黄河三角洲盐碱土条件下水稻苗期耐盐指标筛选
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摘要：本研究选取黄河三角洲地区的盐碱土，⒏哐魏偷脱瓮涟凑詹煌比例配制成试验用土，在水稻两叶一心期，测定供试12个水稻材料的9个与耐盐相关的形态学和生理学指标，并对其苗期耐盐指标进行筛选。结果表明，在0.34%盐浓度下，水稻苗期的株高、干物质积累等受到抑制，不同材料之间的叶绿素含量、丙二醛含量和抗氧化酶活性差异明显。对各性状测定数据为参数的耐盐指数进行主成分分析，提取出两个综合指标，贡献率分别为55.588%和24.054%，累积贡献率为79.642%。根据D值得出海稻86对盐的耐受性最强，其次为盐粳218、日本晴。通过逐步回归分析建立的最优回归方程表明，幼苗鲜重、叶绿素b含量、超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量和株高这5项指标对水稻苗期的耐盐性有显著影响，可作为该地区水稻苗期的耐盐鉴定指标。
关键词：盐碱土；水稻；耐盐指标；筛选
中图分类号：S511.043 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2017）01-0023-06
Abstract The saline alkali soil was collected from the Yellow River Delta. On the basis of analyzing the salt content of the above soils，the artificial soils were prepared by mixing high- and low-salt soils at different ratios. Nine morphological and physiological indexes related to saline-alkali tolerance were determined in 12 rice materials at the stage with two leaves and one shoot. The results showed that the plant height and dry matter accumulation of seedlings were inhibited at the salt concentration of 0.34%， and there were obvious differences in chlorophyll content， malondialdehyde content and antioxidant enzyme activities between different rice materials. The principal component analysis was carried out on the salt tolerance indexes， and two comprehensive indexes were extracted with the contribution rate as 55.588% and 24.054% respectively； their cumulative contribution rate was 79.642%. Haidao 86 had the greatest tolerance to salt， followed by Yanjing 218 and Nipponbare. The optimal regression equation was established through step regression analysis， and it showed that fresh weight， chlorophyll b content， superoxide dismutase activity， malondialdehyde content and plant height significantly influenced the saline tolerance of rice seedlings， so they could be as the indexes to identify the salt tolerance of rice seedlings.
Keywords Saline soil； Rice； Saline tolerant indexes； Screening
水稻是我国最重要的粮食作物之一，也是改良盐碱地的先锋作物。研究表明，盐碱地种稻是治理、改良和利用盐碱化土壤的有效途径，同时也是提高盐碱地粮食生产能力和改善农业生态环境的有效途径之一[1-3]。黄河三角洲地区有近53.3万公顷未利用的盐碱地和73.3万多公顷中低产田亟待开发利用，利用水稻改碱对解决我国粮食安全问题具有重要的战略意义。黄河三角洲盐碱地区种植旱作物常因盐碱渍害失收，生产中一般通过洗盐、压盐等方法降低土壤盐浓度。种植水稻，可有效洗盐压碱，改良土壤，使重度盐碱地改良为中、轻度盐碱地，最终将中低产田改良为稳产高产田。因此，选育和鉴定耐盐水稻品种是解决盐碱地水稻种植的首要问题。其中水稻种质资源耐盐性的筛选、鉴定与评价方法是这个环节中先行解决的首要技术问题，因此，建立水稻耐盐性鉴定指标体系并对目前生产上表现较好的稳定品种进行耐盐能力鉴定推广，将产生巨大的经济、社会和生态效益。
至今针对水稻耐盐性鉴定指标筛选的研究尚不多见，特别是对苗期鉴定指标的研究报道相对更少，而水稻苗期是对盐较为敏感的时期[4]，因此应加强相关研究。目前，水稻耐盐性的鉴定方法和评价指标分为生物指标法和农业指标法[5]，主要是以对植株造成的直接伤害为依据，一般苗期采用形态指标结合生理指标考察的方法，但由于指标较多，每个指标在水稻耐盐过程中发挥的作用尚无一致定论[6，7]，且水稻盐害分级鉴定易受主观因素影响[5，8]，存在一定的局限性。本研究选取黄河三角洲地带的高盐和低盐土，配制成不同盐浓度土壤，并在室内进行水稻苗期耐盐性鉴定。这样既能客观反映水稻品种间耐盐性差异，又能排除实验室配制的NaCl溶液无法模拟土壤环境及田间盐碱地胁迫条件不易一致产生的影响，具有条件可控、周期短、效率高等优点。本试验拟在该盐碱条件下通过测定水稻苗期形态及其生理指标数据，之后运用主成分分析和逐步回归分析方法，较系统地筛选出水稻苗期耐盐指标，并同期从中筛选出适宜生产推广的水稻耐盐品种，以期为水稻苗期耐盐性材料的筛选与评价提供借鉴，为黄河三角洲盐碱地发展水稻产业提供技术支持和理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料及设计
试验于2016年在山东省水稻研究所水稻生长室内进行。选取黄河三角洲（东营河口区孤岛镇）试验站内高盐土（1.66%）和低盐土（0.08%）作为试验用土。试验处理土壤盐浓度是0.34%，用高盐土与低盐土按照质量比混合配成，对照为低盐土。选用日本晴、海稻86、盐丰47、关东51、112、盐粳456、盐粳377散、盐粳377紧、盐粳218、盐44、盐粳431、临沂塘稻共12个品种（系）为供试材料。
1.2 测定项目与方法
种子置于培养皿中30℃催芽，待种子露白后，移至塑料培养箱（40 cm×26 cm×5 cm）中，土层厚度3 cm。培养至两叶一心时同步测定地上部叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、丙二醛含量和过氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性，同时取样进行形态学指标测定。株高每处理测定13株，取平均值。叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量用95%乙醇提取测定[9]。丙二醛采用硫代巴比妥酸法测定，过氧化物酶活性采用愈创木酚法测定，超氧化物歧化酶活性采用氮蓝四唑法测定[9]。
1.3 数据处理
参考兰巨生[10]的方法，计算水稻苗期形态生理指标等参数的耐盐系数和耐盐指数。
耐盐系数=该指标盐胁迫下测定值/对照测定值；耐盐指数=耐盐系数×盐胁迫处理测定值/所有品种（系）盐胁迫处理测定值的平均值。
利用SPSS 18.0软件对数据进行相关分析、主成分分析，采用逐步回归法建立多重线性回归方程，运用系统聚类法进行聚类分析。
2 结果与分析
2.1 简单相关分析
从表1可以看出，在0.34%盐浓度下，海稻86各单项指标耐盐指数的累计值为最大，供试品种（系）幼苗性状均发生不同程度的变化。同一品种（系）各性状的耐盐指数存在较大差异，说明各性状指标对盐胁迫的敏感程度不同，下降或增加的幅度有很大的差异性，且所测指标间的关系复杂。因此，如果只根据某一指标的数据得出耐盐性大小，其结论必然有一定的片面性。各指标耐盐指数的相关性分析结果（表2）表明，所有指标间都存在着或大或小的相关性，叶绿素a和叶绿素b含量呈现极显著正相关，幼苗干重、鲜重和SOD活性，三者之间均呈极显著负相关。说明，这些指标所提供的信息发生了部分的重叠[13]。同时，由于不同水稻品种（系）的耐盐机制不尽相同，所以，直接根据这些指标很难鉴定某一品种（系）的耐盐能力。
2.2 主成分分析
主成分分析法，1933年由数理统计学家Hotelling首先提出，它利用降维的方法，在损失很少信息的前提下把多个指标转化为少数几个综合指标，并利用转化后的综合指标对数据进行解释，是一种数据的变换[13，14]。这样既可以减少指标个数还能呈现出各指标之间的联系。通过对水稻苗期9个生理和形态学指标的耐盐指数进行主成分分析（表3），可以看出共得到2个综合指标（公因子用F1和F2表示），它们的贡献率分别为55.588%和24.054%，累积贡献率为79.642%，其余可忽略不计。这样把原来的9个指标转换为2个新的相互独立的综合指标，这两个综合指标代表了原始指标所携带的绝大部分信息，同时根据贡献率的大小可知各综合指标的相对重要性。本研究中，第一个综合指标中，鲜重的特征向量值最大，其次为干重，因而称第一个综合指标为形态指标因子；第二个综合指标中，叶绿素a的特征向量值最大，其次为叶绿素b，因而称第二个综合指标为生理指标因子。根据综合指标的系数（表4）和各单项指标的耐盐指数（表1）求出每个品种（系）的2个综合指标值（表5）。
2.3 耐盐性的综合评价
所有品种（系）的综合评价见表5。对于同一综合指标而言，根据各品种（系）隶属函数值的大小，可对其耐盐性进行分级。对于同一综合指标如Cl（2）而言，在0.34%盐浓度下，海稻86的μ（1）值最大，为1.000，表明此品种在Cl（2）表现为耐盐性最强，而临沂塘稻的μ（1）值最小，为0.000，表明此品种在这一综合指标上表现为耐盐性最差。经计算两个综合指标的权重分别为0.698和0.302。D值为各品种（系）在盐胁迫条件下用综合指标评价所求得的耐盐综合评价值，D值的大小反映了水稻各品种（系）耐盐能力的相对强弱。海稻86的D值最大，表示该品种对盐的耐受性最强，其次为盐粳218、日本晴。对D值进行系统聚类，可将12个水稻品种（系）划分为两大类。第一类是海稻86，耐盐性最强；其余为第二类，其中临沂塘稻、关东51、盐粳431、盐粳377散、盐粳377紧、盐丰47对盐的耐受性相对较弱（图1）。
2.4 鉴定指标的筛选
把综合评价值（D值）作因变量，各单项指标的耐盐指数作为自变量，通过多重逐步回归分析，剔除对因变量作用不显著的自变量，建立最优回归方程：
3 讨论与结论
3.1 水稻耐盐性的鉴定方法
水稻耐盐性的鉴定，通常在验室进行，多选用中性的NaCl溶液或者碱性的Na2CO3溶液模拟盐害[15，16]，以盐害对植株造成的直接伤害为依据，确定水稻材料对盐的耐受性，主要包括发芽指标、形态伤害和生长量等。在实验室进行的水稻耐盐性鉴定操作简便，但由于引发胁迫的盐分单一，筛选得到的耐盐材料在大田稻区的表现和实验室有一定的差距。田间耐盐性鉴定，针对全生育期，以大田生产效益的最直接最重要的指标为依据，主要包括成熟期以分蘖的单株为对象考察有效穗数、主穗长、穗重、结实率、粒重和产量[17，18]。田间耐盐鉴定，筛选的材料较符合生产实际，但是由于大田中的盐浓度不一致，易影响最终试验结果。本研究选取黄河三角洲地区高盐和低盐土壤，按照质量比配制成盐浓度为0.34%的试验用土，客观真实地反映大田的土壤环境，有效克服了上述两种试验方法的缺陷，能准确筛选出水稻苗期的耐盐指标，确立水稻耐盐性的评价指标。
3.2 }胁迫下水稻苗期形态生理差异
水稻苗期对盐较敏感，株高会受到明显的抑制，具体表现在苗期生长缓慢，植株变矮，干物质积累较少。本试验结果表明，在盐胁迫下，各品种（系）的物质积累与株高均受到不同程度的抑制。盐处理可明显促进膜脂过氧化物的生成，MDA是植物遭受逆境伤害时膜脂过氧化的产物，可使蛋白质和核酸变性，导致膜流动性降低，膜透性增强，细胞功能下降，严重时会导致细胞死亡。膜脂过氧化水平的高低与植株的耐盐碱性密切相关，所以，MDA含量是判断细胞遭受胁迫程度大小的常用指标[19，20]。本研究表明，在0.34%的盐浓度处理下，水稻幼苗体内的MDA含量升高。叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，其含量与叶片光合作用密切相关，叶绿素（a+b）的含量与净光合速率呈正相关，在一定范围里，叶绿素含量越高，净光合速率越强[21]。类胡萝卜素是对叶绿素捕获光能的补充，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。本研究结果表明，在0.34%盐浓度处理下，水稻幼苗的叶绿素含量下降，表明在盐胁迫下，水稻植株细胞内离子含量增高，导致叶绿素与叶绿体蛋白间的结合变松弛，从而促进叶绿素被分解[22]。植物在正常代谢过程中，通过多种途径产生活性氧。活性氧可破坏生物大分子的活性构象，影响细胞正常代谢，而SOD、POD等可以消除活性氧进而维持其动态平衡。盐胁迫下，植物细胞的质膜透性会增加，活性氧大量积累，各种抗氧化酶活性同时发生变化。本研究结果也表明，在0.34%的盐浓度下，SOD和POD的活性均发生变化，其中SOD活性受盐胁迫的影响较明显。
3.3 耐盐性评价指标的综合评价
关于水稻品种的耐盐性，人们已经从多个生理或形态指标上进行研究，提出过不同的耐盐性鉴定指标[23-25]。由于盐碱本身的胁迫作用和盐碱土中矿质营养分布的不均衡特性，导致盐碱条件下水稻的生长发育受到影响。在实际生产中，盐碱土对水稻的影响往往是长期的，虽然灌溉前后土壤的盐分会改变，但是其盐分的存在始终是影响水稻生长发育的重要因素。盐碱土壤对水稻的影响是多方面的，国内外众多研究者已筛选出许多与植物耐盐碱相关的指标，但是水稻抗盐碱是由多基因控制的数量遗传性状，受多种因子的影响，且不同品种的耐盐碱能力也不相同[26]，因此，孤立地使用某一指标较难反映其耐盐碱的程度。同时，众多评价指标之间也存在着一定的相关性，导致各个指标反映的信息发生交叉重叠，因此有必要运用多元分析方法对其指标进行综合评价，建立可靠的评价体系[27]。
采用主成分分析法对试验材料的众多性状进行综合分析与评价，已被广泛用于水稻种质资源研究与品种选育，也取得一定的应用效果[28-30]。本研究通过对12个水稻品种（系）的形态、生理学指标进行主成分分析表明，供试品种（系）不同性状间差异较大。对数据的分析表明，第一主成分的贡献率为55.588%，其中干重、鲜重的特征向量值相对较高，表明盐分对水稻幼苗物质积累的影响相对较大，在筛选耐盐水稻品种时，我们可以通过简单直观的表型差异初步判断其耐盐性。通过回归分析，从9个单项指标中筛选出幼苗鲜重、叶绿素b含量、SOD活性、MDA含量和株高5个对耐盐能力有显著影响的指标，它们既包含有生理指标又有形态指标，较为合理全面。
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