Comprehensive screening of Agropyron cultivars for tolerance to salt stress at the seedling stage

doi:10.11686/cyxb2022083

Abstract

Abstract:

Agropyron is a perennial grass in the Triticeae （Poaceae）. It has the advantages of resistance to drought， cold， and salinity， so it is an excellent crop for saline-alkali land improvement. To provide a basis for the evaluation of salt tolerance of Agropyron， seedlings of two main Agropyron cultivars， Agropyron mongolicum cv. Mengnong No.1 and Agropyron cristatum×Agropyron desertorum cv. Hycrest-Mengnong， were exposed to salinity stress using five concentrations of seawater in a pot experiment in a greenhouse. Thirty days later， twelve indexes were investigated including root length （RL）， shoot height， superoxide dismutase （SOD） activity， malondialdehyde content，^{and K⁺ content. The effects of salt stress on the seedling growth characteristics， K⁺/Na⁺， antioxidant enzyme activity， and contents of osmotic regulatory substances in the Agropyron materials were analyzed. The saline tolerance coefficient of each index under different seawater treatments was calculated， and then the salt tolerance of Agropyron at the seedling stage was comprehensively analyzed by a principal components analysis， subordinate function analysis， and regression analysis. All of the indexes except for the relative water content of the shoot showed significant differences （P<0.05） among the different salt stress treatments. A principal components analysis was conducted using ten indexes to evaluate the salt tolerance of the Agropyron at the seedling stage. A regression analysis identified three important factors in salt stress tolerance： An osmotic adjustment factor， a plant type factor， and a root system factor. The following mathematical evaluation model for Agropyron salt tolerance was established by regression analysis： D=0.833-0.018SOD-0.147SP-0.042SS-0.142Pro-0.004Na⁺-0.520 K⁺-0.076RL， where SP=soluble protein， SS=soluble sugars and Pro=proline. Using this equation， the salt tolerance of Agropyron germplasm resources could be quickly and accurately predicted on the basis of seven indexes： SOD， K⁺， Na⁺， SP， SS， Pro， and RL. These analyses revealed that the salt tolerance of Hycrest-Mengnong was higher than that of Mengnong No.1. The results of this study will be useful for promoting and managing the cultivation of grasses in salinized areas.}

Key words: Agropyron, seedling stage, salt tolerance, index screening

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Figures/Tables 10

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指标 Index	蒙冰Mengnong No.1
指标 Index	30%	40%	50%	60%	70%
MDA	1.04±0.05b	1.22±0.04b	0.71±0.13b	2.37±0.35a	2.42±0.31a
SOD	3.33±0.06d	4.79±0.04c	7.98±0.28b	8.21±0.18b	9.02±0.32a
POD	1.20±0.02d	1.42±0.04c	1.67±0.05a	1.56±0.03b	0.97±0.02e
SP	0.03±0.00ab	0.02±0.00bc	0.02±0.00c	0.02±0.00bc	0.03±0.00a
SS	0.85±0.02a	0.30±0.01c	0.11±0.01d	0.02±0.01e	0.58±0.04b
Pro	1.38±0.02c	2.72±0.08b	2.88±0.08b	4.40±0.02a	4.43±0.08a
Na⁺	6.97±0.23e	14.91±1.69c	10.70±0.67d	20.55±0.32b	24.79±0.87a
K⁺	0.76±0.00ab	0.68±0.00ab	0.77±0.00a	0.66±0.00bc	0.57±0.00c
SH	0.91±0.05a	0.82±0.07a	0.93±0.04a	0.79±0.05a	0.57±0.07b
RL	0.72±0.09b	1.14±0.11a	1.27±0.14a	0.94±0.01ab	0.92±0.07ab
RWC-R	1.14±0.02a	1.14±0.05a	1.01±0.03b	1.12±0.03ab	1.15±0.01a
RWC-S	1.04±0.03a	1.03±0.05a	0.89±0.11a	0.92±0.06a	1.03±0.02a
指标 Index	蒙农Hycrest-Mengnong
指标 Index	30%	40%	50%	60%	70%
MDA	1.12±0.06b	1.00±0.21b	0.94±0.02b	1.54±0.05a	1.69±0.07a
SOD	1.59±0.08d	2.44±0.08c	3.77±0.11b	3.82±0.12b	4.23±0.18a
POD	1.29±0.02d	1.44±0.05c	1.73±0.05a	1.60±0.02b	0.91±0.02e
SP	0.13±0.00a	0.07±0.02d	0.12±0.01b	0.09±0.00c	0.13±0.00a
SS	0.89±0.02a	0.31±0.13c	0.13±0.02cd	0.02±0.01d	0.57±0.04b
Pro	3.73±0.19c	4.59±0.02b	6.45±0.07a	6.46±0.06a	6.43±0.13a
Na⁺	3.08±0.10d	4.32±0.42bc	3.67±0.22cd	5.06±0.41b	6.32±0.34a
K⁺	0.75±0.00ab	0.73±0.00ab	0.82±0.00a	0.70±0.01b	0.72±0.00ab
SH	0.80±0.10a	0.79±0.04a	0.82±0.06a	0.73±0.00a	0.65±0.00a
RL	0.61±0.05ab	0.44±0.03b	0.54±0.06ab	0.50±0.08ab	0.62±0.03a
RWC-R	1.09±0.10a	1.01±0.02a	1.14±0.05a	1.10±0.03a	0.95±0.02a
RWC-S	1.02±0.01a	1.00±0.01a	1.01±0.03a	1.02±0.01a	1.01±0.01a

指标 Index	蒙冰Mengnong No.1
指标 Index	30%	40%	50%	60%	70%
MDA	1.04±0.05b	1.22±0.04b	0.71±0.13b	2.37±0.35a	2.42±0.31a
SOD	3.33±0.06d	4.79±0.04c	7.98±0.28b	8.21±0.18b	9.02±0.32a
POD	1.20±0.02d	1.42±0.04c	1.67±0.05a	1.56±0.03b	0.97±0.02e
SP	0.03±0.00ab	0.02±0.00bc	0.02±0.00c	0.02±0.00bc	0.03±0.00a
SS	0.85±0.02a	0.30±0.01c	0.11±0.01d	0.02±0.01e	0.58±0.04b
Pro	1.38±0.02c	2.72±0.08b	2.88±0.08b	4.40±0.02a	4.43±0.08a
Na⁺	6.97±0.23e	14.91±1.69c	10.70±0.67d	20.55±0.32b	24.79±0.87a
K⁺	0.76±0.00ab	0.68±0.00ab	0.77±0.00a	0.66±0.00bc	0.57±0.00c
SH	0.91±0.05a	0.82±0.07a	0.93±0.04a	0.79±0.05a	0.57±0.07b
RL	0.72±0.09b	1.14±0.11a	1.27±0.14a	0.94±0.01ab	0.92±0.07ab
RWC-R	1.14±0.02a	1.14±0.05a	1.01±0.03b	1.12±0.03ab	1.15±0.01a
RWC-S	1.04±0.03a	1.03±0.05a	0.89±0.11a	0.92±0.06a	1.03±0.02a
指标 Index	蒙农Hycrest-Mengnong
指标 Index	30%	40%	50%	60%	70%
MDA	1.12±0.06b	1.00±0.21b	0.94±0.02b	1.54±0.05a	1.69±0.07a
SOD	1.59±0.08d	2.44±0.08c	3.77±0.11b	3.82±0.12b	4.23±0.18a
POD	1.29±0.02d	1.44±0.05c	1.73±0.05a	1.60±0.02b	0.91±0.02e
SP	0.13±0.00a	0.07±0.02d	0.12±0.01b	0.09±0.00c	0.13±0.00a
SS	0.89±0.02a	0.31±0.13c	0.13±0.02cd	0.02±0.01d	0.57±0.04b
Pro	3.73±0.19c	4.59±0.02b	6.45±0.07a	6.46±0.06a	6.43±0.13a
Na⁺	3.08±0.10d	4.32±0.42bc	3.67±0.22cd	5.06±0.41b	6.32±0.34a
K⁺	0.75±0.00ab	0.73±0.00ab	0.82±0.00a	0.70±0.01b	0.72±0.00ab
SH	0.80±0.10a	0.79±0.04a	0.82±0.06a	0.73±0.00a	0.65±0.00a
RL	0.61±0.05ab	0.44±0.03b	0.54±0.06ab	0.50±0.08ab	0.62±0.03a
RWC-R	1.09±0.10a	1.01±0.02a	1.14±0.05a	1.10±0.03a	0.95±0.02a
RWC-S	1.02±0.01a	1.00±0.01a	1.01±0.03a	1.02±0.01a	1.01±0.01a

指标Indexes	SOD	POD	SS	RWC-R	RWC-S	Pro	Na⁺	K⁺	MDA	SP	RL
POD	0.296
SS	-0.560*	-0.643**
RWC-R	-0.051	0.598*	-0.176
RWC-S	-0.201	0.131	-0.056	-0.180
Pro	0.485	0.130	-0.662**	0.002	0.048
Na⁺	0.212	-0.489	-0.149	-0.331	-0.053	0.574*
K⁺	0.002	0.338	-0.008	0.501	-0.058	0.001	-0.169
MDA	-0.107	-0.500	0.099	-0.254	0.170	0.422	0.805**	-0.337
SP	-0.304	0.394	0.284	0.360	0.037	-0.562*	-0.938**	0.436	-0.764**
RL	-0.321	-0.431	0.431	-0.204	-0.120	0.082	-0.020	-0.226	0.241	0.091
SH	-0.115	0.381	-0.053	0.500	0.044	-0.305	-0.594*	0.291	-0.558*	0.570*	-0.393

指标Indexes	SOD	POD	SS	RWC-R	RWC-S	Pro	Na⁺	K⁺	MDA	SP	RL
POD	0.296
SS	-0.560*	-0.643**
RWC-R	-0.051	0.598*	-0.176
RWC-S	-0.201	0.131	-0.056	-0.180
Pro	0.485	0.130	-0.662**	0.002	0.048
Na⁺	0.212	-0.489	-0.149	-0.331	-0.053	0.574*
K⁺	0.002	0.338	-0.008	0.501	-0.058	0.001	-0.169
MDA	-0.107	-0.500	0.099	-0.254	0.170	0.422	0.805**	-0.337
SP	-0.304	0.394	0.284	0.360	0.037	-0.562*	-0.938**	0.436	-0.764**
RL	-0.321	-0.431	0.431	-0.204	-0.120	0.082	-0.020	-0.226	0.241	0.091
SH	-0.115	0.381	-0.053	0.500	0.044	-0.305	-0.594*	0.291	-0.558*	0.570*	-0.393

主成分 Principal component	特征值 Eigenvalues	贡献率 Contribution （%）	累积贡献率 Cumulative contribution （%）
PC1	3.705	30.874	30.874
PC2	2.449	20.411	51.285
PC3	2.007	16.727	68.012
PC4	1.286	10.713	78.725