38个粒用高粱品种芽期耐盐性的综合鉴定及评价

高春华 朱金英 张华文 田艺心 高凤菊

(1德州市农业科学研究院,山东 德州 253000；2山东省农业科学院作物研究所,山东 济南 250100)

土壤盐渍化是影响作物生长和产量的重要因素之一[1-3],全球约有20%的耕地和33%的灌溉耕地受盐渍影响[4],并且有很多地区正在以年10%的比例递增,预计到2050年全球有超过50%的耕地受到盐渍化影响[5]。 我国盐渍土总面积约为3 600 万hm2[6],同时因受海水倒灌和不合理灌溉措施等因素的影响呈逐年递增的趋势。 因此筛选出具有耐盐性的农作物,对开发利用盐碱地,促进我国农业可持续发展具有重要意义。 盐害对作物的影响主要集中在芽期和苗期,筛选芽期和苗期具有强耐盐性的品种是应对盐害的重要方法之一。 目前,关于芽期和苗期耐盐性品种的筛选已在水稻[7]、小麦[8]、玉米[9]、棉花[10]和花生[11]等作物中开展了相关研究,并建立了一系列的耐盐鉴定指标和评价方法。

高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]是我国重要的栽培作物,具有粮、饲、酿造等多种用途,其耐盐性强于小麦[12]、玉米[13]等作物,是盐碱地上主要种植的作物之一[14-16]。 主成分分析[17-18]和模糊隶属函数[19-20]是重要的统计和评价方法,已在作物的抗逆性鉴定中得到广泛应用。 孙璐等[21]和何晓兰等[22]利用主成分分析筛选出了高粱萌发期的耐盐性鉴定指标,并进行了耐盐等级的分类；周福平等[23]和薛晓强等[24]利用模糊隶属函数进行了不同高粱品种苗期耐盐性的评价和分类；也有学者先采用主成分分析筛选出高粱耐盐性的鉴定指标,再利用模糊隶属函数进行耐盐性的分类[25-26]。 但上述研究多是采用单一方法进行高粱耐盐性的评价或分类,而关于利用主成分分析和模糊隶属函数进行高粱耐盐性的评价是否具有统一性尚不明确。 因此,本研究在盐胁迫条件下,采用主成分和模糊隶属函数相结合的方法进行芽期高粱品种耐盐性的鉴定和评价研究,以期明确2 种评价方法的相关性,更准确地筛选出耐盐性高粱品种,为高粱耐盐性品种的选育和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的38 个高粱品种或品系分别由山东省农业科学院、吉林省农业科学院、辽宁省农业科学院、黑龙江省农业科学院、通辽市农业科学院、锦州市农业科学院、山西省农业科学院、河北省农林科学院和四川省农业科学院提供(表1)。

表1 供试高粱品种及来源Table1 Sorghum cultivars and origins

1.2 试验设计

试验于2017年在德州市农业科学研究院进行,每个品种挑选均匀、大小一致的30 粒种子,先用75%酒精消毒15 min,去离子水冲洗3 次,再用灭菌后的滤水纸吸干后放入铺有两层滤纸的培养皿(直径为120 mm)中,将培养皿置于人工气候箱中进行培养。 为确定最适盐浓度,先以吉杂136、晋粱白3 号、通杂136、龙杂11、济梁2 号、龙米粱2 号、红糯小矮为试验材料进行预试验,分别用50、100、150、200、250 mmol·L-1NaCl 进行处理,以蒸馏水作对照(CK)。 测定上述预试验所选材料的发芽势、发芽率、根长和叶长,结果表明,150 mmol·L-1NaCl 处理下,各指标与CK 间差异显著,进而确定150 mmol·L-1NaCl 为最适筛选盐浓度。人工气候箱设置昼夜温度28℃/22℃,相对湿度65%,昼夜时长为12h/12h,光照强度为12 000 Lux。 分别在培养第4 和第10 天统计各品种发芽率,并在第10 天测定根长和叶长,每培养皿量取7 株,求平均值。

1.3 计算公式

按照公式分别计算发芽势、发芽率、相对发芽势(relative germination potential,RGP)、相对发芽率(relative germination rate,RGR)、相对根长(relative root length,RRL)、相对叶长(relative leaf length,RLL)、相对根冠比(relative root/shoot rate,RRSR)、发芽势盐害率(salt injury rate of germination potential,SIRGP)、发芽率盐害率(salt injury rate of germination rate,SIRGR)、根长盐害率(salt injury rate of root length,SIRRL)、叶长盐害率(salt injury rate of leaf length,SIRLL)和根冠比盐害率：

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007 进行数据处理；SPSS 18.0进行方差分析、聚类分析、相关性分析和作图。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对高粱萌发的影响

由表2可知,盐胁迫下,38 个高粱品种萌发期除根冠比外,发芽势、发芽率、根长和叶长较CK 均有所降低,但降低幅度不同。 38 个高粱品种相对发芽势的变化范围为30.16～73.68,变异系数为25.89%；相对发芽率的变化范围为33.98% ～90.10%,变异系数为23.62%；相对根长的变化范围为15.75%～86.32%,变异系数为44.55%；相对叶长的变化范围为18.23%～82.47%,变异系数为30.15%；相对根冠比的变化范围为25.26～401.65,变异系数为62.84%。

表2 不同高粱品种盐胁迫下的性状指标Table2 Indicators of different sorghum cultivars under salty stress

表2 (续)

在盐胁迫下,高粱各性状的盐害率表现出不同的变化。 发芽势盐害率的变化范围为26.32% ～69.84%,变异系数为23.89%；发芽率盐害率的变化范围为9.90%～66.02%,变异系数为39.86%；根长盐害率的变化范围为13.68% ～84.25%,变异系数为30.36%；叶长盐害率的变化范围为17.53%～81.77%,变异系数为23.60%；根冠比盐害率的变化范围为-301.65%～74.74%,变异系数为-3 463.13%。

2.2 盐胁迫下高粱各耐盐性状相关性分析

对盐胁迫下高粱9 个耐盐性状进行相关性分析。由表3可知,高粱相对发芽势与相对发芽率呈显著正相关,相关系数为0.341；相对发芽势与发芽率盐害率、相对发芽率与发芽势盐害率均呈显著负相关,相关系数均为-0.341。 相对根冠比与相对根长呈极显著正相关(R=0.743 ),与相对叶长呈极显著负相关(R=-0.508 ),与根长盐害率呈极显著负相关(R=-0.743),与叶长盐害率呈极显著正相关(R=0.508)。 相对发芽势、相对发芽率、相对根长和相对叶长与各自的盐害率均呈极显著负相关(R=-1.000 )。

表3 盐胁迫下高粱各性状的相关性分析Table3 Correlation analysis of all traits of sorghum under salt stress

2.3 盐胁迫下高粱各性状指标的频率分布

由图1可知,38 个高粱品种的相对发芽势的分布比较分散,主要分布在30%～40%、45%～50%和55%～60%,超过50%的品种有17 个。 相对发芽率分布比较平均,主要集中在40%～90%,超过50%的品种有31个。 相对根长和相对叶长的分布比较集中,分别分布在10%～60%和20%～60%,超过50%的品种分别为8个和23 个。

由图2可知,高粱各性状指标的盐害率分布与相对值表现出相反的趋势。 其中,发芽势盐害率主要分布在25%～70%,发芽率盐害率分布比较均匀,主要分布在10%～60%。 根长和叶长的盐害率分布比较集中,主要分布在30%～90%和40%～80%。

2.4 高粱各耐盐性状主成分分析

主成分分析是将不存在直接相关性状的数据进行降维处理,从而达到综合评价性状目标的方法。 本试验从10 个特征根中,选取了特征根和贡献率较大的2个主成分(表4)。 第Ⅰ主成分的贡献率为39.03%,第Ⅱ主成分的贡献率为29.10%,2 个主成分的累积贡献率为68.118%,能有效地反映数据的变化趋势,符合主成分的分析要求。

表4 2 个主成分的特征根值及贡献率Table4 Eigen values of two principal components and their contributions

由表5可知,2 个主成分与耐盐性状的载荷矩阵反映出它们之间的相关性。 第Ⅰ主成分特征根值为3.903,贡献率为39.03%(表4),与相对根长和相对根冠比呈较大相关性,相关系数分别为0.797 和0.968 ；与根长盐害率和根冠比盐害率呈显著负相关,相关系数分别为-0.797 和-0.968 。 因此第Ⅰ主成分主要反映根部生长性状,可以称为根部生长因子。 第Ⅱ主成分的特征根值为2.909,贡献率为29.10%(表4),与相对发芽势、相对发芽率和相对叶长均呈显著正相关,相关系数分别为0.762、0.762 和0.428；与3 个性状的盐害率呈显著负相关,相关系数分别为-0.762、-0.762和-0.428,主要反映高粱萌发和叶长情况,因此可以称为高粱萌发和叶部生长因子。

图1 不同高粱品种相对耐盐指数频率分布图Fig.1 Frequency distribution diagram of relative salt tolerance indexes of different sorghum cultivars

表5 各因子载荷矩阵Table5 Loading matrix of each component

2.5 高粱各耐盐性状主成分得分及排序

根据主成分分析的得分系统矩阵(表6),获得第Ⅰ主成分的计算公式如下：

第Ⅱ主成分的计算公式如下：

主成分的综合得分值：F=0.390 3F1+0.291 0F2。根据主成分得分计算公式计算出各品种的F值,并进行排序。 由表7可知,耐盐性最好的品种为通杂141,晋粱白2 号次之,吉杂109 的耐盐性最差。

图2 不同高粱品种盐害率频率分布图Fig.2 Frequency distribution diagram of salt injury rates of different sorghum cultivars

表6 成分得分系统矩阵Table6 System matrix of composition scoring

2.6 高粱各耐盐性状模糊隶属函数及评价

模糊隶属函数是一种重要的统计学评价方法,因此采用模糊隶属函数对各项耐盐指标进行综合评价。模糊隶属函数的计算公式：

式中,X表示某一项评价指标的测定值,Xmin和Xmax分别为所有品种此评价指标值的最小值和最大值,如果此评价指标与目标性状呈负相关,则可通过反隶属函数进行计算,计算公式如下：

38 个高粱品种10 个耐盐性状的隶属函数值如表8所示。 隶属值越高,品种的耐盐性越强,通过计算隶属函数平均值,确定了各品种的耐盐性及综合排序。由表9可知,晋粱白2 号的隶属函数值最高,耐盐性最好,吉杂137 次之,晋梁白3 号的隶属函数值最低,耐盐性最差。

2.7 不同品种高粱耐盐性的综合性评价及聚类分析

主成分分析和模糊隶属函数是2 种重要的评价方法,评价结果是否客观及准确,需要进行相互的验证。由图3可知,通过主成分分析的得分值和模糊隶属函数值进行相关性分析,二者之间呈显著正相关(R2=0.38；P＜0.01),因此2 种评价方法是可行的和统一的。 通过将主成分的得分值和模糊隶属得分值进行数据标准化,并求平均值,获得综合得分值和排序(表10)。

表7 高粱各品种耐盐性主成份得分值和排序Table7 Scores and order of salt tolerance of all sorghum cultivars

根据2 种评价方法的综合得分值进行聚类分析,将38 个高粱品种划分为5 类品种(图4)。 第Ⅰ、第Ⅱ类为强耐盐性品种,分别为通杂141 和晋粱白2 号；第Ⅲ类为耐盐性品种：吉杂137、龙米粱1 号、吉杂148、通杂130 和1122；第Ⅳ类为盐敏感型品种：吉杂142、辽杂37、吉杂133、晋杂106、吉杂158、晋粱205、晋粱206、机糯粱1 号、吉杂123、吉杂144、辽杂36、吉杂136、济粱2 号、通杂137、晋粱204、锦杂107、龙米粱2号和晋粱白1 号；第Ⅴ类为不耐盐型品种：晋糯3 号、红糯小矮、晋粱白3 号、吉杂109、辽杂27、川糯粱1号、通杂136、龙杂11、通杂143、晋杂35、吉杂146、济粱1 号和冀酿2 号。

3 讨论

3.1 盐胁迫下不同品种高粱耐盐性状指标的差异及相关性分析

高粱作为典型的耐盐性作物[27-29],在盐碱地的开发和利用上发挥着重要的作用。 研究表明,在高粱的整个生育期中,芽期和苗期对盐害最为敏感[12,30],因此种植芽期和苗期高耐盐性的品种是应对盐害的有效手段和方法。 本研究以全国育成的38 个粒用高粱品种为试验材料,开展芽期高粱耐盐性的鉴定试验。 结果表明,除根冠比外,发芽势、发芽率、根长和叶长在盐胁迫下均受到不同程度的抑制,这与孙璐等[21]和何晓兰等[22]的研究结果一致。 本研究发现盐胁迫条件下,高粱各性状的相对值在不同品种间表现出不同的变化范围,以相对根冠比的变异最大(CV=62.84%),相对根长次之(CV=44.55%),表明盐胁迫下根冠比和根长的变异最大。 不同高粱品种各性状的盐害率的差异也表现出不同的变幅,除根冠比盐害率外,以发芽率的盐害率变异最大(CV=39.86%),叶长盐害率的变异范围最小(CV=23.60%),表明盐胁迫对发芽率的影响最大,对叶长的影响相对较小。 在盐胁迫下,高粱相对发芽势、相对发芽率、相对根长和相对叶长与各自的盐害率均呈极显著负相关,相对发芽势与相对发芽率之间呈显著正相关,这与李丰先等[25]的研究结果一致,表明发芽势和发芽率具有统一性。 何晓兰等[22]研究认为相对苗高与相对发芽率间无显著相关性,这与本研究结果一致,表明盐胁迫下高粱的萌发与根长和叶长无关。 本研究还发现高粱相对根冠比与相对根长呈显著正相关,与相对叶长呈显著负相关；相对根长与相对叶长间无显著相关性,表明盐胁迫对高粱的地下部和地上部影响不同,应作为2 个独立的指标进行研究。

表8 (续)

表9 高粱各品种的隶属函数值及排序Table9 Membership values and order of all sorghum cultivars

表9 (续)

图3 不同高粱品种隶属值和F 值的相关性分析Fig.3 Correlation analysis between membership values and F values of different sorghum varieties

3.2 盐胁迫下不同品种高粱耐盐性状及盐害率的频率分布

本研究中,通过对不同高粱品种各耐盐性状频率分布分析,发现不同品种相对发芽势的分布比较分散,相对发芽势超过50%的品种有17 个(60.5%)；相对发芽率超过50%的品种有31 个(81.6%)；相对根长和相对叶长超过50%的品种分别有8 个(21.1%)和23 个(60.5%)。 表明盐害对相对发芽势的影响大于相对发芽率,对相对根长的影响大于相对叶长。 相对发芽势和相对根长应作为高粱耐盐性鉴定的首要指标。

表10 高粱各品种的综合性得分及排序Table10 Comprehensive scores and order of all sorghum cultivars

3.3 盐胁迫下不同品种高粱各耐盐性状的主成分分析

主成分分析作为一种重要的统计学评价方法,在作物的耐盐性研究中已得到广泛应用。 孙璐等[21]利用主成分分析将高粱的耐盐性指标分为根部生长因子、叶部生长因子和萌发因子；李丰先等[25]通过主成分分析将根长、发芽指数和叶干重作为高粱耐碱性的鉴定指标；何晓兰等[22]则通过主成分分析将相对发芽势、相对发芽率和相对苗高作为耐盐性的鉴定指标；穆志新等[26]利用主成分分析认为发芽率、根鲜质量、芽鲜质量可以作为大批量高粱种质资源芽期耐盐性鉴定的主要指标。 本研究主成分分析表明,高粱芽期耐盐性的鉴定指标可以分为2 类,第Ⅰ类是相对根长和相对根冠比,主要与根部发育相关,可以称为根部生长因子；第Ⅱ类是相对发芽势、相对发芽率和相对叶长,主要与萌发和地上部生长相关,可以称作萌发和地上部生长因子,这与孙璐等[21]研究结果一致。 同时,相关性分析表明,相对根冠比、相对发芽势和相对发芽率可以作为高粱芽期耐盐性的鉴定指标。

图4 38 个高粱品种的聚类图Fig.4 Dendrogram of cluster analysis of 38 sorghum cultivars

3.4 高粱耐盐性的综合评价和聚类分析

部分学者利用主成分分析得分进行高粱耐盐分类[21-22],也有学者通过模糊隶属函数值进行高粱耐盐性的评价及分类[23,25-26],但2 种评价方法的结果是否统一尚鲜见报道。 本研究通过主成分得分值和模糊隶属函数值分别进行了高粱耐盐性的分类,并通过相关性分析发现二者呈显著正相关,可以统一进行综合评价。 通过综合二者的得分值,进行聚类分析,将高粱品种划分为5 类,第Ⅰ、第Ⅱ类为强耐盐型品种,第Ⅲ类为耐盐型的品种,第Ⅳ类为盐敏感型的品种,第Ⅴ类为不耐盐型的品种。

4 结论

本研究结果表明,盐胁迫下38 个高粱品种芽期表现出不同的耐盐性；发芽势、发芽率、根长和叶长在盐胁迫下均受不同程度的抑制,盐胁迫对相对发芽势的影响大于相对发芽率；主成分分析确定相对根冠比、相对发芽势和相对发芽率可以作为芽期耐盐性的鉴定指标；主成分分析和模糊隶属函数间存在显著的正相关,通过综合评价和聚类将38 个高粱品种划分为5 类品种,第Ⅰ、第Ⅱ类为强耐盐型品种,代表性的品种为通杂141 和晋粱白2 号；第Ⅲ类为耐盐型的品种,代表性的品种为吉杂137、龙米粱1 号和吉杂148 等；第Ⅳ类为盐敏感型的品种,代表性的品种为吉杂142、辽杂37和吉杂133 等；第Ⅴ类为不耐盐型的品种,代表性的品种为吉杂146、济粱1 号和冀酿2 号等。