青稞苗期耐低磷能力评价

2020-01-08李东梅雷淼淼冯宗云

麦类作物学报 2019年12期

罗园，李东梅，雷淼淼，冯宗云

(1.四川农业大学农学院作物遗传育种学系大麦青稞研究中心，四川成都 611130；2.成都中医药大学医学技术学院，四川成都 611137)

世界全部耕地中约43%存在土壤缺磷的问题[6]，我国约有66%耕地缺磷[7]，而磷肥在农作物当季的利用率约为5%～20%，最高也不超过25%[8]。农业生产中常通过施用磷肥来解决土壤缺磷的问题，但大部分被施磷素被土壤吸附固定、沉淀转化为无效态磷，难以被植物吸收利用[9-12]。另外，磷元素在土壤中向下的迁移距离很短，易随地表水流失而引起的环境污染，会导致地表水体的富营养化[13]。因此过多施用磷肥不仅会造成作物磷素利用效率下降和资源浪费，而且会引起环境问题。磷素利用效率在作物种间和品种间均存在差异，遗传改良是提高作物磷利用能力的主要途径之一[14]，而筛选磷高效和耐低磷种质材料是作物磷高效育种的前提和基础。目前有关青稞磷素利用效率和耐低磷能力评价及种质材料筛选的研究尚未见报道。本研究采用主成分分析和隶属函数加权平均和聚类分析法，对52分青稞材料的磷利用特性进行综合分析，筛选磷高效和耐低磷青稞材料，以期为青稞磷高效和耐低磷育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为保存于四川农业大学大麦青稞研究中心的52个青稞地方品种，均来自于中国西藏地区，信息详见表1。

1.2 试验设计

挑选每份材料种子各50粒，要求大小一致、颗粒饱满完整无虫眼，随机编号。种子清洗消毒后，放置于吸水滤纸皿床上发芽2周。每份材料选取长势一致的幼苗20株，去胚和种皮，清水洗净，随机分成2组分别进行缺磷和正常磷素(对照)营养液培养。幼苗先用完全营养液[15]培养缓苗一周，随后进行不同磷素处理。缺磷处理和对照磷酸浓度分别为0.5 μmol·L-1和0.5 mmol·L-1。整个水培过程在实验大棚内完成，温度、光照等条件与自然相同。营养液持续通氧，每3 d换液一次，连续培养4周。

1.3 测定项目和方法

植株磷含量按钼锑抗显色法测定[16]，酸性磷酸酶活性按对硝基苯膦酸二钠法测定[17]，采用缺磷处理与对照的生物量、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个指标的比值进行磷利用效率的评价。

1.4 综合评价体系

将测得的各项指标原始数据进行整理，计算耐低磷系数α，对这些指标通过相关分析、主成分分析、隶属函数分析和聚类分析进行磷利用效率综合评价。

α=缺磷处理/对照

(1)

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

(2)

(3)

(4)

上式中，xj表示第j个因子的得分值；xmin表示第j个因子得分的最小值；xmax表示第j个因子得分的最大值；Wj表示第j个公因子在所有公因子中的重要程度；Pj为各品种第j个综合指标的贡献率；D为材料在低磷浓度条件时磷利用效率和耐低磷能力综合评价值。

2 结果与分析

2.1 青稞品种不同指标的耐盐系数差异

从表2可以看出，无论是同一指标的不同品种间，还是同一品种的不同指标间，青稞耐低磷系数均存在差异，而且各指标耐低磷系数随品种的不同而变化的规律不一致，说明青稞的耐低磷能力受遗传因素影响，同时利用单个指标不能对其耐低磷和磷素利用的能力做出准确评判。另外，4个指标之间有一定的相关性(表3)，使得不同指标所反映的信息具有一定的重复性。因此，对青稞品种的耐低磷和磷素利用能力需要综合评价。

表1 供试材料编号、名称及产地Table 1 Information of hulless barley materials used in this study

表2 52份实验材料各指标耐低磷系数Table 2 Low phosphorus tolerance index of the 52 hulless barley landraces

表3 各指标的耐低磷系数的相关系数Table 3 Correlation coefficients among low phosphorus tolerance coefficient of the indexes

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

2.2 综合评价

2.2.1 主成分分析

利用SPSS对52份青稞实验材料苗期4个指标的耐低磷系数进行主成分分析，结果(表4)显示，前三个主成分的方差贡献率分别为 36.597%、28.141%和25.056%，累计达到了 89.802%，因此可以用这3个相互独立的综合指标代替原有的4个单项指标对青稞品种的耐低磷和磷素利用能力进行综合评价。

2.2.2 隶属函数分析及权重和综合评价值的确定

利用三个综合指标的耐低磷系数，求出每品种的3个综合指标值，再由公式(2)计算隶属函数值(表5)。同时，根据各综合指标的贡献率，由公式(3)分别求出各综合指标的权重。经计算，3个综合指标的权重分别为0.26、0.36、0.39。进一步用公式(4)计算出52份青稞供试材料综合评价值(D)(表6)。52份青稞材料的D值在0.263～0.815之间，平均值为0.508。

表4 各综合指标的耐低磷系数及贡献率Table 4 Coefficient of low-phosphorus tolerance and contribution rate of each index

2.3 聚类分析

利用软件NTSYS对52份青稞材料综合评价值(D)进行聚类分析。结果(图1)表明，欧式距离为0.15时，52份青稞材料被划分为4大类。其中，第一类一共11个品种，包括长芒白青稞、鄂嘎宗、扎仁、穷结黄六棱、满都、白青稞3、白青稞4、短芒青稞、分枝青稞、乃木、白青稞6,D值变化范围为0.263～0.372，平均值0.323，磷利用效率最低；第二类一共23个品种，包括地方青稞、黑灰芒、昌都青稞、家巴家姆、白青稞2、欧泽、扎西布池、日农60、地方、乃木柴、生次、长芒黑青稞、叉九、错肉、青稞、任青青稞、嘎玛、乃那各忍、加查冬青稞、押托黄、山南白青稞、紫青稞、黑颖,D值变化范围为0.406～0.556，平均值为0.525，磷利用效率稍好；第三类一共16个品种，包括：列旺色列、白青稞1、翁木东、少岗兰、鹿马岭、日近尼嘎、斑久、乃木、白壳、白紫青稞、扎尼玛、巴金嘎母、乃那、长芒冬、白青稞6、紫六棱，D值变化范围为 0.583～0.719，平均值为0.597，磷利用效率较高；第四类一共2个品种，包括阿曼都和拉萨紫青稞,D值变化范围为0.781～0.815，平均值为 0.798，磷利用效率最高。

3 讨论

农作物磷利用能力反映在表型性状上并不单一，而是表现为一种复杂的综合性状，涉及植株对磷元素的吸收转运和利用等过程，与植株的形态结构和生理生化等性状密切相关。良好的根系是植物适应低磷胁迫的重要条件，根系在抵抗低磷胁迫环境压力时可以产生可塑性的变化[18]，植物根系在低磷胁迫时比根长会显著增加[19-21]。根系性状的变化可以用来描述磷元素的吸收效率,根系干重和根冠比的增加是植物适应低磷条件的重要性状表现[22-23]，磷高效的作物还表现为具有较低的根冠磷浓度比[24-25]，不同施磷水平下，大麦的侧根长、侧根表面积、比根长和平均根系直径是反映磷效率基因型差异、影响大麦对磷吸收的重要指标[26]。磷利用效率是指植物利用生长介质中单位有效磷所生产的有机物量[27]，植物的磷效率具有丰富的遗传多样性[28-29]。酸性磷酸酶是植物组织中广泛存在的一种重要的诱导和水解酶，它可以通过降解部分有机磷释放无机磷，对植物体生长环境中磷的吸收活化和再生起着重要的作用[30]。低磷胁迫下，小麦植株叶片酸性磷酸酶活性显著增高，高效型低于低效型[31]。低磷胁迫下，磷高效型大麦通过提高下部叶的酸性磷酸酶活性来加强酯磷和核酸态磷的分解，使其转化为无机磷，增加可移动性磷的含量和比例，以提高大麦生育后期体内磷素的再利用效率[32-33]。本研究利用建立的综合评价方法，结果以数值的形式直观地将52个青稞供试材料磷利用能力表现出来，对综合评价值进行聚类分析，共得到四类，其中第一和第二类的综合评价值较低，磷利用和耐低磷能力低，第三类和第四类的综合评价值较高，磷利用和耐低磷能力较强。对于植物磷素营养效率划分,参考产量的绝对指标和相对指标，可将作物品种分为低效率耐肥型、高效率耐肥型、低效率型和高效率不耐肥型4种。本研究得到的四类青稞材料是否完全符合以上的四分类法，还待更加深入的研究和判断。这种四分类法中，一般认为在低磷和正常磷水平条件下，低效率型品种产量都较低，几乎没有利用价值；低效率耐肥基因型产量在低磷条件时也较低，但是正常供磷条件时产量较高，是现代育种中应用中经常出现的磷效率型，适用于改良作物的高产性状；高效率耐肥基因型和高效率不耐肥基因型，在低磷胁迫条件下，产量也较高，可以用来改良植物的磷素营养性状，特别是高效率耐肥基因型在低磷和正常磷条件下都具有较高的产量，因此此类磷效率基因型是植物磷素营养性状改良的理想目标。