小麦种质资源成株期氮效率评价及筛选

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

赵瑞^,, 张旭辉, 张程炀, 郭泾磊, 汪妤, 李红霞^,西北农林科技大学农学院,陕西杨凌 712100

Evaluation and Screening of Nitrogen Efficiency of Wheat Germplasm Resources at Mature Stage

ZHAO Rui^,, ZHANG XuHui, ZHANG ChengYang, GUO JingLei, WANG Yu, LI HongXia^,College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi

通讯作者: 李红霞,Tel：18092685315;E-mail： lhxazw@126.com

责任编辑: 李莉
收稿日期:2021-01-11接受日期:2021-04-1

基金资助:

国家自然科学基金面上项目(31871618)
国家重点研发计划(2017YFD0100706)
陕西省重点研发计划(2021NY-082)

Received:2021-01-11Accepted:2021-04-1
作者简介 About authors
赵瑞,Tel：18813000311;E-mail： ruizhaoray@outlook.com。

摘要
【目的】建立小麦成株期氮效率评价方法,挖掘和筛选氮高效种质资源,为小麦氮效率的生理机制研究和氮高效品种的选育提供理论依据和材料基础。【方法】2018—2020年,以108份不同基因型小麦品种为材料,采用大田试验,设置4个氮肥处理水平（0、180、240和360 kg·hm^-2）,调查不同氮水平下小麦株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、茎粗、可育小穗数、穗粒数、千粒重、粒长、粒宽和单穗产量11个农艺及产量性状,利用模糊隶属函数法、主成分分析法以及聚类分析法对小麦品种进行耐氮性评价和基因型差异分类。【结果】连续2年的数据结果显示,在低氮胁迫下,株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、茎粗、可育小穗数、穗粒数和单穗产量8个性状均受到不同程度的抑制,其中,旗叶长对氮胁迫的敏感程度最大。主成分分析提取4个主成分,贡献率分别为39.766%、16.661%、9.361%和9.275%,累积贡献率达75.064%。以耐低氮性综合评价D值进行聚类分析,将供试小麦品种划分为强耐低氮型、耐低氮型、中间型、较敏感型和敏感型5类。筛选出耐低氮型小麦品种5份,温麦19、西农529、石4185、陇麦212和丰抗2,强耐低氮型小麦品种2份,中麦875和西农158。与低氮胁迫不同,高氮胁迫仅抑制茎粗、千粒重、粒长、粒宽和单穗产量5个性状,株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、可育小穗数和穗粒数6个性状值随施氮量上升而增加。4个主成分的贡献率分别为31.348%、20.387%、12.452%和9.850%,累积贡献率达74.037%。依据耐高氮性综合评价D值,将供试小麦品种划分为耐高氮型、中间型、高氮较敏感型和高氮敏感型4类。鉴定出耐高氮型小麦品种9份,包括兰考矮早8、良星99、农大179、豫农9901、兰考926和郑农46等。基于籽粒产量和氮综合评价D值,将108份小麦品种划分为4种氮效率类型,双高效型（西农158和陇麦212等）、低氮高效型（西农585和石4185等）、高氮高效型（长丰1号和中种麦10号等）和双低效型（金丰7183和泛麦5号等）。【结论】供氮水平对小麦产量相关性状指标有显著影响,基于小麦种质间氮吸收与利用效率的差异,结合3种分析方法,可以准确评价小麦种质资源成株期氮效率状况。
关键词： 小麦;氮效率;筛选指标;综合评价

Abstract

【Objective】 In order to provide theoretical foundation for the study of physiological mechanism of nitrogen efficiency in wheat and material basis for the breeding of nitrogen efficiency varieties, the evaluation method for nitrogen efficiency of wheat at mature stage was established to explore and screen nitrogen efficiency germplasm resources. 【Method】 In the field experiment, 108 different genotype wheat varieties were used for the treatment of 4 nitrogen application（0, 180, 240, 360 kg·hm^-2）. Eleven indexes of major agronomic traits, including plant height, spike length, flag leaf length, flag leaf width, stem diameter, fertile spikelet number, grain number per spike, thousand kernel weight, grain length, grain width and grain weight per spike were measured for two consecutive years. The nitrogen tolerance and genotype difference of wheat varieties were assessed by the method of Fuzzy membership function, principal component analysis and cluster analysis. 【Result】 The results of two-year data show that plant height, spike length, flag leaf length, flag leaf width, stem diameter, fertile spikelet number, spike grain number and grain weight per spike under low nitrogen stress were all inhibited to varying degrees, among which flag leaf length was the most sensitive to nitrogen stress. Four principal components were extracted by principal component analysis, and the contribution rate was 39.766%, 16.661%, 9.361% and 9.275%, respectively. The cumulative contribution rate reached 75.064%. According to the comprehensive evaluation D value of low nitrogen tolerance, the tested wheat varieties were divided into 5 types: strong low nitrogen tolerance, low nitrogen tolerance, intermediate, low nitrogen light sensitive and low nitrogen sensitive. Five low-nitrogen tolerant wheats including Wenmai19, Xinong 529, Shi 4185, Longmai 212 and Fengkang 2 and two strong low-nitrogen tolerant wheats (Zhongmai 875 and Xinong 158) were selected. Different from low nitrogen stress, high nitrogen stress only inhibited 5 traits including stem diameter, thousand kernel weight, grain length, grain width and grain weight per spike, and 6 traits including plant height, spike length, flag leaf length, flag leaf width, fertile spikelet number and spike grain number increased with the increase of nitrogen application. Principal component analysis extracts 4 principal components, the contribution rates are 31.348%, 20.387%, 12.452% and 9.850%, respectively, and the cumulative contribution rate is 74.037%. Based on the D value of comprehensive evaluation of high nitrogen tolerance, the tested wheat varieties were divided into four categories: high nitrogen tolerance type, intermediate type, high nitrogen light sensitive type and high nitrogen sensitive type. Nine wheat varieties with high nitrogen tolerance were identified, including Lankao Aizao 8, Liangxing 99, Nongda 179, Yunnong 9901, Lankao 926 and Zhengnong 46. Based on the D value of comprehensive evaluation of nitrogen and grain yield, 108 wheat varieties were divided into four nitrogen efficiency types, dual-efficiency type (Xinong 158 and Longmai 212 et al.), low-nitrogen efficiency type (Xinong 585 and Shi 4185 et al.), high-nitrogen efficiency type (Changfeng 1 and Zhongsimai 10 et al.) and dual-inefficiency type (Jinfeng 7183 and Fanmai 5 et al.). 【Conclusion】 Nitrogen supply level has a significant influence on wheat yield-related traits and indexes. The nitrogen efficiency of wheat germplasm resources at maturity might be accurately evaluated combined with three evaluation methods, based on the difference of nitrogen absorption and utilization efficiency between wheat germplasm.

Keywords：wheat;nitrogen efficiency;screening index;comprehensive evaluation

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赵瑞, 张旭辉, 张程炀, 郭泾磊, 汪妤, 李红霞. 小麦种质资源成株期氮效率评价及筛选. 中国农业科学, 2021, 54(18): 3818-3833 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.003
ZHAO Rui, ZHANG XuHui, ZHANG ChengYang, GUO JingLei, WANG Yu, LI HongXia. Evaluation and Screening of Nitrogen Efficiency of Wheat Germplasm Resources at Mature Stage. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(18): 3818-3833 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

【研究意义】小麦是中国重要的商品粮和战略储备粮之一,对国家粮食安全和供需平衡具有重要作用。氮素作为生命元素,是作物生长和产量形成的限制因子,对中国粮食产量的贡献占35%^[1]。目前,中国氮肥使用量约占世界总用量的31.0%,氮肥平均利用率仅为30.0%—41.0%,且化肥的流失量占施用量的40.0%^[2,3,4]。随着氮肥的过量使用,小麦生产成本升高,氮肥利用率降低,导致氮淋失、N₂O的排放等一系列环境污染问题^[5]。因此,筛选氮高效种质资源,挖掘基因潜力,是提高小麦氮素利用效率的有效途径。选育氮高效小麦品种,减少氮肥投入量,维持产量稳定,对保障粮食安全具有重大意义。【前人研究进展】已有研究表明,作物对氮素的吸收、利用效率不同,耐氮胁迫的能力存在差异^[6]。董鲁明^[7]研究表明,玉米在氮素吸收和利用能力上存在基因型差异。杨睿等^[8]对50个甘蓝型油菜进行氮效率基因型筛选,发现品种间氮效率相差2.5倍。氮效率鉴定是作物氮高效育种工作的一个重要环节,目前,关于作物氮效率评价筛选方面的研究,在棉花（Gossypium spp.）^[9,10,11]、油菜（Brassica napus L.）^[12]、大麦（Hordeum vulgare L.）^{[13,14,15,16]}、谷子（Setaria italica）^{[17,18,19,20,21,22,23]}、水稻（Oryza sativa）^[24]、玉米（Zea mays）^[25]和小麦（Triticum aestivum）^{[26,27,28,29,30,31]}等作物上已有报道。【本研究切入点】以上研究多采用苗期水培的筛选方法,以形态、生理性状为筛选指标,对作物种质进行氮效率鉴定,关于作物成株期的氮效率指标筛选及评价却鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究通过田间试验的方法,设置4个氮肥梯度,选取小麦成株期株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、茎粗、可育小穗数、穗粒数、千粒重、粒长、粒宽和单穗产量为氮效率评价指标,利用模糊隶属函数法、主成分分析法和聚类分析法对108份小麦种质资源进行基因型差异分类和氮效率评价。旨在挖掘小麦农艺和产量性状的遗传潜力,筛选氮高效品种,为小麦氮高效育种提供种质资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

108份小麦种质资源,包括河南品种30份、河北品种21份、陕西品种9份、北京品种20份、山西品种9份、安徽品种2份、山东品种5份、甘肃品种3份以及引进品种9份（电子附表1）。供试材料均由中国农业大学农业生物技术国家重点实验室彭惠茹教授提供。

1.2 试验设计

试验分别于2018—2019和2019—2020年小麦生长季,在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学标本区（108.24°E,34.20°N）进行种植。试验地土壤类型为壤土,播种前试验田0—25 cm土层土壤养分状况为全氮0.94 g·kg^-1、速效钾175 mg·kg^-1、速效磷7.42 mg·kg^-1、有机质1.29 g·kg^-1。试验采取裂区设计,以施氮水平为主因素,小麦品种为副因素。设置4个施氮处理,无氮处理N1（0 kg·hm^-2）、低氮处理N2（180 kg·hm^-2）、正常氮处理N3（270 kg·hm^-2）和高氮处理N4（360 kg·hm^-2）,尿素（N 46.4%）、磷酸二铵（P₂O₅ 46%,N 18%）和氯化钾（KCl 52%）以基肥施用。采取完全随机区组设计,每个小区种植108份品种,每个品种2行,行距25 cm,行长1.5 m,每行点播30粒。4个处理,3次重复,共计12个小区。其他按照小麦栽培要求进行田间管理。

1.3 性状调查与指标测定

收获前,每个重复小区中随机取10株参照《小麦种质资源描述规范和数据标准》^[32]对株高（plant height,PH）、穗长（spike length,SL）、旗叶长（flag leaf length,FLL）、旗叶宽（flag leaf width,FLW）、茎粗（stem diameter,SD）（穗下节）、可育小穗数（fertile spikelet number,FSN）、穗粒数（grain number per spike,GNPS）和单穗产量（grain weight per spike,GWPS）等农艺性状进行考察;利用SC-G型自动考种仪（中国万深）测定千粒重（thousand kernel weight,TKW）、粒长（grain length,GL）和粒宽（grain width,GW）。

1.4 指标计算与数据分析

各性状指标的耐氮系数PI=X_i/CK_i;

综合耐低氮系数RI=1/n∑(_iⁿ₌₁)PI;

隶属函数U(X_i)=（PI_i–PI_min）/（PI_max–PI_min）;

权重W_i₌|r_i|÷∑(_iⁿ₌₁)|r_i|;

耐氮性综合评价值D=∑(_iⁿ₌₁)[U(X_i)×W_i];

灰色关联系数L0i_(k)=（Δ_min+ρΔ_max）/（Δ0i_(k)+ ρΔ_max）;

灰色关联度γ0i=1/n∑(_Kⁿ₌₁) L0i_(k)。

其中,X_i、CK_i分别为低氮/高氮水平、正常氮水平下的性状测量值;PI_min、PI_max为各性状指标耐氮系数的最小值、最大值;r_i为各性状指标与综合耐氮系数的相关系数;|r_i|÷∑(_iⁿ₌₁)|r_i|为指数权重,表示第i个性状指标在所有指标中的重要程度。Δ0i_(k)为k时刻2个序列的绝对差;Δ_min和Δ_max分别为所有比较序列各个时刻绝对差中的最小值与最大值,Δ_min=0,分辨系数ρ=0.5。

运用Excel 2010和SPSS分析软件进行生物统计、方差分析、主成分分析、聚类分析及相关性分析,R语言的GGE-Bioplot软件包作GGE双标图。

2 结果

2.1 不同氮素水平下小麦成株期氮效率相关性状的差异分析

与N3处理相比,N1处理对小麦的形态和产量构成相关性状均有不同程度的影响（表1）。主要表现为株高降低、穗长变短、旗叶叶长和叶宽缩小、茎秆变细、可育小穗数和穗粒数减少以及单穗产量降低。下降程度依次为旗叶长（12.39%）>穗长（8.68%）>旗叶宽（7.28%）>可育小穗数（5.92%）>穗粒数（4.94%）>株高（3.96%）>单穗产量（3.63%）>茎粗重（1.77%）。数据表明大多数性状在小麦生长发育过程中均受到了氮胁迫的抑制。与N2处理相比,N4处理同样对供试材料各性状产生显著影响,处理间和种间的差异均达显著水平。随着氮肥施用量的增加,株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、可育小穗数和穗粒数等性状值随之增加,上升程度依次为旗叶宽（7.55%）>旗叶长（5.63%）>穗长（4.28%）>可育小穗数（2.44%）。其他性状值（茎粗、千粒重、粒长、粒宽和单穗产量）随之降低,下降程度依次为茎粗（2.13%）>千粒重（2.01%）>单穗产量（1.32%）>粒宽（1.24%）>粒长（0.28%）。说明高氮胁迫造成了小麦旺长,营养器官变大,影响植株碳氮代谢协调,植株籽粒产量降低。

Table 1
表1
表1不同氮水平下小麦成株期氮效率相关性状的差异
Table 1Differences of nitrogen efficiency-related of wheat traits at mature stage under different nitrogen levels

年份 Year	性状 Trait	N1			N2			N3			N4
年份 Year	性状 Trait	平均值 Mean	标准差 SD	变异系数 CV (%)	平均值 Mean	标准差 SD	变异系数 CV (%)	平均值 Mean	标准差 SD	变异系数 CV (%)	平均值 Mean	标准差 SD	变异系数 CV (%)
2019	株高PH (cm)	74.56	11.70	15.69	79.16	13.33	16.84	80.04	12.46	15.57	79.64	12.86	16.15
	穗长SL (cm)	8.48	1.11	13.10	8.93	1.18	13.21	9.30	1.16	12.51	9.39	1.29	13.70
	旗叶长FLL(cm)	12.20	2.69	22.08	13.02	2.55	19.58	13.73	2.21	16.11	14.12	2.47	17.46
	旗叶宽FLW (cm)	1.43	0.23	15.94	1.49	0.24	16.44	1.59	0.23	14.53	1.58	0.23	14.57
	茎粗SD (cm)	3.62	0.40	10.93	3.60	0.40	11.04	3.86	0.35	9.12	3.68	0.33	9.04
	可育小穗数FSN (cm)	17.96	2.13	11.85	18.02	1.83	10.16	18.32	1.68	9.19	18.32	1.76	9.60
	穗粒数GNPS	43.70	7.98	18.26	44.08	7.23	16.41	46.96	7.74	16.48	45.07	7.96	17.65
	千粒重TKW(g)	52.80	4.94	9.36	52.47	4.74	9.04	52.65	5.12	9.72	51.88	5.24	10.09
	粒长GL (cm)	7.46	0.35	4.66	7.50	0.34	4.50	7.45	0.36	4.79	7.45	0.41	5.44
	粒宽GW (cm)	3.94	0.16	4.09	3.91	0.16	3.97	3.90	0.16	4.21	3.87	0.15	3.86
	单穗产量GWPS (g)	2.31	0.50	21.79	2.31	0.44	19.05	2.47	0.47	19.13	2.34	0.47	20.07
2020	株高PH (cm)	76.92	10.62	13.81	77.39	9.06	11.70	78.39	10.55	13.46	78.14	10.12	12.96
	穗长SL (cm)	8.41	1.14	13.49	8.83	0.92	10.46	8.89	0.94	10.59	9.13	1.00	10.95
	旗叶长FLL(cm)	12.80	2.94	22.99	13.96	2.10	15.07	13.76	2.29	16.68	14.38	2.13	14.79
	旗叶宽FLW (cm)	1.19	0.22	18.88	1.16	0.24	20.43	1.24	0.26	21.12	1.27	0.18	14.06
	茎粗SD (cm)	3.59	0.51	14.15	3.90	0.41	10.54	3.82	0.49	12.83	3.66	0.34	9.25
	可育小穗数FSN (cm)	16.41	1.51	9.22	17.65	1.52	8.60	17.35	1.70	9.80	18.22	1.74	9.55
	穗粒数GNPS	43.92	8.20	18.68	47.47	7.72	16.26	46.34	8.29	17.90	47.00	7.89	16.78
	千粒重TKW (g)	45.72	4.39	9.59	47.12	5.02	10.66	44.20	6.32	14.29	45.71	5.03	11.00
	粒长GL (cm)	6.65	0.35	5.28	6.68	0.34	5.12	6.68	0.34	5.08	6.69	0.36	5.35
	粒宽GW (cm)	3.32	0.14	4.23	3.37	0.15	4.31	3.27	0.18	5.50	3.32	0.16	4.97
	单穗产量GWPS (g)	2.01	0.43	21.42	2.24	0.43	19.03	2.04	0.45	21.98	2.15	0.44	20.62

PH：株高;SL：穗长;FLL：旗叶长;FLW：旗叶宽;SD：茎粗;FSN：可育小穗数;GNPS：穗粒数;TKW：千粒重;GL：粒长;GW：粒宽;GWPS：单穗产量。下同
PH: Plant height; SL: Spike length; FLL: Flag leaf length; FLW: Flag leaf width; SD: Stem diameter; FSN: Fertile spikelet number; GNPS: Grain number per spike; TKW: Thousand kernel weight; GL: Grain length; GW: Grain width; GWPS: Grain weight per spike. The same as below

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108份参试小麦品种在4个供氮水平下各性状的变异幅度都比较大,变异系数大多超过10%。变异系数越大,说明品种对氮素敏感程度越大,2年4个氮梯度环境下的各性状指标平均变异系数（氮素敏感度）依次为单穗产量（20.39%）>旗叶长（18.10%）>穗粒数（17.30%）>旗叶宽（17.00%）>株高（14.52%）>穗长（12.25%）>茎粗（10.86）>千粒重（10.47）>可育小穗数（9.75%）>粒长（5.03%）>粒宽（4.39%）。结果表明,氮处理效果良好,各性状表型明显。单穗产量、旗叶长、穗粒数、旗叶宽、株高、穗长、茎粗和千粒重的变异系数均超过10%,可以作为小麦耐低氮和高氮能力的主要筛选与评价指标。供试材料的氮效率相关性状具有丰富、广泛的遗传性差异,可以用于小麦氮效率品种的筛选。

2.2 耐氮系数的区间分布和相关性分析

为减小品种间遗传及生物学差异造成的误差,采用耐低氮系数PI1（N1/N3）和耐高氮系数PI2（N4/N2）表示性状对低氮和高氮胁迫的敏感程度。将各性状指标的耐低氮系数PI1和耐高氮系数PI2分别以0.5为组距,分成3个区间,统计数值的分布频数情况（表2）,不同性状指标的PI1和PI2在同一区间或不同区间的分布频率差别较大。2年数据结果显示,在低氮胁迫条件下,穗长耐低氮系数0≤PI1<1区间的品种占71.30%和78.10%、旗叶长0≤PI1<1区间的品种占73.15%和66.67%、茎粗0≤PI1<1区间的品种占69.44%和70.48%、旗叶宽0≤PI1<1区间的品种占77.78%和54.29%、穗粒数0≤PI1<1区间的品种占63.89%和63.81%、单穗产量0≤PI1<1区间的品种占67.31%和59.05%、株高0≤PI1<1区间的品种占65.74%和61.90%、可育小穗数0≤PI1<1区间的品种占50.93%和71.43%、说明大多数小麦的穗长、旗叶长、茎粗、旗叶宽、穗粒数、单穗产量、株高和可育小穗数在低氮胁迫后降低,且对低氮胁迫响应明显。在高氮胁迫条件下,穗长耐高氮系数PI2≥1区间的品种占74.07%和67.31%、旗叶长PI2≥1区间的品种占68.52%和62.50%、可育小穗数PI2≥1区间的品种占61.11%和58.65%,说明穗长、旗叶长和可育小穗数对高氮胁迫响应敏感,耐肥性较强。

Table 2
表2
表2小麦种质各性状指标耐氮系数PI的区间分布
Table 2The interval distribution of nitrogen tolerance coefficient PI of each trait in wheat germplasm

年份 Year	性状 Trait	低氮胁迫N1/N3 Low nitrogen stress N1/N3 (%)			高氮胁迫N2/N4 High nitrogen stress N2/N4 (%)
年份 Year	性状 Trait	0≤PI1<0.5	0.5≤PI1<1	1≤PI1<1.5	0≤PI2<0.5	0.5≤PI2<1	1≤PI2<1.5
2019	株高PH	0.00	65.74	34.26	0.00	46.30	53.70
	穗长SL	0.93	71.30	26.85	0.00	25.93	74.07
	旗叶长FLL	0.93	73.15	25.00	0.00	28.70	68.52
	旗叶宽FLW	0.00	77.78	22.22	0.00	28.70	69.44
	茎粗SD	0.00	69.44	30.5	0.00	31.48	68.52
	可育小穗数FSN	0.00	50.93	49.07	0.00	38.89	61.11
	穗粒数GNPS	0.93	63.8	33.33	0.00	36.11	63.89
	千粒重TKW	0.00	48.08	50.96	0.00	58.16	41.84
	粒长GL	0.00	47.12	52.88	0.00	61.22	38.78
	粒宽GW	0.00	47.12	52.88	0.00	62.24	37.76
	单穗产量GWPS	0.96	67.31	30.77	0.00	47.96	50.00
2020	株高PH	0.00	61.90	38.10	0.00	46.15	53.85
	穗长SL	0.00	78.10	20.95	0.00	32.69	67.31
	旗叶长FLL	0.00	66.67	32.38	0.00	37.50	62.50
	旗叶宽FLW	0.00	54.29	38.10	0.00	26.92	56.73
	茎粗SD	0.00	70.48	29.52	0.00	70.19	29.81
	可育小穗数FSN	0.00	71.43	28.57	0.00	41.35	58.65
	穗粒数GNPS	0.00	63.81	35.24	0.00	58.65	39.42
	千粒重TKW	0.00	42.86	55.24	0.00	61.54	28.85
	粒长GL	0.00	58.10	41.90	0.00	47.12	52.88
	粒宽GW	0.00	43.81	56.19	0.00	59.62	40.38
	单穗产量GWPS	0.95	59.05	34.29	0.00	57.69	41.35

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各性状指标耐低氮系数相关性分析显示,多数性状间的相关性达到显著或极显著水平（图1-A）,株高与穗长、旗叶长、可育小穗数、穗粒数、千粒重、粒宽和单穗产量极显著相关,其中,与旗叶长的相关性达0.62。穗长与旗叶长、可育小穗数、穗粒数、茎粗、粒长和单穗产量极显著相关,与千粒重显著相关。旗叶长与可育小穗数、穗粒数、茎粗、粒长和单穗产量极显著相关,与千粒重和粒宽显著相关。旗叶宽与千粒重、粒长和粒宽相关,与其他不相关。可育小穗数与穗粒数、茎粗和单穗产量极显著相关,与其他不相关。穗粒数与茎粗、千粒重和单穗产量极显著相关,与粒宽显著相关。茎粗与千粒重显著相关,与粒长负相关。千粒重与单穗产量极显著相关,与粒长负相关。粒长与粒宽极显著相关,与单穗产量显著相关。粒宽与单穗产量极显著相关。除了旗叶宽之外,各性状指标与单穗产量均显著相关,其中穗粒数和千粒重与其相关性最大,分别为0.81和0.79。

图1

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图1小麦种质各性状指标耐低氮系数（A）和耐高氮（B）系数的相关性分析

PH：株高;SL：穗长;FLL：旗叶长;FLW：旗叶宽;SD：茎粗;FSN：可育小穗数;GNPS：穗粒数;TKW：千粒重;GL：粒长;GW：粒宽;GWPS：单穗产量。*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平差异显著。圆圈的大小代表相关系数的大小,蓝色表示正相关,红色表示负相关。下同
Fig. 1Correlation analysis on low（A）and high（B）nitrogen tolerance coefficient of each trait in wheat germplasm

PH: Plant height; SL: Spike length; FLL: Flag leaf length; FLW: Flag leaf width; SD: Stem diameter; FSN: Fertile spikelet number; GNPS: Grain number per spike; TKW: Thousand kernel weight; GL: Grain length; GW: Grain width; GWPS: Grain weight per spike. * and ** refer to the different significance at P<0.05 and P<0.01 levels, respectively. The size of the circle denotes the size of the correlation coefficient, blue represents positive correlation, red represents negative correlation. The same as below

各性状指标耐高氮系数相关性分析显示（图1-B）,株高与旗叶长和茎粗极显著相关,与可育小穗数、千粒重、粒长和粒宽负相关。穗长与旗叶长极显著相关,与旗叶宽和可育小穗数显著相关。旗叶长与旗叶宽和穗粒数呈显著相关,与茎粗极显著相关。旗叶宽与可育小穗数、穗粒数和单穗产量极显著相关,与千粒重、粒长和粒宽显著相关。可育小穗数与穗粒数和单穗产量极显著相关,与千粒重、粒宽和粒长显著相关。穗粒数与茎粗和单穗产量极显著相关。茎粗与单穗产量极显著相关,与粒长呈负相关。千粒重与粒长、粒宽和单穗产量极显著相关。粒长与粒宽和单穗产量极显著相关。粒宽与单穗产量极显著相关。在高氮胁迫下,除了株高和穗长之外,其他指标均与单穗产量呈显著相关或极显著相关。相关性分析说明各性状指标间均存在不同程度的相关性,且提供的耐氮信息交叉重叠。

2.3 小麦各性状指标的主成分分析

采用各性状指标的耐低氮系数PI-L（2年PI1的平均值）进行主成分分析（表3）,提取4个主成分,贡献率分别为 39.766%、16.661%、9.361%和9.275%,累积贡献率达75.064%。第1主成分贡献率最大,主要由单穗产量、可育小穗数和穗长决定,此主成分主要反映低氮胁迫下小麦穗部性状的适应性变化。第2主成分主要由粒长、粒宽和千粒重决定,其中,粒宽的特征向量最大（0.660）,茎粗的特征向量最小（-0.383）,说明小麦通过茎秆的变细来增加籽粒的饱满度和容重从而适应低氮环境。第3主成分中旗叶宽的特征向量最大（0.712）,株高的特征向量最小（-0.425）,说明小麦通过降低植株的高度来增加旗叶宽,此主成分反映小麦叶片的适应性变化。第4主成分中株高的特征向量最大（0.465）,单穗产量的特征向量最小（-0.345）,说明小麦通过降低单穗产量来保证小麦的正常生长,此主成分反映小麦植株的整体适应性变化。

Table 3
表3
表3小麦氮效率相关性状的主成分分析
Table 3Principal component analysis of nitrogen efficiency related wheat traits

性状 Trait	耐低氮性（PI-L） Low nitrogen tolerance (PI-L)				耐高氮性（PI-G） High nitrogen tolerance (PI-G)
性状 Trait	因子1 Factor1	因子2 Factor2	因子3 Factor2	因子4 Factor4	因子1 Factor1	因子2 Factor1	因子3 Factor1	因子4 Factor1
株高PH	0.645	-0.085	-0.425	0.465	-0.009	0.586	0.366	0.218
穗长SL	0.744	-0.338	0.036	0.209	0.301	0.464	-0.413	0.547
旗叶长FLL	0.694	-0.288	-0.134	0.449	0.251	0.742	0.065	0.330
旗叶宽FLW	0.303	0.223	0.712	0.411	0.557	0.152	-0.375	0.059
茎粗SD	0.670	-0.383	0.173	-0.249	0.573	-0.058	-0.639	-0.088
可育小穗数FSN	0.822	-0.264	-0.080	-0.311	0.678	0.373	-0.109	-0.548
穗粒数GNPS	0.475	-0.291	0.460	-0.181	0.352	0.580	0.506	-0.132
千粒重TKW	0.620	0.633	-0.071	-0.234	0.709	-0.490	0.356	0.258
粒长GL	0.242	0.635	0.196	0.140	0.554	-0.407	-0.015	0.310
粒宽GW	0.506	0.660	-0.163	0.065	0.679	-0.469	0.311	0.180
单穗产量GWPS	0.883	0.193	-0.074	-0.345	0.895	0.070	0.141	-0.321
特征值Eigenvalue	4.374	1.833	1.030	1.020	3.448	2.243	1.370	1.083
贡献率Contribution rate (%)	39.766	16.661	9.361	9.275	31.348	20.387	12.452	9.850
累计贡献率Accumulated contribution (%)	39.766	56.427	65.788	75.064	31.348	51.736	64.187	74.037

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对各性状指标的耐高氮系数PI-G（2年PI2的平均值）进行主成分分析,将原来各单项性状指标转换成4个新的相互独立的综合指标,累积贡献率达74.037%。主成分PC1的特征值为3.448,贡献率为31.348%,主要由单穗产量和千粒重决定,此主成分主要反映高氮胁迫下小麦籽粒性状的适应性变化。主成分PC2的特征值为2.243,贡献率为20.387%,其中旗叶长的特征向量最大（0.742）,千粒重的特征向量最小（-0.490）,说明高氮环境造成了小麦旗叶长度的增加,同时导致千粒重的降低。主成分PC3的特征值为1.370,贡献率为12.452%,其中穗粒数的特征向量最大（0.506）,穗长的特征向量最小（-0.413）,说明小麦通过减小穗长来增加穗粒数,此主成分反映小麦穗部的适应性变化。

2.4 小麦种质的氮效率综合评价

2.4.1 耐低氮性评价利用性状指标的耐低氮系数,采用模糊隶属函数法计算隶属函数值U(X),得出各性状指标的权重。2019年株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、可育小穗数、穗粒数、茎粗、千粒重、粒长、粒宽和单穗产量的权重分别为0.083、0.120、0.100、0.115、0.111、0.114、0.077、0.072、0.026、0.050和0.131。2020年为0.046、0.073、0.107、0.058、0.051、0.117、0.071、0.145、0.058、0.116和0.162。分别计算出2019年和2020年每个小麦品种的耐低氮性综合评价值（D）,D值越大表明其耐低氮能力越强。以2年的耐低氮性综合评价值D为评价指标,采用欧氏最长距离法对108份小麦品种进行聚类分析,将其分为5个类群（图2,电子附表1）。第5类为低氮敏感型,包括中种麦10号、泛麦5号、冀麦585、郑农46、农大3753、周麦25、洛麦23、兰考矮早8、晋47等31个品种,占29.25%;第4类为低氮较敏感型,包括烟农23、周麦24、洛旱7号、农大211、兰考926、京冬8号、陕麦139和中麦175等21个品种,占总数的19.81%;第3类为中间型,包括许科316、育德1号、轮选987、中旱110、郑麦9962、临汾138、洛夫林10号、石麦12、西农585、新科8号、西农979和山农0917等47个品种,占44.34 %;第2类为耐低氮型,包括温麦19、西农529、石4185、陇麦212和丰抗2号5个品种,占4.72%;第1类为强耐低氮型,包括中麦875和西农158,占1.89%。

图2

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图2不同小麦品种耐低氮性综合评价D值的聚类分析

图中108份品种编号同电子附表1。下同
Fig. 2Cluster analysis of comprehensive evaluation value D on low nitrogen tolerance of different wheat varieties

The 108 species numbers in the figure are the same as those in Supplement 1. The same as below

2.4.2 耐高氮性评价利用性状指标的耐高氮系数,采用模糊隶属函数法计算出隶属函数值U(X),得出各性状指标的权重。2019年株高、穗长、旗叶长、旗叶宽、可育小穗数、穗粒数、茎粗、千粒重、粒长、粒宽和单穗产量的权重分别为0.044、0.103、0.114、0.113、0.119、0.135、0.083、0.058、0.046、0.047和0.138。2020年分别为0.055、0.089、0.086、0.108、0.091、0.134、0.070、0.080、0.048、0.084和0.156。以2年耐高氮性综合评价值D为依据,采用欧氏最长距离法对108份小麦品种进行聚类分析,将其分为4个类群（图3,电子附表1）。第1类为耐高氮型,包括兰考矮早8、CA9553、中原18、尧麦16、良星99、农大179、豫农9901、兰考926和郑农46等9个品种,占8.65%;第2类为中间型,包括陕麦139、洛旱7号、石4185、陇麦212、育德1号、西农979、许科316、郑麦366、山农0917、金丰7183等53个品种,占50.96%。第3类为高氮较敏感型,包括许农5号、偃展4110、农大211、河麦58-3、京冬8号、农大3492、科农2009、京411和CA9722等13个品种,占总数的12.50%;第4类为高氮敏感型,包括西农585、温麦19、轮选987、西农158、农大3753、西农529、中麦415、烟农23、中旱110等29个品种,占27.88%。

图3

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图3不同小麦品种耐高氮性综合评价D值的聚类分析

Fig. 3Cluster analysis of comprehensive evaluation value D on high nitrogen tolerance of different wheat varieties

2.5 氮效率相关性状与综合评价D值的相关性分析

2.5.1 灰色关联度分析灰色关联度分析显示（表4）,在低氮胁迫条件下,各性状指标与综合评价D值的关联度最小值为0.748,最大值为0.815。关联程度由大到小依次为单穗产量>穗长>千粒重>旗叶长>株高>粒宽>可育小穗数>粒长>茎粗>穗粒数>旗叶宽,结果显示,与小麦品种耐低氮性关系最密切的指标性状为单穗产量、穗长、千粒重、旗叶长、株高。在高氮胁迫条件下,各性状指标与综合评价值的关联度最小值为0.663,最大值为0.765。关联程度由大到小依次为单穗产量>旗叶长>千粒重>粒宽>茎粗>穗粒数>株高>穗长>旗叶宽>粒长>可育小穗数,结果表明,与小麦品种耐高氮性关系最密切的指标性状为单穗产量、旗叶长、千粒重、粒宽和茎粗。

Table 4
表4
表4各性状指标耐氮系数与综合评价D值的灰色关联度分析
Table 4Grey relational analysis between nitrogen tolerance coefficient and comprehensive evaluation value D

性状 Trait	耐低氮性 Low nitrogen tolerance		耐高氮性 High nitrogen tolerance
性状 Trait	关联度 Correlation degree	位次 Rank	关联度 Correlation degree	位次 Rank
株高PH	0.781	5	0.708	7
穗长SL	0.794	2	0.707	8
旗叶长FLL	0.792	4	0.730	2
旗叶宽FLW	0.748	11	0.703	9
茎粗SD	0.755	9	0.717	5
可育小穗数FSN	0.772	7	0.663	11
穗粒数GNPS	0.752	10	0.712	6
千粒重TKW	0.794	3	0.726	3
粒长GL	0.765	8	0.701	10
粒宽GW	0.773	6	0.718	4
单穗产量GWPS	0.815	1	0.765	1

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2.5.2 GGE双标图分析利用GGE双标图对小麦品种各性状指标耐氮系数与综合评价D值进行相关性分析,通过品种和性状的相互关系对不同小麦品种的耐氮性进行分组,并揭示组内耐氮能力最强的品种。将同一方向上距离原点最远的品种连接构成多边形,多边形各边的垂线把双标图分成若干个扇形区,不同的小麦品种包括相关性状分布在不同的扇区内。每个扇区内“顶角”的品种为所包含性状表现最好的品种,位于多边形内部或者靠近原点的品种则为表现较差的品种。结果如图4-A所示,以耐低氮品种新麦19（93）为代表的扇区内,包含温9519（89）、石4185（73）、陇麦212（83）和郑麦9962（61）等耐低氮性强的品种,耐低氮性状为穗长、株高、穗粒数、茎粗、粒长和粒宽。在耐低氮品种西农158（84）为代表的扇区内,有中麦875（82）、丰抗2号（78）、许科316（94）和育德1号（97）等耐低氮性强的品种,耐低氮性状为千粒重和小穗数。以低氮敏感型品种泛麦5号（52）为代表的扇区内没有耐低氮性状。由图4-B可知,以耐高氮品种良星99（39）为代表的扇区内,包含CA9553（49）和许农5号（95）等品种,耐高氮性状为穗长和株高。在耐高氮品种兰考矮早8（105）为代表的扇区内,有兰考926（104）、郑农46（100）、郑麦9962（61）和尧麦16（67）等品种,耐高氮性状为粒长、粒宽千粒重和穗粒数。以敏感型品种石麦12（74）为代表的扇区内没有耐低氮性状。结果表明,不同基因型小麦氮素吸收利用效率存在差异,且耐氮机制也不相同。

图4

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图4各性状指标的耐低氮系数（A）和耐高氮系数（B）与综合评价D值的GGE分析

Fig. 4GGE analysis between low (A) and high (B) nitrogen tolerance coefficient and comprehensive evaluation D value of each trait

2.6 籽粒产量和氮效率分类

2.6.1 不同氮水平处理对小麦籽粒产量的影响比较不同施氮水平下小麦品种的单穗产量（图5）。结果表明,在低氮胁迫下,2年单穗产量均降低的品种有48份,其中降低幅度小于5.00%的品种有3份,刑531、洛旱7号和石新633。降幅超过20.00%的品种有郑麦98、矮杆早、新乡大穗、冀729、丰舞981、金丰7183、京411、泛麦5号、京冬17、CA9553和YX11-57。降幅超过30.00%的品种有中种麦10号、益科麦5号、剡麦98和河麦58-3。2年单穗产量均增加的品种有16份,其中,升高幅度超过20.00%的品种有西农585、石4185、温麦19、农大3492和陇麦212,升幅超过30.00%的品种有育德1号、许科316、西农158和丰抗2号。

在高氮胁迫下,2年单穗产量均降低的品种有26份,其中,降低幅度小于5.00%的品种有3份,中鉴49、刑531和山农0917。降幅超过20.00%的品种有西农158、新乡大穗、临抗22、周麦25、豫农201和洛麦23。2年单穗产量均增加的品种有20份,其中,升高幅度超过20.00%的品种包括长4738、CA9553、农大211、剡麦98和长丰1号,增幅超过30.00%的品种有兰考矮早8和许农5号。

图5

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图5不同氮水平处理下小麦品种的单穗产量

Fig. 5Grain production per spikelet of wheat varieties under different nitrogen levels

2.6.2 基于单穗籽粒产量的氮效率分类作物在氮胁迫下的产量常被用作氮效率评价指标。以耐低氮性综合评价D值和低氮处理下的单穗籽粒产量进行散点作图,将供试小麦品种分为4类（图6-A）。高产耐低氮型（Ⅰ区）,此类品种的单穗籽粒产量和D值均高于供试品种的平均值,包括新科8号（77）、西农158（84）、陇麦212（83）、温麦19（89）、新麦19（93）、西农529（90）、西农979（92）、许科316（94）和育德1号（97）等;高产低氮敏感型（Ⅱ区）,此类品种的单穗籽粒产量高于平均值,D值低于平均值。包括平凉44号（28）、陇辐2号（29）、L54223（32）和剡麦98（31）等;低产低氮敏感型（Ⅲ区）,此类品种的单穗籽粒产量和D值均低于平均值。包括中种麦10号（42）、新乡大穗（44）、金丰7183（55）、衡4399（45）、河麦58-3（46）和益科麦5号（58）等;低产耐低氮型（Ⅳ区）,此类品种的单穗籽粒产量低于平均值,而D值高于平均值,包括丰抗2号（78）、轮选987（79）、农大3492（21）和山农0917（41）等。

图6

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图6低氮胁迫（A）和高氮胁迫（B）下小麦品种氮效率值的散点图

Fig. 6Scatter map of N efficiency value of wheat varieties under low（A）and high（B）nitrogen tolerance

以耐高氮综合评价D值和高氮处理下的单穗籽粒产量进行散点作图,将供试小麦品种分为4类（图6-B）。高产耐高氮型（Ⅰ区）,此类品种的单穗籽粒产量和D值均高于供试品种的平均值,包括兰考矮早8（105）、中原18（102）、许农5号（95）、兰考926（104）和剡麦98（31）等;高产高氮敏感型（Ⅱ区）,此类品种的单穗籽粒产量高于平均值,D值低于平均值。包括西农158（84）、新麦19（93）、陇辐2号（29）、LS6109（33）、温麦19（89）、郑麦98（60）和冀729（37）等;低产高氮敏感型（Ⅲ区）,此类品种的单穗籽粒产量和D值均低于平均值。有石麦12（74）、丰舞981（87）、中育9398（101）、新乡大穗（44）、周麦25（64）、临抗22（66）和丰抗2号（78）等;低产耐高氮型（Ⅳ区）,此类品种的单穗产量低于平均值,而D值高于平均值,包括矮杆早（9）、良星99（39）、尧麦16（67）、京冬8号（10）、有芒白4号（23）、农大3492（21）、京411（16）和郑农46（100）。

综合2年结果,根据低、高氮胁迫下的单穗籽粒产量差异,将108份小麦品种分为4种氮效率类型。（1）双高效型,低氮或高氮胁迫下的籽粒产量高于平均值。包括陇麦212（83）、西农979（92）、兰考926（104）、西农158（84）、存麦12号（85）、温麦19（89）、剡麦98（31）和陇辐2号（29）等21个品种;（2）低氮高效型,在低氮胁迫下的籽粒产量高于平均值,高氮胁迫下籽粒产量低于平均值,包括石4185（73）、西农585（91）和郑农46（100）等7个品种;（3）高氮高效型,在低氮胁迫下的籽粒产量低于平均值,高氮胁迫下则相反,包括科农2009（38）、长丰1号（13）、邯农2312（36）、郑麦366（99）和中种麦10号（42）等10个品种;（4）双低效型,在低氮和高氮胁迫下的籽粒产量均低于平均值,包括农大3492（21）、冀38（71）、金丰7183（55）、泛麦5号（52）、京冬8号（10）和轮选987（79）等24个品种。

3 讨论

关于氮效率筛选方法的选择,针对不同的作物常采用苗期水培试验^[33]、盆栽试验^[34]和田间试验^[35],或两两结合的方法控制氮环境条件进行氮高效种质的筛选。相比前两者,田间试验将作物的氮利用效率与产量联系起来,使其更为精准地筛选氮高效种质。选择合适的性状指标是作物氮效率鉴定的关键。冯洋等^[35]利用叶片SPAD值、氮素积累量和产量相关性状筛选出不同水稻氮效率种质。崔文芳等^[36]研究认为玉米杂交种氮高效筛选的有效指标为叶绿素SPAD值、茎叶总氮量和穗位叶氨基酸浓度。本研究采用大田试验,对108份小麦品种的耐氮性进行全生育期筛选。利用小麦产量性状指标的相对值控制环境因素和遗传背景造成的差异,依据氮胁迫系数和变异系数反映性状指标受氮胁迫的大小和不同品种间受氮胁迫的程度,筛选出单穗产量、旗叶长、穗粒数、旗叶宽、株高、穗长、茎粗和千粒重8个指标（CV>10%）可以作为小麦成株期耐氮性的评价指标。

根据耐氮性不同将品种划分成不同的类型,有利于品种间的比较。张旭^[37]利用氮素吸收效率和氮肥农学效率将14个小麦品种划分氮高效、中效和低效3种类型。黄永兰等^[38]对氮效率相关性状进行分析,依据不同施氮水平下的产量差异将45份水稻种质分为双高效型、高氮高效型、低氮高效型和双低效型。崔文芳等^[39]以耐低氮胁迫指数和高氮下产量将27份玉米自交材料划分成4种氮效率类型,高产氮高效型、低产氮高效型、高产氮低效型、低产氮低效型。顾炽明等^[40]以苗期生物量的平均值为依据,将162份甘蓝型油菜氮效率分为双高效型、双低效型、中间型。本研究利用相关分析、主成分分析、隶属函数分析和聚类分析等方法,对108份小麦种质成株期的耐氮性进行综合评价,依据耐低氮性综合评价D值将供试小麦品种分为低氮敏感型、低氮较敏感型、中间型、耐低氮型和强耐低氮型5类;以耐高氮性综合评价值将其分为4类,高氮敏感型、高氮较敏感型、中间型和耐高氮型。最终基于籽粒产量和氮综合评价D值将108份供试小麦品种分为4种氮效率类型,双高效型、低氮高效型、高氮高效型和双低效型。对不同氮水平下小麦单穗籽粒产量分析发现,耐低氮型小麦（石4185、丰抗2、西农158和丰抗2）的单穗产量连续2年均增产超过20%,低氮敏感型小麦（郑麦98、金丰7183、中种麦10号、益科麦5号、剡麦98和河麦58-3）的单穗产量连续2年均减产超过20%,结果进一步证实筛选指标的代表性和评价方法的可行性,以及耐氮性类型划分结果的可靠性。该研究结果对小麦氮高效育种具有重要的参考价值,但由于试验无其他生态区的多点实验佐证,因此,具有一定局限性,后续会在黄淮麦区不同点进行鉴定。

4 结论

氮胁迫对小麦的形态和产量构成相关性状指标均有不同程度的影响,其中单穗产量对氮胁迫的敏感程度最大。单穗产量、旗叶长、穗粒数、旗叶宽、株高、穗长、茎粗和千粒重8个指标（CV>10%）适合作为小麦成株期氮效率评价的初选指标。并将108份小麦品种划分为双高效型、低氮高效型、高氮高效型和双低效型4种氮效率类型,其中,陇麦212、西农979、兰考926、西农158、温麦19等21个小麦品种为双高效型,可作为小麦氮高效育种的种质资源。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

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