283份小麦品种(系)萌发期耐盐碱性评价及种质筛选

李媛媛, 陈博, 姚立蓉, 翟雪婷, 司二静, 汪军成,马小乐, 孟亚雄, 王化俊, 李葆春*, 杨亮

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院, 兰州 730070; 2.甘肃农业大学农学院, 兰州 730070)

土壤盐碱化严重影响作物的产量和品质，已成为制约农业发展的主要因素之一[1]。据不完全统计，全球约有9.54亿hm2盐碱地[1-2]。我国西北地区盐碱地多数是复合型盐碱地，盐碱成分主要是NaCl、NaHCO3和Na2CO3，并且盐化和碱化现象相伴发生，盐碱胁迫所导致作物产量的降低远远超过其他非生物胁迫所造成的总和，同时由于过度使用化肥和不合理的灌溉等因素还会引起耕地的次生盐渍化[3]。小麦(TriticumaestivumL.)是仅次于水稻的主要粮食作物之一[4]。小麦可作为盐碱地的主栽品种，对于盐碱地的改良和治理具有重要意义[5]。

植物能否存活首先取决于能否发芽[3]，种子萌发期是植物生命史中最为重要的阶段，也是对盐碱胁迫最敏感的时期[5]。当盐浓度高于90 mmol·L-1时，大豆发芽势、发芽率和生物量都会降低，而碱性盐则直接抑制大豆种子的萌发[6-7]。吕丙盛[8]研究发现,水稻种子受到盐碱胁迫后，发芽率显著降低，且Na2CO3比NaCl胁迫对水稻种子的萌发影响更大。另外，在大麦、高粱、玉米和花生上也有相关的盐碱胁迫报道[9-11]。目前，对小麦耐盐碱性的研究主要集中在中性盐对小麦种质的幼苗生理特性和分子响应机制，而对于混合盐碱胁迫的研究尚未见报道。本研究人工模拟自然环境下不同的盐碱胁迫环境，明确不同小麦种质资源萌发期耐盐碱性特点，筛选耐盐碱基因型材料，以期为小麦耐盐碱品种的培育及萌发期耐盐碱相关分子机理的挖掘提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

283份小麦材料由甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室/甘肃省干旱生境作物学重点实验室麦类种质创新课题组保存和提供。其中，我国地方品种59份，育成品种45份；欧洲引进品种179份，来自英国、德国、法国、波兰、瑞典、保加利亚等国家。

1.2 试验方法

1.2.1盐、碱胁迫浓度筛选 随机选取本实验材料中的20个品种进行预实验，设置盐胁迫NaCl浓度为50、100、150、200、250 mmol·L-1，根据西北地区盐碱地主成分，选取NaHCO3和 Na2CO3混合溶液(摩尔比为1∶1)进行碱胁迫，设置浓度梯度50、100、150、200、250 mmol·L-1。选取胁迫组与对照组性状间具有明显差异，但致死率不影响后期测定各性状的浓度。结果表明，150 mmol·L-1NaCl为小麦耐盐性筛选的理想鉴定浓度；100 mmol·L-1的 NaHCO3和 Na2CO3混合溶液(摩尔比为1∶1)为小麦耐碱性筛选的理想鉴定浓度。

1.2.2种子预处理及盐、碱胁迫试验 对283份小麦材料采用150 mmol·L-1NaCl模拟盐胁迫，用100 mmol·L-1的 NaHCO3和 Na2CO3混合溶液(摩尔比为1∶1)模拟碱胁迫。将培养皿用75%的酒精进行消毒，且用蒸馏水冲洗三次，待风干后在底部铺上2 层滤纸，一次性加入10 mL胁迫处理溶液。挑选30粒大小一致、籽粒饱满的小麦种子，先用蒸馏水清洗2～3次，然后用5%的次氯酸钠消毒5 min，最后用蒸馏水清洗5次。接着用灭菌的镊子将种子腹股沟向下均匀地摆放至培养皿中，每个处理重复3次，最后将培养皿置于温度为 20 ℃，光照时间为16 h昼/8 h夜，光强1 000 lx，相对湿度为40%～50%的条件下培养7 d。

1.3 测定指标

根据《国家种子检验规程》[12]，以胚根长≥种子长、胚芽长≥1/2种子长作为发芽标准。统计发芽势(germination potential, GP)、发芽率(germination rate, GR)，并从每一处理中随机挑选5株幼苗，测定根长(root length, RT)、芽长(bud length, BL)、胚芽鞘长(coleoptile length, CL)、根鲜重(root fresh weight, RFW)、根干重(root dry weight, RDW)、芽鲜重(bud fresh weight, BFW)、芽干重(bud dry weight, BDW)、幼苗鲜重(seedling fresh weight, SFW)及幼苗干重(seedling dry weight, SDW)等性状指标。

发芽势(GP)=3 d发芽种子数/供试种子数×100%

发芽率(GR)=7 d发芽种子数/供试种子数×100%

相对值=(对照值-胁迫值)/对照值

1.4 数据处理

对供试材料的所测性状进行隶属函数值法分析[2]，由于本试验的数据都是采用相对值进行分析，因此隶属函数值越小，表明其耐盐碱性越强。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)i=1, 2, 3,…,n

式中，U(Xi)指第i个综合指标的隶属函数值，Xi指第i个综合指标值，Xmax指第i个综合指标的最大值，Xmin指第i个综合指标的最小值。

采用Excel 2010对试验数据进行整理，使用SPSS19.0进行供试材料各性状的相关分析、因子分析，R studio 进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度盐胁迫下小麦萌发期性状变化分析

对各性状进行统计分析表明，株高、根长和生物量等性状变幅不同(表1)。对照组中变异系数变化范围较小，为10.9%～38.9%，说明供试的283份小麦种质资源在正常生长条件下各性状变异不显著。盐胁迫处理组中变异系数在13.3%～104.8%，表明供试283份小麦种质资源在盐胁迫条件下各性状表现出较明显的变异。其中胚芽长和胚芽干重的变异较大，分别为55.8%和104.8%。碱胁迫处理组中变异系数为18%～336.2%，表明供试的283份小麦种质资源在碱胁迫条件下各性状表现出极显著变异，其中根长、根鲜重和根干重变异系数较大，分别为336.2%、331%和275.4%。对照组和盐碱胁迫组各性状统计分析，结果表明，盐胁迫组和碱胁迫组的幼苗干重均高于对照组，其余各指标胁迫组均低于对照组。

表1 盐碱胁迫下283份小麦种质资源性状统计

幼苗干重获得方法为烘干后整株幼苗称重，包括芽、根及种子的胚乳和种皮，其中未吸收完的胚乳占比仍然较大。对照组对胚乳的吸收转化速率远大于胁迫组，胚乳转化为幼嫩的器官，风干后失水较多，干重变小；胁迫组幼苗生长速率较慢，对胚乳吸收转化较少，当风干失水后，胁迫组种子胚乳的重量大，故胁迫组幼苗的干重要大于对照组。对盐碱胁迫均值进行比对，发现盐胁迫幼苗干重低于碱胁迫幼苗干重，其余各性状均高于碱胁迫条件下各性状值。

2.2 耐盐碱性状的相关性分析

根据表1选取在盐碱胁迫下变异系数大的性状：胚根长、胚根鲜重、胚根干重、胚芽长、胚芽鲜重、胚芽干重、幼苗干重和胚芽鞘长。对盐碱胁迫下各性状的隶属函数值进行相关性分析(表2)。结果显示，幼苗干重与其它性状不具有相关性，胚根干重与胚芽长不具有相关性，其余各性状之间具有显著相关性。

表2 盐胁迫下283份小麦种质资源11个性状隶属函数值间的相关系数

对碱胁迫下各性状的隶属函数值进行相关性分析(表3)。结果显示，幼苗干重与其他性状不具有相关性，胚芽鞘长与胚根长、胚根鲜重和胚根干重不具有相关性，其余各性状之间显著相关。

表3 碱胁迫下283份小麦种质资源11个性状隶属函数值间的相关系数

综上表明，萌发期盐、碱胁迫影响小麦幼苗多个性状指标，单个性状指标不能有效的评价小麦的耐盐碱性，对多个性状进行综合分析才能准确的评价盐、碱胁迫下的小麦萌芽期特性。

2.3 小麦萌发期盐、碱胁迫相关性状的主成分分析

对283份小麦材料隶属函数值进行主成分分析，结果如表4、表5所示。盐胁迫中第Ⅰ主成分贡献率37.01% ,特征向量中最大的因子为胚芽鲜重；第Ⅱ主成分贡献率15.79%,特征向量中最大的因子为胚根鲜重；第Ⅲ主成分贡献率12.29%，特征向量中最大的因子为幼苗干重；第Ⅳ主成分贡献率11.12%，特征向量中最大的因子为胚根长，累计贡献率为76.2%。碱胁迫中第Ⅰ主成分贡献率41.52%，特征向量中最大的因子为胚根干重；第Ⅱ主成分贡献率18.84%，特征向量中最大的因子为胚芽鞘长；第Ⅲ主成分贡献率12.53%，特征向量中最大的因子为胚芽鞘长；第Ⅳ主成分贡献率10.71%，特征向量中最大的因子为胚根长，累计贡献率为83.59%。

表4 4个盐、碱胁迫下主成分的特征值以及贡献率

表5 4个盐、碱胁迫下主成分各因子的载荷矩阵

综上分析发现，胚芽鲜重为盐胁迫条件下小麦种质耐盐性评价的主要因子，胚根干重为碱胁迫条件下小麦种质耐碱性评价的主要因子，与2.1研究结果一致。因此，可以考虑将胚芽鲜重和胚根干重作为小麦萌发期耐盐碱的主要筛选指标。

2.4 耐盐、碱材料聚类分析和种质资源筛选

根据主成分分析结果对供试材料进行聚类分析，参考单云鹏等[15]分析方法，盐胁迫下以胚根鲜重、胚根干重和胚芽鲜重三个性状的隶属函数值平均值为聚类依据，如图1所示。283份小麦材料划分为3类，包括69份耐盐型材料，隶属函数平均值在0.45～0.27；152份中间型材料，隶属函数平均值在0.24～0.19；62份盐敏感型材料，隶属函数平均值在0.18～0.03。盐胁迫下三个类群生物量差异明显，第Ⅰ类群材料胚根鲜重、胚根干重和胚芽鲜重的平均值最高，第Ⅲ类群材料胚根鲜重、胚根干重和胚芽鲜重平均值最低。

图1 283个小麦品种盐胁迫聚类分析

碱胁迫下以胚根干重、胚芽鲜重和胚芽干重三个性状的隶属函数值平均值为聚类依据，如图2所示。283份小麦材料划分为3类，包括11份耐碱型材料，隶属函数平均值在0.75～0.55；29份中间型材料,隶属函数平均值在0.50～0.41；243份碱敏感型材料，隶属函数平均值在0.40～0.02。碱胁迫下三个类群生物量差异明显，第Ⅰ类群材料胚根干重、胚芽鲜重和胚芽干重的平均值最高，第Ⅲ类群材料胚根干重、胚芽鲜重和胚芽干重平均值最低。

图2 283个小麦品种碱胁迫聚类分析

共筛选出10份对盐碱胁迫都具有耐受型材料：白芒麦、f106、和尚头、四方麦、轴包、中梁22、f78、蚰子麦、和尚麦、矮立多。

3 讨论

盐碱地是世界性的热点问题，严重限制着作物的生长发育和产量，因此,提高小麦耐盐碱性、筛选小麦耐盐碱品种(系)，对于提高小麦产量和保障国家粮食安全有十分重要的意义。小麦萌芽期是决定种子能否出苗的关键，对于小麦后期的生长发育起决定性作用。同时萌发期鉴定具有耗时短、操作性强、容量大和重复性好等特点，众多学者将其作为衡量作物耐盐碱性的重要依据[3,5-6]。小麦的耐盐碱性是多基因控制的数量遗传性状[13]，由多种因素协同作用而形成，鉴于小麦耐盐碱机理的复杂性，至今仍没有发现哪一形态指标可以单独作为其耐盐碱性鉴定的依据，因此, 通过测定小麦萌发期各形态指标, 比较它们在盐碱处理和对照间的差异, 评价不同品种耐盐碱胁迫的能力, 可为小麦耐盐碱育种提供依据[17]。

自然环境下盐害主要由高浓度的Na+、Cl-造成。碱性土壤主要成分是Na2CO3和NaHCO3，同时碱性土壤具有较高的PH[18]。本研究采用NaCl作为盐胁迫，Na2CO3和NaHCO3混合溶液作为碱胁迫，在前人研究的基础上设计了盐、碱胁迫浓度梯度，分析不同浓度盐、碱胁迫对小麦材料的影响, 筛选出有差异且致死率低的浓度，适宜进行小麦萌发期盐胁迫鉴定的NaCl溶液浓度为150 mmol·L-1，碱胁迫浓度为100 mmol·L-1的 NaHCO3和 Na2CO3混合溶液(摩尔比为1∶1)。

在植物盐碱胁迫研究中，蔺吉祥等[19-20]探讨小麦种子萌发、早期幼苗生长及Na+、K+代谢对其的响应方式，结果表明，碱胁迫使小麦种子的发芽率、发芽速率及早期幼苗生长的下降幅度大于盐胁迫。杨春武等[21]对盐、碱胁迫下小冰麦的研究得出，芽期碱害的毒害作用要大于盐害;石德成等[22]对盐、碱胁迫下星星草的研究也得出相同结论。本研究中，在盐碱胁迫处理下，通过对283份小麦材料萌发期性状测定，利用隶属函数对小麦各个性状变化进行分析，幼苗干重平均值表现为：碱胁迫>盐胁迫>CK，其余各性状的平均值为：CK>盐胁迫>碱胁迫。综合各性状指标得出碱胁迫对小麦萌芽期的影响要大于盐胁迫对小麦的影响，与上述研究结果一致。通过对盐碱胁迫下胚芽和胚根的性状变化分析得出，芽对于盐胁迫更为敏感，根对于碱胁迫更为敏感，此结论与索艺宁等[23]在水稻上对根系的研究结果一致。

对各性状隶属函数值进行主成分分析。盐胁迫对于小麦胚芽具有较明显的胁迫作用，因此胚芽长和胚芽干重可以作为耐盐品种筛选的主要指标。王萍等[24]用NaCl处理冬小麦烟农19和克旱16得出地上部比地下部对NaCl胁迫更为敏感。韩朝红等[25]用不同浓度的NaCl处理11个水稻品种吸胀后的种子，表明品种间的耐盐能力具有一定的差异性，其地上部分对盐害的敏感程度要高于根部对盐害的敏感程度。本研究中小麦胚芽对盐胁迫的敏感性要高于根系，与前人研究结果[24-25]一致。碱胁迫对于小麦的根系胁迫效果更为明显，因此根长、根鲜重和根干重可以作为耐碱品种筛选的主要指标。索艺宁等[23]对水稻根系研究表明,在盐胁迫和碱胁迫条件下, 水稻苗期的根数和根长都受到明显影响，相对于盐胁迫，水稻根系对碱胁迫更为敏感。本研究发现,小麦根系对碱胁迫的敏感性大于盐胁迫的敏感性，与水稻根系受盐碱胁迫的影响一致。

王芳等[26]在NaCl胁迫下对小麦胚芽鞘进行研究表明,盐胁迫对小麦胚芽鞘具有抑制作用，一定浓度NaCl处理下小麦胚芽鞘的长度可作为耐盐筛选的指标。本研究中盐胁迫下胚芽鞘长与胚根和胚芽呈极显著正相关(P<0.01)，所以盐胁迫对小麦胚芽鞘具有影响，可以作为筛选耐盐品种的指标，研究结果与王芳等[26]的结果较为一致。

采用三个主成分的隶属函数值进行聚类分析，可以避免误差，更具有代表性，对该群体小麦耐盐碱性的评价更加可靠。283份小麦种质资源其芽期耐盐碱性具有明显差异，说明小麦品种经长时间的自然选择和人工选择, 对盐害等逆境具有较强的适应性。本试验对283份小麦品种分别进行盐碱聚类，筛选出耐盐碱小麦种质资源，可为小麦耐盐碱品种的培育及萌发期耐盐碱相关分子机理的挖掘提供参考依据。