酸脅迫下玉米基因型生物學性狀的主成分分析

章愛群，郭海如，斯琴朝克圖，崔雪梅，李春生

(1.湖北工程學院生命科學技術學院，湖北孝感 432000； 2.湖北工程學院計算機與信息科學學院，湖北孝感 432000)

土壤酸化嚴重危害植物的生長，酸性土壤中低磷和鋁毒因素限制農業生產已成為世界范圍內的普遍問題[1]。資料表明，全世界13.2億hm2耕地中，有40%～50%呈酸性[2]。我國酸性土壤的面積約為200萬km2，占全國總面積的21%左右[3]，根據2005—2011年測土配方施肥土壤測定數據表明，我國土壤pH值 5.5 以下的耕地面積高達 1 506.67萬hm2[3]。酸雨、酸性沉降物和不當施肥亦將不斷增加我國土壤酸化面積和酸化程度[4]。開發和利用酸性土壤是可持續發展的必然選擇，研究作物的遺傳潛力選育耐酸作物品種，是有效解決此問題的方法之一。

玉米是世界第三大糧食作物，在我國栽培分布地域廣泛。該作物在酸性土壤中受鋁毒和低磷脅迫影響較大，因為吐絲期延遲，穗位高下降，穗數減少，導致產量大幅下降[5-8]。耐酸玉米種質資源是新品種選育和遺傳改良的重要物質基礎，需要對種質資源的耐酸性狀進行詳細的研究和分析。不同玉米基因型在各生育階段呈現出不同的耐酸機制[9-10]，鋁毒和低磷脅迫在玉米生長早期影響養分吸收和新生組織的形成與代謝，生育后期營養的供應狀況更是玉米產量保證的主要因素，故散粉期生長狀況直接影響玉米的產量[5]，選擇此階段耐酸能力強的玉米種質資源有利于培育酸性土壤上高產的玉米品種。另由于本盆栽試驗土壤容積有限，不足以保證玉米結實需求，且每盆栽培玉米株數受限，會產生較大籽粒產量誤差，故選擇研究散粉期玉米生物學性狀分析比較各指標的耐酸指數既可以提供基因型間耐酸能力的直觀表型信息，還可以作為玉米高產的物質參考。

本研究選用5個玉米基因型，研究pH值為6.8、4.9、4.6的3種土壤對散粉期玉米穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質量、雄花分枝數、花序長度、雄穗長度、穗位葉長度等12個指標的影響，比較不同玉米基因型植株對酸脅迫土壤的反應差異，并對一系列形態學指標進行主成分分析，確定累積貢獻率達95%的前5個特征值，然后對試驗玉米基因型進行耐酸能力排名，以期為耐酸玉米育種親本選配和優化后代選擇效果提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用5個玉米基因型TL94B、多黃、HZ118、S7913、HZ109種子，由華中農業大學玉米室及中國農業大學玉米研究中心提供。

1.2 試驗設計

試驗采用土培法研究，栽培時間為5—10月，試驗地點為華中農業大學資源與環境學院盆栽場，鍍釉米氏缽每缽裝土6.0 kg。供試土壤采用第四紀紅色黏土發育的黃棕壤，分別取自陽新、咸寧和武昌獅子山，pH值分別為4.6、4.9、6.8(土 ∶水=1 ∶1)，各處理重復5次。氮肥(N)用量為 1.8 g/缽，磷肥(P)用量為1.2 g/缽，鉀肥(K)用量為 1.8 g/缽，以尿素、NaH2PO4·2H2O、KCl配成溶液提前3 d澆入土壤。將供試玉米種子消毒，浸泡48 h吸漲后均勻播入裝有河沙的塑料盒，含水量18%，移至28 ℃恒溫生化培養箱中催芽，1周后挑選生長一致的幼苗移植到缽中，每缽4粒，覆少量土。3葉期間苗，留1株，1個月后每缽追施N、P、K肥 0.6 g/缽，2個月后追施N肥0.6 g/缽。試驗在湖北工程學院多功能溫室中進行，培養期間進行水分和病蟲害管理。散粉期調查5個玉米基因型在3種pH值土壤處理下5個重復植株的生物學性狀，包括穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質量和干質量、雄花分枝數、花序長度、雄穗長度、穗位葉長度和寬度、穗位葉面積、功能葉干質量[5]等指標。

陽新土：鋁飽和度48.2%，有效鉀含量265.0 mg/kg，速效磷含量37.2 mg/kg，交換性Ca含量54.4 mg/kg，交換性Mg含量 29.6 mg/kg，有效Cu含量1.1 mg/kg；咸寧土：鋁飽和度46.5%，有效鉀含量45.7 mg/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，交換性Ca含量306.3 mg/kg，交換性Mg含量 57.6 mg/kg，有效Cu含量0.2 mg/kg；獅子山土：鋁飽和度1.1%，有效鉀含量91.5 mg/kg，速效磷含量15.8 mg/kg，交換性Ca含量 1 116.0 mg/kg，交換性Mg含量209.8 mg/kg，有效Cu含量1.9 mg/kg。

1.3 數據處理與方法

耐酸指數反映不同玉米自交系對酸性土壤的適應程度，計算公式為：耐酸指數=酸性土壤脅迫下測定值/中性土壤測定值。所有數據均為5次重復的平均值，在Matlab環境下采用主成分分析法[11]處理。

2 結果與分析

2.1 酸脅迫下不同玉米基因型的生長狀況

從表1可以看出，酸性土壤阻礙玉米根系對養分的吸收，進而影響植株的生物學性狀，但各指標受酸脅迫影響的程度差異較大。不同玉米基因型散粉期性狀的t檢驗表明，在pH值4.9、4.6的土壤中，穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質量和干質量、雄花分枝數、花序長度、雄穗長度、穗位葉長度和寬度、穗位葉面積、功能葉干質量測定值低于pH值6.8的土壤處理。莖粗、鮮質量、總干質量和功能葉干質量受抑制程度隨酸度水平增加而增加，pH值4.9、4.6處理中，測定值顯著下降。基因型多黃受酸脅迫毒害較輕，在pH值4.9的土壤中甚至表現出刺激生長現象，與pH值6.8的土壤中生長狀況基本一致，但在強酸性(pH值4.6)土壤中部分指標依然表現出受害嚴重。說明酸性土壤脅迫下不同基因型玉米植株的生物學性狀受害程度不同，基因型間的耐受能力也存在差異。

表1 酸脅迫對散粉期不同玉米基因型主要生物學性狀的影響(n=5)

注：同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。EH為穗位高；SD為莖粗；PH為株高；FW為鮮質量；SFBN為雄花分枝數；IL為花序長度；MEL為雄穗長度；ELL為穗位葉長；ELW為穗位葉寬；FLDW為功能葉干質量；ELA為穗位葉面積；TDW為總干質量。表2同。

從表2可以看出，酸性土壤對玉米基因型散粉期各生物學性狀造成一定程度的不利影響，隨著土壤pH值的降低，供試材料的耐酸指數總體呈下降趨勢，比較供試玉米基因型生物學性狀的耐酸指數發現，玉米穗位高、株高、雄花分枝數、花序長度、雄穗長度、穗位葉長、穗位葉寬、穗位葉面積的耐酸指數均大于0.9，受酸脅迫影響較小；相對而言，莖粗、鮮質量、功能葉干質量、總干質量受酸脅迫影響較大，其耐酸指數均較低，且同一基因型不同性狀的耐酸指數或同一性狀不同基因型的耐酸指數均有較大變化。比較各性狀的變異系數，隨著處理土壤pH值由4.9下降到4.6，玉米基因型各性狀的變異系數普遍存在增加的趨勢，說明酸脅迫加大了基因型間相應的差異。對pH值4.9酸性土壤表現敏感的性狀為鮮質量>雄花分枝數>穗位高>總干質量>功能葉干質量，pH值4.6酸性土壤變異系數較大的性狀為鮮質量>功能葉干質量>總干質量>穗位葉面積>雄花分枝數，說明酸脅迫下各性狀的敏感程度存在差異。

表2 酸脅迫下5個玉米基因型散粉期的耐酸指數統計(n=5)

2.2 主成分分析酸脅迫對不同基因型玉米生長發育的影響

在Matlab環境下編寫程序，采用zscore對表1中的數據進行標準化，并且采用corrcoef函數求出標準化后的相關系數矩陣(表3)。其中，x1～x12分別表示穗位高、莖粗、株高、鮮質量、雄花分枝數、花序長度、雄穗長度、穗位葉長、穗位葉寬、功能葉干質量、穗位葉面積、總干質量。從相關系數矩陣的值可以看出，x3、x8、x11相關性很強，x4、x12相關性很強，x4、x7表現出比較強的負相關性，x1、x5、x10與其他指標的相關性一般，x2除與x7相關性很低之外，與其他指標相關性一般。

采用pcacov函數計算表3中相關系數矩陣的特征值、方差貢獻率和累積貢獻率。從表4可以看出，前5個成分的累計貢獻率達到96.405 59%，濃縮了原數據的大部分信息，因此提取前5個成分作為分析不同pH值酸性土壤脅迫下各指標的特征。

表3 玉米生長發育性狀指標的相關系數矩陣

表4 各成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率

前5個特征根對應的特征向量如表5所示，第1主成分主要反映對植株功能葉干質量和穗位葉面積的影響，第2主成分主要反映雄穗長度，第3主成分主要反映雄花分枝數和花序長度，第4主成分主要反映花序長度，第5主成分主要反映穗位高，分別以5個主成分的貢獻率為權重，構建主成分綜合模型表達式如下：

Z=0.594 045 8y1+0.218 981 7y2+0.078 130 56y3+0.043 072 38y4+0.029 825 45y4。

把不同pH值酸性土壤處理下的5個主成分值代入上式，以各自的貢獻率為權數進行加權求和，求出不同酸脅迫下各指標的綜合排名。從表6中可以看出，相同玉米基因型3個pH值土壤處理下，植株在pH值6.8的土壤中生長狀況多優于pH值4.9、4.6土壤處理，排名靠前，但不同基因型間差異較大。基因型HZ109 3個處理的排名為1、2、3，差異較小，多黃的各指標綜合排名為15、10、11，甚至表現出酸脅迫刺激生長的趨勢，HZ118、S7913的排名情況分別為5、13、9和4、7、14，表明酸脅迫對各生物學性狀的影響較其他基因型嚴重，耐酸脅迫能力差，基因型間存在耐酸能力差異。

3 討論與結論

本試驗主要從生物學性狀的形態學機制研究玉米不同基因型在散粉期對土壤酸脅迫表現出的反應特征。結果表明，不同pH值土壤處理下玉米各生物學性狀測定值差異多達顯著水平。莖粗、鮮質量、總干質量和功能葉干質量受酸脅迫影響較大，pH值4.9、4.6處理中，測定值均顯著下降。基因型多黃在pH值4.9的土壤中與pH值6.8的土壤中生長狀況基本一致，長勢良好。比較各基因型生物學性狀的耐酸指數發現，玉米穗位高、株高、雄花分枝數、花序長度、雄穗長度、穗位葉長、穗位葉寬、穗位葉面積的耐酸指數平均值受酸脅迫影響較小；莖粗、鮮質量、功能葉干質量、總干質量的耐酸指數平均值較低。隨著處理土壤pH值下降，各性狀變異系數增加，說明基因型間的差異變大且各性狀的敏感程度存在差異。

表5 5個主成分對應的特征向量

表6 不同酸脅迫處理下各指標綜合排名

編寫程序利用相關系數矩陣分析12個指標間的相關性，發現株高、穗位葉長、穗位葉面積3指標相關性很強，鮮質量和總干質量相關性很強，鮮質量和雄穗長度則表現出較強的負相關性。利用主成分分析所測定的指標發現，前5個主成分分別反映處理對植株功能葉干質量、穗位葉面積、雄穗長度、雄花分枝數、花序長度、花序長度、穗位高的影響，5個主成分的累計貢獻率達到96.405 59%，可以提取作為分析不同pH值酸性土壤脅迫下各指標的特征。進一步構建主成分綜合模型，計算出不同酸脅迫下5個主成分值的綜合排名，結果表明基因型間耐酸能力不同，多黃和HZ109在酸脅迫下生長良好，受害較輕，HZ118、S7913受害嚴重，耐酸脅迫能力弱。