章愛群，郭海如，斯琴朝克圖，崔雪梅，李春生

(1.湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感 432000； 2.湖北工程學(xué)院計算機與信息科學(xué)學(xué)院，湖北孝感 432000)

土壤酸化嚴(yán)重危害植物的生長，酸性土壤中低磷和鋁毒因素限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為世界范圍內(nèi)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(jù)2005—2011年測土配方施肥土壤測定數(shù)據(jù)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(dāng)施肥亦將不斷增加我國土壤酸化面積和酸化程度[4]。開發(fā)和利用酸性土壤是可持續(xù)發(fā)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(shù)減少，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降[5-8]。耐酸玉米種質(zhì)資源是新品種選育和遺傳改良的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，需要對種質(zhì)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(xiàn)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?zhàn)B分吸收和新生組織的形成與代謝，生育后期營養(yǎng)的供應(yīng)狀況更是玉米產(chǎn)量保證的主要因素，故散粉期生長狀況直接影響玉米的產(chǎn)量[5]，選擇此階段耐酸能力強的玉米種質(zhì)資源有利于培育酸性土壤上高產(chǎn)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(jié)實需求，且每盆栽培玉米株數(shù)受限，會產(chǎn)生較大籽粒產(chǎn)量誤差，故選擇研究散粉期玉米生物學(xué)性狀分析比較各指標(biāo)的耐酸指數(shù)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(chǎn)的物質(zhì)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(zhì)量、雄花分枝數(shù)、花序長度、雄穗長度、穗位葉長度等12個指標(biāo)的影響，比較不同玉米基因型植株對酸脅迫土壤的反應(yīng)差異，并對一系列形態(tài)學(xué)指標(biāo)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(yōu)化后代選擇效果提供依據(jù)。

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(nóng)業(yè)大學(xué)玉米室及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究中心提供。

1.2 試驗設(shè)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(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)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(jì)紅色黏土發(fā)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(fù)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(yǎng)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(xué)院多功能溫室中進行，培養(yǎng)期間進行水分和病蟲害管理。散粉期調(diào)查5個玉米基因型在3種pH值土壤處理下5個重復(fù)植株的生物學(xué)性狀，包括穗位高、莖粗、株高、地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、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(zhì)量[5]等指標(biāo)。

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(shù)據(jù)處理與方法

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

2 結(jié)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(yǎng)分的吸收，進而影響植株的生物學(xué)性狀，但各指標(biāo)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(zhì)量和干質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、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(zhì)量測定值低于pH值6.8的土壤處理。莖粗、鮮質(zhì)量、總干質(zhì)量和功能葉干質(zhì)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?；蛐投帱S受酸脅迫毒害較輕，在pH值4.9的土壤中甚至表現(xiàn)出刺激生長現(xiàn)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(biāo)依然表現(xiàn)出受害嚴(yán)重。說明酸性土壤脅迫下不同基因型玉米植株的生物學(xué)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(xué)性狀的影響(n=5)

注：同列數(shù)據(jù)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(zhì)量；SFBN為雄花分枝數(shù)；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(zhì)量；ELA為穗位葉面積；TDW為總干質(zhì)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(xué)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(shù)總體呈下降趨勢，比較供試玉米基因型生物學(xué)性狀的耐酸指數(shù)發(fā)現(xiàn)，玉米穗位高、株高、雄花分枝數(shù)、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(shù)均大于0.9，受酸脅迫影響較??；相對而言，莖粗、鮮質(zhì)量、功能葉干質(zhì)量、總干質(zhì)量受酸脅迫影響較大，其耐酸指數(shù)均較低，且同一基因型不同性狀的耐酸指數(shù)或同一性狀不同基因型的耐酸指數(shù)均有較大變化。比較各性狀的變異系數(shù)，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(shù)普遍存在增加的趨勢，說明酸脅迫加大了基因型間相應(yīng)的差異。對pH值4.9酸性土壤表現(xiàn)敏感的性狀為鮮質(zhì)量>雄花分枝數(shù)>穗位高>總干質(zhì)量>功能葉干質(zhì)量，pH值4.6酸性土壤變異系數(shù)較大的性狀為鮮質(zhì)量>功能葉干質(zhì)量>總干質(zhì)量>穗位葉面積>雄花分枝數(shù)，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(shù)統(tǒng)計(n=5)

2.2 主成分分析酸脅迫對不同基因型玉米生長發(fā)育的影響

在Matlab環(huán)境下編寫程序，采用zscore對表1中的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，并且采用corrcoef函數(shù)求出標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)。其中，x1～x12分別表示穗位高、莖粗、株高、鮮質(zhì)量、雄花分枝數(shù)、花序長度、雄穗長度、穗位葉長、穗位葉寬、功能葉干質(zhì)量、穗位葉面積、總干質(zhì)量。從相關(guān)系數(shù)矩陣的值可以看出，x3、x8、x11相關(guān)性很強，x4、x12相關(guān)性很強，x4、x7表現(xiàn)出比較強的負(fù)相關(guān)性，x1、x5、x10與其他指標(biāo)的相關(guān)性一般，x2除與x7相關(guān)性很低之外，與其他指標(biāo)相關(guān)性一般。

采用pcacov函數(shù)計算表3中相關(guān)系數(shù)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(shù)據(jù)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(biāo)的特征。

表3 玉米生長發(fā)育性狀指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)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(yīng)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(zhì)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(shù)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(quán)重，構(gòu)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(quán)數(shù)進行加權(quán)求和，求出不同酸脅迫下各指標(biāo)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(yōu)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?；蛐虷Z109 3個處理的排名為1、2、3，差異較小，多黃的各指標(biāo)綜合排名為15、10、11，甚至表現(xiàn)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(xué)性狀的影響較其他基因型嚴(yán)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(jié)論

本試驗主要從生物學(xué)性狀的形態(tài)學(xué)機制研究玉米不同基因型在散粉期對土壤酸脅迫表現(xiàn)出的反應(yīng)特征。結(jié)果表明，不同pH值土壤處理下玉米各生物學(xué)性狀測定值差異多達顯著水平。莖粗、鮮質(zhì)量、總干質(zhì)量和功能葉干質(zhì)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?；蛐投帱S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(xué)性狀的耐酸指數(shù)發(fā)現(xiàn)，玉米穗位高、株高、雄花分枝數(shù)、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(shù)平均值受酸脅迫影響較?。磺o粗、鮮質(zhì)量、功能葉干質(zhì)量、總干質(zhì)量的耐酸指數(shù)平均值較低。隨著處理土壤pH值下降，各性狀變異系數(shù)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(yīng)的特征向量

表6 不同酸脅迫處理下各指標(biāo)綜合排名

編寫程序利用相關(guān)系數(shù)矩陣分析12個指標(biāo)間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)株高、穗位葉長、穗位葉面積3指標(biāo)相關(guān)性很強，鮮質(zhì)量和總干質(zhì)量相關(guān)性很強，鮮質(zhì)量和雄穗長度則表現(xiàn)出較強的負(fù)相關(guān)性。利用主成分分析所測定的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，前5個主成分分別反映處理對植株功能葉干質(zhì)量、穗位葉面積、雄穗長度、雄花分枝數(shù)、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(biāo)的特征。進一步構(gòu)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(jié)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(yán)重，耐酸脅迫能力弱。