武海燕，李喜煥，李文龍，孔佑賓，杜 匯，張彩英

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)/教育部華北作物種質(zhì)資源研究與利用重點實驗室，河北 保定 071001)

磷是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素之一，是植物結(jié)構(gòu)組成的重要組分，參與體內(nèi)多種重要化合物的形成，對植物正常生長和新陳代謝起著重要的作用[1-5]。土壤中磷素多以植酸磷形式存在，可直接利用的有效磷含量低，缺磷影響植物產(chǎn)量提高和品質(zhì)改良。盡管施用磷肥可以緩解土壤有效磷缺乏，但大量施磷帶來的環(huán)境污染以及磷肥資源短缺使得這一措施難以長時間應(yīng)用[6-9]。因此，利用植物固有生物學(xué)特性，挖掘植物自身對磷的高效吸收利用潛力，進而篩選或培育耐低磷新品種是解決上述問題的可持續(xù)途徑[10-13]。

前人研究表明，不同大豆品種對低磷脅迫的適應(yīng)性和適應(yīng)機制不同，一般表現(xiàn)為低磷脅迫下的根構(gòu)型改變、根系生物量增加及根系分泌物增加等[14-17]。目前，雖有關(guān)于大豆耐低磷基因型篩選的研究報道[18-19]，但大多集中于少數(shù)幾個性狀或品種，而基于2個特異磷效率品種雜交后代群體多個性狀、多個材料的鑒定未見報道。鑒于此，以2個極端磷利用大豆品種雜交獲得的遺傳群體(247個株系)為材料，鑒定其9個耐低磷相關(guān)性狀，并利用主成分分析、隸屬函數(shù)和聚類分析方法評價供試材料的耐低磷特性，篩選耐低磷特異種質(zhì)，為耐低磷大豆新品種的選育奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為高耐低磷大豆品種中黃15與磷敏感品種牛毛黃雜交獲得的遺傳群體(247個株系)，由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆遺傳育種研究室提供。

1.2 試驗方法

選擇飽滿、整齊一致的大豆種子，用去離子水清洗干凈，25 ℃催芽，待露出胚根3 cm后，移至裝有蛭石的花盆中。每盆播種4粒種子，出苗10 d后間苗，每盆保留2株生長一致的植株，置于生長室內(nèi)培養(yǎng)。待植株對生真葉展開后，分別進行低磷(LP，以植酸磷為磷源，磷濃度1.0 mmol/L，其余元素同Hoagland營養(yǎng)液)和適磷處理(CK,以磷酸二氫鉀為磷源，磷濃度1.0 mmol/L，其余同Hoagland營養(yǎng)液)[20]，每個處理重復(fù)3次。待大豆植株生長至12葉期(開花期)取樣，測定其株高、根長、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、根冠比、根系磷含量，并計算根系磷利用率[9,21-22]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013、SPSS 17.0及NTSYSpc-2.11a軟件分別進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、方差分析及聚類分析，利用性狀表型值及相對值進行相關(guān)性分析，利用相對值進行主成分分析，隸屬函數(shù)進行綜合評價分析，聚類分析篩選耐低磷株系。

其中，隸屬函數(shù)值計算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隸屬函數(shù)值計算公式：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Xi為性狀指標(biāo)測定值，Xmax、Xmin為性狀最大值和最小值；若某性狀與耐低磷呈正相關(guān)，用公式(1)，若某性狀與耐低磷呈負(fù)相關(guān)，用公式(2)。

(3)

式中，Pj為各品種第j個綜合指標(biāo)的貢獻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫下大豆不同株系的性狀差異表現(xiàn)

由表1可見，所有測試性狀在低磷、適磷2種磷處理下的差異均達到顯著或極顯著水平，說明低磷處理有效且對大豆植株地上部和根系均產(chǎn)生了較大影響。不同株系參試性狀方差分析表明，除株高外其余性狀在不同株系間的差異也達到極顯著水平，說明雖然來自于相同親本，但不同株系受低磷脅迫影響不同，各株系的耐低磷能力表現(xiàn)不同。

表1 2種磷處理下大豆不同株系各性狀的方差分析

注：*、**分別表示顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

Note：*and ** indicate significant difference(P<0.05) and extremely significant difference(P<0.01) respectively.

進一步分析各株系在不同磷處理下的性狀差異表現(xiàn)，結(jié)果(表2)發(fā)現(xiàn)，低磷處理下各株系根長、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、根冠比、根系磷利用率平均值均高于適磷處理，而株高、地上部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、根系磷含量則低于適磷處理，說明在低磷脅迫條件下，大豆株系能夠通過刺激根系發(fā)育、增加根系生物量來適應(yīng)低磷環(huán)境，提高根系對植酸磷的分解利用能力，減輕低磷脅迫對植株生長的影響。另外，通過各性狀變異系數(shù)也可發(fā)現(xiàn)(表2)，除根長外，其余性狀的變異系數(shù)均較大，說明各株系對低磷逆境的適應(yīng)能力存在較大差異。

表2 2種磷處理下大豆不同株系各性狀分析 Tab.2 Different characteristics analysis of soybean lines under two different phosphorus treatments

2.2 大豆不同株系耐低磷性狀的主成分分析

分析供試大豆株系各性狀間的相關(guān)性(表3)發(fā)現(xiàn)，8個性狀間(除株高外)存在著復(fù)雜的相關(guān)性，說明各性狀表達的信息量之間有不同程度的重疊。因此，需要利用主成分分析將多個單一指標(biāo)轉(zhuǎn)化為無相關(guān)性的綜合指標(biāo)，才能更準(zhǔn)確地反映各株系對低磷環(huán)境的適應(yīng)能力。

表3 大豆耐低磷指標(biāo)相對值的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of relative values of low phosphorus tolerant characteristics in soybean

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)；*表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

注：** means correlation is significant at 0.01 level;* means correlation is significant at 0.05 level.

利用主成分分析方法對供試株系8個性狀(除株高外)相對值進行分析(表4)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化后的前2個主成分累積貢獻率達到78.291%，表明這2個主成分可解釋供試株系78.291%的信息。因此，將前2個主成分作為評價供試大豆株系耐低磷特性的綜合指標(biāo)。進一步分析上述2個主成分發(fā)現(xiàn)，第1主成分特征值為3.346，貢獻率達到41.827%，其對應(yīng)4個較大的特征向量為根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量及干質(zhì)量；第2主成分特征值為2.917，貢獻率為36.465%，對應(yīng)5個較大的特征向量為根冠比、根系磷含量、根系磷利用效率、地上部鮮質(zhì)量及干質(zhì)量。

表4 大豆耐低磷性狀相對值的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of relative values of different characteristics in soybean

2.3 大豆不同株系耐低磷性狀隸屬函數(shù)分析及優(yōu)異種質(zhì)遴選

在主成分分析基礎(chǔ)上，分別計算各性狀相對值的隸屬函數(shù)值，并根據(jù)各主成分貢獻率計算權(quán)重及耐低磷綜合評價值(D值)，利用D值對供試247個大豆株系進行聚類分析(表5)，可將供試株系分為3類，其中第Ⅰ類包括ZN-251、ZN-299、ZN-229等14個株系，屬于耐低磷類型(D值平均為0.67)；第Ⅱ類包括87個株系，屬于中間類型(D值平均為0.46)；第Ⅲ類包括ZN-149、ZN-192等146個株系，屬于非耐低磷類型(D值平均為0.30)。篩選出ZN-251、ZN-299、ZN-229等14個耐低磷型大豆株系，可作為今后磷高效大豆新品系選育的中間材料。

表5 大豆不同株系基于耐低磷特性的聚類分析Tab.5 Cluster analysis of soybean lines based on their low phosphorus tolerance

3 結(jié)論與討論

植物磷效率一般包含兩方面含義，一是在低磷脅迫下植物能夠利用有限的磷素維持正常生長的能力，即耐低磷能力；二是在正常供磷條件下，植物吸收并轉(zhuǎn)化為生物量的能力，即磷高效性[23]。目前，人們一般采用在低磷脅迫條件下測定植物各生長指標(biāo)或生理生化指標(biāo)來評價其耐低磷特性[24]。本研究利用前期構(gòu)建的大豆遺傳群體，在苗期設(shè)置低磷和適磷處理，于開花期分別測定植株株高、根長、根系生物量、地上部生物量、根系磷含量及根系磷利用率等指標(biāo)，評價各株系的耐低磷能力。苗期—開花期是大豆需磷敏感期[12]，此時缺磷會嚴(yán)重影響大豆正常生長發(fā)育，影響花芽分化，即使后期補充足夠磷素也難以消除缺磷造成的影響[18-19]。

有報道發(fā)現(xiàn)，植物磷效率是一個復(fù)雜的數(shù)量性狀，受多基因控制[25]。采用單一指標(biāo)很難全面、準(zhǔn)確地鑒定植物材料耐低磷特性，通過多個指標(biāo)綜合分析才能得到相對可靠的結(jié)論[26-28]。統(tǒng)計學(xué)中一般采用主成分分析法將多個相關(guān)性較大的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相關(guān)性較小的綜合指標(biāo)，即主成分，這樣可以排除各單一指標(biāo)間的相互影響和信息重疊。鑒于此，本研究首先測定了供試大豆株系9個性狀，其中，株高由于在供試材料間沒有顯著差異而被排除；隨后，通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，剩余8個性狀間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系且多數(shù)性狀間的相關(guān)系數(shù)達到(極)顯著水平，故采用主成分分析將上述性狀轉(zhuǎn)變?yōu)?個相互獨立的主成分，進而用于株系耐低磷特性評價。

為進一步評價供試247個大豆株系的耐低磷能力，本研究利用隸屬函數(shù)和聚類分析法將供試株系進行分類，不僅明確了每個株系的耐低磷特性，同時篩選出了高耐低磷特異種質(zhì)。隸屬函數(shù)分析方法是基于多個性狀表型值對某種特性進行綜合評價的方法，該方法可有效避免單一性狀造成的誤差[29-30]；聚類分析是專門適用于大規(guī)模品種篩選和性狀鑒定的方法[31-32]。因此，本研究綜合利用上述2種方法對供試247個大豆株系進行耐低磷評價，獲得了可靠的鑒定結(jié)果。

綜上，本研究在低磷和適磷2種處理下分析247個大豆株系耐低磷性狀，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多數(shù)性狀間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，利用隸屬函數(shù)和耐低磷綜合評價值，結(jié)合聚類分析將株系分為3種類型，并篩選出14個耐低磷優(yōu)異種質(zhì)，為耐低磷新品種選育奠定了材料基礎(chǔ)。