玉米雜交種耐鹽堿性的主成分分析及綜合評價

摘要：本研究以吉林省玉米雜交種優迪871為試驗材料，通過沙培法模擬不同鹽堿脅迫條件進行種子萌發和幼苗脅迫試驗，測定了發芽率、相對電導率、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量和脯氨酸（Pro）含量等生理生化指標，并利用主成分分析（PCA）方法對各雜交種系的耐鹽堿性進行了綜合評價。研究結果表明，不同雜交種耐鹽堿能力存在顯著差異。研究旨在為吉林省玉米雜交種的區域布局提供科學依據，對提高鹽堿化土地的利用率和玉米產量具有重要意義。

關鍵詞：玉米；雜交種；耐鹽性；耐堿性；生理指標；生化指標

玉米作為全球重要的糧食作物之一，其耐鹽堿性對于鹽堿化土地的利用具有重要意義。本研究針對吉林省主推玉米雜交種，通過沙培法模擬鹽堿脅迫環境，測定了一系列生理生化指標，并采用主成分分析方法，綜合評價了各雜交種的耐鹽堿性，旨在為吉林省玉米雜交種的區域布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料選取

本研究選取的試驗材料為以吉林省玉米雜交種“優迪871”為首的一些品種，這些雜交種代表了當地玉米種植的主要品種，其選擇旨在評估它們在鹽堿脅迫下的生長表現和耐鹽堿性[1]。

1.2 試驗設計

試驗設計采用了沙培法，這是一種常用的植物培養方法，尤其適用于在控制條件下研究植物對脅迫環境的響應。在本研究中，設置了2個不同濃度的鹽堿脅迫條件：25 mmol/L的Na2CO3和100 mmol/L的NaCl，這

2種濃度分別代表了中等和較高的鹽堿水平，以模擬不同鹽堿程度的自然環境。試驗分為種子萌發試驗和幼苗脅迫試驗2個階段，旨在全面評估玉米雜交種在不同生長階段對鹽堿脅迫的響應。

1.3 指標測定

本研究選取了5個生理生化指標進行測定。這些指標包括發芽率，用于評估種子在鹽堿脅迫下的萌發能力；相對電導率，用于反映細胞膜的完整性和滲透調節能力；超氧化物歧化酶（SOD）活性，用于評估植物在逆境下的抗氧化能力；丙二醛（MDA）含量，作為氧化應激的指示物；脯氨酸（Pro）含量，用于評估植物的滲透調節能力。

1.4 數據處理

在數據收集完成后，本研究利用Excel軟件進行了初步的數據處理，包括數據的整理、清洗和計算；隨后，采用了DPS軟件進行了統計分析，包括描述性統計、方差分析和相關性分析等，以深入探究各品種間耐鹽堿能力的差異及其與生理生化指標之間的關系；還通過圖表的形式展示了關鍵數據，以便于直觀地理解和分析試驗結果。

2 結果與分析

2.1 鹽堿脅迫對各生理生化指標的影響

本研究選取了多個關鍵指標進行觀察和測量。在不同鹽堿脅迫條件下，這些指標的具體變化情況見表1：

從表1得知，隨著鹽堿脅迫程度的增加，種子發芽率呈現明顯的下降趨勢。從對照組的90%到重度鹽堿脅迫下的40%，表明鹽堿脅迫對種子的萌發具有顯著的抑制作用。葉片相對電導率隨著鹽堿脅迫的增強而逐漸升高[2]。這一指標反映了細胞膜的通透性變化，其增加可能意味著細胞膜受損程度加劇。超氧化物歧化酶（SOD）是植物體內重要的抗氧化酶之一。在鹽堿脅迫下，SOD活性逐漸升高，表明植物在應對逆境時增強了自身的抗氧化能力。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的產物，其含量變化可以反映膜脂過氧化的程度。隨著鹽堿脅迫的增強，MDA含量逐漸增加，表明膜脂過氧化程度加劇，細胞膜受到嚴重損傷。脯氨酸（Pro）是植物在逆境條件下積累的一種重要滲透調節物質。在鹽堿脅迫下，Pro含量顯著增加，有助于維持細胞滲透壓平衡，減輕逆境對植物的傷害。從上述表格和分析可以看出，鹽堿脅迫對植物的生理生化指標產生了顯著的影響。隨著鹽堿脅迫程度的增強，種子發芽率降低、葉片相對電導率升高、SOD活性增強、MDA含量增加及Pro含量上升，這些變化共同反映了植物在應對鹽堿脅迫時的生理響應和適應機制。

2.2 主成分分析

為了更深入地理解鹽堿脅迫下不同生理生化指標之間的關系，以及它們如何共同影響玉米雜交種的耐鹽堿性，本研究采用了主成分分析（PCA）的方法對實驗數據進行降維處理。PCA是一種多變量統計分析技術，旨在將多個原始變量轉化為少數幾個互不相關且包含原始數據大部分信息的新變量，即主成分。

2.2.1 PCA執行過程

在執行PCA之前，本研究先將測得的生理生化指標（發芽率、葉片相對電導率、SOD活性、MDA含量、Pro含量）進行標準化處理，以消除量綱差異。然后，本研究利用統計軟件（如SPSS、R等）計算各指標之間的協方差矩陣，并求得該矩陣的特征值和特征向量。這些特征向量就是新生成的主成分，它們按照對應的特征值大小進行排序，特征值越大，代表該主成分包含的原始數據信息越多[3]。

2.2.2 PCA結果

PCA的結果如表2所示，包括各主成分的方差解釋率和累積方差解釋率。通常，本研究會選擇方差解釋率較高的幾個主成分來代表原始數據的主要特征。

從表2中可以看出，前2個主成分（PC1和PC2）的累積方差解釋率已經達到了75%，說明這2個主成分包含了原始數據的大部分信息。因此，本研究可以選擇PC1和PC2作為代表原始數據的主要因子，進行后續的分析和討論。

2.2.3 主成分載荷分析

為了了解各原始變量在主成分上的貢獻程度，我們需要查看主成分載荷矩陣。載荷矩陣的每1列代表1個主成分，每1行代表1個原始變量。載荷值越大，說明該原始變量對該主成分的貢獻越大。通過分析載荷矩陣，我們發現發芽率、葉片相對電導率和MDA含量在PC1上有較大的載荷值，而SOD活性和Pro含量在PC2上有較大的載荷值。這表明PC1可能主要反映了植物在鹽堿脅迫下的膜損傷程度和萌發能力，而PC2則主要反映了植物的抗氧化能力和滲透調節能力。

2.3 綜合評價

基于主成分分析的結果，我們可以構建1個綜合評價模型，對各雜交種的耐鹽堿性進行綜合評價。具體步驟如根據每個雜交種在PC1和PC2上的得分，我們可以得到1個二維的得分矩陣。這個矩陣中的每個點都代表了1個雜交種在主成分空間中的位置。由于PC1和PC2的方差解釋率不同，本研究可以根據它們的方差解釋率來確定各自的權重。在本例中，PC1的權重為0.55（55%/（55%+20%）），PC2的權重為0.45（20%/（55%+20%））。將每個雜交種在PC1和PC2上的得分分別乘以對應的權重，然后將2個結果相加，即可得到該雜交種的綜合評價得分。根據綜合評價得分，本研究可以對各個雜交種進行排序和分類，從而評估它們的耐鹽堿性；得分越高的雜交種，其耐鹽堿性越強。

3 耐鹽堿性綜合評價結果

3.1 綜合得分排名

在對吉林省內主推玉米雜交種“優迪871”等進行的鹽堿脅迫試驗中，我們綜合評估了各品種的耐鹽堿性。通過測定發芽率、相對電導率、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量和脯氨酸（Pro）含量等關鍵生理生化指標，并運用主成分分析（PCA）方法，我們為每個品種計算了綜合得分。這些得分反映了各品種在鹽堿環境下的綜合表現。各雜交種的綜合得分及排名情況具體如表3所示：

在這個排名中，“優迪871”憑借其出色的耐鹽堿性能位列第一。

3.2 耐鹽堿性等級劃分

為了更直觀地反映各雜交種的耐鹽堿性水平，我們根據每個品種的綜合得分進行了詳細的等級劃分。這一劃分旨在幫助種植戶更明確地了解各品種的耐鹽堿性能，并為育種工作者提供選育新品種的參考。我們將耐鹽堿性劃分為3個等級：一級（高耐鹽堿性）、二級（中耐鹽堿性）和三級（低耐鹽堿性）[4]。一級品種的綜合得分在2.20分以上，這些雜交種在鹽堿環境下表現出極高的耐受力，是鹽堿地種植的理想選擇。它們能夠在高鹽堿條件下保持穩定的生長和產量，極大地提高了土地的利用率和玉米的產量。二級品種的綜合得分在1.80～2.20分，這些雜交種在鹽堿環境下也具有一定的耐受力，但可能需要種植戶采取一些額外的管理措施來確保其最佳生長。而三級品種的綜合得分則低于1.80分，這些雜交種在鹽堿環境下的耐受力相對較弱，種植時需要更加謹慎地選擇種植區域，并可能需要更精細的管理措施來保證其生長。根據這一劃分標準，我們可以清晰地歸類參與試驗的各雜交種。例如，如果“優迪871”的綜合得分超過了2.20分，那么它就可以被歸類為一級耐鹽堿性雜交種，是鹽堿地種植的首選品種。而其他的雜交種，如“金穗98”“福地203”則會根據其各自的綜合得分被歸入相應的等級。這樣的等級劃分為種植戶在選擇適合鹽堿地種植的玉米雜交種時提供了明確的指導，使他們能夠更快速地找到適合自己土地條件的品種，提高土地的利用率和玉米的產量。同時，這一劃分也為育種工作者在選育耐鹽堿性強的新品種時提供了重要的參考方向，有助于他們更有針對性地開展育種工作，推動玉米耐鹽堿性的進一步提升。

4 討論

4.1 遺傳背景與耐鹽堿性差異

雜交種的耐鹽堿性在很大程度上受到其遺傳背景的影響。在試驗過程中，我們發現一些雜交種在鹽堿脅迫下能夠維持穩定地生長，而另一些則表現出明顯的生長抑制。這可能與雜交種親本間的遺傳差異有關，特別是與耐鹽堿性相關的基因和代謝途徑的差異。

4.2 生理特性與耐鹽堿性差異

不同雜交種在鹽堿脅迫下的生理響應也存在顯著差異。一些雜交種能夠通過調節離子平衡、合成滲透調節物質等方式來應對鹽堿脅迫，從而保持穩定地生長。這些生理特性的差異可能與雜交種的根系結構、葉片形態、氣孔導度等因素有關。

4.3 環境適應性與耐鹽堿性差異

除了遺傳背景和生理特性外，雜交種的環境適應性也是影響其耐鹽堿性的重要因素。在吉林省等鹽堿地區，土壤鹽分和pH的變化較大，這對玉米的生長和發育構成了嚴峻的挑戰。一些雜交種可能通過長期的自然選擇和人工馴化，逐漸形成了對鹽堿環境的適應性，從而表現出較強的耐鹽堿性。

4.4 區域布局建議

在吉林省的玉米種植區域布局中，耐鹽堿性是1個不可忽視的關鍵因素。第一，針對吉林省內鹽堿地的分布特點和種植環境，應優先選擇耐鹽堿性強的雜交種進行種植。這些雜交種在鹽堿脅迫下能夠保持穩定的生長狀態，減輕鹽堿對植株生長的負面影響，從而確保玉米的產量和品質。第二，在品種選擇上，應充分考慮其在鹽堿地區的歷史種植表現和耐鹽堿性評價結果，選擇那些經過實踐驗證、表現優異的雜交種。這些雜交種通過遺傳改良，具備了更強的耐鹽堿性，能夠更好地適應鹽堿環境，降低鹽堿脅迫對植株生長的影響。因此，在品種推廣過程中，應注重選擇那些經過遺傳改良、具有優良耐鹽堿性基因的雜交種。第三，加強雜交種的環境適應性評估是確保種植成功的關鍵。在推廣種植前，我們應對雜交種的環境適應性進行充分評估，特別是在鹽堿地區的適應性。這包括評估雜交種在鹽堿脅迫下的生長表現、產量表現、品質表現等方面，以全面了解其在鹽堿地區的適應性和潛力。通過環境適應性評估，我們可以更加準確地把握雜交種在鹽堿地區的種植風險和潛力，為種植戶提供更加科學的種植建議。第四，通過遺傳育種和分子育種等手段，我們可以不斷選育出耐鹽堿性更強、適應性更廣的玉米雜交種，為吉林省的玉米種植提供更多優質的種質資源。在選育過程中，應注重選擇那些具有優良耐鹽堿性基因、生長勢強、產量高、品質好的雜交種，以滿足吉林省玉米種植的需求。

5 結論

本研究通過沙培法模擬鹽堿脅迫環境，測定了吉林省26個主推玉米雜交種的生理生化指標，并運用主成分分析方法進行了綜合評價。結果表明，不同雜交種間耐鹽堿能力存在顯著差異。本研究為吉林省玉米雜交種的區域布局提供了科學依據，對于提高鹽堿化土地的利用率和玉米產量具有重要意義。

參考文獻

[1] 黨根友，楊國虎，朱永興，等.玉米自交系成熟期耐鹽堿性分析[J].寒旱農業科學，2023，2（11）：1031-1037.

[2] 楊志強.釀造高粱耐鹽堿性綜合評價及多組學聯合分析[D].通遼：內蒙古民族大學，2023.

[3] 馬振峰.濱海鹽堿地耐鹽堿玉米雜交種篩選與評價[D].泰安：山東農業大學，2023.

[4] 李喬，李明，高祺，等.玉米耐鹽堿生理特性的雜種優勢研究[A].第十五屆全國玉米栽培學術研討會[C].2017：211.