基于隸屬函數法和主成分分析評價玉米萌發期抗旱性

鄒成林， 黃開健， 翟瑞寧， 黃愛花， 莫潤秀， 韋新興， 楊 萌， 黃艷芬， 王呤燕， 盧紅雨

(1.廣西壯族自治區農業科學院玉米研究所，廣西南寧 530007； 2.廣西農業職業技術大學，廣西南寧 530007)

玉米是我國最重要的三大作物之一，在作為糧食、飼料和工業原料等方面具有無可替代的重要作用。干旱是限制我國玉米產業發展的重要環境因素，能導致玉米減產10%～25%，嚴重時甚至高達50%。種子萌發期是玉米生長的關鍵階段，這一時期需水量最少，但對水分卻最為敏感，該時期若缺水將嚴重限制種子萌發，導致缺苗、苗弱和苗不齊，嚴重影響玉米整個生長周期的發育。

對種子萌發期進行研究，通常使用聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模擬干旱脅迫，不同濃度可模擬不同程度干旱脅迫。PEG-6000處理已成為鑒定種子抗旱能力的重要方法，在水稻、小麥、大豆、花生和牧草等方面均有普遍研究。在玉米萌發期抗旱性研究方面也有較多報道，在抗旱指標選擇上，一般研究認為玉米種子的發芽勢、發芽率、萌發指數、胚根數目和長度、胚芽長、貯藏物質轉運率等性狀可作為玉米萌發期抗旱性的重要指標。PEG-6000溶液處理后，種子萌發特性相關各項指標與清水對照處理相比均會有不同程度的下降，表明PEG-6000溶液具有限制玉米萌發的作用，且隨著其濃度的提高限制作用越明顯。在抗旱評價方法上，通常將多項種子萌發指標進行綜合分析，統籌運用抗旱系數、抗旱指數、主成分分析、隸屬函數法和聚類分析等來判斷不同玉米材料或品種的抗旱性。

廣西玉米主要種植在丘陵和山區，大多無灌溉條件，受季節性影響，雨水分布不勻，導致春旱、秋旱時常發生，春旱影響春玉米適時播種和出苗全苗，秋旱影響秋玉米授粉灌漿，嚴重制約了玉米產量的提高。作者前期研究已對廣西玉米品種開花期抗旱性進行了鑒定和評價，最終鑒定出5個開花期抗旱性較強的品種。對玉米萌發期抗旱性特性也進行了初步研究，確定了模擬中度干旱脅迫的最適PEG-6000濃度為15%或20%。因此，在此基礎上，本研究以12個廣西近幾年新選育的玉米品種為供試材料，用15%濃度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫處理，測定種子的發芽勢、發芽率、萌發指數、胚根長、胚芽長、胚根干質量、胚芽干質量和貯藏物質轉運率等8個指標，計算各指標的抗旱系數，通過隸屬函數法和主成分分析綜合評價供試品種的抗旱性，為廣西抗旱性玉米品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年3月在廣西壯族自治區農業科學院進行。供試玉米品種12個，分別為桂單663(桂審玉2020011號)、兆玉215(桂審玉2020090號)、桂單660(桂審玉2019088號)、桂單666(桂審玉2019015號)、桂單668(桂審玉2020004)、桂單669(桂審玉2020012號)、桂單671(桂審玉2020081號)、桂單673(桂審玉2019092號)、兆玉200(桂審玉2019093號)、桂單203(國審玉20200464號)、桂單658(桂審玉2019011號)和桂單662(桂審玉2019011號)，均由廣西壯族自治區農業科學院玉米研究所選育及審定。

1.2 試驗設計

每個品種選30粒種子，要求大小一致、均勻飽滿，用75%乙醇浸泡種子3 min進行消毒，用滅菌蒸餾水沖洗3遍后將種子置于濾紙上吸干水分。將3張滅菌后的濾紙均勻放到尺寸為11.5 cm×11.5 cm×5.0 cm的發芽盒內，在發芽盒內加入 20 mL 濃度為15%的PEG-6000溶液進行干旱脅迫處理，加入20 mL蒸餾水作為對照處理。用鑷子將種子均勻放到發芽盒內的濾紙上，每個品種干旱脅迫和對照處理均設3個重復。將放入種子的發芽盒置于人工氣候箱，設置恒溫25 ℃、相對濕度80%。以胚芽長出2 mm為發芽標準，每隔24 h記錄1次，連續記錄8次，并在第9天每個處理選取10株幼苗，測定胚根長、胚芽長、胚根干質量、胚芽干質量和剩余種子籽粒干質量。

1.3 測定指標及方法

發芽勢=(第4天種子發芽數/供試種子總數)×100%；

發芽率=(第7天種子發芽數/供試種子總數)×100%；

萌發指數=1.00×+0.75×+0.50×+0.25×(其中、、、分別為第2、4、6、8天的種子發芽率)；

貯藏物質轉運率=[(芽+根)干質量]/[(芽+根+子粒)干質量]×100%；

抗旱系數=指標干旱測定值/指標對照測定值。

隸屬函數法：用公式=(-)/(-)計算各指標在不同品種中的具體隸屬函數值()。式中：為不同品種某指標測定值的抗旱系數；和分別為所有品種該指標抗旱系數的最大值和最小值。然后根據各指標的變異系數()占所有指標變異系數之和的比例來確定各指標所占的權重系數，計算每個自交系的綜合隸屬函數值，依據值劃分各自交系抗旱性強弱。將隸屬函數值評價抗旱性標準定為：值≥07為抗旱性強品種，04≤值<07為抗旱性中等品種，值<04為抗旱性弱品種。

1.4 數據處理與分析

為減少各品種間自身的差異，對各指標測定的值均采用抗旱系數，即干旱脅迫測定值與對照測定值之比來表示。采用Excel 2007整理數據、計算各項指標隸屬函數值及綜合隸屬函數值。用DPS 16.05統計分析軟件進行方差分析、相關性分析、主成分和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同玉米品種萌發期各項指標的抗旱系數分析

由表1可知，不同玉米品種萌發期各萌發性狀指標抗旱系數幾乎均小于1，說明在干旱脅迫下各性狀指標均受到了不同程度的抑制。

表1 不同玉米品種萌發期各項指標的抗旱系數

發芽勢方面，抗旱系數變化范圍為0.527～0.838，其中，最高的為桂單662和桂單203，兩者均達到了0.838，與兆玉215、桂單666和桂單671無顯著性差異，顯著高于其他品種；最低為桂單668，與桂單673、桂單663、桂單660和桂單658無顯著性差異，顯著低于其他品種。發芽勢決定著出苗的整齊程度，發芽勢高，出苗整齊，苗生長一致。桂單662、桂單203、兆玉215、桂單666和桂單671發芽勢抗旱系數較高，其種子在干旱脅迫下仍然有較強的生命力。

發芽率方面，抗旱系數變化范圍為0.845～1.000，變化幅度較小，說明干旱脅迫對各品種發芽率的影響相對較小，其中桂單203的抗旱系數為1.000，說明其在干旱脅迫下的發芽率與正常對照情況下的相當，具有較強的抗旱性；排在前列的桂單203、桂單671和兆玉215等8個品種之間均無顯著性差異。

萌發指數方面，抗旱系數變化范圍為0.617～0.915，兆玉215達到0.915，顯著高于其他品種；最低的為桂單658，與桂單668和桂單662無顯著差異，顯著低于其他品種。種子萌發指數越高，其萌發能力越強。兆玉215萌發指數最高，說明其在干旱脅迫下相比對照仍然具有較強的萌發能力，能很好地適應干旱環境。

胚根長方面，抗旱系數變化范圍為0.650～0.940，較高的為桂單203、兆玉215、兆玉200、桂單671和桂單662，它們之間無顯著性差異；較低的為桂單658、桂單673和桂單668。根是玉米吸收水分的重要器官，干旱脅迫不同程度抑制了各品種對水分的吸收。

胚芽長方面，抗旱系數變化范圍為0.539～0.845，較高的為桂單662、桂單671、兆玉215和桂單203，它們間無顯著性差異；較低的為桂單669、桂單668、桂單660、桂單658和桂單673。干旱脅迫對根吸收水分的抑制，體現到了胚芽上，但胚根長與胚芽長在不同品種上反映并不一致，在伸長方面胚芽對干旱脅迫的反應相比胚根更敏感。

胚根干質量方面，抗旱系數變化范圍為0.582～0.891，較高的為桂單671、桂單662、兆玉215、桂單666和桂單203；較低的為桂單658和桂單673。干旱脅迫抑制了胚根的生長發育，導致其質量降低，對干旱脅迫敏感的品種桂單658和桂單673降低較多。

胚芽干質量方面，抗旱系數變化范圍為0.575～0.932，較高的為兆玉215、桂單203、桂單662、桂單671和桂單669，它們間無顯著性差異；較低的為桂單668、桂單658和桂單673。胚芽干質量和胚根干質量抗旱系數整體上差別不大，說明干旱脅迫對胚根和胚芽物質發育方面的影響相近。

貯藏物質轉運率方面，抗旱系數變化范圍為0.611～0.905，兆玉215最高，與桂單666和桂單671無顯著性差異，顯著高于其他9個品種；最低的為桂單663，與桂單662、桂單668、桂單658和桂單673無顯著性差異。貯藏物質轉運率可以反映各品種對種子內貯藏物質的利用速率、效率和體內能量供應的水平，兆玉215在干旱脅迫下對種子內物質仍有較高的利用。

2.2 不同玉米品種萌發期各性狀指標抗旱系數間的相關性分析

將干旱脅迫下8個指標性狀的抗旱系數利用雙變量Pearson簡單相關系數法進行相關性分析。由表2可知，各項指標抗旱系數間相關性均呈現正相關，除萌發指數與發芽率、胚根長和胚芽長無顯著相關外，其他指標間的相關性均達到了顯著或極顯著水平。發芽勢與胚芽干質量的相關系數最大，為0.858；發芽率與胚根長、胚根長與發芽率相關系數互為最大，為0.796；萌發指數與貯藏物質轉運率、貯藏物質轉運率與萌發指數相關系數互為最大，為0.802；胚芽長與胚根干質量、胚根干質量與胚芽長相關系數互為最大，為0.900；胚芽干質量與胚根干質量相關系數最大，為0.897。

表2 不同玉米品種萌發期各指標抗旱系數的相關性

2.3 不同玉米品種萌發期各性狀隸屬函數值抗旱性評價

將8個指標抗旱系數通過公式換算成隸屬函數值， 根據各指標的變異系數占所有指標變異系數之和的比例來確定各指標所占的權重系數，計算每個自交系的綜合隸屬函數值，值越大，綜合抗旱性越強。由表3隸屬函數值評價結果可知，兆玉215、桂單671、桂單203和桂單662這4個品種的值大于0.7，屬于抗旱性強的品種；桂單666、兆玉200和桂單669 3個品種的值大于04小于07，屬于抗旱性中等品種；桂單660、桂單663、桂單668、桂單673和桂單658 5個品種，值小于04，屬于抗旱性弱的品種。

表3 不同玉米品種萌發期抗旱系數隸屬函數值抗旱性分類

2.4 不同玉米品種萌發期抗旱性主成分分析

將本試驗中12個玉米品種的8個指標所得抗旱系數經加權平均后進行主成分分析，所得結果如表4、表5。由表4、表5可知，第1主成分的貢獻率為74.021%，其中胚芽干質量、胚根干質量和發芽勢具有較高的載荷，分別為0.391、0.372和0.370；第2主成分的貢獻率為10.154%，其中萌發指數和貯藏物質運轉率具有較高的載荷，分別為0.708和0.468。前2個主成分的累計貢獻率達到84.175%，兩者足以代表變量絕大多數信息，符合主成分分析的要求。將變量發芽勢、發芽率、萌發指數、胚根長、胚芽長、胚根干質量、胚芽干質量和貯藏物質轉運率分別設為、、、、、、和，根據表5結果，得出主成分分析表達式：

表4 各主成分的特征值和貢獻率

表5 主成分特征向量矩陣

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

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

根據各品種和的值，得到綜合評價函數為：

=0740 21+0101 54。

值與抗旱性呈正相關，值越大，抗旱性越強。由表6主成分分析值可知， 12個玉米品種萌發期抗旱性大小為兆玉215>桂單671>桂單203>桂單666>桂單662>兆玉200>桂單669>桂單660>桂單663>桂單673>桂單668>桂單658。

表6 不同玉米品種主成分Y值及抗旱性排序

將不同玉米品種值通過WPGWA法進行聚類分析。由圖1可知，12個玉米品種分為3類，第1類含5個品種，為桂單203、桂單662、桂單666、桂單671和兆玉215，屬于抗旱性強品種；第2類含3個品種，為兆玉200、桂單669和桂單660，屬于抗旱性中等品種；第3類含4個品種，為桂單658、桂單673、桂單668和桂單663，屬于抗旱性弱品種。

3 討論與結論

玉米的抗旱性屬于數量遺傳性狀，且由多個微效基因控制，易受環境因素影響。通過單一指標對玉米抗旱性進行評價存在一定的局限性，需要多個指標來綜合評價。陳波等研究認為，玉米種子萌發期抗旱指標應以萌發抗旱指數為主，其他指標為輔。成鍇等研究表明，抗旱能力的主要鑒定指標為發芽勢、發芽率、發芽指數與耐旱萌發指數，間接抗旱鑒定指標為種子吸水率與胚根胚芽長、貯藏物質運轉率。本研究在參考前人研究的基礎上測定了8個玉米萌發特性指標，這些指標間多數存在極顯著或顯著相關性，可用于評價各玉米品種的抗旱性。各指標在PEG-6000模擬干旱脅迫下與對照相比均有不同程度降低，說明干旱脅迫延緩了玉米種子的發芽時間，降低了發芽能力，限制了胚根、胚芽的生長發育，使貯藏物質運轉率降低。由于品種之間內在特性的不同，為消除品種間的固有差異，本試驗將各個指標均用干旱脅迫處理比上對照處理的相對值，即用抗旱系數來表達，這也是很多研究者普遍采用的方法。

玉米抗旱性較為復雜，除需要測定較多指標外，還需要綜合利用不同的評價方法來判斷。抗旱系數、抗旱指數、主成分分析、隸屬函數法、聚類分析和灰色關聯度分析等方法均可用于評價玉米品種的抗旱性。抗旱系數反映了該品種的穩產性，抗旱指數在考慮穩產性的基礎上同時兼顧了一定的高產性，但兩者通常用在產量指標上較多。隸屬函數法、主成分和聚類分析等在評價玉米綜合抗旱性上效果較好，使用也較多，但這些方法基于的原理不同。為使結果準確并得到相互驗證，本研究同時采用了隸屬函數法和主成分分析對不同玉米品種進行抗旱性評價。2種方法評價結果之間的相似性達到了0.995的極顯著正相關，說明2種方法在評價玉米品種抗旱性上具有非常好的一致性。兆玉215、桂單671、桂單203和桂單662綜合隸屬函數值分別為0.925、0.828、0.782和0.748，均大于0.7；主成分結合聚類分析中歸為同一類型且值較高的為兆玉215、桂單671、桂單203、桂單666和桂單662，值分別為2.732、2.079、1.614、1.251和1.135。因此綜合2種評價方法判斷兆玉215、桂單671、桂單203和桂單662屬于抗旱性強品種。

盡管本試驗測定的萌發特性指標較多、較全面，并綜合運用了隸屬函數法和主成分分析來進行抗旱性評價，但測定的指標均為農藝性狀，因此相應的評價結果僅體現了玉米品種在農藝性狀方面的抗旱性，未涉及相關生理生化方面的抗旱性狀。郭效龍等研究認為，脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性均可作為鑒定自交系抗旱性的指標。魯曉民等的研究表明，與正常水分處理相比，PEG脅迫后，玉米自交系葉片相對含水量均呈下降趨勢，但脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD )和過氧化物酶(POD)活性均呈升高趨勢。可見干旱脅迫會導致玉米萌發期生理生化指標一系列的變化，因此本試驗結果能否全面代表各品種萌發期的抗旱性還有待進一步研究。