不同基因型燕麦苗期耐盐碱性分析及其鉴定指标的筛选

付鸾鸿，于 崧，于立河，薛盈文，郭 伟

(黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319)

关于作物苗期耐盐碱性的鉴定，国内外已有很多报道。目前已从小麦[7]、芸豆[8]、玉米[9]等作物中筛选出耐盐碱性较强的品种。张婷婷等[7]研究表明，150 mmol·L-1NaHCO3是春小麦苗期耐盐碱性鉴定的适宜筛选浓度，在该浓度下可将30份春小麦分为高耐盐碱品种、耐盐碱品种、中度耐盐碱品种以及盐碱敏感品种4类。马艳明等[10]研究表明，75 mM NaCl处理下的相对根长和相对苗高可作为冬小麦品种苗期耐盐性的参考指标。刘雅辉等[11]研究表明，相对出苗率、相对株高和相对叶片数可准确反映棉花苗期耐盐能力的强弱。而至今关于燕麦耐盐碱性研究则大多集中在生理生化响应机制等方面[12-13]，鲜有针对燕麦苗期耐盐碱性分析及品种筛选的报道。燕麦(AvenasativaL.)为禾本科早熟禾亚科燕麦属的一年生草本植物[14]，被称为耐盐碱先锋作物[13]，松嫩平原是重要的燕麦种植区之一[15]，所以选择和培育盐碱胁迫耐性强的燕麦基因型对改良和利用该地区苏打盐碱地意义重大。本研究用NaHCO3胁迫模拟松嫩平原盐碱生境，利用相关性分析、主成分分析、隶属函数分析以及聚类分析相结合的方法展开对不同基因型燕麦苗期耐盐碱性的综合评价，旨在为选育适合于苏打盐碱地种植的燕麦品种提供理论参考，为耐盐碱基因的挖掘提供前提。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料均为来自国内外不同地区的主栽燕麦品种，见表1。

1.2 试验设计

本试验于2017年在黑龙江省八一农垦大学生物技术中心麦类作物实验室进行。前期为摸索不同燕麦品种苗期耐盐碱性适宜筛选浓度，本研究进行了预备试验：用50～300 mmol·L-1NaHCO3溶液(浓度梯度为50 mmol·L-1)对燕麦进行胁迫处理，测定了株高、地上鲜重以及地下鲜重3项指标，经分析发现当NaHCO3浓度为250 mmol·L-1时(pH=8.14)，不同燕麦品种的指标差异最为明显，故将该浓度列为本试验的适宜处理浓度；从各供试品种中挑拣发育良好、外观相近的种子，用1%的NaClO溶液消毒20 min，用蒸馏水反复冲洗干净后浸泡8 h，经人工气候箱内恒温培养4 d后，将发芽整齐一致的幼苗移植到盛有培养液的塑料培养钵(37 cm×28 cm×9 cm)中，置于21℃植物组织培养室中进行培养(光强400 μmol·m-2·s-1, 光照14 h/黑暗10 h，相对湿度50%)，3次重复。前4 d用蒸馏水进行培养，之后每隔5 d更换一次Hoagland营养液，营养液与蒸馏水的比例按1/4、1/2、1倍递增。

1.3 测定项目与方法

从幼苗长至两叶一心开始进行盐碱胁迫处理，每隔3 d更换一次营养液与盐碱溶液的混合液，胁迫7 d后测定处理与对照(对照组未进行盐碱胁迫处理，仅为营养液培养，处理组与对照组均为3盆，每盆84株)的株高、根长、地上部及地下部的干、鲜重，并计算耐盐碱系数(saline-alkaline tolerance coefficient, SATC)。具体方法：取长势均匀的燕麦植株，用蒸馏水洗去根部的盐碱胁迫液后用吸水纸吸去幼苗表面的水分，取直尺测量幼苗的株高与根长。其中株高是植株根颈部到顶部之间的距离；鲜重为采集鲜活植株后立刻测得的重量；干重是植株经105℃杀青30 min后，再于80 ℃烘干至恒重的重量；植株含水量=(鲜重-干重)/鲜重×100%；根冠比=地下鲜重/地上鲜重；耐盐碱系数=处理值/对照值×100%。

1.4 数据处理与统计分析

对耐盐碱系数进行主成分分析，得到3个主成分及贡献率。将3个主成分的耐盐碱系数进行隶属函数分析，得到加权隶属函数值D，据此可对不同燕麦品种进行耐盐碱等级评定。

(1)

式中，U(Si)为第i个主成分耐盐碱系数的隶属函数值；Si为第i个主成分的耐盐碱系数；Simax为第i个主成分的耐盐碱系数最大值；Simin为第i个主成分的耐盐碱系数最小值。

表1 供试燕麦品种及来源

(2)

式中，Wi为第i个主成分耐盐碱系数的权重；Pi为第i个主成分耐盐碱系数的贡献率。

(3)

式中，D为加权隶属函数值，即综合评价值。

羟考酮与芬太尼用于腹腔镜子宫切除术后的镇痛、镇静效果和安全性比较 ……………………………… 黄 科等（8）：1102

本试验用Excel 2003计算各指标值的平均数及耐盐碱系数，用SPSS 22.0进行方差分析、相关性分析、主成分分析以及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 各指标的耐盐碱系数及相关关系分析

由表2中F值可知，不同燕麦品种各指标间存在显著性差异，各组均值间的差异有统计学意义。在250 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，各燕麦品种的株高(X1)、根长(X2)、地上部鲜重(X3)、地下部鲜重(X4)、地上部干重(X5)、地下部干重(X6)、地上部含水量(X7)、地下部含水量(X8)与对照处理相比均有所下降(SATC<1)，大部分品种根冠比(X9)与对照处理相比有所增加(SATC>1)，但不同基因型燕麦各指标的变化幅度各不相同，因此利用单一指标评价耐盐碱性可能会得到不同甚至相反的结果。由表3各耐盐碱系数间的相关关系可以看出，各指标间存在着显著或极显著的相关性，它们提供的信息是重叠的，影响了燕麦耐盐碱性的鉴定和筛选，因此，为弥补单一指标评价的不足之处，本研究运用了如下多种分析方法对此进行了完善。

表2各指标的耐盐碱系数及方差分析(F值)

Table2Saline-alkalitolerancecoefficientsandvarianceanalysisofeachindex(F-value)

品种 CultivarX1X2X3X4X5X6X7X8X910.5240.2730.1330.0910.2710.1130.8560.9840.67920.7110.9510.1380.4560.3520.6440.7670.9721.22330.5940.3230.2240.3350.3890.2000.8530.9951.49640.8290.8300.2430.3610.6430.4860.7810.9791.48450.6930.5570.1620.2650.3490.3450.8260.9791.63760.6180.6440.1940.3010.5330.5000.8010.9721.55370.7560.7750.2350.3350.3720.3710.9250.9921.42380.5340.4270.1530.1990.3200.2800.8270.9691.30490.5850.3340.1770.2050.4280.2410.7690.9861.158100.6800.8990.2070.3190.4140.4800.7910.9811.538110.4980.2830.1220.1340.2380.1600.8010.9881.101120.7470.8180.1780.3970.5130.5000.7350.9831.779130.7480.7380.2300.2640.4870.3490.8500.9811.148140.7170.7690.2390.2890.5850.3460.8200.9871.209150.5000.3380.1220.2890.3420.3260.6960.9901.739160.4960.1710.1480.1720.3830.5000.7490.8591.166170.5190.2610.1500.2490.3220.2410.7710.9961.661180.4720.2650.1130.1720.2950.2010.7470.9861.523190.5920.3350.2200.2630.3490.1610.8750.9921.194200.5000.4300.1740.1990.2690.3230.8030.9891.144210.6430.8450.1700.3280.3430.3570.8710.9931.773220.7280.3420.3130.1790.4640.1550.8980.9950.573230.5980.6870.1400.2790.3130.2990.8410.9941.792240.5200.2660.1220.1400.2730.2470.8120.9481.146250.6050.4270.1660.2740.3130.2380.8540.9891.645260.5520.3460.1410.1290.3270.2110.7790.9520.911270.3330.2370.0460.0310.0950.0610.8540.9350.669280.4480.2220.2090.2570.4220.2290.7990.9731.232290.6080.3560.2030.2110.3620.2130.8650.9991.043300.7790.6990.2980.4060.4730.4380.9030.9941.364310.7440.7020.2750.2930.4650.3550.8910.9861.066320.4600.3770.1220.2340.2840.2390.7710.9981.747330.6340.5640.1270.0700.3380.3750.7770.9280.552340.4630.2070.0740.0960.2140.1640.6880.9511.286350.5850.4860.1270.1770.2960.1820.7740.9981.393360.7250.7570.3340.4710.8970.8370.7760.9511.409370.8630.9820.5170.6370.9520.7960.8820.9841.232380.6270.6260.1830.2450.3650.2770.8670.9921.344390.7090.7450.2710.2540.5020.3200.8860.9830.936400.7850.7240.2410.2940.4700.3250.8410.9931.219410.5660.2810.1410.2360.3630.3090.7110.9801.670420.6960.7550.2150.2700.4420.3380.8650.9861.255430.5830.5270.1920.2640.3040.3140.9050.9851.377440.5560.5220.1920.3250.3610.3400.8550.9961.692450.6950.7740.2520.2880.5190.4220.8680.9711.139460.6090.5330.1980.1710.3780.1780.8710.9970.864470.5220.4430.1550.1930.3020.2300.8430.9861.243480.5700.4530.1860.2620.3240.2840.8740.9931.405490.5910.4140.1870.2560.3750.2670.8380.9961.370F4774.2198679.99751.68781.54127.3832.94511.9172.50972.428

注：α=0.05；X1：株高；X2：根长；X3：地上部鲜重；X4：地下部鲜重；X5：地上部干重；X6：地下部干重；X7：地上部含水量；X8：地下部含水量；X9：根冠比。下同。

Note: α=0.05; X1:Plantheight; X2:Rootlength; X3:Abovegroundfreshweight; X4:Undergroundfreshweight; X5:Abovegrounddryweight; X6:Undergrounddryweight; X7:Abovegroundwatercontent; X8:Undergroundwatercontent; X9:Rootshootratio.Thesamebelow.

2.2 主成分分析

利用SPSS22.0进行降维-因子分析，将9个指标的耐盐碱系数转化为3个综合指标(comprehensiveindex,CI)，最大程度地反映原有信息。由表4可知，苗期前3个综合指标的贡献率分别为52.887%、17.769%、15.499%，累计贡献率达86.155%，高度概括了大量数据信息。由于因子载荷是原有变量和因子变量的相关系数，所以因子载荷绝对值越大，公共因子与原有变量关系越强。根据表4中各主成分因子载荷量绝对值的最大值得出X4(地下部鲜重)、X7(地上部含水量)、X8(地下部含水量)是燕麦苗期耐盐碱性的主要鉴定指标。

2.3 不同燕麦品种耐盐碱性综合评价

2.3.1 综合指标的隶属函数值 根据(1)式可以计算49份燕麦品种3个主成分(CI1、CI2、CI3)的隶属函数值。以表5中CI1为例，在250mmol·L-1NaHCO3处理下，T7的U(S1)值最大为1，表明其在CI1上表现的耐盐碱性最强，而SX3的U(S2)值最小为0，表明其在CI2上表现的耐盐碱性最弱。

2.3.2 综合指标的权重 由各综合指标CI1、CI2、CI3的贡献率，根据(2)式可求出其权重，W1、W2、W3分别为0.515、0.278、0.207(表5)。

2.3.3 品种综合评价及分类 根据(3)式计算加权隶属函数值D，进而对49份燕麦品种进行耐盐碱等级评定。由表5可知加权隶属函数最大值为0.927，对应T7，表明其耐盐碱性最强；加权隶属函数最小值为0.191，对应SX3，可见其耐盐碱性最弱。采用组间连接距离聚类法对加权隶属函数值进行聚类分析，并得到聚类树状图(图1)，将49份燕麦品种分为3类：

第Ⅰ类：草莜1号、张燕7、T7，共3个耐盐碱品种。

第Ⅱ类：HLJ1、白燕2号、白燕3号、白燕5号、白燕7号、白燕8号、都燕3号、定燕2号、定莜9号、晋燕8号、晋燕9号、蒙燕1号、蒙燕2号、同燕2号、远杂2号、燕科2号、坝莜1号、坝莜3号、坝莜4号、坝燕6号、坝莜9号、坝燕11号、坝莜12号、坝莜18号、冀张燕4号、张燕8号、SX1、SX4、T6、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T19、T20，共41个中度耐盐碱品种。

第Ⅲ类：三分三、坝莜13号、坝莜14号、SX2、SX3，共5个盐碱敏感品种。

3 讨 论

关于对盐碱土地的利用，耐盐碱品种选育是一种行之有效的方法[16]。作物的盐碱胁迫耐性是受多个数量性状基因座调控的复杂性状[17]，且该特性在不同生长时期的表现也不完全相同[18]。苗期是作物对盐碱胁迫最敏感的阶段之一[19]，通过该时期筛选得到抗逆性较强的作物品种是保障苗全、苗齐的前提[20]，对农业生产意义重大。

表3 耐盐碱系数间的相关关系

注: * 和**分别表示P<0.05和P<0.01的显著水平。

Note: *and**meansignificantlevelsatP<0.05andP<0.01,respectively.

表4 因子载荷矩阵

表5 不同燕麦品种的权重、隶属函数值、D值及综合评价

图1 49份燕麦品种的聚类图Fig.1 Clustering diagram of 49 oat cultivars

已有一些研究表明，作物会通过改变生长形态和调控生理生化响应机制来应对盐碱胁迫，并通过调整生物量的分配来构建和维持逆境下的存活与生长[21-22]。此外，由于作物耐盐碱性是受多因子影响的复杂性状[17]，不仅受本身基因座的影响，还受到外部环境的调控，因此仅选用单项指标来衡量作物的抗逆性不够科学和准确。本研究选择了一些便捷、直观的生长指标进行测定，并运用多元分析方法进行综合评价，以期通过更为全面的评价与分析而获得最有利于农业高产的耐盐碱燕麦品种。

本研究在前人研究的基础上，结合松嫩平原土壤特点，以NaHCO3胁迫模拟苏打盐碱生境，以250mmol·L-1NaHCO3作为燕麦耐盐碱性鉴定的临界浓度，通过主成分分析，将 9个生长指标的耐盐碱系数转换为 3个综合指标，即地下部鲜重、地上部含水量以及地下部含水量，高度概括了大量数据信息，可作为燕麦耐盐碱性的主要鉴定指标。本研究在盐碱胁迫条件下，除根冠比以外，其它各生长指标值与对照值相比均有不同程度的下降，说明在高浓度盐碱胁迫下燕麦会通过降低生长量、生物量以及植株含水量来维持其在逆境条件下的存活与生长[22]。根冠比体现了植物根系与地上部生物量的分配情况，本研究发现燕麦根冠比的处理值高于对照值，说明在盐碱胁迫下植株通过增大根冠比来增加其对水分和营养物质的吸收[23]，以实现逆境条件下的自我保护；生物量是检测作物耐盐碱性的最佳指标之一[24]，高浓度的盐碱胁迫会抑制植物生物量的积累[25-26]。本研究得出生物量是评定燕麦盐碱胁迫耐性的重要鉴定指标；对于盐碱胁迫下燕麦植株含水量均低于对照的现象，说明盐碱胁迫抑制了植物对水分的吸收，这可能是由于高浓度盐离子造成的渗透胁迫降低了植物细胞外的水势，从而增加了细胞水分吸收的难度[27]，进而导致了植株含水量的降低。本研究中，耐盐碱品种草莜1号、张燕7号、T7在盐碱胁迫下各生长指标值均较高，说明此类燕麦品种拥有较强的逆境保护机制，受到的盐碱胁迫伤害较轻，维持了自身的正常生长。在作物耐盐碱性鉴定指标的筛选方面，李琳等[8]发现全株干重、地上鲜重、根长、地下含水量和地下鲜重可作为芸豆苗期耐盐碱性的鉴定指标。张国伟等[28]指出株高、地上部干质量、根系干质量、根系活力等指标的盐害系数可作为棉花苗期耐盐性的鉴定指标。本研究表明，地下部鲜重、地上部含水量以及地下部含水量可作为燕麦苗期耐盐碱性的主要鉴定指标，这与前人的研究结果有相似之处。

本研究通过隶属函数分析，得到不同燕麦品种的耐盐碱综合评价值(D值)， 并参照D值进行了聚类分析，较为客观地将49份参试燕麦品种划分为耐盐碱、中度耐盐碱以及盐碱敏感品种3种类型，这不仅有利于丰富燕麦耐盐碱遗传资源的多样性，也为燕麦耐盐碱分子研究奠定了科学基础。

在试验材料的选择方面，本研究选用了49份来自国内外不同地区的主栽燕麦品种，虽然它们的遗传背景多样，但本研究为各品种创造了一致的试验环境，将试验偏差降到最低；在燕麦耐盐碱性的评价方面，本研究运用多种分析方法相结合，避免了使用单一方法的不足，这也体现了综合评价的意义与价值。由于在实际生产中，产量是评定作物耐盐碱性强弱的关键所在，因此进一步展开作物田间全生育期的耐盐碱性鉴定是十分必要的；本研究仅针对苗期进行了不同基因型燕麦耐盐碱性的评价工作，在对燕麦耐盐碱生理生化响应机制的研究以及分子水平上的研究等方面还需进一步拓展，以期通过更全面的综合评价与分析而获得最有利于农业高产的燕麦品种。

4 结 论

本研究将参试的49个不同基因型燕麦品种分成耐盐碱型(3个)、中度耐盐碱型(41个)、盐碱敏感型(5个)三类，其中草莜1号、张燕7号、T7为耐盐碱型燕麦品种，三分三、坝莜13号、坝莜14号、SX2、SX3为盐碱敏感品种，其他41个为中度耐盐碱品种。此外，通过对不同基因型燕麦苗期各生长指标的耐盐碱系数进行主成分分析，得到地下部鲜重(X4)、地上部含水量(X7)、地下部含水量(X8)3个综合指标，可作为燕麦耐盐碱性的主要鉴定指标。本研究可为选育适宜于苏打盐碱地种植的燕麦品种提供理论参考，为燕麦抗逆栽培、种质资源鉴定以及良种选育提供参考。