基于主成分和隶属函数分析的高粱品种耐深播性综合评价

周 瑜，黄 娟，吴 毓，张亚勤，奚 江，张晓春，李泽碧

(重庆市农业科学院特色作物研究所，重庆永川402160)

良好的出苗情况是作物正常生长、获得高产的基础。一般土壤湿度适宜时，禾谷类作物的播深在5 cm或以下，而在土壤表层非常干燥的干旱或半干旱地区，适当加大播种深度才能获得萌发所需水分［1］。高粱(Sorghum bicolor(L.)Moench)是一种综合抗旱能力很强的作物，且粮、饲、酿能源兼用，在农业水资源日趋紧缺的背景下，具有巨大的发展潜力［2］。我国高粱多种植在干旱、半干旱地区［3］，常发生春旱，适度深播、播后镇压是保全苗的重要措施，耐深播是这些区域高粱品种的重要特性之一［1］。因此，比较不同播深对高粱萌发的影响，筛选高粱耐深播鉴定指标，建立高粱耐深播性综合评价方法，发掘高粱耐深播种质，对耐深播高粱新品种培育、耐深播机制研究以及高粱高产稳产具有重要意义。

播种深度对作物幼苗的生长有显著影响，随着播种深度的增加，玉米出苗率下降、出苗时间延长，幼苗长度及幼苗整齐度显著降低，中胚轴长度显著增加，胚芽鞘长度差异不显著［4］，高粱的地上部分幼苗生长量和种根长显著降低，胚轴长度显著增加［5］。玉米播种至出苗天数、出苗率、中胚轴长、苗长与播深显著相关［6］，在15 cm和20 cm播深下，出苗率与中胚轴长、胚芽鞘长，中胚轴与胚芽鞘之和、苗长、根长都呈极显著正相关［7］。

作物的耐深播性是一个非常复杂的遗传性状［8］，高粱和玉米依靠中胚轴推动顶端分生组织伸出土壤表面［9］，赵光武等［10］认为玉米耐深播的主要原因是其中胚轴显著伸长，张磊等［11］依据根茎(中胚轴)长度，将46个玉米自交系分为3种耐深播性类型。大麦与小麦幼苗出土主要是靠胚芽鞘和第一节间延长［1，12］，Suge 等［13］发现小麦耐深播性与胚芽鞘长密切相关。水稻与燕麦主要是延长中胚轴和第一节间将幼苗送出地表［9，14］，Zhao 等［15］对621个水稻品种进行表型分析发现中胚轴长对耐深播作用显著。此外，幼苗活力与种子快速、整齐萌发的能力和潜力有关［16］，苗长、苗干鲜重、根长、根干鲜重等衡量幼苗活力的性状往往与耐深播相关性状彼此相关［17-18］。

然而，关于播种深度对高粱幼苗性状和根系特性的影响鲜见报道，对高粱品种耐深播性的综合评价也尚未涉及。本文对34个高粱品种进行不同的播深处理，比较品种间出苗率、幼苗形态和幼苗干物质量差异，筛选耐深播性鉴定指标，综合评价高粱品种的耐深播性，以期为耐深播高粱品种选育、高粱深播出苗质量的提高提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以34个高粱品种为供试材料，品种名称及来源见表1。

表1 供试高粱品种及来源Table 1 Cultivars and origins of sorghum tested

1.2 试验方法

2018年5月，在重庆市农业科学院渝西作物试验站进行盆栽试验，将采集的试验田耕层土(紫色土，pH 5.6，有机质含量 22.3 g·kg-1，全氮 1.31 g·kg-1，速效氮 119.0 mg·kg-1，速效磷 25.0 mg·kg-1，速效钾74.7 mg·kg-1)风干过5 mm筛，浇水，使播前土壤统一达到75%相对含水量。试验用花盆外径34 cm，内径29 cm，高23 cm，底部直径19 cm。精选大小均匀、饱满无损的高粱种子，用7%漂白粉溶液消毒2～3 min，蒸馏水冲洗 3～4次，按 1、3、5 cm和7 cm共4个播深，分别在装土到19、17、15 cm和13 cm时，将种子均匀播种到土壤表面，每盆20粒，随后立即覆土，直至盆内土壤高度达20 cm。每处理重复3次。待高粱生长至3叶期时调查出苗数，而后每处理随机挑选10株幼苗，出苗不足10株取5株，挖出后小心冲洗，并用吸水纸吸干植株表面残留水分，测定中胚轴长、胚芽鞘长、苗长、根长和根数等各项指标。

出苗率(SER)=(出苗数 /播种数)×100%

中胚轴长(ML，mm)=从种子到胚芽鞘节之间的长度

胚芽鞘长(CoL，mm)=从胚芽鞘节到胚芽鞘顶端的长度

苗长(SL，mm)=中胚轴和胚芽鞘接合点以上部分的长度

根长(RL，mm)=最长根的长度

根数(RN)=所有根的数目

1.2.1 综合治疗 患者均给于正畸矫治前给予牙周常规治疗，由医护人员向患者讲解口腔卫生知识宣教，指导患者养成正确的刷牙方法与刷牙习惯。针对患者牙周进行修复，常规龈上洁治、龈下刮治[3]，根据患者牙周情况制定相应的牙周手术。定期检查患者病情，记录治疗过程与病情控制情况，牙周治疗结束后观察3～5个月，牙周病症控制后开始正畸矫治。

将上述取样植株分成地上和地下两部分，地上部分为幼苗，地下部分包括根和中胚轴，烘箱105℃下杀青30 min，80℃恒温烘干称重，计算地上部分干重(SDW，g)、地下部分干重(RDW，g)和根冠比。

根冠比(R/S)=地下部分干重/地上部分干重

1.3 数据分析

为了排除品种间固有的差异和种子质量对测量结果的影响，各指标均采用相对值，即 3、5、7 cm播深与1 cm播深测定值的比值，相对值比绝对值能更好地反映不同高粱品种的耐深播性［19］。用 Microsoft Excel 2007整理数据，SPSS 20.0进行相关性分析和PCA分析。

利用隶属函数法［7］对34份高粱品种进行耐深播性综合评价，其公式为:

式中，Uij表示i材料j指标的耐深播隶属值;Xij表示i材料j指标的测定值;Xjmin表示所有材料j指标的最小值;Xjmax表示所有材料j指标的最大值。若所测指标与材料的耐深播性呈正相关，则采用(1)式计算隶属值，反之则用(2)式。先求出每一指标在各播深下的隶属值，累加求平均值，再将不同指标的隶属值累加求平均值，平均值越大，品种的耐深播性越强［20］。

2 结果与分析

2.1 高粱品种对不同播深的响应

3、5、7 cm播深的平均相对苗长分别为0.96、0.88和0.75，7 cm播深茅高8号(S30)和辽夏梁2号(S23)的相对苗长最小，分别比1 cm播深下降44.3%和40.9%;3 cm播深金糯粱1号(S13)和吉品609(S12)的相对苗长最大，分别为1.17和1.14。3、5、7 cm播深的平均相对根长分别为0.83、0.66和0.53，平均相对根数分别为0.88、0.73和0.64，其中国窖红1号(S6)在3 cm播深的相对根长和根数均最大，分别为1.20和1.13;7 cm播深的红缨子(S8)和川糯粱1号(S3)的相对根长和根数最小，分别为0.39和0.51。3、5、7 cm播深的平均相对苗重分别为0.95、0.89和0.85，甜高粱(S33)在5 cm播深的相对苗重最大，为1.02，其次为3 cm播深的晋糯3号(S16)和辽杂 27(S25)，均为 1.01，晋粱白 2号(S15)在7 cm播深的相对苗重最小，为0.66。

随着播种深度的增加，中胚轴长、根重和根冠比呈上升趋势。中胚轴长随播深的增加而增加的趋势较为明显，3、5、7 cm播深的平均相对中胚轴长分别为1.52、2.35和3.30，其中辽粘6号(S28)在7 cm播深相对中胚轴长最大(5.62)，泸糯8号(S29)在3 cm播深最小(0.96)。3、5、7 cm播深的平均相对根重分别为1.10、1.18和1.25，7 cm播深的红缨子(S8)和辽粘6号(S28)的相对根重最大，分别为1.59和1.51，3 cm播深的吉品609(S12)相对根重最小，为0.91，其余品种的相对根重大部分在1.00～1.20之间。3、5、7 cm播深的平均相对根冠比分别为1.17、1.35和1.50，7 cm播深大力士(S4)和晋粱206(S14)的相对根冠比最大，均为1.82，3 cm播深吉品609(S12)的相对根冠比最小，为0.94。

胚芽鞘长在播深间差异不显著，3、5、7 cm播深的平均相对胚芽鞘长分别为1.01、1.00和0.99，相对胚芽鞘长最小为红青壳(S7)在7 cm播深的0.72，最大为辽杂19(S24)5 cm播深的1.24，其余大部分在0.90～1.10之间。

表2 不同播深处理下高粱品种幼苗性状的方差分析Table 2 Variance analysis of seedling traits for sorghum cultivars at different sowing depths

表3 高粱各品种萌发性状的相对值Table 3 Relative values of germination traits of sorghum cultivars

34个高粱品种在不同播深下各性状的表现如表3所示。各性状在品种间均存在极显著差异，相对出苗率的变化范围为0.54～0.94，相对中胚轴长的变化范围是1.30～4.47，相对胚芽鞘长的变化范围为0.83～1.15，相对苗长的变化范围为 0.72～1.08，相对根长的变化范围为0.53～0.89，相对根数的变化范围为0.62～0.97，相对苗重的变化范围为0.76～0.98，相对根重的变化范围为1.01～1.36，相对根冠比的变化范围为1.15～1.60。

2.2 不同高粱品种萌发性状的相关分析

对不同播深高粱品种9个性状的相对值进行了相关分析，结果见表4。相对出苗率与相对中胚轴长呈极显著负相关(r=-0.518＊＊，P＜0.01)，中胚轴长与播种深度成正比，而随着播深加大，出苗率降低。相对出苗率与相对苗长、相对根长和相对根数均呈极显著正相关，相关系数分别为 0.468＊＊、0.424＊＊和0.328＊＊，与相对根冠比呈极显著负相关，相关系数为-0.417＊＊。相对根重与相对根冠比的相关系数最大，达0.728＊＊，其次为相对根数与相对根长，相关系数为0.727＊＊。

2.3 各播深高粱萌发性状的主成分分析

主成分分析结果如表5所示，前4个主成分的累积方差贡献率为77.647%，可代表变量的大多数信息。第1主成分特征值为1.901，方差贡献率为23.759%，对应较大的特征向量为相对根冠比;第2主成分特征值为1.784，方差贡献率为22.306%，对应较大的特征向量为相对根长、相对根数和相对根重;第3主成分特征值为 1.319，方差贡献率为16.493%，对应较大的特征向量为相对中胚轴长和相对苗长;第4主成分特征值为1.207，方差贡献率为15.089%，对应较大的特征向量为相对出苗率和相对苗重。

2.4 高粱品种耐深播性的综合评价

综合相关分析和主成分分析结果，在第1主成分下选择相对根冠比，第2主成分下选择相对根长，第3主成分选择相对中胚轴长，第4主成分选择相对出苗率，对相对出苗率、中胚轴长和根长这3个指标采用公式(1)、相对根冠比采用公式(2)计算隶属函数值，结果如表6所示。根据计算出的隶属函数值，对高粱品种进行聚类分析(图1)，将高粱品种分为3大类。

第1类群包括11个品种:晋粱白2号(S15)、晋杂34(S19)、辽夏梁2号(S23)、辽杂27(S25)、辽粘6号(S28)、晋杂3号(S20)、新杂 9203(S34)、金糯粱1号(S13)、晋糯3号(S16)、川糯粱15(S2)和辽杂19(S24)，占供试材料的32.35%。该类群品种的耐深播性排序位于前11位，各指标的相对值均较高，属于耐深播品种。

第2类群包括14个品种:红青壳(S7)、晋杂33(S18)、凤杂 4号(S5)、红杂 6号(S9)、红珍珠(S10)、川糯粱 1号(S3)、辽糯 10号(S22)、F10(S1)、甜高粱(S33)、郎糯 1号(S21)、辽杂 35(S26)、辽粘3号(S27)、晋杂22(S17)和青贮大师(S32)，占供试材料的41.18%。该类群品种的耐深播性排序位于12～25位，各指标的相对值居中，属于中等耐深播品种。

表4 高粱各萌发性状间的相关系数Table 4 Correlation coefficients of germination traits of sorghum cultivars

表5 主成分特征值及累积贡献率Table 5 Eigenvalues，contribution and cumulative contribution rate of principal components

表6 不同高粱品种的隶属函数值及综合评价Table 6 Subordinate function values and comprehensive evaluation of sorghum cultivars

图1 34个高粱品种的聚类图Fig.1 Dendrogram of cluster analysis of 34 sorghum cultivars

第3类群包括9个品种:吉品609(S12)、泸糯8号(S29)、茅高 8号(S30)、晋粱 206(S14)、茅高 9号(S31)、国窖红1号(S6)、机糯粱1号(S11)、红缨子(S8)和大力士(S4)，占供试材料的26.47%。该类群品种的耐深播性排序位于26～34位，各指标相对值均较小，属于深播敏感品种。

3 讨 论

播种深度达7 cm时，高粱种子出苗率显著降低，高海燕等［5］认为7 cm以上不适宜高粱播种，本试验结果显示，深播会抑制高粱种子萌发的生理过程，出苗率降低，苗长、根长、根数和苗重均减少，7 cm播深处理下降幅度最大。但个别测定指标反而较对照有所升高，如3 cm播深下凤杂4号(S5)的出苗率、金糯粱1号(S13)的苗长、国窖红1号(S6)的根长和根数，可能由于适度播深下黑暗环境、CO2浓度和土壤含水率等因素促进了种子的萌发过程。相似地，深播能刺激小麦第1节间的伸长生长［21］，夏玉米在地下滴灌条件下播深7 cm和9 cm较3、5 cm和11 cm具有较高的出苗率、株高和单株干物质积累量［22］。本试验中，随着播深的增加，高粱中胚轴长、根重和根冠比都显著增加，而胚芽鞘长无显著变化。中胚轴推动胚芽伸出土壤表面［23］，中胚轴伸长是深播条件下水稻出苗的关键因素［24］。本试验中，中胚轴长随播深的增加而增加，而根重即地下部重，包括中胚轴和根。中胚轴长显著增加，根重相应增加，根冠比亦增加。在深覆土条件下杂草稻顶土出苗的动力主要来自于中胚轴和芽鞘节间的伸长，小部分动力来自于胚芽鞘的伸长［25］。本试验中，胚芽鞘长在播深间无显著差异，但品种间差异显著，才卓［26］也发现深播导致高粱胚芽鞘长度略微减少，不同品种胚芽鞘伸长能力不同，在适应深播的器官形态中，中胚轴的作用较为明显。

出苗率是评价作物耐深播性的主要指标［8］，但耐深播性是一个综合性状，表征幼苗活力的指标也应纳入考量范围，而这些指标与出苗率之间又存在一定的相关性。胚芽鞘长和中胚轴长与杂草稻出苗率呈高度正相关［27］，胚芽鞘长和第1节间长与大麦耐深播性呈正相关［28］，Schillinger等［29］甚至发现了冬小麦胚芽鞘长与出苗率的线性回归关系。本试验中，出苗率与中胚轴长呈极显著负相关，与前人研究结果不同。苗高和苗干重也常用作考察珍珠粟和高粱成苗率和幼苗活力的指标［30］。王良群等［31］发现高粱胚芽鞘长与出苗力相关性不强，不是一个突出指标。本研究中，出苗率与苗长、根长和根数均呈正相关，与根冠比呈负相关，与苗重、根重呈负相关，但相关系数较小，与胚芽鞘长无相关性。

由于不同播深下各指标间存在相关性，使得反映高粱耐深播性信息发生交叉重叠，主成分分析将多个指标转化为少数几个不相关的综合指标［32］，在此基础上再采用隶属函数法对高粱品种耐深播性进行综合评价，结果更科学可靠［33］。本试验将除胚芽鞘外的8个指标进行主成分分析，归纳出4个主成分，累积贡献率达77.647%。从4个主成分中选择代表性指标进行隶属函数值计算，再对隶属函数值进行模糊聚类，可将34个高粱品种分为3大类:耐深播品种、中等耐深播品种和深播敏感品种。其中耐深播品种全部为杂交种，这可能与杂交种种子较大、贮藏物质较多，能为种子萌发、中胚轴伸长提供更多的能量有关。许多报道证实，种子大小影响幼苗活力［34-35］，大麦耐深播性也与种子大小密切相关［36］。但种子出苗是一个复杂的过程，造成品种间对深播反应差异的原因很多，除种子大小外，幼苗器官细胞形态［37］、内源激素［38］等均有重要作用，因此，有关高粱耐深播特性及机理有待进一步研究。

4 结 论

随着播深增加，出苗率、苗长、根长、根数和苗重降低，中胚轴长、根重和根冠比增大，其中相对根冠比、相对根长、相对中胚轴长和相对出苗率可作为高粱品种耐深播性鉴定的重要指标。品种间耐深播性差异明显，杂交种较常规种耐深播性强，根据隶属函数值进行聚类分析，34个高粱品种可分为3类，晋粱白2号等11个品种为耐深播品种。