水稻重组自交系群体芽期和苗期耐盐性鉴定与评价

张燕红,侯天钰,巴音花,赵彩月,吕玉平,布哈丽且木·阿不力孜,赵志强,李 冬,杜孝敬,袁 杰,王奉斌

(1.新疆农业科学院核技术生物技术研究所/干旱荒漠区作物抗逆遗传改良与种质创新国家重点实验室(筹)/新疆农作物生物技术重点实验室,乌鲁木齐 830091;2.新疆农业科学院粮食作物研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091)

0 前 言

【研究意义】水稻(OryzasativaL.)为中度盐敏感作物[1],是世界上主要的粮食作物之一[2]。中国盐碱地总面积约有9.913×107hm2,其中新疆盐渍化土壤总面积约2.18×107hm2,占可利用土地面积的22.01%[3]。以耐盐性较强的优良品种作为盐碱地稻作生产的直接种植材料,或以此为亲本进行耐盐碱品种改良,是提高盐碱地利用率的有效手段[4]。筛选耐盐性优良水稻种质资源,对鉴定现有品种中耐盐碱性较强的优良品种有重要意义。【前人研究进展】目前在水稻发芽期和苗期耐盐性鉴定方面已开展了相关研究[5-7]。WANG 等[8]在对1个水稻重组自交系群体的芽期耐盐性评价中发现,水稻种子萌发初期(0～5 d)可能对盐胁迫更加敏感。CHEN等[9]研究发现,盐胁迫会明显降低水稻种子的发芽率,使芽长和根长与空白对照相比显著缩短。夏秀忠等[10]评价了419份广西水稻地方品种核心种质苗期耐盐性,发现大部分种质资源表现为盐敏感,筛选到12份耐盐种质资源。田蕾等[11]以125 mmol/L NaCl 溶液对64份粳稻资源进行盐胁迫处理,并调查其发芽势、发芽率、芽长、根长和盐害率等,结果表明,水稻芽期对盐胁迫较为敏感,并将这些种质划分成盐敏感型、弱耐盐和耐盐类群等4个类群。水稻的耐盐性可能会因品种与盐浓度不同其耐盐性存在差异,幼苗期对盐胁迫较为敏感[12]。【本研究切入点】水稻苗期的耐盐性在一定程度上能够代表整个植株的耐盐性等级[13],能否有效利用和发挥水稻自身的耐盐潜力是关键,需筛选更多的优良的耐盐种质资源。【拟解决的关键问题】以219份水稻重组自交系材料为研究对象,芽期和苗期分别以1.2% NaCl和0.7% NaCl进行处理,测定种子萌发期和幼苗生长期的相关形态指标,综合评价水稻萌发期及幼苗期耐盐性,为水稻耐盐育种提供优异资源和理论支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

219份重组自交系群体材料由新疆农业科学院核生所水稻实验室提供。药品有蒸馏水、NaCl和 Yoshida营养液。耗材为直径9 cm的培养皿、滤纸和96孔PCR板。

1.2 方 法

1.2.1 芽期盐胁迫处理

每份材料选取籽粒饱满、大小一致的种子50粒,用75%的酒精消毒15 min后用无菌水冲洗3遍,放置于垫有滤纸的培养皿中。设置对照组(蒸馏水)和盐胁迫组(NaCl溶液)两个处理,每处理3个重复。处理组加入15 mL的1.2%氯化钠(NaCl)溶液[14]盖好培养皿盖,放置于30℃恒温箱内进行发芽培养,每天观察种子的发芽情况,保持溶液和盐浓度不变。第3 d和第7 d分别统计参试材料的发芽势与发芽率。筛选出极强和极弱材料在处理10 d后,每个处理随机调查10株,并测量芽长、根长、根数。

1.2.2 苗期盐胁迫处理

每份材料选取籽粒饱满的种子100粒,放置于垫有滤纸的培养皿中,加入20 mL蒸馏水,盖好培养皿盖,放置于30℃恒温箱催芽2 d。选取发芽一致的芽种转入底部带孔的96孔PCR板中,每份材料选64株种植在4个不同PCR板中,每板种植6个材料。每个处理组用1/2 倍Yoshida营养液培养2周;第3周开始用1倍Yoshida 营养液培养至3叶1心期。设2个处理分别为对照组与处理组,各设3个重复,处理组用0.7% NaCl进行胁迫处理[15]。培养7 d后,更换处理组和对照组营养液为正常营养液。复水第7 d,每个处理调查长势一致的10株,统计盐害等级、株高、存活株数。

1.2.3 耐盐碱性评价指标

1.2.3.1 芽期耐盐性评价指标

相对芽长、相对根长、相对发芽势、相对发芽率、相对盐害率、发芽指数和活力指数作为发芽期耐盐性的评价指标。

发芽势(%)=(发芽粒数/供试总粒数)×100%;

相对发芽势(%)=(处理发芽势/对照组的发芽势)×100%;

发芽率(%)=(发芽粒数/供试总粒数)×100%;

相对发芽率(%)=(处理发芽率/对照组的发芽率)×100%;

相对芽长(%)=(NaCl处理种子芽长/对照种子芽长)×100%;

相对根长(%)=(NaCl处理种子根长/对照种子根长)×100;

发芽势相对盐害率(%)=(对照发芽势-处理发芽势)/ 对照发芽势×100;

发芽率相对盐害率(%)=(对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率×100;

发芽指数GI=∑(Gt/Dt).(Gt指第t天种子发芽数,Dt指相应发芽天数)[16,17];

活力指数VI=GI×S.(S指种苗生长量,为胁迫10 d的根长)[18]。

式中,处理发芽率为1.2% NaCl 盐水处理的待鉴定材料种子发芽率,对照发芽率:为对照蒸馏水处理的待鉴定材料种子发芽率。

以1.2% NaCl单盐处理的种子发芽率为标准分1～9级评价[19]。表1

表1 水稻发芽期耐盐性评价标准

1.2.3.2 苗期耐盐性评价指标

存活率=存活株数/总株数×100%。

式中,存活株数(有1片绿叶成活计为存活单株)计算成活率,株高是指茎基部到地上部最长叶端的距离。

以0.7% NaCl单盐处理种子受害症状苗期评价指标分1～9级评价[19]。表2

表2 水稻苗期耐盐性评价标准

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2016录入数据、SPSS进行差异显著性分析,利用Origin 2021软件绘制试验图谱。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫下219份重组自交系群体芽期各评价指标的表现

研究表明,盐胁迫处理下的发芽势和发芽率均值显著下降,与对照处理相比分别下降了83.4%和69.4%。1.2% NaCl处理的发芽势变异最大,变幅为0%～66.3%,变异系数为169.19%;对照处理的发芽率变异最小,变幅为82.2%～99.4%,变异系数为3.2%。相对发芽势和相对发芽率的均值分别为4.9%和28.3%,变异系数分别为163.77%和70.28%。在盐胁迫下,发芽率和发芽势的盐害率均值分别为48.1%和73.9%,盐胁迫严重抑制了水稻种子的萌发,并且对发芽势的影响较大。图1,表3

注:不同小写字母表示相同材料在不同处理下差异显著(P<0.05),下同

2.2 219份水稻重组自交系群体苗期耐盐性比较

研究表明,0.7% NaCl处理后,秧苗的存活率均受到显著影响,盐胁迫处理的存活率显著低于对照处理的存活率,平均下降81.79%,盐胁迫显著抑制了水稻苗期存活率。图2

图2 不同处理下群体材料苗期存活率比较

2.3 219份重组自交系群体芽期和苗期的耐盐级别分布

研究表明,在盐胁迫处理下,水稻芽期耐盐性按照发芽率耐盐指数和耐盐力等级划分获得高耐、耐盐、中、敏感、高敏的水稻资源分别为3、15、39、71与91份,达到中及以上水平的水稻资源共57份,占比26.0%,而敏感和高敏材料共有167份,占比73.8%。

水稻群体苗期耐盐性按照盐害症状调查法划分耐盐等级,材料间耐盐性差异较大,获得苗期耐盐性中度以上的材料共有52份,占比23.7%,耐盐性弱和极弱材料有167份,占比76.3%。图3

表3 219份水稻群体材料盐胁迫下芽期性状指标

2.4 219份水稻重组自交系群体耐盐性极强和极弱材料的表型比较

2.4.1 耐盐性和敏感性材料的芽期表型比较

研究表明,芽期盐胁迫处理第10 d,分别对4份耐盐材料和6份敏感材料进行拍照。对照组不同材料生长状况良好,基本保持一致;在1.2%盐胁迫下的耐盐材料表现出生长缓慢,相对芽长为1.8 cm,敏感材料的种子发芽明显受到了抑制,相对芽长为0.5 cm。盐胁迫处理下不同材料的发芽势和发芽率与对照处理相比显著下降,耐盐材料的发芽势和发芽率平均降低52.6%和11.2%;敏感材料的发芽势和发芽率平均降低95.6%和95.3%,并且敏感材料的发芽率和发芽势显著低于耐盐材料。图3

注:a:芽期;b:苗期

盐胁迫处理下不同材料的芽长、根长和根数与对照处理相比显著下降,耐盐材料芽长平均减少5.7 cm,敏感材料芽长平均减少7.5 cm。经过盐处理后,无论是耐盐材料还是敏感材料,其根长和根数均为0,盐胁迫严重抑制了根的生长。图4～6

注: A:耐盐材料,B:敏感材料,下同

注:不同大写字母代表相同处理下不同材料差异显著,不同小写字母代表相同材料在不同处理下差异显著(P<0.05),下同

图6 不同处理下耐盐和敏感材料芽长变化

2.4.2 耐盐性和敏感性材料的苗期表型比较

研究表明,不同材料之间的耐盐性存在差异,耐盐材料出现株高和根长变短现象,敏感材料出现叶片干枯,植株死亡。盐胁迫条件下耐盐和敏感材料的株高和存活率与对照处理相比显著下降,耐盐材料的株高平均减少5.8 cm,敏感材料株高平均减少8.7 cm。敏感材料与耐盐材料相比,株高有所下降,但不显著。耐盐材料的存活率与对照处理相比平均下降79.2%;敏感材料的存活率与对照处理相比平均降低82.3%;耐盐材料的存活率高于敏感材料6.1%。图7,图8

图7 0.7% NaCl胁迫条件下耐盐材料和敏感材料

图8 不同处理下耐盐和敏感材料株高和存活率变化

3 讨 论

植物种子在萌发期受到盐胁迫时,发芽时间会延迟,发芽率降低,生育进程受到抑制[20]。肖文斐等[21]在对31个籼稻品种的芽期耐盐性评价中发现,各品种在9 g/L NaCl溶液处理下发芽起始时间明显延迟,发芽变缓,发芽指数和活力指数均显著降低。试验按照GB/T3543.4-1995的标准进行耐盐评价,对219份重组自交系材料芽期采用1.2% NaCl处理,通过对群体材料发芽势、发芽率分析结果表明,高浓度盐胁迫抑制了种子的萌发,发芽势和发芽率均值显著下降,与对照处理相比分别下降了83.4%和69.4%,发芽率和发芽势的盐害率均值分别为48.1%和73.9%。贾宝艳等[22]认为,发芽指数、发芽率和相对盐害率是衡量水稻芽期耐盐能力的主要指标。研究中,在水稻群体发芽期筛选出耐盐性极强和强的材料共18份;耐盐性中度的材料有39个;耐盐性弱和极弱材料有167份。

崔江慧等[23]在对10份高粱材料的盐处理时发现,侧根盐害率的变化最大,表明侧根的发生和伸长对盐胁迫最敏感,水稻中也有类似的报道[9]。研究中,用耐盐指数法筛选出的4份耐盐材料和6份敏感材料,并评价耐盐和敏感材料的芽长、根长、根数等指标。在盐处理下,耐盐材料和敏感材料的芽长与对照处理相比显著下降,分别下降5.7和7.5 cm。无论是耐盐材料还是敏感材料,其根长和根数均为0,根的生长受到了抑制,水稻种子萌发时根的伸长对盐胁迫最为敏感,芽次之,与前人的研究结果一致。

水稻在不同生育时期,其耐盐性不同,其中种子萌发期的耐盐性最强,幼苗期耐盐性最弱[24]。苗期将存活天数、存活率,苗高、鲜重干重、死叶率等用于评价苗期测定指标[25],在某种程度上苗期可以作为全生育期耐盐性水平的参考[26]。目前关于水稻耐盐性鉴定已经开展了很多工作,马帅国等[27]利用125 mmol/L NaCl 盐胁迫对165份粳稻种质资源进行评价,筛选了2个苗期耐盐性强的水稻材料。郭望模等[20]利用3种不同的盐浓度对 16 份不同耐盐能力的籼、粳、爪哇稻进行苗期耐盐性鉴定,发现 NaCl浓度对许多苗期形态指标有显著影响,随着NaCl处理时间的增长,叶片盐害指数与胁迫浓度间的相关性越来越大。

试验对219份水稻重组自交系群体材料苗期进行0.7% NaCl处理,通过调查苗期盐害等级,苗期筛选出耐盐性强的材料有2份,耐盐性中度的材料有50份,耐盐性弱和极弱材料有117份。盐处理后水稻材料幼苗均出现株高变矮和根长变短情况,盐害指数评价4份耐盐材料和6份敏感材料,耐盐材料株高和敏感材料株高与对照处理比较,平均减少2.8和5.3 cm;耐盐材料和敏感材料存活率与对照处理相比,平均下降79.17%和82.29%。

4 结 论

219份水稻重组自交系材料芽期受到盐胁迫后,发芽势和发芽率的盐害率分别为73.9%和48.1%;盐胁迫处理后水稻材料幼苗存活率平均下降81.79%,均出现株高变矮和根长变短情况。耐盐材料和敏感材料的耐盐性不同,耐盐材料的发芽势、发芽率和芽长平均降低52.6%、11.2%和5.7 cm;敏感材料的发芽势、发芽率和芽长平均降低95.6% 、95.3%和7.5 cm,且敏感材料的发芽率和发芽势显著低于耐盐材料。苗期耐盐材料株高和存活率下降分别为5.8 cm和79.17%,敏感材料株高和存活率显著下降,分别为8.7 cm和82.29%。筛选出芽期耐盐性强材料18份,苗期耐盐性强材料2份。