敏感程度存在差异。

2.2 盐胁迫下孕穗期甜高粱生理性状及光合性能的变化

由表3和表4可知，与轻度盐胁迫相比，重度盐胁迫对供试材料的生理性状及光合性能产生了显著影响，材料间和处理间差异均达显著水平。轻度盐碱胁迫下，F6018的CMP最低，F6386的CMP最高；F6096Pn和蒸腾速率Tr最低，F6137的Pn和Tr最高；F6271的Gs最小，F6172的Gs最高；F6271的Fv/F0最小，F6138的Fv/F0最大；F6229的Fm最小，F6141的Fm最大；F6018的F0最小，F6386的F0最大。重度盐碱胁迫下，F6018的CMP最低，F6386的CMP最高；F6229的Pn最低，F6059的Pn最高；F6096的Tr最低，F6137的Tr最高；F6229的Gs最小，F6172的Gs最高；F6372的Fv/F0最小，F6138的Fv/F0最大；F6372的Fm最小，F6306的Fm最大；F6018的F0最小，F6043的F0最大。Fv/Fm和PWC不同处理间无显著差异。Pn、Gs、Fm、Fv/F0和Tr等指标变异系数在0.0120～0.4490之间，说明生理性状对盐胁迫反应较敏感。此外，在轻度和重度盐胁迫处理下，Pn、Gs、Fm、Fv/F0和Tr等指标相关系数在0.1220～0.9770之间，表明Pn、Gs、Fm、Fv/F0和Tr等指标对盐胁迫的反应敏感程度存在差异。

2.3 各单项指标的耐盐系数及相关性分析

采用耐盐系数可以消除不同品种之间固有差异，能够比较准确地体现甜高粱抗旱能力大小。由表4可知，与轻度盐胁迫相比，重度盐胁迫下各项指标均存在明显差异，同一指标的不同供试材料耐盐系数变化明显，变异系数在0.05～0.265范围之间。22个不同品种甜高粱在重度盐胁迫下，PH、LA、SPAD、PWC、Pn、Tr、Gs、Fm、Fv/Fm、Fv/F0与轻度盐胁迫相比均有所下降(STC<1)，CMP、F0与轻度盐胁迫相比均有所上升(STC>1)，说明甜高粱不同指标对盐胁迫的敏感程度不同。由表6可知，指标之间存在不同程度相关性，其中PH与Tr达到显著负相关，与Pn、Gs达到显著正相关；CD与Pn达到显著正相关；LA与Fv/Fm、Fv/F0、Fm达到极显著正相关；PWC与Fv/Fm达到显著正相关；Pn与Tr达到显著负相关，与Gs达到极显著正相关；Fv/Fm与Fv/F0、Fm达到极显著正相关；Fv/F0与Fm达到极显著正相关，与Y达到显著正相关。

表5 盐胁迫条件下孕穗期甜高粱各指标的耐盐系数

2.4 主成分分析

由表7可知，F1-F5因子的特征值贡献分别为32.288、22.523、11.810、9.595、6.029，累计贡献率为82.246%，其他因子的贡献率可以忽略。于是可以将15项指标转化成5项新的互相独立综合指标，并代替所有原始指标的绝大部分抗旱信息。F1在Fv/Fm和Fv/F0上表现出较高载荷量；F2在Pn和Gs表现出较高载荷量；F3在CMP和PWC上表现出较高载荷量；F4在Ci/Ca上表现出较高载荷量，F5在CMP和Fv上表现出较高载荷量。

2.5 耐盐性综合评价及等级划分

由表8可知D值的大小，并根据D值的大小对孕穗期甜高粱的耐盐性强弱进行排序。F6059 的D值最大，表明其耐盐性最强；F6271的D值最小，表明其耐盐性最弱。对D值采用最大距离的聚类分析方法(图1)，将22个甜高粱品种分为5类：第Ⅰ类为高度耐盐型种质，包括F6059和F6043，占总数9.1%；第Ⅱ类为耐盐型种质F6141、F6080、F6027、F6017和F6099，占总数22.27%；第Ⅲ类为中度耐盐型种质,包括F6137、F6199、F6096、F6138、F6172，占总数22.27%；第Ⅳ类为耐盐敏感型种质，包括F6180、F6056、F6106、F6036、F6306、F6386和F6018，占总数31.82%；第Ⅴ类为耐盐高度敏感型，包括F6372、F6229和F6271，占总数13.64%。

3 讨 论

3.1 重度盐胁迫对孕穗期甜高粱农艺性状的影响

本研究发现，重度盐碱胁迫条件下，不同品种甜高粱的农艺性状表现存在差异，同一品种在不同盐胁迫下的耐盐性表现不同，表明不同甜高粱品种的耐盐性存在差异。郑世英等[16]研究指出，Na+造成土壤导水性能下降，改变了土壤的渗透势，造成植物吸水困难，明显降低植物的叶面积、株高、干物质量和根长。李德锋等[17]研究发现产量与株高、叶面积、叶长和茎粗成正相关。张会丽等[18]研究指出，与轻度盐胁迫相比，重度盐胁迫使玉米的株高和茎粗明显降低，茎粗是衡量作物生长的最重要指标。刘玉兰等[19]研究指出，SPAD值随着盐胁迫程度的增加先升高后降低，细胞膜透性随着盐胁迫的增加呈现升高趋势。这与本研究的结果基本一致。本研究发现，与轻度盐胁迫相比，重度盐胁迫下甜高粱株高、茎粗和叶面积均呈现下降趋势,其原因为重度盐碱化引起土壤水势升高，造成作物吸水困难，最终导致株高、茎粗和叶面积的下降。

表6 盐胁迫条件下孕穗期甜高粱各项耐盐系数的相关系数矩阵

表7 各项综合指标的系数及贡献率

表8 各品种的综合指标U(Xj) 、D值及综合评价

图1 22个品种甜高粱聚类树状图Fig.1 The dendrogram of cluster for 22 cultivars of sweet sorghum

3.2 重度盐胁迫对孕穗期甜高粱生理指标的影响

作物受到盐胁迫时，其体内会发生一系列生理生化反应，以降低逆境造成的伤害。本研究发现与轻度盐胁迫比，重度盐胁迫下各品种细胞膜透性增加。张会丽等[20]研究指出，重度盐胁迫的处理净光合作用均低于对照田。冯国郡等[21]研究指出，与对照田相比，盐碱地条件下供试材料叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)均降低。这与本研究的结果一致，可能原因是盐胁迫破坏了甜高粱的光合作用，降低了叶片的叶绿素值，导致其体内代谢紊乱，从而影响其正常的生长。刘建新等[22]和邢庆振等[23]研究指出，盐胁迫使植物的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和潜在光化学效率(Fv/F0)降低。本试验研究发现，重度盐胁迫下最大荧光(Fm)和PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)呈下降趋势，而初始荧光(F0)呈现上升趋势，可能是由于盐胁迫条件下土壤中的盐分影响植物光系统对光能的传递和吸收造成的。这与沈宗根等[25]研究基本一致。

3.3 不同品种孕穗期甜高粱耐盐性的综合分析

农艺性状和生理指标等可以客观反映甜高粱孕穗期的生长状况，不同品种甜高粱的各项指标对盐胁迫反应存在差异[26-27]。作物耐盐是多基因控制，受多种因素影响，单独使用某些指标很难准确和客观反映作物耐盐性；而多项指标评价作物耐盐性，容易导致其耐盐性信息发生重叠，最终影响综合评价的结果[28-30]。因此，本试验从国内外众多专家已筛选出的耐盐相关的农艺和生理指标中选出15项方便、简单和直观的指标进行测定，并在此基础上利用统计学分析方法对孕穗期甜高粱的耐盐性进行综合评价。本试验运用模糊隶属函数对22个甜高粱品种孕穗期耐盐性进行综合评价，根据D值进行聚类分析将其耐盐性分为5类，筛选出高度耐盐型品种为F6059和F6043，高度敏感型品种为F6372、F6229和F6271，可为其耐盐育种及机理研究提供基础研究材料。对于甜高粱其他生育期耐盐性情况还有待深入研究。