基于幼苗生理生化指標和礦質元素含量的不同水稻品種綜合評價

摘要：為了解不同水稻品種的生理學特性，并為目標水稻品種的篩選及評價提供科學依據，以18個水稻品種（系）為材料，進行超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶的活性和可溶性蛋白、丙二醛、脯氨酸、鐵、錳、鋅、銅、鉀、鈣、鈉、鎂的含量等生理指標測定，并利用隸屬函數法、相關性分析和聚類分析對其差異性進行綜合評價。結果表明，鎂元素含量和鋅元素含量之間相關系數最大（為0.851），說明其相關性最強；經聚類分析將18個品種（系）分為3個類群：第Ⅰ類群為8個品種（系），該類群超氧化物歧化酶活性、丙二醛和脯氨酸的含量均值最高。第Ⅱ類群為2個品種（系），其過氧化物酶活性、蛋白、銅、鉀和鈉的含量均值最高。第Ⅲ類群也為8個品種（系），其過氧化氫酶活性、鐵、鋅、鈣、錳和鐵的含量均值最高；通過隸屬函數分析可知，18個水稻品種（系）由強到弱表現為金稻919＞津原黑1號＞津稻179＞天津農學院品系4＞C418恢復系＞津原45＞天津農學院品系5＞金稻777＞天津農學院品系1＞天農粳518＞C34恢復系＞天津農學院品系2＞津原E28＞天津農學院品系3＞津川1號＞隆優619＞津原香98＞津原89。將隸屬函數法和聚類分析的結果進行綜合分析可知，金稻919、津原黑1號和津稻179都在同一類群，且D值排序中也排在前3位，說明這3個品種綜合表現最好。

關鍵詞：水稻；生理特性；礦質元素；隸屬函數法；相關分析；聚類分析

中圖分類號：S511.037" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）24-0086-07

收稿日期：2023-12-09

基金項目：天津市教育委員會社會科學重大項目（編號：2019JWZD03）。

作者簡介：王瑋棋（2000—），女，內蒙古通遼人，碩士，研究方向為作物遺傳育種。E-mail：1144016157@qq.com。

通信作者：郝建朝，博士，副教授，主要研究方向為鹽堿地的治理和耐鹽植物的研究，E-mail：qqhjc1980@163.com；劉海學，博士，研究員，研究方向為作物遺傳育種，E-mail：zhxliu1965@sina.com。

水稻是一種以莖部為支柱的草本植物，通常生長在水田、沼澤等水生環境中。它屬于禾本科單子葉植物，原產于中國和印度，是現今世界上人類最重要的主要糧食作物之一。水稻為全球50%以上的人口提供糧食來源，對人類的生活具有重要意義^［1］，現在我國是全世界水稻總種植區域面積第二大的種植國家，一直以來都處于我國糧食作物的核心地位，也是我國總種植地區面積第二大的主要作物，僅次于玉米^［2］，常年種植區面積為3 000萬hm2左右。主要分布在東南、西南、華北等地區，其中東南沿海地區是水稻的主產區。

生產者選擇合適的水稻品種是實現水稻增產的重要途徑之一，篩選優良的水稻品種，也是提高種植效率和產量的關鍵環節，目前已有許多水稻品種篩選的方法被報道。黃振等通過對比不同水稻品種的生物學、植物學、生態學及產量特性這4個方面進行水稻的品種選育，最終篩選出最佳品種隆優8129^［3］；劉朝東等通過對不同水稻品種進行全生育期、農藝性狀、籽粒結構和產量比較，初步篩選出粵禾絲苗、黃廣秀占 2 個具有較大發展潛力的品種，并適宜在江門地區大面積推廣種植^［4］。綜上，研究者在水稻品種選育過程中不僅考慮了品種的生長速度、分蘗能力、株高等生物學特性，還考慮了品種的莖葉形態、花粉傳播等植物學特性，以及產量特性和對環境的適應性等生態學特性。

隨著現代農業的發展，育種決策的制定越來越依賴于科學、準確的評價方法。隸屬函數法作為一種基于模糊邏輯理論的評價方法，在各個領域得到廣泛應用^［5］，在水稻育種決策中也具有重要作用。該方法通過將多個指標轉化為單一的評價值，有效避免了傳統評價方法中主觀因素的影響，使得評價結果更加客觀、準確。聚類分析是將數據集中的樣本按照一定的相似性度量進行分類，使得同一類中的樣本盡可能相似，不同類之間的樣本盡可能不同。在作物品種選育方面，聚類分析同樣具有廣泛的應用價值。從查閱的文獻來看，目前國內雖然已有關于水稻礦質元素和生理生化方面的研究，但研究比較單一，未見多品種水稻生理生化指標及礦質元素含量測定分析采用隸屬函數法和聚類分析方法進行研究的報道。因此，本研究以18個水稻品種為試驗材料，在通過對不同水稻品種幼苗生理生化指標和礦質元素含量測定的基礎上，基于聚類分析和隸屬函數法綜合評價不同水稻品種的差異性，旨在為目標水稻品種的篩選及評價提供科學依據和新的參考思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2023年4—5月在天津農學院農業分析實驗室進行。試驗材料選取了筆者所在實驗室保存的18個不同水稻品種（品系），分別為津原E28、津原黑1號、津川1號、津原香98、津原89、津稻179、隆優619、津原45、金稻919、天農粳518、金稻777、C34恢復系、C418恢復系、農學院品系1（簡稱品系1）、農學院品系2（簡稱品系2）、農學院品系3（簡稱品系3）、農學院品系4（簡稱品系4）、農學院品系5（簡稱品系5）等^［6］。每個水稻品種（系）分別選取若干健康飽滿的種子，經5%次氯酸鈉（NaClO）消毒15 min后，用超純水沖洗3遍去除多余NaClO，放在無菌培養皿中，加入去離子水至剛好沒過種子，置于30 ℃恒溫條件中，進行黑暗催芽 48 h，然后將萌發的種子置于已加入1/10 Hoagland培養液的育苗盤中。水稻材料培養需放置于植物培養箱中，每天光照12 h，培養溫度25 ℃，濕度50%。待水稻幼苗長出后移栽到含有1/8培養液的水培箱中，培養至3葉1心時取樣備用。

1.2 主要儀器和設備

722E型紫外分光光度計、AL204型萬分之一天平、5920R型高速冷凍離心機、HH-2型恒溫水浴鍋、Simplicity超純水系統、TAS-990super型石墨爐原子吸收分光光度計、RXZ型光照培養箱、MARS6型高通量微波消解系統、EHD-24型消煮爐、XCA-80001 型電熱鼓風干燥箱。

1.3 生理指標測定

抗氧化酶活性測定之前均需要酶液，具體方法為：首先，采集新鮮植物的葉片或者根系0.2 g（可視情況調整），洗凈后放在之前預冷的研缽中，然后加入1.6 mL 0.05 mol/L磷酸緩沖液（pH值7.8），在冰浴的條件下研磨成勻漿，放入離心管中保存；其次，將高速離心機事先設置成4 ℃、12 000 r/min，離心20 min后，上清液即為酶液^［6］。

超氧化物歧化酶（SOD）的活性采用氮藍四唑光還原法測定，將紫外分光光度計設置在560 nm處測量吸光度^［7］；過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚法，將紫外分光光度計設置在470 nm處測量吸光度^［8］；過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用過氧化氫法^［9］，將紫外分光光度計設置在240 nm處測量吸光度^［9］；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定，將紫外分光光度計設置在595 nm處測量吸光度^［10］；丙二醛（MDA）含量的測定采用改進后的硫代巴比妥酸法^［11］，將紫外分光光度計分別設置在450、532、600 nm處，然后測量0.67% TBA溶液的吸光度，用公式計算出MDA含量^［11］；脯氨酸（Pro）含量的測定采用茚三酮比色法，將紫外分光光度計設置在520 nm處測量吸光度^［12］。

1.4 礦質元素含量測定

在電子天平上稱取水稻幼苗0.5 g，加入10 mL HNO3。然后放入微波消解儀中，溫度設置為 190 ℃，消解45 min。消解完成后將樣品放到電熱爐上進行加熱趕酸，溫度設置為180 ℃，蒸發液體至0.5 mL左右，之后用濾紙過濾剩余的液體，放入比色管中，定容至50 mL，然后在原子吸收火焰分光光度計上測量礦質元素含量^［6］。

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel進行數據整理，SPSS 19.0軟件進行分析，本研究采用隸屬函數法，對不同水稻品種（系）生理指標和礦質元素含量進行綜合評價，其計算公式如下：

μ（Xj） = （Xj-Xmin）/（Xmax -Xmin）。（1）

式中：μ（Xj） 表示隸屬函數值；Xj為指標測定值；Xmin和Xmax為所有參試材料某一指標的最小值和最大值。

Vj=∑ni=1（Xij-Xj）2n-1Xj。（2）

式中：Xj表示各品種（系）第j個指標平均值；Xij表示i品種（系）j 指標的隸屬函數值；Vj表示第j個指標標準差系數，由公式（1）和公式（2）得出Vj，再按照公式（3）進行各指標的權重計算：

Wj=Vj∑nj=1Vj。（3）

式中：Wj 表示第j個指標的權重。

D=∑nj=1［μj（Xj）×Wj］。（4）

式中：D表示綜合評價值；D值越大，表明該水稻品種（系）越好。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種（系）的生理生化特性及礦質元素含量差異比較

不同水稻品種（系）的生理生化特性差異主要表現在SOD、POD、CAT的活性和可溶性蛋白、MDA、脯氨酸的含量上。由表1可以看出，津川1號的SOD活性最強，為369.36 U/g，津稻179的活性最弱，為121.23 U/g；津原89的POD活性最強，為 333.05 U/（g·min），隆優619的活性最弱，為93.02 U/（g·min）；品系4的CAT活性最強，為 2 063.88 U/（g·min），C34恢復系的活性最弱，為 1 346.32 U/（g·min）；品系5的可溶性蛋白含量最高，為3.018 mg/g，金稻777含量最低，為 2.155 mg/g；津原45、金稻919、品系4的MDA含量最低，為4.0 μg/g，天農粳518的含量最高，為 4.6 μg/g；品系3的脯氨酸含量最高，為 32.98 μg/g，津川1號的含量最低，為30.48 μg/g。

由表2可知，不同水稻品種（系）的礦質元素含量差異較大，金稻919的鐵、鋅、鎂元素的含量最高，分別為988.67、192.67、4 109.86 mg/kg；津原89鐵、鎂和鉀元素的含量較低，分別為418.70、2 220.76、17 162.14 mg/kg；津原香98的鋅含量最低，為76.23 mg/kg；津稻179的銅元素含量為 45.08 mg/kg，在18個品種（系）中含量最高，C34恢復系的銅元素含量最低，為12.06 mg/kg；津原黑1號的鈣離子含量最高，為1 190.27 mg/kg，津原89的含量最低，為602.34 mg/kg；天農粳518的錳元素含量最高，為646.98 mg/kg，津原香98最低，為 184.45 mg/kg；津原45的鉀元素含量明顯高于其他品種，為66 394.83 mg/kg；津稻179的鈉元素含量最高，為15 567.90 mg/kg，津原89含量最低，為 4 178.89 mg/kg。

2.2 不同水稻品種（系）生理學指標的相關性分析

利用雙變量簡單相關系數法^［13］對18個水稻品種（系）14個生理學指標的相對值進行分析，具體結果如表3所示。其中，呈極顯著（Plt;0.01）正相關的指標有8對，包括鐵元素含量和鋅元素含量、鐵元素含量和鎂元素含量、鐵元素含量和鈣元素含量、鋅元素含量和銅元素含量、鋅元素含量和鎂元素含量、鋅元素含量和鈉元素含量、鈣元素含量和鎂元素含量、銅元素含量和鈉元素含量，相關系數分別為0.843、0.846、0.750、0.684、0.851、0.598、0.754、0.659。呈顯著（Plt;0.05）正相關的有4對，包括鋅元素含量和鈣元素含量、銅元素含量和鎂元素含量、銅元素含量和鉀元素含量、鉀元素含量和鈉元素含量，相關系數分別為0.553、0.538、0.561、0.541。呈極顯著（Plt;0.01）負相關的有1對，為鎂元素含量和MDA含量，其相關系數為-0.627。呈顯著（Plt;0.05）負相關的有3對，包括MDA含量和鋅元素含量、MDA含量和鐵元素含量、MDA含量和鈣元素含量，相關系數分別為-0.572、-0.508、-0.479。

2.3 基于隸屬函數的不同水稻品種（系）綜合評價

為了更準確地評估作物品種（系）的品質，采用綜合分析的方法，而隸屬函數法則是常用的方法之一，該方法可以在多個指標測定的基礎上對水稻品種進行評判。對18個水稻品種（系）的D值進行比較，結果（表4）顯示，金稻919的隸屬函數值最大，為0.632，因此該品種綜合評價最好。而津原89的隸屬函數值最小，為0.172，該品種綜合評價最差。根據隸屬函數值的大小，18個水稻品種（系）表現為金稻919＞津原黑1號＞津稻179＞品系4＞C418恢復系＞津原45＞品系5＞金稻777＞品系1＞天農粳518＞C34恢復系＞品系2＞津原E28＞品系3＞津川1號＞隆優619＞津原香98＞津原89，通過排序可以清楚地看到各個水稻品種（系）的優劣情況。這也為育種研究者提供了較為準確的選擇依據。

2.4 18種水稻品種（系）聚類分析

通過對18個水稻品種（系）SOD、POD、CAT的活性和鐵、錳、鋅的含量等14個生理學指標進行聚類分析，可以將這些品種分為三大類。

第Ⅰ類群包括8個水稻品種，分別為C418恢復系、C34恢復系、津原香98、隆優619、津原E28，品系3、津原89和天農粳518。該類群超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、脯氨酸含量均值最高，分別為269.12 U/g 、0.004 3 mg/g、32.19 μg/g；過氧化氫酶活性、可溶性蛋白含量、銅含量、鉀含量、鈉含量、鐵含量、鋅含量、錳含量、鎂含量最低，分別為1 564.79 U/（g·min）、2.542 mg/g、23.09 mg/kg、21 878.67 mg/kg、5 491.12 mg/kg、539.99 mg/kg、98.67 mg/kg、369.03 mg/kg、2 562.59mg/kg。第Ⅱ類群包括2個水稻品種，分別為津原45和品系2。該類群過氧化物酶活性、可溶性蛋白含量、銅含量、鉀含量、鈉含量均值最高，分別為171.36 U/（g·min）、0.062 mg/g、36.11 mg/kg、59 506.8 mg/kg、8 983.38 mg/kg；超氧化物歧化酶活性和鈣含量最低，分別為222.1 U/g和 743.3 mg/kg。第Ⅲ類群包括8個水稻品種，分別為津原黑1號、金稻777、金稻919、品系4、品系1、津川1號、品系5以及津稻179。該類群過氧化氫酶活性、鐵含量、鋅含量、鈣含量、錳含量、鐵含量均值最高，分別為1 767.73 U/（g·min）、646.89 mg/kg、133.40 mg/kg、841.47 mg/kg、463.7 mg/kg、3 040.94 mg/kg；過氧化物酶活性、丙二醛含量、脯氨酸的含量最低，分別為 158.06 U/（g·min）、0.004 2 mg/g、31.7 μg/g（圖1）。

3 討論

3.1 生理生化指標是反映作物生長發育和適應環境能力的重要指標

生理生化指標是指通過測量作物體內的一系列生物化學過程和生理反應來判斷其生長發育狀況和適應環境能力的指標。其中，超氧化物歧化酶是植物體內重要的抗氧化酶，能夠清除活性氧自由基，保護細胞免受損傷^［14］。過氧化物酶和過氧化氫酶則是植物體內重要的抗氧化酶，能夠催化過氧化物和過氧化氫的分解，防止細胞損傷^［15］。可溶性蛋白是植物體內重要的滲透調節物質，能夠維持細胞內的水分平衡和代謝平衡^［16］。丙二醛是植物體內膜脂過氧化的產物，其含量可以反映植物體內膜脂過氧化的程度，從而判斷植物的抗逆能力^［17］。脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質，也是植物在逆境條件下的一種適應性反應^［18］。本研究中不同水稻品種（系）的生理生化特性差異比較大，因此，在水稻種質選育過程中有必要通過比較不同水稻品種（系）的生理生化特性而進行有目的的選擇。

3.2 礦質元素是作物生長和產量形成中不可或缺的營養元素

在作物生長和產量形成過程中，礦質元素發揮著至關重要的作用，這些元素包括鐵、鋅、鉀、鈣、鈉等，它們是植物生長和發育所必需的。例如，鐵是植物體內重要的微量元素之一，參與了植物體內許多重要的生化反應；錳是植物體內多種酶的輔助因子，對植物的光合作用和呼吸作用具有重要作用；鋅是植物體內多種酶的組成成分，對植物的生長發育和產量形成具有重要的作用；銅是植物體內多種酶的輔助因子，對植物的呼吸作用和細胞壁的合成具有重要的作用；鉀、鈣、鈉、鎂等元素則是植物體內重要的無機鹽離子，對植物的生長發育和產量形成具有重要的作用。因此，在水稻品種選育過程中有必要依據不同水稻品種礦質元素的需求特性和土壤條件，制定出合理的施肥方案，以滿足不同水稻品種對礦質元素的需求，同時也應避免礦質元素施肥過量的問題。

3.3 隸屬函數值和聚類分析在水稻品種（系）選育方面具有重要的應用價值

通過品種比較試驗篩選出優質水稻品種，是實現當地水稻種植高產的重要途徑^［19-20］。水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，良種選育是提高水稻產量和效益最經濟、最簡單、最有效的途徑。為了評價水稻品種的品質，不應只在某一維度進行評價，而應在多個指標進行綜合評價。利用聚類分析和隸屬函數法對作物品種進行綜合評價在油菜、番茄等作物中得到了初步應用，陳敬東等利用該方法對油菜種質苗期耐低氮脅迫能力進行分析，篩選出不同類型的油菜材料：低氮脅迫耐受型材料、低氮脅迫敏感型材料和低氮脅迫中間型材料^［21］。蔡潤等在番茄品種選育中利用該方法，篩選出3個綜合品質較好的番茄品種^［22］。季新等通過隸屬函數法分析，篩選到山稻、Y-9（黃白）、浙白和黑寶糯等4個苗期綜合耐鹽性強的特種稻種質資源^［23］。本研究經過隸屬函數和聚類分析可知，金稻919、津原黑1號和津稻179為較好的水稻品種。在進行相關分析時發現，鎂元素含量和鋅元素含量之間相關系數最高，呈極顯著正相關關系。這是因為鎂和鋅都屬于光合元素，能促進光合作用，同時能夠促進蛋白質的代謝^［24］。此外，Zn和Cu擁有共同的轉運蛋白，二者之間具有競爭性^［25］，但是本研究結果顯示，Zn含量和Cu含量呈現極顯著正相關關系，這可能是因為陽離子誘導了相關轉運蛋白的合成^［26］，其機制可能比較復雜，有待進一步研究。

4 結論

水稻是我國重要的糧食作物之一，它不僅在保障我國糧食安全方面扮演著重要角色，還對促進農業發展和提高人們生活水平具有至關重要的意義。本研究以天津農學院農業分析實驗室保留的18個不同水稻品種（系）為研究對象，通過對水稻幼苗超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶的活性及礦質元素的含量等14個生理學指標進行隸屬函數和聚類分析，結果表明，在各指標間相關性分析中，鎂元素和鋅元素之間相關系數最大，其相關性最強；經聚類分析將18個品種（系）分為3類；通過隸屬函數分析可知，18個水稻品種（系）排序前三的是金稻919、津原黑1號和津稻179。將隸屬函數法和聚類分析的結果進行綜合分析可知，金稻919、津原黑1號和津稻179都在同一類群，且D值排序中也排在前3位。此研究結果不僅有助于更好地了解不同水稻品種的生理學特性，而且也為水稻育種和栽培提供了有價值的參考。

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