吉林省粳稻种质萌发期耐碱性和耐盐性综合评价

冯钟慧,刘晓龙,姜昌杰,梁正伟

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102; 2.中国科学院大学,北京 100049；3.农业生物资源研究所，日本 筑波3058602)



吉林省粳稻种质萌发期耐碱性和耐盐性综合评价

冯钟慧1,2,刘晓龙1,姜昌杰3,梁正伟1

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102; 2.中国科学院大学,北京 100049；3.农业生物资源研究所，日本 筑波3058602)

摘要：收集具有代表性的吉林省不同熟期的粳稻种质资源共60份，采用培养皿发芽方法，在盐胁迫(120 mM NaCl，pH=6.98) 和碱胁迫(30 mM Na2CO3，pH=11.05)条件下培养，并测定发芽势、发芽率、芽长、根长和根数等生长指标，利用隶属度对水稻种质萌发期耐盐碱性进行综合评价，为未来盐碱地水稻直播及抗逆育种提供抗逆种质资源。结果表明，水稻萌发期耐盐性和耐碱性呈极显著正相关(r=0.728**)，但品种间存在差异。相对芽长和相对根长分别与抗盐隶属度(r芽长=0.862**,r根长=0.781**)和抗碱隶属度(r芽长=0.757**,r根长=0.812**)呈极显著正相关，可作为水稻萌发期耐盐碱性快速筛选的重要指标。利用抗逆隶属度指标将耐盐性和耐碱性划分成高抗(HT)、中抗(MT)、低抗(T)、敏感(S)、中度敏感(MS)和高度敏感(HS)共6个等级，初步筛选出耐盐且耐碱的品种主要有长白21号(HT/HT)、通禾835(HT/HT)、吉玉粳(HT/HT)、长白10号 (HT/MT)、吉粘6号 (MT/HT)、吉粘10号(MT/MT)、吉粳507(MT/MT)、吉粳509(MT/MT)、吉粳806(MT/MT) 和东稻4号(MT/MT)；耐盐不耐碱的品种有通禾99(HT/S)、通禾837(MT/S)；耐碱不耐盐的品种有吉粳105(MT/S)、吉农大828(MT/S)；不耐盐也不耐碱的品种有九稻51号(HS/HS)、吉农大888(HS/HS)和通禾834(HS/MS)等。同时发现，与晚熟或中晚熟品种相比，吉林省中早熟或中熟水稻品种表现出更好的耐盐碱性特征，这对今后水稻耐盐碱育种亲本资源选择具有重要的参考价值。图2，表6，参22。

关键词：粳稻；耐盐性；耐碱性；相对根长；相对芽长；抗逆隶属度

0引言

我国东北是苏打盐碱地最大的集中分布区之一，面积高达765万hm2[1]。其中，吉林省西部12个市县盐碱土面积为160多万hm2[2]。盐碱地的高效治理与利用，一般有两种有效途径。一是“以草治碱”途径，即在干旱少雨且缺乏灌溉条件的地区恢复绿色植被，大力发展优质牧草。二是“以稻治碱”途径，即在灌溉水利工程配套条件下实施盐碱地开发种稻。要使以稻治碱取得预期成效，需要在大力改土消除盐碱理化障碍的基础上，尽最大可能挖掘水稻自身的耐盐碱潜力，选育耐盐碱品种并应用配套高产栽培技术，良田、良种及良法缺一不可。对于良种而言，我们的研究发现，种植较强的耐盐碱优良品种比盐碱敏感品种可以提高产量30%以上(待发表)。因此，准确地筛选耐盐碱水稻品种直接用于生产或作为抗逆育种材料间接加以利用显得十分重要，也是目前学界关注的热点。

近年来，国内外学者提出许多与耐盐碱性有关的水稻生长形态、生理生化等方面的鉴定方法与指标，如水稻发芽率[3-4]、叶片伤害率[5]、叶片盐害指数[6-7]、叶片丙二醛含量[5]、单株分蘖力[8]，主穗结实率、穗粒数和千粒重[9]、酶活性和渗透调节物质等[10-11]。可见，水稻种质资源耐盐碱鉴定指标繁多，但目前还没有形成指标统一或标准化规范的鉴定标准，耐盐碱性的科学评价指标尚需进一步探讨和研究。

文章对收集到的60份吉林省四个熟期(包括中早熟、中熟、中晚熟和晚熟)粳稻种质，采用隶属函数法[12-13]将萌发期测定的多项耐盐碱指标数量化并与抗逆隶属度建立对应的关系，从而根据每个品种在盐胁迫或碱胁迫下的隶属度进行耐盐性和耐碱性分级鉴定，并探讨了品种熟期与耐盐碱性的关系，为耐盐碱水稻品种鉴定及新品种选育提供科学参考。

1材料与方法

1.1供试材料

供试60份水稻种质资源均为国家或吉林省审定品种，主要由吉林省农业科学院、吉林农业大学、吉林省白城市农业科学院、通化市农业科学研究院和中科院东北地理与农业生态研究所等单位育成和提供。

1.2实验方法

1.2.1实验设计。设2种盐碱胁迫处理，即分别用120 mM NaCl和30 mM Na2CO3溶液模拟盐胁迫(pH 6.98)和碱胁迫(pH 11.28)，该浓度的选取分别参照张静[14]和Lv等[15]的研究结论，同时结合预实验结果。以蒸馏水发芽作为对照(CK)。实验前先用0.1%的HgCl2消毒水稻种子10 min，再用蒸馏水冲洗3次。发芽实验采用滤纸发芽法，在培养皿内铺入双层滤纸，分别将10 ml的盐、碱溶液和蒸馏水加入到铺有滤纸的9 cm直径的培养皿中，将选出的饱满水稻种子以每皿50粒均匀置于滤纸上，保持滤纸和种子湿润，盖好培养皿，置于30℃的黑暗条件下萌发，每个处理3次重复。

1.2.2指标测定。分别调查50粒种子的发芽势(3 d)、发芽率(7 d)，每个处理随机抽取10粒种子，测定芽长、根长(主胚根长)和根数。由于碱胁迫严重抑制水稻根系生长，根长较短，因此实验将芽长达到种子长一半以上时作为发芽种子计数。

发芽势(%)=(第3d发芽种子数/供试种子数)×100

发芽率(%)=(第7d发芽种子数/供试种子数)×100

相对发芽势=胁迫处理发芽势/对照发芽势×100

相对发芽率=胁迫处理发芽率/对照发芽率×100

相对芽长=胁迫处理芽长/对照芽长×100

相对根长=胁迫处理根长/对照根长×100

相对根数=胁迫处理根数/对照根数×100

利用模糊函数法[16]计算隶属度，依其值大小对水稻的盐碱抗性进行分级。隶属度的计算方法：先计算各项生长指标在各品种中的抗逆隶属值。

X(u) = (X-Xmin) / (Xmax-Xmin)

(1)

X(u) = 1-(X-Xmin) / (Xmax-Xmin)

(2)

其中，X—各品种某一生长指标胁迫处理测定值的相对值，最大值和最小值分别用Xmax、Xmin代表。当所选用的指标与抗性呈正相关时，用(1)式；当指标与抗性呈负相关时用(2)式，某一特定品种各指标的抗逆隶属值的平均值即为抗逆隶属度，然后利用SPSS软件对参试品种进行聚类分析，进而评价各品种耐盐碱性强弱。

1.3数据处理。

数据统计应用Excel 2010分析软件，方差分析、相关分析及聚类分析利用SPSS16.0分析软件。

2结果与分析

2.1盐碱胁迫对不同水稻品种发芽势和发芽率的影响

盐胁迫和碱胁迫均显著抑制了水稻种子萌发的进程，见表1。各水稻品种在对照(CK)处理下平均发芽势和发芽率分别为83.7%和98.4%。120 mM NaCl(盐胁迫)处理下各水稻品种的相对发芽势和相对发芽率分别为20%和75%；30 mM Na2CO3(碱胁迫)处理下相对发芽势和相对发芽率分别为33%和88%。由此可见，盐碱胁迫下的相对发芽势显著低于相对发芽率，可能是种子萌发初期对盐碱胁迫更加敏感。

表1　盐碱胁迫对水稻发芽势和发芽率的影响

注： ( ) 的数值代表各指标相对值(=测量值/对照×100)，同列A、B、C等不同大写字母表示处理间差异达到0.01显著水平。下同。

Note: The value of ()represents the relative value of each indicator(Measurement /CK×100)，and different letters between treatments indicate significant difference at 1% level . The same below.

2.2盐碱胁迫对不同水稻品种根芽生长的影响

盐胁迫和碱胁迫均显著抑制水稻品种的芽长、根长和根数，但抑制程度存在差异，见表2。与芽长相比，碱胁迫下水稻根长受到更加严重的抑制，根长只有CK的3%，而盐胁迫对根长抑制率相对较小，为CK的29%。根数与根长表现出相似的趋势，但抑制程度较小。其次，碱胁迫下的芽长(21.5 mm)显著大于盐胁迫(13.2 mm)，可能是碱胁迫严重抑制根系伸长后发生的一种补偿生长效应。

表2　盐碱胁迫对水稻品种根芽生长的影响

2.3盐碱胁迫下不同水稻品种萌发期的耐盐碱性分类

运用隶属函数法计算隶属度后进行聚类分析，将60个供试水稻品种依据隶属度分值将其耐盐碱性强弱划分为6个等级。即高抗(HT)、中抗(MT)、低抗(T)、敏感(S)、中度敏感(MS)和高度敏感(HS)，见表3。各等级品种数均呈正态分布趋势；同一水稻品种在盐胁迫和碱胁迫下抗逆表型存在差异。其中，表现耐盐且耐碱的品种主要有长白21号(HT/HT)、通禾835(HT/HT)、吉玉粳(HT/HT)、长白10号(HT/MT)、吉粘6号(MT/HT)、吉粘10号(MT/MT)、吉粳507(MT/MT)、吉粳509(MT/MT)、吉粳806(MT/MT)和东稻4号(MT/MT)；耐盐不耐碱的品种有通禾99(HT/S)、通禾837(MT/S)等；耐碱不耐盐的品种有吉粳105(MT/S)、吉农大828(MT/S)；不耐盐也不耐碱的品种有九稻51号(HS/HS)、吉农大888(HS/HS) 和通禾834(HS/MS)等。

同时发现，在盐碱胁迫下中早熟品种和中熟品种的平均抗逆隶属度高于中晚熟和晚熟品种，见表4。尤其是碱胁迫条件下，中早熟品种的平均隶属度比晚熟品种高0.17，抗逆隶属度较高的主要以中早熟和中熟品种组为主，而抗逆隶属度较低的大部分集中于中晚熟与晚熟品种组中，盐胁迫下也有相同趋势，见表3和图1。在盐碱胁迫下，萌发期表现均为中抗以上的中早熟水稻品种有东稻4号、长白21号、长白10号；中熟品种有吉玉粳、吉粘6号、吉粘10号；中晚熟品种为通禾835；晚熟品种吉粳806等，见表3。

图1　盐碱胁迫下水稻不同熟期类型与抗逆隶属度的关系Fig.1　The relationship between maturity and MD under NaCl and Na2CO3 stresses in rice

2.4盐碱胁迫下水稻各指标的相关性分析

相关分析表明，水稻萌发期抗盐隶属度与抗碱隶属度呈极显著正相关关系(r=0.728**)，见图2。盐胁迫下的抗逆隶属度与相对发芽率、相对芽长、相对根长和相对根数呈极显著正相关，而与相对发芽势未达到极显著相关水平，且相关系数最低，见表5；同时，相对发芽势与其他生长指标之间均没有显著相关性。碱胁迫与盐胁迫表现相同趋势，见表6。

表3　盐碱胁迫下水稻耐盐性和耐碱性分类

注：△代表中早熟品种；代表中熟品种； ▼ 代表中晚熟品种；●代表晚熟品种。

Note: △ stands for early-medium maturing rice variety;stands for medium maturing rice variety; ▼stands for mid-late maturing rice variety; ●stands for late maturing rice variety.

表4　盐碱胁迫下不同熟期类型水稻品种的平均抗逆隶属度

图2　不同熟期水稻品种抗碱隶属度与抗盐隶属度的关系Fig.2　The MD relationship of different resistance-type rice under Na2CO3 and NaCl stresses

性状Characters相对发芽势RGE相对发芽率RGR相对芽长RBL相对根长RRL相对根数RRN相对发芽率RGR-0.0041相对芽长RBL0.1200.811**1相对根长RRL0.0600.544**0.647**1相对根数RRN0.0900.531**0.654**0.686**1抗盐隶属度MD0.299*0.811**0.862**0.781**0.745**

注：同列*表示在p=0.05水平差异显著，**表示在p=0.01 水平差异显著，下同。

Note:* at the same column means significant difference at 5% level,and **means significant difference at 1% level,and the same below.

表6　碱胁迫下水稻萌发期各生长指标的相关性分析

3讨论

3.1萌发期耐盐碱性筛选指标选择

有研究报道，相对受害率可作为水稻萌发期衡量耐盐能力的参考指标[17]，但不宜将发芽率作为耐碱鉴定指标[18]。研究发现，水稻萌发期相对发芽率与抗盐隶属度(r=0.811*)和抗碱隶属度(r=0.687**) 均呈极显著正相关，表明相对发芽率可作为耐盐碱性筛选指标之一，但依照相关系数大小，碱胁迫下该指标不如根芽生长相关指标更有代表性；而相对发芽势由于与抗逆隶属度相关系数较小，同时与其他指标也无显著相关性，因此不宜作为水稻品种的抗逆筛选指标。

研究发现，盐胁迫条件下抗盐隶属度与相对芽长相关系数(r=0.862**) 最大，而碱胁迫下相对根长与抗碱隶属度相关系数 (r=0.812**)最大，见表5。与发芽率相比，水稻萌发期的根芽生长情况对于盐碱胁迫更加敏感，相对芽长与相对根长在水稻萌发期耐盐和耐碱等级的判定上可能具有重要价值，有望应用于水稻早期耐盐碱性快速鉴定。同时，今后需要对水稻后续生长发育各主要阶段开展精细的耐盐碱性鉴定，为水稻耐盐碱育种提供完整信息。

3.2水稻萌发期耐盐碱性分级评价应用前景

程广有等[19]报道，水稻品种在分蘖期及孕穗期等生长后期的耐碱性和耐盐性之间无显著相关性。而研究发现，水稻萌发期耐盐性和耐碱性呈极显著正相关 (r=0.728**)，但部分品种耐盐性和耐碱性表现不同，见表3。其中，研究供试材料吉玉粳和九稻51号等品种的耐盐碱性鉴定结果与以往的评价结论基本吻合[20-21]。今后有必要进一步探讨研究水稻萌发期与生育后期耐盐碱性的关系。

试验对熟期和耐盐碱性的关系进行初步研讨发现，在盐碱胁迫条件下，中早熟和中熟水稻品种的平均隶属度明显高于中晚熟和晚熟水稻品种，说明在水稻萌发期中早熟水稻品种具有更强的耐盐碱性。这可能是由于大多数中早熟和中熟水稻品种多在吉林西部盐碱地背景下长期改良和选拔的缘故，因而对盐碱胁迫的耐受性突出。优异的耐盐种质是选育耐盐水稻品种的基因载体[22]。因此在吉林西部盐碱地区广泛种植的中早熟和早熟高产耐盐碱品种是今后抗逆育种的宝贵遗传资源。

4结论

(1)相对芽长和相对根长可以作为水稻萌发期耐盐碱性快速鉴定的指标。

(2)水稻萌发期耐盐性与耐碱性呈极显著正相关。初步筛选出耐盐且耐碱的品种主要有长白21(HT/HT)、通禾835(HT/HT)、吉玉粳(HT/HT)、长白10号(HT/MT)、吉粘6号(MT/HT)、吉粘10号(MT/MT)、吉粳507(MT/MT)、吉粳509(MT/MT)、吉粳806(MT/MT)和东稻4号(MT/MT)；耐盐不耐碱的品种有通禾99(HT/S)、通禾837(MT/S)；耐碱不耐盐的品种有吉粳105(MT/S)、吉农大828(MT/S)；不耐盐也不耐碱的品种有九稻51号(HS/HS)、吉农大888(HS/HS)和通禾834(HS/MS)等。

(3)按熟期类型的不同，最终筛选出盐碱胁迫下均表现为中抗以上的主要中早熟水稻品种为东稻4号、长白21号、长白10号；中熟品种吉玉粳、吉粘6号、吉粘10号；中晚熟品种通禾835等；晚熟品种吉粳806等。同时发现，与中晚熟或晚熟品种相比，吉林省中早熟或中熟水稻品种的平均抗逆隶属度更高，表现出更好的耐盐碱性特征，这对今后水稻耐盐碱育种亲本资源选择具有重要的参考价值。

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Comprehensive Evaluation of Rice(Oryzasativajaponica) Germplasm for Alkaline/Saline Tolerance at Germination Stage from Jilin Province,China

FENG Zhonghui1,2,LIU Xiaolong1,JIANG Changjie3,LIANG Zhengwei1

(1.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,CAS,Changchun130102,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.NationalInstituteofAgrobiologicalSciences,Tsukuba3058602,Japan)

Abstract：In order to provide excellent germplasm resources for direct seeding and breeding for saline and alkaline stress tolerance,60 representative local japonica rice cultivars from Jilin province,China,were evaluated for their tolerance to saline and alkaline stresses at seed germination stage based on the membership degree. The saline and alkaline stresses were simulated by 120 mM NaCl (pH=6.98) and 30 mM Na2CO3 (pH=11.05) solutions respectively,and rice seeds were germinated on filter papers soaked with different stress solutions in a petri-dish (9 cm diameter). Five indices of seed germination including germination potential,germination rate,plumule length,root length and root number were measured under stressed or unstressed control conditions. The results revealed that the correlation of resistance to saline and alkaline reached highly significant level (r=0.728**),though there are varietal differences. Relative plumule length,relative root length had good correlations with alkaline tolerance (rBL=0.757**,rRL= 0.812**) and saline tolerance (rBL=0.862**,rRL=0.781**),representing a useful set of simple and fast monitoring parameters for assessing saline/alkaline tolerance levels for individual rice varieties. Based on the membership degree,the varieties were divided into 6 grades of saline or alkaline tolerance: highly tolerant (HT),moderately tolerant (MT),tolerant (T),susceptible (S),moderately susceptible (MS),highly susceptible (HS). We identified varieties Changbai 21 (HT/HT),Tonghe 835 (HT/HT),Ji Yujing (HT/HT),Changbai1 0(HT/MT),Jinian 6 (MT/HT),Jinian 10 (MT/MT),Jijing 507 (MT/MT),Jijing 509 (MT/MT),Jijing 806 (MT/MT) and Dongdao 4 (MT/MT) as tolerant to both the saline and alkaline; Tonghe 99 (HT/S)and Tonghe 837(MT/S) as tolerant to saline but susceptible to alkaline; Jijing 105 (MT/S) and Ji Nongda 828 (MT/S) as tolerant to alkaline but susceptible to saline; Jiudao 51 (HS/HS),Ji Nongda 888 (HS/HS)and Tonghe 834(HS/MS) as susceptible to both the saline and alkaline stresses. Furthermore,compared with the mid-late maturing or late maturing rice varieties,the early-medium maturing or medium maturing rice varieties in Jilin province showed better saline-alkaline tolerant performance. This finding may provide important reference for selecting parent sources in the saline-alkaline tolerant rice breeding programs.

Key words：japonica rice; saline tolerance; alkaline tolerance; relative bud length; relative root length; membership degree

中图分类号：S152.5

文献标识码：A

第一作者简介：冯钟慧(1991-)，女，吉林白城人，硕士研究生，主要研究方向为植物逆境生理生态.通讯作者：梁正伟(1962-)，男，吉林梅河口人，博士，研究员，从事植物抗逆生理生态研究.

基金项目：中国科学院先导科技专项(XDA08040101) ；中国科学院西部行动计划 (Y2B2011001).

收稿日期：2016-01-19；修回日期：2016-02-22.

文章编号:2095-2961(2016)02 -0120-08

doi:10.11689/j.issn.2095-2961.2016.02.009