高粱苗期耐低磷能力的综合评价及代表性评价指标筛选

张景龙,沈益新,刘信宝,迟英俊*

(1.南京农业大学草业学院,江苏 南京 210095; 2.云南师范大学,云南 昆明 650500)

高粱(Sorghumbicolor)是禾本科C4植物,具有抗逆性强、光合效率高和杂种优势强等特点,是世界第五大谷物作物,具有粒用高粱和饲用高粱之分,在世界农产品体系中具有重要地位[25-27]。供磷水平与高粱的籽粒产量显著相关[20],同时也影响与青贮饲料发酵品质极相关的可溶性糖含量[28-29]。可见,选育耐低磷高粱品种对保障粮食安全以及畜牧业的发展具有重要意义。以往对耐低磷高粱品种的选育往往是以干重、植株磷含量、产量或磷利用效率等单一指标作为评价标准[20,30-31]。然而,植物对磷缺乏环境的响应是一个复杂的过程[32],单一指标不能可靠地反映特定品种或基因型的遗传本质[33]。近年来,耐性指数、主成分分析法和隶属函数法等的综合运用提高了植物目标性状评价的准确度[34-35],并逐步应用在植物低磷耐性的综合评价中。例如,武兆云等[36]利用主成分分析法将测定的11个单项指标转化为3个综合性指标,综合评价了大豆(Glycinemax)的低磷耐性;郑金凤等[33]利用主成分分析法,将叶片可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、光合速率等 14 个单项生理转换成为 7个相互独立的综合指标,对小麦(Triticumaestivum)代换系的耐低磷特性进行综合评价。目前,对于高粱耐低磷的综合评价尚未见报道。因此,本研究以29份高粱品种为试验材料,测定苗期高粱的11个性状指标,利用多个指标对高粱低磷耐性进行综合评价,筛选出对低磷耐性高的高粱品种,并筛选出可方便、快速测定高粱低磷耐性的单项指标,旨在为优质耐低磷高粱品种的选育提供参考和指导。

1.1 试验材料

试验材料见表1。其中,S1—S28号由中国农业科学院国家种质库提供,S29号从美国引进。

表1 供试材料的编号、名称及地理来源Table 1 Experimental number,name and sources of materials used in the study

1.2 试验方法

在南京农业大学牌楼试验基地的温室,利用盆栽土培法种植不同品种高粱。供试土壤取自牌楼基地,风干后过筛(直径约2 mm),混入1/3的河沙。混合土壤的总氮含量1.01 g·kg-1,总磷含量为1.25 mg·kg-1,总钾含量0.83 g·kg-1。

试验参考Hufnagel等和Leiser等的方法[20,23],利用直径28 cm,高30 cm的聚乙烯盆进行,每盆装混合土壤5 kg。本试验设置低磷(3 mg·kg-1)和足磷(30 mg·kg-1)2个磷处理水平,以足磷处理为对照,每盆添加30 mg·kg-1的氮素维持植株正常生长,每个处理设置3个生物学重复。按比例计算每盆所需量的磷肥与尿素,与混合土壤充分混匀后装盆。选取籽粒饱满的高粱种子,用75%乙醇消毒后,每盆播种8颗,分4穴播种。播种后一周定苗,每盆留2株长势一致的高粱苗。定期、适量浇水,防止病虫害,播种40 d后整株收获。

1.3 测量指标与统计方法

1.3.1农艺性状的测定 茎粗(Stem diameter,SD):用游标卡尺测定距根2 cm处的茎粗。

苗高(Seedling height,SH):用直尺测量高粱收获时地上部的绝对高度。

1.3.2根系形态的测定 收获后,立即将根部冲洗干净,再用去离子水洗3次,把地上部与根部分离。将根部放入装有去离子水的透明方形盘中,充分散开,使根系之间无交叉、重叠,利用EPSON扫描仪扫描根系,形成的根系电子图像采用WinRHIZO(V5.0,Regent Instruments,Canada)软件分析。

1.3.3生物量的测定 用吸水纸吸去地上部、根部的表面水分,称量地上部鲜重(Shoot fresh weight,SFW)及根鲜重(Root fresh weight,RFW)后,分别置于带孔的信封中,105℃杀青30 min后,65℃烘至恒重,称地上部干重(Shoot dry weight,SDW)及根干重(Root dry weight,RDW),并计算根冠鲜重比(Root/shoot with fresh weight,R/S FW)和根冠干重比(Root/Shoot with Dry Weight,R/S DW)。

1.3.4磷元素的测定 将烘干后地上部样品充分粉碎并混匀,称取约0.1 g的干粉加入2 mL浓硝酸在微波消解炉中充分消解。将消解液转移至容量瓶中,用去离子水定溶至20 mL,该混合液为样品待测液。利用等离子体电感耦合发射光谱仪(Optima 8000,PerkinElmer,USA)测定样品待测液的磷浓度c(mg·kg-1),计算地上部磷浓度(P concentration of shoot,PCS)及地上部总磷量(Total P content of shoot,TPCS),参考武兆云等[36]方法计算地上部磷利用率(P Utilization Rate of Shoot,PWR-S)。计算公式如下:

PCS(mg·kg-1)=c×20/0.1

TPCS(mg)=PCS×m

式中m为称取地上部干粉的准确重量

PWR-S(%)=SDW/TPCS×100%

1.4 数据计算及分析

测量指标的耐低磷系数(Low phosphorus tolerance coefficients,LPTC)的计算公式为:

利用主成分分析法,通过将X维特征映射到具有正交特征的C维主成分上,实现对数据的降维处理,将原来多个彼此相关的指标转换成新的少数几个彼此独立的综合指标CX。综合指标的隶属函数值UX计算公式如下,式中Xj表示第j个综合指标;Xmin表示第j个综合指标的最小值;Xmax表示第j个综合指标的最大值:

UXj=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2…n

综合指标的权重计算公式如下,其中Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重;Pj为各基因型第j个综合指标的贡献率[32]:

Wj=Pj/∑|Pj|j=1,2…n

综合耐低磷能力的大小计算公式如下,式中,D表示在低磷胁迫条件下各品种耐低磷能力的综合评价值:

参考郑金凤等[33]计算方法,试验数据利用Microsoft Office Excel(Excel 2007,USA)软件进行基本数据处理,利用SPSS进行相关性分析、方差分析及主成分分析,并计算隶属函数值、权重和综合评价值。

2.1 各单项指标的耐低磷系数及其相关系数分析

低磷耐性系数是评价低磷耐性的重要指标,由表2可知:在两年试验数据中,茎粗、苗高、根部鲜/干重、地上部鲜/干重及地上部总磷含量的耐低磷系数均小于1;不同的单项指标耐低磷系数值的最大值(或最小值)并非同一高粱品种。这说明低磷胁迫会导致高粱的茎粗、苗高、根部鲜/干重、地上部鲜/干重及地上部总磷含量降低,但利用不同单项指标的耐低磷系数评价高粱的低磷耐性会得到不同的结果。

表2 不同高粱品种各单项指标的耐低磷系数Table 2 LPTC of each index in different sorghum varieties

续表2

对各指标耐低磷系数间的相关性进行分析,结果由表3可知:各指标间存在相关性,但其显著性不同。茎粗、苗高、根鲜重、根干重、地上部鲜重、地上部干重和地上部总磷含量的耐低磷系数呈显著或极显著正相关;地上部磷浓度与地上部总磷含量的耐低磷系数呈显著正相关,与磷利用效率的耐低磷系数呈极显著负相关。这说明单项指标的耐低磷系数间存在一定的相关关系,所反映的信息重叠,导致直接利用这些指标很难客观、准确的评价不同品种的耐低磷特性[33,36]。

表3 单项指标耐低磷系数的相关系数矩阵Table 3 Correlation matrix of LPTC of each index

2.2 主成分分析

方差分析结果表明(表4):各单项指标的耐低磷系数,在两年的试验中均存在显著性的品种间差异。因此,可以利用主成分分析法,将原始各指标转换为较少的综合指标,计算各高粱品种的综合低磷耐性值。

表4 耐低磷系数的方差分析Table 4 Variance analysis of the LPTC

对11个单项指标的耐低磷系数进行主成分分析(表5)发现,前3个综合指标的累计方差贡献率达约80%,即反映出11单项指标的绝大部分信息。由表5、表6可知:在两年试验中,第一主成分中载荷高的性状均为茎粗、苗高、地上部鲜/干重、根鲜/干重和地上部总磷含量,多与植物生物量有关且均为正向标,因此称第一主成分为生物量因子;第二主成分中,与植物根系生长情况有关根冠鲜、干重比的载荷在两年试验中均较高,因此将第二主成分命名为根因子;在第三主成分中,地上部磷浓度和地上部磷利用效率的载荷均在两年试验中排序前三,而其均与植物中磷的吸收有关,因此将第三主成分命名为磷因子。

表5 主成分分析Table 5 Results of principal components analysis

表6 各因子载荷矩阵Table 6 Component matrix

2.3 不同高粱品种低磷耐性的综合评价

根据主成分分析结果,将11个指标转换成3个综合指标,用C1～C3来表示,其对应的特征向量为:

第一年:

C1=0.470X1+0.749X2+0.890X3+0.859X4+0.748X5+0.839X6+0.362X7+0.271X8+0.560X9-0.432X10+0.320X11

C2=0.210X1+0.252X2-0.205X3-0.291X4+0.423X5+0.400X6-0.689X7-0.772X8+0.727X9+0.587X10-0.630X11

C3=-0.246X1+0.115X2+0.269X3+0.281X4-0.196X5-0.087X6+0.479X7+0.349X8+0.133X9+0.648X10-0.675X11

第二年:

C1=0.766X1+0.494X2+0.736X3+0.751X4+0.946X5+0.948X6-0.406X7-0.438X8+0.751X9-0.400X10+0.859X11

C2=-0.008X1-0.228X2+0.585X3+0.561X4+0.025X5-0.020X6+0.767X7+0.729X8+0.091X9+0.217X10-0.103X11

C3=0.106X1+0.090X2-0.043X3-0.093X4+0.003X5+0.100X6-0.040X7-0.215X8+0.612X9+0.881X10-0.394X11

按公式计算出各个品种的综合耐低磷评价值D,结果由表7可知:不同高粱品种的低磷耐性不同,相同品种在不同年际间的低磷耐性也存在差异;本研究中,高粱编号S19(‘甜选 7’)、S5(‘阿鲁甜高粱 01’)、S7(‘法库甜秆’)的品种,在两年试验中均表现出较强的低磷耐性;编号S16(‘商南甘芝甜高粱’)、S25(‘三峡甜高粱 01’)、S26(‘三峡甜高粱 02’)的品种则均表现出较弱的低磷耐性。其中,‘甜选 7’在两年盆栽试验中低磷耐性均最强,而‘三峡甜高粱 02’在两年盆栽试验中低磷耐性均最弱。因此,‘甜选 7’和‘三峡甜高粱 02’分别被确定为低磷耐性高粱品种与低磷敏感性高粱品种。

2.4 单项指标耐低磷系数与D值的相关性

分析各单项指标耐低磷系数与D值的相关性发现(表8):在两年试验中,单项指标耐低磷系数与综合低磷耐性值的相关性结果均为:地上部总磷量>地上干重>地上鲜重>0.8,且与综合低磷耐性值的极显著相关。这说明地上部总磷量、地上干重、地上鲜重3个指标的耐低磷系数较为稳定,可作为高粱综合低磷耐性评价的代表指标。

表8 耐低磷系数的方差分析Table 8 Variance analysis of the LPTC

本研究结果表明,低磷胁迫会导致高粱茎杆变细,植株变矮,地上部生物量减少,地上部磷含量降低,从而影响产量。低磷胁迫下,同一高粱品种不同指标的单项耐低磷系数变化程度不同,导致利用不同指标的单项耐低磷系数评价高粱低磷耐性会得到不同的结果。这是由于各指标的耐低磷系数间所反映的信息存在一定程度的重叠造成的。因此,单项指标无法准确、全面地评价高粱的低磷耐性[33,36]。

主成分分析可以将存在相关关系的多个变量转化成几个新的综合变量,综合变量可反映原有多个变量的主要信息,从而综合、科学地评价作物的抗逆性[37-39]。本研究利用主成分分析把测定的11个指标归纳成3个综合指标,反应了所有测得指标80%以上的信息。通过分析,前3个主成分被分别命名为生物量因子、根因子和磷因子。其中,生物量因子在两年试验中的贡献率都是最高的,说明生物量因子是评价高粱耐低磷性的重要指标。这一结果与大豆的研究结果相似[36]。

本研究利用主成分分析获得综合指标的计算公式及贡献度,计算各综合指标的权重,最终获得高粱的综合低磷耐性值,结果发现不同年际间的高粱低磷耐性不同,说明高粱低磷耐性的强弱受遗传与环境共同影响。本研究筛选出的低磷耐性高粱品种‘甜选 7’和低磷敏感性高粱品种‘三峡甜高粱 02’,可作为开展高粱低磷耐性的相关研究的试验材料。

各单项指标耐低磷系数与综合低磷耐性值的相关性分析结果表明,地上部总磷量、地上干重、地上鲜重的耐低磷系数与综合低磷耐性值的极显著相关,且在不同年际间表现稳定,可以作为快速评价高粱低磷耐性的单项指标。其中,地上部总磷量的测定需要较为繁琐的试验,地上干重的获得也需要通过长时间的烘干处理,而地上鲜重的测定耗时短、操作简便、试验过程产生的误差小。因此,推荐地上鲜重的耐低磷系数作为快速评价高粱低磷耐性的代表性评价指标。

由于单项指标的耐低磷系数所反映的信息之间存在一定程度的重叠,本研究利用主成分分析把测定的11个指标归纳成3个综合指标,对29份高粱品种低磷耐性进行综合评价,筛选出低磷耐性高粱品种‘甜选 7’和低磷敏感性高粱品种‘三峡甜高粱 02’,为高粱低磷耐性的相关研究提供种质材料。结合相关性分析结果和实际操作,推荐地上鲜重的耐低磷系数作为快速评价高粱低磷耐性的代表性评价指标。

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