酸胁迫下玉米基因型生物学性状的主成分分析

章爱群，郭海如，斯琴朝克图，崔雪梅，李春生

(1.湖北工程学院生命科学技术学院，湖北孝感 432000； 2.湖北工程学院计算机与信息科学学院，湖北孝感 432000)

土壤酸化严重危害植物的生长，酸性土壤中低磷和铝毒因素限制农业生产已成为世界范围内的普遍问题[1]。资料表明，全世界13.2亿hm2耕地中，有40%～50%呈酸性[2]。我国酸性土壤的面积约为200万km2，占全国总面积的21%左右[3]，根据2005—2011年测土配方施肥土壤测定数据表明，我国土壤pH值 5.5 以下的耕地面积高达 1 506.67万hm2[3]。酸雨、酸性沉降物和不当施肥亦将不断增加我国土壤酸化面积和酸化程度[4]。开发和利用酸性土壤是可持续发展的必然选择，研究作物的遗传潜力选育耐酸作物品种，是有效解决此问题的方法之一。

玉米是世界第三大粮食作物，在我国栽培分布地域广泛。该作物在酸性土壤中受铝毒和低磷胁迫影响较大，因为吐丝期延迟，穗位高下降，穗数减少，导致产量大幅下降[5-8]。耐酸玉米种质资源是新品种选育和遗传改良的重要物质基础，需要对种质资源的耐酸性状进行详细的研究和分析。不同玉米基因型在各生育阶段呈现出不同的耐酸机制[9-10]，铝毒和低磷胁迫在玉米生长早期影响养分吸收和新生组织的形成与代谢，生育后期营养的供应状况更是玉米产量保证的主要因素，故散粉期生长状况直接影响玉米的产量[5]，选择此阶段耐酸能力强的玉米种质资源有利于培育酸性土壤上高产的玉米品种。另由于本盆栽试验土壤容积有限，不足以保证玉米结实需求，且每盆栽培玉米株数受限，会产生较大籽粒产量误差，故选择研究散粉期玉米生物学性状分析比较各指标的耐酸指数既可以提供基因型间耐酸能力的直观表型信息，还可以作为玉米高产的物质参考。

本研究选用5个玉米基因型，研究pH值为6.8、4.9、4.6的3种土壤对散粉期玉米穗位高、茎粗、株高、地上部鲜质量、雄花分枝数、花序长度、雄穗长度、穗位叶长度等12个指标的影响，比较不同玉米基因型植株对酸胁迫土壤的反应差异，并对一系列形态学指标进行主成分分析，确定累积贡献率达95%的前5个特征值，然后对试验玉米基因型进行耐酸能力排名，以期为耐酸玉米育种亲本选配和优化后代选择效果提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用5个玉米基因型TL94B、多黄、HZ118、S7913、HZ109种子，由华中农业大学玉米室及中国农业大学玉米研究中心提供。

1.2 试验设计

试验采用土培法研究，栽培时间为5—10月，试验地点为华中农业大学资源与环境学院盆栽场，镀釉米氏钵每钵装土6.0 kg。供试土壤采用第四纪红色黏土发育的黄棕壤，分别取自阳新、咸宁和武昌狮子山，pH值分别为4.6、4.9、6.8(土 ∶水=1 ∶1)，各处理重复5次。氮肥(N)用量为 1.8 g/钵，磷肥(P)用量为1.2 g/钵，钾肥(K)用量为 1.8 g/钵，以尿素、NaH2PO4·2H2O、KCl配成溶液提前3 d浇入土壤。将供试玉米种子消毒，浸泡48 h吸涨后均匀播入装有河沙的塑料盒，含水量18%，移至28 ℃恒温生化培养箱中催芽，1周后挑选生长一致的幼苗移植到钵中，每钵4粒，覆少量土。3叶期间苗，留1株，1个月后每钵追施N、P、K肥 0.6 g/钵，2个月后追施N肥0.6 g/钵。试验在湖北工程学院多功能温室中进行，培养期间进行水分和病虫害管理。散粉期调查5个玉米基因型在3种pH值土壤处理下5个重复植株的生物学性状，包括穗位高、茎粗、株高、地上部鲜质量和干质量、雄花分枝数、花序长度、雄穗长度、穗位叶长度和宽度、穗位叶面积、功能叶干质量[5]等指标。

阳新土：铝饱和度48.2%，有效钾含量265.0 mg/kg，速效磷含量37.2 mg/kg，交换性Ca含量54.4 mg/kg，交换性Mg含量 29.6 mg/kg，有效Cu含量1.1 mg/kg；咸宁土：铝饱和度46.5%，有效钾含量45.7 mg/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，交换性Ca含量306.3 mg/kg，交换性Mg含量 57.6 mg/kg，有效Cu含量0.2 mg/kg；狮子山土：铝饱和度1.1%，有效钾含量91.5 mg/kg，速效磷含量15.8 mg/kg，交换性Ca含量 1 116.0 mg/kg，交换性Mg含量209.8 mg/kg，有效Cu含量1.9 mg/kg。

1.3 数据处理与方法

耐酸指数反映不同玉米自交系对酸性土壤的适应程度，计算公式为：耐酸指数=酸性土壤胁迫下测定值/中性土壤测定值。所有数据均为5次重复的平均值，在Matlab环境下采用主成分分析法[11]处理。

2 结果与分析

2.1 酸胁迫下不同玉米基因型的生长状况

从表1可以看出，酸性土壤阻碍玉米根系对养分的吸收，进而影响植株的生物学性状，但各指标受酸胁迫影响的程度差异较大。不同玉米基因型散粉期性状的t检验表明，在pH值4.9、4.6的土壤中，穗位高、茎粗、株高、地上部鲜质量和干质量、雄花分枝数、花序长度、雄穗长度、穗位叶长度和宽度、穗位叶面积、功能叶干质量测定值低于pH值6.8的土壤处理。茎粗、鲜质量、总干质量和功能叶干质量受抑制程度随酸度水平增加而增加，pH值4.9、4.6处理中，测定值显著下降。基因型多黄受酸胁迫毒害较轻，在pH值4.9的土壤中甚至表现出刺激生长现象，与pH值6.8的土壤中生长状况基本一致，但在强酸性(pH值4.6)土壤中部分指标依然表现出受害严重。说明酸性土壤胁迫下不同基因型玉米植株的生物学性状受害程度不同，基因型间的耐受能力也存在差异。

表1 酸胁迫对散粉期不同玉米基因型主要生物学性状的影响(n=5)

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。EH为穗位高；SD为茎粗；PH为株高；FW为鲜质量；SFBN为雄花分枝数；IL为花序长度；MEL为雄穗长度；ELL为穗位叶长；ELW为穗位叶宽；FLDW为功能叶干质量；ELA为穗位叶面积；TDW为总干质量。表2同。

从表2可以看出，酸性土壤对玉米基因型散粉期各生物学性状造成一定程度的不利影响，随着土壤pH值的降低，供试材料的耐酸指数总体呈下降趋势，比较供试玉米基因型生物学性状的耐酸指数发现，玉米穗位高、株高、雄花分枝数、花序长度、雄穗长度、穗位叶长、穗位叶宽、穗位叶面积的耐酸指数均大于0.9，受酸胁迫影响较小；相对而言，茎粗、鲜质量、功能叶干质量、总干质量受酸胁迫影响较大，其耐酸指数均较低，且同一基因型不同性状的耐酸指数或同一性状不同基因型的耐酸指数均有较大变化。比较各性状的变异系数，随着处理土壤pH值由4.9下降到4.6，玉米基因型各性状的变异系数普遍存在增加的趋势，说明酸胁迫加大了基因型间相应的差异。对pH值4.9酸性土壤表现敏感的性状为鲜质量>雄花分枝数>穗位高>总干质量>功能叶干质量，pH值4.6酸性土壤变异系数较大的性状为鲜质量>功能叶干质量>总干质量>穗位叶面积>雄花分枝数，说明酸胁迫下各性状的敏感程度存在差异。

表2 酸胁迫下5个玉米基因型散粉期的耐酸指数统计(n=5)

2.2 主成分分析酸胁迫对不同基因型玉米生长发育的影响

在Matlab环境下编写程序，采用zscore对表1中的数据进行标准化，并且采用corrcoef函数求出标准化后的相关系数矩阵(表3)。其中，x1～x12分别表示穗位高、茎粗、株高、鲜质量、雄花分枝数、花序长度、雄穗长度、穗位叶长、穗位叶宽、功能叶干质量、穗位叶面积、总干质量。从相关系数矩阵的值可以看出，x3、x8、x11相关性很强，x4、x12相关性很强，x4、x7表现出比较强的负相关性，x1、x5、x10与其他指标的相关性一般，x2除与x7相关性很低之外，与其他指标相关性一般。

采用pcacov函数计算表3中相关系数矩阵的特征值、方差贡献率和累积贡献率。从表4可以看出，前5个成分的累计贡献率达到96.405 59%，浓缩了原数据的大部分信息，因此提取前5个成分作为分析不同pH值酸性土壤胁迫下各指标的特征。

表3 玉米生长发育性状指标的相关系数矩阵

表4 各成分的特征值、贡献率和累计贡献率

前5个特征根对应的特征向量如表5所示，第1主成分主要反映对植株功能叶干质量和穗位叶面积的影响，第2主成分主要反映雄穗长度，第3主成分主要反映雄花分枝数和花序长度，第4主成分主要反映花序长度，第5主成分主要反映穗位高，分别以5个主成分的贡献率为权重，构建主成分综合模型表达式如下：

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值酸性土壤处理下的5个主成分值代入上式，以各自的贡献率为权数进行加权求和，求出不同酸胁迫下各指标的综合排名。从表6中可以看出，相同玉米基因型3个pH值土壤处理下，植株在pH值6.8的土壤中生长状况多优于pH值4.9、4.6土壤处理，排名靠前，但不同基因型间差异较大。基因型HZ109 3个处理的排名为1、2、3，差异较小，多黄的各指标综合排名为15、10、11，甚至表现出酸胁迫刺激生长的趋势，HZ118、S7913的排名情况分别为5、13、9和4、7、14，表明酸胁迫对各生物学性状的影响较其他基因型严重，耐酸胁迫能力差，基因型间存在耐酸能力差异。

3 讨论与结论

本试验主要从生物学性状的形态学机制研究玉米不同基因型在散粉期对土壤酸胁迫表现出的反应特征。结果表明，不同pH值土壤处理下玉米各生物学性状测定值差异多达显著水平。茎粗、鲜质量、总干质量和功能叶干质量受酸胁迫影响较大，pH值4.9、4.6处理中，测定值均显著下降。基因型多黄在pH值4.9的土壤中与pH值6.8的土壤中生长状况基本一致，长势良好。比较各基因型生物学性状的耐酸指数发现，玉米穗位高、株高、雄花分枝数、花序长度、雄穗长度、穗位叶长、穗位叶宽、穗位叶面积的耐酸指数平均值受酸胁迫影响较小；茎粗、鲜质量、功能叶干质量、总干质量的耐酸指数平均值较低。随着处理土壤pH值下降，各性状变异系数增加，说明基因型间的差异变大且各性状的敏感程度存在差异。

表5 5个主成分对应的特征向量

表6 不同酸胁迫处理下各指标综合排名

编写程序利用相关系数矩阵分析12个指标间的相关性，发现株高、穗位叶长、穗位叶面积3指标相关性很强，鲜质量和总干质量相关性很强，鲜质量和雄穗长度则表现出较强的负相关性。利用主成分分析所测定的指标发现，前5个主成分分别反映处理对植株功能叶干质量、穗位叶面积、雄穗长度、雄花分枝数、花序长度、花序长度、穗位高的影响，5个主成分的累计贡献率达到96.405 59%，可以提取作为分析不同pH值酸性土壤胁迫下各指标的特征。进一步构建主成分综合模型，计算出不同酸胁迫下5个主成分值的综合排名，结果表明基因型间耐酸能力不同，多黄和HZ109在酸胁迫下生长良好，受害较轻，HZ118、S7913受害严重，耐酸胁迫能力弱。