基于隶属函数法和主成分分析评价玉米萌发期抗旱性

邹成林， 黄开健， 翟瑞宁， 黄爱花， 莫润秀， 韦新兴， 杨 萌， 黄艳芬， 王呤燕， 卢红雨

(1.广西壮族自治区农业科学院玉米研究所，广西南宁 530007； 2.广西农业职业技术大学，广西南宁 530007)

玉米是我国最重要的三大作物之一，在作为粮食、饲料和工业原料等方面具有无可替代的重要作用。干旱是限制我国玉米产业发展的重要环境因素，能导致玉米减产10%～25%，严重时甚至高达50%。种子萌发期是玉米生长的关键阶段，这一时期需水量最少，但对水分却最为敏感，该时期若缺水将严重限制种子萌发，导致缺苗、苗弱和苗不齐，严重影响玉米整个生长周期的发育。

对种子萌发期进行研究，通常使用聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模拟干旱胁迫，不同浓度可模拟不同程度干旱胁迫。PEG-6000处理已成为鉴定种子抗旱能力的重要方法，在水稻、小麦、大豆、花生和牧草等方面均有普遍研究。在玉米萌发期抗旱性研究方面也有较多报道，在抗旱指标选择上，一般研究认为玉米种子的发芽势、发芽率、萌发指数、胚根数目和长度、胚芽长、贮藏物质转运率等性状可作为玉米萌发期抗旱性的重要指标。PEG-6000溶液处理后，种子萌发特性相关各项指标与清水对照处理相比均会有不同程度的下降，表明PEG-6000溶液具有限制玉米萌发的作用，且随着其浓度的提高限制作用越明显。在抗旱评价方法上，通常将多项种子萌发指标进行综合分析，统筹运用抗旱系数、抗旱指数、主成分分析、隶属函数法和聚类分析等来判断不同玉米材料或品种的抗旱性。

广西玉米主要种植在丘陵和山区，大多无灌溉条件，受季节性影响，雨水分布不匀，导致春旱、秋旱时常发生，春旱影响春玉米适时播种和出苗全苗，秋旱影响秋玉米授粉灌浆，严重制约了玉米产量的提高。作者前期研究已对广西玉米品种开花期抗旱性进行了鉴定和评价，最终鉴定出5个开花期抗旱性较强的品种。对玉米萌发期抗旱性特性也进行了初步研究，确定了模拟中度干旱胁迫的最适PEG-6000浓度为15%或20%。因此，在此基础上，本研究以12个广西近几年新选育的玉米品种为供试材料，用15%浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫处理，测定种子的发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、胚根干质量、胚芽干质量和贮藏物质转运率等8个指标，计算各指标的抗旱系数，通过隶属函数法和主成分分析综合评价供试品种的抗旱性，为广西抗旱性玉米品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年3月在广西壮族自治区农业科学院进行。供试玉米品种12个，分别为桂单663(桂审玉2020011号)、兆玉215(桂审玉2020090号)、桂单660(桂审玉2019088号)、桂单666(桂审玉2019015号)、桂单668(桂审玉2020004)、桂单669(桂审玉2020012号)、桂单671(桂审玉2020081号)、桂单673(桂审玉2019092号)、兆玉200(桂审玉2019093号)、桂单203(国审玉20200464号)、桂单658(桂审玉2019011号)和桂单662(桂审玉2019011号)，均由广西壮族自治区农业科学院玉米研究所选育及审定。

1.2 试验设计

每个品种选30粒种子，要求大小一致、均匀饱满，用75%乙醇浸泡种子3 min进行消毒，用灭菌蒸馏水冲洗3遍后将种子置于滤纸上吸干水分。将3张灭菌后的滤纸均匀放到尺寸为11.5 cm×11.5 cm×5.0 cm的发芽盒内，在发芽盒内加入 20 mL 浓度为15%的PEG-6000溶液进行干旱胁迫处理，加入20 mL蒸馏水作为对照处理。用镊子将种子均匀放到发芽盒内的滤纸上，每个品种干旱胁迫和对照处理均设3个重复。将放入种子的发芽盒置于人工气候箱，设置恒温25 ℃、相对湿度80%。以胚芽长出2 mm为发芽标准，每隔24 h记录1次，连续记录8次，并在第9天每个处理选取10株幼苗，测定胚根长、胚芽长、胚根干质量、胚芽干质量和剩余种子籽粒干质量。

1.3 测定指标及方法

发芽势=(第4天种子发芽数/供试种子总数)×100%；

发芽率=(第7天种子发芽数/供试种子总数)×100%；

萌发指数=1.00×+0.75×+0.50×+0.25×(其中、、、分别为第2、4、6、8天的种子发芽率)；

贮藏物质转运率=[(芽+根)干质量]/[(芽+根+子粒)干质量]×100%；

抗旱系数=指标干旱测定值/指标对照测定值。

隶属函数法：用公式=(-)/(-)计算各指标在不同品种中的具体隶属函数值()。式中：为不同品种某指标测定值的抗旱系数；和分别为所有品种该指标抗旱系数的最大值和最小值。然后根据各指标的变异系数()占所有指标变异系数之和的比例来确定各指标所占的权重系数，计算每个自交系的综合隶属函数值，依据值划分各自交系抗旱性强弱。将隶属函数值评价抗旱性标准定为：值≥07为抗旱性强品种，04≤值<07为抗旱性中等品种，值<04为抗旱性弱品种。

1.4 数据处理与分析

为减少各品种间自身的差异，对各指标测定的值均采用抗旱系数，即干旱胁迫测定值与对照测定值之比来表示。采用Excel 2007整理数据、计算各项指标隶属函数值及综合隶属函数值。用DPS 16.05统计分析软件进行方差分析、相关性分析、主成分和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种萌发期各项指标的抗旱系数分析

由表1可知，不同玉米品种萌发期各萌发性状指标抗旱系数几乎均小于1，说明在干旱胁迫下各性状指标均受到了不同程度的抑制。

表1 不同玉米品种萌发期各项指标的抗旱系数

发芽势方面，抗旱系数变化范围为0.527～0.838，其中，最高的为桂单662和桂单203，两者均达到了0.838，与兆玉215、桂单666和桂单671无显著性差异，显著高于其他品种；最低为桂单668，与桂单673、桂单663、桂单660和桂单658无显著性差异，显著低于其他品种。发芽势决定着出苗的整齐程度，发芽势高，出苗整齐，苗生长一致。桂单662、桂单203、兆玉215、桂单666和桂单671发芽势抗旱系数较高，其种子在干旱胁迫下仍然有较强的生命力。

发芽率方面，抗旱系数变化范围为0.845～1.000，变化幅度较小，说明干旱胁迫对各品种发芽率的影响相对较小，其中桂单203的抗旱系数为1.000，说明其在干旱胁迫下的发芽率与正常对照情况下的相当，具有较强的抗旱性；排在前列的桂单203、桂单671和兆玉215等8个品种之间均无显著性差异。

萌发指数方面，抗旱系数变化范围为0.617～0.915，兆玉215达到0.915，显著高于其他品种；最低的为桂单658，与桂单668和桂单662无显著差异，显著低于其他品种。种子萌发指数越高，其萌发能力越强。兆玉215萌发指数最高，说明其在干旱胁迫下相比对照仍然具有较强的萌发能力，能很好地适应干旱环境。

胚根长方面，抗旱系数变化范围为0.650～0.940，较高的为桂单203、兆玉215、兆玉200、桂单671和桂单662，它们之间无显著性差异；较低的为桂单658、桂单673和桂单668。根是玉米吸收水分的重要器官，干旱胁迫不同程度抑制了各品种对水分的吸收。

胚芽长方面，抗旱系数变化范围为0.539～0.845，较高的为桂单662、桂单671、兆玉215和桂单203，它们间无显著性差异；较低的为桂单669、桂单668、桂单660、桂单658和桂单673。干旱胁迫对根吸收水分的抑制，体现到了胚芽上，但胚根长与胚芽长在不同品种上反映并不一致，在伸长方面胚芽对干旱胁迫的反应相比胚根更敏感。

胚根干质量方面，抗旱系数变化范围为0.582～0.891，较高的为桂单671、桂单662、兆玉215、桂单666和桂单203；较低的为桂单658和桂单673。干旱胁迫抑制了胚根的生长发育，导致其质量降低，对干旱胁迫敏感的品种桂单658和桂单673降低较多。

胚芽干质量方面，抗旱系数变化范围为0.575～0.932，较高的为兆玉215、桂单203、桂单662、桂单671和桂单669，它们间无显著性差异；较低的为桂单668、桂单658和桂单673。胚芽干质量和胚根干质量抗旱系数整体上差别不大，说明干旱胁迫对胚根和胚芽物质发育方面的影响相近。

贮藏物质转运率方面，抗旱系数变化范围为0.611～0.905，兆玉215最高，与桂单666和桂单671无显著性差异，显著高于其他9个品种；最低的为桂单663，与桂单662、桂单668、桂单658和桂单673无显著性差异。贮藏物质转运率可以反映各品种对种子内贮藏物质的利用速率、效率和体内能量供应的水平，兆玉215在干旱胁迫下对种子内物质仍有较高的利用。

2.2 不同玉米品种萌发期各性状指标抗旱系数间的相关性分析

将干旱胁迫下8个指标性状的抗旱系数利用双变量Pearson简单相关系数法进行相关性分析。由表2可知，各项指标抗旱系数间相关性均呈现正相关，除萌发指数与发芽率、胚根长和胚芽长无显著相关外，其他指标间的相关性均达到了显著或极显著水平。发芽势与胚芽干质量的相关系数最大，为0.858；发芽率与胚根长、胚根长与发芽率相关系数互为最大，为0.796；萌发指数与贮藏物质转运率、贮藏物质转运率与萌发指数相关系数互为最大，为0.802；胚芽长与胚根干质量、胚根干质量与胚芽长相关系数互为最大，为0.900；胚芽干质量与胚根干质量相关系数最大，为0.897。

表2 不同玉米品种萌发期各指标抗旱系数的相关性

2.3 不同玉米品种萌发期各性状隶属函数值抗旱性评价

将8个指标抗旱系数通过公式换算成隶属函数值， 根据各指标的变异系数占所有指标变异系数之和的比例来确定各指标所占的权重系数，计算每个自交系的综合隶属函数值，值越大，综合抗旱性越强。由表3隶属函数值评价结果可知，兆玉215、桂单671、桂单203和桂单662这4个品种的值大于0.7，属于抗旱性强的品种；桂单666、兆玉200和桂单669 3个品种的值大于04小于07，属于抗旱性中等品种；桂单660、桂单663、桂单668、桂单673和桂单658 5个品种，值小于04，属于抗旱性弱的品种。

表3 不同玉米品种萌发期抗旱系数隶属函数值抗旱性分类

2.4 不同玉米品种萌发期抗旱性主成分分析

将本试验中12个玉米品种的8个指标所得抗旱系数经加权平均后进行主成分分析，所得结果如表4、表5。由表4、表5可知，第1主成分的贡献率为74.021%，其中胚芽干质量、胚根干质量和发芽势具有较高的载荷，分别为0.391、0.372和0.370；第2主成分的贡献率为10.154%，其中萌发指数和贮藏物质运转率具有较高的载荷，分别为0.708和0.468。前2个主成分的累计贡献率达到84.175%，两者足以代表变量绝大多数信息，符合主成分分析的要求。将变量发芽势、发芽率、萌发指数、胚根长、胚芽长、胚根干质量、胚芽干质量和贮藏物质转运率分别设为、、、、、、和，根据表5结果，得出主成分分析表达式：

表4 各主成分的特征值和贡献率

表5 主成分特征向量矩阵

=0370+0351+0293+0338+0353+0372+0391+0352；

=-0113-0060+0708-0284-0405-0126-0061+0468。

根据各品种和的值，得到综合评价函数为：

=0740 21+0101 54。

值与抗旱性呈正相关，值越大，抗旱性越强。由表6主成分分析值可知， 12个玉米品种萌发期抗旱性大小为兆玉215>桂单671>桂单203>桂单666>桂单662>兆玉200>桂单669>桂单660>桂单663>桂单673>桂单668>桂单658。

表6 不同玉米品种主成分Y值及抗旱性排序

将不同玉米品种值通过WPGWA法进行聚类分析。由图1可知，12个玉米品种分为3类，第1类含5个品种，为桂单203、桂单662、桂单666、桂单671和兆玉215，属于抗旱性强品种；第2类含3个品种，为兆玉200、桂单669和桂单660，属于抗旱性中等品种；第3类含4个品种，为桂单658、桂单673、桂单668和桂单663，属于抗旱性弱品种。

3 讨论与结论

玉米的抗旱性属于数量遗传性状，且由多个微效基因控制，易受环境因素影响。通过单一指标对玉米抗旱性进行评价存在一定的局限性，需要多个指标来综合评价。陈波等研究认为，玉米种子萌发期抗旱指标应以萌发抗旱指数为主，其他指标为辅。成锴等研究表明，抗旱能力的主要鉴定指标为发芽势、发芽率、发芽指数与耐旱萌发指数，间接抗旱鉴定指标为种子吸水率与胚根胚芽长、贮藏物质运转率。本研究在参考前人研究的基础上测定了8个玉米萌发特性指标，这些指标间多数存在极显著或显著相关性，可用于评价各玉米品种的抗旱性。各指标在PEG-6000模拟干旱胁迫下与对照相比均有不同程度降低，说明干旱胁迫延缓了玉米种子的发芽时间，降低了发芽能力，限制了胚根、胚芽的生长发育，使贮藏物质运转率降低。由于品种之间内在特性的不同，为消除品种间的固有差异，本试验将各个指标均用干旱胁迫处理比上对照处理的相对值，即用抗旱系数来表达，这也是很多研究者普遍采用的方法。

玉米抗旱性较为复杂，除需要测定较多指标外，还需要综合利用不同的评价方法来判断。抗旱系数、抗旱指数、主成分分析、隶属函数法、聚类分析和灰色关联度分析等方法均可用于评价玉米品种的抗旱性。抗旱系数反映了该品种的稳产性，抗旱指数在考虑稳产性的基础上同时兼顾了一定的高产性，但两者通常用在产量指标上较多。隶属函数法、主成分和聚类分析等在评价玉米综合抗旱性上效果较好，使用也较多，但这些方法基于的原理不同。为使结果准确并得到相互验证，本研究同时采用了隶属函数法和主成分分析对不同玉米品种进行抗旱性评价。2种方法评价结果之间的相似性达到了0.995的极显著正相关，说明2种方法在评价玉米品种抗旱性上具有非常好的一致性。兆玉215、桂单671、桂单203和桂单662综合隶属函数值分别为0.925、0.828、0.782和0.748，均大于0.7；主成分结合聚类分析中归为同一类型且值较高的为兆玉215、桂单671、桂单203、桂单666和桂单662，值分别为2.732、2.079、1.614、1.251和1.135。因此综合2种评价方法判断兆玉215、桂单671、桂单203和桂单662属于抗旱性强品种。

尽管本试验测定的萌发特性指标较多、较全面，并综合运用了隶属函数法和主成分分析来进行抗旱性评价，但测定的指标均为农艺性状，因此相应的评价结果仅体现了玉米品种在农艺性状方面的抗旱性，未涉及相关生理生化方面的抗旱性状。郭效龙等研究认为，脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性均可作为鉴定自交系抗旱性的指标。鲁晓民等的研究表明，与正常水分处理相比，PEG胁迫后，玉米自交系叶片相对含水量均呈下降趋势，但脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD )和过氧化物酶(POD)活性均呈升高趋势。可见干旱胁迫会导致玉米萌发期生理生化指标一系列的变化，因此本试验结果能否全面代表各品种萌发期的抗旱性还有待进一步研究。