玉米苗期耐盐性鉴定评价方法研究

李俊萍，王秀萍，刘素娟，鲁雪林，吴 哲

（1河北省容城县农业农村局，河北保定 071700；2河北省盐碱地绿化技术创新中心，河北唐山 0632993；3河北省农林科学院滨海农业研究所，河北唐山 063299；4河北省种子管理总站，石家庄 050051）

0 引言

玉米是中国重要的粮饲兼用作物，常年播种面积2500万hm2左右，约占世界总面积的17.2%[1]。玉米对盐分中度敏感，盐胁迫下玉米的生长发育受到明显的抑制，是对盐分中等敏感的禾本科作物[2-3]。土壤盐渍化是影响作物生产的重要非生物胁迫因素，在实践生产上制约着农业的发展。而玉米作为一种易种植，好管理，适应性强的粮饲兼用作物，如果能被合理种植于盐渍化土地，并产生经济效益，对促进盐碱地农业产业发展具有重要意义[3]。

发展盐碱地玉米产业的有效的方法是选择具有耐盐性好的玉米品种资源，而通过耐盐鉴定手段评估玉米耐盐性，对盐碱地玉米增产及耐盐育种至关重要[4-6]。苗期和芽期是玉米盐胁迫的关键期，研究表明，生长初期耐盐性强的品种在生长后期也会表现出一定的耐盐性[7]。杨书华等[8]比较了14个吉林省种植面较广的玉米杂交种的盐碱耐性，发现大田鉴定结果与苗期耐盐碱能力综合评价分级基本吻合。玉米生长初期鉴定耐盐性具有快速、稳定、能代表后期的生长发育等优点，因此目前研究玉米的耐盐性多选择在萌发期或苗期采用NaCl水培法或沙土盆栽盐水过饱和灌溉法[7]。然而这些方法未考虑到土壤质地、通透性或盐分积累等因素对玉米的影响[9-10]。

由于不同玉米品种对盐胁迫反应不同，采用不同的方法和不同评价指标所得的结果不同，因此玉米耐盐鉴定指标筛选及评价标准很难统一[6]。现有研究已经表明一定程度的盐胁迫对玉米的形态学指标、光合系统、酶系统及渗透调节等相关的理化指标有显著影响。因此多指标综合评判玉米耐盐性已经成为共识[1]。然而在指标选择及评价标准上依然没有统一的行业鉴定标准。因此本研究旨在从滨海地区盐碱地土壤实际状况出发，研究不同玉米品种的苗期耐盐性，为制定农业行业的玉米耐盐碱鉴定评价技术规程提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2020年7月在河北省农林科学院滨海农业研究所试验基地防雨棚中进行。试验材料共10份，为华北地区推广的玉米品种，分别为‘浚单20’、‘农华101’、‘农大108’、‘京单38’、‘先玉335’、‘郑单958’、‘京科665’、‘京科968’、‘NK815’、‘京农科728’，品种来源为丰南种业科技有限公司。共设6个盐处理浓度(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.8%、1.0%)和一个正常生长环境对照（淡水处理），每个处理10次重复。

1.2 试验管理及调查

试验采用研发的自吸水耐盐鉴定处理方法[11]，由花盆和盐池构成，其中盐碱池长3 m，宽2 m，填充淡水，水面距离盆底2 cm，上下由直径5 mm棉绳连接，参见示意图（图1）。花盆内填装盐渍土，其中50%为人工基质（草炭：蛭石：珍珠岩=2:1:1），其余50%为盐渍土。利用滨海地区盐碱原土（盐度＞1.2%）与非盐碱土（盐度＜0.1%）调配成设定的盐处理浓度。花盆添加调配好的盐渍土后置于盐池架子上，每个盐处理包含10个花盆作为10次重复，于7月12日播种，每个花盆播种10粒，第4天和第7天调查出苗率，以平均值作为最终的出苗率，随后每个花盆间苗保留3棵长势一致的苗，第16天调查花盆里每株玉米苗的叶片数、叶长、叶宽、株高、直径等形态指标，由于玉米苗茎秆呈扁圆形，因此短边直径记为“短径”，长边直径记为“长径”。试验期间每3天采用淋喷方式保持土壤表面湿润，防止表层蒸发出现积盐现象。

图1 自吸水耐盐鉴定装置

1.3 统计分析

首先将各盐处理下的调查指标原始数据转换为耐盐系数，并基于耐盐系数进一步评价各性状对盐胁迫的响应。本研究中的耐盐系数定义为实际测定值与对照测定值的比值。利用中位数评估各处理数据的总体情况，结合四分位差评估数据的分布情况和确定合理的盐胁迫浓度。最后利用SPSS 16.0软件进行主成分分析、隶属函数分析、聚类分析及逐步回归等多元统计分析[1,12]。

在进行主成分分析时，采用最大方差法，结合累积贡献率及碎石图等分析，以特征值大于0.9和累计贡献率大于80%标准提取主成分，将各主成分与调查性状耐盐系数建立回归方程，评估各玉米品种的主成分得分。随后结合隶属函数公式，将主成分值转化为隶属函数耐盐性综合评价值（D值）。耐盐性综合评价值(Di)、隶属函数值(U(Xji))和权重系数(Wj)的计算分别见公式(1)(2)和(3)。

式中Di表示第i个玉米品种在盐胁迫条件下由主成分-隶属函数值确定的耐盐性综合评价值；U(Xji)为将所有参试玉米品种主成分值转换的隶属函数值；Wj表示第j个主成分在所有主成分中的主要程度，即权重系数；Xji为第i个玉米品种的第j个主成分值；Xjmin和Xjmax为所有参试材料中第j个主成分的最小值和最大值；Pj为各品种第j个主成分的贡献率。

最后根据D值，采用欧式距离，组间平均连接法对10份玉米品种耐盐性进行分类。逐步回归模型的构建过程中，把耐盐性综合评价值D值作因变量，把各单项指标的耐盐系数作自变量进行逐步回归分析，以显著性水平0.05作为各性状耐盐系数移入标准。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

玉米苗期田间农艺性状的耐盐系数描述性统计分析和变化趋势见图2和表2。根据偏度和峰度判断数据分布的正态性，结果表明随着盐处理浓度的提高，各性状的耐盐系数多数呈现偏态分布，因此本研究中利用中位数描述数据的平均表现。随着盐处理浓度的增加，除了直径的耐盐系数的中位数呈现先升后降趋势外，其余性状均表现均逐渐降低，表明高盐胁迫不利于玉米生长。四分位差可描述数据的离散程度，结果发现四分位差总体上随浓度增加呈现先升高后降低的趋势。在0.5%盐处理浓度下，除了叶宽和长径外，其余所有指标品种间耐盐系数的四分位差达到最大，因此该浓度可初步确定为评价玉米苗期耐盐鉴定的适宜盐胁迫浓度。

图2 不同盐浓度下7个农艺性状耐盐系数

表1 不同盐浓度下7个农艺性状耐盐系数描述性统计

续表1

2.2 最适盐胁迫浓度的确定

为了进一步确定评价玉米苗期耐盐性的最佳盐胁迫浓度，以‘农大108’为参考品种，以上述7个指标的原始数据分别与梯度盐处理浓度建立二次方回归模型并计算耐盐阈值，耐盐阈值能够反映出植物一定程度的抗逆性[13]，结果见表2。根据方程决定系数R2，排除决定系数较小的叶宽外，‘农大108’耐盐阈值范围0.517%～0.886%，该结果与之前四分位差分析结果较为一致，表明了由四分位差确定评价玉米苗期耐盐胁迫最佳浓度具有一定的合理性。因此综合考虑玉米生长及最终产量等实际因素，可按盐度0.5%水平考察不同玉米品种的耐盐性。

表2 回归方程及耐盐阈值

2.3 主成分分析

主成分分析能以较少的主因子替代原始指标。对0.5%盐处理浓度下7个农艺性状的耐盐系数进行主成分分析。根据特征值大于0.9和累计贡献率大于80%标准，共提取到3个主成分(F1-F3)，F1代表直径、株高、叶宽，主成分贡献率为45.22%；F2代表叶片数和叶长，主成分贡献率为22.57%；F3代表出苗率，主成分贡献率为13.97%，3个主成分代表了81.75%的表型变异。比较各性状的权重系数，可知长径、叶长及出苗率为影响主成分的重要参数。各主成分特征值、对原始性状载荷及对表型的贡献率如表3所示。

表3 主成分特征向量及贡献率

2.4 玉米苗期耐盐综合评价

对参试的10份玉米品种各指标对应的主成分权重，利用隶属函数进行归一化处理，分别得到主成分值和各主成分的隶属函数值，如表4所示。根据主成分的方差贡献率可计算出3个主成分的权重，分别为42.28%、36.14%、21.57%（表2）。再根据权重可计算出主成分得分和隶属函数值，结果见表3。主成分得分（F值）和耐盐性综合评价值（D值）排序结果一致，但由于主成分值出现负数，故按隶属函数值大小对其耐盐能力进行强弱排序。

表4 各品种苗期耐盐鉴定的主成分-隶属函数分析结果

为了更好的对这10份品种耐盐性分类，利用耐盐性综合评价值（D值）进行聚类分析，在欧式距离3.0处可将10份品种划分为6个类群，在欧式距离4.0处可划分为4个类群（图3），可对应玉米耐盐性划分的高耐、耐、中等、敏感、高敏5个等级。其中第I类群包括‘NK815’、‘京科665’、‘农华101’和‘先玉335’等4个品种，结合D值综合评判为中等；第Ⅱ类群包括‘京单38’、‘郑单958’和‘浚单20’等3个品种，结合D值综合评判为敏感；第Ⅲ类群包括‘京科968’、‘农大108’等2个品种，结合D值综合评判分别为高耐和耐；第Ⅳ类群包括‘京农科728’1个品种，结合D值综合评判为高敏。

图3 基于隶属函数值聚类分析结果

2.5 基于隶属函数值的回归分析

为了在实际中进一步简化玉米资源苗期耐盐性评价工作，基于本研究中的各指标耐盐系数和隶属函数值确定的综合评价值（D值），可利用回归方法建立玉米苗期耐盐性评价的数学模型。将D值作为因变量、0.5%盐浓度下7个农艺性状的耐盐系数作为自变量进行逐步回归分析，结果表明玉米苗的长径和株高的耐盐系数对玉米苗期综合耐盐性的影响显著（表5），据此建立了最优回归方程：D=-1.147+0.823*长径+0.713*株高，方程决定系数R2=0.857，F=14.9，P=0.003。该回归模型可用于评估玉米苗期耐盐性，即在相同条件下测定其他品种的上述2个指标并求得耐盐系数，进而利用该方程预测其他品种的耐盐性，可简化耐盐评价工作。

表5 各指标耐盐系数之间单尾显著性分析

3 结论

本研究通过模拟盐碱地实际情况鉴定了10份玉米品种的耐盐性并总结了一套评价玉米苗期耐盐鉴定的方法。通过四分位差和玉米耐盐阈值分析确定了盐胁迫处理的最佳浓度为0.5%，进而通过主成分分析、隶属函数法以及聚类分析等多元统计分析，对玉米苗期耐盐性提出5个等级划分：高耐、耐、中等、敏感、高敏。本研究为了进一步简化实际耐盐鉴定的工作量，尝试利用逐步回归方法对隶属函数值和玉米形态指标的耐盐系数建立了简易评价玉米苗期耐盐性的模型，实践中可通过简易测定玉米资源的长茎和株高两个参数即可判断该资源的耐盐性。尽管本研究对象数量较少，致使研究结果具有一定的局限性，但研究的思路和方法对今后玉米苗期耐盐鉴定具有重要的参考价值，后续可通过增加研究对象的数量而完善研究结果。

4 讨论

不同的耐盐鉴定处理方法影响鉴定结果。汤华等通过室内沙培盐实验设置多个NaCl浓度梯度比较不同的玉米自交系形态及理化参数对盐胁迫的变化情况，指出玉米耐盐鉴定的NaCl浓度低于10 mmol/L时各性状差异不显著，出苗率与盐浓度相关性不显著，不适合作为耐盐性筛选的指标[14]；王明泉等[15]通过220 mmol/L的NaCl处理，比较了形态学指标差异并鉴定了玉米苗期的耐盐性。上述研究均采用定量NaCl水溶液过饱和灌溉处理方法，然而这与盐碱地玉米受到盐胁迫的实际情况不符。本研究采用自吸水耐盐鉴定系统，能最大化模拟盐碱地实际情况，鉴定结果也更符合实际生产情况，同时也能保证基质内水盐均匀分布，且避免了水培法出现的通气性差、出苗率差等问题[11]。目前已经利用该系统鉴定了蒲公英[13,16]、黄蜀葵[17]、菊花[18]和碱蓬[19]等多种植物的耐盐性。

适宜的盐胁迫浓度也是耐盐鉴定处理的关键因素。玉米耐盐性是由多基因控制的复杂性状，要使种质的耐盐性差异充分表现，应选择适中的能够兼顾多种基因型表达需要的盐胁迫浓度[3,20]。杨书华等[8]发现在25 mmol/L的Na2CO3和100 mmol/L的NaCl混合溶液下，种子发芽率、相对电导率、SOD活性、MDA、Pro含量与对照组差异达极显著水平。罗敏等[20]研究发现在NaCl浓度为0.8%时，玉米苗情、株高、干重的变化率差异达到显著水平。刘春荣等[1]采用盐碱池盐土鉴定方法鉴定了不同玉米品种的耐盐性，发现0.5%盐度下不同玉米品种的形态学指标差异显著。上述研究均在一定的盐胁迫浓度下比较了玉米性状差异，没有系统阐述适宜盐胁迫浓度的筛选。本研究则通过正态分布、四分位差、中位数等对大量数据进行描述统计分析，结合对照品种的耐盐阈值分析，综合确定玉米苗期耐盐鉴定最佳盐胁迫浓度为0.5%，较常规鉴定处理更具科学性。

本研究采用目前普遍认可的多指标评价方法[1,12,15]，将各指标原始数据转化为相对值（耐盐系数），然后通过主成分分析，确定了影响主成分-隶属函数值的关键指标，结合隶属函数值（D值）的聚类分析将玉米苗期耐盐等级划分为高耐、耐、中等、敏感、高敏等5个等级。为了进一步简化实践中大规模耐盐鉴定，本研究尝试采用逐步回归方法，建立了最优线性回归方程：D=-1.147+0.823*长径+0.713*株高，这样就可以通过简单测定2项指标的耐盐系数推算隶属函数值进而判断玉米苗期的耐盐性。虽然能排除一些性状优良的资源，但对大批量种质资源快速筛选仍然具有重要价值。最后，本研究总体上选用的玉米品种以及检测的指标数量较少，结果可能无法全面反映出玉米苗期的耐盐性，然而本研究旨在研究一种合理的玉米苗期耐盐性鉴定和评价方法，而目前国内还未有相关的玉米耐盐鉴定标准，本研究的方法及结果对玉米种质耐盐性评价及制定相关的玉米耐盐鉴定评价技术规程具有重要参考价值。