高光效糜子品種鑒定篩選

閆鋒

摘要：采用大田試驗(yàn)對25個(gè)糜子品種的葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、瞬時(shí)水分利用效率進(jìn)行測定，運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)、主成分分析、聚類分析對參試糜子品種的光合性能進(jìn)行綜合評價(jià)和聚類分析。結(jié)果表明，25個(gè)糜子品種的葉片光合指標(biāo)在品種間存在較大差異，變異系數(shù)為10.47%～29.98%，氣孔導(dǎo)度的變異系數(shù)最大（29.98%），胞間CO2濃度的變異系數(shù)最?。?0.47%）；利用主成分分析將糜子5個(gè)單項(xiàng)光合指標(biāo)轉(zhuǎn)化為2個(gè)獨(dú)立的綜合指標(biāo)，結(jié)果表明，蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度可作為糜子光合性能鑒定的評價(jià)指標(biāo)。通過聚類分析，將25個(gè)糜子品種劃分為高光效、較高光效、中等光效、低光效4個(gè)類型，篩選出“雁黍11號(hào)”“內(nèi)糜7號(hào)”“隴糜14”“齊黍1號(hào)”“晉黍8號(hào)”“隴糜18”6個(gè)高光效品種，可作為高光效育種親本材料加以利用。

關(guān)鍵詞：糜子；高光效；綜合評價(jià)；主成分分析

中圖分類號(hào)：S516

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

糜子（Panicum miliaceum L.）起源于中國，富含營養(yǎng)，具有較高的食用、藥用和飼用價(jià)值。糜子生育期相對于其他作物短且耐瘠薄、耐旱，是干旱、半干旱地區(qū)的重要作物[1]。研究表明，作物積累的干物質(zhì)有90%～95%來自于葉片的光合作用，光合作用是決定產(chǎn)量的重要因素，光合性能的改善是提高作物產(chǎn)量的有效途徑之一。高光效種質(zhì)資源是開展高光效育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，研究表明，同一作物不同品種間的光合效率存在顯著差異，且具有穩(wěn)定的遺傳特性[2]。高光效種質(zhì)主要通過直接篩選、理化誘變、有性雜交等方法獲得，其中直接篩選法簡單直接，應(yīng)用最為普遍[3]。

前人已對多種作物進(jìn)行了高光效種質(zhì)的篩選工作并成功篩選出一批高光效作物種質(zhì)[4-5]。

筆者通過查詢文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，前人針對糜子種質(zhì)資源評價(jià)主要集中在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性方面，而關(guān)于光合性能方面的研究鮮見報(bào)道，為此，本研究以中國不同地區(qū)的25個(gè)糜子品種為試驗(yàn)材料，利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)、主成分分析、聚類分析對糜子光合指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為構(gòu)建糜子高光效評價(jià)體系以及高光效種質(zhì)資源創(chuàng)新提供依據(jù)。

1? 材料和方法

1.1? ?供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參試糜子品種分別來自中國10家糜子科研育種單位，共計(jì)25個(gè)品種（表1）。試驗(yàn)于2022年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院科研基地進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，8行區(qū)，行長4 m，小區(qū)面積20.8 m2，試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，各品種留苗密度均為40萬株·hm-2。

1.2? ?測定項(xiàng)目與測定方法

糜子抽穗時(shí)在每小區(qū)中間4行隨機(jī)選取10株，用美國CID公司生產(chǎn)的CI-340型光合作用測定儀測定倒二葉的胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、凈光合速率（Pn），測定位置為葉片中部，葉片瞬時(shí)水分利用效率（WUE）=Pn/Tr。

1.3? ?數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel2019、SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及方差分析。參照孫東雷等[6]的方法運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)和均方差系數(shù)賦予權(quán)重，對參試品種進(jìn)行綜合評價(jià)，具體公式如下：

Uij=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）? ? ? ? ? ? ? ? （1）

如果為反向指標(biāo)，則用反隸屬函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算公式為：

Uij=1-（Xj-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Uij表示i品種第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xij表示i品種第j個(gè)指標(biāo)值；Xjmax和Xjmin分別表示第j個(gè)指標(biāo)值中的最大值和最小值。

式中：Wj表示第j個(gè)指標(biāo)在所有指標(biāo)中的權(quán)重；Pj為第j個(gè)指標(biāo)的均方差系數(shù)。

（5）

式中：Di表示第i個(gè)處理的綜合評價(jià)值，根據(jù)D值大小可以對各糜子品種光合性能表現(xiàn)進(jìn)行

排序。

2? 結(jié)果與分析

2.1? ?不同糜子品種葉片光合指標(biāo)的差異分析

由表2可知，糜子品種各指標(biāo)變異系數(shù)由大到小依次為氣孔導(dǎo)度（29.98%）、蒸騰速率（21.19%）、凈光合速率（16.73%）、瞬時(shí)水分利用率（10.77%）、胞間CO2濃度（10.47%）。其中胞間CO2濃度的變異范圍為235.83～332.41 μmol·mol-1，均值為282.87 μmol·mol-1；蒸騰速率的變異范圍為2.88～5.68 mmol·（m2·s）-1，均值為4.48 mmol·（m2·s）-1；氣孔導(dǎo)度的變異范圍為0.16～0.52 mol·（m2·s）-1，均值為0.35 mol·（m2·s）-1；凈光合速率的變異范圍為10.50～18.88 mol·（m2·s）-1，均值為15.48 mol·（m2·s）-1；瞬時(shí)水分利用效率的變異范圍為3.00～4.51 μmol·mol-1，均值為3.48 μmol·mol-1。在胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、瞬時(shí)水分利用效率各項(xiàng)單一評判指標(biāo)下，“內(nèi)糜5號(hào)”“內(nèi)糜7號(hào)”“雁黍11號(hào)”“隴糜14”“冀黍3號(hào)”分別為最高，表現(xiàn)出較強(qiáng)的高光效特征。但僅靠單一指標(biāo)不能準(zhǔn)確評價(jià)糜子各品種間光合性能的差異，有必要對糜子各品種的光合性能進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.2? ?不同糜子品種葉片光合指標(biāo)的主成分分析

對25個(gè)糜子品種葉片的胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、瞬時(shí)水分利用效率5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選取2個(gè)特征值大于1的主成分。結(jié)果顯示，第Ⅰ主成分的貢獻(xiàn)率為59.568%，第Ⅱ主成分的貢獻(xiàn)率為20.965%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為80.533%，說明前2個(gè)主成分涵蓋了糜子品種5個(gè)指標(biāo)80%以上的數(shù)據(jù)信息（表3），它們之間的相關(guān)性可通過因子負(fù)荷量反映出來。第Ⅰ主成分與蒸騰速率和凈光合速率有較大的正相關(guān)關(guān)系，第Ⅱ主成分與氣孔導(dǎo)度有較大的正相關(guān)關(guān)系。

2.3? ?高光效糜子品種綜合評價(jià)及聚類分析

將原始數(shù)據(jù)通過公式（1）和公式（2）進(jìn)行隸屬函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化（表4），通過公式（3）和公式（4）確定參試糜子品種各項(xiàng)光合指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，利用公式（5）計(jì)算出參試糜子品種的綜合評價(jià)值（D值），D值越大，表明其光合性能越強(qiáng)，反之越弱。

經(jīng)過對25個(gè)糜子品種光合能力強(qiáng)弱進(jìn)行排序（表4），顯示光合性能較強(qiáng)的糜子品種有“雁黍11號(hào)”“內(nèi)糜7號(hào)”“隴糜14”“齊黍1號(hào)”“晉黍8號(hào)”“隴糜18”；光合性能較弱的糜子品種有“內(nèi)糜5號(hào)”“粘豐7號(hào)”“遼糜31”。

為更好地對參試糜子品種光合性能進(jìn)行綜合分級評價(jià)，利用SPSS軟件對參試糜子品種D值進(jìn)行聚類分析，結(jié)果顯示，當(dāng)平均歐氏距離為4.0時(shí)，可將25個(gè)糜子品種劃分為4大類（圖1），Ⅰ類為高光效品種，包括6個(gè)品種（D＞0.71），占供試材料的24.0%；Ⅱ類為較高光效品種，包括7個(gè)品種（0.57＜D＜0.65），占供試材料的28.0%；Ⅲ類為中等光效品種，包括9個(gè)品種（0.33＜D＜0.51），占供試材料的36.0%；Ⅳ類為低光效品種，包括3個(gè)品種（0.17＜D＜0.26），占供試材料的12.0%。

3? 結(jié)論與討論

高光效種質(zhì)的鑒選是提高作物產(chǎn)量的有效途徑，是種質(zhì)資源創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)[7]。本研究來自不同地區(qū)的25個(gè)糜子品種的葉片光合指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)變異系數(shù)差異較大，平均為10.47%～29.98%。結(jié)果表明，糜子葉片光合指標(biāo)在品種間存在較大的遺傳變異，可為糜子高光效育種及基礎(chǔ)研究提供育種材料，這與有關(guān)大豆、玉米、小麥等的研究結(jié)論一致[8-10]。傳統(tǒng)的作物品種評價(jià)方法往往以某一重要單一性狀作為參考指標(biāo)，其鑒定結(jié)果往往具有片面性、局限性。近年來，對作物品種的綜合評價(jià)主要采用多指標(biāo)、多種統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的方式進(jìn)行，這能夠可靠全面地反映出不同作物種質(zhì)間的差異，同時(shí)也可以構(gòu)建品種綜合評價(jià)體系[11-12]。

本試驗(yàn)通過主成分分析將糜子5個(gè)光合指標(biāo)降維為2個(gè)主成分，并通過隸屬函數(shù)計(jì)算出綜合評價(jià)值（D值），結(jié)果表明蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度在糜子主成分分析中貢獻(xiàn)率最大，最能體現(xiàn)糜子光合性能強(qiáng)弱，這與顧帥磊等[13]、程建峰等[14]的研究結(jié)論相似。通過聚類分析將25個(gè)糜子品種劃分為高光效、較高光效、中等光效和低光效4種類型，篩選出“雁黍11號(hào)”“內(nèi)糜7號(hào)”“隴糜14”“齊黍1號(hào)”“晉黍8號(hào)”“隴糜18”6個(gè)高光效品種。相比于低光效類群與中等光效的類群，高光效糜子類群具有較高的蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度。

本研究僅以光合指標(biāo)進(jìn)行糜子高光效綜合評價(jià)，缺乏糜子葉片形態(tài)、產(chǎn)量等指標(biāo)的驗(yàn)證，此外由于本研究僅為1年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且參試的糜子品種來自中國不同省份，生態(tài)適應(yīng)性并不一致，因此研究結(jié)論是否具有普遍性、重復(fù)性還需進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

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