玉米自交系在苗期耐低氮能力的鑒定與篩選

摘要：為了探明玉米苗期耐低氮自交系的鑒定方法和指標，從而篩選出耐低氮能力強、可應用于育種實踐的玉米自交系，以108份玉米自交系作為試驗材料，通過正常氮、低氮2種條件下玉米苗期水培試驗，系統(tǒng)測定與根部生長發(fā)育、生物量相關的10項指標；根據(jù)耐低氮系數(shù)、相關性分析、主成分分析、聚類分析及逐步回歸分析等多元統(tǒng)計與分析方法，篩選出玉米苗期耐低氮自交系和主要鑒定指標。結(jié)果表明，在不同氮處理下，玉米自交系苗期各項指標均受到影響，但影響程度在自交系間和指標間均有不同。主成分分析將10個單項指標轉(zhuǎn)化為3個綜合指標，基于自交系耐低氮綜合評價值，通過聚類分析將供試玉米自交系分為4種類型，其中強耐低氮型共7份，耐低氮型共25份，中間型共52份，低氮敏感型共24份。運用逐步回歸法計算得出總根長、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地下部干重和根冠比的耐低氮系數(shù)，并將其作為玉米自交系苗期耐低氮特性的主要指標。本研究不僅篩選出了一批具有強耐低氮能力的玉米自交系，也為玉米苗期耐低氮自交系的鑒定方法提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：玉米自交系；苗期；低氮脅迫；指標；篩選

中圖分類號：S513.034；S513.037""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）22-0062-07

玉米作為我國種植面積最大、產(chǎn)量最高的糧食作物，已被廣泛應用于飼料、食品、工業(yè)和商業(yè)流通等領域，在保障我國糧食安全方面有舉足輕重的地位^［1］。氮是玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量提升及品質(zhì)形成的關鍵因素之一^［2］。為了提高玉米產(chǎn)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)過度施氮的現(xiàn)象，導致氮肥施用量遠高于實際需求量，造成氮肥利用率降低、生產(chǎn)成本增加和環(huán)境污染等問題，嚴重制約著我國玉米產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進程^［3-4］。已有研究結(jié)果表明，不同基因型的玉米種質(zhì)資源展現(xiàn)出顯著的氮素利用效率差異，為選育氮高效玉米品種提供了可能。然而，耐低氮品種的選育需要相應的玉米自交系作為親本^［5-7］。因此，鑒定并篩選耐低氮玉米自交系、選育氮高效玉米新品種、提高玉米氮肥利用效率，是實現(xiàn)玉米產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展的有效途徑。

玉米耐低氮特性的鑒定與篩選主要有2個關鍵階段：苗期與全生育期，這2個階段各有側(cè)重，共同構(gòu)成了評估體系。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米生長前期的氮素利用率對于后期玉米產(chǎn)量的提高至關重要^［8］。此外，與全生育期鑒定相比，苗期鑒定具有諸多優(yōu)勢，如耗時短、受環(huán)境干擾小及試驗易重復等，因此被廣泛應用于玉米低氮脅迫研究中^［9-13］。刁銳琦等對26個不同基因型玉米親本苗期的多個主要性狀指標進行分析，發(fā)現(xiàn)單株總干重的變異系數(shù)變化最大，與缺氮癥狀葉數(shù)呈極顯著負相關，與氮素轉(zhuǎn)化率呈顯著正相關，并從中篩選出3個耐低氮種質(zhì)^［14］。李強等對51個玉米雜交種苗期進行低氮脅迫研究，發(fā)現(xiàn)低氮脅迫對各玉米雜交種苗期13個形態(tài)、生理指標均有顯著影響，但雜交種間存在較大基因型差異。采用主成分分析與隸屬函數(shù)分析相結(jié)合的方法（能夠?qū)崿F(xiàn)對研究對象的全面、綜合性評估，這種方法結(jié)合了數(shù)據(jù)降維與模糊評價的優(yōu)勢，提高了評價的準確性和效率），篩選出正紅311等3個耐低氮玉米品種^［15］。吳雅薇等研究發(fā)現(xiàn)，相較于低氮敏感型玉米品種，耐低氮玉米品種在苗期生物量、根系等指標的降幅更低，在低氮脅迫下能夠維持較高的根系活力，促進根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運，控制根管比的增加，從而維持地上部的生長發(fā)育^［16］。上述研究結(jié)果表明，玉米耐低氮特性是一個綜合性狀，單一指標無法全面反映植株對低氮脅迫的響應，因而需要采用多指標綜合評價。

目前，玉米苗期耐低氮能力的篩選與鑒定研究主要集中在玉米雜交種水平上，而關于玉米自交系的耐低氮研究鮮有報道。因此，本研究采用水培試驗法，對108份玉米自交系在正常氮、低氮條件下的生物量、根系特性等苗期性狀差異進行分析，通過計算各自交系的耐低氮系數(shù)，并基于此系數(shù)展開多元統(tǒng)計分析，旨在鑒定和篩選出表現(xiàn)出良好耐低氮特性的玉米自交系。期待研究結(jié)果可為玉米耐低氮遺傳研究提供有力的技術支持和材料基礎，從而有助于選育出綜合性狀優(yōu)良的耐低氮玉米新品種。

1"材料與方法

1.1"試驗材料

供試的108份玉米自交系信息見表1，均由吉林省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所提供。

1.2"試驗設計

試驗于2023年5月在吉林省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所人工氣候室內(nèi)進行。營養(yǎng)液參照吳雅薇等報道的正常供氮、低氮處理的營養(yǎng)液改良配方^［16］進行配制。挑選表面整潔、均勻的種子，先用10%雙氧水消毒30 min，再用蒸餾水多次清洗并浸泡12 h，隨后將種子轉(zhuǎn)移至鋪有濕潤濾紙的發(fā)芽盤中，在 28 ℃ 黑暗環(huán)境中進行催芽處理。待胚根長至 1.0 cm 左右時，挑選出長勢均一的幼苗放置于雙層濕潤濾紙中，將帶苗濾紙卷起后，垂直放置于含有1/2 Hoagland營養(yǎng)液的育苗箱中，再將育苗箱置于人工氣候室繼續(xù)培養(yǎng)。待幼苗長至1葉1心期時，挑選長勢一致的幼苗去除胚乳后將其隨機分為2組并移植到盛有正常氮素水平（4 mmol/L，NN）和低氮素水平（0.04 mmol/L，LN）營養(yǎng)液的育苗箱中進行培養(yǎng)，每個處理設3個重復，每個重復定苗8株，每天用氣泵通氣8 h，每3 d更換1次營養(yǎng)液。用營養(yǎng)液處理15 d后，每個重復隨機選取3株，進行相關指標的測定。

1.3"指標測定

（1）根系性狀的測定。用根系掃描儀（Epson Expression 1000 xl，WinRHIZO）測定根表面積、根體積、總根長、根粗、根數(shù)等性狀。（2）地上部干重和地下部干重的測定。將地上部、地下部植物分別裝入牛皮紙袋中，先于110 ℃殺青20 min，隨后于 60 ℃ 烘干至恒重，稱量。（3）總干重的測定?？偢芍氐扔诘厣喜扛芍嘏c地下部干重之和。（4）根冠比的測定。根冠比=地下部干重/地上部干重。

1.4"數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013、DPS 19.05及IBM SPSS Statistics 21.0等軟件處理與分析苗期耐低氮相關數(shù)據(jù)。用IBM SPSS Statistics 21.0系統(tǒng)進行各指標間的顯著性分析，借助R語言生成玉米苗期耐低氮系數(shù)聚類圖。采用隸屬函數(shù)綜合評價法，對玉米自交系的耐低氮能力進行全面評估，計算公式如下^［17-18］：

耐低氮系數(shù)（X）=指標的低氮處理值指標的正常氮處理值；（1）

綜合指標隸屬函數(shù)值

μ（Xj）=Xj-XjminXjmax-Xjmin，j=1，2，3，…，n。（2）

式中：μ（Xj）為第j個綜合指標的隸屬函數(shù)值；Xj為第j個指標的耐低氮系數(shù)；Xjmin為第j個指標耐低氮系數(shù)的最小值；Xjmax為第j個指標耐低氮系數(shù)的最大值。

各綜合指標權重的計算公式如下：

Wj=Pj∑nj=1Pj，j =1，2，3，…，n。（3）

式中：Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度，即權重；Pj為各自交系第j個綜合指標的貢獻率。

玉米自交系耐低氮能力綜合評價值的計算公式如下：

D=∑nj=1［μ（Xj）×Wj］，j=1，2，3，…，n。（4）

式中：D表示在低氮條件下各自交系耐低氮能力的綜合評價值。

2"結(jié)果與分析

2.1"苗期低氮脅迫下玉米自交系間的性狀差異

對108份玉米自交系進行水培試驗，結(jié)果表明，不同玉米自交系的總根長、根表面積、平均根系直徑、總根體積、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地下部干重、地上部干重、總干重和根冠比等10個指標具有差異（表2）。玉米自交系在低氮處理下的性狀主要表現(xiàn)為根尖數(shù)、根分支數(shù)、地上部干重明顯減少或降低，而根冠比顯著增加。供試玉米自交系的耐低氮能力與耐低氮系數(shù)相關，總根長、根表面積、總根體積、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地上部干重、總干重等7個指標的耐低氮系數(shù)均小于1，表明玉米的生長發(fā)育與氮含量相關。

在不同氮處理條件下，玉米自交系的多個指標展現(xiàn)出顯著的變異，且這些變異程度在指標間存在明顯差異。具體而言，在2種氮處理條件下，本研究中的10個指標的變異系數(shù)均超過了18%，證明不同玉米自交系在耐低氮能力上存在顯著的基因型差異。此外，耐低氮系數(shù)作為一個有效工具，不僅能夠清晰地揭示指標在不同氮環(huán)境下的變化趨勢，還能有效減少因自交系間固有差異、生物學變異所帶來的分析誤差，從而提升后續(xù)研究的準確性和可靠性。

2.2"苗期耐低氮測量指標相關性分析

對10項耐低氮系數(shù)指標進行相關性分析，結(jié)果（圖1）表明，地下部干重、地上部干重、總干重的耐低氮系數(shù)與總根長、根表面積、平均根系直徑、總根體積、根尖數(shù)、根分支數(shù)等根部性狀的耐低氮系數(shù)呈正相關。在低氮處理下，干物質(zhì)量的耐低氮系數(shù)與根部性狀的耐低氮系數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢，意味著當根部性狀在低氮條件下的變化更明顯時，干物質(zhì)的相對變化也更為突出。本研究所選10項指標雖然可以作為評估玉米自交系耐低氮能力的有效工具，但是指標間存在顯著或極顯著相關性，使得它們提供的耐低氮信息存在一定程度的重疊。

2.3"苗期耐低氮測量指標的主成分分析

綜合評估玉米的耐低氮能力是一個多維度考量的過程，各評估指標間耐低氮系數(shù)的相關性復雜多樣，單一指標難以全面揭示自交系的耐低氮特性。為了獲得更準確的評價，需要采取綜合分析方法。本研究運用SPSS軟件，對108份玉米自交系的10項耐低氮系數(shù)進行主成分分析。遵循特征值大于1的標準，成功地將原始的10個指標精簡為3個互不依賴的綜合指標。

主成分分析結(jié)果表明，3個主成分的貢獻率分別為53.174%、17.902%和18.793%，累計貢獻率為84.099%，代表了玉米自交系耐低氮指標的大部分信息。其中，主成分1高度關聯(lián)于總根長、根表面積、總根體積、根尖與分支數(shù)量及地上部干重、地下部干重等生長指標；主成分2則側(cè)重于平均根系直徑；而主成分3則主要體現(xiàn)了根冠比的貢獻。

2.4"耐低氮及敏感型玉米自交系的篩選

基于供試玉米自交系的多項綜合指標及其貢獻率，運用模糊隸屬函數(shù)法量化了各綜合指標的數(shù)值，并據(jù)此確定了各性狀的相對重要性。最終通過綜合運算，得出了反映玉米自交系耐低氮能力的綜合評價值（D值）。結(jié)果表明，供試材料的D值范圍為0.173～0.755，平均數(shù)、標準差分別為0.378、0.110，變異系數(shù)為30.00%。以D值作為鑒定玉米自交系耐低氮能力的標準，發(fā)現(xiàn)FBHJ、LH224、系14、PHT69和吉D284等5份玉米自交系耐低氮的綜合評價值較高，說明這些玉米自交系耐低氮能力較強；PHK76、丹598、PHN11、PHR25和PHR63等5份玉米自交系耐低氮綜合評價值較低，說明這些玉米自交系耐低氮能力較弱（表4）。

基于耐低氮綜合評價值（D值）對108份玉米自交系進行聚類分析。結(jié)果表明，供試玉米自交系被分為強耐低氮型、耐低氮型、中間型、低氮敏感型等4個類群。D值的均值分別為0.672、0.453、0.339、0.254，標準差分別為0.063、0.045、0.030、0.025，類群間的D值存在顯著差異。第Ⅰ類包括FBHJ、LH224和系14等7份玉米自交系（表5），屬于強耐低氮型玉米自交系；第Ⅱ類包括PHEM9、PHW52和PHR31等25份玉米自交系，屬于耐低氮型玉米自交系；第Ⅲ類包括LH172、PHAW6和PHN18等52份玉米自交系，屬于中間型玉米自交系；第Ⅳ類包括吉A388、J001和吉803等24份玉米自交系，屬于低氮敏感型玉米自交系（表6、圖2）。

2.5"回歸分析及耐低氮指標的鑒定篩選

為了優(yōu)化玉米自交系耐低氮能力的鑒定流程，本研究基于耐低氮綜合評價值（D）對多項耐低氮系數(shù)（X）進行逐步回歸分析，旨在構(gòu)建高效預測模型并篩選出關鍵指標。通過回歸分析，本研究建立了針對玉米自交系苗期耐低氮能力的數(shù)字預測模型，模型以D值為因變量，總根長、平均根系直徑、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地下部干重及根冠比等耐低氮系數(shù)為自變量，構(gòu)建了基于玉米自交系苗期特性的耐低氮能力鑒定模型，通過回歸分析確立了關鍵參數(shù)間的關系方程如下：D=-0.054+0.024X總根長+0.108X平均根系直徑+0.008X根尖數(shù)+0.020X根分支數(shù)+0.033X地下部干重+0.018X根冠比。該模型的R²高達0.997，且F檢驗結(jié)果為極顯著， 驗證了模型的高預測精度。分析結(jié)果表明，總根長、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地下部干重及根冠比的耐低氮系數(shù)是評估玉米自交系苗期耐低氮能力的較為關鍵的指標，這一發(fā)現(xiàn)有效簡化了鑒定流程。

3"討論

氮是玉米在生長過程中吸收得較多的營養(yǎng)元素之一，也是合成玉米有機物、內(nèi)源代謝物所必需的關鍵元素^［15］。因此，開展玉米耐低氮研究對于選育耐低氮玉米品種、提高玉米氮肥利用效率、降低化肥使用量和保護生態(tài)環(huán)境具有重大意義^［19］。前人針對玉米耐低氮篩選做了較多研究，篩選指標既包括株高、生物量、根系形態(tài)和產(chǎn)量等形態(tài)指標，也包括凈光合速率、含氮量和相關酶活性等生理生化指標^［20-24］。徐世英等研究發(fā)現(xiàn)，玉米根系是首先響應低氮脅迫的器官，并將氮素優(yōu)先積累到根系中，從而導致根冠比增大，并認為側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)和根冠比等性狀受遺傳因素的影響較大^［25］。羅延宏認為，單株葉面積、根體積、根冠比等7個指標可用于評價或篩選玉米苗期的耐低氮能力^［26］。春亮等認為，玉米根系性狀中的根干重、總根長和側(cè)根長是響應低氮脅迫的主要性狀^［9］。但是，目前尚無一套能夠用于直觀評價的統(tǒng)一的鑒定方法，且大部分研究集中于玉米雜交種方面，對玉米自交系耐低氮能力的相關研究較少。本研究運用室內(nèi)水培技術，評估玉米自交系苗期耐低氮能力，確保評價過程精準高效。選取地下部干重、地上部干重、總干重、根冠比和包括根系6個性狀在內(nèi)的共10個指標進行測定，同時采用耐低氮系數(shù)（指標低氮脅迫/指標正常氮）進行分析，不僅能反映各指標響應低氮脅迫的水平，還能減少環(huán)境因素及養(yǎng)分造成的影響?；谙嚓P性分析、主成分分析和回歸分析，篩選出鑒定玉米自交系苗期耐低氮能力的指標，認為總根長、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地下部干重和根冠比的耐低氮系數(shù)可作為主要鑒定指標。通過聚類分析，將108份玉米自交系分為強耐低氮型、耐低氮型、中間型、低氮敏感型等4個類群，其中強耐低氮玉米自交系7份，耐低氮玉米自交系25份，這些自交系可應用到育種實踐中，提高玉米種質(zhì)資源的氮素利用率。

4"結(jié)論

在正常氮、低氮脅迫2種水平下，玉米總根長、根尖數(shù)、根分支數(shù)、地下部干重和根冠比等指標的耐低氮系數(shù)可作為評價玉米自交系苗期耐低氮能力的主要指標。本研究基于隸屬函數(shù)值的主成分分析法，從108份玉米自交系中篩選出FBHJ、LH224和系14等11份耐低氮玉米自交系以及PHN11、PHR25和PHR63等24份低氮敏感型玉米自交系。

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