小麥缺鐵脅迫苗期相關(guān)性狀的聚類分析

樊慶琦 楚秀生 隋新霞

摘要：研究小麥品種缺鐵脅迫苗期相關(guān)性狀的系統(tǒng)聚類，對(duì)山東省小麥種質(zhì)資源的鑒定篩選和鐵營(yíng)養(yǎng)高效種質(zhì)的創(chuàng)新利用具有重要意義。以86個(gè)山東省品種為研究對(duì)象，通過(guò)正常培養(yǎng)和缺鐵營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，考察苗期根部和地上部等苗期性狀，進(jìn)行系統(tǒng)聚類。系統(tǒng)聚類分析結(jié)果顯示，按正常培養(yǎng)、缺鐵培養(yǎng)、脅迫指數(shù)，將上述品種分別分為4、7、4個(gè)類群。研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵脅迫可導(dǎo)致小麥生根數(shù)量的減少和地上部分生長(zhǎng)量的顯著降低，卻可促進(jìn)根系生長(zhǎng)量的增加;小麥品種濟(jì)南16、菏麥19應(yīng)保證栽培苗期的鐵營(yíng)養(yǎng)供應(yīng);濟(jì)南8號(hào)、煙農(nóng)15具有較強(qiáng)的鐵耐受能力，可用于鐵營(yíng)養(yǎng)高效的種質(zhì)創(chuàng)新和分子機(jī)制研究。

關(guān)鍵詞：小麥;苗期;缺鐵脅迫;根系;聚類分析

中圖分類號(hào)： S512.101 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）13-0081-04

鐵作為小麥生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，具有重要的生物學(xué)功能。小麥根系能分泌脫氧麥根酸的物質(zhì)，螯合土壤中的Fe3+離子[1-7]，經(jīng)根系細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)通道吸收至植物體內(nèi)，參與葉綠素合成、呼吸作用、生物固氮等重要的生理生化反應(yīng)[8]，以維持小麥的正常生長(zhǎng)。缺鐵可導(dǎo)致細(xì)胞膜變薄、細(xì)胞壁疏松、膜囊系統(tǒng)破壞，胞內(nèi)細(xì)胞器如類囊體、葉綠素解體或液泡化，高爾基體膨脹等不利影響[9-12]。從表型性狀來(lái)看，可引起新葉的黃化失綠[13-14]，影響根系的生長(zhǎng)[15]。

系統(tǒng)聚類主要通過(guò)樣本數(shù)據(jù)經(jīng)中心化或標(biāo)準(zhǔn)化變換后，計(jì)算距離系數(shù)利用不同的聚類方法進(jìn)行聚類，在生物科學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。唐啟義教授開發(fā)的DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)學(xué)者的研究提供了7種聚類距離的算法和9種聚類方法，為聚類分析提供了便利、簡(jiǎn)捷的統(tǒng)計(jì)學(xué)工具[16]。

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所保存山東省小麥地方品種、育成品種以及國(guó)內(nèi)外引進(jìn)資源等3 000余份[17]。為更好地加強(qiáng)種質(zhì)資源系統(tǒng)科學(xué)的評(píng)價(jià)，本研究以保存的山東省1950年以來(lái)的86份小麥品種為試驗(yàn)材料，進(jìn)行缺鐵脅迫下小麥苗期相關(guān)性狀的聚類分析，為小麥種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)篩選和鐵營(yíng)養(yǎng)高效種質(zhì)創(chuàng)新提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2017年在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所濟(jì)南試驗(yàn)基地的人工智能氣候室（浙江求是人工環(huán)境有限公司設(shè)計(jì)制造）中進(jìn)行。氣候室面積約20 m2，陽(yáng)面為透光雙層玻璃，配備空調(diào)、LED燈、遮陽(yáng)棚和降溫水簾等控溫控光設(shè)備，由微計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制光照度12 000 lx，恒溫25 ℃。

1.2 供試材料

所用86份小麥材料為山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所小麥種質(zhì)資源庫(kù)保存，為1950年后搜集、引進(jìn)或育成的品種。為盡可能增加小麥種質(zhì)資源的遺傳豐富度，根據(jù)系譜剔除了親緣關(guān)系較近的品種（如姊妹系等），供試小麥材料信息見表1。

1.3 試驗(yàn)方法

挑選每份小麥材料籽粒飽滿的種子15粒，3次重復(fù)。種子經(jīng)1.5%次氯酸鈉消毒5 min后，腹股溝朝下，均勻擺放至珍珠棉和紗網(wǎng)縫制的發(fā)芽盤，發(fā)芽盤放入盛有1 L超純水的培養(yǎng)盒（15 mm×15 mm×20 mm）中，在人工智能溫室中發(fā)芽，光/暗周期16 h/8 h，光照度12 000 lx，溫度25 ℃，3 d換水1次。

發(fā)芽7 d后，仔細(xì)將種子從幼苗根部去除，加入培養(yǎng)液培養(yǎng)。其中，對(duì)照處理營(yíng)養(yǎng)液配方為：0.7 mmol/L K2SO4、0.1 mmol/L KCl、2 mmol/L Ca（NO3）2、0.5 mmol/L MgSO4、0.1 mmol/L KH2PO4、1 μmol/L H3BO4、0.5 μmol/L MnSO4、0.2 μmol/L CuSO4、0.5 μmol/L ZnSO4、0.01 μmol/L （NH4）6Mo7O24、100 μmol/L FeEDTA。缺鐵脅迫營(yíng)養(yǎng)液配方除無(wú)FeEDTA外，其他如對(duì)照處理。營(yíng)養(yǎng)液3 d換1次，培養(yǎng)15 d。

小麥幼苗于營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)15 d后，每次挑選長(zhǎng)相均勻粗壯的幼苗10株，以單株為單位采集根系數(shù)量、根系長(zhǎng)度、根干質(zhì)量和地上部分干質(zhì)量等性狀。根系數(shù)量以根系伸長(zhǎng)1 cm為標(biāo)準(zhǔn)采集，根系長(zhǎng)度則以根基部至最長(zhǎng)根系頂點(diǎn)的長(zhǎng)度。從根系基部用剪刀分離，將根系和地上部分干質(zhì)量分別放置牛皮紙袋中，于烘箱中105 ℃殺青30 min，以85 ℃恒溫烘干48 h至完全干燥，并用稱量精度為0.01 g電子電平稱質(zhì)量，計(jì)算根冠比。根據(jù)對(duì)照和缺鐵脅迫的相關(guān)性狀，計(jì)算脅迫指數(shù)。公式為：式中：SI為脅迫指數(shù);Fe-為材料缺鐵脅迫營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的性狀值;Fe+為材料正常營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的性狀值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)利用DPS高級(jí)版進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，聚類后不同類群的平均值計(jì)算則在Excel中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理及脅迫指數(shù)聚類距離和方法的比較

根據(jù)根系數(shù)量、根系長(zhǎng)度、根干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量和根冠比的數(shù)據(jù)，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)高級(jí)版提供的7種距離系數(shù)和9種聚類方法，對(duì)正常鐵營(yíng)養(yǎng)、缺鐵脅迫和脅迫指數(shù)分別進(jìn)行系統(tǒng)聚類的模擬。一般情況下，F(xiàn)值的概率低于 0.05 的類群數(shù)量被認(rèn)為是較適合的。

鐵正常供應(yīng)下，以卡方距離可變類平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，在劃分為4個(gè)類群時(shí)F值的概率值低于0.05，表明將供試品種分為4個(gè)類群比較適宜，其他距離和方法F值的概率均高于0.05。缺鐵脅迫情況下，以歐式平方距離可變類平均法，供試小麥材料在分為7個(gè)類群時(shí)的F值概率低于0.05，其他距離和聚類方法的模擬均高于0.05。同樣，脅迫指數(shù)在卡方距離和可變類平均法將供試小麥品種分為4個(gè)類群時(shí)，F(xiàn)值概率低于0.05，因此，脅迫指數(shù)將品種分為4個(gè)類群較為合適。

2.2 聚類結(jié)果

正常鐵營(yíng)養(yǎng)可劃分為4個(gè)類群。類群1包含32個(gè)品種，類群2包含40個(gè)品種，類群3包含13個(gè)品種，類群4只有1個(gè)品種（濟(jì)麥19），分別占總樣本的37.21%、46.51%、15.12%、1.16%（圖1-A）。

缺鐵脅迫可將供試小麥品種劃分為7個(gè)類群。類群1包含24個(gè)品種，類群2包含34個(gè)品種，類群3包含11個(gè)品種，類群4包含2個(gè)品種（濟(jì)南8號(hào)和煙農(nóng)15），類群5包含4個(gè)品種（西北60、復(fù)壯30、濟(jì)南18和山農(nóng)21），類群6包含2個(gè)品種（濟(jì)南16和菏麥19），類群7包含9個(gè)品種，分別占總樣本的27.91%、39.53%、12.79%、2.33%、4.65%、2.33%、10.47%（圖1-B）。

脅迫指數(shù)可將小麥品種劃分為4個(gè)類群。類群1包含16個(gè)品種，類群2包含56個(gè)品種，類群3包含6個(gè)品種，類群4包含8個(gè)品種，分別占總樣本的18.60%、65.12%、6.98%、9.30%（圖1-C）。

2.3 不同類群性狀間平均值比較

正常鐵營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、缺鐵脅迫和脅迫指數(shù)系統(tǒng)聚類不同類群小麥品種不同性狀的平均值見表2。在正常鐵營(yíng)養(yǎng)情況下，超過(guò)83.72%的品種屬于類群1、類群2等兩大類群，與其他類群相比，根系數(shù)量、根干質(zhì)量和根冠比位于前2位，根系長(zhǎng)度和地上部分干質(zhì)量也表現(xiàn)為較高。表明這兩大類群代表了山東省品種的普遍特征，即根系數(shù)量在8～9條，主根系根長(zhǎng)16～18 cm，根干質(zhì)量主要分布在8～12 mg，地上部分干質(zhì)量在42～45 mg，根冠比基本為0.2左右。類群4僅有1個(gè)品種（濟(jì)麥19），表現(xiàn)較為特殊，根系數(shù)量和根系長(zhǎng)度與其他品種相當(dāng)，但根干質(zhì)量偏低，地上部分干質(zhì)量偏高，說(shuō)明該品種在苗期地上部分生長(zhǎng)量要高于地下部分生長(zhǎng)量。

缺鐵脅迫下，供試小麥品種則分為7個(gè)類群，品種間存在較大差異，表明在缺鐵情況下，明顯影響了品種的苗期發(fā)育。在七大類群中，前3個(gè)類群品種占總樣本的80.32%，與正常對(duì)照相比，根系數(shù)量、根系長(zhǎng)度和根干質(zhì)量相差不大，地上部分干質(zhì)量有所下降，根冠比略微上升。值得注意的是，類群4的2個(gè)品種（濟(jì)南8號(hào)、煙農(nóng)15）雖然根系數(shù)量增加不明顯，但根系長(zhǎng)度、根系干質(zhì)量和地上部分干質(zhì)量與其他類群平均值相比表現(xiàn)最高，表明在缺鐵脅迫下，濟(jì)南8號(hào)、煙農(nóng)15等2個(gè)品種地下部分和地上部分的生長(zhǎng)均較為明顯，似乎并不受脅迫的影響，可理解為具有較強(qiáng)的耐受能力;類群6的2個(gè)品種（濟(jì)南16、菏麥19）與其他類群性狀平均值相比，除根冠比表現(xiàn)最高，其他4個(gè)性狀均表現(xiàn)最低，說(shuō)明缺鐵嚴(yán)重影響了根系和地上部分的發(fā)育，根冠比較高是由于地上部分干質(zhì)量顯著降低的原因所導(dǎo)致。

脅迫指數(shù)反映缺鐵脅迫后苗期性狀的變化。根據(jù)系統(tǒng)聚類各類群性狀的平均值，發(fā)現(xiàn)缺鐵脅迫后，小麥根系數(shù)量、地上部分干質(zhì)量和根冠比全部為降低（負(fù)值），根系長(zhǎng)度除類群1無(wú)變化外，類群2降低，類群3和類群4略有升高。根干質(zhì)量4個(gè)類群均有不同程度的增加，以類群1和類群4升高較為明顯。

3 討論與結(jié)論

歐式距離是系統(tǒng)聚類應(yīng)用最為廣泛的距離[18]，即2點(diǎn)之間的實(shí)際距離;卡方距離則是利用列聯(lián)表的方法得到1個(gè)卡方統(tǒng)計(jì)量來(lái)衡量2個(gè)個(gè)體之間的差異性，它被認(rèn)為比歐式距離等常用的距離系數(shù)有更強(qiáng)的分辨能力[16]。根據(jù)本研究的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算歐式距離系數(shù)、歐式平方距離系數(shù)和卡方距離系數(shù)，利用可變類平均法可以較好地進(jìn)行系統(tǒng)聚類，合適類群數(shù)目F值的概率達(dá)極顯著水平。

聚類分析的結(jié)果顯示，供試小麥品種中多數(shù)品種（超過(guò)80%）被聚為特定的2類和3類，這些品種無(wú)論在正常情況下還是在缺鐵脅迫下，各性狀的數(shù)值也較為接近，表明上述品種具有相似的發(fā)育規(guī)律和特點(diǎn)。而從脅迫指數(shù)可以看出，雖然被劃分為不同類群，通過(guò)平均值分析，不同類群間也具有相似的特征，即缺鐵脅迫可以影響根系數(shù)量的增加，有助于根系干物質(zhì)的增加，不利于地上部分干物質(zhì)的積累，對(duì)主根系的伸長(zhǎng)則因品種而異。

然而，個(gè)別小麥品種卻具有不同的發(fā)育特點(diǎn)，如濟(jì)麥19，苗期地上部分的發(fā)育顯著快于地上部分的生長(zhǎng)。這種特點(diǎn)在苗期表現(xiàn)為繁茂性較好，然而在生長(zhǎng)后期的抗倒性能并不特別突出，可能與苗期的這種發(fā)育特點(diǎn)有關(guān)。濟(jì)南8號(hào)、煙農(nóng)15在缺鐵脅迫下表現(xiàn)出較好的耐受能力，缺鐵可能會(huì)誘導(dǎo)體內(nèi)一系列的生理生化反應(yīng)，促進(jìn)根系的伸長(zhǎng)和根總量的增加來(lái)應(yīng)對(duì)脅迫;而濟(jì)南16、菏麥19，在缺鐵情況下生長(zhǎng)受到明顯抑制，根系數(shù)量的發(fā)生、主根系的伸長(zhǎng)和干物質(zhì)積累均處于較低水平，表明這2個(gè)品種對(duì)缺鐵較為敏感。

通過(guò)本研究的聚類分析，對(duì)山東省小麥品種苗期的地下部分和地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育有了更為清晰的了解，同時(shí)，缺鐵對(duì)小麥品種的影響也有了更為深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)缺鐵耐受的濟(jì)南8號(hào)和煙農(nóng)15，可通過(guò)基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組等研究方法進(jìn)一步探討缺鐵響應(yīng)的分子機(jī)制;對(duì)缺鐵敏感型小麥品種如濟(jì)南16、菏麥19，在推廣種植中應(yīng)避開缺鐵的干旱、半干旱地區(qū)。

綜上所述，正常鐵供應(yīng)下，利用卡方距離可變類平均法可將86個(gè)小麥品種分為4個(gè)類群;缺鐵脅迫下，利用歐式平方距離可變類平均法可將其分為7個(gè)類群;對(duì)于脅迫指數(shù)，利用歐式距離可變類平均法可將其分為4個(gè)類群。缺鐵可影響小麥根系數(shù)量的增加，促進(jìn)根系干物質(zhì)積累，但阻礙地上部分干物質(zhì)的積累。

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