基于隸屬函數(shù)法和主成分分析評價玉米萌發(fā)期抗旱性

鄒成林， 黃開健， 翟瑞寧， 黃愛花， 莫潤秀， 韋新興， 楊 萌， 黃艷芬， 王呤燕， 盧紅雨

(1.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所，廣西南寧 530007； 2.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學，廣西南寧 530007)

玉米是我國最重要的三大作物之一，在作為糧食、飼料和工業(yè)原料等方面具有無可替代的重要作用。干旱是限制我國玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)境因素，能導致玉米減產(chǎn)10%～25%，嚴重時甚至高達50%。種子萌發(fā)期是玉米生長的關(guān)鍵階段，這一時期需水量最少，但對水分卻最為敏感，該時期若缺水將嚴重限制種子萌發(fā)，導致缺苗、苗弱和苗不齊，嚴重影響玉米整個生長周期的發(fā)育。

對種子萌發(fā)期進行研究，通常使用聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模擬干旱脅迫，不同濃度可模擬不同程度干旱脅迫。PEG-6000處理已成為鑒定種子抗旱能力的重要方法，在水稻、小麥、大豆、花生和牧草等方面均有普遍研究。在玉米萌發(fā)期抗旱性研究方面也有較多報道，在抗旱指標選擇上，一般研究認為玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根數(shù)目和長度、胚芽長、貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率等性狀可作為玉米萌發(fā)期抗旱性的重要指標。PEG-6000溶液處理后，種子萌發(fā)特性相關(guān)各項指標與清水對照處理相比均會有不同程度的下降，表明PEG-6000溶液具有限制玉米萌發(fā)的作用，且隨著其濃度的提高限制作用越明顯。在抗旱評價方法上，通常將多項種子萌發(fā)指標進行綜合分析，統(tǒng)籌運用抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)法和聚類分析等來判斷不同玉米材料或品種的抗旱性。

廣西玉米主要種植在丘陵和山區(qū)，大多無灌溉條件，受季節(jié)性影響，雨水分布不勻，導致春旱、秋旱時常發(fā)生，春旱影響春玉米適時播種和出苗全苗，秋旱影響秋玉米授粉灌漿，嚴重制約了玉米產(chǎn)量的提高。作者前期研究已對廣西玉米品種開花期抗旱性進行了鑒定和評價，最終鑒定出5個開花期抗旱性較強的品種。對玉米萌發(fā)期抗旱性特性也進行了初步研究，確定了模擬中度干旱脅迫的最適PEG-6000濃度為15%或20%。因此，在此基礎(chǔ)上，本研究以12個廣西近幾年新選育的玉米品種為供試材料，用15%濃度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫處理，測定種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、胚根干質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量和貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率等8個指標，計算各指標的抗旱系數(shù)，通過隸屬函數(shù)法和主成分分析綜合評價供試品種的抗旱性，為廣西抗旱性玉米品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年3月在廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院進行。供試玉米品種12個，分別為桂單663(桂審玉2020011號)、兆玉215(桂審玉2020090號)、桂單660(桂審玉2019088號)、桂單666(桂審玉2019015號)、桂單668(桂審玉2020004)、桂單669(桂審玉2020012號)、桂單671(桂審玉2020081號)、桂單673(桂審玉2019092號)、兆玉200(桂審玉2019093號)、桂單203(國審玉20200464號)、桂單658(桂審玉2019011號)和桂單662(桂審玉2019011號)，均由廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所選育及審定。

1.2 試驗設(shè)計

每個品種選30粒種子，要求大小一致、均勻飽滿，用75%乙醇浸泡種子3 min進行消毒，用滅菌蒸餾水沖洗3遍后將種子置于濾紙上吸干水分。將3張滅菌后的濾紙均勻放到尺寸為11.5 cm×11.5 cm×5.0 cm的發(fā)芽盒內(nèi)，在發(fā)芽盒內(nèi)加入 20 mL 濃度為15%的PEG-6000溶液進行干旱脅迫處理，加入20 mL蒸餾水作為對照處理。用鑷子將種子均勻放到發(fā)芽盒內(nèi)的濾紙上，每個品種干旱脅迫和對照處理均設(shè)3個重復。將放入種子的發(fā)芽盒置于人工氣候箱，設(shè)置恒溫25 ℃、相對濕度80%。以胚芽長出2 mm為發(fā)芽標準，每隔24 h記錄1次，連續(xù)記錄8次，并在第9天每個處理選取10株幼苗，測定胚根長、胚芽長、胚根干質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量和剩余種子籽粒干質(zhì)量。

1.3 測定指標及方法

發(fā)芽勢=(第4天種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率=(第7天種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

萌發(fā)指數(shù)=1.00×+0.75×+0.50×+0.25×(其中、、、分別為第2、4、6、8天的種子發(fā)芽率)；

貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率=[(芽+根)干質(zhì)量]/[(芽+根+子粒)干質(zhì)量]×100%；

抗旱系數(shù)=指標干旱測定值/指標對照測定值。

隸屬函數(shù)法：用公式=(-)/(-)計算各指標在不同品種中的具體隸屬函數(shù)值()。式中：為不同品種某指標測定值的抗旱系數(shù)；和分別為所有品種該指標抗旱系數(shù)的最大值和最小值。然后根據(jù)各指標的變異系數(shù)()占所有指標變異系數(shù)之和的比例來確定各指標所占的權(quán)重系數(shù)，計算每個自交系的綜合隸屬函數(shù)值，依據(jù)值劃分各自交系抗旱性強弱。將隸屬函數(shù)值評價抗旱性標準定為：值≥07為抗旱性強品種，04≤值<07為抗旱性中等品種，值<04為抗旱性弱品種。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

為減少各品種間自身的差異，對各指標測定的值均采用抗旱系數(shù)，即干旱脅迫測定值與對照測定值之比來表示。采用Excel 2007整理數(shù)據(jù)、計算各項指標隸屬函數(shù)值及綜合隸屬函數(shù)值。用DPS 16.05統(tǒng)計分析軟件進行方差分析、相關(guān)性分析、主成分和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種萌發(fā)期各項指標的抗旱系數(shù)分析

由表1可知，不同玉米品種萌發(fā)期各萌發(fā)性狀指標抗旱系數(shù)幾乎均小于1，說明在干旱脅迫下各性狀指標均受到了不同程度的抑制。

表1 不同玉米品種萌發(fā)期各項指標的抗旱系數(shù)

發(fā)芽勢方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.527～0.838，其中，最高的為桂單662和桂單203，兩者均達到了0.838，與兆玉215、桂單666和桂單671無顯著性差異，顯著高于其他品種；最低為桂單668，與桂單673、桂單663、桂單660和桂單658無顯著性差異，顯著低于其他品種。發(fā)芽勢決定著出苗的整齊程度，發(fā)芽勢高，出苗整齊，苗生長一致。桂單662、桂單203、兆玉215、桂單666和桂單671發(fā)芽勢抗旱系數(shù)較高，其種子在干旱脅迫下仍然有較強的生命力。

發(fā)芽率方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.845～1.000，變化幅度較小，說明干旱脅迫對各品種發(fā)芽率的影響相對較小，其中桂單203的抗旱系數(shù)為1.000，說明其在干旱脅迫下的發(fā)芽率與正常對照情況下的相當，具有較強的抗旱性；排在前列的桂單203、桂單671和兆玉215等8個品種之間均無顯著性差異。

萌發(fā)指數(shù)方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.617～0.915，兆玉215達到0.915，顯著高于其他品種；最低的為桂單658，與桂單668和桂單662無顯著差異，顯著低于其他品種。種子萌發(fā)指數(shù)越高，其萌發(fā)能力越強。兆玉215萌發(fā)指數(shù)最高，說明其在干旱脅迫下相比對照仍然具有較強的萌發(fā)能力，能很好地適應(yīng)干旱環(huán)境。

胚根長方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.650～0.940，較高的為桂單203、兆玉215、兆玉200、桂單671和桂單662，它們之間無顯著性差異；較低的為桂單658、桂單673和桂單668。根是玉米吸收水分的重要器官，干旱脅迫不同程度抑制了各品種對水分的吸收。

胚芽長方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.539～0.845，較高的為桂單662、桂單671、兆玉215和桂單203，它們間無顯著性差異；較低的為桂單669、桂單668、桂單660、桂單658和桂單673。干旱脅迫對根吸收水分的抑制，體現(xiàn)到了胚芽上，但胚根長與胚芽長在不同品種上反映并不一致，在伸長方面胚芽對干旱脅迫的反應(yīng)相比胚根更敏感。

胚根干質(zhì)量方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.582～0.891，較高的為桂單671、桂單662、兆玉215、桂單666和桂單203；較低的為桂單658和桂單673。干旱脅迫抑制了胚根的生長發(fā)育，導致其質(zhì)量降低，對干旱脅迫敏感的品種桂單658和桂單673降低較多。

胚芽干質(zhì)量方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.575～0.932，較高的為兆玉215、桂單203、桂單662、桂單671和桂單669，它們間無顯著性差異；較低的為桂單668、桂單658和桂單673。胚芽干質(zhì)量和胚根干質(zhì)量抗旱系數(shù)整體上差別不大，說明干旱脅迫對胚根和胚芽物質(zhì)發(fā)育方面的影響相近。

貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率方面，抗旱系數(shù)變化范圍為0.611～0.905，兆玉215最高，與桂單666和桂單671無顯著性差異，顯著高于其他9個品種；最低的為桂單663，與桂單662、桂單668、桂單658和桂單673無顯著性差異。貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率可以反映各品種對種子內(nèi)貯藏物質(zhì)的利用速率、效率和體內(nèi)能量供應(yīng)的水平，兆玉215在干旱脅迫下對種子內(nèi)物質(zhì)仍有較高的利用。

2.2 不同玉米品種萌發(fā)期各性狀指標抗旱系數(shù)間的相關(guān)性分析

將干旱脅迫下8個指標性狀的抗旱系數(shù)利用雙變量Pearson簡單相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)性分析。由表2可知，各項指標抗旱系數(shù)間相關(guān)性均呈現(xiàn)正相關(guān)，除萌發(fā)指數(shù)與發(fā)芽率、胚根長和胚芽長無顯著相關(guān)外，其他指標間的相關(guān)性均達到了顯著或極顯著水平。發(fā)芽勢與胚芽干質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)最大，為0.858；發(fā)芽率與胚根長、胚根長與發(fā)芽率相關(guān)系數(shù)互為最大，為0.796；萌發(fā)指數(shù)與貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率、貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率與萌發(fā)指數(shù)相關(guān)系數(shù)互為最大，為0.802；胚芽長與胚根干質(zhì)量、胚根干質(zhì)量與胚芽長相關(guān)系數(shù)互為最大，為0.900；胚芽干質(zhì)量與胚根干質(zhì)量相關(guān)系數(shù)最大，為0.897。

表2 不同玉米品種萌發(fā)期各指標抗旱系數(shù)的相關(guān)性

2.3 不同玉米品種萌發(fā)期各性狀隸屬函數(shù)值抗旱性評價

將8個指標抗旱系數(shù)通過公式換算成隸屬函數(shù)值， 根據(jù)各指標的變異系數(shù)占所有指標變異系數(shù)之和的比例來確定各指標所占的權(quán)重系數(shù)，計算每個自交系的綜合隸屬函數(shù)值，值越大，綜合抗旱性越強。由表3隸屬函數(shù)值評價結(jié)果可知，兆玉215、桂單671、桂單203和桂單662這4個品種的值大于0.7，屬于抗旱性強的品種；桂單666、兆玉200和桂單669 3個品種的值大于04小于07，屬于抗旱性中等品種；桂單660、桂單663、桂單668、桂單673和桂單658 5個品種，值小于04，屬于抗旱性弱的品種。

表3 不同玉米品種萌發(fā)期抗旱系數(shù)隸屬函數(shù)值抗旱性分類

2.4 不同玉米品種萌發(fā)期抗旱性主成分分析

將本試驗中12個玉米品種的8個指標所得抗旱系數(shù)經(jīng)加權(quán)平均后進行主成分分析，所得結(jié)果如表4、表5。由表4、表5可知，第1主成分的貢獻率為74.021%，其中胚芽干質(zhì)量、胚根干質(zhì)量和發(fā)芽勢具有較高的載荷，分別為0.391、0.372和0.370；第2主成分的貢獻率為10.154%，其中萌發(fā)指數(shù)和貯藏物質(zhì)運轉(zhuǎn)率具有較高的載荷，分別為0.708和0.468。前2個主成分的累計貢獻率達到84.175%，兩者足以代表變量絕大多數(shù)信息，符合主成分分析的要求。將變量發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根長、胚芽長、胚根干質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量和貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率分別設(shè)為、、、、、、和，根據(jù)表5結(jié)果，得出主成分分析表達式：

表4 各主成分的特征值和貢獻率

表5 主成分特征向量矩陣

=0370+0351+0293+0338+0353+0372+0391+0352；

=-0113-0060+0708-0284-0405-0126-0061+0468。

根據(jù)各品種和的值，得到綜合評價函數(shù)為：

=0740 21+0101 54。

值與抗旱性呈正相關(guān)，值越大，抗旱性越強。由表6主成分分析值可知， 12個玉米品種萌發(fā)期抗旱性大小為兆玉215>桂單671>桂單203>桂單666>桂單662>兆玉200>桂單669>桂單660>桂單663>桂單673>桂單668>桂單658。

表6 不同玉米品種主成分Y值及抗旱性排序

將不同玉米品種值通過WPGWA法進行聚類分析。由圖1可知，12個玉米品種分為3類，第1類含5個品種，為桂單203、桂單662、桂單666、桂單671和兆玉215，屬于抗旱性強品種；第2類含3個品種，為兆玉200、桂單669和桂單660，屬于抗旱性中等品種；第3類含4個品種，為桂單658、桂單673、桂單668和桂單663，屬于抗旱性弱品種。

3 討論與結(jié)論

玉米的抗旱性屬于數(shù)量遺傳性狀，且由多個微效基因控制，易受環(huán)境因素影響。通過單一指標對玉米抗旱性進行評價存在一定的局限性，需要多個指標來綜合評價。陳波等研究認為，玉米種子萌發(fā)期抗旱指標應(yīng)以萌發(fā)抗旱指數(shù)為主，其他指標為輔。成鍇等研究表明，抗旱能力的主要鑒定指標為發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與耐旱萌發(fā)指數(shù)，間接抗旱鑒定指標為種子吸水率與胚根胚芽長、貯藏物質(zhì)運轉(zhuǎn)率。本研究在參考前人研究的基礎(chǔ)上測定了8個玉米萌發(fā)特性指標，這些指標間多數(shù)存在極顯著或顯著相關(guān)性，可用于評價各玉米品種的抗旱性。各指標在PEG-6000模擬干旱脅迫下與對照相比均有不同程度降低，說明干旱脅迫延緩了玉米種子的發(fā)芽時間，降低了發(fā)芽能力，限制了胚根、胚芽的生長發(fā)育，使貯藏物質(zhì)運轉(zhuǎn)率降低。由于品種之間內(nèi)在特性的不同，為消除品種間的固有差異，本試驗將各個指標均用干旱脅迫處理比上對照處理的相對值，即用抗旱系數(shù)來表達，這也是很多研究者普遍采用的方法。

玉米抗旱性較為復雜，除需要測定較多指標外，還需要綜合利用不同的評價方法來判斷。抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)法、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析等方法均可用于評價玉米品種的抗旱性?？购迪禂?shù)反映了該品種的穩(wěn)產(chǎn)性，抗旱指數(shù)在考慮穩(wěn)產(chǎn)性的基礎(chǔ)上同時兼顧了一定的高產(chǎn)性，但兩者通常用在產(chǎn)量指標上較多。隸屬函數(shù)法、主成分和聚類分析等在評價玉米綜合抗旱性上效果較好，使用也較多，但這些方法基于的原理不同。為使結(jié)果準確并得到相互驗證，本研究同時采用了隸屬函數(shù)法和主成分分析對不同玉米品種進行抗旱性評價。2種方法評價結(jié)果之間的相似性達到了0.995的極顯著正相關(guān)，說明2種方法在評價玉米品種抗旱性上具有非常好的一致性。兆玉215、桂單671、桂單203和桂單662綜合隸屬函數(shù)值分別為0.925、0.828、0.782和0.748，均大于0.7；主成分結(jié)合聚類分析中歸為同一類型且值較高的為兆玉215、桂單671、桂單203、桂單666和桂單662，值分別為2.732、2.079、1.614、1.251和1.135。因此綜合2種評價方法判斷兆玉215、桂單671、桂單203和桂單662屬于抗旱性強品種。

盡管本試驗測定的萌發(fā)特性指標較多、較全面，并綜合運用了隸屬函數(shù)法和主成分分析來進行抗旱性評價，但測定的指標均為農(nóng)藝性狀，因此相應(yīng)的評價結(jié)果僅體現(xiàn)了玉米品種在農(nóng)藝性狀方面的抗旱性，未涉及相關(guān)生理生化方面的抗旱性狀。郭效龍等研究認為，脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性均可作為鑒定自交系抗旱性的指標。魯曉民等的研究表明，與正常水分處理相比，PEG脅迫后，玉米自交系葉片相對含水量均呈下降趨勢，但脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD )和過氧化物酶(POD)活性均呈升高趨勢?？梢姼珊得{迫會導致玉米萌發(fā)期生理生化指標一系列的變化，因此本試驗結(jié)果能否全面代表各品種萌發(fā)期的抗旱性還有待進一步研究。