高粱苗期耐低磷能力的綜合評價及代表性評價指標篩選

張景龍,沈益新,劉信寶,遲英俊*

(1.南京農業大學草業學院,江蘇 南京 210095; 2.云南師范大學,云南 昆明 650500)

高粱(Sorghumbicolor)是禾本科C4植物,具有抗逆性強、光合效率高和雜種優勢強等特點,是世界第五大谷物作物,具有粒用高粱和飼用高粱之分,在世界農產品體系中具有重要地位[25-27]。供磷水平與高粱的籽粒產量顯著相關[20],同時也影響與青貯飼料發酵品質極相關的可溶性糖含量[28-29]?？梢?選育耐低磷高粱品種對保障糧食安全以及畜牧業的發展具有重要意義。以往對耐低磷高粱品種的選育往往是以干重、植株磷含量、產量或磷利用效率等單一指標作為評價標準[20,30-31]。然而,植物對磷缺乏環境的響應是一個復雜的過程[32],單一指標不能可靠地反映特定品種或基因型的遺傳本質[33]。近年來,耐性指數、主成分分析法和隸屬函數法等的綜合運用提高了植物目標性狀評價的準確度[34-35],并逐步應用在植物低磷耐性的綜合評價中。例如,武兆云等[36]利用主成分分析法將測定的11個單項指標轉化為3個綜合性指標,綜合評價了大豆(Glycinemax)的低磷耐性;鄭金鳳等[33]利用主成分分析法,將葉片可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量、光合速率等 14 個單項生理轉換成為 7個相互獨立的綜合指標,對小麥(Triticumaestivum)代換系的耐低磷特性進行綜合評價。目前,對于高粱耐低磷的綜合評價尚未見報道。因此,本研究以29份高粱品種為試驗材料,測定苗期高粱的11個性狀指標,利用多個指標對高粱低磷耐性進行綜合評價,篩選出對低磷耐性高的高粱品種,并篩選出可方便、快速測定高粱低磷耐性的單項指標,旨在為優質耐低磷高粱品種的選育提供參考和指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料見表1。其中,S1—S28號由中國農業科學院國家種質庫提供,S29號從美國引進。

表1 供試材料的編號、名稱及地理來源Table 1 Experimental number,name and sources of materials used in the study

1.2 試驗方法

在南京農業大學牌樓試驗基地的溫室,利用盆栽土培法種植不同品種高粱。供試土壤取自牌樓基地,風干后過篩(直徑約2 mm),混入1/3的河沙?；旌贤寥赖目偟?.01 g·kg-1,總磷含量為1.25 mg·kg-1,總鉀含量0.83 g·kg-1。

試驗參考Hufnagel等和Leiser等的方法[20,23],利用直徑28 cm,高30 cm的聚乙烯盆進行,每盆裝混合土壤5 kg。本試驗設置低磷(3 mg·kg-1)和足磷(30 mg·kg-1)2個磷處理水平,以足磷處理為對照,每盆添加30 mg·kg-1的氮素維持植株正常生長,每個處理設置3個生物學重復。按比例計算每盆所需量的磷肥與尿素,與混合土壤充分混勻后裝盆。選取籽粒飽滿的高粱種子,用75%乙醇消毒后,每盆播種8顆,分4穴播種。播種后一周定苗,每盆留2株長勢一致的高粱苗。定期、適量澆水,防止病蟲害,播種40 d后整株收獲。

1.3 測量指標與統計方法

1.3.1農藝性狀的測定 莖粗(Stem diameter,SD):用游標卡尺測定距根2 cm處的莖粗。

苗高(Seedling height,SH):用直尺測量高粱收獲時地上部的絕對高度。

1.3.2根系形態的測定 收獲后,立即將根部沖洗干凈,再用去離子水洗3次,把地上部與根部分離。將根部放入裝有去離子水的透明方形盤中,充分散開,使根系之間無交叉、重疊,利用EPSON掃描儀掃描根系,形成的根系電子圖像采用WinRHIZO(V5.0,Regent Instruments,Canada)軟件分析。

1.3.3生物量的測定 用吸水紙吸去地上部、根部的表面水分,稱量地上部鮮重(Shoot fresh weight,SFW)及根鮮重(Root fresh weight,RFW)后,分別置于帶孔的信封中,105℃殺青30 min后,65℃烘至恒重,稱地上部干重(Shoot dry weight,SDW)及根干重(Root dry weight,RDW),并計算根冠鮮重比(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磷元素的測定 將烘干后地上部樣品充分粉碎并混勻,稱取約0.1 g的干粉加入2 mL濃硝酸在微波消解爐中充分消解。將消解液轉移至容量瓶中,用去離子水定溶至20 mL,該混合液為樣品待測液。利用等離子體電感耦合發射光譜儀(Optima 8000,PerkinElmer,USA)測定樣品待測液的磷濃度c(mg·kg-1),計算地上部磷濃度(P concentration of shoot,PCS)及地上部總磷量(Total P content of shoot,TPCS),參考武兆云等[36]方法計算地上部磷利用率(P Utilization Rate of Shoot,PWR-S)。計算公式如下:

PCS(mg·kg-1)=c×20/0.1

TPCS(mg)=PCS×m

式中m為稱取地上部干粉的準確重量

PWR-S(%)=SDW/TPCS×100%

1.4 數據計算及分析

測量指標的耐低磷系數(Low phosphorus tolerance coefficients,LPTC)的計算公式為:

利用主成分分析法,通過將X維特征映射到具有正交特征的C維主成分上,實現對數據的降維處理,將原來多個彼此相關的指標轉換成新的少數幾個彼此獨立的綜合指標CX。綜合指標的隸屬函數值UX計算公式如下,式中Xj表示第j個綜合指標;Xmin表示第j個綜合指標的最小值;Xmax表示第j個綜合指標的最大值:

UXj=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2…n

綜合指標的權重計算公式如下,其中Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重;Pj為各基因型第j個綜合指標的貢獻率[32]:

Wj=Pj/∑|Pj|j=1,2…n

綜合耐低磷能力的大小計算公式如下,式中,D表示在低磷脅迫條件下各品種耐低磷能力的綜合評價值:

參考鄭金鳳等[33]計算方法,試驗數據利用Microsoft Office Excel(Excel 2007,USA)軟件進行基本數據處理,利用SPSS進行相關性分析、方差分析及主成分分析,并計算隸屬函數值、權重和綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 各單項指標的耐低磷系數及其相關系數分析

低磷耐性系數是評價低磷耐性的重要指標,由表2可知:在兩年試驗數據中,莖粗、苗高、根部鮮/干重、地上部鮮/干重及地上部總磷含量的耐低磷系數均小于1;不同的單項指標耐低磷系數值的最大值(或最小值)并非同一高粱品種。這說明低磷脅迫會導致高粱的莖粗、苗高、根部鮮/干重、地上部鮮/干重及地上部總磷含量降低,但利用不同單項指標的耐低磷系數評價高粱的低磷耐性會得到不同的結果。

表2 不同高粱品種各單項指標的耐低磷系數Table 2 LPTC of each index in different sorghum varieties

續表2

對各指標耐低磷系數間的相關性進行分析,結果由表3可知:各指標間存在相關性,但其顯著性不同。莖粗、苗高、根鮮重、根干重、地上部鮮重、地上部干重和地上部總磷含量的耐低磷系數呈顯著或極顯著正相關;地上部磷濃度與地上部總磷含量的耐低磷系數呈顯著正相關,與磷利用效率的耐低磷系數呈極顯著負相關。這說明單項指標的耐低磷系數間存在一定的相關關系,所反映的信息重疊,導致直接利用這些指標很難客觀、準確的評價不同品種的耐低磷特性[33,36]。

表3 單項指標耐低磷系數的相關系數矩陣Table 3 Correlation matrix of LPTC of each index

2.2 主成分分析

方差分析結果表明(表4):各單項指標的耐低磷系數,在兩年的試驗中均存在顯著性的品種間差異。因此,可以利用主成分分析法,將原始各指標轉換為較少的綜合指標,計算各高粱品種的綜合低磷耐性值。

表4 耐低磷系數的方差分析Table 4 Variance analysis of the LPTC

對11個單項指標的耐低磷系數進行主成分分析(表5)發現,前3個綜合指標的累計方差貢獻率達約80%,即反映出11單項指標的絕大部分信息。由表5、表6可知:在兩年試驗中,第一主成分中載荷高的性狀均為莖粗、苗高、地上部鮮/干重、根鮮/干重和地上部總磷含量,多與植物生物量有關且均為正向標,因此稱第一主成分為生物量因子;第二主成分中,與植物根系生長情況有關根冠鮮、干重比的載荷在兩年試驗中均較高,因此將第二主成分命名為根因子;在第三主成分中,地上部磷濃度和地上部磷利用效率的載荷均在兩年試驗中排序前三,而其均與植物中磷的吸收有關,因此將第三主成分命名為磷因子。

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

表6 各因子載荷矩陣Table 6 Component matrix

2.3 不同高粱品種低磷耐性的綜合評價

根據主成分分析結果,將11個指標轉換成3個綜合指標,用C1～C3來表示,其對應的特征向量為:

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

按公式計算出各個品種的綜合耐低磷評價值D,結果由表7可知:不同高粱品種的低磷耐性不同,相同品種在不同年際間的低磷耐性也存在差異;本研究中,高粱編號S19(‘甜選 7’)、S5(‘阿魯甜高粱 01’)、S7(‘法庫甜稈’)的品種,在兩年試驗中均表現出較強的低磷耐性;編號S16(‘商南甘芝甜高粱’)、S25(‘三峽甜高粱 01’)、S26(‘三峽甜高粱 02’)的品種則均表現出較弱的低磷耐性。其中,‘甜選 7’在兩年盆栽試驗中低磷耐性均最強,而‘三峽甜高粱 02’在兩年盆栽試驗中低磷耐性均最弱。因此,‘甜選 7’和‘三峽甜高粱 02’分別被確定為低磷耐性高粱品種與低磷敏感性高粱品種。

2.4 單項指標耐低磷系數與D值的相關性

分析各單項指標耐低磷系數與D值的相關性發現(表8):在兩年試驗中,單項指標耐低磷系數與綜合低磷耐性值的相關性結果均為:地上部總磷量>地上干重>地上鮮重>0.8,且與綜合低磷耐性值的極顯著相關。這說明地上部總磷量、地上干重、地上鮮重3個指標的耐低磷系數較為穩定,可作為高粱綜合低磷耐性評價的代表指標。

表8 耐低磷系數的方差分析Table 8 Variance analysis of the LPTC

3 討論

本研究結果表明,低磷脅迫會導致高粱莖桿變細,植株變矮,地上部生物量減少,地上部磷含量降低,從而影響產量。低磷脅迫下,同一高粱品種不同指標的單項耐低磷系數變化程度不同,導致利用不同指標的單項耐低磷系數評價高粱低磷耐性會得到不同的結果。這是由于各指標的耐低磷系數間所反映的信息存在一定程度的重疊造成的。因此,單項指標無法準確、全面地評價高粱的低磷耐性[33,36]。

主成分分析可以將存在相關關系的多個變量轉化成幾個新的綜合變量,綜合變量可反映原有多個變量的主要信息,從而綜合、科學地評價作物的抗逆性[37-39]。本研究利用主成分分析把測定的11個指標歸納成3個綜合指標,反應了所有測得指標80%以上的信息。通過分析,前3個主成分被分別命名為生物量因子、根因子和磷因子。其中,生物量因子在兩年試驗中的貢獻率都是最高的,說明生物量因子是評價高粱耐低磷性的重要指標。這一結果與大豆的研究結果相似[36]。

本研究利用主成分分析獲得綜合指標的計算公式及貢獻度,計算各綜合指標的權重,最終獲得高粱的綜合低磷耐性值,結果發現不同年際間的高粱低磷耐性不同,說明高粱低磷耐性的強弱受遺傳與環境共同影響。本研究篩選出的低磷耐性高粱品種‘甜選 7’和低磷敏感性高粱品種‘三峽甜高粱 02’,可作為開展高粱低磷耐性的相關研究的試驗材料。

各單項指標耐低磷系數與綜合低磷耐性值的相關性分析結果表明,地上部總磷量、地上干重、地上鮮重的耐低磷系數與綜合低磷耐性值的極顯著相關,且在不同年際間表現穩定,可以作為快速評價高粱低磷耐性的單項指標。其中,地上部總磷量的測定需要較為繁瑣的試驗,地上干重的獲得也需要通過長時間的烘干處理,而地上鮮重的測定耗時短、操作簡便、試驗過程產生的誤差小。因此,推薦地上鮮重的耐低磷系數作為快速評價高粱低磷耐性的代表性評價指標。

4 結論

由于單項指標的耐低磷系數所反映的信息之間存在一定程度的重疊,本研究利用主成分分析把測定的11個指標歸納成3個綜合指標,對29份高粱品種低磷耐性進行綜合評價,篩選出低磷耐性高粱品種‘甜選 7’和低磷敏感性高粱品種‘三峽甜高粱 02’,為高粱低磷耐性的相關研究提供種質材料。結合相關性分析結果和實際操作,推薦地上鮮重的耐低磷系數作為快速評價高粱低磷耐性的代表性評價指標。