基于幼苗生理生化指标和矿质元素含量的不同水稻品种综合评价

摘要：为了解不同水稻品种的生理学特性，并为目标水稻品种的筛选及评价提供科学依据，以18个水稻品种（系）为材料，进行超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性和可溶性蛋白、丙二醛、脯氨酸、铁、锰、锌、铜、钾、钙、钠、镁的含量等生理指标测定，并利用隶属函数法、相关性分析和聚类分析对其差异性进行综合评价。结果表明，镁元素含量和锌元素含量之间相关系数最大（为0.851），说明其相关性最强；经聚类分析将18个品种（系）分为3个类群：第Ⅰ类群为8个品种（系），该类群超氧化物歧化酶活性、丙二醛和脯氨酸的含量均值最高。第Ⅱ类群为2个品种（系），其过氧化物酶活性、蛋白、铜、钾和钠的含量均值最高。第Ⅲ类群也为8个品种（系），其过氧化氢酶活性、铁、锌、钙、锰和铁的含量均值最高；通过隶属函数分析可知，18个水稻品种（系）由强到弱表现为金稻919＞津原黑1号＞津稻179＞天津农学院品系4＞C418恢复系＞津原45＞天津农学院品系5＞金稻777＞天津农学院品系1＞天农粳518＞C34恢复系＞天津农学院品系2＞津原E28＞天津农学院品系3＞津川1号＞隆优619＞津原香98＞津原89。将隶属函数法和聚类分析的结果进行综合分析可知，金稻919、津原黑1号和津稻179都在同一类群，且D值排序中也排在前3位，说明这3个品种综合表现最好。

关键词：水稻；生理特性；矿质元素；隶属函数法；相关分析；聚类分析

中图分类号：S511.037" 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）24-0086-07

收稿日期：2023-12-09

基金项目：天津市教育委员会社会科学重大项目（编号：2019JWZD03）。

作者简介：王玮棋（2000—），女，内蒙古通辽人，硕士，研究方向为作物遗传育种。E-mail：1144016157@qq.com。

通信作者：郝建朝，博士，副教授，主要研究方向为盐碱地的治理和耐盐植物的研究，E-mail：qqhjc1980@163.com；刘海学，博士，研究员，研究方向为作物遗传育种，E-mail：zhxliu1965@sina.com。

水稻是一种以茎部为支柱的草本植物，通常生长在水田、沼泽等水生环境中。它属于禾本科单子叶植物，原产于中国和印度，是现今世界上人类最重要的主要粮食作物之一。水稻为全球50%以上的人口提供粮食来源，对人类的生活具有重要意义^［1］，现在我国是全世界水稻总种植区域面积第二大的种植国家，一直以来都处于我国粮食作物的核心地位，也是我国总种植地区面积第二大的主要作物，仅次于玉米^［2］，常年种植区面积为3 000万hm2左右。主要分布在东南、西南、华北等地区，其中东南沿海地区是水稻的主产区。

生产者选择合适的水稻品种是实现水稻增产的重要途径之一，筛选优良的水稻品种，也是提高种植效率和产量的关键环节，目前已有许多水稻品种筛选的方法被报道。黄振等通过对比不同水稻品种的生物学、植物学、生态学及产量特性这4个方面进行水稻的品种选育，最终筛选出最佳品种隆优8129^［3］；刘朝东等通过对不同水稻品种进行全生育期、农艺性状、籽粒结构和产量比较，初步筛选出粤禾丝苗、黄广秀占 2 个具有较大发展潜力的品种，并适宜在江门地区大面积推广种植^［4］。综上，研究者在水稻品种选育过程中不仅考虑了品种的生长速度、分蘖能力、株高等生物学特性，还考虑了品种的茎叶形态、花粉传播等植物学特性，以及产量特性和对环境的适应性等生态学特性。

随着现代农业的发展，育种决策的制定越来越依赖于科学、准确的评价方法。隶属函数法作为一种基于模糊逻辑理论的评价方法，在各个领域得到广泛应用^［5］，在水稻育种决策中也具有重要作用。该方法通过将多个指标转化为单一的评价值，有效避免了传统评价方法中主观因素的影响，使得评价结果更加客观、准确。聚类分析是将数据集中的样本按照一定的相似性度量进行分类，使得同一类中的样本尽可能相似，不同类之间的样本尽可能不同。在作物品种选育方面，聚类分析同样具有广泛的应用价值。从查阅的文献来看，目前国内虽然已有关于水稻矿质元素和生理生化方面的研究，但研究比较单一，未见多品种水稻生理生化指标及矿质元素含量测定分析采用隶属函数法和聚类分析方法进行研究的报道。因此，本研究以18个水稻品种为试验材料，在通过对不同水稻品种幼苗生理生化指标和矿质元素含量测定的基础上，基于聚类分析和隶属函数法综合评价不同水稻品种的差异性，旨在为目标水稻品种的筛选及评价提供科学依据和新的参考思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2023年4—5月在天津农学院农业分析实验室进行。试验材料选取了笔者所在实验室保存的18个不同水稻品种（品系），分别为津原E28、津原黑1号、津川1号、津原香98、津原89、津稻179、隆优619、津原45、金稻919、天农粳518、金稻777、C34恢复系、C418恢复系、农学院品系1（简称品系1）、农学院品系2（简称品系2）、农学院品系3（简称品系3）、农学院品系4（简称品系4）、农学院品系5（简称品系5）等^［6］。每个水稻品种（系）分别选取若干健康饱满的种子，经5%次氯酸钠（NaClO）消毒15 min后，用超纯水冲洗3遍去除多余NaClO，放在无菌培养皿中，加入去离子水至刚好没过种子，置于30 ℃恒温条件中，进行黑暗催芽 48 h，然后将萌发的种子置于已加入1/10 Hoagland培养液的育苗盘中。水稻材料培养需放置于植物培养箱中，每天光照12 h，培养温度25 ℃，湿度50%。待水稻幼苗长出后移栽到含有1/8培养液的水培箱中，培养至3叶1心时取样备用。

1.2 主要仪器和设备

722E型紫外分光光度计、AL204型万分之一天平、5920R型高速冷冻离心机、HH-2型恒温水浴锅、Simplicity超纯水系统、TAS-990super型石墨炉原子吸收分光光度计、RXZ型光照培养箱、MARS6型高通量微波消解系统、EHD-24型消煮炉、XCA-80001 型电热鼓风干燥箱。

1.3 生理指标测定

抗氧化酶活性测定之前均需要酶液，具体方法为：首先，采集新鲜植物的叶片或者根系0.2 g（可视情况调整），洗净后放在之前预冷的研钵中，然后加入1.6 mL 0.05 mol/L磷酸缓冲液（pH值7.8），在冰浴的条件下研磨成匀浆，放入离心管中保存；其次，将高速离心机事先设置成4 ℃、12 000 r/min，离心20 min后，上清液即为酶液^［6］。

超氧化物歧化酶（SOD）的活性采用氮蓝四唑光还原法测定，将紫外分光光度计设置在560 nm处测量吸光度^［7］；过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法，将紫外分光光度计设置在470 nm处测量吸光度^［8］；过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用过氧化氢法^［9］，将紫外分光光度计设置在240 nm处测量吸光度^［9］；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定，将紫外分光光度计设置在595 nm处测量吸光度^［10］；丙二醛（MDA）含量的测定采用改进后的硫代巴比妥酸法^［11］，将紫外分光光度计分别设置在450、532、600 nm处，然后测量0.67% TBA溶液的吸光度，用公式计算出MDA含量^［11］；脯氨酸（Pro）含量的测定采用茚三酮比色法，将紫外分光光度计设置在520 nm处测量吸光度^［12］。

1.4 矿质元素含量测定

在电子天平上称取水稻幼苗0.5 g，加入10 mL HNO3。然后放入微波消解仪中，温度设置为 190 ℃，消解45 min。消解完成后将样品放到电热炉上进行加热赶酸，温度设置为180 ℃，蒸发液体至0.5 mL左右，之后用滤纸过滤剩余的液体，放入比色管中，定容至50 mL，然后在原子吸收火焰分光光度计上测量矿质元素含量^［6］。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel进行数据整理，SPSS 19.0软件进行分析，本研究采用隶属函数法，对不同水稻品种（系）生理指标和矿质元素含量进行综合评价，其计算公式如下：

μ（Xj） = （Xj-Xmin）/（Xmax -Xmin）。（1）

式中：μ（Xj） 表示隶属函数值；Xj为指标测定值；Xmin和Xmax为所有参试材料某一指标的最小值和最大值。

Vj=∑ni=1（Xij-Xj）2n-1Xj。（2）

式中：Xj表示各品种（系）第j个指标平均值；Xij表示i品种（系）j 指标的隶属函数值；Vj表示第j个指标标准差系数，由公式（1）和公式（2）得出Vj，再按照公式（3）进行各指标的权重计算：

Wj=Vj∑nj=1Vj。（3）

式中：Wj 表示第j个指标的权重。

D=∑nj=1［μj（Xj）×Wj］。（4）

式中：D表示综合评价值；D值越大，表明该水稻品种（系）越好。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种（系）的生理生化特性及矿质元素含量差异比较

不同水稻品种（系）的生理生化特性差异主要表现在SOD、POD、CAT的活性和可溶性蛋白、MDA、脯氨酸的含量上。由表1可以看出，津川1号的SOD活性最强，为369.36 U/g，津稻179的活性最弱，为121.23 U/g；津原89的POD活性最强，为 333.05 U/（g·min），隆优619的活性最弱，为93.02 U/（g·min）；品系4的CAT活性最强，为 2 063.88 U/（g·min），C34恢复系的活性最弱，为 1 346.32 U/（g·min）；品系5的可溶性蛋白含量最高，为3.018 mg/g，金稻777含量最低，为 2.155 mg/g；津原45、金稻919、品系4的MDA含量最低，为4.0 μg/g，天农粳518的含量最高，为 4.6 μg/g；品系3的脯氨酸含量最高，为 32.98 μg/g，津川1号的含量最低，为30.48 μg/g。

由表2可知，不同水稻品种（系）的矿质元素含量差异较大，金稻919的铁、锌、镁元素的含量最高，分别为988.67、192.67、4 109.86 mg/kg；津原89铁、镁和钾元素的含量较低，分别为418.70、2 220.76、17 162.14 mg/kg；津原香98的锌含量最低，为76.23 mg/kg；津稻179的铜元素含量为 45.08 mg/kg，在18个品种（系）中含量最高，C34恢复系的铜元素含量最低，为12.06 mg/kg；津原黑1号的钙离子含量最高，为1 190.27 mg/kg，津原89的含量最低，为602.34 mg/kg；天农粳518的锰元素含量最高，为646.98 mg/kg，津原香98最低，为 184.45 mg/kg；津原45的钾元素含量明显高于其他品种，为66 394.83 mg/kg；津稻179的钠元素含量最高，为15 567.90 mg/kg，津原89含量最低，为 4 178.89 mg/kg。

2.2 不同水稻品种（系）生理学指标的相关性分析

利用双变量简单相关系数法^［13］对18个水稻品种（系）14个生理学指标的相对值进行分析，具体结果如表3所示。其中，呈极显著（Plt;0.01）正相关的指标有8对，包括铁元素含量和锌元素含量、铁元素含量和镁元素含量、铁元素含量和钙元素含量、锌元素含量和铜元素含量、锌元素含量和镁元素含量、锌元素含量和钠元素含量、钙元素含量和镁元素含量、铜元素含量和钠元素含量，相关系数分别为0.843、0.846、0.750、0.684、0.851、0.598、0.754、0.659。呈显著（Plt;0.05）正相关的有4对，包括锌元素含量和钙元素含量、铜元素含量和镁元素含量、铜元素含量和钾元素含量、钾元素含量和钠元素含量，相关系数分别为0.553、0.538、0.561、0.541。呈极显著（Plt;0.01）负相关的有1对，为镁元素含量和MDA含量，其相关系数为-0.627。呈显著（Plt;0.05）负相关的有3对，包括MDA含量和锌元素含量、MDA含量和铁元素含量、MDA含量和钙元素含量，相关系数分别为-0.572、-0.508、-0.479。

2.3 基于隶属函数的不同水稻品种（系）综合评价

为了更准确地评估作物品种（系）的品质，采用综合分析的方法，而隶属函数法则是常用的方法之一，该方法可以在多个指标测定的基础上对水稻品种进行评判。对18个水稻品种（系）的D值进行比较，结果（表4）显示，金稻919的隶属函数值最大，为0.632，因此该品种综合评价最好。而津原89的隶属函数值最小，为0.172，该品种综合评价最差。根据隶属函数值的大小，18个水稻品种（系）表现为金稻919＞津原黑1号＞津稻179＞品系4＞C418恢复系＞津原45＞品系5＞金稻777＞品系1＞天农粳518＞C34恢复系＞品系2＞津原E28＞品系3＞津川1号＞隆优619＞津原香98＞津原89，通过排序可以清楚地看到各个水稻品种（系）的优劣情况。这也为育种研究者提供了较为准确的选择依据。

2.4 18种水稻品种（系）聚类分析

通过对18个水稻品种（系）SOD、POD、CAT的活性和铁、锰、锌的含量等14个生理学指标进行聚类分析，可以将这些品种分为三大类。

第Ⅰ类群包括8个水稻品种，分别为C418恢复系、C34恢复系、津原香98、隆优619、津原E28，品系3、津原89和天农粳518。该类群超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、脯氨酸含量均值最高，分别为269.12 U/g 、0.004 3 mg/g、32.19 μg/g；过氧化氢酶活性、可溶性蛋白含量、铜含量、钾含量、钠含量、铁含量、锌含量、锰含量、镁含量最低，分别为1 564.79 U/（g·min）、2.542 mg/g、23.09 mg/kg、21 878.67 mg/kg、5 491.12 mg/kg、539.99 mg/kg、98.67 mg/kg、369.03 mg/kg、2 562.59mg/kg。第Ⅱ类群包括2个水稻品种，分别为津原45和品系2。该类群过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量、铜含量、钾含量、钠含量均值最高，分别为171.36 U/（g·min）、0.062 mg/g、36.11 mg/kg、59 506.8 mg/kg、8 983.38 mg/kg；超氧化物歧化酶活性和钙含量最低，分别为222.1 U/g和 743.3 mg/kg。第Ⅲ类群包括8个水稻品种，分别为津原黑1号、金稻777、金稻919、品系4、品系1、津川1号、品系5以及津稻179。该类群过氧化氢酶活性、铁含量、锌含量、钙含量、锰含量、铁含量均值最高，分别为1 767.73 U/（g·min）、646.89 mg/kg、133.40 mg/kg、841.47 mg/kg、463.7 mg/kg、3 040.94 mg/kg；过氧化物酶活性、丙二醛含量、脯氨酸的含量最低，分别为 158.06 U/（g·min）、0.004 2 mg/g、31.7 μg/g（图1）。

3 讨论

3.1 生理生化指标是反映作物生长发育和适应环境能力的重要指标

生理生化指标是指通过测量作物体内的一系列生物化学过程和生理反应来判断其生长发育状况和适应环境能力的指标。其中，超氧化物歧化酶是植物体内重要的抗氧化酶，能够清除活性氧自由基，保护细胞免受损伤^［14］。过氧化物酶和过氧化氢酶则是植物体内重要的抗氧化酶，能够催化过氧化物和过氧化氢的分解，防止细胞损伤^［15］。可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质，能够维持细胞内的水分平衡和代谢平衡^［16］。丙二醛是植物体内膜脂过氧化的产物，其含量可以反映植物体内膜脂过氧化的程度，从而判断植物的抗逆能力^［17］。脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质，也是植物在逆境条件下的一种适应性反应^［18］。本研究中不同水稻品种（系）的生理生化特性差异比较大，因此，在水稻种质选育过程中有必要通过比较不同水稻品种（系）的生理生化特性而进行有目的的选择。

3.2 矿质元素是作物生长和产量形成中不可或缺的营养元素

在作物生长和产量形成过程中，矿质元素发挥着至关重要的作用，这些元素包括铁、锌、钾、钙、钠等，它们是植物生长和发育所必需的。例如，铁是植物体内重要的微量元素之一，参与了植物体内许多重要的生化反应；锰是植物体内多种酶的辅助因子，对植物的光合作用和呼吸作用具有重要作用；锌是植物体内多种酶的组成成分，对植物的生长发育和产量形成具有重要的作用；铜是植物体内多种酶的辅助因子，对植物的呼吸作用和细胞壁的合成具有重要的作用；钾、钙、钠、镁等元素则是植物体内重要的无机盐离子，对植物的生长发育和产量形成具有重要的作用。因此，在水稻品种选育过程中有必要依据不同水稻品种矿质元素的需求特性和土壤条件，制定出合理的施肥方案，以满足不同水稻品种对矿质元素的需求，同时也应避免矿质元素施肥过量的问题。

3.3 隶属函数值和聚类分析在水稻品种（系）选育方面具有重要的应用价值

通过品种比较试验筛选出优质水稻品种，是实现当地水稻种植高产的重要途径^［19-20］。水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，良种选育是提高水稻产量和效益最经济、最简单、最有效的途径。为了评价水稻品种的品质，不应只在某一维度进行评价，而应在多个指标进行综合评价。利用聚类分析和隶属函数法对作物品种进行综合评价在油菜、番茄等作物中得到了初步应用，陈敬东等利用该方法对油菜种质苗期耐低氮胁迫能力进行分析，筛选出不同类型的油菜材料：低氮胁迫耐受型材料、低氮胁迫敏感型材料和低氮胁迫中间型材料^［21］。蔡润等在番茄品种选育中利用该方法，筛选出3个综合品质较好的番茄品种^［22］。季新等通过隶属函数法分析，筛选到山稻、Y-9（黄白）、浙白和黑宝糯等4个苗期综合耐盐性强的特种稻种质资源^［23］。本研究经过隶属函数和聚类分析可知，金稻919、津原黑1号和津稻179为较好的水稻品种。在进行相关分析时发现，镁元素含量和锌元素含量之间相关系数最高，呈极显著正相关关系。这是因为镁和锌都属于光合元素，能促进光合作用，同时能够促进蛋白质的代谢^［24］。此外，Zn和Cu拥有共同的转运蛋白，二者之间具有竞争性^［25］，但是本研究结果显示，Zn含量和Cu含量呈现极显著正相关关系，这可能是因为阳离子诱导了相关转运蛋白的合成^［26］，其机制可能比较复杂，有待进一步研究。

4 结论

水稻是我国重要的粮食作物之一，它不仅在保障我国粮食安全方面扮演着重要角色，还对促进农业发展和提高人们生活水平具有至关重要的意义。本研究以天津农学院农业分析实验室保留的18个不同水稻品种（系）为研究对象，通过对水稻幼苗超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性及矿质元素的含量等14个生理学指标进行隶属函数和聚类分析，结果表明，在各指标间相关性分析中，镁元素和锌元素之间相关系数最大，其相关性最强；经聚类分析将18个品种（系）分为3类；通过隶属函数分析可知，18个水稻品种（系）排序前三的是金稻919、津原黑1号和津稻179。将隶属函数法和聚类分析的结果进行综合分析可知，金稻919、津原黑1号和津稻179都在同一类群，且D值排序中也排在前3位。此研究结果不仅有助于更好地了解不同水稻品种的生理学特性，而且也为水稻育种和栽培提供了有价值的参考。

参考文献：

［1］巫明明，曾 维，翟荣荣，等. 水稻耐盐分子机制与育种研究进展［J］. 中国水稻科学，2022，36（6）： 551-561.

［2］王 艳，路 辉. 水稻栽培技术与农业机械对水稻高产的影响［J］. 农业灾害研究，2022，12（8）：194-196.

［3］黄 振，彭 勇，杨定照，等. 优质三系杂交水稻新品种隆晶优8129的选育［J］. 湖南农业科学，2023（10）：15-18.

［4］刘朝东，李惠珠，陶计叁，等. 江门地区优良水稻新品种筛选试验［J］. 现代农业科技，2016（6）：45-46，55.

［5］王 瑞，何之龙，张 震，等. 基于主成分分析及隶属函数法评价氮素形态对油茶苗木的影响［J］. 中南林业科技大学学报，2023，43（10）：11-19.

［6］张亚东. 镉对不同水稻品种生理生化及代谢组学影响的研究［D］. 天津：天津农学院，2021.

［7］廖展如，张 舒，石巨恩，等. 双核铜（Ⅱ）、铁（Ⅲ）、锰（Ⅱ）模型化合物的超氧化物歧化酶活性检测：氮蓝四唑光还原法［J］. 华中师范大学学报（自然科学版），1993，27（2）： 71-77.

［8］李忠光，龚 明. 愈创木酚法测定植物过氧化物酶活性的改进［J］. 植物生理学通讯，2008，44（2）：323-324.

［9］王学奎. 植物生理生化实验原理和技术［M］. 2版.北京：高等教育出版社，2006.

［10］赵英永，戴 云，崔秀明，等. 考马斯亮蓝G-250染色法测定草乌中可溶性蛋白质含量［J］. 云南民族大学学报（自然科学版），2006，15（3）：235-237.

［11］王小玲，刘腾云，幸学俊，等. 硅对Cd、 Pb、 Cu、 Zn正交胁迫下水稻丙二醛含量的影响［J］. 湖北农业科学，2016，55（22）：5771-5776.

［12］蔡 红，沈仁芳. 改良茚三酮比色法测定土壤蛋白酶活性的研究［J］. 土壤学报，2005，42（2）：306-313.

［13］薛天源，鲁金春子，何思晓，等. 286份甘蓝型油菜种质苗期耐盐碱性综合评价［J］. 植物遗传资源学报，2024，25（3）： 356-372.

［14］黄春燕，苏文斌，樊福义，等. NaCl胁迫对不同苗龄甜菜生长及生理特性的影响［J］. 华北农学报，2019，34（5）：163-169.

［15］杨淑红，宋德才，刘艳萍，等. 土壤干旱胁迫和复水后3个杨树品种叶片部分生理指标变化及抗旱性评价［J］. 植物资源与环境学报，2014，23（3）：65-73.

［16］孟凡茹，郭卫丽，赵戴军，等. 瓜类蔬菜砧木耐镉研究进展［J］. 河南科技学院学报（自然科学版），2020，48（5）：15-21.

［17］杨 蕾，张云贵，洪 林，等. 柑橘青苔病发生规律及防治方法浅析［J］. 南方农业，2019，13（25）： 28-31.

［18］兰海霞. Pb、Cd及复合污染对茶树生理生态效应的研究［D］. 雅安：四川农业大学，2008.

［19］吴 炼，胡 雄，李 鹏，等. 不同水稻品种生长特性比较分析［J］. 农业科技与信息，2023，20（10）：74-77，87.

［20］曾 宇，农保选，夏秀忠，等. 广西不同品种有色稻米营养及功能性成分比较分析［J］. 南方农业学报，2023，54（11）：3314-3327.

［21］陈敬东，余 忆，鲁金春子，等. 基于隶属函数法对甘蓝型油菜种质苗期耐低氮胁迫能力的综合评价［J］. 江苏农业科学，2023，51（14）：124-133.

［22］蔡 润，孙正梁，胡京昂，等. 不同口感型番茄品种的品质鉴定及多元统计分析［J］. 中国蔬菜，2023（11）：87-97.

［23］季 新，肖 迪，张佳会，等. 特种稻种质资源耐盐性综合评价及耐盐种质筛选［J］. 种子，2023，42（5）：110-117.

［24］商佳胤. 镁、铁等六种元素对三个葡萄品种生理特性的影响［D］. 兰州：甘肃农业大学，2007.

［25］韩潇潇，任兴华，王培培，等. 叶面喷施锌离子对水稻各器官镉积累特性的影响［J］. 农业环境科学学报，2019，38（8）： 1809-1817.

［26］彭伟正，刘 璐，杨 斌，等. 不同营养环境条件下铜、锌、锰等二价金属营养元素对水稻吸收运转镉的调控［J］. 激光生物学报，2018，27（5）：474-480.