高粱苗期耐低磷能力的綜合評(píng)價(jià)及代表性評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

張景龍,沈益新,劉信寶,遲英俊*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,江蘇 南京 210095; 2.云南師范大學(xué),云南 昆明 650500)

高粱(Sorghumbicolor)是禾本科C4植物,具有抗逆性強(qiáng)、光合效率高和雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)等特點(diǎn),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(nóng)產(chǎn)品體系中具有重要地位[25-27]。供磷水平與高粱的籽粒產(chǎn)量顯著相關(guān)[20],同時(shí)也影響與青貯飼料發(fā)酵品質(zhì)極相關(guān)的可溶性糖含量[28-29]?？梢?選育耐低磷高粱品種對(duì)保障糧食安全以及畜牧業(yè)的發(fā)展具有重要意義。以往對(duì)耐低磷高粱品種的選育往往是以干重、植株磷含量、產(chǎn)量或磷利用效率等單一指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[20,30-31]。然而,植物對(duì)磷缺乏環(huán)境的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程[32],單一指標(biāo)不能可靠地反映特定品種或基因型的遺傳本質(zhì)[33]。近年來,耐性指數(shù)、主成分分析法和隸屬函數(shù)法等的綜合運(yùn)用提高了植物目標(biāo)性狀評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度[34-35],并逐步應(yīng)用在植物低磷耐性的綜合評(píng)價(jià)中。例如,武兆云等[36]利用主成分分析法將測(cè)定的11個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為3個(gè)綜合性指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)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(zhì)含量、光合速率等 14 個(gè)單項(xiàng)生理轉(zhuǎn)換成為 7個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo),對(duì)小麥(Triticumaestivum)代換系的耐低磷特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。目前,對(duì)于高粱耐低磷的綜合評(píng)價(jià)尚未見報(bào)道。因此,本研究以29份高粱品種為試驗(yàn)材料,測(cè)定苗期高粱的11個(gè)性狀指標(biāo),利用多個(gè)指標(biāo)對(duì)高粱低磷耐性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出對(duì)低磷耐性高的高粱品種,并篩選出可方便、快速測(cè)定高粱低磷耐性的單項(xiàng)指標(biāo),旨在為優(yōu)質(zhì)耐低磷高粱品種的選育提供參考和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見表1。其中,S1—S28號(hào)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家種質(zhì)庫提供,S29號(hào)從美國引進(jìn)。

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

1.2 試驗(yàn)方法

在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)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(fēng)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(yàn)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(jìn)行,每盆裝混合土壤5 kg。本試驗(yàn)設(shè)置低磷(3 mg·kg-1)和足磷(30 mg·kg-1)2個(gè)磷處理水平,以足磷處理為對(duì)照,每盆添加30 mg·kg-1的氮素維持植株正常生長(zhǎng),每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。按比例計(jì)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(zhǎng)勢(shì)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(cè)量指標(biāo)與統(tǒng)計(jì)方法

1.3.1農(nóng)藝性狀的測(cè)定 莖粗(Stem diameter,SD):用游標(biāo)卡尺測(cè)定距根2 cm處的莖粗。

苗高(Seedling height,SH):用直尺測(cè)量高粱收獲時(shí)地上部的絕對(duì)高度。

1.3.2根系形態(tài)的測(cè)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(cè)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(jì)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(cè)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(zhuǎn)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(cè)液。利用等離子體電感耦合發(fā)射光譜儀(Optima 8000,PerkinElmer,USA)測(cè)定樣品待測(cè)液的磷濃度c(mg·kg-1),計(jì)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(jì)算地上部磷利用率(P Utilization Rate of Shoot,PWR-S)。計(jì)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(zhǔn)確重量

PWR-S(%)=SDW/TPCS×100%

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析

測(cè)量指標(biāo)的耐低磷系數(shù)(Low phosphorus tolerance coefficients,LPTC)的計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的降維處理,將原來多個(gè)彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成新的少數(shù)幾個(gè)彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)CX。綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值UX計(jì)算公式如下,式中Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo);Xmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值;Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值:

UXj=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2…n

綜合指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算公式如下,其中Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重;Pj為各基因型第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率[32]:

Wj=Pj/∑|Pj|j=1,2…n

綜合耐低磷能力的大小計(jì)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(píng)價(jià)值:

參考鄭金鳳等[33]計(jì)算方法,試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Office Excel(Excel 2007,USA)軟件進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理,利用SPSS進(jìn)行相關(guān)性分析、方差分析及主成分分析,并計(jì)算隸屬函數(shù)值、權(quán)重和綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)及其相關(guān)系數(shù)分析

低磷耐性系數(shù)是評(píng)價(jià)低磷耐性的重要指標(biāo),由表2可知:在兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)均小于1;不同的單項(xiàng)指標(biāo)耐低磷系數(shù)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(huì)導(dǎo)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(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)評(píng)價(jià)高粱的低磷耐性會(huì)得到不同的結(jié)果。

表2 不同高粱品種各單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)Table 2 LPTC of each index in different sorghum varieties

續(xù)表2

對(duì)各指標(biāo)耐低磷系數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果由表3可知:各指標(biāo)間存在相關(guān)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(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān);地上部磷濃度與地上部總磷含量的耐低磷系數(shù)呈顯著正相關(guān),與磷利用效率的耐低磷系數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。這說明單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)間存在一定的相關(guān)關(guān)系,所反映的信息重疊,導(dǎo)致直接利用這些指標(biāo)很難客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)不同品種的耐低磷特性[33,36]。

表3 單項(xiàng)指標(biāo)耐低磷系數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation matrix of LPTC of each index

2.2 主成分分析

方差分析結(jié)果表明(表4):各單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù),在兩年的試驗(yàn)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(biāo)轉(zhuǎn)換為較少的綜合指標(biāo),計(jì)算各高粱品種的綜合低磷耐性值。

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

對(duì)11個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)進(jìn)行主成分分析(表5)發(fā)現(xiàn),前3個(gè)綜合指標(biāo)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)約80%,即反映出11單項(xiàng)指標(biāo)的絕大部分信息。由表5、表6可知:在兩年試驗(yàn)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(guān)且均為正向標(biāo),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(zhǎng)情況有關(guān)根冠鮮、干重比的載荷在兩年試驗(yàn)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(yàn)中排序前三,而其均與植物中磷的吸收有關(guān),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(píng)價(jià)

根據(jù)主成分分析結(jié)果,將11個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成3個(gè)綜合指標(biāo),用C1～C3來表示,其對(duì)應(yīng)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(jì)算出各個(gè)品種的綜合耐低磷評(píng)價(jià)值D,結(jié)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(hào)S19(‘甜選 7’)、S5(‘阿魯甜高粱 01’)、S7(‘法庫甜稈’)的品種,在兩年試驗(yàn)中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的低磷耐性;編號(hào)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(xiàn)出較弱的低磷耐性。其中,‘甜選 7’在兩年盆栽試驗(yàn)中低磷耐性均最強(qiáng),而‘三峽甜高粱 02’在兩年盆栽試驗(yàn)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(xiàng)指標(biāo)耐低磷系數(shù)與D值的相關(guān)性

分析各單項(xiàng)指標(biāo)耐低磷系數(shù)與D值的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)(表8):在兩年試驗(yàn)中,單項(xiàng)指標(biāo)耐低磷系數(shù)與綜合低磷耐性值的相關(guān)性結(jié)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(guān)。這說明地上部總磷量、地上干重、地上鮮重3個(gè)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)較為穩(wěn)定,可作為高粱綜合低磷耐性評(píng)價(jià)的代表指標(biāo)。

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

3 討論

本研究結(jié)果表明,低磷脅迫會(huì)導(dǎo)致高粱莖桿變細(xì),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(chǎn)量。低磷脅迫下,同一高粱品種不同指標(biāo)的單項(xiàng)耐低磷系數(shù)變化程度不同,導(dǎo)致利用不同指標(biāo)的單項(xiàng)耐低磷系數(shù)評(píng)價(jià)高粱低磷耐性會(huì)得到不同的結(jié)果。這是由于各指標(biāo)的耐低磷系數(shù)間所反映的信息存在一定程度的重疊造成的。因此,單項(xiàng)指標(biāo)無法準(zhǔn)確、全面地評(píng)價(jià)高粱的低磷耐性[33,36]。

主成分分析可以將存在相關(guān)關(guān)系的多個(gè)變量轉(zhuǎn)化成幾個(gè)新的綜合變量,綜合變量可反映原有多個(gè)變量的主要信息,從而綜合、科學(xué)地評(píng)價(jià)作物的抗逆性[37-39]。本研究利用主成分分析把測(cè)定的11個(gè)指標(biāo)歸納成3個(gè)綜合指標(biāo),反應(yīng)了所有測(cè)得指標(biāo)80%以上的信息。通過分析,前3個(gè)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(yàn)中的貢獻(xiàn)率都是最高的,說明生物量因子是評(píng)價(jià)高粱耐低磷性的重要指標(biāo)。這一結(jié)果與大豆的研究結(jié)果相似[36]。

本研究利用主成分分析獲得綜合指標(biāo)的計(jì)算公式及貢獻(xiàn)度,計(jì)算各綜合指標(biāo)的權(quán)重,最終獲得高粱的綜合低磷耐性值,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同年際間的高粱低磷耐性不同,說明高粱低磷耐性的強(qiáng)弱受遺傳與環(huán)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(guān)研究的試驗(yàn)材料。

各單項(xiàng)指標(biāo)耐低磷系數(shù)與綜合低磷耐性值的相關(guān)性分析結(jié)果表明,地上部總磷量、地上干重、地上鮮重的耐低磷系數(shù)與綜合低磷耐性值的極顯著相關(guān),且在不同年際間表現(xiàn)穩(wěn)定,可以作為快速評(píng)價(jià)高粱低磷耐性的單項(xiàng)指標(biāo)。其中,地上部總磷量的測(cè)定需要較為繁瑣的試驗(yàn),地上干重的獲得也需要通過長(zhǎng)時(shí)間的烘干處理,而地上鮮重的測(cè)定耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)便、試驗(yàn)過程產(chǎn)生的誤差小。因此,推薦地上鮮重的耐低磷系數(shù)作為快速評(píng)價(jià)高粱低磷耐性的代表性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)論

由于單項(xiàng)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)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(cè)定的11個(gè)指標(biāo)歸納成3個(gè)綜合指標(biāo),對(duì)29份高粱品種低磷耐性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),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(guān)研究提供種質(zhì)材料。結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果和實(shí)際操作,推薦地上鮮重的耐低磷系數(shù)作為快速評(píng)價(jià)高粱低磷耐性的代表性評(píng)價(jià)指標(biāo)。