蕪菁種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性的綜合評(píng)價(jià)

周 宇， 楊佳佳， 姚文英， 孫蓓蓓， 軒正英

(塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300

鹽害是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上重要的逆境危害之一，嚴(yán)重制約了蔬菜生產(chǎn)和設(shè)施農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。中國(guó)含鹽堿土地很多，其總面積約為3.67×107hm2[1]，新疆各類鹽堿地面積達(dá) 1 336.1×104hm2，占全國(guó)鹽堿地面積的36.8%[2]。因此，開發(fā)耐鹽資源，將是解決人口增長(zhǎng)和資源短缺矛盾的重要途徑，無(wú)疑也是保護(hù)生物多樣性、遏制土地退化、促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)、發(fā)展現(xiàn)代鹽土農(nóng)業(yè)的最佳選擇，是解決資源問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題的根本之策。新疆的鹽堿土主要以硫酸鹽和氯化物、或氯化物硫酸鹽、或硫酸鹽為主，在南疆以碳酸鹽為主。在這些鹽中NaCl和Na2SO4分別居于第1、第2位。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)作物耐鹽性作了大量研究，但在蔬菜方面的研究?jī)H涉及蘿卜、菜用大豆、黃瓜、西瓜、番茄等作物，而有關(guān)蕪菁耐鹽性的研究報(bào)道較少。施月婕等的研究表明，蕪菁種子對(duì)Na2SO4比較敏感，不同含量的NaCl和Na2SO4溶液對(duì)蕪菁種子發(fā)芽過(guò)程的影響分析結(jié)果表明，蕪菁種子的發(fā)芽與鹽溶液的含量呈負(fù)相關(guān)，并具有一定的耐鹽性[3]。

蕪菁(turnip)，新疆稱為恰瑪古，屬十字花科(Cruciferae)蕓薹屬蕓薹種蕪菁亞種，是深受各少數(shù)民族喜愛的一種根菜類作物，在新疆廣泛種植，尤其是南疆各少數(shù)民族聚居區(qū)栽培面積更大。新疆表土層土壤含鹽量很高，一般為20%～40%，高者可達(dá)60%。這些因素導(dǎo)致在鹽堿地種植蕪菁出苗差、成苗率低、保苗難，造成缺苗斷壟而影響后期產(chǎn)量。因此，篩選出適于在鹽堿地上種植的耐鹽材料是鹽堿地種植蕪菁首先應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

萌發(fā)期是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)抗逆性最為薄弱[4-7]，而鹽脅迫下發(fā)芽指標(biāo)的測(cè)定已成為植物耐鹽性鑒定最常用的方法之一。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，20 g/L NaCl和Na2SO4復(fù)鹽溶液對(duì)種質(zhì)材料的抑制作用較為顯著。因此，本研究研究了16份種質(zhì)材料在20 g/L NaCl、Na2SO4復(fù)鹽溶液脅迫下的萌發(fā)期耐鹽性的表現(xiàn)，以期篩選出優(yōu)異耐鹽種質(zhì)材料，為蕪菁耐鹽品種選育及鹽漬土地的開發(fā)利用提供研究基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)開展蕪菁耐鹽機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用筆者所在項(xiàng)目組保存的蕪菁品種(系)16份，其中地方品種6份，小孢子培養(yǎng)獲得的DH群體10份。從品種(系)來(lái)源來(lái)看，包括新疆品種(系)12份，天津2份，河北2份(表1)。

表1 蕪菁種質(zhì)材料的名稱與來(lái)源

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2016年11月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)南疆特色果樹生產(chǎn)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用RTOT-268D型人工光照培養(yǎng)箱對(duì)供試蕪菁種子進(jìn)行培養(yǎng)。每個(gè)品種挑選大小一致、籽粒飽滿的種子30粒，用1 g/L高錳酸鉀溶液消毒10 min，蒸餾水清洗數(shù)次，后置于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加NaCl和Na2SO4復(fù)鹽溶液，設(shè)定20 g/L復(fù)鹽處理，以蒸餾水作為空白對(duì)照，進(jìn)行3次重復(fù)。溶液量以雙層濾紙濕潤(rùn)、傾斜時(shí)皿底無(wú)溶液為宜，每天定時(shí)更換濾紙和鹽溶液，以保持鹽溶液濃度不變。置于人工光照培養(yǎng)箱[25 ℃，光照 ∶黑暗=12 h ∶12 h，光照度37.5 μmol/(m2·s)]中連續(xù)培養(yǎng)7 d，每天統(tǒng)計(jì)1次發(fā)芽數(shù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

種子萌發(fā)期間，每天記載發(fā)芽的種子數(shù)，并按照如下方法計(jì)算各指標(biāo)。

發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽勢(shì)=第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，其中Gt為第t天發(fā)芽種子個(gè)數(shù)，Dt為相應(yīng)發(fā)芽時(shí)間，d；

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×胚根鮮質(zhì)量；

耐鹽系數(shù)=處理值/對(duì)照值×100%。

鹽脅迫第7天隨機(jī)取6株幼苗測(cè)定葉綠素含量、苗高和胚根長(zhǎng)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對(duì)耐鹽系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

(1)

式中：Xij表示i種類j指標(biāo)的隸屬值；Xij表示i種類j指標(biāo)的測(cè)定值；Xj，max、Xj，min分別表示指標(biāo)的最大值和最小值。

(2)

式中：Vj表示標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。

1.4.2 權(quán)重處理 采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj，歸一化后得到各個(gè)耐鹽指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Wj。

(3)

1.4.3 綜合評(píng)價(jià)值 種質(zhì)材料的耐鹽綜合評(píng)價(jià)D值經(jīng)以下公式獲得：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 蕪菁種質(zhì)資源各指標(biāo)耐鹽系數(shù)的差異

發(fā)芽率反映種子發(fā)芽的數(shù)量；發(fā)芽勢(shì)反映種子發(fā)芽的整齊度和速率；發(fā)芽指數(shù)反映的是蕪菁種子的綜合活力；活力指數(shù)能較為綜合地反映蕪菁種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、種子活力和幼苗的生長(zhǎng)勢(shì)；而葉綠素、苗高和胚根長(zhǎng)則反映幼苗生長(zhǎng)勢(shì)的重要指標(biāo)[8]。

從表2可以看出，16份種質(zhì)材料的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、葉綠素含量、苗高和胚根長(zhǎng)的耐鹽系數(shù)差異明顯，其中葉綠素含量變化范圍為0～64.48%，苗高變化范圍0～30.41%，胚根長(zhǎng)變化范圍0～5.03%，發(fā)芽勢(shì)變化范圍5.26%～99.22%，發(fā)芽勢(shì)變化范圍為3.70%～99.22%，發(fā)芽指數(shù)變化范圍3.42%～73.10%，活力指數(shù)變化范圍 0～12.34%。所有材料在鹽脅迫下的葉綠素含量、苗高和胚胚根長(zhǎng)均低于對(duì)照組。個(gè)別材料的(W3、W8、W13)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)高于對(duì)照組，表現(xiàn)出較高的耐鹽性。16份蕪菁材料間變化幅度最小的耐鹽指標(biāo)為胚根長(zhǎng)，為38.12%；葉綠素含量的耐鹽系數(shù)變化最大，為117.77%。其余的指標(biāo)變化幅度在64.84%～92.67%，說(shuō)明這些蕪菁材料在萌發(fā)期的耐鹽性存在著較大差異。

2.2 種質(zhì)資源耐鹽性的綜合評(píng)價(jià)

表3所顯示的是16份蕪菁種質(zhì)材料在NaCl和Na2SO4復(fù)鹽脅迫下的葉綠素含量、苗高、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等指標(biāo)的耐鹽系數(shù)的平均值。我們從表3中可以看出不同蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽系數(shù)有很大差異，葉綠素含量、苗高、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)最大的值是W2、W13、W12、W9、W9、W9和W15；葉綠素含量、苗高、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)最小的值是(W4、W5、W6、W14、W15、W16)、(W5、W8、W14、W15、W16)、W5、W14、W14、W14和W5。在葉綠素含量、苗高、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)各指標(biāo)中，每項(xiàng)指標(biāo)對(duì)16份蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性程度都不完全相同，說(shuō)明不同的指標(biāo)從不同角度來(lái)反映蕪菁種質(zhì)材料耐鹽性程度，但單一的指標(biāo)不能全面反映蕪菁種質(zhì)材料的綜合耐鹽性，因此只有通過(guò)多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)才能較為客觀地評(píng)價(jià)蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性程度。利用公式(1)～(4)對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化，從而得到各指標(biāo)耐鹽系數(shù)的隸屬函數(shù)值矩陣T(表4)，再通過(guò)公式計(jì)算出葉綠素含量、苗高、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)矩陣U(表5)。通過(guò)T與U這2個(gè)矩陣的復(fù)合運(yùn)算，得到各蕪菁種質(zhì)材料的綜合評(píng)價(jià)D值。并按照材料的數(shù)字順序?qū)⑵渑判颍瑥谋?中可以看出，W10的綜合評(píng)價(jià)D值最大，為0.86，耐鹽性最強(qiáng)；W5的綜合評(píng)價(jià)D值最小，為0.01，耐鹽性最弱。

表2 蕪菁種質(zhì)資源各指標(biāo)耐鹽系數(shù)的差異

表3 萌發(fā)期耐鹽指標(biāo)的耐鹽系數(shù)及其排序

表4 蕪菁種質(zhì)資源耐鹽系數(shù)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)

2.3 種質(zhì)資源萌發(fā)期各指標(biāo)耐鹽系數(shù)的相關(guān)性分析

從表6可以看出，葉綠素含量與苗高、綜合評(píng)價(jià)D值，苗高與綜合評(píng)價(jià)D值，發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)D值，發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)D值，發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)D值，V活力指數(shù)與綜合評(píng)價(jià)D值均呈極顯著正相關(guān)。

同時(shí)從偏相關(guān)系數(shù)可以看出，葉綠素含量與苗高、胚根長(zhǎng)、活力指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與發(fā)芽指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與綜合評(píng)價(jià)D值呈極顯著正相關(guān)；苗高與胚根長(zhǎng)、發(fā)芽指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與活力指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與綜合評(píng)價(jià)D值呈極顯著正相關(guān)；胚根長(zhǎng)與發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與綜合評(píng)價(jià)D值呈極顯著正相關(guān)；發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)呈極顯著正相關(guān)；發(fā)芽指數(shù)與綜合評(píng)價(jià)D值呈顯著正相關(guān)；活力指數(shù)與綜合評(píng)價(jià)D值呈極顯著正相關(guān)(表6)。

表5 蕪菁種質(zhì)資源各耐鹽指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

2.4 種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性聚類分析

利用DPS 7.05軟件基于綜合評(píng)價(jià)D值對(duì)種質(zhì)資源各指標(biāo)隸屬函數(shù)值進(jìn)行聚類分析，在距離約為0.9時(shí)可將16份蕪菁種質(zhì)材料分為4大類(圖1)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)D值可將這16個(gè)蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性分為高耐、中耐、不耐、敏感等4類(表7)，并對(duì)各指標(biāo)單獨(dú)聚類得到結(jié)果見表8。從表7和表8中可以看到，第1類為中等耐鹽的材料1份(W15)；第2類為不耐鹽的材料4份(W3、W6、W11和W12)；第3類為高耐鹽材料5份(W2、W7、W9、W10和W13)；第4類為鹽敏感性材料6份(W1、W4、W5、W8、W14和W16)。

表6 蕪菁種質(zhì)資源各指標(biāo)耐鹽系數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：左下角為相關(guān)系數(shù)，右上角為偏相關(guān)系數(shù)；r0.05=0.497，r0.01=0.623。**、*為通過(guò)0.05、0.10的顯著性檢驗(yàn)。

2.5 高耐鹽種質(zhì)材料的主要表現(xiàn)性狀

從表7中可以看出，高耐鹽類群中的5份蕪菁種質(zhì)材料耐鹽系數(shù)均值均表現(xiàn)較強(qiáng)的耐鹽性，其中葉綠素含量最高為0.67，苗高最高為0.76，胚根長(zhǎng)最長(zhǎng)為0.67，發(fā)芽率較高為 0.77，發(fā)芽勢(shì)較高為0.75，發(fā)芽指數(shù)較高為0.65，活力指數(shù)較高為0.60，綜合評(píng)價(jià)D值最高為0.70。因此，此5份蕪菁種質(zhì)材料可作為選育耐鹽品種的候選資源。

表7 種質(zhì)資源基于綜合評(píng)價(jià)D值的系統(tǒng)分析

表8 基于綜合評(píng)價(jià)D值和各指標(biāo)聚類后的分級(jí)結(jié)果

3 討論

植物種質(zhì)資源的耐鹽性是受多基因控制的數(shù)量性狀，種質(zhì)資源間的耐鹽性存在著較大差異性，單一指標(biāo)很難全面反映植物耐鹽性[9-12]。本研究以發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、葉綠素含量、苗高和胚根長(zhǎng)這7個(gè)指標(biāo)對(duì)16份種質(zhì)材料進(jìn)行耐鹽性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)這些單一指標(biāo)的耐鹽系數(shù)可以從不同的方面來(lái)反映蕪菁耐鹽性，但是各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果不盡相同，如按照葉綠素含量、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，W10則為高耐鹽性的種質(zhì)材料，而按照苗高和發(fā)芽指數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，W10則為中耐鹽性類群，在綜合評(píng)價(jià)D值的評(píng)價(jià)中W10在高耐鹽性類群。所以，不同指標(biāo)的耐鹽性評(píng)價(jià)結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)D值存在著不同程度上的差異?？梢?，種質(zhì)資源在耐鹽性評(píng)價(jià)時(shí)不能只用單一的指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該科學(xué)地使用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法能夠綜合評(píng)價(jià)植物抗逆性，目前在藜麥[13]、棉花[14]、花椰菜[15]等作物上已有相關(guān)報(bào)道。植物耐鹽性評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，但皆不相同，在評(píng)價(jià)時(shí)如忽略權(quán)重因子的重要性，就會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)的不客觀性和不科學(xué)性。鑒于傳統(tǒng)的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果無(wú)法統(tǒng)一，因此本研究應(yīng)用隸屬函數(shù)法計(jì)算并賦予7個(gè)與耐鹽性密切相關(guān)的指標(biāo)以權(quán)重，綜合考慮各指標(biāo)的權(quán)重比值，通過(guò)矩陣復(fù)合運(yùn)算，所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果也更為科學(xué)準(zhǔn)確。這與前人在高粱[16]、番茄[17]、裸燕麥[18]等植物耐鹽性評(píng)價(jià)中的研究結(jié)果類似。本研究所篩選出的W2、W7、W9、W10和W13這5個(gè)高耐鹽的蕪菁種質(zhì)資源有望通過(guò)基因手段培育出高耐鹽型的蕪菁新品種。

聚類分析是植物進(jìn)行耐鹽性評(píng)價(jià)常用的方法[19-21]，本研究發(fā)現(xiàn)，各耐鹽指標(biāo)單獨(dú)聚類分析與綜合評(píng)價(jià)D值的聚類分析得出的結(jié)果較為一致，均被劃分為高耐鹽群類當(dāng)中，只有極個(gè)別的如胚根長(zhǎng)聚類中W8、W12和W16，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)聚類中的W15不在綜合評(píng)價(jià)D值的高耐鹽類群中，但是W15都在發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)這4個(gè)指標(biāo)的高耐鹽類群中，所以為了更科學(xué)地反映蕪菁種植資源的耐鹽性，引用隸屬函數(shù)法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，由此在綜合評(píng)價(jià)D值的耐鹽性分級(jí)中，W15的耐鹽性定位是中等耐鹽。而胚根長(zhǎng)作為單一指標(biāo)進(jìn)行聚類分析的結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)D值聚類結(jié)果差異較大，所以，本研究認(rèn)為胚根長(zhǎng)這個(gè)指標(biāo)不易作為評(píng)價(jià)種質(zhì)資源的耐鹽性指標(biāo)。

4 結(jié)論

種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性的評(píng)價(jià)受到多個(gè)指標(biāo)的影響。運(yùn)用隸屬函數(shù)法，計(jì)算并賦予測(cè)定指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重值，對(duì)16份種質(zhì)資源進(jìn)行耐鹽性評(píng)價(jià)和排序，綜合評(píng)價(jià)D值可全面地反映蕪菁種質(zhì)材料的耐鹽性。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)D值、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、葉綠素含量、苗高和胚根長(zhǎng)，并分別進(jìn)行聚類分析，結(jié)果顯示，胚根長(zhǎng)不宜作為耐鹽性的評(píng)價(jià)指標(biāo)?；诰C合評(píng)價(jià)D值的聚類分析，可將16份種質(zhì)資源按照耐鹽性強(qiáng)弱分為高耐、中耐、不耐和敏感4種類型，其中W2、W7、W9、W10和W13這5份種質(zhì)資源屬于高耐鹽性材料，W1、W4、W5、W8、W14和W16為鹽敏感性材料，這些可為耐鹽性新品種遺傳改良及其耐鹽遺傳機(jī)制研究提供材料基礎(chǔ)。