小麥苗期性狀與耐低氮性的遺傳相關(guān)分析

胡成梅 連 盈 程鵬飛 牛胤全 陳耀宇 閆慧姝 史雨剛 王曙光 范 華 孫黛珍

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

氮是小麥生長發(fā)育所必需的大量元素，在作物生產(chǎn)系統(tǒng)中具有極其重要的作用[1]。近年來，為了追求作物高產(chǎn)，氮肥的施用量越來越高，產(chǎn)量卻增加緩慢。過量施用氮肥和利用率低下不僅造成了巨大的資源浪費，糧食生產(chǎn)成本增加，同時對環(huán)境造成巨大影響[2-3]，因此，挖掘作物自身氮素高效利用的潛力，選育具有氮高效利用的品種，是提高作物氮素高效利用的重要手段。

目前，關(guān)于氮高效利用品種評價指標的研究，不同研究者報道不同。裴雪霞等[4]通過變異系數(shù)的大小選擇相對植株干重值作為小麥苗期氮高效評價指標；李丹丹等[5]利用溫室水培方法，研究不同年代的 32 個小麥品種在低氮脅迫下，通過相關(guān)性分析，將植株氮積累量和地上干重的耐性指數(shù)作為小麥苗期氮效率評價指標；杜保見等[6]通過變異系數(shù)的大小將葉面積作為小麥苗期氮高效評價指標。顯然，這些研究都是通過單一指標來評價品種對低氮脅迫的抗耐性。然而，小麥的耐低氮性是一個極其復(fù)雜的綜合性狀，任何單一的指標都無法全面準確反映低氮脅迫對小麥的影響，因此有學(xué)者提出綜合評價指標[7]，即利用多個指標轉(zhuǎn)化為一個能夠反映綜合耐低氮性的指標進行評價。

小麥育種中，利用間接選擇指標性狀可以提早選出目標個體，從而提高育種效率。關(guān)于間接選擇指標，史華偉等[8]研究認為，在春小麥抗旱育種中通過遺傳力與遺傳相關(guān)系數(shù)聯(lián)合分析，選擇主穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)和小區(qū)產(chǎn)量其選擇效率較高；盧娟等[9]通過遺傳力與遺傳相關(guān)系數(shù)聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)穗粒數(shù)、每小穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量對小麥產(chǎn)量的選擇效率較高；然而關(guān)于耐低氮性的間接選擇指標性狀的研究很少，這在很大程度上限制了耐低氮型品種的選育。因此，尋找容易識別、方便測量且遺傳力和遺傳相關(guān)性較高的形態(tài)指標或生理指標是非常有必要的。

本研究采用苗期營養(yǎng)液水培的方法，以 24 份不同小麥品種為供試材料，利用綜合評價值研究不同基因型小麥耐低氮性的差異，同時對小麥氮素利用效率相關(guān)性狀的遺傳力與其綜合評價值進行遺傳相關(guān)分析，并對有關(guān)性狀作為耐低氮潛力的間接選擇指標進行探討，旨在篩選具有耐低氮潛力的基因型及有關(guān)性狀，為小麥耐低氮利用機理研究奠定基礎(chǔ)及耐低氮育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用24份不同基因型的小麥品種，編號和名稱見表1。

1.2 試驗方法

本試驗采用營養(yǎng)液水培的方法，營養(yǎng)液參考Hoagland營養(yǎng)液[10]。設(shè)置低氮LN(1/10×N)和正常氮CK(1×N)2個處理，每個處理重復(fù)3次。2018年9月26日—10月30日，試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站溫室中進行。營養(yǎng)液氮濃度處理為：低氮(0.4 mmol/L)，正常氮(4 mmol/L)，其他營養(yǎng)成分均為正常營養(yǎng)液濃度(表2)。

每個品種挑選100粒顆粒飽滿的種子，經(jīng)1% NaClO對其消毒滅菌10 min，用去離子水沖洗干凈，30 ℃浸種9 h，25 ℃催芽過夜。挑選60粒露白的種子，整齊的擺放于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中。7 d后挑選長勢一致的幼苗，去除胚乳后移栽到育苗盤中，每處理設(shè)置6穴，每穴3株，2個處理3個重復(fù)共36株。然后放入盛有1/2濃度營養(yǎng)液的周轉(zhuǎn)箱(71 cm×45 cm×18 cm)中，緩苗2 d后換上正常處理營養(yǎng)液，每隔5 d更換一次營養(yǎng)液，每天補充水分，用 0.1 mmol/L HCl和NaOH調(diào)節(jié)pH至5.5左右。培養(yǎng)4周后，進行指標性狀的測定。

表1 24份供試小麥材料

表2 正常營養(yǎng)液組分

1.3 測定指標及方法

測定時，每個重復(fù)從兩穴中隨機選取5株，用日產(chǎn) Chlorophyll Meter SPAD-502型葉綠素測定儀分別測定小麥植株最頂部第一片完全展開葉的SPAD值。然后，測定株高(Plant height, PH)、根長(Root length, RL)、葉長(Leaf length, LL)和葉寬(Leaf width, LW)，統(tǒng)計分蘗數(shù)(Tiller number, TN)和根條數(shù)(Root number, RN)。再將植株分為莖葉和根系兩部分，用萬分之一天平稱根鮮重(Root fresh weight, RFW)和莖葉鮮重(Straw fresh weight, SFW)，然后分別在105 ℃下殺青30 min，70 ℃下烘至恒重，測定根干重(Root dry weight, RDW)和莖葉干重(Straw dry weight, SDW)。將小麥根干重和莖葉干重研磨粉碎后，嚴格按照《土壤農(nóng)化分析》[11]標準操作步驟，先用H2SO4·H2O2消煮制備待測液，再通過半微量凱氏定氮法分別測定莖葉和根氮素含量(Shoot nitrogen concentration, SNC；root nitrogen concentration, RNC)。

1.4 相關(guān)指標計算方法[7,12]

植株總鮮重(Plant fresh weight, PFW)=根鮮重+莖葉鮮重

植株總干重((Plant dry weight, PDW)=根干重+莖葉干重

葉面積(Leaf area, LA)=葉長×葉寬×修正系數(shù)(0.75)測量葉片為植株頂端起第一片完全展開葉

根冠比(Root/shoot ratio, RSR)=根干重/莖葉干重

根氮素積累量(Root nitrogen accumulation, RNA)=根干重×根氮素含量

莖葉氮素積累量(Shoot nitrogen accumulation, SNA)=莖葉干重×莖葉氮素含量

植株氮素積累量(Plant nitrogen accumulation, PNA)=根氮素積累量+莖葉氮素積累量

根氮素利用效率(Root nitrogen utilization efficiency, RNUE)=根干重/植株氮素積累量

莖葉氮利用效率(Shoot nitrogen utilization efficiency, SNUE)=莖葉干重/植株氮素積累量

植株氮利用效率(Plant nitrogen utilization efficiency, PNUE)=植株干重/植株氮素積累量

1.5 數(shù)據(jù)分析

為消除不同小麥品種間特定的遺傳學(xué)與生物學(xué)差異所帶來的誤差，本試驗以耐低氮指數(shù)來表征某性狀對氮素脅迫的敏感程度，從而衡量不同基因型間氮素利用效率的差異性[4]。其中，耐低氮指數(shù)計算公式如下[13]：

耐低氮指數(shù)=低氮水平下的測定值/正常氮水平下的測定值

(1)

隸屬函數(shù)值U(Xi)=U(Xi-Xmin)/U(Xmax-Xmin)i=1,2,3，…,n

(2)

式中：Xi為指標測定值；Xmin和Xmax為參試品種某一指標的最大值和最小值。

(3)

式中：Wi表示第i個共因子在所有共因子中的主要程度，Pi為各品種第i個指標與耐低氮系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)，表示了各品種第i個公因子的貢獻率。

(4)

式中：D值為材料在低氮脅迫下用綜合指標評價所得的耐低氮綜合評價值。U(Xi)表示第i個指標的隸屬函數(shù)值

間接選擇的相對效率(CRy/Ry)按以下公式計算:

CRy/Ry=(ix/iy)·rg·(Hx/Hy)

(5)

式中：ix、iy分別為性狀x、y的選擇強度；rg為性狀x、y的遺傳相關(guān)系數(shù)；Hx、Hy為性狀x、y的遺傳力的平方根[8,14]。CRy為通過選擇x性狀而使y性狀產(chǎn)生的選擇響應(yīng)，Ry為對y性狀直接的選擇響應(yīng)。遺傳相關(guān)系數(shù)的一個重要用途是在育種工作中對性狀進行間接選擇[15]。假定同時存在兩個性狀x和y，若兩者間存在遺傳相關(guān)，當選擇x性狀時，y性狀也會產(chǎn)生一定的影響。一般來說，這種通過選擇x性狀而使y性狀產(chǎn)生選擇響應(yīng)稱為相關(guān)響應(yīng)。若2個性狀的選擇強度相同，其中一個性狀能夠同時滿足性狀遺傳力高和遺傳相關(guān)系數(shù)大的優(yōu)點，那么這時進行間接選擇的效果會更好[16]。

運用軟件 Excel 2010、IBM SPSS Statistics 23.0和DPS 7.05進行生物統(tǒng)計與方差分析，并在此基礎(chǔ)上進行主成分分析、聚類分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素水平下小麥苗期氮效率相關(guān)性狀的基因型差異

由表3可見，除RSR、SPAD、RNC、SNC、RNA、SNA、PNA、RNUE、SNUE和PNUE 10個性狀外，其他性狀在基因型之間的差異均達顯著或極顯著水平；所有性狀在2種氮肥水平之間的差異均達到極顯著水平。23個氮效率相關(guān)性狀的范圍、平均值和變異系數(shù)在2種氮素水平下都存在較大差異，且隨著氮肥施用量的增加，除RSR、RNUE、SNUE和PNUE之外，其他各性狀指標值隨之增加。例如，低氮條件下根氮素含量為4.19～16.06 mg/g，平均值為 8.56 mg/g，而正常氮條件下則為9.11～26.58 mg/g，平均值為15.76 mg/g。此外，TN在兩種氮肥條件下變異系數(shù)都是最高的，其中正常供氮變異系數(shù)為44.12%，低氮脅迫下為78.48%；另外，在2 種氮肥水平下，除LW、SPAD和SNUE外，其他性狀指標基因型間的變異系數(shù)均>15%。可見，這些性狀在品種之間差異比較大。

2.2 不同品種小麥苗期耐低氮能力的綜合分析

對上述20個氮效率相關(guān)性狀指標(CV>15%)的耐低氮指數(shù)進行Bartlett球形檢驗，卡方值為1 087.514，P值等于0.000 1<0.001，達到0.1%極顯著水平，表明各性狀間具有較高相關(guān)性，因此本試驗數(shù)據(jù)滿足主成分分析的條件。主成分分析能夠有效并全面地反映出小麥苗期各性狀間起主導(dǎo)作用的指標，同時還可以綜合評價小麥苗期耐低氮能力。以特征根大于1作為劃分標準，對上述23個氮效率相關(guān)性狀指標的耐低氮指數(shù)進行因子分析(表4)。將23個指標轉(zhuǎn)換成5個相互獨立的綜合指標，其累計貢獻率為90.311%，已基本包含了參試材料的大部分信息，能夠較好地反映整體狀況。

表3 兩種氮素水平下小麥苗期氮效率相關(guān)性狀的基因型差異

注：**表示達1%顯著水平，*表示達5%顯著水平。下同。

Note：** indicates the significance at 1% level.* indicates the significance at 5% level.The same below.

由表4可以看出，第一主成分中RPH、RRL、RTN、RLW、RLA、RSFW、RPFW、RSDW、RPDW、RRNA、RSNA和RPNA 12個性狀對其影響較大，對應(yīng)的特征值為10.794，貢獻率為46.931%；第二主成分中RLL、RRFW、RRDW和RRSR 4個性狀對其影響較大，對應(yīng)的特征值為4.301，貢獻率為18.699%；第三主成分中RSNC、RSNUE和RPNUE 3個性狀對其影響較大，對應(yīng)的特征值為2.744，貢獻率為11.931%；第四主成分中RRNC和RRNUE 2個性狀對其影響較大，對應(yīng)的特征值為1.731，貢獻率為7.527%；第五主成分中RRN和RSPAD 2個性狀對其影響較大，對應(yīng)的特征值為1.202，方差貢獻率為5.224%。

表4 小麥苗期氮效率相關(guān)性狀的主成分分析

根據(jù)各主成分的因子值及各指標的耐低氮指數(shù)，得出各主成分(即公因子)的得分值C(x)。然后根據(jù)公因子得分值，由式(2)計算出每個基因型的隸屬函數(shù)值U(x)，再根據(jù)各主成分貢獻率的大小，由式(3)得出各因子的權(quán)重。5個公因子的權(quán)重分別為0.516、0.214、0.127、0.085和0.058；利用式(4)計算出每個基因型的耐低氮性綜合評價值(D)，D值越大表明其耐低氮能力越強(表5)。

利用D值數(shù)據(jù)，采用組間聯(lián)接法，以歐氏距離對24份小麥基因型的綜合評價值進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖1。在歐氏距離為15時，將參試的24份小麥品種聚成3類，即耐低氮型、中間型和低氮敏感型。耐低氮型有5個品種(約20.83%)，其中長武89(1)3-4綜合評價值(D)最高，達到0.708，其次為安85中124-1、單R8093、平陽348和昌樂5號，屬耐低氮相對較好的品種；低氮敏感型有6個品種(25%)，旱選12綜合評價值最低，為0.159，其次為白齊麥、煙農(nóng)19號、陜225-9、晉麥33和中大91-品9，屬耐低氮相對較差的品種；而其余的品種屬于中間型(約54.17%)。

表5 24份小麥品種公因子得分值C(x)、隸屬函數(shù)U(x)和綜合評價值D

圖1 24份不同基因型小麥D值的聚類分析

2.3 小麥苗期氮效率主要性狀與綜合評價值的相關(guān)性分析

從表6可以看出，低氮脅迫條件下TN、LW、RFW、SFW、PFW、SNA、PNA與耐低氮性綜合評價值(D)之間的遺傳相關(guān)及表型相關(guān)均達到顯著或極顯著水平，但表型相關(guān)性更強(除TN和SNU)。其中TN、LW、RFW、SFW、PFW、SNA、PNA與綜合評價值的環(huán)境相關(guān)性較大，均達到顯著或極顯著水平；而其余的性狀受環(huán)境的影響較小，均未達到顯著水平。正常氮處理下PH、RL、LA、SDW、PDW、RNC、RNA、SNA、PNA與耐低氮性綜合評價值(D)之間的遺傳相關(guān)及表型相關(guān)均達到顯著或極顯著水平，但遺傳相關(guān)性更強。其中LA和SDW與綜合評價值的環(huán)境相關(guān)性較大，均達到顯著或極顯著水平，而其余的性狀受環(huán)境的影響較小，均沒達到顯著水平。可見，在不同供氮水平下，各性狀變異程度也隨之改變。

表6 小麥苗期氮效率主要性狀與綜合評價值的相關(guān)性分析

表6(續(xù))

2.4 遺傳相關(guān)系數(shù)和遺傳力的聯(lián)合分析

從表7可以看出，低氮脅迫下選擇LW、RFW和PFW等指標性狀可以對小麥耐低氮性的選擇取得較好的效果；而正常供氮條件下可以選擇LA、PDW和RNA等性狀，這些性狀對小麥苗期耐低氮性的選擇效率較高，選擇這些性狀才能取得較好的效果。

表7 小麥苗期氮效率主要性狀對耐低氮性選擇的相對效率

3 討 論

3.1 耐低氮型小麥品種的篩選

選育耐低氮型品種是提高作物氮肥利用率、促進土壤缺氮地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效途徑。研究表明，低氮脅迫環(huán)境可導(dǎo)致植株形態(tài)學(xué)參數(shù)和生理生化參數(shù)改變[17-18]。例如，低氮脅迫下，植株地上部生長受抑制程度大于根部，植株氮積累量降低、氮利用效率明顯升高等[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)低氮脅迫在一定程度上抑制了小麥幼苗地上部及植株整體的生長，但促進了根長、根冠比、根氮素利用效率、莖葉氮素利用效率和植株氮素利用效率。可見小麥幼苗會通過加強根系生長、根冠比及提高體內(nèi)氮素利用效率等適應(yīng)機制來應(yīng)對低氮脅迫對其造成的影響，這與前人研究結(jié)果基本一致。小麥苗期氮素的高吸收率雖不能等同于小麥在整個生育期的氮高利用率，只能說明其具有潛在的氮高效利用能力[6]。李淑文等[20]研究指出，較強的氮素吸收能力和較好的植株生長特性是氮高效小麥品種獲得高氮效率的生物學(xué)基礎(chǔ)。裴雪霞等[7]研究結(jié)果表明，小麥生長發(fā)育前期氮素吸收量對小麥生長發(fā)育起關(guān)鍵作用。因此小麥苗期的氮素吸收對成熟期籽粒產(chǎn)量的形成有重要影響。然而，評價指標是篩選耐低氮小麥品種的前提條件，裴雪霞等[7]認為小麥苗期相對植株干重值可作為耐低氮小麥品種的評價指標，本研究按照此方法，發(fā)現(xiàn)耐低氮型品種包括長武89(1)3-4和安85中124-1；中間型包括長6878、白齊麥和旱選12等7個品種；其他15個品種屬于低氮敏感型。李丹丹等[5]將植株氮積累量和地上干重的耐低氮性指數(shù)作為小麥苗期氮效率評價指標，本研究依據(jù)其方法，將昌樂5號、旱選3號和滄州小麥等7個品種分為耐低氮型；將白齊麥、旱選12和晉麥33歸為中間型；其他14個品種屬于低氮敏感型。可以看出，即使同樣的試驗材料，依據(jù)不同氮高效評價指標進行分析其結(jié)果不盡相同。為解決這一問題，有學(xué)者提出綜合評價指標[6]，此方法已得到廣泛應(yīng)用，如棉花鉀[21]高效品種篩選和水稻[22]、煙草[23]氮高效品種篩選。其能夠克服單一指標評價的缺點，增加了評價的全面性和準確性[24]。因此，本研究采用綜合評價值(D值)進行聚類分析，將24個小麥品種分為三類：耐低氮型、中間型和低氮敏感型。

3.2 小麥氮效率主要性狀與耐低氮性綜合評價值的相關(guān)性

小麥育種中，通常要對多個性狀進行選擇，但是由于性狀間常存在不同程度相關(guān)性，選擇一個性狀就會涉及到其他性狀。因此，借助性狀間的相關(guān)性進行間接選擇是一條有效途徑。但人們一般只注重表型相關(guān)系數(shù)，而忽略了環(huán)境對性狀表達的影響相關(guān)，所得到的結(jié)果通常不能真實反映性狀間的關(guān)系，因此，在研究中經(jīng)常將表型相關(guān)分解為2個方面：遺傳相關(guān)和環(huán)境相關(guān)。有研究認為，遺傳相關(guān)比表型相關(guān)更適合用作選擇標準的性狀值[25]。但可靠的表型相關(guān)評價方法必須同時考慮遺傳和環(huán)境的互作。小麥不同品種間性狀均達到顯著水平，這與其他研究者的研究結(jié)果基本一致[4,20,26-28]。本研究表明，在低氮脅迫條件下TN、LW、RFW、SFW、PFW、SNA、PNA與耐低氮性綜合評價值(D)之間的遺傳相關(guān)及表型相關(guān)均達到顯著或極顯著水平，但表型相關(guān)性更強(除TN和SNA)。說明小麥耐低氮性與上述性狀間除受遺傳性影響外，環(huán)境也起了一定的作用；正常氮處理下PH、RL、LA、SDW、PDW、RNC、RNA、SNA、PNA與耐低氮性綜合評價值(D)之間的遺傳相關(guān)及表型相關(guān)均達到顯著或極顯著水平，但遺傳相關(guān)性更強。說明小麥耐低氮性與上述性狀間有很好的遺傳相關(guān)關(guān)系。因此，這些有顯著表型相關(guān)，容易識別、方便測量的指標性狀在今后的小麥耐低氮性選擇中提供一定的參考依據(jù)。

3.3 小麥苗期氮效率相關(guān)性狀的遺傳力及耐低氮性選擇策略

遺傳力所反映的是親代性狀遺傳給子代的一種能力，是評價親本不同性狀優(yōu)劣的主要指標[29]。Falconer等[15]指出，把一個性狀用作選擇的間接標準必須滿足 2 個條件：第一，該性狀的遺傳力必須足夠高；第二，性狀間的遺傳相關(guān)性也必須足夠高。因此，在耐低氮性育種實踐中，綜合考慮氮效率相關(guān)性狀與綜合評價值的遺傳相關(guān)性和性狀的遺傳力是獲得理想選擇效果的關(guān)鍵。本研究基于上述兩個條件，確定低氮脅迫下選擇TN、LW和RFW等性狀；正常供氮條件下選擇LA、PDW和RNA等氮效率主要性狀可以提高小麥耐低氮性的選擇效率，作為后期耐低氮性育種中重點考察的性狀。

4 結(jié) 論

通過綜合評價值，初步篩選出5個耐低氮品種：長武89(1)3-4、安85中124-1、單R8093、平陽348和昌樂5號，這些品種可作為耐低氮育種的親本材料；氮效率相關(guān)性狀與耐低氮性綜合評價值之間均存在顯著或極顯著的遺傳相關(guān)；聯(lián)合有關(guān)性狀的遺傳相關(guān)系數(shù)和遺傳力進行綜合分析，低氮脅迫下選擇LW、RFW和PFW等性狀；而正常供氮條件下可以選擇LA、PDW和RNA等性狀，這些性狀可以作為后期耐低氮性小麥育種中重點選擇性狀。