結縷草屬植物水分利用效率與地上部形態(tài)特征的關系分析

胡化廣 張振銘 季芳芳 劉建秀

摘 ?要 ?在對結縷草屬植物水分利用效率（WUE）評價的基礎上，選取其代表種源為試驗材料，對其中的11個性狀（葉長，葉寬，葉面積，近軸面葉毛密度，遠軸面葉毛密度，節(jié)間長度，節(jié)間直徑，生殖枝高度，花序長度，花序柄長度，小穗數(shù)）進行了測定，采用簡單相關分析、多元線性回歸分析、多元逐步回歸分析、主成分分析以及通徑分析，綜合分析了結縷草屬植物水分利用效率與其地上部11個形狀的關系，為結縷草屬植物的高水分利用效率種源篩選提供簡單可行的形態(tài)標記。結果表明：葉長、葉寬、近軸面葉毛密度和葉面積是與結縷草屬植物水分利用效率顯著相關的形態(tài)指標，而其他形態(tài)特征對水分利用效率影響較小。基于統(tǒng)計分析的結果，主成分分析是最適合用于確定水分利用效率與形態(tài)特征關系的分析方法。葉片長度、寬度，葉面積和近軸面葉毛密度可以作為高水分利用效率結縷草種源的形態(tài)特征。

關鍵詞 ?結縷草水分利用效率;地上部形態(tài);關系分析

中圖分類號 ?S688.4 ? ? ? ? ?文獻標識碼 ?A

Relationships Between Water Use Efficiency and

Aboveground Morphological Traits of Zoysia Willd.

HU Huaguang1，ZHANG Zhenming1，JI Fangfang1，LIU Jianxiu2*

1 ?College of Ocean and Bioengineering，Yancheng Teachers University，Yancheng，Jiangsu 224051，China

2 ?Institute of Botany， Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences， Nanjing

Botanical Garden，Nanjing，Jiangsu 210014，China

Abstract ?On the basis of the evaluation on water use efficiency（WUE） of Zoysia Willd.，representative accessions were selected as the test materials to measure eleven traits（leaf length，leaf width，leaf area，adaxial leaf hair density，abaxial leaf hair density，internode length and diameter，reproductive branch length，inflorescence length，peduncle length，spikelet number）. Five analysis methods，including simple correlation analysis，multiple linear regression analysis，stepwise regression analysis，principal component analysis and path analysis were used to analyze the relationships between aboveground morphological traits and WUE of Zoysia Willd.，which could provide simple and feasible morphological markers for accessions choice WUE of Zoysia Willd. The results showed that leaf length，leaf width，leaf area and adaxial leaf hair density were related significantly to WUE of Zoysia Willd.，but other morphological traits were not related significantly to WUE of Zoysia Willd. Based on the results of statistical analyses，principal component analysis was the most suitable method to ascertain the relationships between WUE of Zoysia Willd. and morphological traits. Leaf length，leaf width，leaf area and adaxial leaf hair density could be morphological traits of high WUE of Zoysia Willd..

Key words ?WUE of Zoysia Willd.;Aboveground morphological traits;Relationship analysis

doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.013

水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）是植物對水分吸收利用過程效率的一個生理性狀，可分為瞬間水分利用效率和長期水分利用效率[1]。瞬間水分利用效率是指光合速率與蒸騰速率的比值，用光合測定儀測定植物葉片光合速率和蒸騰速率后即能算出瞬間水分利用效率;而長期水分利用效率是指在一段時間內作物消耗單位水分（耗水量）所生產的同化物質（干物質）的量，在對大批資源進行評價時要花費較長的時間，消耗大量的人力和物力，過程較為繁瑣。

關于水分利用效率與形態(tài)特征的關系已有很多研究，研究表明小麥整株水平的WUE與根干重、根長和根冠比均呈顯著線性負相關關系[2]。于曉芳等[3]的研究表明，在中度干旱脅迫下玉米葉片的水分利用效率與其穗位高、雄穗分枝數(shù)、單穗粒重、穗粒數(shù)和穗行數(shù)呈正相關。幕自新等[4]研究表明玉米根系形態(tài)性狀（總根長、根系表面積和根系干物質重）與植物整體水分利用效率具有顯著或極顯著的相關性。羊草的水分利用效率和羊草葉片的氣孔密度有關，并且羊草氣孔數(shù)量的增多，會使其水分利用效率提高[5]。Malse等[6]研究發(fā)現(xiàn)，小麥比葉重與葉片WUE呈正相關，與碳同位素分辨率呈負相關關系;Rao等[7]研究發(fā)現(xiàn)，花生比葉重與葉片WUE成正比例關系。比葉重有望成為測定植物水分利用效率的一個替代方法。結縷草是起源于中國的優(yōu)良暖季型草坪草，中國境內有5個種，2個變種，主要分布于中國東部沿海地區(qū)。結縷草因具有較強的耐旱、耐鹽堿、耐踐踏、耐瘠等諸多的優(yōu)點而在中國熱帶和過渡帶被廣泛應用。但是到目前為止還未見關于結縷草水分利用效率與地上部形態(tài)特征關系的研究。

本研究在對中國結縷草屬植物長期水分利用效率評價的基礎上，選取15份代表種源，對其地上部11個形態(tài)特征進行了觀測，采用簡單相關分析、多元線性回歸分析、多元逐步回歸分析、主成分分析以及通徑分析5種分析方法，分析了結縷草的水分利用效率和地上部形態(tài)特征的關系，以期為結縷草水分利用效率種源評價、高水分利用效率種源篩選以及基因定位提供簡單的形態(tài)標記。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

1.1.1 ?試驗地概況 ? 試驗在江蘇省中國科學院植物研究所（南京中山植物園）進行。該所（園）位于南京市紫金山南麓（北緯32°01′，東經118°48′），海拔55 m，屬亞熱帶季風溫暖濕潤氣候，四季分明，年均降水量1 013 mm，年均氣溫15.4 ℃，年最高氣溫是40.7 ℃，年最低氣溫為-14.0 ℃。

1.1.2 ?試驗材料選擇 ? 根據(jù)2012年對54份中國結縷草屬植物長期水分利用效率評價的結果[8]，依據(jù)各種源水分利用效率的大小，從結縷草資源圃選擇有代表性的15份結縷草，其中5份為高水分利用效率種源，5份為中水分利用效率種源，5份為低水分利用效率種源，各類型種源水分利用效率之間有顯著差異，各類型內種源水分利用效率間無顯著差異，材料來源見表1。

1.2 ?方法

1.2.1 ?種植管理 ? 取待試材料草皮塊種植于高40 cm、直徑為10 cm的PVC管中，管底部設有圓孔以便排水，栽培基質河沙與草炭體積比為 2 ∶ 1，試驗隨機區(qū)組設計，每份材料4次重復。在田間培養(yǎng)一個月，待各材料的蓋度均達到100%后移入溫室，地面鋪有5 cm厚的磚塊與地表隔絕，除施肥澆水外，不做其他處理。

1.2.2 ?測定方法 ? （1）水分利用效率（WUE）的測定。試驗開始時對每管材料進行修剪，使其保持3 cm的高度，將修剪下來的葉片移出管外;修剪結束后給每管材料施用0.5 g的氮磷鉀（N-P2O5-K2O，24-8-16）復合肥（液體），整個試驗過程中不再施肥，施肥后充分澆水;待管內水分完全下滲后，用上海民橋精密儀器公司生產的SL-15-2型電子天平對每管進行稱重，3 d后在同一時間段進行第二次稱重，2次重量差為這3 d的耗水量，稱重結束后恢復澆水，待水分完全下滲后，進入下一個測量周期，反復進行10個周期;第10個周期結束后對每管材料再次進行修剪，保持3 cm的高度，將修剪下來的葉片置于烘箱中以70 ℃烘干72 h，然后稱干重，用干重除以10個周期的耗水總量即為每管的水分利用效率。

（2）地上部形態(tài)特征的測量。在進行水分利用效率測定的同時，對試驗種源的7個葉片性狀和4個生殖性狀進行觀測。葉片性狀包括葉長（cm）、葉寬（cm）、 葉面積（cm2）、 近軸面葉毛密度、 遠軸面葉毛密度、 匍匐莖節(jié)間長度（cm）、 匍匐莖節(jié)間直徑（mm）， 其中葉面積采用肖強等[9]的測定方法;葉毛密度采用五級制， 即無毛（1）、 極稀（2）、 稀（3）、 密（4）、 極密（5）。生殖性狀包括生殖枝高度（cm）， 花序長度（cm）， 花序柄長度（cm）， 小穗數(shù)（個）。以上各性狀均重復測10次，取其平均值。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

采用SPSS（Version 20.0）對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 ?結果與分析

2.1 ?結縷草屬植物水分利用效率與形態(tài)特征的簡單相關分析

由表2可知，結縷草屬植物的水分利用效率與葉長和葉面積均呈極顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.922**和-0.990**，與葉寬和近軸面葉毛密度呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.885**和0.937**，而與其他性狀無顯著相關性。表明在葉長、葉寬之和相同的情況下，葉長越短，葉片越寬，葉面積越小，近軸面葉毛越密，結縷草的水分利用效率就越高。

2.2 ?結縷草屬植物的水分利用效率與形態(tài)特征的多元線性回歸分析

結縷草屬植物的WUE與其形態(tài)特征的多元線性回歸的分析見表3。由表3可知，結縷草屬植物WUE的預測方程可用各形態(tài)指標表示為：

Y（WUE）=-0.038+0.027X1+0.438X2-0.085X3+0.054X4+0.004X5+0.008X6-0.03X7+0.008X8-0.009X9-0.009X10+0.000 013X11

校正后的回歸系數(shù)adjR2=0.99，較接近于1，因此認為方程的擬合度比較高，99.00%的水分利用效率可以由該方程解釋，另外1.00%可能是受其他形態(tài)特征的影響。

2.3 ?結縷草屬植物的水分利用效率與形態(tài)特征的多元逐步回歸分析

結縷草屬植物WUE與其形態(tài)特征的多元逐步線性分析見表4、表5，其他形態(tài)特征和水分利用效率相關性不顯著的變量不包括在其中。由表4可知，調整的R2為結縷草屬植物形態(tài)特征組分變量的概率，這些變量是X1（98.6%）、X2（99.4%）、X3（97.8%）、X4（98.4%），根據(jù)表2的分析結果，結縷草屬植物的WUE是與這4個變量顯著相關的。根據(jù)表5可知，結縷草屬植物的WUE（Y）的預測方程可表示為：Y（WUE）=-0.039+0.027X1+0.438X2-0.085X3+0.054X4，97.4%的水分利用效率可以被該方程解釋。

2.4 ?結縷草屬植物的水分利用效率與地上部形態(tài)特征的主成分分析

結縷草屬植物的WUE與其形態(tài)的主成分分析見表6。由表6的數(shù)據(jù)可知，隨著成分的增加，特征值在減少，前4個主成分的累積貢獻率基本達到了87.702%，一般來講已滿足結縷草屬植物的WUE與形態(tài)特征的主成分分析的需要。在所有變量中X1的貢獻率為39.123%，X2的貢獻率為25.482%，X3貢獻率為13.611%，X4貢獻率為9.486%。因此，X1、X2、X3、X4是結縷草屬植物水分利用效率的重要制約因素。

2.5 ?結縷草屬植物的水分利用效率與地上部形態(tài)特征的通徑分析

通徑分析是線性回歸模型的延伸，是用來揭示多個變量之間多層因果關系及其相關強度的方法。通過SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行多重線性回歸分析計算，計算結果給出的線性回歸方程的標準化系數(shù)即通徑系數(shù)，間接通徑系數(shù)就是將標準化系數(shù)與相關系數(shù)相乘[10]。

結縷草屬植物的WUE與其生理特征的通徑分析見表7，由表7可知，X1對結縷草水分利用效率有最大的直接正效應（0.811），而X3對結縷草水分利用效率有最大的直接負作用。通過分析間接通徑系數(shù)可知，X2、X3和X4對結縷草屬植物水分利用效率產生間接正作用，而X1（葉長）對水分利用效率產生間接負作用，其他性狀對水分利用效率的直接影響和間接影響均較小。因此葉長、葉寬、葉面積和近軸面葉毛密度是影響結縷草水分利用效率的重要形態(tài)特征。

3 ?討論與結論

葉片是植物進行光合作用和蒸騰作用的主要器官，關于葉片大小對單葉WUE 的影響結論不一。Stanhill[11]認為葉片大小對單葉WUE影響較小;但Austin等[12]研究發(fā)現(xiàn)小麥葉片大小與氣孔密度呈負相關，小葉品種有較大的氣孔密度，這會降低小葉品種的單葉WUE。Morgan等[13]在小麥上的研究也證實葉片大小與單位葉面積光合速率呈負相關，而對葉片氣孔導度幾乎沒有影響，因而與單葉WUE也呈負相關。本研究結果支持Austin等[12]和Morgan等[13]的結論。生殖性狀是植物儲存光合產物的主要器官，于曉芳等[3]在研究玉米水分利用效率與生殖性狀的關系時發(fā)現(xiàn)，玉米的水分利用效率與穗粒數(shù)呈顯著的正相關，本研究結果與其不一致，可能是不同植物的生殖性狀與水分利用效率的關系不同，這有待于進一步研究。

植物的水分利用效率是一個受多因素影響的、復雜的數(shù)量性狀，不僅受環(huán)境和自身遺傳物質的影響，而且還與一系列的生理生化特征和形態(tài)特征關系密切[14]。植物的形態(tài)特征與水分利用效率的關系十分復雜，而且不同形態(tài)指標間會相互影響，所以在進行植物水分利用效率與形態(tài)特征的關系研究時，不能只用單一指標或者簡單地綜合幾個指標來反映水分利用效率的大小，應該在多指標測定基礎上對其進行綜合性分析評價[15]。本研究綜合運用簡單相關分析、多元線性回歸分析、多元逐步回歸分析、主成分分析以及通徑分析，分析了結縷草屬植物水分利用效率與其地上部11個形態(tài)特征的關系，研究發(fā)現(xiàn)，結縷草屬植物的水分利用效率與葉長和葉面積均呈極顯著的負相關，與葉寬和近軸面葉毛密度均呈極顯著正相關，而與其他性狀無顯著相關性。5種分析方法顯示葉長、葉面積、葉寬和近軸面葉毛密度對結縷草屬植物的水分利用效率有顯著的影響，而其他的指標影響非常小。比較5種分析方法可知，主成分分析是一種最適合用于分析結縷草水分利用效率與形態(tài)特征關系的綜合而精確的分析方法。本研究通過5種分析方法篩選出的葉長、葉寬、葉面積和近軸面葉毛密度可以作為結縷草屬植物高水分利用效率的代表性狀，可用于結縷草高水分利用效率種源篩選、品種選育和進一步的基因定位研究。

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