羅 園，李東梅，雷淼淼，馮宗云

(1.四川農業(yè)大學農學院作物遺傳育種學系大麥青稞研究中心，四川成都 611130；2.成都中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院，四川成都 611137)

世界全部耕地中約43%存在土壤缺磷的問題[6]，我國約有66%耕地缺磷[7]，而磷肥在農作物當季的利用率約為5%～20%，最高也不超過25%[8]。農業(yè)生產中常通過施用磷肥來解決土壤缺磷的問題，但大部分被施磷素被土壤吸附固定、沉淀轉化為無效態(tài)磷，難以被植物吸收利用[9-12]。另外，磷元素在土壤中向下的遷移距離很短，易隨地表水流失而引起的環(huán)境污染，會導致地表水體的富營養(yǎng)化[13]。因此過多施用磷肥不僅會造成作物磷素利用效率下降和資源浪費，而且會引起環(huán)境問題。磷素利用效率在作物種間和品種間均存在差異，遺傳改良是提高作物磷利用能力的主要途徑之一[14]，而篩選磷高效和耐低磷種質材料是作物磷高效育種的前提和基礎。目前有關青稞磷素利用效率和耐低磷能力評價及種質材料篩選的研究尚未見報道。本研究采用主成分分析和隸屬函數(shù)加權平均和聚類分析法，對52分青稞材料的磷利用特性進行綜合分析，篩選磷高效和耐低磷青稞材料，以期為青稞磷高效和耐低磷育種奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為保存于四川農業(yè)大學大麥青稞研究中心的52個青稞地方品種，均來自于中國西藏地區(qū)，信息詳見表1。

1.2 試驗設計

挑選每份材料種子各50粒，要求大小一致、顆粒飽滿完整無蟲眼，隨機編號。種子清洗消毒后，放置于吸水濾紙皿床上發(fā)芽2周。每份材料選取長勢一致的幼苗20株，去胚和種皮，清水洗凈，隨機分成2組分別進行缺磷和正常磷素(對照)營養(yǎng)液培養(yǎng)。幼苗先用完全營養(yǎng)液[15]培養(yǎng)緩苗一周，隨后進行不同磷素處理。缺磷處理和對照磷酸濃度分別為0.5 μmol·L-1和0.5 mmol·L-1。整個水培過程在實驗大棚內完成，溫度、光照等條件與自然相同。營養(yǎng)液持續(xù)通氧，每3 d換液一次，連續(xù)培養(yǎng)4周。

1.3 測定項目和方法

植株磷含量按鉬銻抗顯色法測定[16]，酸性磷酸酶活性按對硝基苯膦酸二鈉法測定[17]，采用缺磷處理與對照的生物量、根冠比(根部重量/地上部重量)、磷效比(地上部干重/植株磷含量)和酸性磷酸酶活性四個指標的比值進行磷利用效率的評價。

1.4 綜合評價體系

將測得的各項指標原始數(shù)據進行整理，計算耐低磷系數(shù)α，對這些指標通過相關分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類分析進行磷利用效率綜合評價。

α=缺磷處理/對照

(1)

Uj=(xj-xmin)/(xmax-xmin)

(2)

(3)

(4)

上式中，xj表示第j個因子的得分值；xmin表示第j個因子得分的最小值；xmax表示第j個因子得分的最大值；Wj表示第j個公因子在所有公因子中的重要程度；Pj為各品種第j個綜合指標的貢獻率；D為材料在低磷濃度條件時磷利用效率和耐低磷能力綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 青稞品種不同指標的耐鹽系數(shù)差異

從表2可以看出，無論是同一指標的不同品種間，還是同一品種的不同指標間，青稞耐低磷系數(shù)均存在差異，而且各指標耐低磷系數(shù)隨品種的不同而變化的規(guī)律不一致，說明青稞的耐低磷能力受遺傳因素影響，同時利用單個指標不能對其耐低磷和磷素利用的能力做出準確評判。另外，4個指標之間有一定的相關性(表3)，使得不同指標所反映的信息具有一定的重復性。因此，對青稞品種的耐低磷和磷素利用能力需要綜合評價。

表1 供試材料編號、名稱及產地Table 1 Information of hulless barley materials used in this study

表2 52份實驗材料各指標耐低磷系數(shù)Table 2 Low phosphorus tolerance index of the 52 hulless barley landraces

表3 各指標的耐低磷系數(shù)的相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficients among low phosphorus tolerance coefficient of the indexes

*:P<0.05; **:P<0.01 .

2.2 綜合評價

2.2.1 主成分分析

利用SPSS對52份青稞實驗材料苗期4個指標的耐低磷系數(shù)進行主成分分析，結果(表4)顯示，前三個主成分的方差貢獻率分別為 36.597%、28.141%和25.056%，累計達到了 89.802%，因此可以用這3個相互獨立的綜合指標代替原有的4個單項指標對青稞品種的耐低磷和磷素利用能力進行綜合評價。

2.2.2 隸屬函數(shù)分析及權重和綜合評價值的確定

利用三個綜合指標的耐低磷系數(shù)，求出每品種的3個綜合指標值，再由公式(2)計算隸屬函數(shù)值(表5)。同時，根據各綜合指標的貢獻率，由公式(3)分別求出各綜合指標的權重。經計算，3個綜合指標的權重分別為0.26、0.36、0.39。進一步用公式(4)計算出52份青稞供試材料綜合評價值(D)(表6)。52份青稞材料的D值在0.263～0.815之間，平均值為0.508。

表4 各綜合指標的耐低磷系數(shù)及貢獻率Table 4 Coefficient of low-phosphorus tolerance and contribution rate of each index

2.3 聚類分析

利用軟件NTSYS對52份青稞材料綜合評價值(D)進行聚類分析。結果(圖1)表明，歐式距離為0.15時，52份青稞材料被劃分為4大類。其中，第一類一共11個品種，包括長芒白青稞、鄂嘎宗、扎仁、窮結黃六棱、滿都、白青稞3、白青稞4、短芒青稞、分枝青稞、乃木、白青稞6,D值變化范圍為0.263～0.372，平均值0.323，磷利用效率最低；第二類一共23個品種，包括地方青稞、黑灰芒、昌都青稞、家巴家姆、白青稞2、歐澤、扎西布池、日農60、地方、乃木柴、生次、長芒黑青稞、叉九、錯肉、青稞、任青青稞、嘎瑪、乃那各忍、加查冬青稞、押托黃、山南白青稞、紫青稞、黑穎,D值變化范圍為0.406～0.556，平均值為0.525，磷利用效率稍好；第三類一共16個品種，包括：列旺色列、白青稞1、翁木東、少崗蘭、鹿馬嶺、日近尼嘎、斑久、乃木、白殼、白紫青稞、扎尼瑪、巴金嘎母、乃那、長芒冬、白青稞6、紫六棱，D值變化范圍為 0.583～0.719，平均值為0.597，磷利用效率較高；第四類一共2個品種，包括阿曼都和拉薩紫青稞,D值變化范圍為0.781～0.815，平均值為 0.798，磷利用效率最高。

3 討 論

農作物磷利用能力反映在表型性狀上并不單一，而是表現(xiàn)為一種復雜的綜合性狀，涉及植株對磷元素的吸收轉運和利用等過程，與植株的形態(tài)結構和生理生化等性狀密切相關。良好的根系是植物適應低磷脅迫的重要條件，根系在抵抗低磷脅迫環(huán)境壓力時可以產生可塑性的變化[18]，植物根系在低磷脅迫時比根長會顯著增加[19-21]。根系性狀的變化可以用來描述磷元素的吸收效率,根系干重和根冠比的增加是植物適應低磷條件的重要性狀表現(xiàn)[22-23]，磷高效的作物還表現(xiàn)為具有較低的根冠磷濃度比[24-25]，不同施磷水平下，大麥的側根長、側根表面積、比根長和平均根系直徑是反映磷效率基因型差異、影響大麥對磷吸收的重要指標[26]。磷利用效率是指植物利用生長介質中單位有效磷所生產的有機物量[27]，植物的磷效率具有豐富的遺傳多樣性[28-29]。酸性磷酸酶是植物組織中廣泛存在的一種重要的誘導和水解酶，它可以通過降解部分有機磷釋放無機磷，對植物體生長環(huán)境中磷的吸收活化和再生起著重要的作用[30]。低磷脅迫下，小麥植株葉片酸性磷酸酶活性顯著增高，高效型低于低效型[31]。低磷脅迫下，磷高效型大麥通過提高下部葉的酸性磷酸酶活性來加強酯磷和核酸態(tài)磷的分解，使其轉化為無機磷，增加可移動性磷的含量和比例，以提高大麥生育后期體內磷素的再利用效率[32-33]。本研究利用建立的綜合評價方法，結果以數(shù)值的形式直觀地將52個青稞供試材料磷利用能力表現(xiàn)出來，對綜合評價值進行聚類分析，共得到四類，其中第一和第二類的綜合評價值較低，磷利用和耐低磷能力低，第三類和第四類的綜合評價值較高，磷利用和耐低磷能力較強。對于植物磷素營養(yǎng)效率劃分,參考產量的絕對指標和相對指標，可將作物品種分為低效率耐肥型、高效率耐肥型、低效率型和高效率不耐肥型4種。本研究得到的四類青稞材料是否完全符合以上的四分類法，還待更加深入的研究和判斷。這種四分類法中，一般認為在低磷和正常磷水平條件下，低效率型品種產量都較低，幾乎沒有利用價值；低效率耐肥基因型產量在低磷條件時也較低，但是正常供磷條件時產量較高，是現(xiàn)代育種中應用中經常出現(xiàn)的磷效率型，適用于改良作物的高產性狀；高效率耐肥基因型和高效率不耐肥基因型，在低磷脅迫條件下，產量也較高，可以用來改良植物的磷素營養(yǎng)性狀，特別是高效率耐肥基因型在低磷和正常磷條件下都具有較高的產量，因此此類磷效率基因型是植物磷素營養(yǎng)性狀改良的理想目標。

表5 青稞材料綜合指標值、隸屬函數(shù)值及綜合評價值Table 5 Composition index,membership function value and synthetical value of hulless barley landraces

圖1 52份青稞材料磷利用效率綜合評價值聚類結果