18份大豆品種耐鹽性篩選與綜合鑒定

張翠平，王鵬年，張春蘭，曹 帥，向殿軍，李志剛，劉 鵬

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042； 2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，長春 130033；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042)

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者在鹽脅迫對植物影響方面進(jìn)行了大量的研究[8-10]，李為民等研究表明，鹽脅迫會降低大豆葉片可溶性糖含量和酶活性[11]。韓飛等[12]將63份谷子種質(zhì)按耐鹽性差異分為5大類，相對根長、發(fā)芽率和相對芽長可作為鑒定谷子耐鹽性指標(biāo)。在菊芋[13]、高粱[14]和蕓豆[15]等作物上也有相關(guān)研究，但關(guān)于大豆耐鹽品種綜合評價(jià)與系統(tǒng)性篩選等方面的研究相對較少。由于不同品種的耐鹽機(jī)理存在差異，且單一指標(biāo)不能全面反映大豆的耐鹽性[16]，本研究利用生理特性中的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)、光合特性和熒光參數(shù)為鑒定指標(biāo)，以混合鹽(NaCl∶Na2SO4=9∶1)模擬典型的鹽脅迫條件，對18份不同品種大豆的耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)，以期篩選出評價(jià)大豆耐鹽性指標(biāo)和耐鹽能力較強(qiáng)的大豆品種，為鹽堿地的有效利用，解決大豆供給不足和耐鹽育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為18份大豆品種，分別來自內(nèi)蒙古民族大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、沈陽農(nóng)資市場和吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。詳見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2017年6—8月在內(nèi)蒙古民族大學(xué)試驗(yàn)基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)品種均挑選均勻一致，無蟲害種子，播種于以蛭石為基質(zhì)的塑料盆中。待第1片復(fù)葉長出開始澆灌Hoagland營養(yǎng)液，25 d開始脅迫處理。本試驗(yàn)參照牛陸的研究結(jié)果，設(shè)置0(ck)、80 mmol·L-1混合鹽(NaCl∶Na2SO4的摩爾比為9∶1、pH值(9.110±0.104)溶液進(jìn)行脅迫處理。各種溶液均在1/2 Hoagland營養(yǎng)液(pH值為7.8)基礎(chǔ)上進(jìn)行配制。隨后對植株進(jìn)行鹽脅迫處理，待處理3 d后，觀察植株長勢，選取生長狀況較好的植株進(jìn)行各個(gè)指標(biāo)的測定，并進(jìn)行記錄。

表1 供試大豆品種編號及來源

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1光合指標(biāo)的測定

脅迫處理7 d后，于第1個(gè)晴天09：00—11：00時(shí)，利用LI-6400(Li-Cor.公司)型便攜式光合作用測定系統(tǒng)對18份大豆品種葉片光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行測定，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測定時(shí)采用固定紅藍(lán)光源進(jìn)行試驗(yàn)，光強(qiáng)為1 200μmol·(m2·s)-1，為避免測定時(shí)環(huán)境CO2濃度的變化對測定結(jié)果的干擾，將儀器的進(jìn)氣口與裝有恒定CO2濃度的鋼瓶相接，鋼瓶CO2濃度配制成370μmol·mol-1，溫度設(shè)定為25 ℃，空氣流速0.500 L·min-1，相對濕度60%[18]，選取3株大豆在主莖上數(shù)第3復(fù)葉的中間葉片上進(jìn)行測定。

1.3.2葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

在測定光合指標(biāo)的同時(shí)利用FMS-2(英國Hansatech公司)脈沖調(diào)制式熒光測定系統(tǒng)先測定光適應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)熒光(qp)等參數(shù)。葉片鹽迫初始熒光(Fo)和PSⅡ光量子效率(Fv/Fm)等參數(shù)需將葉片暗適應(yīng)30 min后進(jìn)行測定[19]。

1.3.3生理指標(biāo)的測定

過氧化氫酶(CAT)活性、過氧化物酶(POD)活性測定參照李合生[20]的方法，可溶性糖含量的測定參照張殿忠等[21]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2012軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并計(jì)算各性狀的相對值與變化率，利用DPS 16.05軟件進(jìn)行各性狀的方差、相關(guān)性和主成分等分析。

表2 混合鹽堿脅迫下各性狀的相對值

2 結(jié)果分析

2.1 混合鹽脅迫對大豆光合特性的影響

為了更好反映不同大豆品種的耐鹽性并消除試材自身之間存在的差異，利用18份不同大豆品種多個(gè)性狀的相對值進(jìn)行分析[22](表2)。結(jié)果表明，脅迫后各指標(biāo)相對值變化范圍為，Ci：86.280%～126.480%；Pn：65.120%～103.690%；Tr：67.240%～127.110%，Gs：64.790%～112.570%，F(xiàn)o：101.110%～135.900%，qp：69.440%～103.060%，F(xiàn)v/Fm：68.330%～107.630%。

鹽脅迫后18份大豆材料中所有品種Fo均高于對照，其中東農(nóng)42、雜交豆5號、吉育257、東農(nóng)69和NMD 2號升高幅度較小，且Ci均低于對照，其余指標(biāo)也均較大或者高于對照，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性；吉育611、東農(nóng)60和鐵豆39等11個(gè)品種相對值比較居中，表現(xiàn)出中度耐鹽性；東農(nóng)63和吉育256葉片Ci和Fo相對值較高，其他性狀相對值均較低，二者反映出鹽敏感特性。

2.2 鹽脅迫對大豆生理性狀的影響

從表3可知，鹽脅迫后，所有大豆試驗(yàn)材料CAT活性均低于對照，其中東農(nóng)63和吉育256葉片CAT活性顯著低于對照(p<0.05)。其中NMD 3號和吉育256的變化率最大，分別為0.500%和0.590%，說明葉片CAT活性受鹽脅迫影響比較大，而雜交豆5號和吉育257的變化率最小，分別為0.160%和0.110%，CAT活性所受影響較小，2品種表現(xiàn)出較好的耐鹽性。

東農(nóng)63、鐵豆62和吉育256葉片POD活性明顯低于對照(p<0.05)，但從變化率來看，東農(nóng)63和吉育256的變化率最大，分別為0.440%和0.300%，表明大豆葉片POD活性受鹽影響較大。此外，NMD 2號、東農(nóng)42、東農(nóng)69、吉育257和雜交豆5號5個(gè)品種的POD活性均高于對照，且變化率較小，分別為0.070%、0.080%、0.040%、0.020%、0.080%，說明NMD 2號、東農(nóng)42、東農(nóng)69、吉育257和雜交豆5號在鹽脅迫下能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，具有較強(qiáng)的耐受性。

從大豆葉片可溶性糖含量來看，東農(nóng)63和吉育256變化率最大，分別為0.350%和0.340%，且顯著低于對照(p<0.05)，東農(nóng)63和吉育256表現(xiàn)出鹽敏感特性。

2.3 混合鹽堿脅迫下大豆各性狀參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

對混合鹽脅迫下不同大豆品種的10個(gè)性狀的相對值和變化率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表4)。脅迫后Pn與Gs和可溶性糖含量之間的相關(guān)性最高，其相關(guān)系數(shù)分別為0.740和0.721。Tr與Fv/Fm相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.659。Gs和CAT活性與各性狀之間均達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)水平，其中Gs與可溶性糖含量相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.830；CAT活性與Fo相關(guān)性最大。Fo除與Gs呈極顯著正相關(guān)外，與其它各性狀均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)水平，與Fv/Fm相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為-0.837。Fv/Fm和qp與其它性狀均達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)水平。POD活性和可溶性糖含量均與蒸騰速率相關(guān)性較小，相關(guān)系數(shù)僅為0.446和0.422。

表3 鹽脅迫對大豆生理性狀的影響

表4 混合鹽堿脅迫下大豆各指標(biāo)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

2.4 鹽脅迫下大豆各指標(biāo)參數(shù)的主成分分析

對18份大豆材料的各個(gè)性狀指標(biāo)的相對值和變化率進(jìn)行主成分分析(表5)，其最主要的3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為68.469%、8.237%、6.372%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.077%。本試驗(yàn)3個(gè)主成分與10個(gè)耐鹽性狀的相關(guān)系數(shù)關(guān)系極好地表現(xiàn)了二者的相關(guān)性，第1主成分中特征根λ1=6.847，對應(yīng)貢獻(xiàn)率為68.469%，主成分中對應(yīng)特征向量比較大的為Gs和Fv/Fm，相關(guān)系數(shù)為0.837和0.881，主要控制水分損失和生物產(chǎn)量之間的平衡關(guān)系，是植物進(jìn)行光合作用、呼吸作用以及蒸騰作用的主導(dǎo)因素。第2主成分中特征根λ2=0.824，貢獻(xiàn)率為8.237%，對應(yīng)特征向量中葉片可溶性糖含量的相關(guān)系數(shù)較大，相關(guān)系數(shù)為0.453，主要反映出大豆葉片的代謝水平。第3主成分的特征根λ3=0.637，其貢獻(xiàn)率為6.372%，其中Tr的相關(guān)系數(shù)最大，為0.589，主要反映鹽脅迫下大豆的葉面光合狀況。根據(jù)以上分析的3個(gè)主成分，可利用Fv/Fm、Tr和可溶性糖含量3個(gè)指標(biāo)來概括10個(gè)指標(biāo)中的大多數(shù)信息。

表5 鹽脅迫下大豆材料各性狀的主成分分析及各因子載荷矩陣

表6 混合鹽脅迫下大豆各指標(biāo)參數(shù)相對值的隸屬值

2.5 鹽脅迫下大豆品種的模糊隸屬度函數(shù)耐鹽堿性評價(jià)

隸屬函數(shù)值與強(qiáng)耐鹽性呈正相關(guān)[22]，本試驗(yàn)采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對鹽脅迫下的大豆進(jìn)行耐鹽性的綜合分析與評價(jià)，對18份不同大豆品種的各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加求平均值，進(jìn)行耐鹽性排序(表6)。結(jié)果表明，18份大豆品種的鹽性由強(qiáng)到弱依次為東農(nóng)42、雜交豆5號、吉育257、東農(nóng)69、NMD 2號、吉育611、東農(nóng)60、雅布力、鐵豆39、禾豐35、NMD 3號、NMD 1號、開豆18、鐵豆62、吉育299、東農(nóng)64、東農(nóng)63、吉育256。

2.6 18份大豆品種耐鹽性聚類分析

將18份大豆品種的平均隸屬函數(shù)用DPS 16.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1。按照歐氏距離>5可將18份大豆品種分為3個(gè)類群。第1類群，包括NMD 2號、東農(nóng)42、東農(nóng)69、吉育257、雜交豆5號，占試驗(yàn)材料的27.800%，該類群各個(gè)性狀變化率和相對值均較大，可將其歸類為耐鹽性品種；第2類群，包括NMD 1號、NMD 3號、東農(nóng)60、東農(nóng)64、鐵豆39、鐵豆62、開豆18、雅布力、禾豐35、吉育299、吉育611，占試驗(yàn)材料的61.100%，這一群類各個(gè)性狀指標(biāo)相對值較居中，因此認(rèn)定該群類屬于中度耐鹽品種；第3類群，包括東農(nóng)63、吉育256，占試驗(yàn)材料的11.100%，該類群各個(gè)指標(biāo)的相對值較小，所以東農(nóng)63和吉育256屬于鹽敏感品種。

圖1 18份大豆品種耐鹽性的聚類分析圖

3 討 論

優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的選育是育種的關(guān)鍵，在耕地面積有限的情況下，篩選耐鹽堿能力較強(qiáng)的大豆品種對未來鹽堿地高效利用及耐鹽品種良好培育具有極為重要的意義。光合作用是植物正常生長發(fā)育、產(chǎn)量高低及其品質(zhì)構(gòu)成的決定性因素[23]，植株體內(nèi)90%以上的干物質(zhì)的積累均來自光合作用，但光合作用對外界條件影響較為敏感[24,25]。因此，本研究選用凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、初始熒光、PSⅡ光量子效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)、過氧化氫酶活性、過氧化物酶活性及可溶性糖含量作為大豆耐鹽性篩選指標(biāo)。結(jié)果表明，鹽脅迫會使大豆葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均有所下降，且與對照呈現(xiàn)顯著差異，說明鹽脅迫明顯影響到大豆正常的光合作用，這與姚俠妹等[26]的研究結(jié)果一致，但東農(nóng)69和吉育257兩個(gè)品種受脅迫后Pn、Gs和Tr所受影響不明顯反而會略有升高，說明部分品種受脅迫后一定程度上會促進(jìn)大豆進(jìn)行光合作用，間接表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性。胞間CO2濃度作為光合作用主要研究的參數(shù)，其濃度的變化方向是確定光合速率變化的主要原因。18份不同大豆品種中吉育256和東農(nóng)63受到脅迫后胞間CO2濃度反而有所升高，說明在一定的鹽濃度下大豆細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳量增多導(dǎo)致其濃度升高，氧氣釋放受到限制，從而導(dǎo)致光合作用受到抑制。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映應(yīng)葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞和分配等生理過程[27,28]。趙躍峰等研究表明，鹽脅迫致茄子幼苗葉片初始熒光(Fo)隨鹽濃度增強(qiáng)而升高，且茄子幼苗葉片F(xiàn)v/Fm均低于對照[29]；說明NaCl作為逆境因子導(dǎo)致葉片PSⅡ反應(yīng)中心捕獲光能的效率降低，這進(jìn)一步詮釋了光合速率下降的原因。張璐穎等[30]研究表明，鹽脅迫下臺灣愷木幼苗PSⅡ光量子效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)上升。本研究表明，在80 mmol·L-1的混合鹽脅迫下，所有大豆品種初始熒光(Fo)均高于對照，說明鹽脅迫導(dǎo)致各大豆品種PSⅡ反應(yīng)中心遭到不同程度的破壞[31]。Fv/Fm可有效反映出光反應(yīng)中心PSⅡ?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率[32]，本研究表明，脅迫后東農(nóng)63和吉育256等多數(shù)大豆品種Fv/Fm均降低，說明鹽脅迫降低了各大豆品種PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率，而東農(nóng)42和NMD 2號等少數(shù)品種Fv/Fm略有上升，表明鹽脅迫對其PSⅡ反應(yīng)中心所受影響較小，展現(xiàn)出相對較強(qiáng)的耐鹽能力。qp主要反映PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)，同時(shí)可體現(xiàn)出植物葉片內(nèi)光合電子傳遞活性的變化情況[33,34]，除吉育257和NMD 2號脅迫后qp所受影響較小外，其余各品種均降低，說明所吸收光能用于光合電子傳遞的比例下降。本實(shí)驗(yàn)把CAT活性、POD活性和可溶性糖含量也作為大豆耐鹽性篩選指標(biāo)，研究表明，脅迫后各品種大豆葉片POD和CAT活性均受到不同程度的影響，其中東農(nóng)42和雜交豆5號表現(xiàn)良好，這與趙俊香等[13]研究結(jié)果相似。

對大豆耐鹽性所造成影響的因素是多方面的，并且是極為復(fù)雜的過程，由于不同大豆品種的耐鹽機(jī)理或其生理變化也不盡相同，因此多個(gè)品種耐鹽性篩選應(yīng)是多個(gè)性狀共同評價(jià)的結(jié)果，因此本研究對各性狀之間進(jìn)行相關(guān)性分析和主成份分析表明，除Pn和Tr相關(guān)性較小外，其余各性狀間均達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)水平，并得出Fv/Fm、可溶性糖含量及蒸騰速率均可作為不同大豆品種耐鹽性篩選的指標(biāo)。利用隸屬函數(shù)法把各個(gè)大豆品種每一個(gè)性狀抗鹽隸屬值進(jìn)行累加求其平均值，平均值越大耐鹽性越強(qiáng)[22]，最后采用系統(tǒng)分析方法的類間平均法，對大豆品種進(jìn)行聚類分析，篩選出NMD 2號、東農(nóng)42、東農(nóng)69等5個(gè)耐鹽性較強(qiáng)的品種，可以為今后系統(tǒng)地研究大豆耐鹽機(jī)制及鹽堿地的開發(fā)利用提供良好的材料基礎(chǔ)和依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究依照大豆品種的耐鹽性強(qiáng)弱可將其分為3類，NMD 2號、東農(nóng)42、東農(nóng)69等5個(gè)品種屬于耐鹽性品種；NMD 1號、NMD 3號、東農(nóng)60、東農(nóng)64等11個(gè)品種屬于中度耐鹽品種；東農(nóng)63和吉育256屬于鹽敏感品種。Fv/Fm、蒸騰速率和可溶性糖含量等指標(biāo)可作為不同大豆品種耐鹽堿性的篩選依據(jù)。