高光效糜子品种鉴定筛选

文章编号：1002-0659（2023）02-0010-05
闫　锋
（黑龙江省农业科学院 齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）
试验研究高光效糜子品种鉴定筛选
摘要：采用大田试验对25个糜子品种的叶片胞间CO 2浓度、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率、瞬时水分利用效率进行测定，运用模糊隶属函数、主成分分析、聚类分析对参试糜子品种的光合性能进行综合评价和聚类分析。

结果表明，25个糜子品种的叶片光合指标在品种间存在较大差异，变异系数为10.47%～29.98%，气孔导度的变异系数最大（29.98%），胞间CO 2浓度的变异系数最小（10.47%）；利用主成分分析将糜子5个单项光合指标转化为2个独立的综合指标，结果表明，蒸腾速率、净光合速率、气孔导度可作为糜子光合性能鉴定的评价指标。

通过聚类分析，将25个糜子品种划分为高光效、较高光效、中等光效、低光效4个类型，筛选出“雁黍11号”“内糜7号”“陇糜14”“齐黍1号”“晋黍8号”“陇糜18”6个高光效品种，可作为高光效育种亲本材料加以利用。

关键词：糜子；高光效；综合评价；主成分分析中图分类号：S516
文献标识码：A
收稿日期：2023-01-05
基金项目：国家现代农业产业技术体系资助（CARS-07-06B）
作者简介：闫锋（1982-），男，助理研究员，主要从事杂粮作物遗传育种及栽培方面研究工作。

E-mail：**********************
糜子（Panicum miliaceum L.）起源于中国，富含营养，具有较高的食用、药用和饲用价值。

糜子生育期相对于其他作物短且耐瘠薄、耐旱，是干旱、半干旱地区的重要作物[1]。

研究表明，作物积累的干物质有90%～95%来自于叶片的光合作用，光合作用是决定产量的重要因素，光合性能的改善是提高作物产量的有效途径之一。

高光效种质资源是开展高光效育种的物质基础，研究表明，同一作物不同品种间的光合效率存在显著差异，且具有稳定的遗传特性[2]。

高光效种质主要通过直接筛选、理化诱变、有性杂交等方法获得，其中直接筛选法简单直接，应用最为普遍[3]。

前人已对多种作物进行了高光效种质的筛选工作并成功筛选出一批高光效作物种质[4-5]。

笔者通过查询文献发现，前人针对糜子种质资源评价主要集中在产量、品质、抗性方面，而关于光合性能方面的研究鲜见报道，为此，本研究以中国不同地区的25个糜子品种为试验材料，利用模糊数学隶属函数、主成分分析、聚类分析对糜子光合指标进行统计分析，以期为构建糜子高光
效评价体系以及高光效种质资源创新提供依据。

1 材料和方法
1.1 供试材料与试验设计
参试糜子品种分别来自中国10家糜子科研育种单位，共计25个品种（表1）。

试验于2022年在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院科研基地进行，采用随机区组设计，8行区，行长4 m，小区面积20.8 m 2，试验设3次重复，各品种留苗密度均为40万株·hm -2。

表1 参试品种及育种单位
品种名称育种单位
陇糜9号甘肃省农业科学院作物研究所
陇糜14陇糜18龙黍23黑龙江省农业科学院作物育种研究所赤糜2号赤峰市农牧科学研究院
赤黍1号赤黍2号内糜7号内蒙古自治区鄂尔多斯市农业科研所内糜5号辽糜31辽宁省农业科学院作物研究所辽糜56
续表1 参试品种及育种单位
品种名称育种单位
榆糜3号陕西省榆林市农业科学研究所冀黍3号河北省农林科学院谷子科学研究所
固糜21宁夏农林科学院固原分院
固糜22宁糜14宁糜14宁糜15山西省农业科学院高寒区作物研究所晋黍8号晋黍9号雁黍7号雁黍11号雁黍12号齐黍1号黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院齐黍3号粘丰7号
1.2 测定项目与测定方法
糜子抽穗时在每小区中间4行随机选取10株，用美国CID 公司生产的CI-340型光合作用测定仪测定倒二叶的胞间CO 2浓度（C i ）、蒸腾速率（T r ）、气孔导度（G s ）、净光合速率（P n ），测定位置为叶片中部，叶片瞬时水分利用效率（WUE ）=P n /T r 。

1.3 数据处理与分析
用Excel2019、SPSS19.0软件进行数据统计及方差分析。

参照孙东雷等[6]的方法运用模糊隶属函数和均方差系数赋予权重，对参试品种进行综合评价，具体公式如下：
U ij =（X ij -X jmin ）/（X jmax -X jmin ） （1）如果为反向指标，则用反隶属函数进行转换，计算公式为:
U ij =1-（X j -X jmin ）/（X jmax -X jmin ） （2）式中：U ij 表示i 品种第j 个指标的隶属函数值；X ij 表示i 品种第j 个指标值；X jmax 和X jmin 分别表示第j 个指标值中的最大值和最小值。

j
n
j j i j
j X X X
P /)(1
2∑=−=
∑==n
j j
j P P W 1
j /式中：W j 表示第j 个指标在所有指标中的权重；
P j 为第j 个指标的均方差系数。

∑=⋅=n
1j j i j i ][W U D （5）
式中：D i 表示第i 个处理的综合评价值，根据D 值大小可以对各糜子品种光合性能表现进行排序。

2 结果与分析
2.1 不同糜子品种叶片光合指标的差异分析
由表2可知，糜子品种各指标变异系数由大到小依次为气孔导度（29.98%）、蒸腾速率（21.19%）、净光合速率（16.73%）、瞬时水分利用率（10.77%）、胞间CO 2浓度（10.47%）。

其中胞间CO 2浓度的变异范围为235.83～332.41 μmol·mol -1，均值为282.87 μmol·mol -1；蒸腾速率的变异范围为2.88～5.68 mmol·（m 2·s）-1，均值为4.48 mmol·（m 2·s）-1；气孔导度的变异范围为0.16～0.52 mol·（m 2·s）-1，均值为0.35 mol·（m 2·s）-1；净光合速率的变异范围为10.50～18.88 mol·（m 2·s）-1，均值为15.48 mol·（m 2·s）-1；瞬时水分利用效率的变异范围为3.00～4.51 μmol·mol -1，均值为3.48 μmol·mol -1。

在胞间CO 2浓度、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率、瞬时水分利用效率各项单一评判指标下，“内糜5号”“内糜7号”“雁黍11号”“陇糜14”“冀黍3号”分别为最高，表现出较强的高光效特征。

但仅靠单一指标不能准确评价糜子各品种间光合性能的差异，有必要对糜子各品种的光合性能进行综合评价。

（3）（4）
表2 参试糜子品种叶片的光合指标
品种名称胞间CO 2浓度/μmol·mol -1
蒸腾速率/mmol·（m 2·s）-1
气孔导度/mol·（m 2·s）-1
净光合速率/μmol·（m 2·s）-1
瞬时水分利用效率/μmol·mmol -1
陇糜9号237.79 4.830.2117.10 3.54陇糜14259.02 5.090.4818.88 3.21陇糜18238.96 5.050.4016.89 3.34龙黍23297.86 3.840.4514.06 3.66赤糜2号284.59 5.400.3117.84 3.30赤黍1号289.48 5.450.2617.93 3.29赤黍2号
279.69
4.49
0.44
15.57
3.47
续表2 参试糜子品种叶片的光合指标
品种名称胞间CO2浓度/
μmol·mol-1
蒸腾速率/
mmol·（m2·s）-1
气孔导度/
mol·（m2·s）-1
净光合速率/
μmol·（m2·s）-1
瞬时水分利用效率/
μmol·mmol-1
内糜7号272.40 5.680.3918.56 3.27内糜5号332.41 2.880.4411.75 4.08固糜21272.28 4.960.2316.66 3.36固糜22329.21 3.600.5112.58 3.49宁糜14321.95 4.620.3014.99 3.24宁糜15288.43 4.670.2614.96 3.20辽糜31305.11 3.090.3010.50 3.40辽糜56304.54 4.460.4214.65 3.28晋黍8号235.83 5.390.2918.03 3.35晋黍9号264.38 4.330.4014.29 3.30雁黍7号258.86 5.520.2017.10 3.10雁黍11号249.57 5.600.5218.08 3.23雁黍12号301.60 4.120.4412.35 3.00榆糜3号300.51 3.040.4112.96 4.26齐黍1号239.18 5.530.2118.90 3.42齐黍3号297.34 3.490.1614.30 4.10粘丰7号325.98 2.930.4510.76 3.67冀黍3号284.88 3.830.3517.28 4.51均值282.87 4.480.3515.48 3.48变异系数/%10.4721.1929.9816.7310.77
2.2 不同糜子品种叶片光合指标的主成分分析
对25个糜子品种叶片的胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率、瞬时水分利用效率5个指标进行主成分分析，选取2个特征值大于1的主成分。

结果显示，第Ⅰ主成分的贡献率为59.568%，第Ⅱ主成分的贡献率为20.965%，累计贡献率为80.533%，说明前2个主成分涵盖了糜子品种5个指标80%以上的数据信息（表3），它们之间的相关性可通过因子负荷量反映出来。

第Ⅰ主成分与蒸腾速率和净光合速率有较大的正相关关系，第Ⅱ主成分与气孔导度有较大的正相关关系。

表3 参试糜子品种叶片光合指标的主成分分析
指标
主成分
ⅠⅡ胞间CO2浓度/μmol·mol-1-0.500 0.142蒸腾速率/mmol·（m2·s）-1 0.561 0.172气孔导度/mol·（m2·s）-1-0.216 0.749净光合速率/μmol·（m2·s）-1 0.529-0.124瞬时水分利用效率/μmol·mmol-1-0.331-0.611特征值 2.978 1.048贡献率/%59.568 20.965 累计贡献率/%59.56880.533
2.3 高光效糜子品种综合评价及聚类分析
将原始数据通过公式（1）和公式（2）进行隶属函数标准化（表4），通过公式（3）和公式（4）确定参试糜子品种各项光合指标的权重系数，利用公式（5）计算出参试糜子品种的综合评价值（D值），D值越大，表明其光合性能越强，反之越弱。

经过对25个糜子品种光合能力强弱进行排序（表4），显示光合性能较强的糜子品种有“雁黍11号”“内糜7号”“陇糜14”“齐黍1号”“晋黍8号”“陇糜18”；光合性能较弱的糜子品种有“内糜5号”“粘丰7号”“辽糜31”。

表4 参试糜子品种各项光合指标的隶属函数值
品种名称胞间CO2浓度/
μmol·mol-1
蒸腾速率/
mmol·（m2·s）-1
气孔导度/
mol·（m2·s）-1
净光合速率/
μmol·（m2·s）-1
瞬时水分利用效率/
μmol·mmol-1
D值排名
陇糜9号0.980.720.150.790.360.648陇糜140.760.810.90 1.000.140.763陇糜180.970.800.680.760.230.716
续表4 参试糜子品种各项光合指标的隶属函数值
品种名称胞间CO2浓度/
μmol·mol-1
蒸腾速率/
mmol·（m2·s）-1
气孔导度/
mol·（m2·s）-1
净光合速率
/
μmol·（m2·s）-1
瞬时水分利用效率/
μmol·mmol-1
D值排名
龙黍230.360.350.820.420.440.4517赤糜2号0.500.930.420.870.200.657赤黍1号0.440.940.280.880.190.629赤黍2号0.550.590.800.600.310.5712内糜7号0.62 1.030.650.960.180.772内糜5号0.000.000.780.150.710.2623固糜210.620.760.210.730.240.5713固糜220.030.260.980.250.330.3322宁糜140.110.640.400.530.160.4118宁糜150.460.660.280.530.140.4516辽糜310.280.080.390.000.260.1725辽糜560.290.580.740.490.190.4715晋黍8号 1.000.920.370.900.230.745晋黍9号0.700.530.670.450.200.5114雁黍7号0.760.970.100.790.070.6210雁黍11号0.86 1.00 1.000.900.150.821雁黍12号0.320.460.780.220.000.3520榆糜3号0.330.060.700.290.840.3819齐黍1号0.970.970.13 1.000.280.754齐黍3号0.360.220.000.450.730.3521粘丰7号0.070.020.810.030.450.2124冀黍3号0.490.350.530.81 1.000.6111权重0.190.290.140.220.16
为更好地对参试糜子品种光合性能进行综合分级评价，利用SPSS软件对参试糜子品种D值进行聚类分析，结果显示，当平均欧氏距离为4.0时，可将25个糜子品种划分为4大类（图1），Ⅰ类为高光效品种，包括6个品种（D＞0.71），占供试材料的24.0%；Ⅱ类为较高光效品种，包括7个品种（0.57＜D＜0.65），占供试材料的28.0%；Ⅲ类为中等光效品种，包括9个品种（0.33＜D＜0.51），占供试材料的36.0%；Ⅳ类为低光效品种，包括3个品种（0.17＜D＜0.26），占供试材料的12.0%。

图1 25个糜子品种D值的聚类分析3 结论与讨论
高光效种质的鉴选是提高作物产量的有效途径，是种质资源创新的物质基础[7]。

本研究来自不同地区的25个糜子品种的叶片光合指标和形态指标变异系数差异较大，平均为10.47%～29.98%。

结果表明，糜子叶片光合指标在品种间存在较大的遗传变异，可为糜子高光效育种及基础研究提供育种材料，这与有关大豆、玉米、小麦等的研究结论一致[8-10]。

传统的作物品种评价方法往往以某一重要单一性状作为参考指标，其鉴定结果往往具有片面性、局限性。

近年来，对作物品种的综合评价主要采用多指标、多种统计方法相结合的方式进行，这能够可靠全面地反映出不同作物种质间的差异，同时也可以构建品种综合评价体系[11-12]。

本试验通过主成分分析将糜子5个光合指标降维为2个主成分，并通过隶属函数计算出综合评价值（D值），结果表明蒸腾速率、净光合速率和气孔导度在糜子主成分分析中贡献率最大，最能体现糜子光合性能强弱，这与顾帅磊等[13]、程建峰等[14]的研究结论相似。

通过聚类分析将
25个糜子品种划分为高光效、较高光效、中等光效和低光效4种类型，筛选出“雁黍11号”“内糜7号”“陇糜14”“齐黍1号”“晋黍8号”“陇糜18”6个高光效品种。

相比于低光效类群与中等光效的类群，高光效糜子类群具有较高的蒸腾速率、净光合速率和气孔导度。

本研究仅以光合指标进行糜子高光效综合评价，缺乏糜子叶片形态、产量等指标的验证，此外由于本研究仅为1年的试验数据，且参试的糜子品种来自中国不同省份，生态适应性并不一致，因此研究结论是否具有普遍性、重复性还需进行后续试验加以验证。

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（上接第9页）
养成分，导致植株吸收营养不足而长势较弱。

本试验得出，铁皮石斛组培苗一步成苗的优化培养条件为培养容器240 mL、培养基用量40 mL、接种材料株高1.2 cm、接种密度4个芽•瓶-1，需添加激素，不添加活性炭。

培养120 d后，铁皮石斛组培苗分蘖量为6.55个，符合出苗标准的合格率为93.67%。

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