基于熵权-TOPSIS模型的大麦萌发期耐碱种质评价

巴 图, 李建波, 李国兴, 王文迪, 马 宇, 吕二锁,杜慧婷, 徐寿军, 刘志萍

(1.内蒙古自治区农牧业科学院作物科学研究所, 呼和浩特 010000;2.内蒙古民族大学农学院, 内蒙古 通辽 028000;3.内蒙古自治区饲用作物工程中心, 内蒙古 通辽 028000;4.通辽市高林屯种畜繁育中心, 内蒙古 通辽 028000)

土壤盐碱化已成为限制农业发展的主要非生物胁迫因素之一,盐碱化土壤中由于存在较高的可溶性盐,限制了根系对水分和养分的吸收,影响植物的生长发育,最终导致作物产量和土地生产力降低。盐碱化正在成为主要的环境挑战之一,全球超过8.3×109hm2的土壤已经受到盐碱化的危害,其中亚洲涉及约1.0×109hm2的土地面积,而中国东北约7.66×106hm2的土地也受到盐碱化的影响[1]。因此,土壤盐碱化阻碍了作物产量的提升,对全球粮食安全构成重大威胁。受气候变化和人类活动的共同影响,盐碱化土地面积仍在逐年增加,盐碱化程度不断加深,每年新增盐碱地约2.0×104hm2[2],土地盐碱化的发展趋势不容乐观。

盐碱胁迫分为盐胁迫和碱胁迫,2种胁迫均能导致严重的离子失衡、渗透胁迫、抗氧化系统破坏和植物生长抑制[3]。盐胁迫主要因NaCl和Na2SO4等中性盐引起的离子毒害和渗透应激,进而引起植物代谢紊乱[4]。碱胁迫除了具有盐胁迫特性外,还因NaHCO3和Na2CO3等碱性盐引起的高pH胁迫影响细胞pH稳定性,破坏细胞膜完整性,并降低根系活力,导致铁、锰、锌和磷等矿质营养缺乏,光合作用功能下降[5]。因此,碱胁迫较盐胁迫对植物造成的损害更为严重。

作物受盐碱胁迫损害程度取决于作物的基因型、盐碱浓度和发育阶段。萌发期作为作物生活史的起始阶段,决定了作物萌发、成苗以及活力,进而影响作物的形态建成和群体密度,最终决定了作物产量的形成[6]。然而,作物的萌发期属于胁迫敏感期,易受外界环境干扰,对盐碱胁迫最为敏感,此时期土壤由于地表裸露,水分蒸发和毛细上升较其他时期高,导致作物萌发期较其他生长期面临更高的盐分[7]。因此,萌发期盐碱胁迫的抗性对于其生存力和稳定性至关重要。

大麦是世界第四大禾谷类作物,用途广泛,籽粒兼具食用、饲用和工业酿造等价值[8],与其他谷类作物(包括小麦、水稻、黑麦和燕麦)相比,大麦对盐碱胁迫具有较高的耐受性;另一方面,大麦种间存在巨大遗传差异[9],因此,挖掘耐盐碱大麦,可为大麦和其他作物的耐盐碱遗传改良提供重要基因资源,有利于盐碱地生产力的提升。目前,有关大麦耐盐碱研究主要集中在耐盐性上,而对耐碱性研究鲜见报道[10]。本研究以10个大麦品种为材料,测定不同碱胁迫下种子发芽率、发芽指数、活力指数和根长、芽长等性状,以期为大麦耐碱性提供遗传信息,为今后耐碱品种筛选与品种改良提供基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为B 1614、Quench、甘垦啤7号、垦啤麦8号、甘垦啤0520、垦啤麦9号、Conquest、苏啤6号、四川MS、奇台9919等10个大麦品种,由内蒙古民族大学提供。

1.2 试验设计

选取籽粒饱满、大小均匀且无病虫害的种子,经5%的次氯酸钠溶液消毒10 min后,用蒸馏水冲洗2次,分别放入加有不同浓度(0,30,60,90,120 mmol/L)的碱(NaHCO3与Na2CO3摩尔比为9∶1)溶液的培养皿中培养,3次重复,每个重复100粒。各处理放在光照培养箱中培养,光照12 h,温度25 ℃,黑暗12 h,温度20 ℃,定时补充蒸馏水以保持滤纸湿润。以芽长超过种子长度一半为标准,从发芽第3天开始记录发芽数等指标,第7天测定发芽率、根长和芽长等指标。

1.3 测定指标

参考Kaur等[11]的方法进行发芽势、发芽率、萌发系数、活力指数、发芽指数、根长、芽长和根冠比(根长/芽长)等指标的测定。

1.4 数据分析

利用Excel软件进行数据初步处理,利用DPS软件进行相关性分析、差异性分析和回归分析,利用Origin 2022软件作图。利用余健等[12]和杨瑾等[13]的方法计算熵权、确定指标权重,利用基于熵权法-TOPSIS模型进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 碱胁迫对不同品种大麦种子发芽性状的综合影响

由表1可知,不同碱胁迫浓度下,各发芽参数在品种间、碱胁迫处理间和品种×碱胁迫处理互作间均存在极显著差异,且表现为品种方差>胁迫方差>互作方差,表明品种间存在较大的遗传差异。由表2可知,不同碱胁迫下发芽势、发芽率、发芽指数、萌发系数、活力指数、芽长、根长和根冠比等指标间存在极显著相关性。

表1 不同品种大麦在不同碱胁迫下萌发性状的方差分析Table 1 The analysis of variance for different varieties of barley under different alkali stress treatments

表2 碱胁迫下各性状相关性分析Table 2 Correlation analysis on various traits under alkali stress

2.2 碱胁迫对不同品种大麦种子萌发特性的影响

由表3可知,随着碱胁迫浓度增加,10个大麦品种的发芽势均呈下降趋势(图1 A)。碱胁迫的影响在90 mmol/L时差异最显著,与对照相比,四川MS发芽势降低最少,为45.81%,而奇台9919降低最多,达92.46%。在120 mmol/L时,有6个品种发芽势为0。各品种的发芽率也随碱胁迫浓度的增加呈降低趋势(图1 B),但在30 mmol/L时,Quench、甘垦啤0520、Conquest和四川MS与对照相比发芽率更高。碱胁迫下各品种发芽率变异最大浓度为90 mmol/L,该浓度下Conquest发芽率降低幅度最小,为16.55%,垦啤麦9号降低幅度最大,为68.73%。

图1 碱胁迫对大麦种子萌发特性的影响Fig.1 Effect of alkali stress on barley seed germination characteristics

表3 不同品种大麦在不同碱胁迫下的萌发特性Table 3 Germination characteristics of different barley genotypes under different alkali stresses

随着碱胁迫浓度的增加,种子发芽指数逐渐减慢(图1 C)。对照下,Quench的发芽指数最快,其次是四川MS、B 1614的发芽指数最慢。从30 mmol/L到120 mmol/L,均以四川MS发芽指数最快,垦啤麦9号的发芽指数最慢。萌发系数随碱浓度的增加呈降低趋势(图1 D)。30 mmol/L浓度下,甘垦啤0520的萌发系数较对照大,奇台9919降幅最大,达17.94%。60 mmol/L浓度下,与对照相比甘垦啤0520萌发系数降幅最小(3.34%),其次是四川MS(10.55%),降幅最大的为垦啤麦9号,在90 mmol/L的碱胁迫下获得了相同的结果。在120 mmol/L浓度下,萌发系数降幅最小的为甘垦啤0520,其次为四川MS,降幅最大的为苏啤6号,其次为奇台9919。

2.3 碱胁迫对不同品种大麦幼苗活力特性的影响

由表4可知,幼苗活力指数随着碱胁迫浓度的增加而呈现降低趋势(图1 E),不同品种间差异显著。与对照相比,不同碱胁迫处理均以四川MS降幅最小,其次为Conquest,以苏啤6号的降幅最大,其次为奇台9919。与对照相比,碱胁迫下品种对芽长、根长和根冠比表现出显著负效应,特别是在较高浓度下,表现为随碱浓度增加呈现降低趋势(图1 F～图1 H)。在30 mmol/L浓度下,Quench、甘垦啤7号、甘垦啤0520和四川MS的芽长、根长和根冠比均较对照有所增加。在60 mmol/L浓度下,芽长变化范围为9.81 cm(甘垦啤0520)～15.11 cm(四川MS),根长变化范围为3.13 cm(Quench)～5.95 cm(四川MS),根冠比变化范围为28.03%(奇台9919)～42.11%(B 1614)。在90 mmol/L浓度下,芽长变化范围为4.23 cm(Quench)～9.63 cm(四川MS),根长变化范围为0.59 cm(Quench)～2.85 cm(四川MS),根冠比变化范围为13.86%(Quench)～29.51%(四川MS)。在120 mmol/L浓度下,芽长变化范围为3.05 cm(Quench)～6.37 cm(四川MS),根长变化范围为0.20 cm(Quench)～1.16 cm(四川MS),根冠比变化范围为6.37%(甘垦啤7号)～18.87%(奇台9919、苏啤6号)。此外,与对照相比,在30～120 mmol/L碱胁迫下,根长降幅分别为1.40%,44.51%,77.90%和91.88%。而芽长在30 mmol/L浓度下与对照相比增加了0.79%,在60～120 mmol/L浓度下分别降低了15.89%,50.83%和68.90%,表明碱胁迫对根长的影响更为显著。

表4 不同品种大麦在不同碱胁迫下的幼苗活力特性Table 4 Seedling vigor characteristics of different barley genotypes under different alkali stresses

2.4 碱胁迫下大麦萌发期耐碱性综合评价

依据熵权法计算各指标的权重,再基于加权TOPSIS法计算最优方案距离和最劣方案距离,计算出C值,C值越大,表示耐碱性越强。如表5所示,不同碱胁迫浓度下各品种的耐碱性不同,30 mmol/L浓度时,以甘垦啤0520表现最佳,苏啤6号最差。在60 mmol/L浓度下,以四川MS表现最佳,奇台9919最差。90 mmol/L浓度下,以四川MS表现最佳,Quench最差。120 mmol/L浓度下,以垦啤麦8号表现最佳,其次为四川MS,Quench表现最差。综合四个浓度下C值的总隶属函数值,以四川MS耐碱性最强,其次为垦啤麦8号,Quench耐碱性最差,其次为奇台9919。

表5 基于熵权-TOPSIS模型的萌发期耐碱性综合评价Table 5 Comprehensive evaluation of alkali tolerance in germination period based on entropy weight-TOPSIS model

依据4个碱胁迫处理的C值进行聚类分析(图2),将10个大麦品种分为4类,第Ⅰ类为耐碱类型,包括四川MS和垦啤麦8号两份材料;第Ⅱ类为中度耐碱类型,包括甘垦啤0520和甘垦啤7号两份材料;第Ⅲ类为中度碱敏感类型,包括Conquest、B 1614和苏啤6号三份材料;第Ⅳ类为碱敏感类型,包括Quench、垦啤麦9号和奇台9919三份材料。

图2 不同碱胁迫下10个大麦品种萌发期耐碱性聚类分析Fig.2 Clustering analysis of 10 barley varieties for alkaline tolerance during germination under different alkaline stresses

2.5 不同品种大麦萌发相关指标与胁迫程度的逐步回归分析

由表6可知,采用逐步回归法分析不同胁迫强度下耐碱性敏感指标。轻度(60 mmol/L)、中度(90 mmol/L)和重度碱胁迫(120 mmol/L)的划分标准依据: 1) 碱胁迫半致死浓度为发芽率达到对照发芽率50%时相对应的碱溶液浓度; 2) 本研究中30 mmol/L、60 mmol/L、90 mmol/L、120 mmol/L浓度下发芽率分别为对照的95.75%,81.79%,61.79%和45.21%(图1 B); 3) 30 mmol/L浓度下,碱胁迫对某些品种的生长具有促进作用(表3、表4)。因此,分别以60 mmol/L、90 mmol/L和120 mmol/L浓度作为轻度、中度和重度碱胁迫的模拟浓度。

表6 不同品种大麦种子萌发相关指标与胁迫程度的逐步回归分析Table 6 Stepwise regression analysis of germination related indexes and stress degree of different barley varieties

轻度碱胁迫(60 mmol/L)下,发芽势、发芽指数、根长、活力指数和根冠比(根长/芽长)等5个指标表现较为显著(R2=0.999),可作为中度碱胁迫的评价指标。中度碱胁迫(90 mmol/L)下,发芽势、发芽指数、活力指数和根冠比等4个指标能够反映各品种的耐碱能力(R2=0.997)。重度碱胁迫(120 mmol/L)下,发芽指数、萌发系数和活力指数等3个指标反应敏感,表现显著(R2=0.998)。综合3种胁迫强度来看,发芽指数和活力指数2个指标对碱胁迫最为敏感,表现显著,可作为今后大麦萌发期耐碱性评价的指标。

3 讨论与结论

不同品种大麦对碱胁迫的响应不同,其种子萌发和幼苗特性也不同。本研究中,随着碱胁迫程度的增加,各品种的发芽率、幼苗长度(根长和芽长)、发芽指数和活力指数均显著降低,这与Ahmad等[14]的结果一致。此外,在小麦[15-16]和高粱[17]的报道中也认为,在盐胁迫下保持较高发芽率的品种,其生物量也较高。显然,碱胁迫抑制了植物对水分的吸收,降低植物生长速率。此外,碱胁迫引发生理性缺水,加剧离子和渗透失衡,从而破坏植物根系,进而导致养分失衡,抑制养分向地上部的转移[18]。因此,幼苗生长参数如活力指数、芽长、根长等对耐盐碱性至关重要,并随盐碱浓度的增加而显著降低。然而,降低的程度因品种不同而异,如Quench、甘垦啤7号、甘垦啤0520和四川MS在轻度盐碱化(30 mmol/L)条件下生长未受抑制,反而促进根长和芽长的生长,而B 1614和奇台9919的根长和芽长受到抑制,这与王佺珍等[19]结果一致,这可能是由于低浓度的盐碱环境刺激植物响应,抗氧化酶活性提高,活性氧清除系统高效运行,进而有利根系对水分和养分的吸收,促进植物萌发生长。但随着浓度增加,外部溶液浓度大于细胞内部浓度,细胞失水,活性氧清除系统一定程度受到损害,导致植物生长受到抑制,甚至死亡。

Rani等[20]研究发现,随NaCl浓度增加,与根生长相比,芽生长受到的影响更为显著。本研究中,随着碱胁迫浓度增加,根系生长受到的影响较芽长更为显著。NaCl胁迫属于中性盐胁迫,无pH胁迫,碱胁迫中除了具有盐胁迫特性外,还具有高pH胁迫,导致根系在碱环境中受到的损伤更为复杂和严重。这可能是导致碱胁迫对根系抑制更显著的原因,当然,下胚轴表面过高的盐分积累会进一步抑制根系的生长[21-22]。而Na+的大量积累会导致渗透胁迫和生理性干旱,从而导致植物根系吸水能力下降和离子毒性增强。因此,导致细胞膜破坏、溶质泄漏和酶活性出现变化[23]。类似地,Mbinda和Kimtai[24]报道了较高水平盐胁迫可显著抑制不同高粱品种种子萌发以及由于高渗透势和特定离子毒害的联合作用而影响幼苗生长。因此,较高浓度(60 mmol/L、90 mmol/L和120 mmol/L)的碱性溶液处理可能是导致本研究中一些品种(如垦啤麦9号、苏啤6号和奇台9919)的发芽率急剧降低的原因。

研究大麦不同胁迫下的耐盐碱性是耐盐碱育种的基础。本研究采用熵权-TOPSIS模型-聚类分析对10份大麦种质进行耐碱性综合评价,可将不同大麦材料划分为4个耐碱级别类型,其中类群Ⅰ中包含高度耐碱材料2份,类群Ⅱ中包含中度耐碱材料2份,类群Ⅲ中包含中度碱敏感材料3份,类群Ⅳ中包含碱敏感材料3份。该方法结合了熵权和TOPSIS优点,既考虑了参评指标的权重,又体现了TOPSIS法能充分利用数据资料的优点,该方法对数据分布及样本含量没有严格限制,原理简明,数据计算简单易行,结果准确。而种质资源综合评价的主流方法,模糊隶属函数法和主成分分析法均有缺点,隶属函数法未考虑各评价指标的相对重要性,而主成分分析法在分析过程中会有遗传信息的损失,且该方法易受指标间的信息重叠的影响[25]。因此,熵权-TOPSIS模型综合两个方法优点,提高了种质资源评价的准确性。依据不同碱胁迫强度下各品种的C值与评价指标的回归分析,发现在轻度碱胁迫下,有效评价指标为发芽势、发芽指数、根长、活力指数和根冠比;在中度碱胁迫下有效评价指标为发芽势、发芽指数、活力指数和根冠比;重度碱胁迫下有效评价指标为发芽指数、萌发系数和活力指数等。综合来看,发芽指数和活力指数2个指标无论在何种胁迫下对碱胁迫均表现敏感,可作为今后大麦萌发期耐碱性评价的指标,这与Kaur等[11]的研究结果一致。