酸脅迫下玉米基因型生物學(xué)性狀的主成分分析

章愛(ài)群，郭海如，斯琴朝克圖，崔雪梅，李春生

(1.湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感 432000； 2.湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北孝感 432000)

土壤酸化嚴(yán)重危害植物的生長(zhǎng)，酸性土壤中低磷和鋁毒因素限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為世界范圍內(nèi)的普遍問(wèn)題[1]。資料表明，全世界13.2億hm2耕地中，有40%～50%呈酸性[2]。我國(guó)酸性土壤的面積約為200萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的21%左右[3]，根據(jù)2005—2011年測(cè)土配方施肥土壤測(cè)定數(shù)據(jù)表明，我國(guó)土壤pH值 5.5 以下的耕地面積高達(dá) 1 506.67萬(wàn)hm2[3]。酸雨、酸性沉降物和不當(dāng)施肥亦將不斷增加我國(guó)土壤酸化面積和酸化程度[4]。開(kāi)發(fā)和利用酸性土壤是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，研究作物的遺傳潛力選育耐酸作物品種，是有效解決此問(wèn)題的方法之一。

玉米是世界第三大糧食作物，在我國(guó)栽培分布地域廣泛。該作物在酸性土壤中受鋁毒和低磷脅迫影響較大，因?yàn)橥陆z期延遲，穗位高下降，穗數(shù)減少，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降[5-8]。耐酸玉米種質(zhì)資源是新品種選育和遺傳改良的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，需要對(duì)種質(zhì)資源的耐酸性狀進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析。不同玉米基因型在各生育階段呈現(xiàn)出不同的耐酸機(jī)制[9-10]，鋁毒和低磷脅迫在玉米生長(zhǎng)早期影響?zhàn)B分吸收和新生組織的形成與代謝，生育后期營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)狀況更是玉米產(chǎn)量保證的主要因素，故散粉期生長(zhǎng)狀況直接影響玉米的產(chǎn)量[5]，選擇此階段耐酸能力強(qiáng)的玉米種質(zhì)資源有利于培育酸性土壤上高產(chǎn)的玉米品種。另由于本盆栽試驗(yàn)土壤容積有限，不足以保證玉米結(jié)實(shí)需求，且每盆栽培玉米株數(shù)受限，會(huì)產(chǎn)生較大籽粒產(chǎn)量誤差，故選擇研究散粉期玉米生物學(xué)性狀分析比較各指標(biāo)的耐酸指數(shù)既可以提供基因型間耐酸能力的直觀表型信息，還可以作為玉米高產(chǎn)的物質(zhì)參考。

本研究選用5個(gè)玉米基因型，研究pH值為6.8、4.9、4.6的3種土壤對(duì)散粉期玉米穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、雄穗長(zhǎng)度、穗位葉長(zhǎng)度等12個(gè)指標(biāo)的影響，比較不同玉米基因型植株對(duì)酸脅迫土壤的反應(yīng)差異，并對(duì)一系列形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，確定累積貢獻(xiàn)率達(dá)95%的前5個(gè)特征值，然后對(duì)試驗(yàn)玉米基因型進(jìn)行耐酸能力排名，以期為耐酸玉米育種親本選配和優(yōu)化后代選擇效果提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用5個(gè)玉米基因型TL94B、多黃、HZ118、S7913、HZ109種子，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米室及中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用土培法研究，栽培時(shí)間為5—10月，試驗(yàn)地點(diǎn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院盆栽場(chǎng)，鍍釉米氏缽每缽裝土6.0 kg。供試土壤采用第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的黃棕壤，分別取自陽(yáng)新、咸寧和武昌獅子山，pH值分別為4.6、4.9、6.8(土 ∶水=1 ∶1)，各處理重復(fù)5次。氮肥(N)用量為 1.8 g/缽，磷肥(P)用量為1.2 g/缽，鉀肥(K)用量為 1.8 g/缽，以尿素、NaH2PO4·2H2O、KCl配成溶液提前3 d澆入土壤。將供試玉米種子消毒，浸泡48 h吸漲后均勻播入裝有河沙的塑料盒，含水量18%，移至28 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱中催芽，1周后挑選生長(zhǎng)一致的幼苗移植到缽中，每缽4粒，覆少量土。3葉期間苗，留1株，1個(gè)月后每缽追施N、P、K肥 0.6 g/缽，2個(gè)月后追施N肥0.6 g/缽。試驗(yàn)在湖北工程學(xué)院多功能溫室中進(jìn)行，培養(yǎng)期間進(jìn)行水分和病蟲(chóng)害管理。散粉期調(diào)查5個(gè)玉米基因型在3種pH值土壤處理下5個(gè)重復(fù)植株的生物學(xué)性狀，包括穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、雄穗長(zhǎng)度、穗位葉長(zhǎng)度和寬度、穗位葉面積、功能葉干質(zhì)量[5]等指標(biāo)。

陽(yáng)新土：鋁飽和度48.2%，有效鉀含量265.0 mg/kg，速效磷含量37.2 mg/kg，交換性Ca含量54.4 mg/kg，交換性Mg含量 29.6 mg/kg，有效Cu含量1.1 mg/kg；咸寧土：鋁飽和度46.5%，有效鉀含量45.7 mg/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，交換性Ca含量306.3 mg/kg，交換性Mg含量 57.6 mg/kg，有效Cu含量0.2 mg/kg；獅子山土：鋁飽和度1.1%，有效鉀含量91.5 mg/kg，速效磷含量15.8 mg/kg，交換性Ca含量 1 116.0 mg/kg，交換性Mg含量209.8 mg/kg，有效Cu含量1.9 mg/kg。

1.3 數(shù)據(jù)處理與方法

耐酸指數(shù)反映不同玉米自交系對(duì)酸性土壤的適應(yīng)程度，計(jì)算公式為：耐酸指數(shù)=酸性土壤脅迫下測(cè)定值/中性土壤測(cè)定值。所有數(shù)據(jù)均為5次重復(fù)的平均值，在Matlab環(huán)境下采用主成分分析法[11]處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸脅迫下不同玉米基因型的生長(zhǎng)狀況

從表1可以看出，酸性土壤阻礙玉米根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而影響植株的生物學(xué)性狀，但各指標(biāo)受酸脅迫影響的程度差異較大。不同玉米基因型散粉期性狀的t檢驗(yàn)表明，在pH值4.9、4.6的土壤中，穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、雄穗長(zhǎng)度、穗位葉長(zhǎng)度和寬度、穗位葉面積、功能葉干質(zhì)量測(cè)定值低于pH值6.8的土壤處理。莖粗、鮮質(zhì)量、總干質(zhì)量和功能葉干質(zhì)量受抑制程度隨酸度水平增加而增加，pH值4.9、4.6處理中，測(cè)定值顯著下降?；蛐投帱S受酸脅迫毒害較輕，在pH值4.9的土壤中甚至表現(xiàn)出刺激生長(zhǎng)現(xiàn)象，與pH值6.8的土壤中生長(zhǎng)狀況基本一致，但在強(qiáng)酸性(pH值4.6)土壤中部分指標(biāo)依然表現(xiàn)出受害嚴(yán)重。說(shuō)明酸性土壤脅迫下不同基因型玉米植株的生物學(xué)性狀受害程度不同，基因型間的耐受能力也存在差異。

表1 酸脅迫對(duì)散粉期不同玉米基因型主要生物學(xué)性狀的影響(n=5)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。EH為穗位高；SD為莖粗；PH為株高；FW為鮮質(zhì)量；SFBN為雄花分枝數(shù)；IL為花序長(zhǎng)度；MEL為雄穗長(zhǎng)度；ELL為穗位葉長(zhǎng)；ELW為穗位葉寬；FLDW為功能葉干質(zhì)量；ELA為穗位葉面積；TDW為總干質(zhì)量。表2同。

從表2可以看出，酸性土壤對(duì)玉米基因型散粉期各生物學(xué)性狀造成一定程度的不利影響，隨著土壤pH值的降低，供試材料的耐酸指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，比較供試玉米基因型生物學(xué)性狀的耐酸指數(shù)發(fā)現(xiàn)，玉米穗位高、株高、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、雄穗長(zhǎng)度、穗位葉長(zhǎng)、穗位葉寬、穗位葉面積的耐酸指數(shù)均大于0.9，受酸脅迫影響較小；相對(duì)而言，莖粗、鮮質(zhì)量、功能葉干質(zhì)量、總干質(zhì)量受酸脅迫影響較大，其耐酸指數(shù)均較低，且同一基因型不同性狀的耐酸指數(shù)或同一性狀不同基因型的耐酸指數(shù)均有較大變化。比較各性狀的變異系數(shù)，隨著處理土壤pH值由4.9下降到4.6，玉米基因型各性狀的變異系數(shù)普遍存在增加的趨勢(shì)，說(shuō)明酸脅迫加大了基因型間相應(yīng)的差異。對(duì)pH值4.9酸性土壤表現(xiàn)敏感的性狀為鮮質(zhì)量>雄花分枝數(shù)>穗位高>總干質(zhì)量>功能葉干質(zhì)量，pH值4.6酸性土壤變異系數(shù)較大的性狀為鮮質(zhì)量>功能葉干質(zhì)量>總干質(zhì)量>穗位葉面積>雄花分枝數(shù)，說(shuō)明酸脅迫下各性狀的敏感程度存在差異。

表2 酸脅迫下5個(gè)玉米基因型散粉期的耐酸指數(shù)統(tǒng)計(jì)(n=5)

2.2 主成分分析酸脅迫對(duì)不同基因型玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

在Matlab環(huán)境下編寫(xiě)程序，采用zscore對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并且采用corrcoef函數(shù)求出標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)。其中，x1～x12分別表示穗位高、莖粗、株高、鮮質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、雄穗長(zhǎng)度、穗位葉長(zhǎng)、穗位葉寬、功能葉干質(zhì)量、穗位葉面積、總干質(zhì)量。從相關(guān)系數(shù)矩陣的值可以看出，x3、x8、x11相關(guān)性很強(qiáng)，x4、x12相關(guān)性很強(qiáng)，x4、x7表現(xiàn)出比較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，x1、x5、x10與其他指標(biāo)的相關(guān)性一般，x2除與x7相關(guān)性很低之外，與其他指標(biāo)相關(guān)性一般。

采用pcacov函數(shù)計(jì)算表3中相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率。從表4可以看出，前5個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到96.405 59%，濃縮了原數(shù)據(jù)的大部分信息，因此提取前5個(gè)成分作為分析不同pH值酸性土壤脅迫下各指標(biāo)的特征。

表3 玉米生長(zhǎng)發(fā)育性狀指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 各成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

前5個(gè)特征根對(duì)應(yīng)的特征向量如表5所示，第1主成分主要反映對(duì)植株功能葉干質(zhì)量和穗位葉面積的影響，第2主成分主要反映雄穗長(zhǎng)度，第3主成分主要反映雄花分枝數(shù)和花序長(zhǎng)度，第4主成分主要反映花序長(zhǎng)度，第5主成分主要反映穗位高，分別以5個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建主成分綜合模型表達(dá)式如下：

Z=0.594 045 8y1+0.218 981 7y2+0.078 130 56y3+0.043 072 38y4+0.029 825 45y4。

把不同pH值酸性土壤處理下的5個(gè)主成分值代入上式，以各自的貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，求出不同酸脅迫下各指標(biāo)的綜合排名。從表6中可以看出，相同玉米基因型3個(gè)pH值土壤處理下，植株在pH值6.8的土壤中生長(zhǎng)狀況多優(yōu)于pH值4.9、4.6土壤處理，排名靠前，但不同基因型間差異較大。基因型HZ109 3個(gè)處理的排名為1、2、3，差異較小，多黃的各指標(biāo)綜合排名為15、10、11，甚至表現(xiàn)出酸脅迫刺激生長(zhǎng)的趨勢(shì)，HZ118、S7913的排名情況分別為5、13、9和4、7、14，表明酸脅迫對(duì)各生物學(xué)性狀的影響較其他基因型嚴(yán)重，耐酸脅迫能力差，基因型間存在耐酸能力差異。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)主要從生物學(xué)性狀的形態(tài)學(xué)機(jī)制研究玉米不同基因型在散粉期對(duì)土壤酸脅迫表現(xiàn)出的反應(yīng)特征。結(jié)果表明，不同pH值土壤處理下玉米各生物學(xué)性狀測(cè)定值差異多達(dá)顯著水平。莖粗、鮮質(zhì)量、總干質(zhì)量和功能葉干質(zhì)量受酸脅迫影響較大，pH值4.9、4.6處理中，測(cè)定值均顯著下降?；蛐投帱S在pH值4.9的土壤中與pH值6.8的土壤中生長(zhǎng)狀況基本一致，長(zhǎng)勢(shì)良好。比較各基因型生物學(xué)性狀的耐酸指數(shù)發(fā)現(xiàn)，玉米穗位高、株高、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、雄穗長(zhǎng)度、穗位葉長(zhǎng)、穗位葉寬、穗位葉面積的耐酸指數(shù)平均值受酸脅迫影響較?。磺o粗、鮮質(zhì)量、功能葉干質(zhì)量、總干質(zhì)量的耐酸指數(shù)平均值較低。隨著處理土壤pH值下降，各性狀變異系數(shù)增加，說(shuō)明基因型間的差異變大且各性狀的敏感程度存在差異。

表5 5個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征向量

表6 不同酸脅迫處理下各指標(biāo)綜合排名

編寫(xiě)程序利用相關(guān)系數(shù)矩陣分析12個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)株高、穗位葉長(zhǎng)、穗位葉面積3指標(biāo)相關(guān)性很強(qiáng)，鮮質(zhì)量和總干質(zhì)量相關(guān)性很強(qiáng)，鮮質(zhì)量和雄穗長(zhǎng)度則表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。利用主成分分析所測(cè)定的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，前5個(gè)主成分分別反映處理對(duì)植株功能葉干質(zhì)量、穗位葉面積、雄穗長(zhǎng)度、雄花分枝數(shù)、花序長(zhǎng)度、花序長(zhǎng)度、穗位高的影響，5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到96.405 59%，可以提取作為分析不同pH值酸性土壤脅迫下各指標(biāo)的特征。進(jìn)一步構(gòu)建主成分綜合模型，計(jì)算出不同酸脅迫下5個(gè)主成分值的綜合排名，結(jié)果表明基因型間耐酸能力不同，多黃和HZ109在酸脅迫下生長(zhǎng)良好，受害較輕，HZ118、S7913受害嚴(yán)重，耐酸脅迫能力弱。