小麦苗期性状与耐低氮性的遗传相关分析

胡成梅 连 盈 程鹏飞 牛胤全 陈耀宇 闫慧姝 史雨刚 王曙光 范 华 孙黛珍

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

氮是小麦生长发育所必需的大量元素，在作物生产系统中具有极其重要的作用[1]。近年来，为了追求作物高产，氮肥的施用量越来越高，产量却增加缓慢。过量施用氮肥和利用率低下不仅造成了巨大的资源浪费，粮食生产成本增加，同时对环境造成巨大影响[2-3]，因此，挖掘作物自身氮素高效利用的潜力，选育具有氮高效利用的品种，是提高作物氮素高效利用的重要手段。

目前，关于氮高效利用品种评价指标的研究，不同研究者报道不同。裴雪霞等[4]通过变异系数的大小选择相对植株干重值作为小麦苗期氮高效评价指标；李丹丹等[5]利用温室水培方法，研究不同年代的 32 个小麦品种在低氮胁迫下，通过相关性分析，将植株氮积累量和地上干重的耐性指数作为小麦苗期氮效率评价指标；杜保见等[6]通过变异系数的大小将叶面积作为小麦苗期氮高效评价指标。显然，这些研究都是通过单一指标来评价品种对低氮胁迫的抗耐性。然而，小麦的耐低氮性是一个极其复杂的综合性状，任何单一的指标都无法全面准确反映低氮胁迫对小麦的影响，因此有学者提出综合评价指标[7]，即利用多个指标转化为一个能够反映综合耐低氮性的指标进行评价。

小麦育种中，利用间接选择指标性状可以提早选出目标个体，从而提高育种效率。关于间接选择指标，史华伟等[8]研究认为，在春小麦抗旱育种中通过遗传力与遗传相关系数联合分析，选择主穗小穗数、穗粒数和小区产量其选择效率较高；卢娟等[9]通过遗传力与遗传相关系数联合分析，发现穗粒数、每小穗粒数、千粒质量对小麦产量的选择效率较高；然而关于耐低氮性的间接选择指标性状的研究很少，这在很大程度上限制了耐低氮型品种的选育。因此，寻找容易识别、方便测量且遗传力和遗传相关性较高的形态指标或生理指标是非常有必要的。

本研究采用苗期营养液水培的方法，以 24 份不同小麦品种为供试材料，利用综合评价值研究不同基因型小麦耐低氮性的差异，同时对小麦氮素利用效率相关性状的遗传力与其综合评价值进行遗传相关分析，并对有关性状作为耐低氮潜力的间接选择指标进行探讨，旨在筛选具有耐低氮潜力的基因型及有关性状，为小麦耐低氮利用机理研究奠定基础及耐低氮育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用24份不同基因型的小麦品种，编号和名称见表1。

1.2 试验方法

本试验采用营养液水培的方法，营养液参考Hoagland营养液[10]。设置低氮LN(1/10×N)和正常氮CK(1×N)2个处理，每个处理重复3次。2018年9月26日—10月30日，试验在山西农业大学农学试验站温室中进行。营养液氮浓度处理为：低氮(0.4 mmol/L)，正常氮(4 mmol/L)，其他营养成分均为正常营养液浓度(表2)。

每个品种挑选100粒颗粒饱满的种子，经1% NaClO对其消毒灭菌10 min，用去离子水冲洗干净，30 ℃浸种9 h，25 ℃催芽过夜。挑选60粒露白的种子，整齐的摆放于铺有滤纸的培养皿中。7 d后挑选长势一致的幼苗，去除胚乳后移栽到育苗盘中，每处理设置6穴，每穴3株，2个处理3个重复共36株。然后放入盛有1/2浓度营养液的周转箱(71 cm×45 cm×18 cm)中，缓苗2 d后换上正常处理营养液，每隔5 d更换一次营养液，每天补充水分，用 0.1 mmol/L HCl和NaOH调节pH至5.5左右。培养4周后，进行指标性状的测定。

表1 24份供试小麦材料

表2 正常营养液组分

1.3 测定指标及方法

测定时，每个重复从两穴中随机选取5株，用日产 Chlorophyll Meter SPAD-502型叶绿素测定仪分别测定小麦植株最顶部第一片完全展开叶的SPAD值。然后，测定株高(Plant height, PH)、根长(Root length, RL)、叶长(Leaf length, LL)和叶宽(Leaf width, LW)，统计分蘖数(Tiller number, TN)和根条数(Root number, RN)。再将植株分为茎叶和根系两部分，用万分之一天平称根鲜重(Root fresh weight, RFW)和茎叶鲜重(Straw fresh weight, SFW)，然后分别在105 ℃下杀青30 min，70 ℃下烘至恒重，测定根干重(Root dry weight, RDW)和茎叶干重(Straw dry weight, SDW)。将小麦根干重和茎叶干重研磨粉碎后，严格按照《土壤农化分析》[11]标准操作步骤，先用H2SO4·H2O2消煮制备待测液，再通过半微量凯氏定氮法分别测定茎叶和根氮素含量(Shoot nitrogen concentration, SNC；root nitrogen concentration, RNC)。

1.4 相关指标计算方法[7,12]

植株总鲜重(Plant fresh weight, PFW)=根鲜重+茎叶鲜重

植株总干重((Plant dry weight, PDW)=根干重+茎叶干重

叶面积(Leaf area, LA)=叶长×叶宽×修正系数(0.75)测量叶片为植株顶端起第一片完全展开叶

根冠比(Root/shoot ratio, RSR)=根干重/茎叶干重

根氮素积累量(Root nitrogen accumulation, RNA)=根干重×根氮素含量

茎叶氮素积累量(Shoot nitrogen accumulation, SNA)=茎叶干重×茎叶氮素含量

植株氮素积累量(Plant nitrogen accumulation, PNA)=根氮素积累量+茎叶氮素积累量

根氮素利用效率(Root nitrogen utilization efficiency, RNUE)=根干重/植株氮素积累量

茎叶氮利用效率(Shoot nitrogen utilization efficiency, SNUE)=茎叶干重/植株氮素积累量

植株氮利用效率(Plant nitrogen utilization efficiency, PNUE)=植株干重/植株氮素积累量

1.5 数据分析

为消除不同小麦品种间特定的遗传学与生物学差异所带来的误差，本试验以耐低氮指数来表征某性状对氮素胁迫的敏感程度，从而衡量不同基因型间氮素利用效率的差异性[4]。其中，耐低氮指数计算公式如下[13]：

耐低氮指数=低氮水平下的测定值/正常氮水平下的测定值

(1)

隶属函数值U(Xi)=U(Xi-Xmin)/U(Xmax-Xmin)i=1,2,3，…,n

(2)

式中：Xi为指标测定值；Xmin和Xmax为参试品种某一指标的最大值和最小值。

(3)

式中：Wi表示第i个共因子在所有共因子中的主要程度，Pi为各品种第i个指标与耐低氮系数间的相关系数，表示了各品种第i个公因子的贡献率。

(4)

式中：D值为材料在低氮胁迫下用综合指标评价所得的耐低氮综合评价值。U(Xi)表示第i个指标的隶属函数值

间接选择的相对效率(CRy/Ry)按以下公式计算:

CRy/Ry=(ix/iy)·rg·(Hx/Hy)

(5)

式中：ix、iy分别为性状x、y的选择强度；rg为性状x、y的遗传相关系数；Hx、Hy为性状x、y的遗传力的平方根[8,14]。CRy为通过选择x性状而使y性状产生的选择响应，Ry为对y性状直接的选择响应。遗传相关系数的一个重要用途是在育种工作中对性状进行间接选择[15]。假定同时存在两个性状x和y，若两者间存在遗传相关，当选择x性状时，y性状也会产生一定的影响。一般来说，这种通过选择x性状而使y性状产生选择响应称为相关响应。若2个性状的选择强度相同，其中一个性状能够同时满足性状遗传力高和遗传相关系数大的优点，那么这时进行间接选择的效果会更好[16]。

运用软件 Excel 2010、IBM SPSS Statistics 23.0和DPS 7.05进行生物统计与方差分析，并在此基础上进行主成分分析、聚类分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平下小麦苗期氮效率相关性状的基因型差异

由表3可见，除RSR、SPAD、RNC、SNC、RNA、SNA、PNA、RNUE、SNUE和PNUE 10个性状外，其他性状在基因型之间的差异均达显著或极显著水平；所有性状在2种氮肥水平之间的差异均达到极显著水平。23个氮效率相关性状的范围、平均值和变异系数在2种氮素水平下都存在较大差异，且随着氮肥施用量的增加，除RSR、RNUE、SNUE和PNUE之外，其他各性状指标值随之增加。例如，低氮条件下根氮素含量为4.19～16.06 mg/g，平均值为 8.56 mg/g，而正常氮条件下则为9.11～26.58 mg/g，平均值为15.76 mg/g。此外，TN在两种氮肥条件下变异系数都是最高的，其中正常供氮变异系数为44.12%，低氮胁迫下为78.48%；另外，在2 种氮肥水平下，除LW、SPAD和SNUE外，其他性状指标基因型间的变异系数均>15%。可见，这些性状在品种之间差异比较大。

2.2 不同品种小麦苗期耐低氮能力的综合分析

对上述20个氮效率相关性状指标(CV>15%)的耐低氮指数进行Bartlett球形检验，卡方值为1 087.514，P值等于0.000 1<0.001，达到0.1%极显著水平，表明各性状间具有较高相关性，因此本试验数据满足主成分分析的条件。主成分分析能够有效并全面地反映出小麦苗期各性状间起主导作用的指标，同时还可以综合评价小麦苗期耐低氮能力。以特征根大于1作为划分标准，对上述23个氮效率相关性状指标的耐低氮指数进行因子分析(表4)。将23个指标转换成5个相互独立的综合指标，其累计贡献率为90.311%，已基本包含了参试材料的大部分信息，能够较好地反映整体状况。

表3 两种氮素水平下小麦苗期氮效率相关性状的基因型差异

注：**表示达1%显著水平，*表示达5%显著水平。下同。

Note：** indicates the significance at 1% level.* indicates the significance at 5% level.The same below.

由表4可以看出，第一主成分中RPH、RRL、RTN、RLW、RLA、RSFW、RPFW、RSDW、RPDW、RRNA、RSNA和RPNA 12个性状对其影响较大，对应的特征值为10.794，贡献率为46.931%；第二主成分中RLL、RRFW、RRDW和RRSR 4个性状对其影响较大，对应的特征值为4.301，贡献率为18.699%；第三主成分中RSNC、RSNUE和RPNUE 3个性状对其影响较大，对应的特征值为2.744，贡献率为11.931%；第四主成分中RRNC和RRNUE 2个性状对其影响较大，对应的特征值为1.731，贡献率为7.527%；第五主成分中RRN和RSPAD 2个性状对其影响较大，对应的特征值为1.202，方差贡献率为5.224%。

表4 小麦苗期氮效率相关性状的主成分分析

根据各主成分的因子值及各指标的耐低氮指数，得出各主成分(即公因子)的得分值C(x)。然后根据公因子得分值，由式(2)计算出每个基因型的隶属函数值U(x)，再根据各主成分贡献率的大小，由式(3)得出各因子的权重。5个公因子的权重分别为0.516、0.214、0.127、0.085和0.058；利用式(4)计算出每个基因型的耐低氮性综合评价值(D)，D值越大表明其耐低氮能力越强(表5)。

利用D值数据，采用组间联接法，以欧氏距离对24份小麦基因型的综合评价值进行系统聚类分析，结果见图1。在欧氏距离为15时，将参试的24份小麦品种聚成3类，即耐低氮型、中间型和低氮敏感型。耐低氮型有5个品种(约20.83%)，其中长武89(1)3-4综合评价值(D)最高，达到0.708，其次为安85中124-1、单R8093、平阳348和昌乐5号，属耐低氮相对较好的品种；低氮敏感型有6个品种(25%)，旱选12综合评价值最低，为0.159，其次为白齐麦、烟农19号、陕225-9、晋麦33和中大91-品9，属耐低氮相对较差的品种；而其余的品种属于中间型(约54.17%)。

表5 24份小麦品种公因子得分值C(x)、隶属函数U(x)和综合评价值D

图1 24份不同基因型小麦D值的聚类分析

2.3 小麦苗期氮效率主要性状与综合评价值的相关性分析

从表6可以看出，低氮胁迫条件下TN、LW、RFW、SFW、PFW、SNA、PNA与耐低氮性综合评价值(D)之间的遗传相关及表型相关均达到显著或极显著水平，但表型相关性更强(除TN和SNU)。其中TN、LW、RFW、SFW、PFW、SNA、PNA与综合评价值的环境相关性较大，均达到显著或极显著水平；而其余的性状受环境的影响较小，均未达到显著水平。正常氮处理下PH、RL、LA、SDW、PDW、RNC、RNA、SNA、PNA与耐低氮性综合评价值(D)之间的遗传相关及表型相关均达到显著或极显著水平，但遗传相关性更强。其中LA和SDW与综合评价值的环境相关性较大，均达到显著或极显著水平，而其余的性状受环境的影响较小，均没达到显著水平。可见，在不同供氮水平下，各性状变异程度也随之改变。

表6 小麦苗期氮效率主要性状与综合评价值的相关性分析

表6(续)

2.4 遗传相关系数和遗传力的联合分析

从表7可以看出，低氮胁迫下选择LW、RFW和PFW等指标性状可以对小麦耐低氮性的选择取得较好的效果；而正常供氮条件下可以选择LA、PDW和RNA等性状，这些性状对小麦苗期耐低氮性的选择效率较高，选择这些性状才能取得较好的效果。

表7 小麦苗期氮效率主要性状对耐低氮性选择的相对效率

3 讨 论

3.1 耐低氮型小麦品种的筛选

选育耐低氮型品种是提高作物氮肥利用率、促进土壤缺氮地区农业生产的有效途径。研究表明，低氮胁迫环境可导致植株形态学参数和生理生化参数改变[17-18]。例如，低氮胁迫下，植株地上部生长受抑制程度大于根部，植株氮积累量降低、氮利用效率明显升高等[19-20]。本研究发现低氮胁迫在一定程度上抑制了小麦幼苗地上部及植株整体的生长，但促进了根长、根冠比、根氮素利用效率、茎叶氮素利用效率和植株氮素利用效率。可见小麦幼苗会通过加强根系生长、根冠比及提高体内氮素利用效率等适应机制来应对低氮胁迫对其造成的影响，这与前人研究结果基本一致。小麦苗期氮素的高吸收率虽不能等同于小麦在整个生育期的氮高利用率，只能说明其具有潜在的氮高效利用能力[6]。李淑文等[20]研究指出，较强的氮素吸收能力和较好的植株生长特性是氮高效小麦品种获得高氮效率的生物学基础。裴雪霞等[7]研究结果表明，小麦生长发育前期氮素吸收量对小麦生长发育起关键作用。因此小麦苗期的氮素吸收对成熟期籽粒产量的形成有重要影响。然而，评价指标是筛选耐低氮小麦品种的前提条件，裴雪霞等[7]认为小麦苗期相对植株干重值可作为耐低氮小麦品种的评价指标，本研究按照此方法，发现耐低氮型品种包括长武89(1)3-4和安85中124-1；中间型包括长6878、白齐麦和旱选12等7个品种；其他15个品种属于低氮敏感型。李丹丹等[5]将植株氮积累量和地上干重的耐低氮性指数作为小麦苗期氮效率评价指标，本研究依据其方法，将昌乐5号、旱选3号和沧州小麦等7个品种分为耐低氮型；将白齐麦、旱选12和晋麦33归为中间型；其他14个品种属于低氮敏感型。可以看出，即使同样的试验材料，依据不同氮高效评价指标进行分析其结果不尽相同。为解决这一问题，有学者提出综合评价指标[6]，此方法已得到广泛应用，如棉花钾[21]高效品种筛选和水稻[22]、烟草[23]氮高效品种筛选。其能够克服单一指标评价的缺点，增加了评价的全面性和准确性[24]。因此，本研究采用综合评价值(D值)进行聚类分析，将24个小麦品种分为三类：耐低氮型、中间型和低氮敏感型。

3.2 小麦氮效率主要性状与耐低氮性综合评价值的相关性

小麦育种中，通常要对多个性状进行选择，但是由于性状间常存在不同程度相关性，选择一个性状就会涉及到其他性状。因此，借助性状间的相关性进行间接选择是一条有效途径。但人们一般只注重表型相关系数，而忽略了环境对性状表达的影响相关，所得到的结果通常不能真实反映性状间的关系，因此，在研究中经常将表型相关分解为2个方面：遗传相关和环境相关。有研究认为，遗传相关比表型相关更适合用作选择标准的性状值[25]。但可靠的表型相关评价方法必须同时考虑遗传和环境的互作。小麦不同品种间性状均达到显著水平，这与其他研究者的研究结果基本一致[4,20,26-28]。本研究表明，在低氮胁迫条件下TN、LW、RFW、SFW、PFW、SNA、PNA与耐低氮性综合评价值(D)之间的遗传相关及表型相关均达到显著或极显著水平，但表型相关性更强(除TN和SNA)。说明小麦耐低氮性与上述性状间除受遗传性影响外，环境也起了一定的作用；正常氮处理下PH、RL、LA、SDW、PDW、RNC、RNA、SNA、PNA与耐低氮性综合评价值(D)之间的遗传相关及表型相关均达到显著或极显著水平，但遗传相关性更强。说明小麦耐低氮性与上述性状间有很好的遗传相关关系。因此，这些有显著表型相关，容易识别、方便测量的指标性状在今后的小麦耐低氮性选择中提供一定的参考依据。

3.3 小麦苗期氮效率相关性状的遗传力及耐低氮性选择策略

遗传力所反映的是亲代性状遗传给子代的一种能力，是评价亲本不同性状优劣的主要指标[29]。Falconer等[15]指出，把一个性状用作选择的间接标准必须满足 2 个条件：第一，该性状的遗传力必须足够高；第二，性状间的遗传相关性也必须足够高。因此，在耐低氮性育种实践中，综合考虑氮效率相关性状与综合评价值的遗传相关性和性状的遗传力是获得理想选择效果的关键。本研究基于上述两个条件，确定低氮胁迫下选择TN、LW和RFW等性状；正常供氮条件下选择LA、PDW和RNA等氮效率主要性状可以提高小麦耐低氮性的选择效率，作为后期耐低氮性育种中重点考察的性状。

4 结 论

通过综合评价值，初步筛选出5个耐低氮品种：长武89(1)3-4、安85中124-1、单R8093、平阳348和昌乐5号，这些品种可作为耐低氮育种的亲本材料；氮效率相关性状与耐低氮性综合评价值之间均存在显著或极显著的遗传相关；联合有关性状的遗传相关系数和遗传力进行综合分析，低氮胁迫下选择LW、RFW和PFW等性状；而正常供氮条件下可以选择LA、PDW和RNA等性状，这些性状可以作为后期耐低氮性小麦育种中重点选择性状。