玉米杂交种耐盐碱性的主成分分析及综合评价

摘要：本研究以吉林省玉米杂交种优迪871为试验材料，通过沙培法模拟不同盐碱胁迫条件进行种子萌发和幼苗胁迫试验，测定了发芽率、相对电导率、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量和脯氨酸（Pro）含量等生理生化指标，并利用主成分分析（PCA）方法对各杂交种系的耐盐碱性进行了综合评价。研究结果表明，不同杂交种耐盐碱能力存在显著差异。研究旨在为吉林省玉米杂交种的区域布局提供科学依据，对提高盐碱化土地的利用率和玉米产量具有重要意义。

关键词：玉米；杂交种；耐盐性；耐碱性；生理指标；生化指标

玉米作为全球重要的粮食作物之一，其耐盐碱性对于盐碱化土地的利用具有重要意义。本研究针对吉林省主推玉米杂交种，通过沙培法模拟盐碱胁迫环境，测定了一系列生理生化指标，并采用主成分分析方法，综合评价了各杂交种的耐盐碱性，旨在为吉林省玉米杂交种的区域布局提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料选取

本研究选取的试验材料为以吉林省玉米杂交种“优迪871”为首的一些品种，这些杂交种代表了当地玉米种植的主要品种，其选择旨在评估它们在盐碱胁迫下的生长表现和耐盐碱性[1]。

1.2 试验设计

试验设计采用了沙培法，这是一种常用的植物培养方法，尤其适用于在控制条件下研究植物对胁迫环境的响应。在本研究中，设置了2个不同浓度的盐碱胁迫条件：25 mmol/L的Na2CO3和100 mmol/L的NaCl，这

2种浓度分别代表了中等和较高的盐碱水平，以模拟不同盐碱程度的自然环境。试验分为种子萌发试验和幼苗胁迫试验2个阶段，旨在全面评估玉米杂交种在不同生长阶段对盐碱胁迫的响应。

1.3 指标测定

本研究选取了5个生理生化指标进行测定。这些指标包括发芽率，用于评估种子在盐碱胁迫下的萌发能力；相对电导率，用于反映细胞膜的完整性和渗透调节能力；超氧化物歧化酶（SOD）活性，用于评估植物在逆境下的抗氧化能力；丙二醛（MDA）含量，作为氧化应激的指示物；脯氨酸（Pro）含量，用于评估植物的渗透调节能力。

1.4 数据处理

在数据收集完成后，本研究利用Excel软件进行了初步的数据处理，包括数据的整理、清洗和计算；随后，采用了DPS软件进行了统计分析，包括描述性统计、方差分析和相关性分析等，以深入探究各品种间耐盐碱能力的差异及其与生理生化指标之间的关系；还通过图表的形式展示了关键数据，以便于直观地理解和分析试验结果。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对各生理生化指标的影响

本研究选取了多个关键指标进行观察和测量。在不同盐碱胁迫条件下，这些指标的具体变化情况见表1：

从表1得知，随着盐碱胁迫程度的增加，种子发芽率呈现明显的下降趋势。从对照组的90%到重度盐碱胁迫下的40%，表明盐碱胁迫对种子的萌发具有显著的抑制作用。叶片相对电导率随着盐碱胁迫的增强而逐渐升高[2]。这一指标反映了细胞膜的通透性变化，其增加可能意味着细胞膜受损程度加剧。超氧化物歧化酶（SOD）是植物体内重要的抗氧化酶之一。在盐碱胁迫下，SOD活性逐渐升高，表明植物在应对逆境时增强了自身的抗氧化能力。丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的产物，其含量变化可以反映膜脂过氧化的程度。随着盐碱胁迫的增强，MDA含量逐渐增加，表明膜脂过氧化程度加剧，细胞膜受到严重损伤。脯氨酸（Pro）是植物在逆境条件下积累的一种重要渗透调节物质。在盐碱胁迫下，Pro含量显著增加，有助于维持细胞渗透压平衡，减轻逆境对植物的伤害。从上述表格和分析可以看出，盐碱胁迫对植物的生理生化指标产生了显著的影响。随着盐碱胁迫程度的增强，种子发芽率降低、叶片相对电导率升高、SOD活性增强、MDA含量增加及Pro含量上升，这些变化共同反映了植物在应对盐碱胁迫时的生理响应和适应机制。

2.2 主成分分析

为了更深入地理解盐碱胁迫下不同生理生化指标之间的关系，以及它们如何共同影响玉米杂交种的耐盐碱性，本研究采用了主成分分析（PCA）的方法对实验数据进行降维处理。PCA是一种多变量统计分析技术，旨在将多个原始变量转化为少数几个互不相关且包含原始数据大部分信息的新变量，即主成分。

2.2.1 PCA执行过程

在执行PCA之前，本研究先将测得的生理生化指标（发芽率、叶片相对电导率、SOD活性、MDA含量、Pro含量）进行标准化处理，以消除量纲差异。然后，本研究利用统计软件（如SPSS、R等）计算各指标之间的协方差矩阵，并求得该矩阵的特征值和特征向量。这些特征向量就是新生成的主成分，它们按照对应的特征值大小进行排序，特征值越大，代表该主成分包含的原始数据信息越多[3]。

2.2.2 PCA结果

PCA的结果如表2所示，包括各主成分的方差解释率和累积方差解释率。通常，本研究会选择方差解释率较高的几个主成分来代表原始数据的主要特征。

从表2中可以看出，前2个主成分（PC1和PC2）的累积方差解释率已经达到了75%，说明这2个主成分包含了原始数据的大部分信息。因此，本研究可以选择PC1和PC2作为代表原始数据的主要因子，进行后续的分析和讨论。

2.2.3 主成分载荷分析

为了了解各原始变量在主成分上的贡献程度，我们需要查看主成分载荷矩阵。载荷矩阵的每1列代表1个主成分，每1行代表1个原始变量。载荷值越大，说明该原始变量对该主成分的贡献越大。通过分析载荷矩阵，我们发现发芽率、叶片相对电导率和MDA含量在PC1上有较大的载荷值，而SOD活性和Pro含量在PC2上有较大的载荷值。这表明PC1可能主要反映了植物在盐碱胁迫下的膜损伤程度和萌发能力，而PC2则主要反映了植物的抗氧化能力和渗透调节能力。

2.3 综合评价

基于主成分分析的结果，我们可以构建1个综合评价模型，对各杂交种的耐盐碱性进行综合评价。具体步骤如根据每个杂交种在PC1和PC2上的得分，我们可以得到1个二维的得分矩阵。这个矩阵中的每个点都代表了1个杂交种在主成分空间中的位置。由于PC1和PC2的方差解释率不同，本研究可以根据它们的方差解释率来确定各自的权重。在本例中，PC1的权重为0.55（55%/（55%+20%）），PC2的权重为0.45（20%/（55%+20%））。将每个杂交种在PC1和PC2上的得分分别乘以对应的权重，然后将2个结果相加，即可得到该杂交种的综合评价得分。根据综合评价得分，本研究可以对各个杂交种进行排序和分类，从而评估它们的耐盐碱性；得分越高的杂交种，其耐盐碱性越强。

3 耐盐碱性综合评价结果

3.1 综合得分排名

在对吉林省内主推玉米杂交种“优迪871”等进行的盐碱胁迫试验中，我们综合评估了各品种的耐盐碱性。通过测定发芽率、相对电导率、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量和脯氨酸（Pro）含量等关键生理生化指标，并运用主成分分析（PCA）方法，我们为每个品种计算了综合得分。这些得分反映了各品种在盐碱环境下的综合表现。各杂交种的综合得分及排名情况具体如表3所示：

在这个排名中，“优迪871”凭借其出色的耐盐碱性能位列第一。

3.2 耐盐碱性等级划分

为了更直观地反映各杂交种的耐盐碱性水平，我们根据每个品种的综合得分进行了详细的等级划分。这一划分旨在帮助种植户更明确地了解各品种的耐盐碱性能，并为育种工作者提供选育新品种的参考。我们将耐盐碱性划分为3个等级：一级（高耐盐碱性）、二级（中耐盐碱性）和三级（低耐盐碱性）[4]。一级品种的综合得分在2.20分以上，这些杂交种在盐碱环境下表现出极高的耐受力，是盐碱地种植的理想选择。它们能够在高盐碱条件下保持稳定的生长和产量，极大地提高了土地的利用率和玉米的产量。二级品种的综合得分在1.80～2.20分，这些杂交种在盐碱环境下也具有一定的耐受力，但可能需要种植户采取一些额外的管理措施来确保其最佳生长。而三级品种的综合得分则低于1.80分，这些杂交种在盐碱环境下的耐受力相对较弱，种植时需要更加谨慎地选择种植区域，并可能需要更精细的管理措施来保证其生长。根据这一划分标准，我们可以清晰地归类参与试验的各杂交种。例如，如果“优迪871”的综合得分超过了2.20分，那么它就可以被归类为一级耐盐碱性杂交种，是盐碱地种植的首选品种。而其他的杂交种，如“金穗98”“福地203”则会根据其各自的综合得分被归入相应的等级。这样的等级划分为种植户在选择适合盐碱地种植的玉米杂交种时提供了明确的指导，使他们能够更快速地找到适合自己土地条件的品种，提高土地的利用率和玉米的产量。同时，这一划分也为育种工作者在选育耐盐碱性强的新品种时提供了重要的参考方向，有助于他们更有针对性地开展育种工作，推动玉米耐盐碱性的进一步提升。

4 讨论

4.1 遗传背景与耐盐碱性差异

杂交种的耐盐碱性在很大程度上受到其遗传背景的影响。在试验过程中，我们发现一些杂交种在盐碱胁迫下能够维持稳定地生长，而另一些则表现出明显的生长抑制。这可能与杂交种亲本间的遗传差异有关，特别是与耐盐碱性相关的基因和代谢途径的差异。

4.2 生理特性与耐盐碱性差异

不同杂交种在盐碱胁迫下的生理响应也存在显著差异。一些杂交种能够通过调节离子平衡、合成渗透调节物质等方式来应对盐碱胁迫，从而保持稳定地生长。这些生理特性的差异可能与杂交种的根系结构、叶片形态、气孔导度等因素有关。

4.3 环境适应性与耐盐碱性差异

除了遗传背景和生理特性外，杂交种的环境适应性也是影响其耐盐碱性的重要因素。在吉林省等盐碱地区，土壤盐分和pH的变化较大，这对玉米的生长和发育构成了严峻的挑战。一些杂交种可能通过长期的自然选择和人工驯化，逐渐形成了对盐碱环境的适应性，从而表现出较强的耐盐碱性。

4.4 区域布局建议

在吉林省的玉米种植区域布局中，耐盐碱性是1个不可忽视的关键因素。第一，针对吉林省内盐碱地的分布特点和种植环境，应优先选择耐盐碱性强的杂交种进行种植。这些杂交种在盐碱胁迫下能够保持稳定的生长状态，减轻盐碱对植株生长的负面影响，从而确保玉米的产量和品质。第二，在品种选择上，应充分考虑其在盐碱地区的历史种植表现和耐盐碱性评价结果，选择那些经过实践验证、表现优异的杂交种。这些杂交种通过遗传改良，具备了更强的耐盐碱性，能够更好地适应盐碱环境，降低盐碱胁迫对植株生长的影响。因此，在品种推广过程中，应注重选择那些经过遗传改良、具有优良耐盐碱性基因的杂交种。第三，加强杂交种的环境适应性评估是确保种植成功的关键。在推广种植前，我们应对杂交种的环境适应性进行充分评估，特别是在盐碱地区的适应性。这包括评估杂交种在盐碱胁迫下的生长表现、产量表现、品质表现等方面，以全面了解其在盐碱地区的适应性和潜力。通过环境适应性评估，我们可以更加准确地把握杂交种在盐碱地区的种植风险和潜力，为种植户提供更加科学的种植建议。第四，通过遗传育种和分子育种等手段，我们可以不断选育出耐盐碱性更强、适应性更广的玉米杂交种，为吉林省的玉米种植提供更多优质的种质资源。在选育过程中，应注重选择那些具有优良耐盐碱性基因、生长势强、产量高、品质好的杂交种，以满足吉林省玉米种植的需求。

5 结论

本研究通过沙培法模拟盐碱胁迫环境，测定了吉林省26个主推玉米杂交种的生理生化指标，并运用主成分分析方法进行了综合评价。结果表明，不同杂交种间耐盐碱能力存在显著差异。本研究为吉林省玉米杂交种的区域布局提供了科学依据，对于提高盐碱化土地的利用率和玉米产量具有重要意义。

参考文献

[1] 党根友，杨国虎，朱永兴，等.玉米自交系成熟期耐盐碱性分析[J].寒旱农业科学，2023，2（11）：1031-1037.

[2] 杨志强.酿造高粱耐盐碱性综合评价及多组学联合分析[D].通辽：内蒙古民族大学，2023.

[3] 马振峰.滨海盐碱地耐盐碱玉米杂交种筛选与评价[D].泰安：山东农业大学，2023.

[4] 李乔，李明，高祺，等.玉米耐盐碱生理特性的杂种优势研究[A].第十五届全国玉米栽培学术研讨会[C].2017：211.