北方粳稻耐盐碱相关性状主成分分析及综合评价

李红宇 李 逸 司 洋 杜春颖 周雪松 刘梦红 宁洪钰 叶飘飘

(1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；2 黑龙江省八五六农场，黑龙江 虎林 158400；3大庆市萨尔图区农业局，黑龙江 大庆 163319)

土壤盐碱障碍及盐渍化是当前农业生产主要的限制性因子之一，改良利用盐碱地在增加耕地后备资源、改善生态环境方面具有重要意义[1]。 目前，全球盐碱化土地面积在9.6 亿hm2左右，其中松嫩平原盐碱化土地面积约343 万hm2，是世界三大盐渍土集中分布地区之一[2]。 以水洗盐、以水压盐、以水排盐是盐碱地改良的重要措施[3]。 水稻属中度耐盐碱植物，并且需要水生环境，种植水稻是盐碱地改良的良好途径。因此，开展耐盐碱水稻种质资源的筛选对促进耐盐碱品种选育和提高盐碱地水稻产量具有重要意义。 前人在耐盐碱水稻种质资源筛选方面已开展大量研究，且多集中在萌发期和苗期，移栽至成熟阶段的筛选工作较少。 如孟丽君等[4]对以吉粳88 为轮回亲本，以来自11 个国家的品种为供体亲本的BC2F4 群体为材料，筛选出来自不同供体的26 个苗期耐盐和耐碱株系，且在大田盐碱胁迫条件下具有较强的全生育期耐盐碱能力。 潘世驹等[5]对123 份北方粳稻幼苗前期的耐盐筛选结果表明，盐胁迫下水稻幼苗期相对抑制率表现为根长＞芽长＞根数，并筛选出幼苗期强耐盐材料13G143。 冯钟慧等[6]对吉林省60 份不同熟期的粳稻种质资源进行了萌发期耐盐碱筛选，筛选出长白21号、通禾835、长白10 号、东稻4 号等10 个耐盐碱品种，同时发现吉林省中早熟或中熟比晚熟或中晚熟品种表现出更好的耐盐碱性特征。 同一水稻品种在不同生长阶段其耐盐碱性不同[7-8]。 寒地水稻生产以育苗移栽模式为主，移栽至成熟期的耐盐碱性较萌发期和苗期的耐盐碱性更为重要。 同时，多数研究采用氯化钠、碳酸氢钠、碳酸钠模拟胁迫环境[9-10]，而苏打盐碱地水稻生产要求品种除具备耐盐和耐碱特性外，还应适应苏打盐碱地土壤容重大、通透性差、低磷低锌[11-12]等环境条件。 因此，采用苏打盐碱土筛选出的耐盐碱材料，虽然不能区分其耐盐性、耐碱性以及对厌氧、养分胁迫的抗性，但在盐碱地水稻生产中更具有实际意义。

本研究以长白9 为对照，采用重度苏打盐碱土对49 份苗期耐盐碱材料进行农业耐盐力鉴定和综合评价指标筛选，利用相关分析、主成分分析和聚类分析进行综合评价，旨在为水稻耐盐碱种质资源鉴定与应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以前期筛选出的49 份苗期耐混合盐碱胁迫品种(品系)为鉴定材料，以生产中公认的耐盐碱品种长白9 号为对照。 材料选择依据为40 mmol·L-1Na2CO3+NaHCO3(质量比1 ∶3)条件下苗期芽长、根长和根数的盐碱相对抑制率，同时满足芽长相对抑制率低于长白9 号，根长或根数相对抑制率低于长白9 号即入选。49 份材料包括30 份黑龙江八一农垦大学水稻中心育种高世代材料，1 份黑龙江省农科院五常水稻所育种高世代材料(松98-131)，12 份黑龙江省水稻推广品种，5 份吉粳88 导入系，1 份空育131 诱变后代。

表1 参试材料名称及来源Table 1 Name and origins of used accessions

1.2 试验设计

试验于2017-2018年在黑龙江八一农垦大学校内试验基地进行。 采用盆栽试验，盆钵高32 cm，上直径32 cm，下直径27 cm。 分别于2017年4月17 日和2018年4月20 日播种，常规旱育苗，2017年5月21日和2018年5月22 日移栽。 每盆3 穴，每穴4 苗，10次重复。 完全随机试验设计。

试验设处理和对照，处理采用苏打盐碱土对参试材料进行混合盐碱胁迫，对照土壤为田园土，土壤基本理化特性见表2。 水肥管理措施按照常规生产进行。

表2 参试土壤基本性质Table 2 Basic chemical properties of the test soil

1.3 测定项目与方法

水稻返青后，定点15 穴植株，调查7 叶期分蘖数、9 叶期分蘖数、最高分蘖数、5 叶期株高、7 叶期株高、9叶期株高、11 叶期株高。 分蘖期和齐穗期每处理取样6 穴，每穴分叶、茎鞘、穗、根系四部分，测量叶片长宽，每部分单独包装，105℃杀青30 min 后，80℃烘干至恒重，计算分蘖期叶面积、分蘖期叶重、分蘖期干物重、分蘖期根干重、齐穗期叶面积、齐穗期叶重、齐穗期干物重。 水稻分蘖盛期取长势一致的水稻植株4 穴用于根系形态指标测定:新鲜水稻根系先用清水冲洗干净表面附着物，将根系平铺在根系专用放置盘中，加水并使水层保持在5 ～6 mm，用牙签将每条不定根单独分开，用根系形态专用扫描仪ScanMaker i800(Microtek，中国)进行数字化扫描，然后用LA-S 植物根系分析系统(上海中晶科技有限公司)分析总根长、总根面积、总根体积、平均根系直径、根尖数、根分叉数等根系形态参数。 成熟期每处理选择长势均匀的植株10 穴，于阴凉通风处风干，之后分为穗和茎叶两部分，分别称重。穗用于穗数、穗粒数、结实率和千粒重的考察，并计算产量、生物量、经济系数和单穗重。

1.4 数据处理及统计分析

分别计算2017年和2018年各指标耐盐碱系数，利用成组数据对耐盐碱系数的年际差异显著性进行t检验，再对两年耐盐碱系数的平均值进行统计分析。利用Excel 2003 进行数据整理和描述性分析。 利用DPS 7.05 软件进行相关分析、主成分分析及聚类分析。 依据欧氏距离，以离差平方和法进行聚类。 相关指标计算参考戴海芳等[13]的方法。

1.4.1 耐盐碱系数 采用水稻耐盐碱系数(salinealkali tolerant coefficients，STC)，即各耐盐碱指标的相对值进行耐盐碱性综合分析，以消除参试材料间的基础性状差异。

1.4.2 综合指标值 综合指标值按公式计算:

式中，Zi是各参试材料第i个综合指标值；αi是第i个指标特征值所对应的特征向量；Xi是第i个指标相对值；n代表考察的指标数。

1.4.3 隶属函数分析 参试材料各主成分的隶属函数值依据公式计算:

式中，μ(Zi) 是各参试材料第i个主成分的隶属函数值；Zimin和Zimax分别是各参试材料第i个综合指标的最小值和最大值。

1.4.4 各综合指标的权重 根据各主成分贡献率按照公式计算各主成分的权重:

式中，Wi是各参试材料第i个综合指标的权重；Pi是各参试材料第i个综合指标的贡献率。

1.4.5 参试材料的综合耐盐碱D值 根据公式计算参试材料综合耐盐碱D值:

式中，D值为盐碱胁迫下各参试材料应用主成分评价的耐盐性综合评分值。

2 结果与分析

2.1 参试材料耐盐碱系数和相关分析

由表3 可知，盐碱胁迫条件下50 个参试材料的28 个性状的耐盐碱系数平均值为0.639，数值分布在0.310～0.939 之间，千粒重、结实率、7 叶期株高、经济系数、5 叶期株高等5 个性状的平均耐盐碱系数均大于0.9，根表面积、齐穗期干物重、齐穗期叶重、齐穗期叶面积、根体积、生物量、产量等7 个性状的平均耐盐碱系数均小于0.5。 对各指标的年际间差异进行成组数据t检验，穗粒数、根长、7 叶期分蘖数、5 叶期株高、7 叶期株高、9 叶期株高和11 叶期株高的耐盐碱系数年际间差异显著或极显著，其他指标耐盐碱系数年际间差异不显著。

从变异系数看，变异系数最大为根体积(36.10%)，随后依次是齐穗期叶面积(31.60%)、齐穗期叶重(28.17%)；变异系数最小依次为9 叶期株高(3.66%)、7 叶期株高(3.80%)和千粒重(4.91%)。

对盐碱胁迫下28 个性状进行相关分析，结果如表4 所示，性状间存在不同程度的相关性。 其中，产量耐盐碱系数与生物量、经济系数、单穗重、9 叶期分蘖数、最高分蘖数的耐盐碱系数呈极显著正相关，生物量耐盐碱系数与单穗重、9 叶期分蘖数、最高分蘖数的耐盐碱系数呈极显著正相关，分蘖期根干重耐盐碱系数与根长、根表面积、根体积、根直径、根分叉数、分蘖期叶面积、分蘖期干物重的耐盐碱系数呈极显著正相关，最高分蘖数耐盐碱系数与穗数、结实率、产量、生物产量、经济系数、分蘖期叶面积、分蘖期叶重、分蘖期干物重、分蘖期根干重、分蘖盛期分蘖数、9 叶期分蘖数的耐盐碱系数呈显著或极显著正相关。 性状间的相关性易导致信息重叠，直接利用会影响耐盐碱性评价的真实性。为消除这些重叠信息的不利影响，利用主成分分析法对水稻耐盐碱性进行综合评价。

表3 参试材料耐盐碱系数的描述性分析Table 3 Descriptive analysis of saline-alkali tolerant coefficients of the test materials

2.2 参试材料耐盐碱性的主成分分析

主成分累计贡献率(cumulative contribution rate，CCR)大于80%即可认为信息具有代表性。 由表5 可知，前8 个主成分的特征值(eigenvalues，E)均大于1，贡献 率(contribution rate，CR)分别为20.357%、16.145%、 11.172%、 8.872%、 7.882%、 6.846%、5.101%和4.290%，其CCR 达到80.665%，即前8 个相互独立的主成分代表了28 个性状80.665%的变异信息。 第一主成分的贡献率为20.357%，该主成分以与分蘖期干物质量密切相关的根长(0.260)、根体积(0.292)、叶面积(0.300)、叶重(0.285)、分蘖期干物重(0.307)、分蘖根干重(0.343)的载荷较高，可将该主成分称为分蘖期干物质量因子；第二主成分的CR为16.145%，其中穗数(0.334)、产量(0.373)、生物量(0.287)的载荷较高，可称为产量因子；第三主成分的CR 为11.172%，以齐穗期叶面积(0.512)、齐穗期叶重(0.503)、齐穗期干物重(0.486)的载荷较高，称为齐穗期干物质量因子；第四主成分的CR 为8.872%，以穗粒数(0.468)、单穗重(0.405)的载荷较大，称为穗重因子；第五主成分的CR 为7.882%，以分蘖期根直径(0.489) 具有较大的正载荷，分蘖期根尖数(-0.351)具有较大的负载荷，故称为分蘖期根直径因子；第六主成分的CR 为6.846%，以不同生育时期的株高载荷较高，可称为株高因子；第七主成分和第八主成分的CR 分别为5.101%和4.290%，分别以经济系数(0.428)和千粒重(0.672)的载荷最高，称为经济系数因子和粒重因子。

表4 参试材料28 个性状耐盐碱系数的相关分析Table 4 Correlation analysis among 28 phenotypic traits of all the accessions under saline-alkali stress conditions

表5 前8 个主成分的特征向量、E、CR 及CCRTable 5 Power vector(PV)，E，CR，and CCR of first eight principal components

2.3 耐盐碱性综合评价

依据公式(2)计算各参试材料的综合指标值，进一步利用公式(3)计算各参试材料盐碱胁迫下各主成分隶属函数值。 依据主成分贡献率的大小，利用公式(4)计算各主成分的权重分为0.25、0.20、0.14、0.11、0.10、0.08、0.06、0.05。 利用公式(5)对各综合指标隶属函数值和相应权重进行线性加权，计算耐盐碱综合评价值D。 由表6 可知，50 个参试材料平均D值为0.451，分布区间在0.29 ～0.68。 对照品种S12(长白9 号)的D值为0.61，排位第3 名。 S34(松98-131)和S49(SR-824-14)的D值大于对照品种S12，D值分别为0.68 和0.63，可作为耐盐碱种质资源使用。 S27 的D值最小(0.29)，即耐盐碱能力最差，S23(0.32)排名倒序第二。

表6 50 个参试材料的权重、隶属函数值、D 值及耐盐碱性排序Table 4 Weight (Wi)，membership function value，D values and saline-alkali tolerance ranking of fifty rice varieties

2.4 参试材料耐旱性的聚类分析

以D值为依据，采用欧氏距离离差平方和法对50份参试材料进行聚类分析。 由图1 可知，在欧式距离0.515 处分为4 类:强耐盐碱型、耐盐碱型、中间型和盐碱敏感型。 第Ⅰ类为由3 个材料(S12、S49、S34)组成的强耐盐碱型类群，占总材料数的6%；第Ⅱ类由S10、S13、S14、S15、S16、S18、S22、S28、S31、S32、S36、S39、S41 等13个材料组成的耐盐碱型类群，占总材料数的26%；第Ⅲ类由S02、S03、S04、S07、S08、S11、S21、S25、S29、S33、S35、S38、S44、S46、S48、S50 等16 个材料组成的中间型类群，占总材料数的32%；第Ⅳ类为由剩余材料组成的盐碱敏感类群，占总材料数的39%。

2.5 水稻耐盐碱鉴定指标的筛选

以D值为因变量，各鉴定指标的耐盐碱系数作为自变量，建立耐盐碱性评价的逐步回归方程。 除X1和X9外，其余鉴定指标全部进入回归方程。 回归方程为:

式中，X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27和X28分别表示穗数、穗粒数、结实率、千粒重、产量、生物量、经济系数、单穗重、根表面积、根体积、根直径、根尖数、根分叉数、分蘖期叶面积、分蘖期叶重、分蘖期干物重、分蘖期根干重、齐穗期叶面积、齐穗期叶重、齐穗期干物重、7 叶期分蘖数、9 叶期分蘖数、最高分蘖数、5 叶期株高、7 叶期株高、9 叶期株高和11叶期株高的耐盐碱系数。

图1 50 个参试材料耐盐碱能力的系统聚类分析Fig.1 System clustering of tolerance to saline-alkali stress of fifty rice varieties

回归方程的F值为111 646.3，方程F检验极显著(P＜0.01)。

由表4 参试材料28 个性状耐盐碱系数的相关分析结果表明，D值与结实率、产量、生物量、经济系数、根表面积、根体积、根直径、分蘖期叶面积、分蘖期叶重、分蘖期干物重、分蘖期根干重、齐穗期叶面积、齐穗期叶重、齐穗期干物重、7 叶期分蘖数、9 叶期分蘖数、最高分蘖数等17 个指标的耐盐碱系数呈显著或极显著正相关。 进一步分析，分蘖期叶面积、分蘖期叶重、分蘖期干物重、分蘖期根干重、7 叶期分蘖数、9 叶期分蘖数和最高分蘖数等7 个指标的耐盐碱系数相互呈显著或极显著正相关，为减少鉴定指标数量，简化鉴定程序，选择与D值相关最密切的分蘖期叶面积耐盐碱系数(r=0.58**)作为鉴定指标；齐穗期叶面积、齐穗期叶重与齐穗期干物重的耐盐碱系数呈极显著正相关，选择与D值相关最密切的齐穗期干物重耐盐碱系数(r=0.69**)作为鉴定指标；分蘖期根表面积、根体积与根直径的耐盐碱系数呈极显著正相关，选择与D值相关最密切的分蘖期根直径耐盐碱系数(r=0.33*)作为鉴定指标。 可将结实率、产量、生物量、经济系数、根直径、分蘖期叶面积和齐穗期干物重等7 个指标作为移栽至成熟期水稻耐盐碱性评价的指标。

3 讨论

3.1 水稻耐盐碱鉴定条件的探讨

水稻耐盐碱的种质资源筛选、遗传分析和生理生化研究，多采用氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠模拟盐或碱的逆境条件，其优点是有利于精确的控制胁迫强度，可以区分盐胁迫和碱胁迫的不同效应，符合唯一差异原则。 如田蕾等[14]利用125 mmol·L-1NaCl 溶液，以相对芽长、根长、发芽势、发芽率、盐害率等为指标对64份粳稻种质资源进行了芽期耐盐筛选。 祁栋灵等[15]采用0.15% Na2CO3溶液对水稻幼苗前期的根数、根长及苗高的相对碱害率进行了QTLs(quantitative trait loci)检测。 梁银培等[16]分别以6 ds·m-1的NaCl 溶液和pH 值9.0 的Na2CO3溶液对水稻进行全生育期处理，分析水稻产量相关性状的耐盐和耐碱主效QTL，并且分析其加性、上位性与环境互作效应。 这种方法适合针对特定逆境因子的比较研究，而在生产的范畴上，盐碱地的逆境是土壤中盐、碱及与其对应的物理、化学、生物等性质协同作用的结果，如苏打盐碱土在Na+影响下胶体高度分散，土壤孔隙度低，容重大；土壤pH值至9.0 左右时，HPO42-与PO43-数量较多，Na+、Cl-、CO32-等与有效磷竞争，交换性钙也与之结合成难溶性磷酸钙盐[17]；pH 值升高直接降低土壤溶液Zn2+浓度和Zn 在土壤固相上的吸附量以及吸收能力，并间接影响碳酸盐结合态Zn 的含量[18-19]。 因此，以生产应用为目的的耐盐碱品种筛选和耐盐碱育种亲本鉴定应直接采用盐碱土，保证目标材料适应盐碱地的综合胁迫环境。

3.2 水稻耐盐碱性的综合评价

耐盐碱性是多种因子综合影响的复杂表型[20-22]，除自身基因型外，还易受到外界环境条件的影响，故单一指标难以全面、真实评价水稻的耐盐碱力[23]，而仅利用隶属函数法进行多指标评价时，又会因为各指标间的相关性，导致各单项指标提供的信息发生重叠，不易得出简明的规律，影响鉴定效果[24]。 本研究采用主成分分析法将28 个指标简化为分蘖期干物质量因子、产量因子、齐穗期干物质量因子、穗重因子、分蘖期根直径因子、株高因子、经济系数因子和粒重因子等彼此互不相关的8 个主成分，CCR 达80.665%。 结合各主成分隶属函数值及相应权重性加权，计算出50 份参试材料平均综合评价D值为0.451，分布在0.29 ～0.68之间。 采用欧氏距离离差平方和法，依据D值将50份参试材料分为强耐盐碱型、耐盐碱型、中间型和盐碱敏感型。 松98-131(0.68)、SR-824-14(0.63)和长白9 号(0.61)划入强耐盐碱类型，并且前二者D值高于对照品种长白9 号，可以作为耐盐碱育种的杂交亲本。

不同研究者所筛选得到的耐盐碱指标也不尽相同。 徐晨等[25]认为盐碱胁迫下，水稻的地上部鲜质量与根系干质量，叶片的净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、蒸腾作用(transpiration rate，Tr)和表观叶肉导度(apparent mesophyll conductance，AMC)在耐盐碱品种和盐碱敏感型品种间表现出显著差异。 王秋菊等[26]以死叶率、耐盐碱指数及产量为指标对100 份黑龙江省水稻推广品种及引进资源进行了耐盐碱鉴定。 李红宇等[27]报道产量、穗数、穗粒数、一二次枝梗数和一二次枝梗粒数可用于耐盐碱筛选。 本研究中逐步回归及相关分析结果表明，结实率、产量、生物量等17 个指标与D值呈显著或极显著相关，可用于水稻耐盐碱筛选，但指标数量过多，可操作性差。 为了减少鉴定指标数量、简化鉴定程序，依据多个性状间显著相关，可选择与D值相关性最强的性状作为代表的原则，将7 个与分蘖密切相关的指标简化为分蘖期叶面积，3 个与齐穗期干物质量相密切相关的指标简化为齐穗期干物重，3 个与分蘖期根部性状密切相关的指标简化为分蘖期根直径，最终确定结实率、产量、生物量、经济系数、根直径、分蘖期叶面积和齐穗期干物重等7 个指标的耐盐碱系数作为移栽至成熟期水稻耐盐碱性评价的指标。

4 结论

通过主成分和隶属函数分析，利用D值对50 份种质资源的耐盐碱性进行综合评价，获得强耐盐碱种质资源松98-131 和SR-824-14。 通过逐步回归分析和相关分析从28 个指标中筛选出结实率、产量、生物量、经济系数、根直径、分蘖期叶面积和齐穗期干物重等7 项适宜作为移栽至成熟期水稻耐盐碱性筛选的指标，为水稻农业耐盐碱种质资源筛选与鉴定，耐盐碱品种选育提供了依据。