不同基因型紅花種質耐低磷篩選指標的鑒定及評價

許蘭杰　梁慧珍　余永亮　譚政委　楊紅旗　董薇　蘆海靈　夏偉

摘要[目的]獲得耐低磷紅花種質的形態鑒定指標，并選擇磷高效紅花種質。[方法]利用水培營養形成的低磷素水平和正常磷素水平對17份紅花種質進行耐低磷篩選指標的鑒定及其綜合評價。[結果]低磷脅迫下，除根冠比外，苗高、葉長、葉寬、主根長、側根數、根鮮重、地上部鮮重和根體積這8個指標的生長發育遲緩，但不同品種不同指標間受低磷脅迫后的變異幅度不同。不同基因型紅花種質耐低磷能力差異顯著，耐低磷能力較強的3份紅花種質分別是“原陽紅花-3”“封丘紅花-1”和“永城紅花”；相對根體積、相對根鮮重和相對地上部鮮重可以作為紅花耐低磷種質的篩選指標，可利用紅花苗期耐低磷能力的回歸模型對紅花進行耐低磷能力預測。[結論]篩選出耐低磷能力較強的紅花種質，將為培育耐低磷紅花新品種和克隆相關磷高效基因提供基礎材料。

關鍵詞紅花；耐低磷；鑒定篩選；綜合評價

中圖分類號S56文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）33-0128-04

Identifying and Evaluation of Different Genotypes Safflower with Lowphosphorus Tolerance

XU Lanjie， LIANG Huizhen*，YU Yongliang et al

（Sesame Research Center， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou，Henan 450002）

Abstract[Objective] The research aimed to obtain the morphological indexes of lowphosphorus safflower germplasm， and select the phosphorusefficient safflower germplasm.[Method] Identifying and evaluating 17 differences genotypes safflower under lowphosphorus and normalphosphorus level through water culture experiment.[Result]Under the low phosphorus stress，in addition to rootshoot ratio，the growth and development of the eight indicators were slow，such as seedling height， leaf length， leaf width， main root length， lateral root number， root fresh weight， aboveground fresh weight and root volume.But the variation range of different indexes of different varieties was different after low phosphorus stress.The ability of lowphosphorus tolerance of different genotypes safflower germplasm was significantly different，and the three safflower germplasm with lowphosphorus tolerance were “Yuanyang safflower3”，”Fengqiu safflower1” and “Yongcheng safflower”.The relative root volume， relative root fresh weight and relative fresh weight could be used as the screening index of safflower germplasm with lowphosphorus tolerance. The regression model of the ability of lowphosphorus tolerance in safflower seedling could be used to predict the ability of lowphosphorus tolerance.[Conclusion]Identifying and evaluating safflowers with lowphosphorus tolerance provide basicmaterials for breeding new sesame varieties and cloning potassium highefficient utilizing genes in the future.

Key wordsSafflower；Lowphosphorus tolerance；Identification screening；Comprehensive evaluation

磷是植物生長發育不可缺少的大量元素之一，直接參與光合作用、呼吸作用，是糖類、脂肪、氮代謝、碳水化合物的合成與運輸的重要調控者[1-2]。在植物生長發育過程中，磷肥能夠提高作物的產量，抗旱、抗寒、抗病和抗倒伏等抗逆境能力[3]，缺磷將導致植株矮小、根系發育差、成熟期推遲、產量和品質下降等問題[4]。我國大約有2/3的耕地缺磷，據統計，黃淮海地區嚴重缺磷的土壤占耕地面積的67%，屬于我國最大的土壤缺磷區[5]。因此，土壤有效磷缺乏是全球普遍存在的問題，嚴重限制了作物產量和品質的提高。在農業生產中，農民主要通過施用磷肥來解決土壤缺磷問題，然而施入土壤中的磷素有80%被土壤固定，不能被植物當季吸收，這樣不僅浪費磷礦資源、提高生產成本，而且過量施用磷肥易造成土壤板結、環境污染等問題[6]；而解決這一問題的根本途徑是篩選土壤磷吸收利用效率高的作物品種。目前關于植物耐低磷能力的研究已廣泛在玉米[7]、小麥[8]、水稻[9]等作物中開展，并篩選出了一大批具有耐低磷能力的品種。

紅花是一種集藥材、油料、染料和飼料為一體的特種經濟作物，主要分布在我國的新疆、河南、四川、云南等省份。紅花籽油中亞油酸的平均含量為75.33%，油中含有大量的不飽和脂肪酸，且多含有較豐富的維生素，具有降血脂和血清膽固醇、動脈粥樣硬化等功能[10-11]。目前，關于紅花的研究主要集中在品質分析[12-13]、栽培技術[14-15]、組織培養[16-17]等方面，關于不同基因型紅花耐低磷能力的評價研究鮮見報道。而直觀、簡便又可靠的篩選、鑒定指標是準確快速獲得耐低磷紅花基因型的關鍵。該研究采用水培試驗對17份不同基因型紅花進行苗期耐低磷能力研究，旨在獲得耐低磷紅花種質的形態鑒定指標，并選擇磷高效紅花種質，為進一步研究紅花耐低磷種質的生理機制和培育紅花耐低磷品種提供科學依據和資源支持。

1材料與方法

1.1供試材料

選用17份紅花種質為試驗材料，由河南省農業科學院芝麻研究中心提供，品種編號及其名稱見表1。

1.2試驗設計

先將紅花籽粒經1%的次氯酸鈉溶液消毒10 min后，用蒸餾水反復沖洗5次后置于發芽盒中，并將發芽盒放入（26±1）℃培養箱中暗培養36 h；轉入光照培養箱中，生長條件為（26±1）℃、16 h/8 h（日照/黑暗），用1/2濃度的Hoagland標準營養液補充營養；待紅花幼苗長至一葉一心時，移栽到1/2濃度的Hoagland標準營養液中。每個塑料容器移栽6株，隨機排列，每日補充空氣2次、每次30 min，7 d 更換一次營養液。共設置3次獨立重復試驗。磷源為磷酸二氫鉀（KH2PO4）。設置對照組（P0）：磷濃度為5 mmol/L；低磷組（P1）：磷濃度為 0.1 mmol/L，處理 50 d后進行紅花形態指標測定。

1.3測定指標及方法

苗高，直尺測定莖基部到頂部最高點高度；葉長，倒2葉的長度；葉寬，倒2葉的寬度；主根長，從子葉節到主根系頂點的長度；側根數，除去主根外所有側根的數量；根鮮重，子葉節以下根重量；地上部分鮮重，子葉節以上地上部重量；根冠比=根鮮重/地上部鮮重；根體積測定采用排水法。

1.4數據處理

采用模糊隸屬函數法評價17份紅花種質耐低磷能力。

以低磷處理下指標相對值Xij反映低磷對第i品種第j指標影響大小，Xij=低磷處理下指標值/正常磷處理下指標值；以隸屬函數值反映第i品種第j指標的耐低磷指數，Pij=（Xij- Xjmin）/（ Xjmax- Xjmin）（0≤Pij≤1） ，Xjmax為第j指標的最大值，Xjmin為第j指標的最小值；以第j指標歸一化的變異系數Wj為權重，Wj=CVj/∑CVj，CVj為第j指標的變異系數；以綜合耐低磷指標Pi評價第i品種的綜合耐低磷能力，Pi=∑Pij×Wj。

采用Excel 2007和SPSS 19.0數據分析軟件進行統計分析。

2結果與分析

2.1低磷脅迫對不同紅花種質生長發育的影響

從表2可以看出，低磷脅迫下，除根冠比外，其他8個指標均降低，不同品種不同指標降低的幅度不同。低磷脅迫下，苗高、葉長、葉寬、主根長、側根數、根體積、根鮮重和地上部鮮重等8個指標分別下降14.29%、19.31%、20.95%、20.86%、30.97%、49.46%、27.79%、37.77%，而根冠比增加13.07%。根據李強等[18]研究結果，9個指標相對值的大小可以反映該指標受低磷脅迫影響的大小，而各指標相對值的變異系數在一定程度上反映了不同品種該指標對低磷脅迫敏感程度的差異，因此可將相對值變異系數大的指標作為品種間耐低磷能力的篩選、評價指標。表2顯示，相對根體積、相對根鮮重和相對地上部分鮮重的變異系數分別為37.62%、23.35%和2677%，因此選擇相對根體積、相對根鮮重和相對地上部分鮮重為紅花種質耐低磷能力的鑒定指標。

2.2低磷脅迫下紅花種質各性狀相對值的相關性分析

對低磷脅迫下9個紅花指標相對值進行相關性分析，結果發現（表3），各指標間均存在著不同程度的顯著或極顯著相關；其中根鮮重與地上部鮮重、根體積和側根數、葉長和葉寬呈極顯著相關；地上部鮮重與葉長、葉寬呈極顯著相關，各性狀之間不僅相互依賴，而且相互制約。

2.3低磷脅迫下紅花各性狀相對值的主成分分析

為了將9個影響紅花磷高效種質綜合評價的變量減少為幾個變量，并用少數幾個變量概括大量數據的總體特征，采用主成分分析法對數據進行處理。利用SPSS 19.0軟件對9個指標的相對值進行主成分分析，前3個主成分的貢獻率分別為5827%、18.54%、11.88%，累計貢獻率88.69%，表明前3個主成分可以反映出所有數據的變化趨勢，因此可以取前3個主成分作為數據分析的有效成分。這3個主成分與9個耐低磷性狀的相對值反映了它們之間的相關性（表4）。由此可計算出各主成分得分。

第1主成分：

C1=-0.22 X1+0.39 X2+0.40 X3-0.22 X4+0.37 X5+0.40 X6+0.38X7+0.38 X8-0.13 X9

第2主成分：

C2=0.61 X1+0.10 X2-0.08 X3+0.57 X4+0.10 X5-0.11 X6+0.24 X7+0.31 X8-0.33 X9

第3主成分：

C3=0.001 X1+0.07 X2+0.12 X3+0.34 X4+0.37 X5-0.18 X6+0.20 X7-0.10 X8+0.81 X9

式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9分別代表苗高、葉長、葉寬、主根長、側根數、根體積、根鮮重、地上部鮮重和根冠比的相對值。

第1主成分可以解釋9個耐低磷性狀58.27%的變化，其中與葉長、葉寬、側根數、根體積、根鮮重和地上部鮮重呈顯著正相關，相關系數分別為0.39、0.40、0.37、0.40、0.38、0.38，主要反映紅花整體的生長狀況；第2主成分可以解釋9個耐低磷性狀18.54%的變化，其中與苗高、主根長和地上部鮮重呈顯著正相關，相關系數分別為0.61、0.57、0.31，主要反映紅花整體的生長狀況；第3主成分可以解釋9個耐低磷性狀11.88%的變化，其中與主根長、側根數和根冠比呈顯著正相關，相關系數分別為0.34、0.37、0.81，主要反映紅花植株的根部性狀。

2.4綜合評價

以各指標的相對值作為耐低磷能力評價指標，將9個指標進行標準化處理，以消除量綱和數量級別的影響，使得不同指標間可以進行有意義的加和計算，能較好地對紅花品種的耐低磷能力進行綜合評價。品種間變異系數能反映各指標不同品種對低磷脅迫的敏感程度，變異系數越大，不同品種間受低磷脅迫影響的差異越大，對不同品種耐低磷能力的貢獻也越大，故該研究以各指標相對值的歸一化變異系數值作為權重，進行不同品種耐低磷能力的模糊隸屬函數綜合評價。采用全部9個指標計算的耐低磷綜合指數，其中9個指標權重最大為相對根體積，達到22.3%，權重最小的是相對根冠比，僅為5.04%，各指標權重差異明顯。

不同紅花品種耐低磷能力差異顯著，耐低磷綜合指數高低最大相差5倍以上（表5）。采用全部9個指標進行綜合評價時，耐低磷能力較強的3份紅花種質分別是“原陽紅花-3”“封丘紅花-1”和“永城紅花”，耐低磷綜合指數均在070以上；耐低磷能力較弱的3份紅花種質分別為“四川紅花”“鄭州紅花”和“云南紅花”。

2.5回歸分析

為分析紅花耐低磷鑒定指標與耐低磷能力之間的關系，篩選有效的耐低磷鑒定指標，建立耐低磷能力評價的數學模型，進行耐低磷能力預測，將17個紅花品種的9個鑒定指標進行了逐步回歸分析，以耐低磷綜合評價值作為因變量，各個指標相對值作自變量，建立最優回歸方程，建立得到紅花低磷脅迫的回歸方程：Y=-0.273+0.232X1+0.319X6+0.231X7+0.270X8（X1、X6、X7、X8分別代表紅花低磷脅迫下相對苗高、相對根體積、相對根鮮重和相對地上部鮮重），方程決定系數R2=0.966，P<0.001，呈極顯著，對17份紅花種質的耐低磷綜合評價值與預測值進行相關分析后發現，二者相關性r=0.966，達到極顯著水平，說明使用此方程式預測紅花苗期耐低磷能力可行，使鑒定工作簡單化。

根據李強等[18]研究結果，9個指標相對值的大小可以反映該指標受低磷脅迫影響的大小，而各指標相對值的變異系數在一定程度上反映了不同品種該指標對低磷脅迫敏感程度的差異，因此可將相對值變異系數大的指標作為品種間耐低磷能力的篩選、評價指標。相對苗高、相對根體積、相對根鮮重和相對地上部分鮮重的變異系數分別為9.86%、3762%、23.35%和26.77%，因此選擇相對根體積、相對根鮮重和相對地上部分鮮重最為紅花種質耐低磷能力的鑒定指標。

3討論與結論

目前開展作物耐低磷能力篩選及評價研究所采用的方法主要有土培法、液培法、砂培法等。其中土培法又分為盆栽法和大田篩選法，土培法雖然簡單易操作，但是不易于控制外界環境條件、磷濃度以及不便于根系觀察，因此需要更多的田間種植經驗[19]。目前土培法主要用于全生育期耐低磷基因型作物的復篩。砂培法可以模擬土壤進行操作，具有使磷素釋放緩慢、擴散受到限制的特點。Gerloff[20]采用砂培法對玉米等作物的磷高效基因型進行鑒定和篩選，目前應用較少。液培法是耐低磷種質篩選使用最多的方法，可以精確控制磷濃度和直觀植物的根系特征，但是需要選擇合適的磷源，劉國棟等[21]以Ca3（PO4）2為磷源，對小麥不同磷效率基因型進行了快速鑒定與篩選，液培法主要用于作物苗期耐低磷能力篩選。該研究主要采用1/2濃度Hoagland標準營養液，以磷酸二氫鉀為磷源，50 d內可以有效地對紅花種質的耐低磷能力進行鑒定。

不同基因型植物對于有效磷含量低的土壤具有不同的適應能力，因此，利用植物固有的生物學特性，挖掘作為自身對磷的高效吸收利用潛力已成為植物營養研究領域的熱點之一。而篩選磷高效利用型植物種質具有重要的意義，為進一步開展磷高效種質生理機制的研究提供重要的資源。前人采用不同的篩選指標獲得了一批耐低磷作物材料。李華慧等[22]以水稻苗期相對根干重為篩選指標，獲得了武糯1號、鹽粳2號和雙城糯等14份耐低磷種質；曾維英等[23]以苗期大豆根部干物質重、地上部分干重、總重為耐低磷篩選指標，獲得粵春2011-1、華春5號、桂春8號等10份大豆耐低磷品種；張燕等[24]利用相對存活葉、相對株高、相對莖粗、相對根干重與相對莖葉干重為篩選指標從63份玉米自交系中篩選到10份高耐低磷材料。該研究發現，低磷脅迫下，苗高、葉長、葉寬、主根長、側根數、根體積、根鮮重和地上部鮮重等8個指標生長發育遲緩，而根冠比較對照增加；9個指標間存在顯著或極顯著的相關，既相互制約又相互依賴。

隸屬函數法已經被廣泛應用于植物耐旱性、耐鹽性、耐低鐵能力、耐低氮等指標的篩選和綜合評價，并獲得較好的效果[18，25-26]。該研究首次利用隸屬函數法對17個紅花種質進行耐低磷能力鑒定，獲得了“原陽紅花-3”“云南紅花”和“鄭州紅花”3個耐低磷能力較強紅花種質。為了解釋9個指標對品種耐低磷能力的貢獻率，采用主成分分析對指標的相對值進行了進一步的分析。前3個主成分的貢獻率分別為58.27%、18.54%、11.88%，累計貢獻率88.69%；第1主成分和第2主成分主要反映紅花整體的生長狀況；第3主成分主要反映紅花植株的根部性狀。

為分析紅花耐低磷鑒定指標與耐低磷能力之間的關系，篩選有效的耐低磷鑒定指標，建立得到紅花低磷脅迫的回歸方程：Y=-0.273+0.232X1+0.319X6+0.231X7+0.270X8（X1、X6、X7、X8分別代表紅花低磷脅迫下相對苗高、相對根體積、相對根鮮重和相對地上部鮮重）。在此基礎上，比較相對苗高、相對根體積、相對根鮮重和相對地上部鮮重的變異系數，其中相對根體積、相對根鮮重和相對地上部分鮮重這3個指標的變異系數均大于其他6個指標（>20%），可以作為紅花能力篩選的形態指標。

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