碱胁迫对不同品种燕麦幼苗生长及生理特性的影响

孙墨可， 李俊伟， 张 曼， 董玉迪， 田 娟， 李颖慧， 徐威威， 郭来春， 王春龙， 任长忠

(1.吉林省白城市农业科学院，吉林白城 1370001； 2.内蒙古农业大学杂粮产业协同创新中心，内蒙古呼和浩特 010019；3.吉林农业大学农学院，吉林长春 015636)

土地盐碱化是人类面临的重大生态环境问题，我国盐渍土面积约为5亿亩(1 hm=15亩)，可开发利用的面积达2亿亩，报道指出，盐碱化土壤面积还在逐年扩大。苏打盐碱土是一类具有较高pH值的盐碱土壤，其盐分主要是NaHCO和NaCO，该类型盐碱逆境严重影响植物的正常生长发育。燕麦是一种耐逆性较强的作物，在开发和改良盐碱地过程中具有潜在利用价值。以往研究主要集中在中性盐胁迫方面，对碱胁迫的研究相对较少，相较于盐胁迫，碱对植物的胁迫作用更强烈，其逆境胁迫机制也更为复杂，碱胁迫除了产生离子胁迫、渗透胁迫之外，还会产生pH值胁迫；植物能够通过离子再平衡、渗透调节、清除活性氧自由基、稳定pH值等方式响应盐碱胁迫。对于碱性盐逆境的研究，现已对向日葵、水稻、小麦、苜蓿、羊草、星星草、虎尾草、碱地肤等农作物或盐生植物开展了逆境影响下的植物生长发育、生理生化机制、生态适应性等多方面的研究。燕麦的耐盐碱特性逐渐受到人们的关注，已有燕麦耐盐碱机制、盐碱逆境栽培管理等方面的探究。盐碱逆境条件下，燕麦根系通过分泌草酸优化根际的盐碱土壤环境，茎叶对盐碱环境中的金属阳离子具有选择吸收特性，表明燕麦适应盐碱逆境的同时也对该类土壤本身具有改良作用。目前对种质耐碱性的评价报道较少，用于鉴定耐碱能力的主要指标也不明确，有必要对燕麦耐碱材料及其关键筛选指标进行探究。从20份燕麦材料中筛选耐碱燕麦材料，并明确评价燕麦耐碱能力的关键指标。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用20份燕麦品种为试验材料，以上材料由白城市农业科学院燕麦研究所选育，为中国与加拿大燕麦杂交后代，材料基因多样性丰富。各材料信息如表1所示。

表1 燕麦材料信息

1.2 试验设计

试验于2020年在白城市农业科学院温室内进行，光照/黑暗处理(12 h/12 h)，温度(23±2) ℃。采用花盆播种，花盆直径22 cm、高18 cm，每盆装 5 kg 沙子。将20份材料重复3次分别播种于60盆内，每盆播种30粒。每隔3 d浇1/2 Hoagland 营养液 500 mL。出苗后每盆定苗20株。待幼苗生长至三叶期，处理组每隔3 d施加500 mL碱溶液(NaHCO∶NaCO=5 ∶1，pH值为8.3)，碱浓度由25、50、75、100 mmol/L分次逐渐增加，达到最终浓度后，每次按最终浓度继续处理，CK组继续浇灌 1/2 Hoagland 营养液，从处理开始计算，持续处理 21 d；取样测定幼苗株高、鲜质量、根长、Na含量、K含量、根系活力(RA)、脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(SS)含量、抗氧化酶活性和丙二醛(MDA)含量。

1.3 测定指标与方法

取10株材料，用直尺测量株高(PH)、根长(RL)，植株鲜质量(FW)取地上部分用分析天平称质量。

取叶片测定以下生理指标：采用火焰分光光度法测定Na、K含量；采用水合茚三酮法测定脯氨酸含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈创木酚法测定过氧化物酶 (POD) 活性；采用过氧化氨法测定过氧化氢酶(CAT)活性；采用硫代巴比妥酸法测定MDA含量。采集根系，采用萘胺氧化法测定根系活力。测定方法参考李合生的《植物生理生化实验原理与技术》。

耐碱指数计算方法：耐碱指数=(处理值/对照)×100%。

1.4 数据分析

数据采用Excel整理，显著性检验、相关性分析、主成分分析采用SPSS 22.0软件，聚类-热图采用Heatmapper绘制。

2 结果与分析

2.1 20份材料各性状的耐碱指数

单项指标在不同材料之间的耐碱指数存在很大的变异，这可能与不同材料响应碱胁迫的方式不同有关；碱胁迫也引起植株从表型到生理物质等12项指标发生不同程度的变化。耐碱指数越大，表示碱处理之后该指标变化越大。由表2可知，碱胁迫引起植株株高、鲜质量、根长、K含量等指标降低，而Na含量、根系活力、脯氨酸含量、可溶性糖含量、抗氧化酶活性、丙二醛含量等指标升高。

表2 20份材料各性状的耐碱指数

2.2 性状耐碱系数显著性分析

由表3各项指标耐碱系数方差检验表明，在20份燕麦材料间均具有极显著差异，表明各项指标在后续分析过程中具有统计学意义。

表3 显著性分析

2.3 性状耐碱系数相关性分析

检验各项指标耐碱系数之间的相关性，如表4所示，多数指标之间达显著水平，不同程度的相关性说明多组数据之间存在部分信息重叠，通过主成分分析可以对原有信息进行有效提取，最终将原数据多项资料的主要信息浓缩到少数几个主要因子中。

表4 相关性分析

2.4 主成分分析

主成分的特征根和贡献率是选择主成分的依据，载荷对应的指标可以反映盐碱胁迫下燕麦的逆境响应状况，载荷矩阵通过相关系数反映了主成分与其他指标之间的关系，可以明确具体指标对主成分负荷的相对大小和作用方向，相关系数绝对值越大，说明关系越密切。

从表5可知，前3个主成分的单独特征根均大于1，其累积贡献率达到80.983%，提取前3个因子作为主成分替代原始数据中的12类分量。第1主成分的贡献率为59.413%，其中，K含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性等指标的耐碱系数对第1主成分的贡献最大，第1主成分因子可视作生理调节综合因子；第2主成分的贡献率为12.172%，CAT活性耐碱系数的载荷较大，第2主成分因子可称为过氧化氢酶活性因子；第3主成分的贡献率为9.398%，载荷最高的是Na含量和MDA含量，第3主成分可称为毒害物质因子。

表5 入选的特征根及特征向量

根据主成分分析，利用各分量的特征向量，构建各指标与材料的抗碱性函数关系式，抗碱性函数表达式如下所示：

=-0780+0757+0741-0622+0905+0675++0854+0844+0847+0558-0762；

=-0516-0369-0326+0353-0087+0468+0188-0051+0181+0342+0683+0177；

=-0133+0251+0398+0572-0208-0241+0310+0325+0230+0012-0210+0392。

式中：(=1，2，3)为主成分；～分别为株高、鲜质量、根长、Na含量、K含量、根系活力、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性、CAT活性和MDA含量的耐碱系数。

直接使用、或不能对燕麦苗期的抗碱性做出综合评价，按照各主成分的贡献率得到综合因子得分函数，即：

=059+019+009。

该函数评估了20份燕麦苗期耐碱能力的综合得分，结果见表6。

由表6可见，20份燕麦材料的耐碱能力从强到弱依次为BY6>BY7>BY12>BY19>BY15>BY8>BY17>BY14>BY2>BY9>BY20>BY11>BY1>BY18>BY16>BY5>BY3>BY10>BY4>BY13。

表6 20份燕麦材料苗期耐碱能力的综合得分及排名

2.5 燕麦耐碱能力聚类-热图

热图中，红色表示相应指标在划分类群中发挥的作用强，深绿色其次，绿色则最小。如图1所示，聚类分析将20份材料划分为4类，其中，第1类属于高耐碱性材料，包括BY7、BY6、BY19、BY9、BY12、BY11、BY18，共计7份材料；第2类属于耐碱性材料，包括BY8、BY2、BY15、BY10、BY14等5份材料；第3类属于不耐碱材料，包括BY1、BY5、BY20、BY16、BY17等5份材料；第4类属于碱敏感材料，包括BY13、BY4、BY3等3份材料。

由热图可知，不同指标对评价燕麦耐碱性的影响不同，影响作用从强到弱的顺序依次为可溶性糖含量>脯氨酸含量>Na含量>POD活性>SOD活性>CAT活性>MDA含量>根系活力>根长>株高>K含量>植株鲜质量。

3 讨论与结论

通过耐碱系数计算、方差分析、相关性分析、主成分分析、综合分析、聚类-热图分析，对20份材料的耐碱性进行评价和类群划分，分析各项指标在评价耐碱能力中的作用大小。

本试验参照已有研究方法，首先计算材料的耐碱系数。从不同材料角度来看，单项指标在不同材料之间的耐碱系数存在较大的变异，这可能与不同材料响应碱胁迫的敏感度存在差异有关；从不同评价指标角度来看，碱胁迫也引起植株12项指标发生不同程度的变化，表现为碱胁迫抑制株高、鲜质量、根长等，导致植株K含量减少，Na含量升高，生理调节物质、抗氧化物质和细胞毒害物质等含量大幅度升高。

利用主成分分析将燕麦响应碱胁迫的12项耐碱系数归纳成生理调节综合因子、抗氧化酶因子、毒害物质因子3个主成分，贡献率分别为59.413%、12.172%、9.398%，累积贡献率为80.983%，各指标按照不同比例被提取到主要的3个主成分中，其中，K含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性在第1主成分中的负荷量最大，CAT活性在第2主成分中的负荷量最大、Na含量和MDA含量在第3主成分中的负荷量最大。主成分分析结合聚类分析是一种典型的数据分析方法，在群体材料分类研究中得到广泛应用。

通过综合因子得分函数评价20份燕麦材料的耐碱能力，结果显示，白燕6号、白燕7号及白燕12号等材料属于强耐碱燕麦材料，白燕13号、白燕4号、白燕3号等属于碱敏感材料，这与实际观测结果基本一致。利用多指标对种质资源的耐碱性进行综合评价，能更好地揭示燕麦对碱胁迫的适应机制，提高耐碱性鉴定的准确性。段文学等采用主成分分析结合聚类方法评价了甘薯苗期的耐盐性；王志恒等评价藜麦生长初期对不同类型逆境的耐性，发现材料耐性水平因逆境类型而异。

热图将不同指标的影响作用进行了区分；聚类结果将20份燕麦材料划分为4类，包括7份强耐碱性材料、5份耐碱性材料、5份不耐碱材料和3份碱敏感材料，该聚类结果与综合因子得分函数计算的排名结果基本一致，说明本次研究中所采用的评价方法及其评价结果较为可靠；不同指标对碱胁迫的响应变化不同，不同材料在单个指标维度上的响应水平存在差异，这与本研究中表1反映的结果相吻合，热图能区分12项评价指标在类群划分过程中的效应强度，可溶性糖含量、脯氨酸含量和Na含量等对类群划分的影响较大，是评价材料耐碱能力的关键指标，而株高、鲜质量和根长等指标对类群划分的作用最小，可能与表型指标的变化幅度较小有关。

本研究对 20份燕麦材料的耐碱能力进行了评价和划分，并明确了燕麦苗期耐碱能力的鉴定指标，为相关研究的材料选择和研究方法运用提供参考。