结缕草属植物水分利用效率与地上部形态特征的关系分析

胡化广 张振铭 季芳芳 刘建秀

摘  要  在对结缕草属植物水分利用效率（WUE）评价的基础上，选取其代表种源为试验材料，对其中的11个性状（叶长，叶宽，叶面积，近轴面叶毛密度，远轴面叶毛密度，节间长度，节间直径，生殖枝高度，花序长度，花序柄长度，小穗数）进行了测定，采用简单相关分析、多元线性回归分析、多元逐步回归分析、主成分分析以及通径分析，综合分析了结缕草属植物水分利用效率与其地上部11个形状的关系，为结缕草属植物的高水分利用效率种源筛选提供简单可行的形态标记。结果表明：叶长、叶宽、近轴面叶毛密度和叶面积是与结缕草属植物水分利用效率显著相关的形态指标，而其他形态特征对水分利用效率影响较小。基于统计分析的结果，主成分分析是最适合用于确定水分利用效率与形态特征关系的分析方法。叶片长度、宽度，叶面积和近轴面叶毛密度可以作为高水分利用效率结缕草种源的形态特征。

关键词  结缕草水分利用效率;地上部形态;关系分析

中图分类号  S688.4          文献标识码  A

Relationships Between Water Use Efficiency and

Aboveground Morphological Traits of Zoysia Willd.

HU Huaguang1，ZHANG Zhenming1，JI Fangfang1，LIU Jianxiu2*

1  College of Ocean and Bioengineering，Yancheng Teachers University，Yancheng，Jiangsu 224051，China

2  Institute of Botany， Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences， Nanjing

Botanical Garden，Nanjing，Jiangsu 210014，China

Abstract  On the basis of the evaluation on water use efficiency（WUE） of Zoysia Willd.，representative accessions were selected as the test materials to measure eleven traits（leaf length，leaf width，leaf area，adaxial leaf hair density，abaxial leaf hair density，internode length and diameter，reproductive branch length，inflorescence length，peduncle length，spikelet number）. Five analysis methods，including simple correlation analysis，multiple linear regression analysis，stepwise regression analysis，principal component analysis and path analysis were used to analyze the relationships between aboveground morphological traits and WUE of Zoysia Willd.，which could provide simple and feasible morphological markers for accessions choice WUE of Zoysia Willd. The results showed that leaf length，leaf width，leaf area and adaxial leaf hair density were related significantly to WUE of Zoysia Willd.，but other morphological traits were not related significantly to WUE of Zoysia Willd. Based on the results of statistical analyses，principal component analysis was the most suitable method to ascertain the relationships between WUE of Zoysia Willd. and morphological traits. Leaf length，leaf width，leaf area and adaxial leaf hair density could be morphological traits of high WUE of Zoysia Willd..

Key words  WUE of Zoysia Willd.;Aboveground morphological traits;Relationship analysis

doi  10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.013

水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）是植物对水分吸收利用过程效率的一个生理性状，可分为瞬间水分利用效率和长期水分利用效率[1]。瞬间水分利用效率是指光合速率与蒸腾速率的比值，用光合测定仪测定植物叶片光合速率和蒸腾速率后即能算出瞬间水分利用效率;而长期水分利用效率是指在一段时间内作物消耗单位水分（耗水量）所生产的同化物质（干物质）的量，在对大批资源进行评价时要花费较长的时间，消耗大量的人力和物力，过程较为繁琐。

关于水分利用效率与形态特征的关系已有很多研究，研究表明小麦整株水平的WUE与根干重、根长和根冠比均呈显著线性负相关关系[2]。于晓芳等[3]的研究表明，在中度干旱胁迫下玉米叶片的水分利用效率与其穗位高、雄穗分枝数、单穗粒重、穗粒数和穗行数呈正相关。幕自新等[4]研究表明玉米根系形态性状（总根长、根系表面积和根系干物质重）与植物整体水分利用效率具有显著或极显著的相关性。羊草的水分利用效率和羊草叶片的气孔密度有关，并且羊草气孔数量的增多，会使其水分利用效率提高[5]。Malse等[6]研究发现，小麦比叶重与叶片WUE呈正相关，与碳同位素分辨率呈负相关关系;Rao等[7]研究发现，花生比叶重与叶片WUE成正比例关系。比叶重有望成为测定植物水分利用效率的一个替代方法。结缕草是起源于中国的优良暖季型草坪草，中国境内有5个种，2个变种，主要分布于中国东部沿海地区。结缕草因具有较强的耐旱、耐盐碱、耐践踏、耐瘠等诸多的优点而在中国热带和过渡带被广泛应用。但是到目前为止还未见关于结缕草水分利用效率与地上部形态特征关系的研究。

本研究在对中国结缕草属植物长期水分利用效率评价的基础上，选取15份代表种源，对其地上部11个形态特征进行了观测，采用简单相关分析、多元线性回归分析、多元逐步回归分析、主成分分析以及通径分析5种分析方法，分析了结缕草的水分利用效率和地上部形态特征的关系，以期为结缕草水分利用效率种源评价、高水分利用效率种源筛选以及基因定位提供简单的形态标记。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  试验地概况   试验在江苏省中国科学院植物研究所（南京中山植物园）进行。该所（园）位于南京市紫金山南麓（北纬32°01′，东经118°48′），海拔55 m，属亚热带季风温暖湿润气候，四季分明，年均降水量1 013 mm，年均气温15.4 ℃，年最高气温是40.7 ℃，年最低气温为-14.0 ℃。

1.1.2  试验材料选择   根据2012年对54份中国结缕草属植物长期水分利用效率评价的结果[8]，依据各种源水分利用效率的大小，从结缕草资源圃选择有代表性的15份结缕草，其中5份为高水分利用效率种源，5份为中水分利用效率种源，5份为低水分利用效率种源，各类型种源水分利用效率之间有显著差异，各类型内种源水分利用效率间无显著差异，材料来源见表1。

1.2  方法

1.2.1  种植管理   取待试材料草皮块种植于高40 cm、直径为10 cm的PVC管中，管底部设有圆孔以便排水，栽培基质河沙与草炭体积比为 2 ∶ 1，试验随机区组设计，每份材料4次重复。在田间培养一个月，待各材料的盖度均达到100%后移入温室，地面铺有5 cm厚的砖块与地表隔绝，除施肥浇水外，不做其他处理。

1.2.2  测定方法   （1）水分利用效率（WUE）的测定。试验开始时对每管材料进行修剪，使其保持3 cm的高度，将修剪下来的叶片移出管外;修剪结束后给每管材料施用0.5 g的氮磷钾（N-P2O5-K2O，24-8-16）复合肥（液体），整个试验过程中不再施肥，施肥后充分浇水;待管内水分完全下渗后，用上海民桥精密仪器公司生产的SL-15-2型电子天平对每管进行称重，3 d后在同一时间段进行第二次称重，2次重量差为这3 d的耗水量，称重结束后恢复浇水，待水分完全下渗后，进入下一个测量周期，反复进行10个周期;第10个周期结束后对每管材料再次进行修剪，保持3 cm的高度，将修剪下来的叶片置于烘箱中以70 ℃烘干72 h，然后称干重，用干重除以10个周期的耗水总量即为每管的水分利用效率。

（2）地上部形态特征的测量。在进行水分利用效率测定的同时，对试验种源的7个叶片性状和4个生殖性状进行观测。叶片性状包括叶长（cm）、叶宽（cm）、 叶面积（cm2）、 近轴面叶毛密度、 远轴面叶毛密度、 匍匐茎节间长度（cm）、 匍匐茎节间直径（mm）， 其中叶面积采用肖强等[9]的测定方法;叶毛密度采用五级制， 即无毛（1）、 极稀（2）、 稀（3）、 密（4）、 极密（5）。生殖性状包括生殖枝高度（cm）， 花序长度（cm）， 花序柄长度（cm）， 小穗数（个）。以上各性状均重复测10次，取其平均值。

1.3  数据处理

采用SPSS（Version 20.0）对数据进行处理和分析。

2  结果与分析

2.1  结缕草属植物水分利用效率与形态特征的简单相关分析

由表2可知，结缕草属植物的水分利用效率与叶长和叶面积均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.922**和-0.990**，与叶宽和近轴面叶毛密度呈极显著正相关，相关系数分别为0.885**和0.937**，而与其他性状无显著相关性。表明在叶长、叶宽之和相同的情况下，叶长越短，叶片越宽，叶面积越小，近轴面叶毛越密，结缕草的水分利用效率就越高。

2.2  结缕草属植物的水分利用效率与形态特征的多元线性回归分析

结缕草属植物的WUE与其形态特征的多元线性回归的分析见表3。由表3可知，结缕草属植物WUE的预测方程可用各形态指标表示为：

Y（WUE）=-0.038+0.027X1+0.438X2-0.085X3+0.054X4+0.004X5+0.008X6-0.03X7+0.008X8-0.009X9-0.009X10+0.000 013X11

校正后的回归系数adjR2=0.99，较接近于1，因此认为方程的拟合度比较高，99.00%的水分利用效率可以由该方程解释，另外1.00%可能是受其他形态特征的影响。

2.3  结缕草属植物的水分利用效率与形态特征的多元逐步回归分析

结缕草属植物WUE与其形态特征的多元逐步线性分析见表4、表5，其他形态特征和水分利用效率相关性不显著的变量不包括在其中。由表4可知，调整的R2为结缕草属植物形态特征组分变量的概率，这些变量是X1（98.6%）、X2（99.4%）、X3（97.8%）、X4（98.4%），根据表2的分析结果，结缕草属植物的WUE是与这4个变量显著相关的。根据表5可知，结缕草属植物的WUE（Y）的预测方程可表示为：Y（WUE）=-0.039+0.027X1+0.438X2-0.085X3+0.054X4，97.4%的水分利用效率可以被该方程解释。

2.4  结缕草属植物的水分利用效率与地上部形态特征的主成分分析

结缕草属植物的WUE与其形态的主成分分析见表6。由表6的数据可知，随着成分的增加，特征值在减少，前4个主成分的累积贡献率基本达到了87.702%，一般来讲已满足结缕草属植物的WUE与形态特征的主成分分析的需要。在所有变量中X1的贡献率为39.123%，X2的贡献率为25.482%，X3贡献率为13.611%，X4贡献率为9.486%。因此，X1、X2、X3、X4是结缕草属植物水分利用效率的重要制约因素。

2.5  结缕草属植物的水分利用效率与地上部形态特征的通径分析

通径分析是线性回归模型的延伸，是用来揭示多个变量之间多层因果关系及其相关强度的方法。通过SPSS软件对数据进行多重线性回归分析计算，计算结果给出的线性回归方程的标准化系数即通径系数，间接通径系数就是将标准化系数与相关系数相乘[10]。

结缕草属植物的WUE与其生理特征的通径分析见表7，由表7可知，X1对结缕草水分利用效率有最大的直接正效应（0.811），而X3对结缕草水分利用效率有最大的直接负作用。通过分析间接通径系数可知，X2、X3和X4对结缕草属植物水分利用效率产生间接正作用，而X1（叶长）对水分利用效率产生间接负作用，其他性状对水分利用效率的直接影响和间接影响均较小。因此叶长、叶宽、叶面积和近轴面叶毛密度是影响结缕草水分利用效率的重要形态特征。

3  讨论与结论

叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的主要器官，关于叶片大小对单叶WUE 的影响结论不一。Stanhill[11]认为叶片大小对单叶WUE影响较小;但Austin等[12]研究发现小麦叶片大小与气孔密度呈负相关，小叶品种有较大的气孔密度，这会降低小叶品种的单叶WUE。Morgan等[13]在小麦上的研究也证实叶片大小与单位叶面积光合速率呈负相关，而对叶片气孔导度几乎没有影响，因而与单叶WUE也呈负相关。本研究结果支持Austin等[12]和Morgan等[13]的结论。生殖性状是植物储存光合产物的主要器官，于晓芳等[3]在研究玉米水分利用效率与生殖性状的关系时发现，玉米的水分利用效率与穗粒数呈显著的正相关，本研究结果与其不一致，可能是不同植物的生殖性状与水分利用效率的关系不同，这有待于进一步研究。

植物的水分利用效率是一个受多因素影响的、复杂的数量性状，不仅受环境和自身遗传物质的影响，而且还与一系列的生理生化特征和形态特征关系密切[14]。植物的形态特征与水分利用效率的关系十分复杂，而且不同形态指标间会相互影响，所以在进行植物水分利用效率与形态特征的关系研究时，不能只用单一指标或者简单地综合几个指标来反映水分利用效率的大小，应该在多指标测定基础上对其进行综合性分析评价[15]。本研究综合运用简单相关分析、多元线性回归分析、多元逐步回归分析、主成分分析以及通径分析，分析了结缕草属植物水分利用效率与其地上部11个形态特征的关系，研究发现，结缕草属植物的水分利用效率与叶长和叶面积均呈极显著的负相关，与叶宽和近轴面叶毛密度均呈极显著正相关，而与其他性状无显著相关性。5种分析方法显示叶长、叶面积、叶宽和近轴面叶毛密度对结缕草属植物的水分利用效率有显著的影响，而其他的指标影响非常小。比较5种分析方法可知，主成分分析是一种最适合用于分析结缕草水分利用效率与形态特征关系的综合而精确的分析方法。本研究通过5种分析方法筛选出的叶长、叶宽、叶面积和近轴面叶毛密度可以作为结缕草属植物高水分利用效率的代表性状，可用于结缕草高水分利用效率种源筛选、品种选育和进一步的基因定位研究。

参考文献

[1]胡化广， 张振铭， 吴生才， 等. 植物水分利用效率及其机理研究进展[J]. 节水灌溉， 2013（3）： 11-15.

[2] 张岁岐， 山  仑， 邓西平. 小麦进化中水分利用效率的变化及其与根系生长的关系[J]. 科学通报， 2002， 47（17）： 1 327-1 331.

[3]于晓芳， 高聚林， 宋国栋， 等. 玉米叶片水分利用效率及其相关性状的研究[J]. 玉米科学， 2008， 16（3）： 64-69.

[4]慕自新， 张岁岐， 韩文芳， 等. 玉米根系形态性状和空间分布对水分利用效率的调控[J]. 生态学报， 2005， 25（11）： 2 895-2 900.

[5]杨利民， 韩  梅， 周广胜， 等. 中国东北样带关键种羊草水分利用效率与气孔密度[J]. 生态学报， 2007， 27（11）： 16-24.

[6] Masle J， Farquhar G D. Effects of soil strength on the relation of water use efficiency and growth to carbon isotope discrimination in wheat seedlings[J].  Plant Physiol， 1988（83）： 32-38.

[7] Rao N R C， Wright G C. Stability of the relationship between specific leaf area and carbon isotope discrimination across environment in peanut[J]. Crop Sci， 1994（34）： 98-103.

[8] 胡化广， 张振铭，季芳芳， 等. 中国结缕草属植物种质资源水分利用效率变异分析[J]. 中国草地学报， 2015， 1（37）： 45-50.

[9]肖  强， 叶文景， 朱  珠， 等. 利用数码相机和Photoshop软件非破坏性测定叶面积的简便方法[J]. 生态学杂志， 2005， 24（6）： 711-714.

[10] 罗凤明， 邱劲彪， 李明华， 等. 如何使用统计软件SPSS进行回归分析[J]. 电脑知识与技术， 2008（1）： 293-294.

[11] Stanhill G. Water use efficiency[J]. Advances in Agronomy， 1986（39）： 53-85.

[12] Austin R B， Morgan C L， Ford M A. Flag leaf photosynthesis of Triticum aestivum and related diploid and tetraploid species[J]. Ann Bot， 1982（49）： 177-189.

[13] Morgan J A ， Lecain D R. Leaf gas exchange and related leaf traits among 15 winter wheat genotypes[J]. Crop Sci， 1991（31）： 443-448.

[14]朱  林， 许  兴. 植物水分利用效率的影响因子研究综述[J]. 干旱地区农业研究， 2005， 23（6）： 204-208.

[15] Wu X L， Bao W K. Statistical analysis of leaf water use efficiency and physiology traits of winter wheat under drought condition[J]. Journal of Integrative Agriculture， 2012， 11（1）： 82-89.