粒用高粱亲本系萌发期耐碱性鉴定与综合评价

于淼，陈冰嬬，石贵山，李海清，葛占宇，杨永志，徐宁，檀辉，李翠丽，王鼐

（1.吉林省农业科学院作物资源研究所，吉林公主岭136100；2.赤峰市农牧科学研究院，内蒙古赤峰024031）

土壤盐碱化是影响植物生长并限制作物产量的严重农业问题之一［1，2］。据不完全统计，全球盐碱土面积大约有9.8×108hm2，约占全球土地面积的10%，中国盐碱土总面积大约有1.0×108hm2，占耕地总面积的 4.9%，且有逐年增加的趋势［3，4］。其中东北地区是土壤盐碱化最严重的地区之一，主要成分是以Na2CO3和NaHCO3为主的苏打盐碱土［5］。其具有与中性盐胁迫相同的Na+离子毒害作用，大量的CO32+、HCO3

-使土壤 pH 升高，严重影响了作物体内核酸复制、蛋白质合成等代谢过程，抑制种子萌发进程［6］，碱胁迫对作物的危害高于盐胁迫［7］。培育和推广耐盐碱作物是提高盐碱地宜耕土地面积最为经济有效的措施。

高粱（Sorghnm bicolor（L.）Moench）具有耐旱、耐盐碱等多重抗逆性，且光合效率高，广泛种植在我国的旱地、洼地、盐碱地等边际性土地上［8，9］。目前种植的高粱品种以酿酒专用型的粒用杂交种为主［10］。因此，建立不同粒用高粱亲本系耐碱鉴定方法和评价体系对高粱耐碱种质创新和杂交种选育以及碱土有效利用具有重要意义。然而对于混合碱胁迫研究，多集中在甜高粱［11］和杂交种［12］的鉴定筛选，可用的耐碱种质资源和基因未见报道，制约着高粱耐碱育种的发展。李丰先等［12］以 25 mmol·L-1混 合 碱（NaHCO3∶Na2CO3的摩尔比为9∶1）溶液为胁迫液，综合评定了35 个高粱杂交种的耐碱性。尚培培等［13］以耐碱性差异较大的2 个杂交种为材料，研究了混合碱胁迫对高粱幼苗生理生化的影响。任增根等［14］用混合碱（NaHCO3∶Na2CO3摩尔比 1∶1）筛选鉴定了 8 个高粱品种的耐碱性。

本研究分析146 份粒用高粱亲本系碱胁迫下萌发期的各个性状，采用隶属函数值法转换的S 值对耐碱性进行分级，建立了一种准确高效的粒用高粱耐碱鉴定评价方法，为粒用高粱亲本系萌发期耐碱性鉴定提供理论依据以及高粱耐碱种质创制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为146 份粒用高粱亲本系，包括53份保持系（B-line）、93 份恢复系（R-line），分别来自吉林省农业科学院、吉林农业大学、白城市农业科学院、锦州市农业科学院，辽宁省农业科学院、赤峰市农牧科学院、黑龙江省农业科学院、山西省农业科学院、中国农业科学院、美国得克萨斯农业与机械大学、澳大利亚昆士兰大学。由吉林省农业科学院作物资源所保存。

1.2 试验方法

1.2.1 碱胁迫适宜浓度的确定

挑 选 吉 2055B、 314B、 SX44B、 522B、TAM428B、15H379、GLS、G002、LT、2115 共 10份材料，设置 NaHCO3∶Na2CO3=9∶1 摩尔质量浓度分别为 0（CK）、25、50、75、100、150 和 200 mmol·L-1（实际测得的pH 和电导率见表1）溶液进行胁迫，共6 个处理，每个处理3 次重复，每次重复 25粒种子。将种子用自来水清洗2 次，75%的酒精消毒1 min，经0.1%的氯化汞溶液消毒10 min，自来水冲洗3 次，去离子水冲洗3 次，吸干种子表面水分，放入铺有双层滤纸的培养皿中。加入碱胁迫液8 mL，温度25℃，湿度60%的培养箱内黑暗培养10 d。每2 d 补充适量蒸馏水，以保持胁迫液的浓度不变。第4 天调查每个培养皿的种子发芽数（发芽的标准为胚根长度≥1/2 种子长度），计算种子的发芽势。第10 天调查每个培养皿的种子发芽数，计算种子发芽率，每个培养皿挑选生长时期基本一致的10 株幼苗，测量芽长、根长。

1.2.2 146 份粒用高粱亲本系对碱胁迫的响应

选取 50 mmol·L-1浓度的碱胁迫液处理 146 份粒用高粱亲本系，种子处理与培养方法与碱胁迫适宜浓度的确定一致。分别于第 2、4、6、8、10 天调查每个培养皿的种子发芽数。在第10 天，将放在培养箱中的培养皿取出，每个培养皿挑选基本一致的10 个幼苗，测定芽长、根长、中胚轴长、芽鲜重、根鲜重，于85 ℃烘干后称量芽干重、根干重。

发芽势=第4 天发芽种子粒数/供试种子粒数×100%；

发芽率=第10 天发芽种子粒数/供试种子粒数×100%；

发芽指数（GI）=∑(Gt/Dt)（其中，Gt 为第 t日的发芽种子个数，Dt 为相应的发芽日数）；

活力指数（VI）=胚根鲜重×发芽指数；

相对值=胁迫值/对照值×100%。

表1 不同碱胁迫溶液的pH 和电导率Table 1 Conductivity and pH of different saline-alkali stress solutions

1.3 数据处理与分析

采用SPSS19.0 软件对测定指标数据进行方差分析、主成分分析和相关性分析。在EXCEL 2010 中采用公式（1）计算隶属函数值，采用公式（2）计算耐碱评价S 值。

公式（1）中计算各性状的隶属函数值，Xj表示第j 个性状的相对值；Xmin、Xmax分别表示第 j 个性状相对值的最小值和最大值。公式（2）计算各性状的平均隶属函数值。

2 结果与分析

2.1 粒用高粱萌发期耐碱鉴定适宜浓度的确定

不同浓度苏打碱胁迫下，10 份高粱种质的发芽势等5 个萌发性状的统计分析表明（表2），在浓度为25 mmol·L-1胁迫处理下，发芽势、发芽率、发芽指数、芽长、根长与对照相比差异不显著，但是2055B、15H379、2115 的发芽势、发芽率、芽长和根长均高于对照。在50 mmol·L-1胁迫处理下，发芽势、发芽指数、芽长、根长与对照相比在0.01 水平下极显著降低，尤其根长与对照相比明显下降，下降了65.75 %，然而522B、SX44B 与对照相比，发芽势和发芽率变化不明显。在75 mmol·L-1胁迫处理下，发芽势、发芽率、发芽势的均值降为对照的一半，高粱的根长表现无或极短。胁迫浓度升高到150 mmol·L-1，所有材料的萌发均受到明显抑制，各萌发指标值均显著下降。200 mmol·L-1胁迫下，少数材料能够萌发，但萌发后期多为畸形、坏死、不能正常生长。因此，本试验选用50 mmol·L-1（NaHCO3∶Na2CO3=9∶1）为粒用高粱萌发期耐碱鉴定的适宜浓度。

表2 不同浓度碱胁迫下10 份高粱种质性状的统计分析Table 2 Statistic analysis of 10 sorghum germplasm traits at different alkali concentrations

2.2 碱胁迫对萌发期粒用高粱亲本系的影响

对146 份粒用高粱亲本系萌发期性状相对值的描述统计表明，在 50 mmol·L-1的碱胁迫下，除部分亲本系的发芽势和发芽率外，萌发期各性状相对值均小于100%，表明各性状均受到不同程度地抑制，不同性状相对值的均值和变异系数也不相同（表 3）。 其中，相对根长均值最低，为12.36%；相对中胚轴长度次之，为15.51%，相对发芽势均值最大，为68.25%；说明在碱胁迫下高粱的根长和中胚轴的长度抑制程度较大，发芽势的抑制程度较小。各性状相对值变异系数最大的是根长，为82.18%，说明碱胁迫下粒用高粱亲本系的根长差异最明显，变异系数最小的是发芽势，为29.72%。

2.3 粒用高粱亲本系萌发期耐碱分级评价方法

通过计算11 个相对性状的平均隶属函数值，获得耐碱评价S 值。根据S 值对146 份参试材料划分耐碱分级评价标准。S 值在0.80～1.00 为1级强耐碱（HT），0.60～0.80 为 2 级耐碱（T），0.40～0.60 为 3 级中等耐碱（MT），0.20～0.40 为4 级 碱 敏 感（S），0.00～0.20 为 5 级 碱 极 敏 感（HS）。

表3 碱胁迫下粒用高粱亲本系萌发期性状相对值的描述统计Table 3 Descriptive statistics on relative traits of sorghum parental lines at germination stage under alkali stress 单位：%

2.4 146 份粒用高粱亲本系萌发期耐碱性评价

根据分级标准对146 份粒用高粱亲本系的S值进行耐碱级别的划分（表4）。耐碱1 级的包括吉4327R 1 份材料，属于恢复系，占参试材料的0.68%，耐碱评价为HT。耐碱2 级的包括MH、G17-123B、5222B、SX44B、TAM428B、06H419、吉R117、15H369，共8 份材料，其中保持系材料4份，恢复系材料4 份，占参试材料的5.47%，耐碱评价 为 T。 耐 碱 3 级 的 包 括 LT、7788、10125R、QL34B、吉 R107 等，共 62 份材料，其中保持系材料29 份，恢复系材料33 份，占参试材料的42.46%，耐碱评价为MT。耐碱4 级的包括2483、哲3B、2013B1、y288-2、115B 等，共 56 份材料，其中保持系材料14 份，恢复系材料42 份，占参试材料的38.35%，耐碱评价为S。耐碱5 级的包括龙188B、2124、外 4、哲 23B、5933、QL33B，共 19 份材料，其中保持系材料6 份，恢复系材料13 份，占参试材料的13.01%，耐碱评价为HS。

表4 146 份粒用高粱亲本系耐碱性评价Table 4 Evaluation of alkali tolerance of 146 sorghum parental lines

2.5 碱胁迫下粒用高粱萌发期各性状的相关性分析

对碱胁迫下粒用高粱亲本系萌发期11 个性状的相对值进行相关性分析（表5），相对根长、相对根鲜重和相对根干重与相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数、相对中胚轴长度之间相关不显著，与其余7 个指标之间呈显著或极显著正相关。其中，相对发芽指数与相对发芽势呈极显著正相关，相关系数最高，达到了0.942，相对活力指数与相对根鲜重呈极显著正相关，相关系数为0.872。相对中胚轴长与相对芽长呈极显著正相关，相关系数为0.774。S 值与萌发期各性状相对值之间均呈显著正相关，与相对芽鲜重相关系数最高，为0.891，与相对根干重相关系数最低，为0.326。

表5 碱胁迫下粒用高粱萌发期各性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis of different traits of sorghum germination under alkali stress

2.6 粒用高粱萌发期耐碱性状的主成分分析

对碱胁迫下粒用高粱亲本系萌发期11 个性状的相对值进行主成分分析（表6）。第Ⅰ主成分贡献率为50.49%，第Ⅱ主成分贡献率为20.80%，第Ⅲ主成分的贡献率为10.57%，前3 个主成分累计贡献率达81.877%，考虑累计贡献率大于80%和特征值大于1 的原则，说明前3 个主成分能够代表11 个性状的基本信息，符合主成分分析的要求。

从各个指标的载荷矩阵分析（表7），相对芽长、相对芽鲜重和相对芽干重，相对发芽势、相对发芽率和相对发芽指数在第I 主成分中的载荷比较大，说明第Ⅰ主成分主要反映的是胚芽萌发生长的重要指标，其中相对芽鲜重的载荷量最大，为0.90。在第II 主成分中相对活力指数，相对根长与相对根鲜重、相对根干重的载荷较大，反映的是根部性状的重要指标，其中相对根鲜重载荷量最大为0.8。第III 主成分中相对中胚轴长、相对芽长、相对根长的载荷量较大，反映的是种子伸长的状况，其中相对中胚轴长载荷量最大为0.54。

表6 3 个主成分的特征值及贡献率Table 6 Eigenvalue and contribution rates of three principal components

2.7 粒用高粱萌发期耐碱性鉴定指标的筛选

计算相对根鲜重、相对发芽率和相对中胚轴长性状的平均隶属函数值S1，以S1值为横轴，S 值为纵轴，绘制两者间的线性关系图（图1），两者也呈极显著相关（P＜0.01），相关系数为0.9421。根据分级标准对146 份粒用高粱亲本系的S1值进行耐碱评价，编号98 的吉4327R 的平均隶属函数值最高，为 0.8408，编号 124 最低，为 0.013，与 11 个指标的平均隶属函数值排序一致。只有21 份种质在耐碱分级稍有不同，其余125 份材料耐碱分级一致。由此可知，利用相对中胚轴长、相对芽鲜重、相对根鲜重这3 个性状对146 份粒用高粱亲本系的评价结果与11 个性状的评价结果基本一致，可以作为粒用高粱萌发期耐碱性筛选的鉴定指标。

表7 各因子载荷矩阵Table 7 Factor loading matrix of each component

图1 S1值与S 值评价高粱耐碱性的关系Fig.1 Evaluation of sorghum alkali tolerance based on S1 value and S value

3 讨论与结论

我国现有盐碱地类型复杂，土壤中盐分组成多样［15］。吉林省中西部盐碱化地区的土壤主要含有 Na+、CO32-、HCO3-，pH 在 9.0 以上［16］。而且，以Na2CO3和NaHCO3为主要成分的碱胁迫对植物生长发育的危害远大于NaCl 与Na2SO4为主的盐胁迫［17，18］，本试验将 2 种碱性盐 NaHCO3和 Na2CO3按摩尔比 9∶1 配置，混合液的 pH 在 9.25 左右，以此模拟吉林省中西部土壤环境更加具实践意义。

作物萌发期耐盐性研究发现，不同作物对盐胁迫的响应不同，耐盐鉴定的适宜浓度也不相同［19～21］。相同作物不同基因型种质对盐响应的浓度也不相同［22，23］。本研究测量了 10 份材料在不同碱胁迫浓度下的5 个萌发性状，发现随着碱浓度的增加高粱的发芽率、发芽势、发芽指数、芽长、根长均呈下降趋势。在25 mmol·L-1胁迫下，个别材料的萌发能力强于对照，说明该浓度对高粱亲本系的萌发有促进作用，但是当浓度增加到50 mmol·L-1时，各性状较对照均显著降低。这说明高粱在适宜碱胁迫浓度下萌发能力会增强，超过一定浓度后才会产生抑制作用，这与小麦［24］、芝麻［25］、棉花［26］等作物耐盐性的研究结果类似。根据试验结果高粱各性状在 25 mmol·L-1和 50 mmol·L-1胁迫下差异显著，都可以作为筛选浓度，但是考虑到低浓度碱性盐的盐碱地在实际中很难遇到，因此选择50 mmol·L-1胁迫浓度鉴定高粱亲本系。这也是与李丰先等［12］筛选高粱杂交种的浓度不一样的原因之一，其次是培养环境不同，该研究培养环境是12 h 光照和12 h 黑暗，本研究种子萌发培养环境为24 h 黑暗处理，具体的遗传效应和生理机制还需进一步研究。

盐碱胁迫后植物的多种萌发性状变化直接反映了盐害程度［27］。单一的性状评价作物耐盐碱特性具有一定的局限性，且作物耐盐碱性是基因和环境互作的多种萌发性状的综合表现［28］。因此选取有代表性的指标，建立客观的评价体系，对高粱品种萌发期耐碱的评价和大批量筛选耐碱种质和杂交种至关重要。前人以平均隶属函数值法对性状的相对值进行耐碱排序，再通过聚类分析进行耐碱分级［29，30］。但聚类分析在样本量较大时，获得聚类结论有一定困难，本研究根据平均隶属函数值的大小范围进行耐碱级别划分，把146 份粒用高粱亲本系划分为强耐碱、耐碱、中等耐碱、碱敏感、碱极敏感，共5 个耐碱级别。同时，本研究选取了相对发芽势等11 个性状对高粱的萌发期耐碱进行综合评价，相关分析表明，这些鉴定指标之间存在显著和极显著的相关性，我们采用因子分析，通过对多项指标进行降维处理，筛选到3 个主成分可代表不同处理间变异的全部信息，其中相对中胚轴长、相对叶鲜重、相对根鲜重分别在3 个主成分中载荷最大。为了进一步证明3 个指标可以作为耐碱性的鉴定指标，我们计算了这3 个性状的平均隶属函数值S1，与S 值进行比较分析，确定了相对中胚轴长、相对芽鲜重、相对根鲜重这3 个指标作为评价粒用高粱萌发期耐碱性的主要鉴定指标。