42份玉米自交系苗期耐盐性的综合评价

Comprehensive evaluation of salt tolerance of 42 maize inbred lines during seedling stage

摘要

目的 通过对不同玉米材料苗期的耐盐性进行综合评价，筛选耐盐性强的材料，为后续大田研究提供种质资源和理论依据。 方法 采用180 mmol/L的NaCl溶液对42份玉米自交系进行胁迫处理，测定幼苗形态和生理生化共11项指标，利用隶属函数法并通过聚类分析，对供试材料进行综合评价和筛选。 结果 盐胁迫下玉米幼苗株高、根长、鲜苗质量、苗干质量、根鲜质量、根干质量平均数值分别下降48.20%、36.00%、57.64%、58.82%、48.50%、42.11%，而叶绿素含量、SOD及POD酶活性则分别增高25.33%、1.93%、21.16%、6.64%、3.15%，且供试材料各指标间差异显著（P<0.05）。通过聚类分析将42份供试材料分为5类，4份强耐盐性材料；4份耐盐性材料；9份中度耐盐材料；13份盐胁迫敏感材料；12份盐胁迫极敏感材料。 结论 1.0紧凑-5、1.0紧凑-15、1.0平展-9和0.67平展-21为强耐盐材料，TS141属于中度耐盐材料。

Abstract

Objective The study aimed to comprehensively evaluate salt tolerance of different maize materials at seedling stage and screen the materials with strong salt tolerance，providing germplasm resources and theoretical basis for subsequent field research. Method A total of 42 maize inbred lines were treated with 180 mmol/L NaCl solution.Eleven indexes of seedling morphology，physiology and biochemistry were determined.The test materials were evaluated and screened by the method of subordination function and cluster analysis. Result Under salt stress，the average values of various morphological indexes of seedling height，root length，fresh weight of seedling，dry weight of seedling，fresh weighr of root，dry weight of root were decreased by 48.20%，36.00%，57.64%，58.82%，48.50% and 42.11%，respectively，while chlorophyll content，SOD and POD enzyme activities were increased by 25.33%，1.93%，21.16%，6.64% and 3.15%，respectively，and there existed significant differences among indexes of the tested materials （P<0.05）.The 42 tested materials could be divided into 5 categories by cluster analysis，including 4 materials with strong salt tolerance，4 salt-resistant materials，9 medium salt-resistant materials，13 salt-sensitive materials，and 12 salt-highly-sensitive material. Conclusion It was suggested that 1.0 compact-5，1.0 compact-15，1.0 flat-9 and 0.67 flat-21 are strongly salt-tolerant materials，and TS141 is a medium salt-tolerant material.

Graphical abstract

关键词

NaCl胁迫 / 玉米自交系 / 苗期 / 耐盐性 / 综合评价

Key words

nacl stress / maize inbred line / seedling stage / salt tolerance / comprehensive evaluation

玉米（Zea mays L.）是我国主要的粮食作物之一，同时也具有经济、饲料等多种用途^［1］，是我国产量第一的粮食作物^［2］，在保障国家粮食安全中起重要作用。在我国退化耕地中有66.0%是因盐渍化引起的，盐碱胁迫又对玉米的生长发育、品质产量等有重要影响，因此，随着玉米产量需求的增加，在我国耕地面积有限和退化的情况下^［3］，除盐碱地改良之外，利用盐碱土壤最经济有效的途径就是挖掘作物本身的耐盐能力以筛选耐盐品种^［4-6］。

国内外研究学者针对不同玉米品种耐盐性鉴定与评价都集中在玉米萌发期和苗期^［7-10］，一般认为作物苗期是盐胁迫最敏感的时期，植株表型具有比较直观、易检测和鉴定等优点^［11］。有研究表明，株高、根长、根干质量、苗干质量、根鲜质量、苗鲜质量、叶片SPAD值、SOD酶活性和POD酶活性等都可以作为作物苗期耐盐性筛选和鉴定指标^［12-13］。盐胁迫下，玉米的生长受到抑制，出现出苗迟缓、 根系生长不良和叶片失绿等现象，对玉米的生长发育和产量造成严重影响^［14］。虽然目前对玉米耐盐性的相关研究较多，但玉米耐盐育种研究进展缓慢，国内耐盐碱玉米种质资源依然处于匮乏状态，且不同玉米品种受基因型、表现型和体内生理生化反应的影响，对盐胁迫的敏感程度也不同，因此耐盐碱性差异也较大^［15］。本试验对42份不同玉米自交系进行NaCl胁迫处理，测定幼苗期株高、根长、POD和SOD酶活性等指标，综合评价其耐盐性，以期筛选出耐盐性较强的玉米自交系，为耐盐玉米品种选育和应用提供种质资源和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验研究材料为玉米自交系TS141经EMS诱变所得的41份突变体的M3代和自交系TS141，共计42份供试材料。42份试验材料均由甘肃农业大学农学院玉米课题组保存并提供。详细材料名称见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 盐胁迫处理

挑选大小一致且饱满的种子，用0.5%次氯酸钠对种子消毒10 min，之后用蒸馏水对其洗涤3~5次，并用滤纸吸干种子表面残留的水分。以蒸馏水处理为对照组（即CK），盐浓度180 mmol/L NaCl溶液为处理组，之后将种子播种至装有相应溶液处理的消毒蛭石的10 cm×10 cm营养钵中，每钵5粒，3次重复，置于人工气候室培养，人工气候室模拟环境设置参数为：光照14 h，黑暗10 h，光照温度25 ℃，黑暗温度20 ℃，光照强度500 μmol/（m²·s），相对湿度设置为60%。每隔一天给对照浇50 mL蒸馏水，每隔两天浇180 mmol/L NaCl溶液50 mL于盐处理种子，待幼苗长至三叶一心期时测定各项指标。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 形态指标

待幼苗长至三叶一心期时，从营养钵中取出幼苗，选取典型一致的并用蒸馏水清洗叶片表面杂质和根部蛭石，用滤纸吸干幼苗表面残留水分，测定幼苗株高、根长、根鲜质量、苗鲜质量，随后将其放到烘箱中105 ℃杀青30 min，再将温度调至65 ℃，烘干至恒质量测定其叶片和根的干质量。

1.2.2.2 生理生化指标

幼苗生长至三叶一心期时，用SPAD-502叶绿素仪测定对照组和处理组第二片叶的叶绿素含量。

取幼苗鲜样测定其叶片和根部的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性^［16-17］，SOD活力测定采用氮蓝四唑（Nitro-blue Tetrazolium，NBT）光还原抑制法，POD活力测定采用愈创木酚比色法。

计算公式：

SOD酶活性（U/g）=［（Ack-AE）×V］/（Ack×50%×W×Vt）

式中：Ack：光下对照管吸光度值；AE：样品鲜质量（g）；Ack×50%：定义一个酶活单位，即以抑制50%的酶活性为1个酶活单位；Vt：提取液体积（mL）。

POD酶活性（U/g）=（∆A₄₇₀×Vt）/（W×Vs×0.01×t）

式中：∆A₄₇₀：反应时间内吸光度的变化；Vt：提取液总体积（mL）；W：样品鲜质量（g）；Vs：反应用提取液体积（mL）；t：反应时间（min）。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016对数据进行整理，采用SPSS 22.0软件进行方差分析、相关分析、主成分分析及聚类分析。

按公式（1）计算耐盐系数（AC）。

AC=\frac{X_i}{C{K}_i} i=1，2，3，…，n（1）

以对照和盐处理利用隶属函数标准差系数赋予权重法综合评价玉米的耐盐性强弱，若指标与抗逆性成正相关，用（2）式，若指标与抗逆性成负相关，则用（3）式，标准差系数用（4）式，权重用（5）式，公式（6）计算综合评价D值。

U\left({\mathrm{X}}_j\right)=\frac{X_j-X_{min}}{X_{max}-X_{min}} j=1，2，3，…，n（2）

U\left(X_j\right)=\frac{X_{max}-X_j}{X_{max}-X_{min}}（3）

{\mathrm{V}}_j=\frac{\sqrt[]{{\sum }_{j-\mathrm{1}}^n{\left(X_{ij}-X_j\right)}^{\mathrm{2}}}}{\overline{X_j}}（4）

W=\frac{V_j}{{\sum }_{j-\mathrm{1}}^n{V}_j}（5）

D={\sum }_{j-\mathrm{1}}^n\left[U\left(X_j\right)*W_j\right]（6）

以上公式中：X_i表示盐碱胁迫某一指标测定值；C{K}_i表示对照处理下某一指标测定值，U\left({\mathrm{X}}_j\right)表示第j个指标的隶属函数值，X_j为第j个指标的耐盐系数，X_{max}和X_{min}分别表示第j个指标的最大值和最小值，V_j为第j个指标的标准差系数，X_{ij}为第i个品种的第j个指标值，W_j为第j个指标的权重。

2 结果与分析

2.1 不同材料苗期性状的差异分析

由42份玉米自交系对照及盐处理下苗期各性状的表型鉴定可知（表1和表2），玉米自交系的幼苗生长性状在对照及盐胁迫下均表现出不同程度的变异。盐处理中玉米幼苗株高、根长、苗鲜质量、苗干质量、根鲜质量、根干质量等形态指标的平均数值均低于对照，分别较对照降低了48.20%、36.00%、57.64%、58.82%、48.50%、42.11%，表明从外观表型来看，盐胁迫抑制了幼苗的生长；而叶绿素、叶SOD值、叶POD值、根SOD值、根POD值等生理生化指标均高于对照，分别增高了25.33%、1.93%、21.16%、6.64%、3.15%；各性状的峰度和偏度都基本介于-1.0~1.0；对照组中变异系数变化范围为16.00%~69.00%，盐处理组中变异系数变化范围为18.00%~69.00%，变异系数表明供试材料各性状对盐胁迫反应差异变化较大，可进行耐盐资源的筛选。

由42份玉米自交系苗期各性状的方差分析可知（表3），除根和叶的SOD值以外，其他各性状在处理间均达到极显著差异水平，表明盐处理会显著影响幼苗的生长；所有性状在不同材料间均表现为极显著差异；在处理和材料间，除根长外，其他性状的交互效应也达到极显著差异水平。因此，表明盐胁迫对不同材料幼苗的生长均有显著的影响，可以继续深入分析。

2.2 玉米幼苗生长性状的耐盐性差异分析

通过43份玉米材料生长性状的耐盐系数对比（表4）可知，盐处理对供试材料的幼苗生长状况有不同程度的影响。所有材料株高、苗鲜质量的耐盐系数均小于1。除34号外，其他材料根长耐盐系数均小于1。根鲜质量耐盐系数值中4号的大于2，为2.25。7、9号的根干质量和苗干质量耐盐系数同时都大于1，4号根干质量耐盐系数也大于1。除2号、7号、12号、19号突变体之外，其他材料的叶绿素耐盐系数均大于1。25、32号的叶SOD值耐盐系数最大，分别为4.97和4.87。4、12和18号的根SOD值的耐盐系数为6.54、11.61和16.42。除2、3、17、24、32、38、39、41、42外，其他材料叶POD值均大于1。除5、8、10、11、13、14、16、18、21、22、26、29、30、35、36、38、39外，其他材料根POD值均大于1。以上结果表明180 mmol/L的盐处理可能会促进4、18、25等材料的根部SOD酶活性、叶绿素和叶片SOD酶活性等生理生化指标，但也会使幼苗的生长受到不同程度的抑制。

2.3 玉米幼苗生长性状的相关性

从相关系数矩阵（表5）可以看出，株高、根长、根鲜质量等11个指标隶属函数值之间相关程度不同，幼苗生理生化指标与任何指标之间均未表现出显著相关；苗鲜质量与株高和根鲜质量有极显著相关关系；苗干质量与株高、苗鲜质量有极显著相关关系；根鲜质量与根长有显著相关关系，与株高呈极显著相关；根干质量与根鲜质量呈极显著相关关系。但因指标及其变化幅度的不同，在抗性评价中所起的作用也不同。玉米苗期的耐盐性是一个综合性状，是受多个因素共同作用的结果，以单一指标或者某几个指标不足以分析玉米的耐盐性，因此采用主成分分析法对供试材料做进一步综合评价。

2.4 玉米自交系幼苗生长性状的主成分分析

通过对11个幼苗生长指标的隶属函数值进行主成分分析发现，在所用性状指标中共筛选出特征值大于0.5的主成分有8个，总体方差累计贡献率达93.83%，大于专业特点要求的85%，即这几个主成分把玉米自交系幼苗生长状况的绝大部分信息反映出来，因此选取这8个主成分作为玉米自交系幼苗生长状况的综合评价指标（表6）。

玉米自交系幼苗生长状况指标的主成分载荷矩阵（表7）反映了各生长指标对主成分负荷的相对大小及作用方向，即该性状对主成分影响的程度。由此可以看出，与第一主成分密切相关的是根鲜质量、苗鲜质量、苗干质量、根干质量、株高以及根长，得分系数分别为0.84、0.837、0.811、0.819、0.709和0.499，故第1主成分替代了原始的11个因子中的根鲜质量、苗鲜质量、株高、根长、苗干质量和根干质量等6 个因子的作用，可综合反映出玉米幼苗在盐胁迫情况下的生长状况，表明主成分1 增大时，所用形态指标均会增大；对于主成分2，大部分形态指标的系数为负值，即这些指标对主成分2为负向作用，主成分2大时，幼苗生长状况比主成分1大时相对较差，而叶绿素对主成分2 的正向作用最大；第3主成分中，根SOD值和根POD值的负向作用和正向作用分别达到最大，得分系数分别为-0.745和0.529；叶POD、SOD值在主成分4中有较高的载荷矩阵；对于主成分5，根POD值和叶POD值的得分系数为0.590和0.313。在6、7主成分中，叶SOD值和根长具有较高载荷矩阵，得分系数分别为0.428和0.566。在主成分8中，株高起较大的负向作用。因此，主成分1可以作为判断幼苗生长情况指标，主成分2、3、4可以作为植株生理指标的判断依据。

2.5 玉米苗期生长性状的综合评价

综合玉米苗期的耐盐指标，采用D值对不同玉米材料耐盐性进行综合评价。根据系统聚类结果，将42份玉米材料分为5个类群（图1）。

第Ⅰ类（A1）为强耐盐材料，共4份材料，材料编号为4、18、9和25号，其D值分别为0.524 8、0.495 2、0.441 7和0.439 1，占供试材料的9.52%，D值平均值为0.474 5。

第Ⅱ类（A2）为耐盐材料，包括12、7、1（TS141）和34号这4份材料，占供试材料的9.52%，D值分别为0.374 2、0.357 7、0.316 9和0.311 7。

第Ⅲ类（B2-1）为中度耐盐材料，包括26、40、3、32、6、42、31、27、11，共9份材料，占供试材料的21.43%，D值变化范围在0.241 9~0.294 4，平均D值为0.263 3。

第Ⅳ类（B2-2）为盐敏感材料，包括35、16、39、10、38、29、13、28、41、15、2、14和21，共13份，占供试材料的30.95%，D值变化范围在0.189 6~0.230 8，其平均值为0.211 6

第Ⅴ类（B1）为盐胁迫极敏感材料，30、8、33、24、37、36、22、19、17、5、20和23，共12份材料，占供试材料的28.57%，D值变化范围在0.123 9~0.167 9，平均值为0.152 5。

由此可知，A1组玉米材料耐盐性较强，适于盐碱地种植。

3 讨论

因不同作物耐盐机理的不同，在其不同发育阶段的耐盐能力也会不同。姚建英^［18］研究表明，不同玉米品种对盐渍土壤的耐受性也不同，但总体上表现为盐浓度越高，盐害越重的特点。

3.1 盐胁迫对玉米形态指标的影响

在逆境胁迫下，植物会通过降低株高、根长、鲜质量和干质量等来调整自身生物量的分配，从而应对逆境环境^［19］。在NaCl处理下，玉米幼苗的发芽率、株高、根长、鲜质量和干质量均会有所降低，因此表明盐胁迫会抑制玉米幼苗的生长^［12］。本研究结果表明，在180 mmol/L的NaCl 胁迫下，幼苗株高、根长、苗鲜质量、苗干质量、根鲜质量、根干质量整体表现为下降的趋势，但材料间存在差异，这与张海燕等^［20］的研究结果一致。另外，在本试验中，盐胁迫下整体根长下降幅度高于株高，可见盐胁迫对地下部的抑制程度大于地上部^［21］。

3.2 盐胁迫对玉米生理生化指标的影响

在盐胁迫下，超氧化物歧化酶（ SOD ）和过氧化物酶（POD）作为植物重要的抗氧化酶，会参与清除恶劣环境条件下的活性氧自由基（ ROS ）^［22］。刘艳丽等^［23］、王丽红等^［24］研究表明，盐胁迫下POD、SOD酶活性的增高可以提高小麦和玉米的耐盐性。本研究发现，盐胁迫处理下各材料整体的SOD、POD酶活性均高于对照，这与前人的研究结果一致。表明耐盐品种可以通过提高酶活性来缓解盐胁迫造成的伤害。

有研究表明，随着NaCl浓度的增加，两个自交系幼苗的Chl a、Chl b及Chl a+b的含量均有所下降，这可能是由于胁迫程度超过了玉米幼苗的适应能力，叶绿素酶的活性逐渐增强，加速了叶绿素的分解^［25］，所以盐处理下叶绿素值降低。本试验的研究表明，盐处理后，材料整体间表现为叶绿素的增高，这与前人的研究结果相反。但单一指标并不能很好地反映材料的耐盐性，因此研究利用多个苗期耐盐性状对供试材料进行全面分析，将株高等11个指标耐盐系数的隶属函数值进行聚类分析，评价出各材料的耐盐性。

通过综合分析鉴定出4个耐盐品种，分别为4号、9号、18号和25号材料；赵小强等^［26］研究表明，1号材料TS141是中等耐盐自交系，因此，以TS141为标准，筛选出其他7份耐盐性较好的材料，这些材料可为进一步进行苗期或者大田研究提供种质资源。

4 结论

与对照相比，在180 mmol/L的盐胁迫下，通过对各材料耐盐系数的隶属函数进行综合分析，将42份供试材料分为5类，第一类为强耐盐材料，包括1.0紧凑-5、1.0紧凑-15、1.0平展-9和0.67平展-21等4份材料；第二类为耐盐性材料4份，包括1.0紧凑-1、1.3紧凑-11、TS141和0.67紧凑-11；第三类为中度耐盐，包括0.67平展-22、0..67紧凑-23、1.0紧凑-2等9份；第四类为盐胁迫敏感材料，包括0.67紧凑-12、1.0平展-6和0.67紧凑-22等13份；第五类为盐胁迫极敏感材料，包括0.67平展-31、1.0紧凑-13和0.67紧凑-10等12份。此外，以中度耐盐自交系TS141为标准，筛选出7份耐盐性较好的材料，分别为1.0紧凑-5、1.0紧凑-15、1.0平展-9、0.67平展-21、1.0紧凑-19、1.0紧凑-11和0.67紧凑-11。

参考文献

[1] 李建芬.玉米生产制约因素分析及对策［J］.种子世界，2010，326（1）：10.

[2] 郭庆海.中国玉米主产区的演变与发展［J］.玉米科学，2010，18（1）：139-145.

[3] 金兵兵，姬祥卓，庄泽龙，等.种植密度对不同玉米品种农艺性状及产量的影响［J］.甘肃农业大学学报，2021，56（3）：73-85.

[4] 贾丹莉，郭军玲，王永亮，等.盐胁迫下不同玉米品种耐盐性筛选［J］.山西农业科学，2016，44（8）：1083-1086.

[5] Takehisa H， Shimodate T， Fukuta Y，et al.Identification of quantitative trait loci for plant growth of rice in paddy field flooded with salt water［J］.Field Crops Research，2004，89（1）：85-95.

[6] Epstein E， Rains D W.Advances in salt tolerance［J］.Plant and Soil，1987，99（1）：17-29.

[7] 张春宵，刘晓鑫，周波，等.吉林省26份主推玉米杂交种的苗期耐盐碱性分析［J］.作物杂志，2010（1）：66-69.

[8] 谷思玉，周连仁，王佳佳.不同品种玉米萌发期耐盐性的比较［J］.中国农学通报，2011，27（33）：34-39.

[9] Elsey-Quirk T， Middleton B A， Proffitt C E.Seed flotation and germination of salt marsh plants：The effects of stratification，salinity，and/or inundation regime［J］.Aquatic Botany.2009，91（1）：40-46.

[10] Khodarahmpour Z.Screening maize （Zea Mays L.） hybrids for salt stress tolerance at germination stage［J］.African Journal of Biotechnology，2013，10（71）.

[11] 高建明，夏卜贤，袁庆华，等.高粱种质材料幼苗期耐盐碱性评价［J］.应用生态学报，2012，23（5）：1303-1310.

[12] 王明泉，李春霞，龚士琛，等.玉米自交系苗期耐盐性鉴定及筛选研究［J］.中国农学通报.2018，34（12）：30-35.

[13] 段文学，张海燕，解备涛，等.甘薯苗期耐盐性鉴定及其指标筛选［J］.作物学报，2018，44（8）：1237-1247.

[14] Katerji N， Hoorn J， Hamdy A，et al.Salinity effect on crop development and yield，analysis of salt tolerance according to several classification methods［J］.Agricultural Water Management.2003，62（1）：37-66.

[15] 陆程张，张春宵，李淑芳，等.吉林省200份骨干玉米自交系的芽、苗期耐盐碱性综合鉴评［J］.东北农业科学，2022，47（1）：26-30.

[16] 郝建军，康宗利，于洋，等.植物生理学实验技术［M］.北京：化学工业出版社，2007.

[17] 张宪政 等.植物生理学实验技术［M］.辽宁：辽宁科学技术出版社，1989.

[18] 姚建英.不同玉米品种对滨海盐渍土胁迫的响应及其耐盐性鉴定［D］.邯郸：河北工程大学，2019.

[19] Falster D S， Westoby M.Plant height and evolutionary games［J］.Trends in Ecology & Evolution.2003，18（7）：337-343.

[20] 张海艳.不同品种玉米萌发期和苗期耐盐性综合评价［J］.玉米科学，2016，24（5）：7.

[21] 郭瑞锋，张永福，任月梅，等.混合盐碱胁迫对谷子萌发、幼芽生长的影响及耐盐碱品种筛选［J］.作物杂志，2017（4）：63-66.

[22] 朱祝军，喻景权， Gerendas J，等.氮素形态和光照强度对烟草生长和H₂O₂清除酶活性的影响［J］.植物营养与肥料学报，1998（4）：379-385.

[23] 刘艳丽，刘桂珍，崔党群.盐胁迫下不同品种小麦苗期抗氧化保护酶活性的变化［J］.安徽农业科学，2017，45（28）：18-20.

[24] 王丽红，豆昕桐，王英杰，等.盐胁迫下不同玉米自交系的耐盐生理差异分析［J］.天津师范大学学报（自然科学版），2021，41（6）：32-39.

[25] 王明泉，付立新，李国良，等.玉米抗感种质资源苗期耐盐性的光合作用机制研究［J］.中国农学通报，2021，37（5）：8-14.

[26] 赵小强，彭云玲，李健英，等.16份玉米自交系的耐盐性评价［J］.干旱地区农业研究，2014，32（5）：40-45.

基金资助

兰州市科技局项目(2020-RC-122)

抗旱高产优质玉米新品种育种繁植与推广委托项目(XZ20200810)

科技创新服务平台建设(20JR10RA565)

中央引导地方科技发展专项基金项目(ZCYD-2021-2-1)

甘肃省教育厅：产业支撑计划项目(2021CYZC-12)