特种稻种质资源耐盐性综合评价及耐盐种质筛选

季 新, 肖 迪, 张佳会, 李 猛, 刘秋员, 卫云飞, 刘 娟

(1.信阳农林学院, 河南 信阳 464000; 2.信阳市优质稻米工程技术研究中心, 河南 信阳 464000;3.信阳市水稻遗传改良与生理生态重点实验室, 河南 信阳 464000)

土地盐渍化是影响我国农作物高产稳产和种植面积进一步扩大的重要限制因素之一[1]。我国的盐碱土地面积大、类型多样、分布广泛,现有大约9 913万hm2盐碱地和234万hm2沿海滩涂,主要分布在东北、西北及沿海地区[2]。水稻是我国最重要的粮食作物之一,是盐中度敏感作物[3]。由于水稻特殊的栽培方式,在栽培过程中形成的水田环境具有淋盐、洗盐、压盐的效果,使水稻成为盐渍化土地开发利用的“先锋作物”[4-5]。因此,培育耐盐性更强的水稻品种是保障盐碱稻区粮食安全生产、增加水稻总产量和改善生态环境的有效途径之一。水稻的生长发育从种子萌发开始,经过一系列的生理过程,直到新种子形成为止,期间经历多个生长发育时期,即水稻萌发期、幼苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期,其中幼苗期和抽穗开花期对盐胁迫最敏感[6-8]。马帅国等[9]研究评价分析165份粳稻种质资源苗期耐盐性,发现水稻幼苗相对地上部鲜重、相对根鲜重、相对地上部干重、相对根干重、相对植株干重和地上部含水量与耐盐级别均呈极显著正相关。刘艳等[10]利用0.5%盐浓度评价63份水稻种质资源的苗期耐盐性,发现以幼苗的整体干质量和整体鲜质量2个综合评价指标较为合理。水稻根系对土壤中的盐分含量变化最为敏感,是最先遭受盐胁迫的部位[11]。随着盐浓度的升高,水稻根数减少,根长变短,水稻地上部的生长、产量的形成与根系数量、根系长度、根系活力等根系性状紧密相关。

特种稻是指具有特殊遗传性状和用途的水稻品种,主要可以分为香稻、有色稻、专用稻、药稻、甜稻、软稻、巨胚稻等7类[12],与普通栽培稻相比,特种稻米中含有更加丰富的蛋白质、氨基酸、脂类化合物质、矿物质、维生素以及微量元素等人体必需的营养物质[13]。杜孝敬等[14]研究发现,不同香稻品种芽期和苗期生长均受盐胁迫抑制,筛选鉴定到香稻品种粮香6-4的综合耐盐性较好。目前关于特种稻的研究主要是针对品种选育与栽培技术,但是特种稻是否存在耐盐基因资源和具有耐盐特性的研究鲜有报道。据此,本研究以36种不同特种稻种质资源为试验材料,以盐浓度为0.9% NaCl模拟盐胁迫,通过测定盐胁迫下地上部和根系鲜重、干重及根系形态参数,采用多元统计分析法综合评价分析不同特种稻种质资源的耐盐性,筛选苗期耐盐性较强的特种稻种质资源,为特种稻在盐渍化土地开发利用提供品种支持,同时为耐盐基因挖掘、耐盐育种提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验收集所用的36种特种稻种质资源名称和编号见表1。

1.2 试验设计

采用室内水培的方法,挑选不同特种稻品种的饱满种子,用10% H2O2溶液消毒10 min,期间不停搅拌,用流动的自来水冲洗6次(1 min/次),再用蒸馏水清洗5～6次,然后置于培养箱28 ℃黑暗条件下于蒸馏水中浸泡催芽48 h,之后将露白一致的种子播于PCR板(底部有小孔)上,将PCR板固定于泡沫板上,放置于水培盒中,先用蒸馏水培养5 d,再用1/4浓度的全营养液进行培养2 d,之后再用1/2浓度的营养液培养2 d,最后用全营养液培养至三叶期(水培营养液配方参照国际水稻所营养液的方法,pH值控制在5.0～5.5),以不添加NaCl作为对照组,在营养液中添加0.9% NaCl模拟盐胁迫处理,其他培养条件均与对照组相同,盐处理7 d后取样,测定相应的试验指标。

1.3 测定指标及其方法

1.3.1最长根长、地上部及根系生物量的测定

盐处理7 d后,分别测定株高、根系最长根长、地上部鲜重、根系鲜重、地上部干重、根系干重,其中最长根长是从植株底部到最长根根尖部。用剪刀将植株的胚乳去除,根部剪下,用电子天平分别称取地上部鲜重与根系鲜重。随后将地上部与根系放入种子袋中,在烘箱105 ℃下杀青20 min,80 ℃烘干至恒重,分别称量地上部干重与根系干重,换算得出含水量/%=[(地上部鲜重+根系鲜重-地上部干重-根系干重)/(地上部鲜重+根系鲜重)]×100%。根据公式计算相对地上部鲜重、相对地上部干重、相对根系鲜重、相对根系干重、相对最长根长、相对含水量[15]。相对地上部鲜重(地上部干重、根系鲜重、根系干重、株高、最长根长、含水量)=盐胁迫地上部鲜重(地上部干重、根系鲜重、根系干重、株高、最长根长、含水量)/对照组地上部鲜重(地上部干重、根系鲜重、根系干重、株高、最长根长、含水量)。

1.3.2根系形态参数的测定

测量根系鲜重后,采用根系扫描分析仪(EPSON EXPERSSION 1680)扫描根系图像存入电脑,再用WinRHIZO图像分析软件(Regent Instruments Company,Canada)分析总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径,根据公式计算各根系形态参数的相对值,相对总根长(总根表面积、根平均直径、总根体积)=盐胁迫总根长(总根表面积、根平均直径、总根体积)/对照总根长(总根表面积、根平均直径、总根体积)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2020软件对数据进行整理,使用SPSS 23.0软件进行统计主成分分析、隶属函数、耐盐指数及聚类分析等。

利用公式计算得出的相对地上部鲜重(XRS)、相对地上部干重(GRS)、相对根系鲜重(XRR)、相对根系干重(GRR)、相对株高(PRP)、相对最长根长(LRM)、相对含水量(WRW)相对总根长(LRT)、相对总根表面积(ART)、相对根平均直径(DRA)和相对根总体积(VRT)等11项指标,对36种不同特种稻的耐盐性进行综合评价。由于11种指标的特征值不同,先将指标数据标准化再进行主成分分析(Principal component analysis,PCA),计算11种测定指标的权重与权重归一化,然后对36种参试材料的耐盐性进行综合计算,得出耐盐性综合评价值D[16],随后根据D值,进行聚类分析。具体计算方法如下所示。

R(Xji) = (Xji-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),j=1,2,…,n

(1)

式中:R表示隶属函数值,Xji表示第i个种质第j个主成分分值,Xjmin表示第j个主成分的最小值,Xjmax表示第j个主成分的最大值。

(2)

式中,Wj表示第j个主成分在所有主成分中的重要程度,Pj表示经主成分分析所得的第j个主成分的贡献率。

(3)

式中,D值表示第i个种质在盐胁迫条件下的耐盐性综合评价值。

逐步回归:将测定的各项指标的相对变化值作为自变量,耐盐综合评价值作为因变量开展逐步回归分析,以获得最优的回归方程。

2 结果与分析

2.1 不同特种稻种质资源在盐胁迫条件下苗期各测定指标表现

由表2可知,相对根系干重的变异范围和变异系数最大,分别为0.21～2.41和34.32%,其次是相对地上部干重,其变异范围和变异系数分别为0.46～3.36和30.89%。除相对含水量、相对根平均直径之外,其余9个指标的变异系数均在20.0%以上,说明这些测定指标在不同特种稻种质资源之间表现差异较大,变异较丰富。

2.2 主成分分析

为了能更精确分析36种特种稻材料的耐盐性,对上述测定的相对地上部鲜重、相对地上部干重、相对根系鲜重、相对根系干重、相对株高、相对最长根长、相对含水量、相对总根长、相对总根表面积、相对根平均直径、相对总根体积等11个指标进行主成分分析,经SPSS软件计算得到各个主成分的特征值、贡献率、累积贡献率(表3)。其中PC 1特征值为5.05,PC 2特征值为1.53,PC 3特征值为1.28,均大于1,三者累积贡献率达71.43%(表3),基本反映了原始变量的信息,符合主成分分析要求。因此,通过主成分分析将不同特种稻种质资源的11个测定指标转化为3个独立的综合指标,开展进一步的耐盐性综合评价分析。

表3 特征值、方差贡献率及主成分载荷矩阵Table 3 Eigenvalue,variance contribution rate,and principal component load matrix

2.3 隶属函数及不同特种稻苗期耐盐性综合评价

根据不同特种稻种质资源的主成分值,利用公式(1)计算3个综合评价指标的隶属函数值。对于同一综合评价指标如PC 1,盐胁迫下,山稻的R1最大,为0.85,而黑香糯193的R1最小,为0.17,表明山稻在主成分PC 1表现为耐盐性最强,而黑宝糯在该指标上耐盐性最弱(表4)。

表4 每份鉴定种质的主成分值、隶属函数值与综合评价D值Table 4 Principal component values, membership function values, and comprehensive evaluation D-value of each germplasm

对36份不同特种稻种质资源数据进行归一化处理,利用公式(2)计算各主成分的权重,3个综合评价指标的权重分别是64.30%,19.48%,16.23%(表3)。结合隶属函数值及权重,依据公式(3)计算得出综合评价D值(表4),并以D值对不同特种稻耐盐能力进行评价分析,不同特种稻种质资源的D值分布范围为0.24～0.68(表4),综合评价D值越大说明参试材料的耐盐性越强。

2.4 不同特种稻苗期耐盐相关指标的聚类分析

根据综合评价D值,将36份不同特种稻种质资源进行系统聚类分析。由图1分析可知,在欧氏距离5.0处,将36份特种稻种质资源分为5个类群,第Ⅰ类群D值为0.68,有1份种质(山稻),耐盐级别为高耐;第Ⅴ类群D值范围介于0.52～0.46之间,有8份种质(Y-9(黄白)、浙白、黑宝糯、宁粳2号、黄继香8号、小香、黑宝糯192-1、紫红3号),耐盐级别为耐盐;第Ⅳ类群D值范围介于0.44～0.37之间,有14份种质(HS/香黄华占、青黄2号、珍珠糯、白香粳、南粳9108、黑香米-2、云氮3号、武香粳稻14、高株稻、紫红2号、新稻568、浙黄、黑凡-17、紫红1号),耐盐级别为弱耐;第Ⅲ类群D值范围介于0.36～0.31之间,有9份种质(鄂中5号、Y 3、紫红4号、Y 5、宁香1号、香稻丸、方欣4号、珍珠糯、广紫糯稻),耐盐级别为敏感;第Ⅱ类群D值范围介于0.29～0.24之间,有4份种质(紫稻1号、Y 2、农香粳、黑香糯193),耐盐级别为高敏。

图1 基于综合评价D值的36份不同特种稻种质资源聚类分析 Fig.1 Cluster analysis of 36 different special rice germplasm accessions based on the comprehensive evaluation D-value

2.5 回归模型的建立及苗期耐盐主要评价指标筛选

为筛选与特种稻种质资源耐盐能力鉴定相关性强的测定指标,利用综合评价D值及11个测定指标,建立可用于特种稻苗期耐盐性评价的数学模型,将D值作为因变量,把各测定指标相对变化值作为自变量,进行逐步回归分析,建立最优回归方程:D=0.088+0.169×XRS+0.144×GRS+0.117×XRR+0.048×GRR-0.192×DRA。该方程决定系数R2=0.949,F值为131.539,p<0.001,因此该方程可较好地评估不同特种稻种质资源的耐盐能力综合评价D值。由该方程可知,11个指标中有5个指标对特种稻苗期耐盐性有显著影响,分别是相对地上部鲜重、相对地上部干重、相对地上部鲜重、相对根系干重和相对根平均直径,与D值均呈显著相关。由表5分析可知,对该回归方程的预估精确度进行评价分析发现,除了新稻568的预测精度为87.88%外,其他特种稻种质资源的综合评价D值的预测精度均在91.60%以上。因此,本回归方程中的指标能够展现不同特种稻种质资源的耐盐性。

表5 回归方程的预估精确度分析Table 5 Analysis of evaluation accuracy of regression equation

3 讨 论

盐渍化导致作物细胞离子失衡,养分失调,抑制作物正常的生长发育,最终阻碍作物产量的形成。特种稻是一类具有特殊遗传性状和用途的水稻种质资源[17]。利用特种稻的种质资源和特殊优势,鉴定筛选耐盐性强的特种稻种质资源,为盐碱地的开发利用提供材料,为耐盐特种稻新品种选育提供种质资源。

水稻的耐盐性是受多种因素影响的复杂数量性状,容易受到外界环境变化和自身的基因型表达的影响,仅利用某一个指标很难准确评价水稻耐盐性的强弱,需要多个指标同时进行[9,18]。水稻在各个生长发育时期耐盐性是不同的,幼苗期与抽穗扬花期是对盐胁迫最为敏感的时期,因此,水稻苗期是鉴定水稻耐盐性强弱的最佳时期之一。目前关于水稻品种的耐盐性鉴定已经开展了很多工作,刘艳等[10]通过根系总长度、总表面积、总体积等形态学参数,对56份粳稻种质资源的苗期耐盐性进行了评价筛选。袁杰等[19]通过调查42份水稻品种(系)的株高、根长、苗鲜重、苗干重、根鲜重、根干重等评价分析水稻苗期耐盐性。由于不同测定指标对特种稻耐盐性的贡献不同,耐盐指数是由多个测定指标综合统计的结果,是水稻幼苗期耐盐强弱的重要评价指标之一,耐盐指数越大,水稻幼苗耐盐性越强[20]。张治振等[21]采用耐盐指数评价分析不同水稻品种幼苗耐盐性,可以明确区分耐盐和盐敏感水稻品种。耿雷跃等[16]对19份水稻种质资源进行全生育期耐盐性鉴定,结果表明,垦优0702和垦育88的耐盐性综合评价D值较高,分别是0.66,0.64,属于耐盐能力极强。本研究选取了36份不同特种稻种质资源,通过比较分析不同种质资源苗期的耐盐性综合评价D值,表明大部分特种稻种质资源的耐盐性综合评价D值在0.37以上,如山稻的耐盐性综合评价D值为0.68,表现为高耐盐性。

利用主成分等多元统计分析方法可以将多个耐盐相关指标转化为几个相互独立并能反映样本变异的少数指标,进而高效综合评价不同作物种质资源的生物学特性[22-23]。马帅国等[9]通过主成分分析、隶属函数及聚类分析等方法,筛选出不同耐盐性水稻种质资源,并对耐盐性强弱进行分类。潘世驹等[24]根据芽长、根长和根条数的相对抑制率,采用聚类分析法将寒地水稻分为强耐盐、中耐盐和弱耐盐等类型。李逸等[25]运用主成分分析、聚类分析及相关分析等方法,将17份寒地水稻种质资源分为四大类(强耐盐、耐盐、盐敏感、强盐敏感),并指出根干重、根长度、根表面积、根体积、根尖数和茎数等6项指标可以作为寒地水稻耐盐性的评价指标。本研究采用主成分分析,将11个特种稻种质资源苗期耐盐性鉴定指标转化为3个主成分,结合隶属函数及权重获得可客观反映特种稻苗期耐盐性的综合评价D值,利用D值进行聚类分析,将36份特种稻种质资源划分为高耐、耐盐、弱耐、敏感和高敏等五种类型。

研究表明,盐胁迫对水稻幼苗的鲜重和干重均有显著影响[9-10,26]。盐胁迫抑制不同水稻品种的根长、根表面积、根体积、根尖数及根平均直径,而耐盐品种的根系生长指标受盐胁迫影响较小[27]。王娜等[28]研究发现,水稻苗期耐盐性与根总表面积、平均直径、总根体积呈极显著正相关。盐胁迫对水稻种质资源的形态生长及生理指标影响存在一定的差异,单一某项指标不能准确判断不同水稻种质耐盐性的差异。马帅国等[9]通过建立回归模型,筛选到相对根干重、相对地上部干重、相对地上部含水量、耐盐级别和相对根长等5个评价水稻耐盐性的关键指标。本研究根据综合评价D值和各指标的相对变化值,采用逐步线性回归分析方法,最终筛选到相对地上部鲜重、相对地上部干重、相对根系鲜重、相对根系干重、相对根平均直径等5个特种稻种质资源苗期耐盐性评价的关键鉴定指标。

4 结 论

本研究应用多元统计学方法获得相对地上部鲜重、相对地上部干重、相对根系鲜重、相对根系干重、相对根平均直径等5个测定指标为最佳耐盐性表型鉴定指标。筛选到苗期耐盐性较强的特种稻种质山稻、Y-9(黄白)、浙白和黑宝糯,可作为特种稻耐盐育种的种质。由于本研究仅对这些种质苗期生长特性进行了研究,对于其耐盐性的生理、分子机制以及田间抗盐性仍需进一步探究。