小麥種質(zhì)資源成株期氮效率評(píng)價(jià)及篩選

趙瑞，張旭輝，張程煬，郭涇磊，汪妤，李紅霞

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)侵袊?guó)重要的商品糧和戰(zhàn)略儲(chǔ)備糧之一，對(duì)國(guó)家糧食安全和供需平衡具有重要作用。氮素作為生命元素，是作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的限制因子，對(duì)中國(guó)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)占 35%[1]。目前，中國(guó)氮肥使用量約占世界總用量的 31.0%，氮肥平均利用率僅為 30.0%—41.0%，且化肥的流失量占施用量的40.0%[2-4]。隨著氮肥的過(guò)量使用，小麥生產(chǎn)成本升高，氮肥利用率降低，導(dǎo)致氮淋失、N2O的排放等一系列環(huán)境污染問(wèn)題[5]。因此，篩選氮高效種質(zhì)資源，挖掘基因潛力，是提高小麥氮素利用效率的有效途徑。選育氮高效小麥品種，減少氮肥投入量，維持產(chǎn)量穩(wěn)定，對(duì)保障糧食安全具有重大意義。【前人研究進(jìn)展】已有研究表明，作物對(duì)氮素的吸收、利用效率不同，耐氮脅迫的能力存在差異[6]。董魯明[7]研究表明，玉米在氮素吸收和利用能力上存在基因型差異。楊睿等[8]對(duì)50個(gè)甘藍(lán)型油菜進(jìn)行氮效率基因型篩選，發(fā)現(xiàn)品種間氮效率相差 2.5倍。氮效率鑒定是作物氮高效育種工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前，關(guān)于作物氮效率評(píng)價(jià)篩選方面的研究，在棉花（Gossypium spp.）[9-11]、油菜（Brassica napus L.）[12]、大麥（Hordeum vulgare L.）[13-16]、谷子（Setaria italica）[17-23]、水稻（Oryza sativa）[24]、玉米（Zea mays）[25]和小麥（Triticum aestivum）[26-31]等作物上已有報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以上研究多采用苗期水培的篩選方法，以形態(tài)、生理性狀為篩選指標(biāo)，對(duì)作物種質(zhì)進(jìn)行氮效率鑒定，關(guān)于作物成株期的氮效率指標(biāo)篩選及評(píng)價(jià)卻鮮見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)田間試驗(yàn)的方法，設(shè)置4個(gè)氮肥梯度，選取小麥成株期株高、穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、莖粗、可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和單穗產(chǎn)量為氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用模糊隸屬函數(shù)法、主成分分析法和聚類分析法對(duì)108份小麥種質(zhì)資源進(jìn)行基因型差異分類和氮效率評(píng)價(jià)。旨在挖掘小麥農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀的遺傳潛力，篩選氮高效品種，為小麥氮高效育種提供種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

108份小麥種質(zhì)資源，包括河南品種30份、河北品種21份、陜西品種9份、北京品種20份、山西品種9份、安徽品種2份、山東品種5份、甘肅品種3份以及引進(jìn)品種9份（電子附表1）。供試材料均由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭惠茹教授提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別于2018—2019和2019—2020年小麥生長(zhǎng)季，在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)標(biāo)本區(qū)（108.24°E，34.20°N）進(jìn)行種植。試驗(yàn)地土壤類型為壤土，播種前試驗(yàn)田0—25 cm土層土壤養(yǎng)分狀況為全氮 0.94 g·kg-1、速效鉀 175 mg·kg-1、速效磷 7.42 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì) 1.29 g·kg-1。試驗(yàn)采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，以施氮水平為主因素，小麥品種為副因素。設(shè)置4個(gè)施氮處理，無(wú)氮處理 N1（0 kg·hm-2）、低氮處理N2（180 kg·hm-2）、正常氮處理 N3（270 kg·hm-2）和高氮處理N4（360 kg·hm-2），尿素（N 46.4%）、磷酸二銨（P2O546%，N 18%）和氯化鉀（KCl 52%）以基肥施用。采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)種植108份品種，每個(gè)品種2行，行距25 cm，行長(zhǎng)1.5 m，每行點(diǎn)播30粒。4個(gè)處理，3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。其他按照小麥栽培要求進(jìn)行田間管理。

1.3 性狀調(diào)查與指標(biāo)測(cè)定

收獲前，每個(gè)重復(fù)小區(qū)中隨機(jī)取10株參照《小麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[32]對(duì)株高（plant height，PH）、穗長(zhǎng)（spike length，SL）、旗葉長(zhǎng)（flag leaf length，F(xiàn)LL）、旗葉寬（flag leaf width，F(xiàn)LW）、莖粗（stem diameter，SD）（穗下節(jié)）、可育小穗數(shù)（fertile spikelet number，F(xiàn)SN）、穗粒數(shù)（grain number per spike，GNPS）和單穗產(chǎn)量（grain weight per spike，GWPS）等農(nóng)藝性狀進(jìn)行考察；利用 SC-G型自動(dòng)考種儀（中國(guó) 萬(wàn)深）測(cè)定千粒重（thousand kernel weight，TKW）、粒長(zhǎng)（grain length，GL）和粒寬（grain width，GW）。

1.4 指標(biāo)計(jì)算與數(shù)據(jù)分析

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù) L0i(k)=（Δmin+ρΔmax）/（Δ0i(k)+ρΔmax）；

其中，Xi、CKi分別為低氮/高氮水平、正常氮水平下的性狀測(cè)量值；PImin、PImax為各性狀指標(biāo)耐氮系數(shù)的最小值、最大值；ri為各性狀指標(biāo)與綜合耐氮系數(shù)的相關(guān)系數(shù)；為指數(shù)權(quán)重，表示第i個(gè)性狀指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要程度。Δ0i(k)為k時(shí)刻2個(gè)序列的絕對(duì)差；Δmin和Δmax分別為所有比較序列各個(gè)時(shí)刻絕對(duì)差中的最小值與最大值，Δmin=0，分辨系數(shù)ρ=0.5。

運(yùn)用Excel 2010和SPSS分析軟件進(jìn)行生物統(tǒng)計(jì)、方差分析、主成分分析、聚類分析及相關(guān)性分析，R語(yǔ)言的GGE-Bioplot軟件包作GGE雙標(biāo)圖。

2 結(jié)果

2.1 不同氮素水平下小麥成株期氮效率相關(guān)性狀的差異分析

與N3處理相比，N1處理對(duì)小麥的形態(tài)和產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)性狀均有不同程度的影響（表 1）。主要表現(xiàn)為株高降低、穗長(zhǎng)變短、旗葉葉長(zhǎng)和葉寬縮小、莖稈變細(xì)、可育小穗數(shù)和穗粒數(shù)減少以及單穗產(chǎn)量降低。下降程度依次為旗葉長(zhǎng)（12.39%）＞穗長(zhǎng)（8.68%）＞旗葉寬（7.28%）＞可育小穗數(shù)（5.92%）＞穗粒數(shù)（4.94%）＞株高（3.96%）＞單穗產(chǎn)量（3.63%）＞莖粗重（1.77%）。數(shù)據(jù)表明大多數(shù)性狀在小麥生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中均受到了氮脅迫的抑制。與N2處理相比，N4處理同樣對(duì)供試材料各性狀產(chǎn)生顯著影響，處理間和種間的差異均達(dá)顯著水平。隨著氮肥施用量的增加，株高、穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、可育小穗數(shù)和穗粒數(shù)等性狀值隨之增加，上升程度依次為旗葉寬（7.55%）＞旗葉長(zhǎng)（5.63%）＞穗長(zhǎng)（4.28%）＞可育小穗數(shù)（2.44%）。其他性狀值（莖粗、千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和單穗產(chǎn)量）隨之降低，下降程度依次為莖粗（2.13%）＞千粒重（2.01%）＞單穗產(chǎn)量（1.32%）＞粒寬（1.24%）＞粒長(zhǎng)（0.28%）。說(shuō)明高氮脅迫造成了小麥旺長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)器官變大，影響植株碳氮代謝協(xié)調(diào)，植株籽粒產(chǎn)量降低。

表1 不同氮水平下小麥成株期氮效率相關(guān)性狀的差異Table 1 Differences of nitrogen efficiency-related of wheat traits at mature stage under different nitrogen levels

108份參試小麥品種在4個(gè)供氮水平下各性狀的變異幅度都比較大，變異系數(shù)大多超過(guò)10%。變異系數(shù)越大，說(shuō)明品種對(duì)氮素敏感程度越大，2年4個(gè)氮梯度環(huán)境下的各性狀指標(biāo)平均變異系數(shù)（氮素敏感度）依次為單穗產(chǎn)量（20.39%）＞旗葉長(zhǎng)（18.10%）＞穗粒數(shù)（17.30%）＞旗葉寬（17.00%）＞株高（14.52%）＞穗長(zhǎng)（12.25%）＞莖粗（10.86）＞千粒重（10.47）＞可育小穗數(shù)（9.75%）＞粒長(zhǎng)（5.03%）＞粒寬（4.39%）。結(jié)果表明，氮處理效果良好，各性狀表型明顯。單穗產(chǎn)量、旗葉長(zhǎng)、穗粒數(shù)、旗葉寬、株高、穗長(zhǎng)、莖粗和千粒重的變異系數(shù)均超過(guò)10%，可以作為小麥耐低氮和高氮能力的主要篩選與評(píng)價(jià)指標(biāo)。供試材料的氮效率相關(guān)性狀具有豐富、廣泛的遺傳性差異，可以用于小麥氮效率品種的篩選。

2.2 耐氮系數(shù)的區(qū)間分布和相關(guān)性分析

為減小品種間遺傳及生物學(xué)差異造成的誤差，采用耐低氮系數(shù)PI1（N1/N3）和耐高氮系數(shù)PI2（N4/N2）表示性狀對(duì)低氮和高氮脅迫的敏感程度。將各性狀指標(biāo)的耐低氮系數(shù)PI1和耐高氮系數(shù)PI2分別以0.5為組距，分成 3個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)數(shù)值的分布頻數(shù)情況（表2），不同性狀指標(biāo)的PI1和PI2在同一區(qū)間或不同區(qū)間的分布頻率差別較大。2年數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在低氮脅迫條件下，穗長(zhǎng)耐低氮系數(shù)0≤PI1<1區(qū)間的品種占71.30%和78.10%、旗葉長(zhǎng)0≤PI1<1區(qū)間的品種占73.15%和66.67%、莖粗0≤PI1<1區(qū)間的品種占69.44%和70.48%、旗葉寬0≤PI1<1區(qū)間的品種占77.78%和54.29%、穗粒數(shù)0≤PI1<1區(qū)間的品種占63.89%和63.81%、單穗產(chǎn)量0≤PI1<1區(qū)間的品種占67.31%和59.05%、株高0≤PI1<1區(qū)間的品種占65.74%和61.90%、可育小穗數(shù)0≤PI1<1區(qū)間的品種占50.93%和71.43%、說(shuō)明大多數(shù)小麥的穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、莖粗、旗葉寬、穗粒數(shù)、單穗產(chǎn)量、株高和可育小穗數(shù)在低氮脅迫后降低，且對(duì)低氮脅迫響應(yīng)明顯。在高氮脅迫條件下，穗長(zhǎng)耐高氮系數(shù)PI2≥1區(qū)間的品種占74.07%和67.31%、旗葉長(zhǎng)PI2≥1區(qū)間的品種占68.52%和62.50%、可育小穗數(shù)PI2≥1區(qū)間的品種占61.11%和58.65%，說(shuō)明穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)和可育小穗數(shù)對(duì)高氮脅迫響應(yīng)敏感，耐肥性較強(qiáng)。

表2 小麥種質(zhì)各性狀指標(biāo)耐氮系數(shù)PI的區(qū)間分布Table 2 The interval distribution of nitrogen tolerance coefficient PI of each trait in wheat germplasm

各性狀指標(biāo)耐低氮系數(shù)相關(guān)性分析顯示，多數(shù)性狀間的相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著水平（圖1-A），株高與穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、粒寬和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，其中，與旗葉長(zhǎng)的相關(guān)性達(dá) 0.62。穗長(zhǎng)與旗葉長(zhǎng)、可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)、莖粗、粒長(zhǎng)和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與千粒重顯著相關(guān)。旗葉長(zhǎng)與可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)、莖粗、粒長(zhǎng)和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與千粒重和粒寬顯著相關(guān)。旗葉寬與千粒重、粒長(zhǎng)和粒寬相關(guān)，與其他不相關(guān)?？捎∷霐?shù)與穗粒數(shù)、莖粗和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與其他不相關(guān)。穗粒數(shù)與莖粗、千粒重和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與粒寬顯著相關(guān)。莖粗與千粒重顯著相關(guān)，與粒長(zhǎng)負(fù)相關(guān)。千粒重與單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與粒長(zhǎng)負(fù)相關(guān)。粒長(zhǎng)與粒寬極顯著相關(guān)，與單穗產(chǎn)量顯著相關(guān)。粒寬與單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)。除了旗葉寬之外，各性狀指標(biāo)與單穗產(chǎn)量均顯著相關(guān)，其中穗粒數(shù)和千粒重與其相關(guān)性最大，分別為0.81和0.79。

各性狀指標(biāo)耐高氮系數(shù)相關(guān)性分析顯示（圖1-B），株高與旗葉長(zhǎng)和莖粗極顯著相關(guān)，與可育小穗數(shù)、千粒重、粒長(zhǎng)和粒寬負(fù)相關(guān)。穗長(zhǎng)與旗葉長(zhǎng)極顯著相關(guān)，與旗葉寬和可育小穗數(shù)顯著相關(guān)。旗葉長(zhǎng)與旗葉寬和穗粒數(shù)呈顯著相關(guān)，與莖粗極顯著相關(guān)。旗葉寬與可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與千粒重、粒長(zhǎng)和粒寬顯著相關(guān)。可育小穗數(shù)與穗粒數(shù)和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與千粒重、粒寬和粒長(zhǎng)顯著相關(guān)。穗粒數(shù)與莖粗和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)。莖粗與單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)，與粒長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)。千粒重與粒長(zhǎng)、粒寬和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)。粒長(zhǎng)與粒寬和單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)。粒寬與單穗產(chǎn)量極顯著相關(guān)。在高氮脅迫下，除了株高和穗長(zhǎng)之外，其他指標(biāo)均與單穗產(chǎn)量呈顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)。相關(guān)性分析說(shuō)明各性狀指標(biāo)間均存在不同程度的相關(guān)性，且提供的耐氮信息交叉重疊。

2.3 小麥各性狀指標(biāo)的主成分分析

采用各性狀指標(biāo)的耐低氮系數(shù)PI-L（2年P(guān)I1的平均值）進(jìn)行主成分分析（表3），提取4個(gè)主成分，貢獻(xiàn)率分別為 39.766%、16.661%、9.361%和9.275%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)75.064%。第1主成分貢獻(xiàn)率最大，主要由單穗產(chǎn)量、可育小穗數(shù)和穗長(zhǎng)決定，此主成分主要反映低氮脅迫下小麥穗部性狀的適應(yīng)性變化。第 2主成分主要由粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重決定，其中，粒寬的特征向量最大（0.660），莖粗的特征向量最小（-0.383），說(shuō)明小麥通過(guò)莖稈的變細(xì)來(lái)增加籽粒的飽滿度和容重從而適應(yīng)低氮環(huán)境。第3主成分中旗葉寬的特征向量最大（0.712），株高的特征向量最?。?0.425），說(shuō)明小麥通過(guò)降低植株的高度來(lái)增加旗葉寬，此主成分反映小麥葉片的適應(yīng)性變化。第4主成分中株高的特征向量最大（0.465），單穗產(chǎn)量的特征向量最小（-0.345），說(shuō)明小麥通過(guò)降低單穗產(chǎn)量來(lái)保證小麥的正常生長(zhǎng)，此主成分反映小麥植株的整體適應(yīng)性變化。

表3 小麥氮效率相關(guān)性狀的主成分分析Table 3 Principal component analysis of nitrogen efficiency related wheat traits

對(duì)各性狀指標(biāo)的耐高氮系數(shù)PI-G（2年P(guān)I2的平均值）進(jìn)行主成分分析，將原來(lái)各單項(xiàng)性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)換成 4個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，累積貢獻(xiàn)率達(dá)74.037%。主成分 PC1的特征值為 3.448，貢獻(xiàn)率為31.348%，主要由單穗產(chǎn)量和千粒重決定，此主成分主要反映高氮脅迫下小麥籽粒性狀的適應(yīng)性變化。主成分PC2的特征值為2.243，貢獻(xiàn)率為20.387%，其中旗葉長(zhǎng)的特征向量最大（0.742），千粒重的特征向量最?。?0.490），說(shuō)明高氮環(huán)境造成了小麥旗葉長(zhǎng)度的增加，同時(shí)導(dǎo)致千粒重的降低。主成分PC3的特征值為1.370，貢獻(xiàn)率為12.452%，其中穗粒數(shù)的特征向量最大（0.506），穗長(zhǎng)的特征向量最?。?0.413），說(shuō)明小麥通過(guò)減小穗長(zhǎng)來(lái)增加穗粒數(shù)，此主成分反映小麥穗部的適應(yīng)性變化。

2.4 小麥種質(zhì)的氮效率綜合評(píng)價(jià)

2.4.1 耐低氮性評(píng)價(jià) 利用性狀指標(biāo)的耐低氮系數(shù)，采用模糊隸屬函數(shù)法計(jì)算隸屬函數(shù)值U(X)，得出各性狀指標(biāo)的權(quán)重。2019年株高、穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)、莖粗、千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和單穗產(chǎn)量的權(quán)重分別為0.083、0.120、0.100、0.115、0.111、0.114、0.077、0.072、0.026、0.050 和 0.131。2020年為 0.046、0.073、0.107、0.058、0.051、0.117、0.071、0.145、0.058、0.116和0.162。分別計(jì)算出2019年和 2020年每個(gè)小麥品種的耐低氮性綜合評(píng)價(jià)值（D），D值越大表明其耐低氮能力越強(qiáng)。以2年的耐低氮性綜合評(píng)價(jià)值D為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用歐氏最長(zhǎng)距離法對(duì)108份小麥品種進(jìn)行聚類分析，將其分為5個(gè)類群（圖2，電子附表1）。第5類為低氮敏感型，包括中種麥10號(hào)、泛麥5號(hào)、冀麥585、鄭農(nóng)46、農(nóng)大3753、周麥25、洛麥23、蘭考矮早8、晉47等31個(gè)品種，占29.25%；第4類為低氮較敏感型，包括煙農(nóng)23、周麥24、洛旱7號(hào)、農(nóng)大211、蘭考926、京冬8號(hào)、陜麥 139和中麥 175等 21個(gè)品種，占總數(shù)的19.81%；第3類為中間型，包括許科316、育德1號(hào)、輪選 987、中旱 110、鄭麥 9962、臨汾 138、洛夫林10號(hào)、石麥12、西農(nóng)585、新科8號(hào)、西農(nóng)979和山農(nóng)0917等47個(gè)品種，占44.34 %；第2類為耐低氮型，包括溫麥19、西農(nóng)529、石4185、隴麥212和豐抗2號(hào)5個(gè)品種，占4.72%；第1類為強(qiáng)耐低氮型，包括中麥875和西農(nóng)158，占1.89%。

2.4.2 耐高氮性評(píng)價(jià) 利用性狀指標(biāo)的耐高氮系數(shù)，采用模糊隸屬函數(shù)法計(jì)算出隸屬函數(shù)值U(X)，得出各性狀指標(biāo)的權(quán)重。2019年株高、穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、可育小穗數(shù)、穗粒數(shù)、莖粗、千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和單穗產(chǎn)量的權(quán)重分別為 0.044、0.103、0.114、0.113、0.119、0.135、0.083、0.058、0.046、0.047 和0.138。2020年分別為 0.055、0.089、0.086、0.108、0.091、0.134、0.070、0.080、0.048、0.084 和 0.156。以2年耐高氮性綜合評(píng)價(jià)值D為依據(jù)，采用歐氏最長(zhǎng)距離法對(duì)108份小麥品種進(jìn)行聚類分析，將其分為4個(gè)類群（圖3，電子附表1）。第1類為耐高氮型，包括蘭考矮早8、CA9553、中原18、堯麥16、良星99、農(nóng)大179、豫農(nóng)9901、蘭考926和鄭農(nóng)46等9個(gè)品種，占 8.65%；第 2類為中間型，包括陜麥 139、洛旱 7號(hào)、石4185、隴麥212、育德1號(hào)、西農(nóng)979、許科316、鄭麥366、山農(nóng)0917、金豐7183等53個(gè)品種，占50.96%。第3類為高氮較敏感型，包括許農(nóng)5號(hào)、偃展4110、農(nóng)大211、河麥58-3、京冬8號(hào)、農(nóng)大3492、科農(nóng)2009、京411和CA9722等13個(gè)品種，占總數(shù)的12.50%；第4類為高氮敏感型，包括西農(nóng)585、溫麥19、輪選987、西農(nóng)158、農(nóng)大3753、西農(nóng)529、中麥415、煙農(nóng)23、中旱110等29個(gè)品種，占27.88%。

2.5 氮效率相關(guān)性狀與綜合評(píng)價(jià)D值的相關(guān)性分析

2.5.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析 灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示（表4），在低氮脅迫條件下，各性狀指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)D值的關(guān)聯(lián)度最小值為0.748，最大值為0.815。關(guān)聯(lián)程度由大到小依次為單穗產(chǎn)量>穗長(zhǎng)>千粒重>旗葉長(zhǎng)>株高>粒寬>可育小穗數(shù)>粒長(zhǎng)>莖粗>穗粒數(shù)>旗葉寬，結(jié)果顯示，與小麥品種耐低氮性關(guān)系最密切的指標(biāo)性狀為單穗產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、千粒重、旗葉長(zhǎng)、株高。在高氮脅迫條件下，各性狀指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)值的關(guān)聯(lián)度最小值為0.663，最大值為0.765。關(guān)聯(lián)程度由大到小依次為單穗產(chǎn)量>旗葉長(zhǎng)>千粒重>粒寬>莖粗>穗粒數(shù)>株高>穗長(zhǎng)>旗葉寬>粒長(zhǎng)>可育小穗數(shù)，結(jié)果表明，與小麥品種耐高氮性關(guān)系最密切的指標(biāo)性狀為單穗產(chǎn)量、旗葉長(zhǎng)、千粒重、粒寬和莖粗。

表4 各性狀指標(biāo)耐氮系數(shù)與綜合評(píng)價(jià)D值的灰色關(guān)聯(lián)度分析Table 4 Grey relational analysis between nitrogen tolerance coefficient and comprehensive evaluation value D

2.5.2 GGE雙標(biāo)圖分析 利用GGE雙標(biāo)圖對(duì)小麥品種各性狀指標(biāo)耐氮系數(shù)與綜合評(píng)價(jià)D值進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)品種和性狀的相互關(guān)系對(duì)不同小麥品種的耐氮性進(jìn)行分組，并揭示組內(nèi)耐氮能力最強(qiáng)的品種。將同一方向上距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的品種連接構(gòu)成多邊形，多邊形各邊的垂線把雙標(biāo)圖分成若干個(gè)扇形區(qū)，不同的小麥品種包括相關(guān)性狀分布在不同的扇區(qū)內(nèi)。每個(gè)扇區(qū)內(nèi)“頂角”的品種為所包含性狀表現(xiàn)最好的品種，位于多邊形內(nèi)部或者靠近原點(diǎn)的品種則為表現(xiàn)較差的品種。結(jié)果如圖4-A所示，以耐低氮品種新麥19（93）為代表的扇區(qū)內(nèi)，包含溫9519（89）、石4185（73）、隴麥212（83）和鄭麥9962（61）等耐低氮性強(qiáng)的品種，耐低氮性狀為穗長(zhǎng)、株高、穗粒數(shù)、莖粗、粒長(zhǎng)和粒寬。在耐低氮品種西農(nóng) 158（84）為代表的扇區(qū)內(nèi)，有中麥 875（82）、豐抗 2號(hào)（78）、許科 316（94）和育德1號(hào)（97）等耐低氮性強(qiáng)的品種，耐低氮性狀為千粒重和小穗數(shù)。以低氮敏感型品種泛麥 5號(hào)（52）為代表的扇區(qū)內(nèi)沒(méi)有耐低氮性狀。由圖 4-B可知，以耐高氮品種良星99（39）為代表的扇區(qū)內(nèi)，包含 CA9553（49）和許農(nóng)5號(hào)（95）等品種，耐高氮性狀為穗長(zhǎng)和株高。在耐高氮品種蘭考矮早8（105）為代表的扇區(qū)內(nèi)，有蘭考926（104）、鄭農(nóng)46（100）、鄭麥9962（61）和堯麥16（67）等品種，耐高氮性狀為粒長(zhǎng)、粒寬千粒重和穗粒數(shù)。以敏感型品種石麥12（74）為代表的扇區(qū)內(nèi)沒(méi)有耐低氮性狀。結(jié)果表明，不同基因型小麥氮素吸收利用效率存在差異，且耐氮機(jī)制也不相同。

2.6 籽粒產(chǎn)量和氮效率分類

2.6.1 不同氮水平處理對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響 比較不同施氮水平下小麥品種的單穗產(chǎn)量（圖 5）。結(jié)果表明，在低氮脅迫下，2年單穗產(chǎn)量均降低的品種有48份，其中降低幅度小于5.00%的品種有3份，刑531、洛旱7號(hào)和石新633。降幅超過(guò)20.00%的品種有鄭麥98、矮桿早、新鄉(xiāng)大穗、冀729、豐舞981、金豐7183、京411、泛麥5號(hào)、京冬17、CA9553和YX11-57。降幅超過(guò) 30.00%的品種有中種麥 10號(hào)、益科麥5號(hào)、剡麥98和河麥58-3。2年單穗產(chǎn)量均增加的品種有16份，其中，升高幅度超過(guò)20.00%的品種有西農(nóng)585、石4185、溫麥19、農(nóng)大3492和隴麥212，升幅超過(guò)30.00%的品種有育德1號(hào)、許科316、西農(nóng)158和豐抗2號(hào)。

在高氮脅迫下，2年單穗產(chǎn)量均降低的品種有26份，其中，降低幅度小于5.00%的品種有3份，中鑒49、刑531和山農(nóng)0917。降幅超過(guò)20.00%的品種有西農(nóng)158、新鄉(xiāng)大穗、臨抗22、周麥25、豫農(nóng)201和洛麥23。2年單穗產(chǎn)量均增加的品種有20份，其中，升高幅度超過(guò)20.00%的品種包括長(zhǎng)4738、CA9553、農(nóng)大211、剡麥98和長(zhǎng)豐1號(hào)，增幅超過(guò)30.00%的品種有蘭考矮早8和許農(nóng)5號(hào)。

2.6.2 基于單穗籽粒產(chǎn)量的氮效率分類 作物在氮脅迫下的產(chǎn)量常被用作氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。以耐低氮性綜合評(píng)價(jià)D值和低氮處理下的單穗籽粒產(chǎn)量進(jìn)行散點(diǎn)作圖，將供試小麥品種分為4類（圖6-A）。高產(chǎn)耐低氮型（Ⅰ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量和D值均高于供試品種的平均值，包括新科8號(hào)（77）、西農(nóng)158（84）、隴麥 212（83）、溫麥 19（89）、新麥 19（93）、西農(nóng)529（90）、西農(nóng)979（92）、許科316（94）和育德1號(hào)（97）等；高產(chǎn)低氮敏感型（Ⅱ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量高于平均值，D值低于平均值。包括平?jīng)?4號(hào)（28）、隴輻 2號(hào)（29）、L54223（32）和剡麥 98（31）等；低產(chǎn)低氮敏感型（Ⅲ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量和D值均低于平均值。包括中種麥10號(hào)（42）、新鄉(xiāng)大穗（44）、金豐 7183（55）、衡 4399（45）、河麥58-3（46）和益科麥5號(hào)（58）等；低產(chǎn)耐低氮型（Ⅳ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量低于平均值，而D值高于平均值，包括豐抗2號(hào)（78）、輪選987（79）、農(nóng)大3492（21）和山農(nóng)0917（41）等。

以耐高氮綜合評(píng)價(jià)D值和高氮處理下的單穗籽粒產(chǎn)量進(jìn)行散點(diǎn)作圖，將供試小麥品種分為 4類（圖6-B）。高產(chǎn)耐高氮型（Ⅰ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量和D值均高于供試品種的平均值，包括蘭考矮早8（105）、中原18（102）、許農(nóng)5號(hào)（95）、蘭考926（104）和剡麥98（31）等；高產(chǎn)高氮敏感型（Ⅱ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量高于平均值，D值低于平均值。包括西農(nóng)158（84）、新麥19（93）、隴輻2號(hào)（29）、LS6109（33）、溫麥19（89）、鄭麥98（60）和冀729（37）等；低產(chǎn)高氮敏感型（Ⅲ區(qū)），此類品種的單穗籽粒產(chǎn)量和D值均低于平均值。有石麥 12（74）、豐舞 981（87）、中育 9398（101）、新鄉(xiāng)大穗（44）、周麥25（64）、臨抗22（66）和豐抗2號(hào)（78）等；低產(chǎn)耐高氮型（Ⅳ區(qū)），此類品種的單穗產(chǎn)量低于平均值，而D值高于平均值，包括矮桿早（9）、良星99（39）、堯麥16（67）、京冬8號(hào)（10）、有芒白4號(hào)（23）、農(nóng)大3492（21）、京411（16）和鄭農(nóng)46（100）。

綜合2年結(jié)果，根據(jù)低、高氮脅迫下的單穗籽粒產(chǎn)量差異，將108份小麥品種分為4種氮效率類型。（1）雙高效型，低氮或高氮脅迫下的籽粒產(chǎn)量高于平均值。包括隴麥 212（83）、西農(nóng) 979（92）、蘭考926（104）、西農(nóng)158（84）、存麥12號(hào)（85）、溫麥19（89）、剡麥98（31）和隴輻2號(hào)（29）等21個(gè)品種；（2）低氮高效型，在低氮脅迫下的籽粒產(chǎn)量高于平均值，高氮脅迫下籽粒產(chǎn)量低于平均值，包括石4185（73）、西農(nóng)585（91）和鄭農(nóng)46（100）等7個(gè)品種；（3）高氮高效型，在低氮脅迫下的籽粒產(chǎn)量低于平均值，高氮脅迫下則相反，包括科農(nóng)2009（38）、長(zhǎng)豐1號(hào)（13）、邯農(nóng)2312（36）、鄭麥366（99）和中種麥10號(hào)（42）等10個(gè)品種；（4）雙低效型，在低氮和高氮脅迫下的籽粒產(chǎn)量均低于平均值，包括農(nóng)大 3492（21）、冀 38（71）、金豐 7183（55）、泛麥5號(hào)（52）、京冬8號(hào)（10）和輪選987（79）等24個(gè)品種。

3 討論

關(guān)于氮效率篩選方法的選擇，針對(duì)不同的作物常采用苗期水培試驗(yàn)[33]、盆栽試驗(yàn)[34]和田間試驗(yàn)[35]，或兩兩結(jié)合的方法控制氮環(huán)境條件進(jìn)行氮高效種質(zhì)的篩選。相比前兩者，田間試驗(yàn)將作物的氮利用效率與產(chǎn)量聯(lián)系起來(lái)，使其更為精準(zhǔn)地篩選氮高效種質(zhì)。選擇合適的性狀指標(biāo)是作物氮效率鑒定的關(guān)鍵。馮洋等[35]利用葉片SPAD值、氮素積累量和產(chǎn)量相關(guān)性狀篩選出不同水稻氮效率種質(zhì)。崔文芳等[36]研究認(rèn)為玉米雜交種氮高效篩選的有效指標(biāo)為葉綠素SPAD值、莖葉總氮量和穗位葉氨基酸濃度。本研究采用大田試驗(yàn)，對(duì)108份小麥品種的耐氮性進(jìn)行全生育期篩選。利用小麥產(chǎn)量性狀指標(biāo)的相對(duì)值控制環(huán)境因素和遺傳背景造成的差異，依據(jù)氮脅迫系數(shù)和變異系數(shù)反映性狀指標(biāo)受氮脅迫的大小和不同品種間受氮脅迫的程度，篩選出單穗產(chǎn)量、旗葉長(zhǎng)、穗粒數(shù)、旗葉寬、株高、穗長(zhǎng)、莖粗和千粒重 8個(gè)指標(biāo)（CV>10%）可以作為小麥成株期耐氮性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)耐氮性不同將品種劃分成不同的類型，有利于品種間的比較。張旭[37]利用氮素吸收效率和氮肥農(nóng)學(xué)效率將 14個(gè)小麥品種劃分氮高效、中效和低效 3種類型。黃永蘭等[38]對(duì)氮效率相關(guān)性狀進(jìn)行分析，依據(jù)不同施氮水平下的產(chǎn)量差異將 45份水稻種質(zhì)分為雙高效型、高氮高效型、低氮高效型和雙低效型。崔文芳等[39]以耐低氮脅迫指數(shù)和高氮下產(chǎn)量將 27份玉米自交材料劃分成4種氮效率類型，高產(chǎn)氮高效型、低產(chǎn)氮高效型、高產(chǎn)氮低效型、低產(chǎn)氮低效型。顧熾明等[40]以苗期生物量的平均值為依據(jù)，將162份甘藍(lán)型油菜氮效率分為雙高效型、雙低效型、中間型。本研究利用相關(guān)分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類分析等方法，對(duì)108份小麥種質(zhì)成株期的耐氮性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，依據(jù)耐低氮性綜合評(píng)價(jià)D值將供試小麥品種分為低氮敏感型、低氮較敏感型、中間型、耐低氮型和強(qiáng)耐低氮型5類；以耐高氮性綜合評(píng)價(jià)值將其分為4類，高氮敏感型、高氮較敏感型、中間型和耐高氮型。最終基于籽粒產(chǎn)量和氮綜合評(píng)價(jià)D值將108份供試小麥品種分為4種氮效率類型，雙高效型、低氮高效型、高氮高效型和雙低效型。對(duì)不同氮水平下小麥單穗籽粒產(chǎn)量分析發(fā)現(xiàn)，耐低氮型小麥（石4185、豐抗2、西農(nóng)158和豐抗2）的單穗產(chǎn)量連續(xù)2年均增產(chǎn)超過(guò)20%，低氮敏感型小麥（鄭麥98、金豐7183、中種麥10號(hào)、益科麥5號(hào)、剡麥98和河麥58-3）的單穗產(chǎn)量連續(xù)2年均減產(chǎn)超過(guò)20%，結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)篩選指標(biāo)的代表性和評(píng)價(jià)方法的可行性，以及耐氮性類型劃分結(jié)果的可靠性。該研究結(jié)果對(duì)小麥氮高效育種具有重要的參考價(jià)值，但由于試驗(yàn)無(wú)其他生態(tài)區(qū)的多點(diǎn)實(shí)驗(yàn)佐證，因此，具有一定局限性，后續(xù)會(huì)在黃淮麥區(qū)不同點(diǎn)進(jìn)行鑒定。

4 結(jié)論

氮脅迫對(duì)小麥的形態(tài)和產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)性狀指標(biāo)均有不同程度的影響，其中單穗產(chǎn)量對(duì)氮脅迫的敏感程度最大。單穗產(chǎn)量、旗葉長(zhǎng)、穗粒數(shù)、旗葉寬、株高、穗長(zhǎng)、莖粗和千粒重 8個(gè)指標(biāo)（CV>10%）適合作為小麥成株期氮效率評(píng)價(jià)的初選指標(biāo)。并將108份小麥品種劃分為雙高效型、低氮高效型、高氮高效型和雙低效型4種氮效率類型，其中，隴麥212、西農(nóng)979、蘭考926、西農(nóng)158、溫麥19等21個(gè)小麥品種為雙高效型，可作為小麥氮高效育種的種質(zhì)資源。