不同品种荷花耐盐碱性评价及鉴定指标筛选

刘艺平，张一琪，苏少文，刘红利，贺 丹，孔德政，*

(1.河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450000； 2.河南省优质花卉蔬菜种苗工程研究中心，河南 郑州 450000)

土壤盐碱化是一个普遍存在的环境问题[1]，且面积正在进一步扩大[2]。我国总盐土面积约为3.6×107hm2，主要发生在滨海、干旱和半干旱地区[3]。盐碱胁迫主要包括由盐胁迫造成的渗透胁迫、离子毒害、氧化应激以及碱胁迫造成的高pH伤害[4]。其中，表观形态是反映植物受到盐碱胁迫大小的最直观表现，通常表现为植株生长速度缓慢、叶色变黄等[5-6]。为了适应盐碱胁迫，植物进化出了一系列措施来应对盐碱胁迫，包括离子的外排、增加抗氧化酶活性和合成渗透调节物质等[7-10]。

荷花(Nelumbonucifera)为莲科莲属的多年生水生植物，不仅具有极高的观赏价值和经济价值，还具有一定的耐盐性，在淡化盐水方面发挥着积极的作用[11-12]，可用于滨海盐碱水域生态系统的恢复与管理[13-14]。目前关于荷花耐盐碱方面的研究主要集中在单一的中性盐胁迫[15-17]。而自然状态下多为由中性盐和碱性盐造成的复合盐碱胁迫[18-19]，且不同品种荷花耐盐碱能力强弱不同[13，20]。因此，探究荷花在混合盐碱胁迫下的耐盐碱机制，筛选抗性荷花品种，对荷花发展及盐碱地资源利用具有重要的现实意义。

关于植物耐盐碱性强弱鉴定已有多种评价方法，李红宇等[21]以各单项指标耐盐碱系数作为评价水稻耐盐碱性依据，利用相关分析、主成分分析及聚类分析方法对水稻的耐盐碱性进行综合评价； 张新草等[22]利用多元统计方法对大豆发芽期耐盐碱性进行评价；贾旭梅等[23]通过测定不同浓度盐碱复合胁迫下的光合色素、光合参数、叶绿素荧光参数及渗透调节物质对垂丝海棠进行耐盐碱分析，并利用主成分分析筛选出耐盐碱性评价指标；而荷花在耐盐碱品种筛选方面却鲜有报道，且不同物种间对盐碱胁迫的耐受程度也不尽相同。本研究拟采用多元统计方法，对20份荷花品种进行混合盐碱胁迫处理，以荷花形态指标、生理指标的耐盐碱系数为依据计算耐盐碱性综合评价值，对不同荷花品种的耐盐碱性进行综合评价，建立荷花耐盐碱性数学评价模型，为荷花的抗性育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本实验于2020年8月在河南省荥阳市中禾荷花基地内进行，以20份不同荷花品种为试验材料(表1)。

表1 供试荷花品种

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理

试验采用盆栽法，单株定植，待长出3～5片叶片，选取生长状况基本相同且健壮的植株，对20份荷花材料进行100 mmol·L-1混合盐溶液进行浇灌处理(NaCl∶NaHCO3=2∶1)，每个品种荷花材料设置对照组CK和盐碱处理组T两个处理组，每个处理 3个生物学重复，处理7 d后进行采样及相关指标的测量，试验期间做好防雨措施并适时浇水以保持盐碱浓度稳定。

1.2.2 生长形态指标的测定

采用米尺测定荷花株高 (X1) ，用手持式激光叶面积仪测定叶面积 (X2) 。

1.2.3 生理指标的测定

叶绿素含量a(X3)、叶绿素含量b(X4)及总叶绿素含量(X5)及叶绿素a、b比值(X6)的测定参考波钦诺克[24]的方法并加以改进；采用李合生[25]硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量(X7)，磺基水杨酸法测定脯氨酸含量(X8)，氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶SOD活性(X9)，愈创木酚法测定抗氧化物酶POD活性 (X10)，蒽酮比色法测定可溶性糖含量 (X11)，考马斯亮蓝 G-250 法测定可溶性蛋白含量 (X12)；运用便携式荧光成像仪测定PSⅡ最大光化学效率 (X13)、PSⅡ潜在活性(X14)。

1.3 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 不同荷花品种各单项指标的耐盐碱系数和相关分析

对混合盐碱胁迫处理前后20个荷花品种的14个单项指标的耐盐碱系数进行测定(表2)，各指标在不同品种间存在较大差异，在整体水平上，各品种株高、叶面积、叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、PSⅡ最大光化学效率和PSⅡ潜在活性的相对值与对照相比有所下降(STC<1)；叶绿素a、b比值、丙二醛含量、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化氢酶活性、可溶性糖和可溶性蛋白含量同对照相比有所增加(STC>1)。不同品种各指标间的变异幅度也不同，其中，脯氨酸含量和可溶性糖含量变化幅度大，变异系数分别为54.91%和34.68%，其次为株高、叶面积、叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、叶绿素a、b比值、丙二醛含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量、PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ潜在活性，变化幅度为4.98%～25.08%，说明各单项指标的耐盐碱系数在不同品种间差异较大，不能采用单一指标的耐盐碱系数来衡量荷花品种的耐盐碱性。

表2 各单项指标耐盐碱系数差异

对14个单项指标进行相关性分析(表3)，除X9和X10外，其余各个单项指标耐盐碱系数间均存在着显著或极显著相关性，表明各个单项指标耐盐系数间存在一定的信息重叠，因此，单个指标无法准确地反映荷花的耐盐碱能力，需要对其进行综合性分析。

表3 各单项指标耐盐碱系数的相关性分析

2.2 主成分分析

剔除X9和X102个与其他指标间无显著相关性的指标后，以20个荷花品种的12个单项指标的耐盐碱系数为基础进行主成分分析(表4)，前5个综合指标的贡献率依次为36.175%、18.709%、13.470%、11.379%、6.610%，累计贡献率达到86.344%，可以代表原始指标表示的绝大部分信息，其余贡献率较小可忽略不计，因此，将原本相互独立的12个指标转变为5个相互独立的综合指标，分别用CI1、CI2、CI3、CI4、CI5来表示，用于下一步分析。

表4 各综合指标的系数及贡献率

2.3 耐盐碱性综合评价

2.3.1 隶属函数分析

按照上述隶属函数公式计算各综合指标的隶属函数值(表5)，对于同一综合指标，如CI1而言，在盐碱胁迫处理后，Ne15(金陵女神)的隶属函数值最大，为1.000，Ne20(台湾磨盘莲)的隶属函数值最小，为0，表明在该综合指标下，Ne15的耐盐碱能力最强，Ne20的耐盐碱能力最弱；在综合指标CI2下，隶属函数值最大值和最小值分别为1.000(Ne15)和0(Ne20)，表明在该综合指标下Ne15对盐碱胁迫的抗性最强，Ne20对盐碱胁迫的抗性最弱。

表5 各荷花品种耐盐碱性综合评价

2.3.2 权重分析

以5个综合指标的贡献率为依据，对其进行权重确定(表5)，5个综合指标的权重分别为0.418、0.217、0.156、0.132、0.077，表明了它们在综合评价中的重要性依次降低。

2.3.3 综合评价及分类

采用综合耐盐碱指标评价公式计算各品种荷花综合耐盐碱评价值D值，并根据D值大小对20个荷花品种耐盐碱能力的强弱进行排序和分类，其中Ne15的D值最大，表明其耐盐碱能力最强；Ne20的D值最小，表明其耐盐碱能力最弱。采用系统聚类法对20个荷花品种进行聚类分析(图1)。将20个荷花品种划分为4类：强耐盐碱品种、耐盐碱品种、不耐盐碱品种和敏感型品种。

图1 20个荷花品种聚类树状图

第Ⅰ类由Ne9(黄帅)、Ne13(瑰丽)、Ne15(金陵女神)和Ne17(统帅)4个品种组成的强耐盐碱类，占总材料数的20%；第Ⅱ类由Ne1(红牡丹)、Ne7(千瓣莲)、Ne11(牡丹莲)、Ne14(红思莲)和Ne16(友谊牡丹) 5个材料组成的中等耐盐碱类，占总材料数的25%；第Ⅲ类由Ne3(黄菊花)、Ne4(紫光阁)、Ne5(云雾仙子)、Ne6(鹤顶红)、Ne10(金秋)、Ne12(高风亮节)、Ne18(墨红一号)和Ne19(火炬)等8个材料组成的弱耐盐碱类，占总材料数的40%；第Ⅳ类由Ne2(披针红)、Ne8(心血)和Ne20(台湾磨盘莲)等3个材料组成的盐碱敏感类，占总材料数的15%。

2.3.4 回归模型建立及耐盐碱指标筛选

为了方便判定荷花的耐盐碱性，以20个品种荷花的耐盐碱性综合评价值(D)作为因变量，各单项指标的耐盐碱系数作为自变量进行逐步回归分析。建立最优回归方程：D=0.453+0.148X1+0.122X2-0.122X7-0.033X8+0.093X11+0.037X12，方程决定系数R2=0.992，对建立的回归方程的估计精度进行评价(表6)，各品种的估计精度均在95.45%以上，表明盐碱胁迫对荷花的6个指标(株高、叶面积、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量)有显著影响，可作为荷花耐盐碱能力评价指标，因此，相同的条件下，可测量上述6个指标的耐盐碱系数，计算综合耐盐碱评价值D值，来预测荷花的耐盐碱能力的大小。

表6 回归方程的估计精度分析

3 结论与讨论

我国盐碱地面积大，分布广，是一种可改造的重要土地后备资源[26]。在盐碱地域种植耐盐植物，尤其是多功能的耐盐植物，既可以获得良好的生态效益，实现盐碱地可持续发展，又可以获得一定的经济效益[27]。前期试验基础表明，100 mmol·L-1盐碱胁迫处理7 d可明显区分不同品种间的盐碱耐受能力强弱[15]，因此，本研究采用100 mmol·L-1的混合盐碱胁迫对20个荷花品种进行处理，通过测量14个单项指标的耐盐碱系数发现，同一指标在不同品种间、同一品种内不同指标间的变异系数均不相同，表明不同指标对盐碱胁迫的响应水平不同，且相关性分析表明，除了SOD和POD两个指标外，其他指标间均有一定程度的信息重叠，而植物对盐碱胁迫的抵御过程是一个复杂的生物学过程[7]，单一指标无法精准且全面地反映植物对盐碱胁迫的耐受能力[28-29]，应将上述各单项指标转换后进行综合分析。

科学有效的抗逆性鉴定方法和评价体系对植物的抗逆性鉴定至关重要。近年来，随着植物抗逆性研究的发展，利用主成分分析、隶属函数法及聚类分析等综合评价方法已成功应用于植物的抗旱性[30-31]、耐荫性[32]、耐盐碱性[21-22]等研究，可以克服单一指标及单一评价方法的片面性与局限性。本研究采用多元统计方法，通过主成分分析，将20个荷花品种的12个单项指标转换为5个相互独立的综合指标，5个综合指标的累计贡献率达到86.344%，可以代表12个单项指标的绝大部分信息。通过计算各综合指标的隶属函数值，运用耐盐碱综合评价公式求得荷花的耐盐碱综合评价D值，以D值为依据进行聚类分析，将20个荷花品种分为4类，其中强耐盐碱品种4个、耐盐碱品种5个、不耐盐碱品种8个、敏感型品种3个。并进一步利用逐步回归分析建立了荷花耐盐碱数学模型：D=0.453+0.148X1+0.122X2-0.122X7-0.033X8+0.093X11+0.037X12，各个荷花品种的估计精度均在95.45%以上，表明该方程可靠性高，筛选出对盐碱胁迫反应明显的6个指标(株高、叶面积、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量)可作为鉴定荷花耐盐碱性的指标。但是由于植物在不同时期对盐碱胁迫的耐受程度不同[33-35]，后续将对筛选出的抗性品种进行长期盐碱胁迫处理，以期为荷花抗性育种和盐碱地开发利用提供种质资源。

综上所述，本试验以20个荷花品种为试验材料进行混合盐碱胁迫处理，通过测量14个单项指标的耐盐碱系数，并对其进行综合分析后，将20个荷花品种划分为强耐盐碱品种4个、耐盐碱品种5个、不耐盐碱品种8个、敏感型品种3个。株高、叶面积、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量可作为鉴定荷花耐盐碱性的指标。