青稞苗期耐低磷能力評(píng)價(jià)

羅 園，李東梅，雷淼淼，馮宗云

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物遺傳育種學(xué)系大麥青稞研究中心，四川成都 611130；2.成都中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611137)

世界全部耕地中約43%存在土壤缺磷的問(wèn)題[6]，我國(guó)約有66%耕地缺磷[7]，而磷肥在農(nóng)作物當(dāng)季的利用率約為5%～20%，最高也不超過(guò)25%[8]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常通過(guò)施用磷肥來(lái)解決土壤缺磷的問(wèn)題，但大部分被施磷素被土壤吸附固定、沉淀轉(zhuǎn)化為無(wú)效態(tài)磷，難以被植物吸收利用[9-12]。另外，磷元素在土壤中向下的遷移距離很短，易隨地表水流失而引起的環(huán)境污染，會(huì)導(dǎo)致地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化[13]。因此過(guò)多施用磷肥不僅會(huì)造成作物磷素利用效率下降和資源浪費(fèi)，而且會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題。磷素利用效率在作物種間和品種間均存在差異，遺傳改良是提高作物磷利用能力的主要途徑之一[14]，而篩選磷高效和耐低磷種質(zhì)材料是作物磷高效育種的前提和基礎(chǔ)。目前有關(guān)青稞磷素利用效率和耐低磷能力評(píng)價(jià)及種質(zhì)材料篩選的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究采用主成分分析和隸屬函數(shù)加權(quán)平均和聚類(lèi)分析法，對(duì)52分青稞材料的磷利用特性進(jìn)行綜合分析，篩選磷高效和耐低磷青稞材料，以期為青稞磷高效和耐低磷育種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為保存于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大麥青稞研究中心的52個(gè)青稞地方品種，均來(lái)自于中國(guó)西藏地區(qū)，信息詳見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選每份材料種子各50粒，要求大小一致、顆粒飽滿完整無(wú)蟲(chóng)眼，隨機(jī)編號(hào)。種子清洗消毒后，放置于吸水濾紙皿床上發(fā)芽2周。每份材料選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗20株，去胚和種皮，清水洗凈，隨機(jī)分成2組分別進(jìn)行缺磷和正常磷素(對(duì)照)營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。幼苗先用完全營(yíng)養(yǎng)液[15]培養(yǎng)緩苗一周，隨后進(jìn)行不同磷素處理。缺磷處理和對(duì)照磷酸濃度分別為0.5 μmol·L-1和0.5 mmol·L-1。整個(gè)水培過(guò)程在實(shí)驗(yàn)大棚內(nèi)完成，溫度、光照等條件與自然相同。營(yíng)養(yǎng)液持續(xù)通氧，每3 d換液一次，連續(xù)培養(yǎng)4周。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

植株磷含量按鉬銻抗顯色法測(cè)定[16]，酸性磷酸酶活性按對(duì)硝基苯膦酸二鈉法測(cè)定[17]，采用缺磷處理與對(duì)照的生物量、根冠比(根部重量/地上部重量)、磷效比(地上部干重/植株磷含量)和酸性磷酸酶活性四個(gè)指標(biāo)的比值進(jìn)行磷利用效率的評(píng)價(jià)。

1.4 綜合評(píng)價(jià)體系

將測(cè)得的各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算耐低磷系數(shù)α，對(duì)這些指標(biāo)通過(guò)相關(guān)分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類(lèi)分析進(jìn)行磷利用效率綜合評(píng)價(jià)。

α=缺磷處理/對(duì)照

(1)

Uj=(xj-xmin)/(xmax-xmin)

(2)

(3)

(4)

上式中，xj表示第j個(gè)因子的得分值；xmin表示第j個(gè)因子得分的最小值；xmax表示第j個(gè)因子得分的最大值；Wj表示第j個(gè)公因子在所有公因子中的重要程度；Pj為各品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；D為材料在低磷濃度條件時(shí)磷利用效率和耐低磷能力綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞品種不同指標(biāo)的耐鹽系數(shù)差異

從表2可以看出，無(wú)論是同一指標(biāo)的不同品種間，還是同一品種的不同指標(biāo)間，青稞耐低磷系數(shù)均存在差異，而且各指標(biāo)耐低磷系數(shù)隨品種的不同而變化的規(guī)律不一致，說(shuō)明青稞的耐低磷能力受遺傳因素影響，同時(shí)利用單個(gè)指標(biāo)不能對(duì)其耐低磷和磷素利用的能力做出準(zhǔn)確評(píng)判。另外，4個(gè)指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性(表3)，使得不同指標(biāo)所反映的信息具有一定的重復(fù)性。因此，對(duì)青稞品種的耐低磷和磷素利用能力需要綜合評(píng)價(jià)。

表1 供試材料編號(hào)、名稱及產(chǎn)地Table 1 Information of hulless barley materials used in this study

表2 52份實(shí)驗(yàn)材料各指標(biāo)耐低磷系數(shù)Table 2 Low phosphorus tolerance index of the 52 hulless barley landraces

表3 各指標(biāo)的耐低磷系數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients among low phosphorus tolerance coefficient of the indexes

*:P<0.05; **:P<0.01 .

2.2 綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 主成分分析

利用SPSS對(duì)52份青稞實(shí)驗(yàn)材料苗期4個(gè)指標(biāo)的耐低磷系數(shù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果(表4)顯示，前三個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為 36.597%、28.141%和25.056%，累計(jì)達(dá)到了 89.802%，因此可以用這3個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)代替原有的4個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)青稞品種的耐低磷和磷素利用能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.2 隸屬函數(shù)分析及權(quán)重和綜合評(píng)價(jià)值的確定

利用三個(gè)綜合指標(biāo)的耐低磷系數(shù)，求出每品種的3個(gè)綜合指標(biāo)值，再由公式(2)計(jì)算隸屬函數(shù)值(表5)。同時(shí)，根據(jù)各綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，由公式(3)分別求出各綜合指標(biāo)的權(quán)重。經(jīng)計(jì)算，3個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.26、0.36、0.39。進(jìn)一步用公式(4)計(jì)算出52份青稞供試材料綜合評(píng)價(jià)值(D)(表6)。52份青稞材料的D值在0.263～0.815之間，平均值為0.508。

表4 各綜合指標(biāo)的耐低磷系數(shù)及貢獻(xiàn)率Table 4 Coefficient of low-phosphorus tolerance and contribution rate of each index

2.3 聚類(lèi)分析

利用軟件NTSYS對(duì)52份青稞材料綜合評(píng)價(jià)值(D)進(jìn)行聚類(lèi)分析。結(jié)果(圖1)表明，歐式距離為0.15時(shí)，52份青稞材料被劃分為4大類(lèi)。其中，第一類(lèi)一共11個(gè)品種，包括長(zhǎng)芒白青稞、鄂嘎宗、扎仁、窮結(jié)黃六棱、滿都、白青稞3、白青稞4、短芒青稞、分枝青稞、乃木、白青稞6,D值變化范圍為0.263～0.372，平均值0.323，磷利用效率最低；第二類(lèi)一共23個(gè)品種，包括地方青稞、黑灰芒、昌都青稞、家巴家姆、白青稞2、歐澤、扎西布池、日農(nóng)60、地方、乃木柴、生次、長(zhǎng)芒黑青稞、叉九、錯(cuò)肉、青稞、任青青稞、嘎瑪、乃那各忍、加查冬青稞、押托黃、山南白青稞、紫青稞、黑穎,D值變化范圍為0.406～0.556，平均值為0.525，磷利用效率稍好；第三類(lèi)一共16個(gè)品種，包括：列旺色列、白青稞1、翁木東、少崗蘭、鹿馬嶺、日近尼嘎、斑久、乃木、白殼、白紫青稞、扎尼瑪、巴金嘎母、乃那、長(zhǎng)芒冬、白青稞6、紫六棱，D值變化范圍為 0.583～0.719，平均值為0.597，磷利用效率較高；第四類(lèi)一共2個(gè)品種，包括阿曼都和拉薩紫青稞,D值變化范圍為0.781～0.815，平均值為 0.798，磷利用效率最高。

3 討 論

農(nóng)作物磷利用能力反映在表型性狀上并不單一，而是表現(xiàn)為一種復(fù)雜的綜合性狀，涉及植株對(duì)磷元素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和利用等過(guò)程，與植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化等性狀密切相關(guān)。良好的根系是植物適應(yīng)低磷脅迫的重要條件，根系在抵抗低磷脅迫環(huán)境壓力時(shí)可以產(chǎn)生可塑性的變化[18]，植物根系在低磷脅迫時(shí)比根長(zhǎng)會(huì)顯著增加[19-21]。根系性狀的變化可以用來(lái)描述磷元素的吸收效率,根系干重和根冠比的增加是植物適應(yīng)低磷條件的重要性狀表現(xiàn)[22-23]，磷高效的作物還表現(xiàn)為具有較低的根冠磷濃度比[24-25]，不同施磷水平下，大麥的側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根表面積、比根長(zhǎng)和平均根系直徑是反映磷效率基因型差異、影響大麥對(duì)磷吸收的重要指標(biāo)[26]。磷利用效率是指植物利用生長(zhǎng)介質(zhì)中單位有效磷所生產(chǎn)的有機(jī)物量[27]，植物的磷效率具有豐富的遺傳多樣性[28-29]。酸性磷酸酶是植物組織中廣泛存在的一種重要的誘導(dǎo)和水解酶，它可以通過(guò)降解部分有機(jī)磷釋放無(wú)機(jī)磷，對(duì)植物體生長(zhǎng)環(huán)境中磷的吸收活化和再生起著重要的作用[30]。低磷脅迫下，小麥植株葉片酸性磷酸酶活性顯著增高，高效型低于低效型[31]。低磷脅迫下，磷高效型大麥通過(guò)提高下部葉的酸性磷酸酶活性來(lái)加強(qiáng)酯磷和核酸態(tài)磷的分解，使其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，增加可移動(dòng)性磷的含量和比例，以提高大麥生育后期體內(nèi)磷素的再利用效率[32-33]。本研究利用建立的綜合評(píng)價(jià)方法，結(jié)果以數(shù)值的形式直觀地將52個(gè)青稞供試材料磷利用能力表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行聚類(lèi)分析，共得到四類(lèi)，其中第一和第二類(lèi)的綜合評(píng)價(jià)值較低，磷利用和耐低磷能力低，第三類(lèi)和第四類(lèi)的綜合評(píng)價(jià)值較高，磷利用和耐低磷能力較強(qiáng)。對(duì)于植物磷素營(yíng)養(yǎng)效率劃分,參考產(chǎn)量的絕對(duì)指標(biāo)和相對(duì)指標(biāo)，可將作物品種分為低效率耐肥型、高效率耐肥型、低效率型和高效率不耐肥型4種。本研究得到的四類(lèi)青稞材料是否完全符合以上的四分類(lèi)法，還待更加深入的研究和判斷。這種四分類(lèi)法中，一般認(rèn)為在低磷和正常磷水平條件下，低效率型品種產(chǎn)量都較低，幾乎沒(méi)有利用價(jià)值；低效率耐肥基因型產(chǎn)量在低磷條件時(shí)也較低，但是正常供磷條件時(shí)產(chǎn)量較高，是現(xiàn)代育種中應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的磷效率型，適用于改良作物的高產(chǎn)性狀；高效率耐肥基因型和高效率不耐肥基因型，在低磷脅迫條件下，產(chǎn)量也較高，可以用來(lái)改良植物的磷素營(yíng)養(yǎng)性狀，特別是高效率耐肥基因型在低磷和正常磷條件下都具有較高的產(chǎn)量，因此此類(lèi)磷效率基因型是植物磷素營(yíng)養(yǎng)性狀改良的理想目標(biāo)。

表5 青稞材料綜合指標(biāo)值、隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值Table 5 Composition index,membership function value and synthetical value of hulless barley landraces

圖1 52份青稞材料磷利用效率綜合評(píng)價(jià)值聚類(lèi)結(jié)果