陳澤東，師煥婷，董殿琪，王亞鑫，王金鳳，虞 波，王鵬飛，康國章，2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學國家小麥工程技術研究中心，河南 鄭州 450046；2.神農(nóng)種業(yè)實驗室，河南 鄭州 450002）

磷是植物生長發(fā)育所必需的三大礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，它廣泛參與植物細胞組成、能量代謝、物質(zhì)轉化等過程[1]。在土壤中，磷素由于易和其他金屬元素形成難溶的磷酸鹽[2]，導致植物常面臨嚴重的磷匱乏。為保證作物產(chǎn)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過使用大量磷肥來解決土壤有效磷缺乏的問題。但作物對磷的利用效率非常低，其中，小麥對磷素的當季利用效率僅為19%[3]。大量的磷素被土壤固定或隨徑流作用流失，由此又引發(fā)一系列的環(huán)境污染以及嚴峻的磷礦資源枯竭等問題[4]。篩選耐低磷小麥種質(zhì)，培育磷高效小麥新品種，對實現(xiàn)小麥的綠色生產(chǎn)和磷肥的減施增效具有重要意義。

土壤缺磷會導致小麥的正常生長受限、成穗數(shù)和光合效率降低，是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素之一[5]。在以往的研究中，耐低磷小麥品種的選育往往是以植株磷含量、產(chǎn)量或磷利用效率等單一指標作為評價標準[6?7]。然而，小麥對磷缺乏環(huán)境的響應是一個復雜的過程，涉及磷素的獲取、活化、吸收和轉運等多個過程，例如：根系形態(tài)與構型的變化、根系有機酸分泌的增加、不同組織間磷素的再分配等[8?9]。耐低磷特性評價指標眾多，但是不同性狀指標對低磷脅迫的響應不同，且相互之間還存在多重共性問題，一定程度上影響了耐低磷能力評價的客觀性。目前，關于小麥的磷效率評價標準尚未統(tǒng)一。近年來，隨著耐性指數(shù)、主成分分析法、隸屬函數(shù)法和灰色關聯(lián)分析法等的綜合運用，及其所建立的綜合評價體系在作物抗逆和耐瘠性評價中的廣泛應用，進一步提高了作物養(yǎng)分效率評價的準確度[10?11]。宋曉等[12]通過主成分分析初步篩選得到4個決定氮效率的主成分，并篩選出西農(nóng)979、許科168 等10 個氮高效小麥品種；楊春婷等[13]通過綜合評價體系認為，根系表面積、株高、地上部干物質(zhì)量等7 個綜合指標與苦蕎磷效率密切相關；武兆云等[14]通過綜合評價體系確定了地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、株高等8 個指標可作為苗期大豆的耐低磷鑒定指標。小麥對磷素的吸收和利用效率普遍存在品種差異，篩選和鑒定耐低磷小麥品種或種質(zhì)資源是選育磷高效小麥品種的前提和基礎[15?16]。目前，關于小麥耐低磷種質(zhì)鑒定的研究主要集中在單一生育時期[5，7]，忽略了小麥不同生長階段的磷吸收利用特性。因此，建立一套客觀、高效的磷效率評價體系，是開展小麥耐低磷研究和選育磷高效利用小麥新品種亟待解決的一個問題。為此，以苗期和成熟期小麥為研究對象，采用營養(yǎng)液水培與池栽土培相結合的方法，測定11 個小麥品種（系）水培苗期15個性狀指標和土培成熟期9 個性狀指標，對小麥耐低磷能力進行綜合評價和鑒定，并篩選出與小麥耐低磷特性緊密關聯(lián)的評價指標，構建一套小麥耐低磷能力評價體系，為小麥耐低磷研究及磷高效小麥新品種的選育提供篩選依據(jù)和種質(zhì)資源。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為11個黃淮麥區(qū)小麥品種（系）：矮抗58、濟麥22、豐德存麥5 號、百農(nóng)607、新麥67、周麥18、安農(nóng)188、天麥189、安農(nóng)203、鑫華麥818 和豫農(nóng)908。

1.2 試驗方法

1.2.1 營養(yǎng)液培養(yǎng) 試驗設置正常供磷（200μmol/L）和低磷處理（5μmol/L）。每個品種（系）挑選飽滿一致的小麥種子，經(jīng)75%乙醇對種子表面消毒30 s后，反復沖洗干凈，種臍朝下置于濕濾紙上，于4 ℃黑暗培養(yǎng)72 h 后，挑選發(fā)芽一致的種子，均勻擺放在網(wǎng)盤上置于光照培養(yǎng)箱中進行水培，培養(yǎng)箱參數(shù)為晝夜溫度24 ℃/16 ℃，晝夜時長16 h/8 h，相對濕度75%。將幼苗培養(yǎng)至兩葉一心期，挑選長勢一致的幼苗，去掉種皮轉移到正常供磷和低磷處理的營養(yǎng)液中，以KH2PO4作磷源，低磷營養(yǎng)液用KCl 補充K，每個處理選苗20 株，移入相同參數(shù)設置的光照培養(yǎng)箱中，營養(yǎng)液每3 d 更換一次，培養(yǎng)21 d 后測定各項指標，生物學重復3次。

1.2.2 池栽培養(yǎng) 試驗在河南農(nóng)業(yè)大學科教園區(qū)池栽區(qū)中進行，池栽土壤為砂質(zhì)潮土，播前0～20 cm土壤含有機質(zhì)11.60 g/kg、全氮70.00 mg/kg、速效磷6.39 mg/kg、速效鉀70.72 mg/kg，pH 值為8.55。池栽試驗設0、120 kg/hm2兩個施磷肥水平，每個處理設置3 次重復，每個池栽區(qū)中的11 個品種（系）隨機排列。每個品種（系）種植規(guī)模為1 m×5 行，行距20 cm，株距3 cm，點播。磷素補充來源為重過磷酸鈣（含P2O544%），在小麥播前作底肥全施；氮素補充來源為尿素（含N 46%），施用量為240 kg/hm2，1/2于播種前基施，1/2 于小麥拔節(jié)期追施；鉀肥為硫酸鉀（含K2O 60%），施用量為90 kg/hm2，于播種前全部基施。池栽區(qū)上茬作物為玉米，玉米秸稈全部還田，澆水等管理措施與當?shù)卮筇镆恢?。小麥?021年10月下旬播種，2022年6月上旬成熟后收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高、干質(zhì)量、根系形態(tài)及產(chǎn)量 培養(yǎng)箱水培21 d 時，隨機選取5 株幼苗，將其根系沖洗干凈，注意保護根系完整性，測量株高。使用EPSON 掃描儀獲取幼苗根系圖像，用WinRHIZO 軟件測定根系形態(tài)參數(shù)（總根長、根總表面積、根平均直徑、根總體積、根尖數(shù)）。吸水紙吸除多余水分后將幼苗根與莖葉分開，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量，并計算根冠比。

成熟期，池栽區(qū)每個品種（系）選取5株植株，測量株高，并收取地上部分，分成籽粒和秸稈，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量，并計算單株產(chǎn)量。

1.3.2 植株磷含量 將水培苗期植株分為莖葉和根系兩部分，將成熟期池栽區(qū)小麥分為籽粒和秸稈，分別烘干、粉碎，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，用鉬銻抗比色法測定磷含量[17]，并計算磷積累量、磷收獲指數(shù)、籽粒磷利用效率。

磷積累量=磷含量×干質(zhì)量；

磷收獲指數(shù)=籽粒磷積累量/地上部分磷積累量；

籽粒磷利用效率=籽粒產(chǎn)量/地上部分磷積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 進行基本數(shù)據(jù)處理，利用Tutools（www.cloudtutu.com）進行相關性分析[18]；采用SPSS 20.0 進行主成分分析，并計算隸屬函數(shù)值、權重和綜合評價值，使用Origin 2021進行聚類分析。

式中，μ(Xj)表示第j個綜合指標的隸屬函數(shù)值；Xj表示第j個綜合指標值；Xmax表示第j個綜合指標的最大值；Xmin表示第j個綜合指標的最小值。

式中，wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重；Pj為各品種（系）第j個綜合指標的貢獻率。

式中，D表示在低磷脅迫條件下各品種（系）耐低磷能力的綜合評價值。

在線軟件SPSSAU（https://spssau.com）用于灰色關聯(lián)度分析，以不同時期各性狀指標的耐低磷系數(shù)為特征序列，綜合評價值為母序列。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種（系）苗期耐低磷能力評價

2.1.1 各指標耐低磷系數(shù)及其相關性分析 由表1可知，小麥根冠比耐低磷系數(shù)為1.264～1.440，均大于1，說明低磷促進了光合同化物向根系轉運；與根冠比耐低磷系數(shù)相反，小麥幼苗株高、根干質(zhì)量、莖葉干質(zhì)量、單株干質(zhì)量、根磷含量、莖葉磷含量等除根冠比外的其他指標的耐低磷系數(shù)均小于1，表明低磷脅迫限制了小麥對磷的吸收，影響了其生長發(fā)育，但品種（系）間同一指標的耐低磷系數(shù)不同。

表1 不同小麥品種（系）苗期各指標的耐低磷系數(shù)Tab.1 Low phosphorus tolerance coefficients of each index of different wheat varieties（lines）at seedling stage

進一步對各指標的耐低磷系數(shù)進行相關性分析。結果（圖1）表明，小麥株高的耐低磷系數(shù)與莖葉磷積累量的耐低磷系數(shù)，莖葉磷含量的耐低磷系數(shù)與莖葉磷積累量、單株磷積累量、根總表面積、根總體積、根尖數(shù)的耐低磷系數(shù)，根尖數(shù)的耐低磷系數(shù)與根總表面積、根總體積的耐低磷系數(shù)呈顯著正相關；單株干質(zhì)量的耐低磷系數(shù)與莖葉干質(zhì)量的耐低磷系數(shù)，根磷積累量的耐低磷系數(shù)與根磷含量的耐低磷系數(shù)，根總體積和單株總根長的耐低磷系數(shù)與根總表面積的耐低磷系數(shù)，莖葉磷積累量的耐低磷系數(shù)與單株磷積累量的耐低磷系數(shù)，根總表面積的耐低磷系數(shù)與單株總根長的耐低磷系數(shù)呈顯著或極顯著正相關；而根冠比的耐低磷系數(shù)與株高、莖葉干質(zhì)量、莖葉磷積累量的耐低磷系數(shù)，根干質(zhì)量的耐低磷系數(shù)與根總表面積、根總體積的耐低磷系數(shù)，根平均直徑的耐低磷系數(shù)與根磷含量、根磷積累量的耐低磷系數(shù)呈顯著負相關。上述部分指標的耐低磷系數(shù)存在一定的相關關系，表明不同指標所代表的小麥耐低磷能力的信息發(fā)生重疊。

圖1 小麥苗期各指標耐低磷系數(shù)的相關性分析Fig.1 Correlation analysis of low phosphorus tolerance coefficient of each index of wheat at seedling stage

2.1.2 基于各性狀耐低磷系數(shù)的主成分分析 由表2 可知，前4 個主成分的特征值均大于1，其貢獻率分別為37.661%、26.443%、19.082%和7.168%，能綜合反映大部分信息。第1主成分載荷較高的主要是莖葉磷含量、根總表面積和根總體積等；第2主成分載荷較高的是莖葉干質(zhì)量和單株干質(zhì)量；第3 主成分載荷較高的是根磷含量和根磷積累量；第4 主成分載荷較高的是根干質(zhì)量、莖葉磷含量和根平均直徑。4 個主成分反映了總信息量的90.354%。因此，利用這4 個綜合指標對苗期小麥耐低磷能力進行綜合評價。

表2 小麥苗期各綜合指標的載荷矩陣、特征值及貢獻率Tab.2 Load matrix，eigenvalue and contribution rate of each comprehensive index of wheat at seedling stage

續(xù)表2 小麥苗期各綜合指標的載荷矩陣、特征值及貢獻率Tab.2（Continued）Load matrix，eigenvalue and contribution rate of each comprehensive index of wheat at seedling stage

2.1.3 耐低磷能力評價 對2.1.2 提出的綜合指標進行隸屬函數(shù)值計算，得出11個小麥品種（系）苗期耐低磷綜合評價值（表3），供試小麥苗期耐低磷能力表現(xiàn)為新麥67>矮抗58>百農(nóng)607>豫農(nóng)908>濟麥22>周麥18>鑫華麥818>天麥189>豐德存麥5 號>安農(nóng)188>安農(nóng)203。

表3 不同小麥品種（系）的苗期綜合指標值、權重、μ(Xj)值及綜合評價值Tab.3 Comprehensive index value，weight，μ(Xj)and comprehensive evaluation value of different wheat varieties（lines）at seedling stage

2.2 不同小麥品種（系）成熟期耐低磷能力評價

目前，耐低磷作物的篩選通常以水培苗期階段篩選為主，但忽略了作物在土培環(huán)境下對難溶無機磷的活化作用[19]。為進一步對不同小麥品種（系）的耐低磷能力進行綜合評價，本研究設置了施磷肥和不施磷肥的池栽試驗，測定了11個小麥品種（系）成熟期的株高、秸稈干質(zhì)量、單株籽粒產(chǎn)量、地上部分干質(zhì)量、秸稈磷積累量、籽粒磷積累量、地上部分磷積累量、籽粒磷利用效率和磷收獲指數(shù)9 個與磷效率相關的性狀，并計算所對應的耐低磷系數(shù)，然后進行主成分分析。結果（表4）表明，第1 主成分貢獻率最大，其貢獻率為46.118%，載荷較高的主要是單株籽粒產(chǎn)量、籽粒磷積累量和地上部分磷積累量等；第2 主成分的貢獻率為32.389%，其中載荷較高的是株高和秸稈磷積累量；第3 主成分的貢獻率為12.752%，載荷最高的主要是籽粒磷利用效率；3 個主成分的累計貢獻率達到91.259%。進一步采用隸屬函數(shù)法對這3 個綜合指標進行計算，得到11 個小麥品種（系）成熟期的耐低磷能力的綜合評價值。結果（表5）表明，供試小麥成熟期耐低磷能力表現(xiàn)為新麥67>濟麥22>安農(nóng)203>鑫華麥818>矮抗58>安農(nóng)188>豐德存麥5 號>豫農(nóng)908>周麥18>百農(nóng)607>天麥189。

表4 小麥成熟期各綜合指標的載荷矩陣、特征值及貢獻率Tab.4 Load matrix，eigenvalue and contribution rate of each comprehensive index of wheat at maturity stage

表5 不同小麥品種（系）苗期與成熟期耐低磷綜合評價值權重和綜合表現(xiàn)Tab.5 Weights of comprehensive evaluation values and comprehensive performance for low phosphorus tolerance ofdifferent wheat varieties（lines）at seedling stage and maturity stage

2.3 不同小麥品種（系）的耐低磷能力綜合評價及聚類分析

小麥苗期營養(yǎng)狀況在很大程度上影響后期的生長發(fā)育，在低磷環(huán)境中，耐低磷能力強的小麥在中后期一般具有相對較強的磷吸收能力[20]。因此，為更準確地評價小麥的耐低磷能力，本研究綜合分析了苗期和成熟期的耐低磷綜合評價值，計算同一品種（系）在2個不同時期的耐低磷綜合評價值的權重（表5），并根據(jù)綜合表現(xiàn)對供試小麥品種（系）的耐低磷能力進行聚類分析（圖2），結果表明，11個小麥品種（系）可劃分為3類：耐低磷型品種（系）（新麥67、濟麥22 和矮抗58）、較耐低磷型品種（豫農(nóng)908、鑫華麥818、百農(nóng)607 和周麥18）、低磷敏感型品種（系）（豐德存麥5 號、安農(nóng)188、安農(nóng)203 和天麥189）。

圖2 不同小麥品種（系）耐低磷能力聚類分析Fig.2 Cluster analysis of low phosphorus tolerance of different wheat varieties（lines）

2.4 基于灰色關聯(lián)分析的小麥耐低磷指標篩選

依據(jù)灰色關聯(lián)系統(tǒng)理論，分別以苗期和成熟期性狀指標的耐低磷系數(shù)為特征序列，耐低磷綜合評價值為母序列，計算特征序列與母序列之間的關聯(lián)度。結果（表6）表明，苗期耐低磷綜合評價值與根磷含量、根磷積累量、單株總根長的耐低磷系數(shù)聯(lián)系較密切，而成熟期耐低磷綜合評價值與磷收獲指數(shù)、秸稈干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量的耐低磷系數(shù)聯(lián)系較密切。因此，可將上述指標作為相應時期小麥耐低磷能力評價的關鍵篩選指標。

表6 小麥苗期與成熟期各指標耐低磷系數(shù)與綜合評價值的關聯(lián)度及位次Tab.6 Correlation degree between low phosphorus tolerance coefficient and comprehensive evaluation value at seedling and maturity stages of wheat and order

3 結論與討論

小麥的耐低磷特性是多性狀的綜合反映，受遺傳與環(huán)境的共同影響。為消除遺傳差異和評價指標之間的疊加冗余，保證綜合評價值的準確性[21]，本研究首先將所觀測的全部指標值轉化為耐低磷系數(shù)，然后通過主成分分析和隸屬函數(shù)法對各指標進行綜合評價，最終將苗期的15 個和成熟期的9 個指標分別轉化成4 個和3 個新的相互獨立的綜合指標，并得到11個小麥品種（系）苗期和成熟期的耐低磷能力的綜合評價值。進一步通過灰色關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，與小麥苗期耐低磷綜合評價值關系較密切的3 個指標耐低磷系數(shù)依次為根磷含量、根磷積累量和單株總根長的耐低磷系數(shù)，與小麥成熟期耐低磷綜合評價值關系較密切的3個指標耐低磷系數(shù)依次為磷收獲指數(shù)、秸稈干質(zhì)量和地上部分干質(zhì)量的耐低磷系數(shù)。因此，在小麥耐低磷品種評價和篩選過程中，可將這些指標作為主要考察對象，這將進一步簡化小麥耐低磷品種的篩選評價工作。另外發(fā)現(xiàn)，在篩選出的評價指標中，苗期小麥的單株總根長和根磷含量的耐低磷系數(shù)與耐低磷綜合評價值關聯(lián)較密切，這可能與根系是植物獲取水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的主要器官有關。由于磷在土壤中的移動性較差，為獲取有限的磷，植物需要更大的根系面積來捕獲土壤中的有效磷[22]，而根系發(fā)育往往又與莖葉發(fā)育緊密關聯(lián)[23]，這意味著根系發(fā)育和形態(tài)建成在小麥苗期低磷適應過程中起著至關重要的作用，這可能也是部分小麥品種（品系）在苗期表現(xiàn)出耐低磷能力強的原因。因此，在磷高效小麥品種選育過程中，需要更加關注具有優(yōu)良根系發(fā)育形態(tài)的種質(zhì)資源，同時，優(yōu)化根系形態(tài)與構型將是作物磷效率遺傳改良的一個主要目標和方向[22]。

作物的磷效率是由磷吸收效率（PAE）和磷利用效率（PUE）共同決定的，磷吸收效率主要受根系從環(huán)境中吸收磷素能力和外界環(huán)境磷水平的影響，磷利用效率除了受磷水平的影響外，同時也與磷素在不同組織器官中的分配有關，尤其是磷素向籽粒的轉運量[24?25]。苗期是作物養(yǎng)分吸收的重要階段，該階段的耐低磷特性主要體現(xiàn)在根系從環(huán)境中吸收磷素的能力，該時期的耐低磷能力與磷吸收效率緊密相關[26]。對小麥苗期耐低磷能力的鑒定主要是通過水培方法，這便于精確控制磷供給水平，且重復性高，同時易于觀察和檢測根系發(fā)育和構型相關的指標，因此，苗期可以作為評價小麥磷吸收效率的理想時期。但是水培試驗條件往往忽視作物對土壤難溶磷的吸收[27]，并且，磷高效小麥品種的選育最終是要落實到產(chǎn)量上，這就涉及到磷素從根系到地上部分的轉運以及向籽粒中轉運和儲存[25]。11 個小麥品種（系）在苗期和成熟期的耐低磷能力的綜合評價結果顯示，部分品種（系）在這2 個時期的耐低磷特性是不一致的，例如矮抗58 和百農(nóng)607 在苗期的耐低磷能力優(yōu)于濟麥22 和安農(nóng)203，但是在成熟期，濟麥22 和安農(nóng)203 的耐低磷能力優(yōu)于矮抗58和百農(nóng)607。因此，在小麥耐低磷品種篩選鑒定中，應綜合考慮苗期和成熟期等不同時期的指標，針對性地選取與耐低磷綜合評價值密切相關的指標。本研究根據(jù)苗期和成熟期的耐低磷綜合評價值對11個小麥品種（系）的耐低磷能力進行了聚類分析，最終篩選到耐低磷型小麥品種（系）新麥67、濟麥22和矮抗58，它們在苗期和成熟期均表現(xiàn)出較高的耐低磷特性。另外，值得注意的是，濟麥22 和矮抗58是黃淮麥區(qū)連續(xù)多年主要推廣的小麥品種，這可能與其具有良好的磷效率有關。