不同马铃薯品种(品系)耐盐性鉴定与综合评价

2022-10-17于国红刘朋程李明哲郝洪波崔海英郭安强

江苏农业科学 2022年18期

于国红，刘朋程，李明哲，郝洪波，崔海英，郭安强

(河北省农林科学院旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究重点实验室，河北衡水 053000)

马铃薯(L.)具有产量高、营养价值大的特性，是世界上第四大农作物，被我国列为主粮。我国马铃薯种植面积达500多万hm，马铃薯生产在我国农业生产和经济发展中占重要地位。马铃薯属于盐敏感型作物，也是我国干旱/半干旱地区重要的经济作物。近年来，随着干旱/半干旱地区长期盐分积累和农事操作不当，导致土壤盐渍化逐渐加重，严重制约了马铃薯产业的发展。开展马铃薯耐盐性生理应答机制研究，一方面有利于筛选到抗盐性好的马铃薯品种，另一方面有利于深入挖掘马铃薯的抗盐生理机制。

马铃薯耐盐性评价常用的试验方法包括大田鉴定法、盆栽法及组织培养法。其中组织培养法的优点是组培苗对盐更敏感，环境更易控制。前人利用组织培养法对马铃薯耐盐性生理应答机制进行了相关研究，主要集中在2个方面。一方面是通过渗透调节途径，主要研究丙二醛、可溶性糖等物质在盐胁迫下的变化。丙二醛(MDA)是膜脂过氧化产物，能够间接反映细胞膜受损程度，盐胁迫导致马铃薯 MDA 含量增加。可溶性糖是参与逆境渗透调节的另一重要物质，盐胁迫会使可溶性糖快速作出响应，导致可溶性糖含量增加。另一方面是氧化胁迫途径。张景云等研究发现，在一定浓度盐胁迫下马铃薯的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性均显著升高，且耐盐品种相对值显著高于感盐品种。陈彦云等研究表明，在能耐受盐胁迫的条件下，马铃薯的POD、过氧化氢酶(CAT)活性迅速提高，以清除植物体内大量的自由氧基，维持细胞膜的稳定性。

前人对马铃薯抗盐性的研究主要集中在单个生理指标的变化，而结合多个指标评价马铃薯抗盐性的研究较少。评价作物的抗盐性不仅需要合适的生理指标，而且要适宜的评价方法。将隶属函数分析、聚类分析等方法和多种指标相结合，对作物抗盐性进行综合评价是目前研究的热点。本研究利用组织培养法对不同马铃薯品种(系)展开耐盐性鉴定试验，对处于正常和盐胁迫条件下的10个品种(系)组培苗生理指标进行测定分析，结合隶属函数分析、聚类分析及灰色关联度分析对马铃薯耐盐性进行综合评价，以期筛选出抗盐性强的马铃薯品种，为马铃薯耐盐品种选育提供种质资源，为马铃薯抗盐机理研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

本试验于2019—2020年在河北省农林科学院旱作农业研究所马铃薯组培室进行。试验材料包括由笔者所在课题组引进并保存的费乌瑞它(对照)、北方009、135、TACNA、SOSNA、F8、冀张薯5号、冀张14号、冀张3号、克新23号，共10个品种(系)。采用双因素随机区组设计，因素一为品种(系)；因素二为处理方式，以正常生长为对照，以250 mmol/L盐胁迫为处理。取4周左右苗龄的试管苗进行试验，正常生长条件是在含有50 mL MS固体培养基的组培瓶中生长，盐胁迫条件是在含有250 mmol/L NaCl的50 mL MS 培养基的组培瓶中生长。盐处理条件设置为 50、150、250 mmol/L NaCl 3个梯度。因只有到250 mmol/L NaCl 时不同品种(系)马铃薯才出现不同的表型差异，因此后期只测定了正常生长和250 mmol/L NaCl 2种生长条件下样品的生理指标。生长环境为温度(25±2) ℃的组培室，在16 h光照/8 h 黑暗的条件下培养。每瓶设5株马铃薯组培苗作为1个重复，每个处理6个重复。处理马铃薯组培苗出现表型时进行取样，并测定生理指标。

1.2 指标测定方法

叶绿素含量采用95%乙醇提取法测定；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定；可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法测定；SOD活性采用氮蓝四唑法测定；POD活性采用愈创木酚法测定；CAT活性采用紫外吸收法测定。生理指标具体检测方法参见文献[13]。然后按照以下公式，计算抗盐系数、综合抗盐系数、抗盐指数、隶属函数值，对隶属函数值进行聚类分析，划分抗盐级别：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2013进行数据处理和作图，利用DPS统计软件进行方差分析(最小极差法进行多重比较)、关联度分析及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫下马铃薯叶绿素含量变化

叶绿素是作物进行光合作用所必需的光合色素，作物体内叶绿素含量的高低可以判定其光合作用的强弱。如图1所示，与正常处理相比，10个马铃薯品种(系)在盐胁迫下叶绿素含量均显著降低，但下降幅度有所差异。135、冀张薯5号、费乌瑞它、TACNA、克新23号、SOSNA、冀张14号、冀张3号、F8、北方009叶绿素含量在盐胁迫下分别显著降低48.79%、6.59%、29.57%、40.28%、29.99%、47.09%、52.13%、16.89%、8.17%、30.59%，降低幅度大小顺序为冀张14号>135>SOSNA>TACNA>北方009>克新23号>费乌瑞它>冀张3号>F8>冀张薯5号。叶绿素含量降低幅度越大的品种(系)说明其对盐胁迫越敏感，光合作用受到的影响越大。

2.2 盐胁迫对马铃薯渗透调节物质的影响

植物在遭受一定逆境胁迫时，体内丙二醛、可溶性糖含量均会有所增加。丙二醛是膜脂过氧化的主要产物，其值大小可代表植物在逆境胁迫下受到的氧化伤害；可溶性糖可通过调节植物细胞内外渗透压，减轻逆境胁迫的伤害。如图2-A所示，与正常处理相比，10个马铃薯品种(系)受到盐胁迫后其丙二醛含量均有不同程度的升高，但仅费乌瑞它、克新23号、冀张14号、F8、北方009达到显著水平，这5个品系较正常处理分别提高26.79%、83.53%、63.10%、106.54%、17.00%。丙二醛含量增加幅度越高的品种(系)受到的氧化胁迫也相对越大。如图2-B所示，盐胁迫下马铃薯可溶性糖含量较正常处理均有不同程度升高，冀张薯5号、冀张14号升高不显著，其他品种(系)均显著升高。135、费乌瑞它、 TACNA、克新23号、 SOSNA、冀张3号、F8、北方009分别升高45.35%、45.42%、37.49%、162.35%、54.36%、30.93%、247.50%、54.88%，升高幅度大小顺序依次为F8>克新23号>北方009>SOSNA>费乌瑞它>135>TACNA>冀张3号。可溶性糖含量升高的品种(系)细胞内外渗透压发生了明显变化，可溶性糖含量升高幅度越大的品种(系)，其抗盐性越好。

2.3 盐胁迫下马铃薯抗氧化酶活性的影响

植物在逆境胁迫下会产生活性氧，活性氧会损害细胞膜的结构和功能，而SOD、POD、CAT为清除活性氧的关键酶。与正常处理相比，盐胁迫条件下，冀张薯5号、费乌瑞它、TACNA、克新23号、SOSNA、冀张14号、冀张3号、F8、北方009中SOD酶活性分别显著提高14.32%、30.44%、46.10%、21.90%、14.97%、89.79%、8.37%、43.68%、9.19%(图3-A)。与正常处理相比，在盐胁迫下，除北方009外，其他马铃薯品种(系)中POD活性均显著提高(图3-B)，提高幅度大小顺序依次为冀张3号>135>冀张14号>F8>费乌瑞它>克新23号>冀张薯5号>SOSNA>TACNA。与正常处理相比，盐胁迫下马铃薯CAT活性均显著升高，升高幅度大小顺序依次为F8>135>北方009>冀张薯5号>SOSNA>TACNA>克新23号>费乌瑞它>冀张14号>冀张3号(图3-C)。同一品种(系)在盐胁迫下的3种抗氧化酶活性变化幅度有所差异，说明不同品种(系)在盐胁迫下所依赖的清除活性氧的酶有所差异。

2.4 单项指标的抗盐性评价

根据公式(1)(2)计算出各个材料各个指标的单项抗盐系数和综合抗盐系数(表1)。综合抗盐系数结果显示，马铃薯抗盐性由强到弱的顺序依次为F8>冀张3号>135>克新23号>费乌瑞它>SOSNA>北方009>冀张薯5号>冀张14号>TACNA。参照连续变数的数次分布统计方法，将各性状的抗盐系数以组距为0.5分成9个组区间，制成次数分布表(表2)。结果显示，同一组间各性状的抗盐系数分布有较大差距，同一种质不同指标抗盐系数并不完全一致。因此，利用单一生理指标的抗盐系数来评价马铃薯抗盐性并不准确。

表1 各个材料的抗盐系数

表2 供试材料各个性状指标的抗盐系数在不同区间的分布

2.5 综合抗盐评价

利用相关分析计算各个性状与综合抗盐指数的相关系数，首先利用公式(4)计算出各品种(系)的隶属函数值，然后根据综合隶属函数值的大小对供试材料进行抗盐性排序(表3)，最后利用最长距离法对综合隶属函数进行聚类分析，划分抗盐级别。如图4所示，当欧氏距离为0.1528时，可将马铃薯品种(系)抗盐性分为4类：第1类为耐盐品系F8；第2类为中等耐盐品种(系)，包括135、冀张薯5号、克新23号、冀张3号；第3类为中等感盐品种(系)，包括费乌瑞它、SOSNA、北方009；第4类感盐品种(系)，包括TACNA、冀张14号。

表3 各个材料的抗盐性排序

2.6 灰色关联度分析

按灰色系统理论要求，将10个不同马铃薯品种(系)的综合抗盐系数和盐胁迫下的 6个指标视为一个整体，即灰色系统。将综合抗盐指数作为参考数列(母序列)，各个指标原始数据标准化处理后的值作为比较数列(子序列)，建立灰色系统，计算各个指标与其综合抗盐指数的关联度(表4)。在盐胁迫条件下，6个指标与综合抗盐系数的密切程度(关联序)为POD 活性>丙二醛含量>SOD 活性>可溶性糖含量>CAT活性>叶绿素含量。

表4 马铃薯中各指标与综合抗盐系数关联度及关联序

3 讨论

盐胁迫条件下，马铃薯通过改变体内生理生化过程来响应逆境环境。本研究通过对不同处理条件下不同马铃薯品系中叶绿素含量、可溶性糖含量、丙二醛含量、SOD活性、POD活性、CAT活性6个生理指标进行测定与综合分析，筛选马铃薯耐盐性强的品种(系)，解析马铃薯耐盐生理应答机制。

叶绿素主要与植物的光合作用有关，其含量的高低决定了植物对不同光的吸收和利用效率，是研究植物生理的重要指标之一。一定浓度的盐胁迫可促使植物体内叶绿素含量增加，过高浓度盐胁迫会使叶绿素含量呈下降趋势。本研究发现，盐胁迫条件下，10个马铃薯品种(系)中叶绿素含量均呈下降趋势，说明盐胁迫会导致马铃薯叶绿素分解，这与赵曼利等的研究结果一致。在逆境条件下，丙二醛是植物细胞膜发生膜脂过氧化的产物，其大量累积可造成细胞调节功能紊乱，损伤生物膜，而细胞膜脂过氧化程度与植物对逆境条件反应的强弱成负相关。可溶性糖是植物重要的渗透调节物质和营养物质，它们的积累能提高细胞的保水能力，减轻活性氧对膜脂和蛋白质的过氧化作用，从而对生物膜起到保护作用。本研究结果表明，盐胁迫条件下，不同马铃薯品种(系)中丙二醛和可溶性糖含量均呈上升趋势，表明马铃薯细胞膜受到损害，而马铃薯通过释放可溶性糖来减少损伤。植物在受到盐胁迫时会产生各种活性氧及其化合物，它们会对机体的正常生理活动产生危害，SOD、POD、CAT可以在细胞中通过不同途径协同作用降低这种危害。本研究结果表明，盐胁迫促使了不同马铃薯品种(系)酶活性增加，这与顾恒等的研究结果一致。

近年来，土壤盐渍化给农业生产带来严峻挑战，为了筛选抗盐性种质资源、探究作物抗旱生理应答机制，一些学者采用相关分析、隶属函数分析、聚类分析、灰色关联度分析等方法相结合对作物的抗盐性进行综合评价。本研究结果显示，利用单一生理指标计算得到的抗盐系数有所差异，说明采用单一生理指标的抗盐系数不能准确评价马铃薯的抗盐性，这与王苗苗等的研究结果一致。通过进一步结合单项指标抗盐系数、隶属函数分析、聚类分析以及灰色关联度分析对马铃薯种质资源的抗盐性进行综合分析，可将10个不同马铃薯品种(系)抗盐性分为4类：第1类为耐盐品系F8；第2类为中等耐盐品种(系)，包括135、冀张薯5号、克新23号、冀张3号；第3类为中等感盐品种(系)，包括费乌瑞它、SOSNA、北方009；第4类为感盐品种(系)，包括TACNA、冀张14号。在盐胁迫条件下，6个指标与综合抗盐系数的密切程度(关联序)为POD 活性>丙二醛含量>SOD 活性>可溶性糖含量>CAT活性>叶绿素含量。