基于盐胁迫的小麦农艺性状多样性分析及评价

吴儒刚，裴艳婷，张 超，范业泉，靳义荣，刘 鹏，贾德新，戴忠民

(1.德州市农业科学研究院，山东德州 253015；2.德州学院生物系，山东德州 253023)

小麦作为拥有世界上40%以上消费群体的粮食作物，其产量的高低直接影响着世界粮食安全和农业可持续发展。全世界可耕地面积约 18.29×108hm2，人均仅有0.26 hm2[1]。我国人均耕地面积不足世界平均耕地面积的1/2，且随着城镇化和工业化的不断发展，耕地面积会逐渐降低。粮食需求的压力越来越大，亟需开发后备土地资源。目前，我国可利用的盐碱化耕地面积约为760×104hm2[2]，占全国可利用土地面积的 4.88%[3]。种植耐盐作物是盐碱化耕地有效利用的最简单方式之一[4-5]。我国已经审定的耐盐小麦品种有德抗961[6]、山融3号、小偃60和新春29[7]等，品种数量较少，产量较低。鉴定耐盐小麦种质资源[8-9]、筛选耐盐小麦品种[10-11]、培育耐盐小麦品种成为小麦育种的重要研究方向。小麦耐盐性虽是耐盐基因和调控机制的结果[12]，但需借助盐胁迫通过表型性状来体现。目前，小麦种质资源的表型性状的遗传多样性研究多是有关大田水浇条件下的国外资源[13-15]、异地资源[16]、育成品种等[17-20]，陈祥萍等[21]和邵千顺等[22]则对旱地小麦品种、系进行了遗传多样性分析。另有部分学者对国外小麦材料进行了耐盐性鉴定工作[8-9,23]，多在苗期、水培条件下进行。盐胁迫下针对黄淮麦区最新审定的小麦品种的遗传多样性的研究还未见报道。为此，我们搜集近年来黄淮麦区国审、省审的水、旱地小麦品种为试验材料，利用新建的标准化盐池，进行了盐胁迫(0、0.3%和0.5% NaCl)下小麦遗传多样性研究，以期在不同盐浓度下，探索小麦高产的性状表现规律，筛选出耐盐小麦资源，为小麦耐盐育种的亲本选配和后代选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取黄淮麦区及北部冬麦区近10余年国审、省审的小麦品种132个(表1)，组成自然群体。所有材料均为德州繁殖一年后，收获的种子。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验在德州市农业科学研究院试验基地的标准化盐池中的12个盐池进行，每个盐池长5 m，宽5 m，深1.5 m，四周是0.5 m的混凝土墙，底部未封闭。盐池土壤为白壤土，有机质含量 0.84%，碱解氮45.23 mg·kg-1，速效磷25 mg·kg-1，速效钾83 mg·kg-1。前茬为玉米，秸秆全部清除。为保证地力均匀，底肥按照每池鸡粪8 kg、磷酸二胺1.5 kg和尿素1.5 kg的比例混合搅拌均匀，均匀撒施到每个盐池，并及时造墒。以NaCl为盐源，设对照(0)、低(0.3% NaCl)和高 (0.5% NaCl)3个盐浓度，根据返盐高峰期盐分的测定值，依照耕层盐分设计标准，每个盐池补充相应重量的NaCl颗粒，人工均匀撒施。人工深翻土地，耙碎磨平明暗坷垃，去除秸秆残茬，保证盐池土地平整，防止因地面高低不平，导致返盐高峰期出现局部盐斑，造成盐分分布不均，影响试验的一致性。2次重复，随机排列。自制点播器打孔，单粒点播。行长1 m，行距20 cm，株距5 cm，1行区，田间管理同当地大田。

1.2.2 测定项目与方法

于小麦灌浆中期，测整行的株数和穗数，计算单株成穗数；随机选择有代表性植株10株，测定株高、穗下茎节长、主茎穗长度、主茎小穗数、主茎穗粒数、耐盐指数、综合耐盐指数、小穗密度和籽粒密度。全部收获脱粒，计产并换算成单株产量，数粒仪数取2次500粒，测千粒重。各性状的耐盐指数计算公式参照张 园等[24]方法；综合耐盐指数(Comprehensive salt tolerance index 简称CSTI)、小穗密度(spikelet density简称SD)、籽粒密度(grain density简称GD)的计算公式为：

表1 供试小麦品种Table 1 Wheat varieties used in the study

式中，pi为每个性状的耐盐指数； SNP为主茎小穗数；GNS为主茎穗粒数；SL为主茎穗长。

1.2.3 耐盐评价方法

参照张 园等[24]方法进行耐盐级别、综合耐盐指数的划分和耐盐性评价(表2)。

表2 耐盐性级别划分Table 2 Classification of salt tolerance

HR:Highly resistant; R:Resistant; MR:Moderate; S:Sensitive; HS:Highly sensitive.

1.3 数据处理

试验数据用Excel 2016整理，采用Shannon-weaver 遗传多样性指数衡量遗传多样性[25]，利用DPS 7.05进行相关性分析、主成分分析。

2 结果与分析

2.1 主要农艺性状的遗传多样性分析

由表3可知，供试材料各农艺性状在不同盐浓度下的变异系数不尽相同，整体表现为高盐>低盐>对照，3种处理的平均变异系数均大于10；各农艺性状的遗传多样性指数均大于2(对照的株高除外)。说明供试材料间农艺性状存在较大差异，遗传多样性丰富；盐胁迫增加了品种间的差异，有利于品种间耐盐性的比较和筛选。

2.1.1 由变异系数分析遗传多样性

低盐胁迫条件下，各农艺性状的平均变异系数较对照略大，为12.055%，变化范围为 6.822%～24.096%，变异系数最大、最小的性状为单株产量和主茎小穗数，变异系数大于10%的性状为单株产量、单株成穗数和穗下茎节长。在高盐胁迫条件下，各农艺性状变异系数的平均值为 13.418%，变化范围为7.913%～28.495%，变异系数最大、最小的性状为单株产量、主茎穗长，变异系数大于10%的性状为单株产量、单株成穗数、主茎穗粒数和穗下茎节长。说明盐分胁迫有利于供试品种耐盐性的比较和筛选。

表3 132份小麦品种的主要农艺性状Table 3 Major agronomic characters of 132 wheat varieties

PNP:Panicle number per plant; PH:Plant height; PL:Peduncle length; SL:Spike length; SNP:Spikelet number per spike; GNS:Grain number per spike; TGW:Thousand grain weight;GWP:Grain weight per plant; AV:Average.

2.1.2 由遗传多样性指数分析遗传多样性

由表3可知，在低盐胁迫条件下，各农艺性状的平均遗传多样性指数为 2.055，主茎穗长和主茎穗粒数的遗传多样性指数最大，均为2.075，单株产量的遗传多样性指数最小，为2.032，其他各农艺性状的遗传多样性指数依次是主茎小穗数>千粒重>株高>穗下茎节长 >单株成穗数。在高盐胁迫条件下，各农艺性状的平均遗传多样性指数为 2.058，穗下茎节长的遗传多样性指数最大，为2.076，千粒重的遗传多样性指数最小为 2.029，其他各农艺性状的遗传多样性指数依次是主茎穗粒数>单株成穗数>单株产量>主茎小穗数>株高>主茎穗长。除对照株高的遗传多样性指数为1.983外，其他性状在不同盐分浓度下的遗传多样性指数均大于2。说明供试小麦品种间耐盐性存在较大的差异。

2.2 主要农艺性状的相关性分析

132份黄淮麦区小麦品种的8个农艺性状相关性分析的结果(表4)表明，本试验条件下，单株产量均与单株成穗数、主茎穗长和主茎小穗数呈极显著正相关，且与单株成穗数的相关系数最大，说明单株成穗数是决定单株产量的最关键因素。株高与穗下茎节长呈极显著正相关，穗下茎节长和主茎穗长呈显著正相关。主茎穗长与主茎小穗数、主茎小穗数与主茎穗粒数均呈极显著正相关，说明主茎穗长决定主茎小穗数，主茎小穗数越多则主茎穗粒数也越多。

在对照、低盐和高盐胁迫下，单株成穗数与株高分别呈不相关、显著正相关、极显著正相关；在对照和低盐胁迫下，单株成穗数与千粒重的相关性不显著，而在高盐胁迫下，与千粒重呈显著正相关，说明随着盐分浓度的增加，单株成穗数与株高的相关性增大。株高与主茎穗长在对照条件下呈显著正相关，而在低盐和高盐胁迫下呈极显著正相关，说明株高与主茎穗长的相关性随盐分浓度的增加而增大；株高与主茎穗粒数、单株产量和千粒重在高盐胁迫下分别呈极显著正相关和显著正相关，而在对照和低盐胁迫下均为相关性不显著；穗下茎节长、主茎穗长均与千粒重在对照和低盐胁迫下呈不显著负相关，在高盐胁迫下呈极显著正相关。

2.3 主要农艺性状的主成分分析

分别对132份黄淮麦区小麦品种的7个主要农艺性状进行主成分分析(表5)，提取贡献率均大于10%的4个主成分，其累计贡献率在0、 0.3%、0.5%盐浓度下分别达到83.613%、 82.677%和88.897%，较好地代表了8个性状的绝大部分信息。

对照和低盐条件下，第1、第3和第4主成分对应的特征值分别为2.471和2.578、0.998和0.947、0.959和0.843，影响最大的性状均为主茎小穗数、千粒重和单株穗数，而第2主成分对应的特征值为1.424和1.419，影响最大的性状为株高和主茎穗粒数。对照条件下，株高对第2主成分影响最大；低盐条件下，主茎穗粒数对第2主成分的影响最大。因此，对照和低盐条件下，第1、第2、第3、第4主成分可概括为小穗数因子、株高(主茎穗粒数)因子、粒重因子和穗数因子。

在高盐条件下，第1主成分的特征值为 2.765，影响最大的性状为主茎穗长，其次是主茎小穗数、主茎穗粒数和株高。第2主成分的特征值为1.633，影响最大的性状为穗下茎节长，其次是主茎小穗数和主茎穗粒数。第3主成分的特征值为0.946，影响最大的形状为单株成穗数，穗下茎节长次之。第4主成分的特征值为0.878，影响最大的性状为千粒重。因此，在高盐胁迫条件下，第1、第2、第3、第4主成分可概括为穗长因子、穗下茎因子、穗数因子和粒重因子。

2.4 小麦品种的耐盐性综合评价

由表6可以看出，以综合耐盐指数为指标，在低盐胁迫条件下，小麦品种被分为4类，其中耐盐性极强的品种为烟农5286和青农2号，耐盐性强的品种有28个，占所有品种的21.2%，62.1%品种耐盐性中等，20个品种耐盐性弱，不含耐盐性极弱的品种。在高盐胁迫条件下，小麦品种被分为5类，其中耐盐性极强的品种有6个，耐盐性强的品种有35个，占所有品种的26.5%，62个品种为中等耐盐品种，26个品种耐盐性弱，济宁12号、新麦26和保麦10号的耐盐性极弱。

以综合耐盐指数≥1.10为指标，筛选出两种盐浓度下均表现为强耐盐性的品种11个，有河北省的衡4399和石麦15，山东省的青麦6、青丰1、青农2和烟5286，河南省的洛旱6、郑366、周麦22、周麦23和周麦28。进一步分析发现，石麦15是抗旱耐盐碱小麦品种冀麦38的后裔；山东的4个品种均为鲁麦14的后代；河南品种中除郑麦366外，其他4个品种均含有温麦6号的基因。结合田间的群体长势表现，认为周麦22号、洛旱6号、郑366、青农2号、烟5286和衡4399为高产耐盐小麦种质资源，可以作为耐盐育种的首选 材料。

表6 132个小麦品种的耐盐性分类Table 6 Salt tolerance evaluation of 132 wheat varieties

级别Grade综合耐盐指数CSTI相对耐盐性Relative tolerance材料数量 Quantity of material低盐Low salt高盐High salt1≥1.30极强 HR 2621.10～1.29强 R 283530.90～1.09中等 MR 826240.70～0.89弱 S 20265≤ 0.69极弱 HS 03

3 讨 论

耐盐种质资源是作物耐盐育种的基础。深入分析并掌握盐胁迫下小麦种质资源的遗传多样性，对耐盐小麦遗传改良意义重大。前人分别用SSR[26]、RAPD[27]技术来分析耐盐小麦的遗传多样性。本试验主要分析不同盐胁迫下各农艺性状所表现出的遗传差异性，结果表明，各农艺性状的平均变异系数随盐浓度的增加有增大趋势，尤其是单株产量和单株成穗数，说明这两个性状的稳定性较差，但是选择潜力大[28]，有利于品种耐盐性的比较和筛选。从遗传多样性指数来看，盐胁迫下各性状的遗传多样性指数均大于2。说明盐胁迫有利于耐盐性材料的筛选。

朱永兴等[29]认为，株高是耐盐小麦筛选的指标之一，肖 宇等[30]和乔海龙等[31]研究表明，盐胁迫下品种株高降幅少，其抗盐性就强。本试验相关分析表明，在高盐胁迫下，株高与单株产量极显著正相关，这与朱永兴等[29]和申玉香等[32]的研究结果一致，说明株高可以作为耐盐小麦鉴定的性状之一。而在低盐胁迫下，千粒重与单株产量极显著正相关，说明轻度盐分条件下，千粒重也可以作为小麦品种耐盐性的一项评价标准，这与乔海龙等[31]的结论相一致。

主成分分析被广泛应用于农作物的种质资源多样性研究,运用该方法可将错综复杂、相互关联的多个性状概括为相互独立的少数几个性状代表的主成分，能直观反映因子间不同性状的贡献大小，有助于目标性状的选择。邹德堂等[33]将水稻材料的15个性状的耐盐指数简化为7个主成分，周丽艳等[34]将11个农艺性状简化为5个主成分。本研究将不同盐胁迫下的7个指标简化为4个主成分：在低盐胁迫下，4个主成分的特征值分别为2.578、1.419、0.947、0.843，累计贡献率为82.677%，对应的性状分别为主茎小穗数、主茎穗粒数、千粒重和单株成穗数；在高盐胁迫下，4个主成分的特征值分别为2.765、1.633、0.946、 0.878，累计贡献率为88.897%，对应的性状分别为主茎穗长、穗下茎节长、单株成穗数和千粒重。

本研究中，在低盐、高盐胁迫下，综合耐盐指数达到1.10以上的分别有30个和41个品种，其中11个品种在两种盐胁迫下，均表现出较好的抗盐性。结合田间的群体表现和产量结果，筛选出周麦22号、洛旱6号、郑366、青农2号、烟5286和衡4399为高产、耐盐小麦种质资源，本研究是在盐池中进行，能确保盐分浓度的准确可靠，田间操作严格按照调查标准执行，最大限度的控制了试验误差，试验结果可为小麦耐盐品种的筛选和培育工作提供理论依据。虽然盐池耐盐鉴定比较接近大田实际生产，但结果仍然受环境的影响较大，应该将表型数据与分子标记相结合[35]，利用连锁分析和关联分析等基因组学方法[36]，深入系统地进行研究，充分发掘有利基因，为亲本选配提供理论依据。