小麦缺铁胁迫苗期相关性状的聚类分析

樊庆琦 楚秀生 隋新霞

摘要：研究小麦品种缺铁胁迫苗期相关性状的系统聚类，对山东省小麦种质资源的鉴定筛选和铁营养高效种质的创新利用具有重要意义。以86个山东省品种为研究对象，通过正常培养和缺铁营养液培养，考察苗期根部和地上部等苗期性状，进行系统聚类。系统聚类分析结果显示，按正常培养、缺铁培养、胁迫指数，将上述品种分别分为4、7、4个类群。研究发现，缺铁胁迫可导致小麦生根数量的减少和地上部分生长量的显著降低，却可促进根系生长量的增加;小麦品种济南16、菏麦19应保证栽培苗期的铁营养供应;济南8号、烟农15具有较强的铁耐受能力，可用于铁营养高效的种质创新和分子机制研究。

关键词：小麦;苗期;缺铁胁迫;根系;聚类分析

中图分类号： S512.101  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）13-0081-04

铁作为小麦生长发育必需的营养元素之一，具有重要的生物学功能。小麦根系能分泌脱氧麦根酸的物质，螯合土壤中的Fe3+离子[1-7]，经根系细胞的转运通道吸收至植物体内，参与叶绿素合成、呼吸作用、生物固氮等重要的生理生化反应[8]，以维持小麦的正常生长。缺铁可导致细胞膜变薄、细胞壁疏松、膜囊系统破坏，胞内细胞器如类囊体、叶绿素解体或液泡化，高尔基体膨胀等不利影响[9-12]。从表型性状来看，可引起新叶的黄化失绿[13-14]，影响根系的生长[15]。

系统聚类主要通过样本数据经中心化或标准化变换后，计算距离系数利用不同的聚类方法进行聚类，在生物科学中得到广泛应用。唐启义教授开发的DPS数据处理系统根据学者的研究提供了7种聚类距离的算法和9种聚类方法，为聚类分析提供了便利、简捷的统计学工具[16]。

山东省農业科学院作物研究所保存山东省小麦地方品种、育成品种以及国内外引进资源等3 000余份[17]。为更好地加强种质资源系统科学的评价，本研究以保存的山东省1950年以来的86份小麦品种为试验材料，进行缺铁胁迫下小麦苗期相关性状的聚类分析，为小麦种质资源的评价筛选和铁营养高效种质创新提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2017年在山东省农业科学院作物研究所济南试验基地的人工智能气候室（浙江求是人工环境有限公司设计制造）中进行。气候室面积约20 m2，阳面为透光双层玻璃，配备空调、LED灯、遮阳棚和降温水帘等控温控光设备，由微计算机自动控制光照度12 000 lx，恒温25 ℃。

1.2 供试材料

所用86份小麦材料为山东省农业科学院作物研究所小麦种质资源库保存，为1950年后搜集、引进或育成的品种。为尽可能增加小麦种质资源的遗传丰富度，根据系谱剔除了亲缘关系较近的品种（如姊妹系等），供试小麦材料信息见表1。

1.3 试验方法

挑选每份小麦材料籽粒饱满的种子15粒，3次重复。种子经1.5%次氯酸钠消毒5 min后，腹股沟朝下，均匀摆放至珍珠棉和纱网缝制的发芽盘，发芽盘放入盛有1 L超纯水的培养盒（15 mm×15 mm×20 mm）中，在人工智能温室中发芽，光/暗周期16 h/8 h，光照度12 000 lx，温度25 ℃，3 d换水1次。

发芽7 d后，仔细将种子从幼苗根部去除，加入培养液培养。其中，对照处理营养液配方为：0.7 mmol/L K2SO4、0.1 mmol/L KCl、2 mmol/L Ca（NO3）2、0.5 mmol/L MgSO4、0.1 mmol/L KH2PO4、1 μmol/L H3BO4、0.5 μmol/L MnSO4、0.2 μmol/L CuSO4、0.5 μmol/L ZnSO4、0.01 μmol/L （NH4）6Mo7O24、100 μmol/L FeEDTA。缺铁胁迫营养液配方除无FeEDTA外，其他如对照处理。营养液3 d换1次，培养15 d。

小麦幼苗于营养液中培养15 d后，每次挑选长相均匀粗壮的幼苗10株，以单株为单位采集根系数量、根系长度、根干质量和地上部分干质量等性状。根系数量以根系伸长1 cm为标准采集，根系长度则以根基部至最长根系顶点的长度。从根系基部用剪刀分离，将根系和地上部分干质量分别放置牛皮纸袋中，于烘箱中105 ℃杀青30 min，以85 ℃恒温烘干48 h至完全干燥，并用称量精度为0.01 g电子电平称质量，计算根冠比。根据对照和缺铁胁迫的相关性状，计算胁迫指数。公式为：式中：SI为胁迫指数;Fe-为材料缺铁胁迫营养液培养的性状值;Fe+为材料正常营养液培养的性状值。

1.4 数据处理

数据利用DPS高级版进行系统聚类分析，聚类后不同类群的平均值计算则在Excel中进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理及胁迫指数聚类距离和方法的比较

根据根系数量、根系长度、根干质量、地上部分干质量和根冠比的数据，利用DPS数据处理系统高级版提供的7种距离系数和9种聚类方法，对正常铁营养、缺铁胁迫和胁迫指数分别进行系统聚类的模拟。一般情况下，F值的概率低于 0.05 的类群数量被认为是较适合的。

铁正常供应下，以卡方距离可变类平均法进行系统聚类，在划分为4个类群时F值的概率值低于0.05，表明将供试品种分为4个类群比较适宜，其他距离和方法F值的概率均高于0.05。缺铁胁迫情况下，以欧式平方距离可变类平均法，供试小麦材料在分为7个类群时的F值概率低于0.05，其他距离和聚类方法的模拟均高于0.05。同样，胁迫指数在卡方距离和可变类平均法将供试小麦品种分为4个类群时，F值概率低于0.05，因此，胁迫指数将品种分为4个类群较为合适。

2.2 聚类结果

正常铁营养可划分为4个类群。类群1包含32个品种，类群2包含40个品种，类群3包含13个品种，类群4只有1个品种（济麦19），分别占总样本的37.21%、46.51%、15.12%、1.16%（图1-A）。

缺铁胁迫可将供试小麦品种划分为7个类群。类群1包含24个品种，类群2包含34个品种，类群3包含11个品种，类群4包含2个品种（济南8号和烟农15），类群5包含4个品种（西北60、复壮30、济南18和山农21），类群6包含2个品种（济南16和菏麦19），类群7包含9个品种，分别占总样本的27.91%、39.53%、12.79%、2.33%、4.65%、2.33%、10.47%（图1-B）。

胁迫指数可将小麦品种划分为4个类群。类群1包含16个品种，类群2包含56个品种，类群3包含6个品種，类群4包含8个品种，分别占总样本的18.60%、65.12%、6.98%、9.30%（图1-C）。

2.3 不同类群性状间平均值比较

正常铁营养供应、缺铁胁迫和胁迫指数系统聚类不同类群小麦品种不同性状的平均值见表2。在正常铁营养情况下，超过83.72%的品种属于类群1、类群2等两大类群，与其他类群相比，根系数量、根干质量和根冠比位于前2位，根系长度和地上部分干质量也表现为较高。表明这两大类群代表了山东省品种的普遍特征，即根系数量在8～9条，主根系根长16～18 cm，根干质量主要分布在8～12 mg，地上部分干质量在42～45 mg，根冠比基本为0.2左右。类群4仅有1个品种（济麦19），表现较为特殊，根系数量和根系长度与其他品种相当，但根干质量偏低，地上部分干质量偏高，说明该品种在苗期地上部分生长量要高于地下部分生长量。

缺铁胁迫下，供试小麦品种则分为7个类群，品种间存在较大差异，表明在缺铁情况下，明显影响了品种的苗期发育。在七大类群中，前3个类群品种占总样本的80.32%，与正常对照相比，根系数量、根系长度和根干质量相差不大，地上部分干质量有所下降，根冠比略微上升。值得注意的是，类群4的2个品种（济南8号、烟农15）虽然根系数量增加不明显，但根系长度、根系干质量和地上部分干质量与其他类群平均值相比表现最高，表明在缺铁胁迫下，济南8号、烟农15等2个品种地下部分和地上部分的生长均较为明显，似乎并不受胁迫的影响，可理解为具有较强的耐受能力;类群6的2个品种（济南16、菏麦19）与其他类群性状平均值相比，除根冠比表现最高，其他4个性状均表现最低，说明缺铁严重影响了根系和地上部分的发育，根冠比较高是由于地上部分干质量显著降低的原因所导致。

胁迫指数反映缺铁胁迫后苗期性状的变化。根据系统聚类各类群性状的平均值，发现缺铁胁迫后，小麦根系数量、地上部分干质量和根冠比全部为降低（负值），根系长度除类群1无变化外，类群2降低，类群3和类群4略有升高。根干质量4个类群均有不同程度的增加，以类群1和类群4升高较为明显。

3 讨论与结论

欧式距离是系统聚类应用最为广泛的距离[18]，即2点之间的实际距离;卡方距离则是利用列联表的方法得到1个卡方统计量来衡量2个个体之间的差异性，它被认为比欧式距离等常用的距离系数有更强的分辨能力[16]。根据本研究的数据结构计算欧式距离系数、欧式平方距离系数和卡方距离系数，利用可变类平均法可以较好地进行系统聚类，合适类群数目F值的概率达极显著水平。

聚类分析的结果显示，供试小麦品种中多数品种（超过80%）被聚为特定的2类和3类，这些品种无论在正常情况下还是在缺铁胁迫下，各性状的数值也较为接近，表明上述品种具有相似的发育规律和特点。而从胁迫指数可以看出，虽然被划分为不同类群，通过平均值分析，不同类群间也具有相似的特征，即缺铁胁迫可以影响根系数量的增加，有助于根系干物质的增加，不利于地上部分干物质的积累，对主根系的伸长则因品种而异。

然而，个别小麦品种却具有不同的发育特点，如济麦19，苗期地上部分的发育显著快于地上部分的生长。这种特点在苗期表现为繁茂性较好，然而在生长后期的抗倒性能并不特别突出，可能与苗期的这种发育特点有关。济南8号、烟农15在缺铁胁迫下表现出较好的耐受能力，缺铁可能会诱导体内一系列的生理生化反应，促进根系的伸长和根总量的增加来应对胁迫;而济南16、菏麦19，在缺铁情况下生长受到明显抑制，根系数量的发生、主根系的伸长和干物质积累均处于较低水平，表明这2个品种对缺铁较为敏感。

通过本研究的聚类分析，对山东省小麦品种苗期的地下部分和地上部分的生长发育有了更为清晰的了解，同时，缺铁对小麦品种的影响也有了更为深入的认识。对缺铁耐受的济南8号和烟农15，可通过基因组、转录组和蛋白组等研究方法进一步探讨缺铁响应的分子机制;对缺铁敏感型小麦品种如济南16、菏麦19，在推广种植中应避开缺铁的干旱、半干旱地区。

综上所述，正常铁供应下，利用卡方距离可变类平均法可将86个小麦品种分为4个类群;缺铁胁迫下，利用欧式平方距离可变类平均法可将其分为7个类群;对于胁迫指数，利用欧式距离可变类平均法可将其分为4个类群。缺铁可影响小麦根系数量的增加，促进根系干物质积累，但阻碍地上部分干物质的积累。

参考文献：

[1]Marschner H，Rmheld V，Kissel M . Different strategies in higher plants in mobilization and uptake of iron[J]. Journal of Plant Nutrition，1986，9（3/4/5/6/7）：19.

[2]Klair S，Hider R C，Adams M Z，et al. Studies of iron transport in wheat using synthetic phytosiderophores1[J]. Journal of Plant Nutrition，1996，19（8/9）：1295-1307.

[3]Mori S. Iron acquisition by plants[J]. Current Opinion in Plant Biology，1999，2（3）：250-253.

[4]Aciksoz S B，Ozturk L，Gokmen O O，et al. Effect of nitrogen on root release of phytosiderophores and root uptake of Fe（Ⅲ）-phytosiderophore in Fe-deficient wheat plants[J]. Physiologia Plantarum，2011，142（3）：287-296.

[5]Takahashi M，Terada Y，Nakai I，et al. Role of nicotianamine in the intracellular delivery of metals and plant reproductive development[J]. Plant Cell，2003，15（6）：1263-1280.

[6]Ueno D，Ma J F. Secretion time of phytosiderophore differs in two perennial grasses and is controlled by temperature[J]. Plant and soil，2009，323（1/2）：335-341.

[7]石榮丽，张福锁，邹春琴. 不同基因型小麦铁营养效率差异及其可能机制[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16（6）：1306-1311.

[8]吕选忠，于 宙，王广仪. 元素生物学[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2011：403-408.

[9]Dekock P C，Hall A，Inkson R H E. Active iron in plant leaves[J]. Annals of Botany，1979，43（6）：737-734.

[10]Su L Y，Miller G W. Chlorosis in higher plants as related to organic acid content[J]. Plant physiology，1961，36（4）：415-420.

[11]Tong Y A，Fan F，Korcak R F. Effect of micronutrients phosphorous and chelator to iron ratio on growth chlorosis and nutrition of apple seedlings[J]. Journal of Plant Nutrition，1986，9（23）：1115-1132.

[12]邹春琴，张福锁，毛达如. 铁对玉米体内氮代谢的影响[J]. 中国农业大学学报，1998，3（5）：45-49.

[13]沈阿林，王朝辉. 小麦营养失调症状图谱及调控技术[M]. 北京：科学出版社，2010：36-39.

[14]蒿宝珍，李万昌，姜丽娜，等. Fe2+对小麦籽粒萌发及幼苗铁积累和分配的影响[J]. 江苏农业科学，2008（3）：19-22.

[15]马海珍. 铁、铜复合胁迫对小麦种子萌发及幼苗生理生化特性的影响[D]. 兰州：西北师范大学，2014.

[16]唐启义. DPS数据处理系统（第二卷：现代统计及数据挖掘）[M]. 北京：科学出版社，2013：531-537.

[17]楚秀生，李根英，隋新霞，等. 山东小麦种质资源研究回顾与展望[J]. 植物遗传资源科学，2001，2（4）：59-63.

[18]张善文，张晴晴，齐国红，等. 基于改进K中值聚类的苹果病害叶片分割方法[J]. 江苏农业科学，2017，45（18）：205-208.