不同質源水稻材料氮利用效率的聚類分析

摘要：選取100份不同質源的水稻（Oryza sativa L.）材料，通過施氮與不施氮對比試驗，以單株有效穗數、每穗實粒數、千粒重、株高及全生育期為指標進行聚類分析。結果表明，參試材料可分為5類，其中第Ⅱ類集中了全部氮高效利用材料，其氮高效系數（DC）中心值達到93.6，表現出較強的氮高效利用特性；其次為第Ⅳ類，中心值為89.8；中心值最小的為第Ⅲ類，為81.9，表明該類材料在低氮脅迫下受害程度最大；其余表現一般。

關鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；氮利用效率；聚類分析

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4717-03

Cluster Analysis of Nitrogen Efficiency of Rice Genotypes

YAN Ming-jian，HUANG Wen-zhang，HU Jing-tao，L？譈 Zhi-wen，LEI Shu-fan，HUANG Cheng-zhi

（The Chongqing Three Gorges Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 404155， China）

Abstract：Taking 100 rice genotypes as material， cluster analysis was conducted using efficient tiller number per plant， grain number per spike， plant height， whole growth period and 1 000-grain weight as indicator in comparative test between N treatment and none-N treatment. The results showed that the materials could be divided into 5 classes. Materials with high nitrogen utilization efficiency were clustered into classⅡ， the DC central value of which was as high as 93.6. The central value of class Ⅳ（89.8） was the second high. The materials of class Ⅲ， of which the central value（81.9） was the smallest， would suffer the most serious damage under low nitrogen stress. The other materials had ordinary performance.

Key words：rice（Oryza sativa L.）； nitrogen efficiency； cluster analysis

氮是植物必需的營養元素， 在作物的生長發育、新陳代謝中起著不可替代的作用。在現代農業生產中往往依靠施用大量氮肥來維持作物產量，而增施氮肥的直接后果是大量資源的浪費和一系列的環境問題[1]。鑒于不同基因型作物對低氮脅迫的自身調節能力存在差異[2]，通過發掘作物氮高效利用的遺傳潛力選育耐低氮作物品種已經成為解決氮素障礙最經濟有效的途徑之一[3]。水稻（Oryza sativa L.）氮利用效率的基因型差異已有報道[4-6]， 但對耐低氮水稻材料的篩選還沒有統一的指標。本研究考察了兩種施氮水平下100份不同質源水稻材料的5個性狀，借助于抗旱鑒定的方法，通過對各性狀的氮利用效率進行聚類分析，從中篩選出氮高效利用水稻材料，以期為氮高效利用新品種的選育提供基礎材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

所用水稻材料來自于中國科學院遺傳資源所，為100份不同質源水稻材料，具體來源及編號見表1。

1.2 試驗地點及設計

1.2.1 試驗地點及肥力 試驗地點設在重慶市三峽農業科學院高鋒試驗基地。試驗地土壤有機質含量2.23%，pH 6.1，堿解氮138.04 mg/kg，有效磷13.49 mg/kg，有效鉀85.66 mg/kg。

1.2.2 試驗設計 試驗設正常施氮與不施氮2個處理，正常施氮處理（對照）：施尿素75 kg/hm2、復合肥375 kg/hm2、磷肥225 kg/hm2和鉀肥75 kg/hm2；不施氮處理：磷肥225 kg/hm2，鉀肥75 kg/hm2。2011年3月18日播種，采用水田濕潤地膜育秧，4月25日單苗移栽，株距16.6 cm，行距26.6 cm，每個材料種植3行，每行12株，設3次重復。

1.3 調查項目

株高、始穗期、單株有效穗數、千粒重、每穗實粒數。

1.4 統計分析方法

氮高效系數（DC）=氮脅迫下的性狀值（Yd）/非氮脅迫下的性狀值（Dp）×100[7]。

運用SPSS軟件對考察性狀進行方差分析，以歐式距離作為距離系數，對DC進行聚類，聚類過程中初始中心點的選取為系統默認，迭代次數為10次[8，9]。

2 結果與分析

2.1 不同質源水稻材料各性狀的差異顯著性

對株高、始穗期、單株有效穗數、千粒重、每穗實粒數5個性狀的考查數據進行方差分析（表2）表明，5個性狀材料間差異均達極顯著水平，表明供試的100份材料在同一性狀上具有較大差異，類型豐富；處理間除千粒重差異達顯著水平外，其余4個性狀處理間差異均達極顯著水平，表明千粒重受低氮脅迫影響較其他4個性狀小。方差分析結果表明該試驗結果能夠真實反映這些材料在低氮脅迫下氮利用效率的遺傳差異性，用這些材料進行聚類分析，能夠真實反映這些材料的DC分類結果。

2.2 不同質源水稻材料各性狀表現

與對照相比，各性狀均值在不施氮處理下均較對照降低，但不同材料間降低程度明顯不同，表明不同基因型材料在氮利用效率上存在明顯差異。表3表明，各性狀在不施氮處理下單株有效穗數減幅最大，平均為22.11%，其次為每穗實粒數，減幅為15.70%，再次為株高和始穗期，千粒重減幅最小。

變異系數的大小能反映不同性狀的遺傳差異，通過DC的轉化，消除了量綱的影響，可直接對變異系數進行比較，變異系數值越大，表明對性狀的影響程度越大，反之，對性狀的影響程度越小。從表3可以看出，5個性狀受低氮脅迫影響的順序為：單株有效穗數>每穗實粒數>株高>始穗期>千粒重。

2.3 不同質源水稻材料的聚類分析結果

以株高、始穗期、單株有效穗數、千粒重、每穗實粒數5個性狀作為聚類指標，計算各性狀的氮高效系數，再采用歐式距離法進行聚類分析。通過聚類可將100份參試材料分為5類（表4）。

DC聚類中心值的大小能反映出不同材料對氮脅迫的受害程度，值越大受害程度越小，反之，受害程度越大。從表5聚類中心值可以得出，在5類中，中心值最大的是第Ⅱ類，為93.6，表明該類材料氮利用效率較好，受低氮脅迫的受害程度最小；其次為第Ⅳ類，中心值為89.9；中心值最小的為第Ⅲ類，為81.9，表明該類材料在低氮脅迫下受害程度最大；其余表現一般。

第Ⅱ類材料中，始穗期、千粒重的DC均在90以上（表5），表明在低氮脅迫下，該類材料生育時期及千粒重均與正常施肥差異較小，表現出氮高效利用特性。在這15份材料中，DC均值大于94的材料有編號為15、77、78、81及85的材料，這些材料可作為氮高效利用親本材料使用；在第Ⅳ類材料中，個別材料的個別性狀表現優良，如42和95號，其單株有效穗數、始穗期和千粒重的DC較大，表現出較強的氮高效利用特性，其DC均在90以上，可作為特殊性狀使用（表6）。

3 討論

通過利用植物遺傳多樣性，選擇能高效吸收和利用土壤中營養元素的基因型來改良作物是以后作物育種的新方向之一[10]。近年來，隨著人們對環境保護意識的加強，氮高效利用品種的選育已受到研究人員的廣泛關注。人們試圖選用氮高效利用品種來提高氮肥利用效率、降低氮肥施用量，以減少環境污染[11]。目前在低氮條件下水稻品種氮素利用效率、遺傳力和產量有關性狀的相關關系等研究相繼有一些報道[2，5]，氮肥高效研究與評價指標目前還不完善。

通過直觀比較各性狀DC的變異系數，5個性狀對低氮脅迫的耐性順序為：單株有效穗數<每穗實粒數<株高<始穗期<千粒重，表明在低氮脅迫下，對單株有效穗數及每穗實粒數影響最大，千粒重影響最小。

本研究以株高、始穗期、單株有效穗數、千粒重、每穗實粒數5個性狀為指標，通過對其DC進行聚類分析，將100份不同質源材料分成5類，第Ⅰ類包括1、2號在內的31份材料，第Ⅱ類包括4、15號在內的15份材料，第Ⅲ類包括3、12號在內的5份材料，第Ⅳ類包括9、25號在內的19份材料，第Ⅴ類包括5、7號在內的30份材料。

第Ⅱ類集中了全部氮高效利用材料，其DC聚類中心值達到93.6；在這15份材料中，DC聚類中心值大于94的材料有15、77、78、81及85號，這部分材料可作為氮高效利用親本材料使用；在第Ⅳ類材料中，個別材料的個別性狀表現優良，如42和95號，其單株有效穗數、始穗期和千粒重表現出較強的氮高效利用特性，可作為特殊性狀使用；氮利用效率最差的為第Ⅲ類，DC聚類中心值為81.9，表明該類材料在氮脅迫下受害程度最大；其余表現一般。

參考文獻：

[1] CONWAY G R， PRETTY J N. Fertilizer risks in the developing countries[J]. Nature，1998，334：207-208.

[2] 顏 軍，楊德光.4個玉米品種氮素利用效率的比較研究[J].玉米科學，2010（2）：91-95.

[3] 嚴小龍，張福鎖.植物營養遺傳學[M].北京：中國農業出版社，1997.106-118.

[4] 曹桂蘭，張媛媛，樸鐘澤.水稻不同基因型耐低氮能力差異評價[J].植物遺傳資源學報，2006，7（3）：316-320.

[5] 楊靖民.不同基因型水稻對施用氮肥的響應及氮效率研究[D].長春：吉林農業大學，2004.

[6] 鄭家奎，文春陽，張 濤，等.耐低氮水稻材料篩選及篩選指標研究[J].安徽農業科學，2009，37（16）：7361-7363，7377.

[7] 黎 裕.作物抗旱鑒定方法與指標[J].干旱地區農業研究，1993（1）：91-95.

[8] 周 吉，徐 萍，李國強，等.不同水旱地小麥品種聚類分析及其利用模式研究[J].麥類作物學報，2009，29（5）：809-813.

[9] 李 艷，董中東，崔黨群，等.133份小麥親本材料氮磷利用效率的聚類分析[J].中國農學通報，2005，21（1）：76-78.

[10] 李繼云，劉秀娣，周 偉，等.有效利用土壤營養元素的作物育種新技術研究[J].中國科學（B輯），1995，25（1）：41-47.

[11] 羅志祥，蘇澤勝，施伏芝，等.氮肥高效利用水稻育種的現狀與展望[J].中國農學通報，2003，19（1）：66-68.

收稿日期：2012-03-01

基金項目：重慶市重點項目（CSTC，2010AA1013；CSTC，2010AA1019；CSTC，2010AA1033）；農業部水稻產業體系項目（CARS-01-14）；

重慶市萬州區攻關項目

作者簡介：嚴明建（1959-），男，四川南充人，研究員，主要從事水稻育種與栽培研究，（電話）023-58800351（電子信箱）yamj@sina.com。