基于投影尋蹤算法的13種觀賞草耐鹽性比較

隨夢(mèng)飛，劉戀，吳建芳，許志敏，丁國(guó)昌

(福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州 350002)

土壤鹽漬化是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要逆境因素之一[1]，會(huì)造成土壤溶液的滲透壓增大，土體通氣性、透水性變差，養(yǎng)分有效性降低，植物不能正常生長(zhǎng)，使得地表植被群落退化[2].據(jù)全國(guó)第2次土壤普查數(shù)據(jù),中國(guó)鹽漬土總面積約3 300萬(wàn)hm2[3]，作為重要的后備土地資源，將其合理的開發(fā)利用是目前的熱點(diǎn)問(wèn)題[4].目前對(duì)鹽堿地改良和利用的主要措施是培育栽植耐鹽堿作物[5].觀賞草是我國(guó)園林界新興的景觀植物，因其自然樸實(shí)、觀賞價(jià)值高且耐旱、耐貧瘠、抗病蟲害、養(yǎng)護(hù)水平低等優(yōu)點(diǎn)而倍受推崇[7].目前，對(duì)觀賞草的耐旱性與耐寒性研究已多見(jiàn)報(bào)道[8-10]，且對(duì)耐鹽堿能力研究已證明某些草本植物在一定鹽脅迫下具有足夠的適應(yīng)能力[11-12]，優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)能力與較高的觀賞價(jià)值使開展觀賞草的耐鹽堿篩選具有可行性與現(xiàn)實(shí)意義.

種子萌發(fā)是種子植物生活史中的關(guān)鍵階段,這一階段發(fā)育的好壞,不僅影響其本身的播種品質(zhì),同時(shí)也可能影響到種子下一代的正常生長(zhǎng)發(fā)育[13]，據(jù)報(bào)道，種子萌發(fā)期在植物生活史中是對(duì)鹽脅迫十分敏感的時(shí)期，植物能否在鹽堿環(huán)境中生存，首先取決于它能否發(fā)芽、發(fā)芽率的高低以及發(fā)芽速度[14].目前對(duì)于植物萌芽期抗逆性的分析評(píng)價(jià)主要通過(guò)隸屬函數(shù)分析法[15-16]，投影尋蹤技術(shù)于1974年由Friedman等首先提出[17]，這種統(tǒng)計(jì)方法的顯著優(yōu)點(diǎn)是具有很高的精度和準(zhǔn)確性，并能成功的克服高維點(diǎn)稀疏造成的“維數(shù)禍根”，以及自動(dòng)排除無(wú)關(guān)因子的干擾，排除單項(xiàng)異常判別帶來(lái)的人為干擾問(wèn)題，可揭示其他傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的高維數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征、規(guī)律和結(jié)構(gòu)[18].目前，投影尋蹤算法已應(yīng)用于環(huán)境[19]、道路工程[20]、經(jīng)濟(jì)學(xué)[21]等多領(lǐng)域，而進(jìn)行觀賞草種質(zhì)資源的抗逆性比較選優(yōu)尚未見(jiàn)報(bào)道.

因此，本研究運(yùn)用投影尋蹤模型對(duì)13份觀賞草的耐鹽性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)、選優(yōu)，以期為鹽堿地種質(zhì)資源選擇提供參考.

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的種子分別為紫穗狼尾草(Pennisetumalopecuroidea)、白穗狼尾草(Pennisetumorientale‘White’)、紫葉狼尾草(Pennisetumsetaceum‘Rubrum’)、柳枝稷(Panicumvirgatum)、長(zhǎng)穗柳枝稷(Panicumvirgatumvar.)采購(gòu)自江蘇省泗陽(yáng)縣新泰種子經(jīng)營(yíng)部.小兔子狼尾草(Pennisetumalopecuriodes‘Little Bunny’)、藍(lán)濱麥(Elymusmagellanicus)、金邊大米草(Spartinaanglica‘Aureomarginata’)、斑葉芒(Miscanthussinensis‘Zebrinus’)、玲瓏芒(Miscanthussinensis‘Ferner Osten’)、紫穗芒(Miscanthussinensisvar.)、常綠芒(Miscanthustransmorrisonensis)、虎尾芒(Miscanthussinensis‘Strictus’)采購(gòu)自江蘇省泗陽(yáng)縣劉集鄉(xiāng)田蜀苗木場(chǎng).

1.2 試驗(yàn)方法

挑選飽滿且大小一致的種子，用75%的酒精消毒1～2 min，并用蒸餾水沖洗干凈，設(shè)置0、50、100、150、200、300 mmol/L的6個(gè)濃度梯度的NaCl溶液處理種子，每組處理重復(fù)3次，每重復(fù)50粒種子，置于直徑9 cm的培養(yǎng)皿內(nèi)，內(nèi)鋪2層充分濕潤(rùn)的濾紙，置于智能光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)，設(shè)定光照強(qiáng)度為4000 Lx，光暗處理為14/10 h，濕度為75%，溫度為25 ℃.每天特定時(shí)間記錄發(fā)芽種子的數(shù)量，連續(xù)3 d不再萌發(fā)視為萌發(fā)結(jié)束.

1.3 測(cè)定指標(biāo)

發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)參照王文娟[22]、鹽害指數(shù)參照王靜等[23]的方法，計(jì)算相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)活力指數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)處理

建立基于實(shí)數(shù)編碼的加速遺傳算法(PAGA)[24-25]投影尋蹤模型[26-27]，運(yùn)用MATLAB R2018b進(jìn)行算法編寫，綜合分析、排序選優(yōu).運(yùn)用Excel 2016、SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽率

由表1可知，隨著鹽脅迫濃度增加，13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)呈下降趨勢(shì)；在同一濃度下，13種觀賞草間的相對(duì)發(fā)芽率差異顯著(P<0.05).NaCl濃度為300 mmol/L時(shí)，除白穗狼尾草、柳枝稷、金邊大米草、斑葉芒之外的9種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽率均為0%.NaCl濃度為50 mmol/L時(shí)，紫穗狼尾草的相對(duì)發(fā)芽率最高(100%)；NaCl濃度為100 mmol/L時(shí)，藍(lán)濱麥的相對(duì)發(fā)芽率最高(92%)；NaCl濃度為150 mmol/L時(shí)，白穗狼尾草的相對(duì)發(fā)芽率最高(75%)；NaCl濃度為50～150 mmol/L時(shí)，常綠芒的相對(duì)發(fā)芽率均為最低.比較5個(gè)NaCl處理濃度下的13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽率，耐鹽性表現(xiàn)較好的為紫穗狼尾草、柳枝稷、白穗狼尾草、藍(lán)濱麥等，較差的是常綠芒和虎尾芒.

表1 鹽脅迫下13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽率

2.2 鹽脅迫下13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)

由表2可知，13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)均隨著NaCl濃度的升高而降低.NaCl濃度為50 mmol/L時(shí)，柳枝稷的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)最高(110%)，常綠芒的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)最低(49%)；NaCl濃度為100～150 mmol/L時(shí)，紫穗狼尾草的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)最高，分別為89%、55%；NaCl濃度為150～200 mmol/L時(shí)，小兔子狼尾草的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)最低，分別為26%、11%.

表2 鹽脅迫下13種觀賞草的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)

2.3 鹽脅迫下13種觀賞草的相對(duì)活力指數(shù)

由表3可知，13種觀賞草的相對(duì)活力指數(shù)隨NaCl濃度的增大而呈下降趨勢(shì)；NaCl的濃度為50 mmol/L時(shí)，柳枝稷的相對(duì)活力指數(shù)最高(100%)；NaCl濃度為100 mmol/L時(shí)，白穗狼尾草的相對(duì)活力指數(shù)最高(80%)；NaCl濃度為50～100 mmol/L時(shí)，常綠芒的相對(duì)活力指數(shù)均為最低，分別為30%、21%；NaCl濃度為150～200 mmol/L時(shí)，柳枝稷的相對(duì)活力指數(shù)最高(36%、24%)，小兔子狼尾草的相對(duì)活力指數(shù)最低(7%、3%).

表3 鹽脅迫下13種觀賞草的相對(duì)活力指數(shù)

2.4 鹽脅迫對(duì)13種觀賞草鹽害指數(shù)的影響

NaCl濃度為300 mmol/L時(shí)，由于Na+在葉片內(nèi)積累過(guò)高，各品種發(fā)芽率降至最低且有9種沒(méi)有萌發(fā)，無(wú)法準(zhǔn)確反映各種的耐鹽性，故不作鹽害指數(shù)分析.由表4可知，隨著NaCl濃度的升高，13種觀賞草的鹽害指數(shù)逐漸增大.濃度50 mmol/L時(shí)，紫穗狼尾草的鹽害指數(shù)最小(0%)；濃度為100 mmol/L時(shí)，藍(lán)濱麥的鹽害指數(shù)最小(8%)；濃度150 mmol/L時(shí)，白穗狼尾草的鹽害指數(shù)最小(25%)；濃度200 mmol/L時(shí)，柳枝稷的鹽害指數(shù)最小(49%).

表4 鹽脅迫下13種觀賞草的鹽害指數(shù)

2.5 基于投影尋蹤模型的13種觀賞草耐鹽性評(píng)價(jià)

選取鹽脅迫下各處理的相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)活力指數(shù)和鹽害指數(shù)作為指標(biāo)，進(jìn)行歸一化處理，采用MATLAB R2018b編程處理數(shù)據(jù)，得試驗(yàn)樣本函數(shù)投影值z(mì)*(i)=(2.338 5，2.336 4，1.565 1，3.505 8，1.934 8，2.128 4，2.337 7，0.927 4，2.337 6，0.209 1，0.696 1，1.879 4，1.344 1)，如圖1所示.將函數(shù)投影值由大到小排列，即得13種觀賞草種子萌發(fā)期的耐鹽性優(yōu)劣順序?yàn)榱︷?白穗狼尾草>藍(lán)濱麥>斑葉芒>紫穗狼尾草>金邊大米草>紫葉狼尾草>玲瓏芒>長(zhǎng)穗柳枝稷>紫穗芒>小兔子狼尾草>虎尾芒>常綠芒.

數(shù)字1～13分別代表白穗狼尾草、紫穗狼尾草、長(zhǎng)穗柳枝稷、柳枝稷、紫葉狼尾草、金邊大米草、藍(lán)濱麥、小兔子狼尾草、斑葉芒、常綠芒、虎尾芒、玲瓏芒和紫穗芒.Numbers 1～13 represent P.orientale ‘White’,P.alopecuroidea,P.virgatum var.,P.virgatum,P.setaceum ‘Rubrum’,S.anglica ‘Aureomarginata’,E.magellanicus,P.alopecuriodes ‘Little Bunny’,M.sinensis ‘Zebrinus’,M.transmorrisonensis,M.sinensis ‘Strictus’,M.sinensis ‘Ferner Osten’,and M.sinensis var.圖1 13種觀賞草耐鹽性函數(shù)投影值Figure 1 Projection value of salt tolerance function of 13 ornamental grasses

3 討論

杜麗霞等[28]研究認(rèn)為，鹽脅迫最敏感的時(shí)期之一是在種子的萌發(fā)階段，在鹽脅迫下，種子吸收水分的能力降低.植物種子體內(nèi)水分虧缺，滲透壓升高，水勢(shì)降低，使種子吸水困難造成生理干旱，從而影響種子萌發(fā)[29].本試驗(yàn)6個(gè)不同濃度NaCl溶液脅迫13種觀賞草種子的結(jié)果顯示，在低濃度NaCl脅迫時(shí)(50 mmol/L)，除金邊大米草、常綠芒和虎尾芒之外的10種觀賞草，鹽脅迫對(duì)種子發(fā)芽率影響不顯著，與楊穎等[30]對(duì)鹽脅迫下刺榆種子萌發(fā)的研究結(jié)果一致.而在高濃度鹽脅迫時(shí)，種子的相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)活力指數(shù)均與對(duì)照組顯著差異，且隨著濃度的提高，呈下降趨勢(shì)，與李珍等[31]對(duì)鹽脅迫下新麥草種子萌發(fā)的研究結(jié)果一致.在高濃度鹽脅迫下，植物種子的萌發(fā)可能受到完全地抑制[32]，本研究中，在NaCl濃度為300 mmol/L時(shí)，除白穗狼尾草、柳枝稷、金邊大米草和斑葉芒之外的9種觀賞草種子的萌發(fā)均受到完全抑制.章文華等[33]研究表明，鹽脅迫降低種子α-淀粉酶活性，貯藏淀粉被分解，從而減少了種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量供應(yīng)，這是鹽脅迫抑制種子萌發(fā)的主要原因.

由于植物種類的不同，鹽脅迫下不同組織和器官的反應(yīng)也不同[34]，植物耐鹽性因遺傳背景和生理過(guò)程的復(fù)雜性、逆境因子的多變性及相互作用的綜合性而異，不同品種之間，甚至是同一品種不同基因型之間的耐鹽性均存在顯著性差異[35].本研究發(fā)現(xiàn)，在同一NaCl濃度脅迫下，不同觀賞草之間的相對(duì)發(fā)芽率存在顯著差異性，且在一定濃度范圍內(nèi)(50～150 mmol/L)，這種差異表現(xiàn)得更加明顯，鄧小紅等[36]對(duì)紅豆和白扁豆種子萌發(fā)對(duì)鹽脅迫響應(yīng)的研究結(jié)果也出現(xiàn)此差異，相對(duì)發(fā)芽指數(shù)與相對(duì)活力指數(shù)隨NaCl濃度的升高而減低，說(shuō)明種子在一定高濃度脅迫下雖然可以萌發(fā)，但萌發(fā)質(zhì)量和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育情況明顯受到抑制.

通過(guò)種子萌發(fā)進(jìn)行13種觀賞草耐鹽性評(píng)價(jià)，運(yùn)用投影尋蹤模型進(jìn)行多指標(biāo)綜合分析，可以最大限度地避免主觀性，提高準(zhǔn)確性.此外，供試材料的不同生長(zhǎng)階段的耐鹽性是否一致還需要進(jìn)一步研究.同時(shí)，進(jìn)一步補(bǔ)充材料，篩選出更多具有優(yōu)良耐鹽能力的觀賞草，實(shí)現(xiàn)景觀、生態(tài)、生產(chǎn)等多重效益.

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用投影尋蹤算法，得出了13種觀賞草的耐鹽性優(yōu)劣次序，結(jié)果較客觀，可用于不同途徑的多指標(biāo)擇優(yōu)評(píng)價(jià).草本植物對(duì)環(huán)境具有的優(yōu)良適應(yīng)能力，為鹽堿地或其他生存逆境的引種選育提供更多可能.在13種觀賞草中，柳枝稷、白穗狼尾草、藍(lán)濱麥、斑葉芒、紫穗狼尾草各項(xiàng)指標(biāo)整體表現(xiàn)較好，在生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)可優(yōu)先考慮，而虎尾芒與常綠芒耐鹽能力相對(duì)較弱，在使用時(shí)則應(yīng)慎重.