9份番茄材料种子萌发期耐盐碱性评价

2023-08-01张文博刘芸希李国铭刘慧英

种子 2023年5期

张文博, 刘芸希, 李国铭, 刘慧英

(石河子大学农学院/特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室, 新疆石河子 832003)

土壤盐渍(碱)化是制约作物产量和品质提高的主要非生物胁迫因子之一[1]。我国目前有各类盐碱地约5.5亿亩(3 670万hm2),其中具有农业利用前景的盐碱地总面积约1.85亿亩(1 230万hm2),主要集中分布在东北、中北部、西北、滨海和华北五大区域[3-4]。筛选和培育耐盐碱品种是现阶段盐碱地治理与农业利用最为有效的手段之一。

番茄(SolanumlycopersicumL.)作为我国重要的园艺作物之一,在露地和设施生产中广泛栽培。番茄耐盐性中等,但仍会受到土壤盐渍(碱)化威胁,导致产量和品质下降[5]。经过耐盐碱性改良的番茄品种可用于我国盐碱区蔬菜生产。因此鉴定并利用耐盐碱品种和挖掘耐盐碱基因,对盐碱地地区番茄可持续生产具有重要的意义[6-7]。种子萌发是植物构建的第一步,也是对逆境最为敏感的时期之一,可以作为植物耐盐碱性鉴定的重要时期[8-10]。本研究以9份番茄材料作为试验材料,根据当地盐碱土的特征,采用4种盐(NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3),按照1∶9∶9∶1摩尔比混合配置成不同浓度的溶液以模拟盐碱胁迫环境,分析不同程度盐碱胁迫下番茄材料种子萌发期各项指标的变化,以评价9份番茄材料的耐盐碱性。旨在为番茄耐盐碱品种的创新利用提供理论参考,为耐盐碱基因的挖掘提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为中国科学院遗传发育研究所提供的9份番茄种质材料(新盐1号～新盐9号)。

1.2 试验方法

试验采用4种盐(NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3),按1∶9∶9∶1摩尔比配置成盐碱溶液,盐碱溶液浓度设置6个水平,分别为0(ck,去离子水),20,25,30,35,40 mmol/L的溶液。

每份番茄种质材料挑选饱满均匀的种子,配置0.1% HgCl2溶液浸种消毒15 min,然后用无菌水冲洗干净,将9份种子分别置于垫有双层滤纸的发芽盒中培养。发芽盒中加入不同浓度的盐碱溶液进行处理,每个处理重复3次。置于人工气候箱中培养,温度设定为25 ℃,光照周期为16 h/8 h,光照强度为350 μmol/(m2·s),湿度为50%～55%,试验过程中以称重法补充所需水分。以胚根突破种皮2 mm视为萌发,并定期统计种子萌发情况。

1.3 测定项目及方法

种子发芽指标测定参照《国际种子检验规程》,测定其发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长。

发芽率/%=(第14天时发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽势/%=(第7天时发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽指数=∑Gt/Dt,式中:Gt为第t天的发芽数,Dt为相应的发芽天数;

活力指数=GI×S,式中:GI为发芽指数,S为胚根长度;

胚芽长度(X芽)=(X1+X2+X3+……+X10)/10;

胚根长度(Y根)=(Y1+Y2+Y3+……+Y10)/10;

相对发芽率/%=(胁迫发芽率/对照发芽率)×100%;

相对发芽势/%=(胁迫发芽势/对照发芽势)×100%;

相对根长/%=(胁迫根长/对照根长)×100%;

相对芽长/%=(胁迫芽长/对照芽长)×100%;

发芽率盐害率/%=[(对照发芽率-胁迫发芽率)/对照发芽率]×100%;

发芽势盐害率/%=[(对照发芽势-胁迫发芽势)/对照发芽势]×100%;

根长盐害率/%=[(对照根长-胁迫根长)/对照根长]×100%;

芽长盐害率/%=[(对照芽长-胁迫芽长)/对照芽长]×100%。

1.4 数据处理及统计分析

1.4.1各主成分的隶属函数值

公式为:μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),j=1,2,...,n

式中,μ(Xj)为第j个综合指标的耐盐碱系数;Xjmax为第j个综合指标的耐盐碱系数的最大值;Xjmin为第j个综合指标的耐盐碱系数的最小值。

1.4.2各综合指标权重的计算

1.4.3耐盐碱综合评价值(D)

1.4.4数据处理

采用Excel 2010软件计算各指标值的耐盐碱系数和相对盐害率,采用SPSS 19.0软件进行主成分分析,结合隶属函数法求出不同供试品种的D值并排序。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对番茄种子发芽势的影响

由表1可知,不同浓度盐碱胁迫下,各材料间的发芽势差异显著。与对照相比,20 mmol/L盐碱溶液处理时,多数番茄材料受到抑制,其中新盐1号、新盐2号、新盐5号和新盐8号的发芽势受到盐碱胁迫较为明显。随着盐碱浓度升高,达到 30 mmol/L 时,新盐3号和新盐6号只受轻微影响,其他材料发芽势迅速降低,新盐1号和新盐2号两个番茄材料甚至完全不萌发,表明较高浓度的盐碱胁迫会显著降低种子的发芽势。当浓度为35 mmol/L时,各材料间的发芽势较对照差异显著,大多数的发芽势均低于50%。在40 mmol/L盐碱溶液的胁迫下,供试材料均不萌发。

表1 盐碱胁迫下番茄种子发芽势Table 1 Germination potential of tomato seeds under saline-alkali stress

2.2 盐碱胁迫对番茄种子发芽率的影响

由表2可知,随盐碱溶液浓度的升高,9份番茄种子的发芽率呈下降趋势,但不同番茄材料降幅存在差异。在20 mmol/L时,新盐1号和新盐8号的发芽率的降幅最大,说明受盐碱胁迫影响较大,而新盐3号、新盐4号和新盐6号品种的发芽率基本不受胁迫影响。但随着盐碱溶液浓度的增加,对发芽率的抑制程度不同。其中,新盐1号在25 mmol/L盐碱胁迫液中基本不发芽,而新盐2号、新盐6号和新盐9号即使在40 mmol/L的胁迫液中仍有较高的发芽率,且以新盐3号最耐盐碱,说明番茄材料间对盐碱胁迫的敏感性差异较大。

表2 盐碱胁迫下番茄种子发芽率Table 2 Germination rate of tomato seeds under saline-alkali stress

2.3 盐碱胁迫对番茄芽苗胚轴长度的影响

由表3可知,随盐碱胁迫程度的增加,9份番茄芽苗的胚轴长度受到抑制的程度提高,但不同供试材料受到的抑制程度不同。在20 mmol/L时,相比对照,各供试番茄的胚轴长度受盐碱胁迫影响较小。从25 mmol/L开始,番茄种子胚轴长度均随盐碱溶液浓度的增加而呈现下降趋势,当浓度达到40 mmol/L时,试验材料均出现不萌发或幼芽停止生长甚至坏死的现象。

表3 盐碱胁迫下番茄芽苗的胚轴长度Table 3 Hypocotyl length of tomato seedlings under saline-alkali stress

2.4 盐碱胁迫对番茄芽苗胚根长度的影响

由表4可知,随盐碱溶液浓度的增加,参试番茄材料的胚轴生长逐渐受到抑制,但各参试材料间抑制程度不同。在20 mmol/L时,各供试番茄材料的胚根长度相比对照有轻微影响。从30 mmol/L开始,番茄幼苗的胚根长度随盐碱溶液浓度的升高而急剧下降。当盐碱浓度达到40 mmol/L时,各供试材料胚根长度为0～2 cm,呈现不发芽或幼芽不生长甚至坏死的现象。

表4 盐碱胁迫下番茄芽苗的胚根长度Table 4 Radicle length of tomato sprouts under saline-alkali stress

2.5 盐碱胁迫对番茄种子活力指数的影响

由表5可知。随盐碱胁迫程度的增加,供试番茄种子的活力指数逐渐降低。当盐碱溶液浓度为20 mmol/L时,新盐1号、新盐2号、新盐4号、新盐6号、新盐7号和新盐9号等的活力指数降幅较大,因此受影响较大,胚根生长缓慢甚至枯萎;当浓度达到30 mmol/L时,大部分番茄材料的胚芽开始腐烂,胚根生长缓慢, 其中新盐1号、新盐2号和新盐8号的活力指数大幅度下降,表明这3个材料对盐碱混合胁迫比较敏感。

表5 盐碱胁迫下番茄种子的活力指数Table 5 Vigour index of tomato seeds under saline-alkali stress

2.6 盐碱胁迫下番茄萌发相关指标分析

分别计算 20～40 mmol/L 胁迫下各指标与对照的相对值,以20～40 mmol/L 的平均值作为胁迫浓度。由表6可知,在盐碱胁迫下,不同材料及不同萌发指标之间的差异较大,分析结果显示,新盐3号的相对发芽势(75.30%)最高,显著高于其他供试番茄材料,说明发芽势受盐碱胁迫的影响较小。新盐3号的相对发芽率(85.93%)最高,且显著高于其他番茄材料。相对芽长受盐碱胁迫的影响最小,相对根长受盐碱胁迫的影响仅次于相对发芽势。新盐4号的相对芽长(85.00%)和相对根长(48.33%)均最大,且显著高于其他番茄材料。新盐8号的相对发芽势盐害率(92.11%)最高。新盐1号的相对发芽率盐害率(88.37%)最高,显著高于新盐2号(68.94%),说明新盐1号受盐碱胁迫影响最大。芽长盐害率(64.89%)和根长盐害率(68.62%)均以新盐1号最高,且显著高于其他供试番茄材料,说明20～40 mmol/L胁迫对番茄生长发育有明显的抑制作用。各项指标的变异系数在9.59%～71.46%之间,其中相对发芽势和发芽率盐害率的变异系数最大,分别为71.46%和51.85%,说明盐碱胁迫对番茄种子的这2项指标更易造成影响。

表6 盐碱胁迫下番茄萌发相关指标分析Table 6 Analysis of related indicators of tomato germination under saline-alkali stress 单位:%

2.7 主成分分析

主成分分析是通过降维的方法将多个指标通过几个综合的指标反映出来,以少量主成分来反映原始指标提供的信息,可以使研究目标较为集中,研究结果较为清晰。为了对不同常规型番茄种子的耐盐碱性进行综合评价,选取常规型番茄品种9项指标进行主成分分析,其中特征值与方差贡献率是选取主成分的关键。

对供试的9个番茄材料的9项与耐盐碱性有关的指标进行主成分分析。从表7可以看出,按照累积贡献率≥85%的原则提取3个主成分Z1、Z2和Z3,分别对应的贡献率为68.088%,16.866%和10.562%,这3个主成分的累积贡献率达到了95.517%,基本包含了所测供试常规番茄耐盐碱指标的全部信息,3个主成分的基本表达式如下:

表7 番茄种子耐盐碱性评价的主成分分析Table 7 Principal component analysis of salt and alkali tolerance evaluation of tomato seeds

Z1=0.132X1+0.155X2+0.131X3+0.124X4-0.132X5-0.155X6-0.131X7-0.124X8+0.124X9;

Z2=0.375X1+0.083X2-0.168X3-0.384X4-0.375X5-0.083X6+0.168X7+0.384X8+0.116X9;

Z3=-0.051X1+0.078X2-0.552X3+0.286X4+0.051X5-0.078X6+0.552X7-0.286X8+0.510X9。

式中,X1～X9分别表示供试番茄的相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对芽长、发芽势盐害率、发芽率盐害率、根长盐害率、芽长盐害率和活力指数9项指标。

如表8,番茄各项指标的载荷矩阵中各个因子系数绝对值大小能直观地体现该因子贡献值大小。从表2～表8可以看出,主成分表达式中贡献率最大的因子依次是:第1主成分中的发芽率盐害率(-0.155)、相对发芽率(0.155),第2主成分中的芽长盐害率(0.384)、相对芽长(-0.384),第3主成分中的根长盐害率(0.552)、相对根长(-0.552)。

表8 番茄各项指标的载荷矩阵Table 8 Load matrix of each index of tomato

2.8 隶属函数分析

根据综合评价公式对9份番茄种质材料种子萌发期的耐盐碱性进行综合评价(求得D值)。D值反映了各材料的综合耐盐碱能力的大小,数值越大表明越耐盐碱,结果如图1所示。供试番茄材料的D值排序依次为新盐3号>新盐6号>新盐9号>新盐4号>新盐7号>新盐5号>新盐2号>新盐8号>新盐1号。其中新盐3号、新盐6号和新盐9号的D值分别为1.00,0.78和0.76,说明其发芽率盐害率、芽长盐害率和根长盐害率低,耐盐碱性最强,而新盐8号和新盐1号的D值在所有供试野生型番茄中最低,耐盐碱性最弱。

注:C1～C9代表新盐1号～新盐9号。图1 常规番茄耐盐碱的综合评价值Fig.1 Comprehensive evaluation of salt and alkali tolerance of conventional tomato

3 讨论

在种子萌发期间,评定种子的发芽情况常用发芽率、发芽势、相对盐害率以及活力指数等评价指标,发芽势能反映种子出苗整齐度以及出苗速度,发芽指数代表了种子的活力大小[11-13]。而发芽率同样作为检测种子抗逆性的重要指标之一,此外还使用相对盐害率来直观地反映种子受盐胁迫的程度[14-15]。逆境下种子萌发的胚芽和胚根长度,也能反映非生物胁迫对种子萌芽成幼苗期间的危害[16]。本研究结果表明,9份供试番茄材料的发芽率、发芽势、根长和芽长等均随着盐碱浓度的增大而减小,这与张庆昕等[17]在饲用谷子上的研究结果基本一致。徐婷等[18]研究发现,盐碱胁迫抑制花生种子萌发,且随着盐碱溶液浓度增加,种子的发芽势、发芽率和活力指数均呈明显的下降趋势,而盐害率呈上升趋势。本研究表明,20 mmol/L胁迫下对大部分番茄材料发芽的活力指数影响较小,当盐碱溶液浓度达到35 mmol/L时,大部分番茄材料的种子发芽活力指数下降趋势明显,说明进行耐盐碱评价的适宜浓度为35 mmol/L。

王慧敏等[19]研究发现,盐碱胁迫对谷子种质资源萌发期的相对发芽率、相对发芽势、相对芽长、相对根长、发芽率盐害率、发芽势盐害率、芽长盐害率以及根长盐害率等指标均有影响。盐碱胁迫涉及一系列复杂的生理生化反应,植物耐盐碱性的强弱是由多方面耐盐碱指标体现的,而评价某一种质的耐盐碱性,仅靠单一的指标,无法客观地评价其耐盐碱性[20]。因此,选择合适的耐盐碱评价方法至关重要。大多数作物在进行耐盐碱性评价时,多采用隶属函数等的评价方法,往往忽略了各项指标的重要程度[21-24]。本试验运用主成分分析法先降维分析,再结合隶属函数分析法进行综合评价,比较了不同番茄材料种子萌发期耐盐碱性的差异,对番茄材料的耐盐碱性做了综合评价,既避免了单个指标分析结果的片面性,又考虑了不同指标间权重的差别。因此,这种分析方法能够客观反映不同试验材料的耐盐碱能力。本试验对发芽率、发芽势、活力指数和盐害率等9个耐盐碱性相关指标进行耐盐碱能力综合评价,使用主成分分析法,将9个相互独立的指标转换为3个相对独立的复合指标,累计贡献率可达95.517%(表7),基本包含了所测供试常规番茄耐盐碱指标的全部信息。将所有供试常规番茄材料的D值经过排序,各材料耐盐碱能力由强至弱依次为新盐3号、新盐6号、新盐9号、新盐4号、新盐7号、新盐5号、新盐2号、新盐8号、新盐1号。耐盐碱等级划分结果表明,不同番茄品种在相同盐碱溶液胁迫下,新盐3号较其他材料的耐盐碱能力强,为高耐盐碱品种,新盐1号相比其他番茄材料的耐盐碱能力最差,为盐碱敏感品种。本研究旨在筛选耐盐碱番茄材料,扩大番茄种植面积,从而提高盐碱地利用率,为加快番茄产业的可持续发展提供基础材料和理论依据。