小麥缺鐵脅迫苗期相關性狀的聚類分析

樊慶琦 楚秀生 隋新霞

摘要：研究小麥品種缺鐵脅迫苗期相關性狀的系統聚類，對山東省小麥種質資源的鑒定篩選和鐵營養高效種質的創新利用具有重要意義。以86個山東省品種為研究對象，通過正常培養和缺鐵營養液培養，考察苗期根部和地上部等苗期性狀，進行系統聚類。系統聚類分析結果顯示，按正常培養、缺鐵培養、脅迫指數，將上述品種分別分為4、7、4個類群。研究發現，缺鐵脅迫可導致小麥生根數量的減少和地上部分生長量的顯著降低，卻可促進根系生長量的增加;小麥品種濟南16、菏麥19應保證栽培苗期的鐵營養供應;濟南8號、煙農15具有較強的鐵耐受能力，可用于鐵營養高效的種質創新和分子機制研究。

關鍵詞：小麥;苗期;缺鐵脅迫;根系;聚類分析

中圖分類號： S512.101 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0081-04

鐵作為小麥生長發育必需的營養元素之一，具有重要的生物學功能。小麥根系能分泌脫氧麥根酸的物質，螯合土壤中的Fe3+離子[1-7]，經根系細胞的轉運通道吸收至植物體內，參與葉綠素合成、呼吸作用、生物固氮等重要的生理生化反應[8]，以維持小麥的正常生長。缺鐵可導致細胞膜變薄、細胞壁疏松、膜囊系統破壞，胞內細胞器如類囊體、葉綠素解體或液泡化，高爾基體膨脹等不利影響[9-12]。從表型性狀來看，可引起新葉的黃化失綠[13-14]，影響根系的生長[15]。

系統聚類主要通過樣本數據經中心化或標準化變換后，計算距離系數利用不同的聚類方法進行聚類，在生物科學中得到廣泛應用。唐啟義教授開發的DPS數據處理系統根據學者的研究提供了7種聚類距離的算法和9種聚類方法，為聚類分析提供了便利、簡捷的統計學工具[16]。

山東省農業科學院作物研究所保存山東省小麥地方品種、育成品種以及國內外引進資源等3 000余份[17]。為更好地加強種質資源系統科學的評價，本研究以保存的山東省1950年以來的86份小麥品種為試驗材料，進行缺鐵脅迫下小麥苗期相關性狀的聚類分析，為小麥種質資源的評價篩選和鐵營養高效種質創新提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2017年在山東省農業科學院作物研究所濟南試驗基地的人工智能氣候室（浙江求是人工環境有限公司設計制造）中進行。氣候室面積約20 m2，陽面為透光雙層玻璃，配備空調、LED燈、遮陽棚和降溫水簾等控溫控光設備，由微計算機自動控制光照度12 000 lx，恒溫25 ℃。

1.2 供試材料

所用86份小麥材料為山東省農業科學院作物研究所小麥種質資源庫保存，為1950年后搜集、引進或育成的品種。為盡可能增加小麥種質資源的遺傳豐富度，根據系譜剔除了親緣關系較近的品種（如姊妹系等），供試小麥材料信息見表1。

1.3 試驗方法

挑選每份小麥材料籽粒飽滿的種子15粒，3次重復。種子經1.5%次氯酸鈉消毒5 min后，腹股溝朝下，均勻擺放至珍珠棉和紗網縫制的發芽盤，發芽盤放入盛有1 L超純水的培養盒（15 mm×15 mm×20 mm）中，在人工智能溫室中發芽，光/暗周期16 h/8 h，光照度12 000 lx，溫度25 ℃，3 d換水1次。

發芽7 d后，仔細將種子從幼苗根部去除，加入培養液培養。其中，對照處理營養液配方為：0.7 mmol/L K2SO4、0.1 mmol/L KCl、2 mmol/L Ca（NO3）2、0.5 mmol/L MgSO4、0.1 mmol/L KH2PO4、1 μmol/L H3BO4、0.5 μmol/L MnSO4、0.2 μmol/L CuSO4、0.5 μmol/L ZnSO4、0.01 μmol/L （NH4）6Mo7O24、100 μmol/L FeEDTA。缺鐵脅迫營養液配方除無FeEDTA外，其他如對照處理。營養液3 d換1次，培養15 d。

小麥幼苗于營養液中培養15 d后，每次挑選長相均勻粗壯的幼苗10株，以單株為單位采集根系數量、根系長度、根干質量和地上部分干質量等性狀。根系數量以根系伸長1 cm為標準采集，根系長度則以根基部至最長根系頂點的長度。從根系基部用剪刀分離，將根系和地上部分干質量分別放置牛皮紙袋中，于烘箱中105 ℃殺青30 min，以85 ℃恒溫烘干48 h至完全干燥，并用稱量精度為0.01 g電子電平稱質量，計算根冠比。根據對照和缺鐵脅迫的相關性狀，計算脅迫指數。公式為：式中：SI為脅迫指數;Fe-為材料缺鐵脅迫營養液培養的性狀值;Fe+為材料正常營養液培養的性狀值。

1.4 數據處理

數據利用DPS高級版進行系統聚類分析，聚類后不同類群的平均值計算則在Excel中進行。

2 結果與分析

2.1 不同處理及脅迫指數聚類距離和方法的比較

根據根系數量、根系長度、根干質量、地上部分干質量和根冠比的數據，利用DPS數據處理系統高級版提供的7種距離系數和9種聚類方法，對正常鐵營養、缺鐵脅迫和脅迫指數分別進行系統聚類的模擬。一般情況下，F值的概率低于 0.05 的類群數量被認為是較適合的。

鐵正常供應下，以卡方距離可變類平均法進行系統聚類，在劃分為4個類群時F值的概率值低于0.05，表明將供試品種分為4個類群比較適宜，其他距離和方法F值的概率均高于0.05。缺鐵脅迫情況下，以歐式平方距離可變類平均法，供試小麥材料在分為7個類群時的F值概率低于0.05，其他距離和聚類方法的模擬均高于0.05。同樣，脅迫指數在卡方距離和可變類平均法將供試小麥品種分為4個類群時，F值概率低于0.05，因此，脅迫指數將品種分為4個類群較為合適。

2.2 聚類結果

正常鐵營養可劃分為4個類群。類群1包含32個品種，類群2包含40個品種，類群3包含13個品種，類群4只有1個品種（濟麥19），分別占總樣本的37.21%、46.51%、15.12%、1.16%（圖1-A）。

缺鐵脅迫可將供試小麥品種劃分為7個類群。類群1包含24個品種，類群2包含34個品種，類群3包含11個品種，類群4包含2個品種（濟南8號和煙農15），類群5包含4個品種（西北60、復壯30、濟南18和山農21），類群6包含2個品種（濟南16和菏麥19），類群7包含9個品種，分別占總樣本的27.91%、39.53%、12.79%、2.33%、4.65%、2.33%、10.47%（圖1-B）。

脅迫指數可將小麥品種劃分為4個類群。類群1包含16個品種，類群2包含56個品種，類群3包含6個品種，類群4包含8個品種，分別占總樣本的18.60%、65.12%、6.98%、9.30%（圖1-C）。

2.3 不同類群性狀間平均值比較

正常鐵營養供應、缺鐵脅迫和脅迫指數系統聚類不同類群小麥品種不同性狀的平均值見表2。在正常鐵營養情況下，超過83.72%的品種屬于類群1、類群2等兩大類群，與其他類群相比，根系數量、根干質量和根冠比位于前2位，根系長度和地上部分干質量也表現為較高。表明這兩大類群代表了山東省品種的普遍特征，即根系數量在8～9條，主根系根長16～18 cm，根干質量主要分布在8～12 mg，地上部分干質量在42～45 mg，根冠比基本為0.2左右。類群4僅有1個品種（濟麥19），表現較為特殊，根系數量和根系長度與其他品種相當，但根干質量偏低，地上部分干質量偏高，說明該品種在苗期地上部分生長量要高于地下部分生長量。

缺鐵脅迫下，供試小麥品種則分為7個類群，品種間存在較大差異，表明在缺鐵情況下，明顯影響了品種的苗期發育。在七大類群中，前3個類群品種占總樣本的80.32%，與正常對照相比，根系數量、根系長度和根干質量相差不大，地上部分干質量有所下降，根冠比略微上升。值得注意的是，類群4的2個品種（濟南8號、煙農15）雖然根系數量增加不明顯，但根系長度、根系干質量和地上部分干質量與其他類群平均值相比表現最高，表明在缺鐵脅迫下，濟南8號、煙農15等2個品種地下部分和地上部分的生長均較為明顯，似乎并不受脅迫的影響，可理解為具有較強的耐受能力;類群6的2個品種（濟南16、菏麥19）與其他類群性狀平均值相比，除根冠比表現最高，其他4個性狀均表現最低，說明缺鐵嚴重影響了根系和地上部分的發育，根冠比較高是由于地上部分干質量顯著降低的原因所導致。

脅迫指數反映缺鐵脅迫后苗期性狀的變化。根據系統聚類各類群性狀的平均值，發現缺鐵脅迫后，小麥根系數量、地上部分干質量和根冠比全部為降低（負值），根系長度除類群1無變化外，類群2降低，類群3和類群4略有升高。根干質量4個類群均有不同程度的增加，以類群1和類群4升高較為明顯。

3 討論與結論

歐式距離是系統聚類應用最為廣泛的距離[18]，即2點之間的實際距離;卡方距離則是利用列聯表的方法得到1個卡方統計量來衡量2個個體之間的差異性，它被認為比歐式距離等常用的距離系數有更強的分辨能力[16]。根據本研究的數據結構計算歐式距離系數、歐式平方距離系數和卡方距離系數，利用可變類平均法可以較好地進行系統聚類，合適類群數目F值的概率達極顯著水平。

聚類分析的結果顯示，供試小麥品種中多數品種（超過80%）被聚為特定的2類和3類，這些品種無論在正常情況下還是在缺鐵脅迫下，各性狀的數值也較為接近，表明上述品種具有相似的發育規律和特點。而從脅迫指數可以看出，雖然被劃分為不同類群，通過平均值分析，不同類群間也具有相似的特征，即缺鐵脅迫可以影響根系數量的增加，有助于根系干物質的增加，不利于地上部分干物質的積累，對主根系的伸長則因品種而異。

然而，個別小麥品種卻具有不同的發育特點，如濟麥19，苗期地上部分的發育顯著快于地上部分的生長。這種特點在苗期表現為繁茂性較好，然而在生長后期的抗倒性能并不特別突出，可能與苗期的這種發育特點有關。濟南8號、煙農15在缺鐵脅迫下表現出較好的耐受能力，缺鐵可能會誘導體內一系列的生理生化反應，促進根系的伸長和根總量的增加來應對脅迫;而濟南16、菏麥19，在缺鐵情況下生長受到明顯抑制，根系數量的發生、主根系的伸長和干物質積累均處于較低水平，表明這2個品種對缺鐵較為敏感。

通過本研究的聚類分析，對山東省小麥品種苗期的地下部分和地上部分的生長發育有了更為清晰的了解，同時，缺鐵對小麥品種的影響也有了更為深入的認識。對缺鐵耐受的濟南8號和煙農15，可通過基因組、轉錄組和蛋白組等研究方法進一步探討缺鐵響應的分子機制;對缺鐵敏感型小麥品種如濟南16、菏麥19，在推廣種植中應避開缺鐵的干旱、半干旱地區。

綜上所述，正常鐵供應下，利用卡方距離可變類平均法可將86個小麥品種分為4個類群;缺鐵脅迫下，利用歐式平方距離可變類平均法可將其分為7個類群;對于脅迫指數，利用歐式距離可變類平均法可將其分為4個類群。缺鐵可影響小麥根系數量的增加，促進根系干物質積累，但阻礙地上部分干物質的積累。

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