人工合成六倍体小麦耐盐种质资源的筛选及评价

李小康，吴崇宁，王 维，李文淑，KISHII MASAHIRO，田纪春，邓志英

(1.山东农业大学农学院,作物生物学国家重点实验室，小麦品质育种研究室，山东泰安 271000；2.邯郸市农业科学院，河北邯郸，056000；3.CIMMYT,Apdo. Postal 6-641,06600,Mexico,D.F.,Mexico.)

人口的逐渐增长以及耕地的减少不仅对农业的可持续发展造成了影响，而且对全世界的粮食安全也构成了严重的威胁[1]。全球约有800万 hm2(6%)的耕地受到盐分的影响[2]，土壤盐渍化逐渐成为了影响小麦产量的主要因素之一[3]。小麦是我国主要粮食作物之一，在我国农业生产中占有举足轻重的地位[4]。近年来，我国盐渍化土壤面积不断扩大，对农业可持续发展造成了巨大影响[5]。通过培育和筛选耐盐性强的小麦品种(系)，可实现盐碱地的有效利用，并成为促进粮食增产的重要途径[6]。

芽期和苗期是小麦生长发育初期阶段，小麦萌发和幼苗质量对生育期壮苗的形成影响较大。在该阶段小麦对逆境胁迫比较敏感[7]，因而也是进行小麦耐盐性鉴定的最好时期。韩冉等[8]对多个小麦品种进行不同盐浓度梯度胁迫，对苗期的根长、苗高及最终产量进行比较分析，最终筛选出济麦262等三个耐盐性较好的小麦品种；陈春舟等[9]对16份小麦种质材料进行0.2 mol·L-1NaCl胁迫，通过综合评价筛选出3份苗期耐盐性均较高材料；彭泽等[10]对121份小麦及远缘杂交后代进行耐盐性鉴定，通过综合评价苗期生理以及SOD、POD活性等指标，筛选出耐盐性较好的5份小麦材料及8份小麦远缘杂交后代。目前小麦耐盐性鉴定基本以普通小麦为对象，缺乏对人工合成六倍体小麦的耐盐性了解。人工合成六倍体小麦是四倍体硬粒小麦和粗山羊草杂交，经染色体加倍而形成的小麦类型，含有丰富的抗病、抗虫、优质亚基、耐旱、耐寒及耐盐等优异基因[11-13]，具有较强的抗逆性，适合作为现代分子育种的优良抗性基因的提供者，其耐盐性值得深入研究。本研究以墨西哥国际玉米小麦改良中心提供的141份人工合成六倍体小麦为材料，利用水培法来培育小麦幼苗，以清水为对照，在小麦芽期和苗期分别进行不同浓度盐胁迫处理(NaCl:100 mmol·L-1、150 mmol·L-1、200 mmol·L-1)，测定小麦芽期苗高、最大根长、胚芽鞘长以及发芽率等形态指标及苗期叶片丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量等生理生化指标，进而用主成分分析和聚类分析对试验材料的耐盐性进行综合性评价，以筛选出耐盐性较强的小麦材料，以期为耐盐小麦新品种的培育提供新的种质材料。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为从墨西哥国际玉米小麦改良中心引进的141份人工合成六倍体小麦材料(编号Syn1～Syn141)。试验于2019年春季在山东农业大学培养箱中进行，以山东省德州市农业科学院提供的抗盐小麦品种德抗961为对照。

1.2 种子萌发试验

试验设置0、100、150和200 mmol·L-14个NaCl浓度处理，每个浓度设置3次重复。在发芽盒中放入大小适当的吸水纸，加入不同浓度NaCl溶液至吸水纸饱和，每个材料选取长势均匀饱满且无病虫害的健康种子80粒，腹沟向下，种胚朝向一致，摆放在吸水纸上，间隔距离均匀一致，置于温度24 ℃、光照12 h、黑暗12 h、湿度70%、光照强度20 000 lx的培养箱中培养。萌发过程中每天补水称重两次，测其溶液电导率，使其浓度保持稳定。其中100、150和200 mmol·L-1NaCl溶液电导率分别维持在7 366、12 188和17 071 us。培养7 d后计算其发芽率，测量苗高、根长、胚芽鞘长。

1.3 幼苗试验

每个材料选取种子100粒，在发芽盒中放入大小适当的吸水纸，先清水培养至1叶1心期，再换至不同浓度NaCl溶液培养。NaCl浓度设置同萌发试验，用去离子水做对照。幼苗置于温度24 ℃、光照12 h、黑暗12 h、湿度70%、光照强度20 000 lx的培养箱中培养。培养过程中每天补充盐溶液称重两次，测其溶液电导率，使其浓度保持稳定，培养5 d后取样测定叶片丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量及地上部鲜重和干重、根鲜重和根干重，其中丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量的测定分别采用硫代巴比妥酸法、茚三酮法和蒽酮法[15-18]。并计算根冠比等指标。

鲜重根冠比=(根鲜重/地上部鲜重)×100%；干重根冠比=(根干重/地上部干重)×100%；苗含水量=(地上部鲜重-地上部干重)/苗鲜重；根含水量=(根鲜重-根干重)/根鲜重；采用霍鹏[14]的方法计算小麦各性状相对耐盐系数：相对耐盐系数=(盐碱胁迫值/对照值)×100%。

1.4 综合评价

参考龚明的方法[19]计算各指标隶属函数值U(Xi)：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。Xi表示小麦材料第i个指标的观测值，Xmin和Xmax分别表示第i个指标所有观测值中的最小和最大值。由于MDA含量与作物耐盐性呈负相关，因此其隶属函数值U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。基于隶属函数值利用主成分分析对小麦材料进行综合评价。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2019、SPSS 22及SPSS AU对数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 盐浓度对小麦芽期和苗期形态和生理指标的影响

2.1.1 盐浓度对芽期形态指标的影响

当在清水中培养时，所有小麦材料均能够发芽；盐浓度为100 mmol·L-1时能够发芽的小麦材料数占总材料数的90.78%；但当盐浓度达到150 mmol·L-1时则发芽受到很明显的抑制，能够发芽的小麦材料数占总材料数的63.83%；当盐浓度达到200 mmol·L-1时能够发芽的小麦材料数大大降低，仅占总材料数的25.53%。其中，对照德抗961在150和200 mmol·L-1浓度下均不能发芽。因此，后续试验只对各浓度中能发芽的小麦材料进行分析。

小麦的发芽率、苗高、最大根长、胚芽鞘长均随着盐浓度的增加而降低(图1)。当盐浓度由0 mmol·L-1升高到100 mmol·L-1时，四个性状受影响的程度均较大；当盐浓度升高到200 mmol·L-1，小麦的发芽率由71.08%降到 21.78%，苗高由16.09 cm降到2.7 cm，最大根长由10.3 cm降到1.00 cm，胚芽鞘长度由3.45 cm降到2.34 cm。由此可见，较高浓度的盐胁迫会抑制小麦种子萌发和幼苗生长。

图柱上字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。图2和图3同。

2.1.2 盐浓度对苗期生理指标和生物量的影响

人工合成六倍体小麦的叶片可溶性糖和脯氨酸含量均随着盐浓度的升高而上升，而德抗961叶片的可溶性糖和脯氨酸含量分别呈先降后升和上升的趋势；所有材料的叶片丙二醛含量随着盐浓度的升高均呈现先升后降的趋势，均在100 mmol·L-1盐浓度下达到最大值；与德抗961相比，在相同盐浓度下，人工合成六倍体小麦的可溶性糖和脯氨酸含量均较低，而丙二醛含量均较高(图2)。这说明盐胁迫对人工合成六倍体小麦的渗透调节和膜脂过氧化均产生影响。

图2 盐浓度对小麦苗期生理指标的影响

由图3可知，人工合成六倍体小麦和德抗961的地上部鲜重和干重、根鲜重以及人工合成六倍体小麦的根干重均随着盐浓度的升高而降低，而德抗961的根干重随着盐浓度的升高呈先升后降趋势，且在100 mmol·L-1盐浓度下达到最大值。这进一步表明盐胁迫对小麦幼苗生长产生明显的抑制作用。

图3 盐浓度对小麦生长的影响

2.2 人工合成六倍体小麦耐盐相关性状的表型分析

与0 mmol·L-1处理相比，100 mmol·L-1盐胁迫条件下，幼苗的叶片可溶性糖含量和脯氨酸含量的平均值均较高，发芽率、苗高、最大根长、胚芽鞘长、根干重、根鲜重、地上干重、地上部鲜重、干重根冠比、鲜重根冠比、根含水量的平均值均较低(表1)。此外，当人工合成六倍体小麦受到盐胁迫时，各性状的变异程度都较明显，其中盐胁迫条件下根干重、根鲜重及干重根冠比的变异系数都较大，均超过80%，说明100 mmol·L-1盐胁迫处理已对小麦材料地上部和根系的生长 发育均产生不同程度的抑制，可以用于耐盐性 鉴定。

表1 人工合成六倍体小麦芽期和苗期形态和生理指标的表型分析

2.3 盐胁迫条件下各性状之间的相关性

经对性状耐盐系数之间的相关性分析(表2)，盐胁迫下发芽率与苗高、最大根长、胚芽鞘长呈极显著正相关，与鲜重根冠比呈极显著负相关；苗高与最大根长、胚芽鞘长、地上部干重呈极显著正相关，与鲜重根冠比呈极显著负相关，与可溶性糖含量、地上部鲜重呈显著正相关，与根含水量呈显著负相关；最大根长与胚芽鞘长、可溶性糖含量呈极显著正相关；胚芽鞘长与地上部干重呈显著正相关，与干重根冠比呈显著负相关，与鲜重根冠比呈极显著负相关；地上部干重与根干重、地上部鲜重、根鲜重呈极显著正相关，与苗含水量、干重根冠比呈极显著负相关；根干重与地上部鲜重、根鲜重、干重根冠比、鲜重根冠比呈极显著正相关，与根含水量呈极显著负相关；地上部鲜重与根鲜重、苗含水量和根含水量呈极显著和显著正相关；根鲜重与根含水量、干重根冠比、鲜重根冠比呈极显著正相关。由此可见，盐胁迫下小麦的不同指标之间存在密切联系，在反映耐盐性的信息方面存在不同程度的重叠，因此需要综合来评价。

表2 盐胁迫条件下所测耐盐系数之间的相关性

2.4 小麦耐盐性的综合评价

通过对各个指标的耐盐系数进行主成分分析，最后将15个指标划分成了5个综合性指标(A1、A2、A3、A4、A5)，这5个综合指标的特征值、贡献率和权重见表3。这5个综合性指标的贡献率分别为30.504%、24.946%、10.539%、 8.993%、7.16%，累积贡献率达到了82.142%，包含了绝大部分指标的主要信息。

表3 各综合指标特征值、贡献率及权重

分析得到了各因子的载荷系数(表4)，可知A1的特征值为2.941，在发芽率、苗高上有较大的载荷量，可归类为苗高主成分。A2的特征值为2.583，在根鲜重、干重根冠比、鲜重根冠比上有较高载荷量，可归为根冠比主成分。A3的特征值为2.252，在地上部干重和鲜重上有较大的载荷量，地上部干重的影响最大，可归为地上物质主成分。A4特征值为1.503，可溶性糖上有较大的载荷量，载荷系数为0.676，归为相容性物质主成分。A5的特征值为1.337，在丙二醛含量、根干重上有较大载荷量，根干重影响最大，可归为根物质主成分。

表4 前5个主成分对应的载荷系数

综上分析发现，这5个综合性指标与小麦耐盐性密切相关。其中发芽率、苗高、胚芽鞘长、根长、根鲜重、干重根冠比、鲜重根冠比、地上部干重、地上部鲜重、苗含水量、可溶性糖含量、根干重、丙二醛含量等在各自的综合性指标中比重都较大，因此，可以将其作为小麦生长早期耐盐性筛选的指标。

利用各指标耐盐系数值、主成分载荷和权重求出各个材料的综合评价值(D值)，并进行系统聚类分析(图4)。按照耐盐能力由强到弱将141份材料划分为了四类：第一类为高耐盐材料，共17份，主要包括Syn122、Syn124、Syn99、Syn35、Syn114、Syn127、Syn128、Syn131等，占供试材料的12.06%；第二类为耐盐材料，共61份，主要包括Syn23、Syn117、Syn61、Syn79、Syn109、Syn140、Syn74、Syn9、Syn103等，占供试材料的43.26%；第三类为中度耐盐材料，共48份，主要包括Syn7、Syn39、Syn96、Syn33、Syn95、Syn58、Syn91、Syn97、Syn8等，占供试材料的34.04%；第四类为盐敏感材料，共15份，主要包括Syn14、Syn22、Syn5、Syn20、Syn10、Syn92、Syn12、Syn68、Syn11等，占供试材料的10.64%。

图4 人工合成六倍体小麦D值系统聚类分析结果

3 讨 论

盐碱化土地造成的盐害是由过量盐分引起的，且通常是由高浓度的 Na+、Cl-造成的[21-22]，因而目前作物耐盐性鉴定大多采用NaCl溶液模拟盐胁迫[23-24]。作物生长起始阶段抗逆境胁迫能力差，对逆境胁迫反应敏感且易受害，最终的产量受影响较大。小麦芽期和苗期是小麦整个生育期中最易受到盐胁迫危害的时期，因此芽期和苗期是对小麦进行耐盐鉴定性的重要时期[25-27]。本研究分别对人工合成六倍体小麦材料的芽期和苗期进行不同浓度的盐胁迫，并对形态指标和生理指标进行测定分析及耐盐性综合评价，可以较为准确地比较不同材料之间耐盐性的差异。彭智等[28]对321份小麦材料进行芽期和苗期耐盐性鉴定，通过主成分分析把芽期和苗期的14个指标分别划分成了4类综合指标。李凤勤等[29]对205份小麦材料进行芽期耐盐性鉴定，通过主成分分析法将多个耐盐指标划分成了5类综合指标。本研究通过主成分分析也将人工合成六倍体小麦芽期和苗期多个形态和生理指标划分为5类综合性指标，其结果也与前人基本一致。利用综合评价值进一步进行聚类分析，将141份人工合成六倍体小麦材料的耐盐性划分成了4大类，分别为高耐型(12.06%)、耐盐型(43.26%)、中耐型 (34.04%)和敏感型 (10.64%)。因此将主成分分析与聚类分析结合，可有效对小麦材料进行耐盐性评价，而且直观可靠。但不同的研究对耐盐性的划分不一样。如吐尔汗等[30]通过该方法将76份新疆冬小麦品种划分成了5大类；张巧凤等[23]对24份小麦品种进行苗期耐盐性鉴定，通过该方法将24份小麦品种划分成了3大类；李凤勤[29]对205份小麦品种进行芽期耐盐性鉴定，通过该方法将205份小麦品种划分成了4大类。这可能与所有材料间耐盐性差异程度及聚类分析的具体分类距离有关。