大豆耐低磷性状鉴定及优异种质筛选

武海燕，李喜焕，李文龙，孔佑宾，杜 汇，张彩英

(河北农业大学/教育部华北作物种质资源研究与利用重点实验室，河北 保定 071001)

磷是植物生长发育必需的营养元素之一，是植物结构组成的重要组分，参与体内多种重要化合物的形成，对植物正常生长和新陈代谢起着重要的作用[1-5]。土壤中磷素多以植酸磷形式存在，可直接利用的有效磷含量低，缺磷影响植物产量提高和品质改良。尽管施用磷肥可以缓解土壤有效磷缺乏，但大量施磷带来的环境污染以及磷肥资源短缺使得这一措施难以长时间应用[6-9]。因此，利用植物固有生物学特性，挖掘植物自身对磷的高效吸收利用潜力，进而筛选或培育耐低磷新品种是解决上述问题的可持续途径[10-13]。

前人研究表明，不同大豆品种对低磷胁迫的适应性和适应机制不同，一般表现为低磷胁迫下的根构型改变、根系生物量增加及根系分泌物增加等[14-17]。目前，虽有关于大豆耐低磷基因型筛选的研究报道[18-19]，但大多集中于少数几个性状或品种，而基于2个特异磷效率品种杂交后代群体多个性状、多个材料的鉴定未见报道。鉴于此，以2个极端磷利用大豆品种杂交获得的遗传群体(247个株系)为材料，鉴定其9个耐低磷相关性状，并利用主成分分析、隶属函数和聚类分析方法评价供试材料的耐低磷特性，筛选耐低磷特异种质，为耐低磷大豆新品种的选育奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为高耐低磷大豆品种中黄15与磷敏感品种牛毛黄杂交获得的遗传群体(247个株系)，由河北农业大学大豆遗传育种研究室提供。

1.2 试验方法

选择饱满、整齐一致的大豆种子，用去离子水清洗干净，25 ℃催芽，待露出胚根3 cm后，移至装有蛭石的花盆中。每盆播种4粒种子，出苗10 d后间苗，每盆保留2株生长一致的植株，置于生长室内培养。待植株对生真叶展开后，分别进行低磷(LP，以植酸磷为磷源，磷浓度1.0 mmol/L，其余元素同Hoagland营养液)和适磷处理(CK,以磷酸二氢钾为磷源，磷浓度1.0 mmol/L，其余同Hoagland营养液)[20]，每个处理重复3次。待大豆植株生长至12叶期(开花期)取样，测定其株高、根长、根鲜质量、根干质量、地上部鲜质量、地上部干质量、根冠比、根系磷含量，并计算根系磷利用率[9,21-22]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2013、SPSS 17.0及NTSYSpc-2.11a软件分别进行数据统计、方差分析及聚类分析，利用性状表型值及相对值进行相关性分析，利用相对值进行主成分分析，隶属函数进行综合评价分析，聚类分析筛选耐低磷株系。

其中，隶属函数值计算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隶属函数值计算公式：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Xi为性状指标测定值，Xmax、Xmin为性状最大值和最小值；若某性状与耐低磷呈正相关，用公式(1)，若某性状与耐低磷呈负相关，用公式(2)。

(3)

式中，Pj为各品种第j个综合指标的贡献率。

2 结果与分析

2.1 低磷胁迫下大豆不同株系的性状差异表现

由表1可见，所有测试性状在低磷、适磷2种磷处理下的差异均达到显著或极显著水平，说明低磷处理有效且对大豆植株地上部和根系均产生了较大影响。不同株系参试性状方差分析表明，除株高外其余性状在不同株系间的差异也达到极显著水平，说明虽然来自于相同亲本，但不同株系受低磷胁迫影响不同，各株系的耐低磷能力表现不同。

表1 2种磷处理下大豆不同株系各性状的方差分析

注：*、**分别表示显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

Note：*and ** indicate significant difference(P<0.05) and extremely significant difference(P<0.01) respectively.

进一步分析各株系在不同磷处理下的性状差异表现，结果(表2)发现，低磷处理下各株系根长、根鲜质量、根干质量、根冠比、根系磷利用率平均值均高于适磷处理，而株高、地上部鲜质量、地上部干质量、根系磷含量则低于适磷处理，说明在低磷胁迫条件下，大豆株系能够通过刺激根系发育、增加根系生物量来适应低磷环境，提高根系对植酸磷的分解利用能力，减轻低磷胁迫对植株生长的影响。另外，通过各性状变异系数也可发现(表2)，除根长外，其余性状的变异系数均较大，说明各株系对低磷逆境的适应能力存在较大差异。

表2 2种磷处理下大豆不同株系各性状分析 Tab.2 Different characteristics analysis of soybean lines under two different phosphorus treatments

2.2 大豆不同株系耐低磷性状的主成分分析

分析供试大豆株系各性状间的相关性(表3)发现，8个性状间(除株高外)存在着复杂的相关性，说明各性状表达的信息量之间有不同程度的重叠。因此，需要利用主成分分析将多个单一指标转化为无相关性的综合指标，才能更准确地反映各株系对低磷环境的适应能力。

表3 大豆耐低磷指标相对值的相关性分析Tab.3 Correlation analysis of relative values of low phosphorus tolerant characteristics in soybean

注：**表示极显著相关(P<0.01)；*表示显著相关(P<0.05)。

注：** means correlation is significant at 0.01 level;* means correlation is significant at 0.05 level.

利用主成分分析方法对供试株系8个性状(除株高外)相对值进行分析(表4)发现，转化后的前2个主成分累积贡献率达到78.291%，表明这2个主成分可解释供试株系78.291%的信息。因此，将前2个主成分作为评价供试大豆株系耐低磷特性的综合指标。进一步分析上述2个主成分发现，第1主成分特征值为3.346，贡献率达到41.827%，其对应4个较大的特征向量为根鲜质量、根干质量、地上部鲜质量及干质量；第2主成分特征值为2.917，贡献率为36.465%，对应5个较大的特征向量为根冠比、根系磷含量、根系磷利用效率、地上部鲜质量及干质量。

表4 大豆耐低磷性状相对值的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of relative values of different characteristics in soybean

2.3 大豆不同株系耐低磷性状隶属函数分析及优异种质遴选

在主成分分析基础上，分别计算各性状相对值的隶属函数值，并根据各主成分贡献率计算权重及耐低磷综合评价值(D值)，利用D值对供试247个大豆株系进行聚类分析(表5)，可将供试株系分为3类，其中第Ⅰ类包括ZN-251、ZN-299、ZN-229等14个株系，属于耐低磷类型(D值平均为0.67)；第Ⅱ类包括87个株系，属于中间类型(D值平均为0.46)；第Ⅲ类包括ZN-149、ZN-192等146个株系，属于非耐低磷类型(D值平均为0.30)。筛选出ZN-251、ZN-299、ZN-229等14个耐低磷型大豆株系，可作为今后磷高效大豆新品系选育的中间材料。

表5 大豆不同株系基于耐低磷特性的聚类分析Tab.5 Cluster analysis of soybean lines based on their low phosphorus tolerance

3 结论与讨论

植物磷效率一般包含两方面含义，一是在低磷胁迫下植物能够利用有限的磷素维持正常生长的能力，即耐低磷能力；二是在正常供磷条件下，植物吸收并转化为生物量的能力，即磷高效性[23]。目前，人们一般采用在低磷胁迫条件下测定植物各生长指标或生理生化指标来评价其耐低磷特性[24]。本研究利用前期构建的大豆遗传群体，在苗期设置低磷和适磷处理，于开花期分别测定植株株高、根长、根系生物量、地上部生物量、根系磷含量及根系磷利用率等指标，评价各株系的耐低磷能力。苗期—开花期是大豆需磷敏感期[12]，此时缺磷会严重影响大豆正常生长发育，影响花芽分化，即使后期补充足够磷素也难以消除缺磷造成的影响[18-19]。

有报道发现，植物磷效率是一个复杂的数量性状，受多基因控制[25]。采用单一指标很难全面、准确地鉴定植物材料耐低磷特性，通过多个指标综合分析才能得到相对可靠的结论[26-28]。统计学中一般采用主成分分析法将多个相关性较大的指标转化为相关性较小的综合指标，即主成分，这样可以排除各单一指标间的相互影响和信息重叠。鉴于此，本研究首先测定了供试大豆株系9个性状，其中，株高由于在供试材料间没有显著差异而被排除；随后，通过相关分析发现，剩余8个性状间存在复杂的相关关系且多数性状间的相关系数达到(极)显著水平，故采用主成分分析将上述性状转变为2个相互独立的主成分，进而用于株系耐低磷特性评价。

为进一步评价供试247个大豆株系的耐低磷能力，本研究利用隶属函数和聚类分析法将供试株系进行分类，不仅明确了每个株系的耐低磷特性，同时筛选出了高耐低磷特异种质。隶属函数分析方法是基于多个性状表型值对某种特性进行综合评价的方法，该方法可有效避免单一性状造成的误差[29-30]；聚类分析是专门适用于大规模品种筛选和性状鉴定的方法[31-32]。因此，本研究综合利用上述2种方法对供试247个大豆株系进行耐低磷评价，获得了可靠的鉴定结果。

综上，本研究在低磷和适磷2种处理下分析247个大豆株系耐低磷性状，结果发现，多数性状间存在显著或极显著相关关系，利用隶属函数和耐低磷综合评价值，结合聚类分析将株系分为3种类型，并筛选出14个耐低磷优异种质，为耐低磷新品种选育奠定了材料基础。