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耐低钾马铃薯品种的筛选与评价

刘寅笃, 脱军康, 李成举, 张锋, 张春利, 张莹, 王云姣, 范又方, 姚攀锋, 孙超, 刘玉汇, 刘震, 毕真真, 白江平

植物学报 2024, 59 (1): 75-88. DOI: 10.11983/CBB23016

摘要（202）

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土壤缺钾严重降低了我国马铃薯(Solanum tuberosum)的产量。而不同品种马铃薯对低钾的响应差异较大。因此, 采用耐低钾马铃薯品种可通过提高钾素利用效率减少钾肥施用量, 成为我国农业可持续发展和绿色发展的重要途径。该研究对30个马铃薯品种在正常钾处理(202.5 kg∙hm^-2 K₂O)和低钾处理(0 kg∙hm^-2 K₂O)下的17个指标进行测定, 并对9个代表性指标, 包括叶面积指数、根冠比、茎叶干质量、根干质量、单株产量、单株大薯产量、单株小薯产量、块茎干质量和块茎钾积累量进行后续分析。结果表明, 在低钾条件下, 各项指标均有不同程度的下降。主成分分析表明, 这9个指标可转换为4个独立的综合指标, 累计贡献率达87.1%。根据综合评价值(D值)和聚类分析, 将30个品种分为6类, 其中第1类为高度耐低钾品种, 包括Lucinda、Favorita、Kexin1、Xisen6、Xingjia2、Helan15和Chuanyin2, 第2类为中度耐低钾品种, 包括Longshu20、Dingshu3、Jizhang12(W)、Jiuen1、Longshu19和Jizhang12(Y)。此外还建立了耐低钾性评价回归模型Y= -0.595+0.247X₅+0.155X₄+0.138X₃+0.167X₈+0.088X₁+0.081X₆+0.097X₉+0.053X₂(R²=0.999, P=0.000), 利用回归方程对30个品种的估计精度均在90%以上。在低钾条件下, 可利用单株产量、根干质量、茎叶干质量、块茎干质量、叶面积指数、单株大薯产量、块茎钾积累量和根冠比快速鉴定耐低钾马铃薯品种。

Cultivars	F(X₁)	F(X₂)	F(X₃)	F(X₄)	U(X₁)	U(X₂)	U(X₃)	U(X₄)	D value	Comprehensive valuation
Lucinda	2.683	1.108	-0.681	0.936	0.936	0.710	0.317	0.557	0.743	1
Favorita	2.604	0.673	-0.169	-0.224	0.924	0.617	0.404	0.321	0.700	2
Kexin1	3.097	1.249	-2.530	-0.386	1.000	0.740	0.000	0.289	0.697	3
Xisen6	2.318	0.951	0.473	-0.751	0.880	0.676	0.514	0.214	0.693	4
Xingjia2	2.677	-0.531	1.039	-0.153	0.935	0.359	0.611	0.336	0.686	5
Helan15	1.131	0.389	3.311	-0.328	0.696	0.556	1.000	0.300	0.662	6
Chuanyin2	2.107	-1.227	-0.553	3.118	0.847	0.211	0.338	1.000	0.656	7
Longshu20	0.883	1.181	0.242	1.069	0.658	0.725	0.475	0.584	0.634	8
Dingshu3	1.322	0.959	-0.274	0.353	0.726	0.678	0.386	0.439	0.625	9
Jizhang12(W)	1.337	-0.122	0.373	0.864	0.728	0.447	0.497	0.542	0.609	10
Jiuen1	0.269	1.737	0.933	-0.845	0.563	0.844	0.593	0.195	0.578	11
Longshu19	3.014	-2.212	-0.226	-1.257	0.987	0.000	0.394	0.112	0.575	12
Jizhang12(Y)	0.831	-1.045	1.140	0.903	0.650	0.249	0.628	0.550	0.550	13
Dingshu4	0.946	-0.660	0.036	-0.793	0.667	0.332	0.439	0.206	0.502	14
Heijingang	-0.730	1.577	-0.411	-0.084	0.408	0.810	0.363	0.350	0.477	15
Xuechuan8	1.427	-1.589	-1.830	-0.922	0.742	0.133	0.120	0.180	0.445	16
Longshu14	-1.025	-0.753	1.786	1.063	0.363	0.312	0.739	0.583	0.440	17
Longshu3	-1.866	2.430	0.765	-1.197	0.233	0.992	0.564	0.124	0.428	18
Qingshu10	-2.239	2.466	0.059	-0.041	0.175	1.000	0.443	0.358	0.412	19
Qingshu9	-0.664	-1.497	1.337	-0.342	0.419	0.153	0.662	0.297	0.385	20
Lishu6	-1.236	0.151	-0.852	0.621	0.330	0.505	0.287	0.493	0.381	21
Longshu10	-0.945	-0.256	-0.906	0.041	0.375	0.418	0.278	0.375	0.369	22
Zhuangshu3	-1.778	0.132	-0.054	0.142	0.247	0.501	0.424	0.396	0.347	23
L0109-4	-2.156	0.860	-0.966	0.217	0.188	0.657	0.268	0.411	0.327	24
Longshu22	-1.953	0.325	0.040	-0.877	0.219	0.542	0.440	0.189	0.317	25
Longshu7	-0.981	-1.460	-0.329	-1.376	0.370	0.161	0.377	0.087	0.290	26
Xindaping	-1.065	-2.187	-0.346	-1.806	0.357	0.005	0.374	0.000	0.239	27
Atlantic	-3.373	-0.497	-1.103	1.584	0.000	0.367	0.244	0.688	0.205	28
Huasong7	-3.358	-1.698	0.708	0.986	0.002	0.110	0.554	0.567	0.185	29
Dingshu6	-3.259	-0.472	-1.019	-0.515	0.018	0.372	0.259	0.262	0.161	30
Index weight					0.505	0.208	0.155	0.132

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表6 各品种马铃薯的综合指标值F(X_j)、权重W_j、隶属函数值U(X_j)、D值及综合评价

正文中引用本图/表的段落

对于综合指标如F(X₁), 经过低钾胁迫处理后, Kexin1的U(X₁)值最大, 为1.000, 表明此品种在F(X₁)表现为高度耐低钾性, 而Atlantic的U(X₁)值最小, 为0.000, 说明该品种在F(X₁)表现为低钾高度敏感性(表6)。用公式(3)计算4个综合指标的权重W_j分别为0.505、0.208、0.155和0.132 (表6)。

分别利用公式(2)、(4)和(5)计算不同品种马铃薯的耐低钾性综合指标值F(X)、隶属函数值U(X)和综合评价值D值, 并以D值为标准, 对各品种进行排序(表6)。结果表明, Lucinda、Favorita和Kexin1的D值位列前3, 说明它们具有较强的耐低钾性, Dingshu6的D值最小, 表明该品种对低钾高度敏感。

作物耐低钾性是一个相对复杂的综合性状, 由多因子共同决定。低钾胁迫下, 植物从各方面调节自身机制以应对逆境, 保证自身的正常生长发育。由于马铃薯块茎为最终收获器官, 因此对收获期的产量性状、品质性状及生育期内其它代表性植株性状进行综合评价无疑是最可靠的评价方式。近年来, 对马铃薯的研究多集中在营养品质(段惠敏等, 2023)、抗旱品种筛选及评价指标鉴定(孙慧等, 2021)、种质资源评价(王晓斌等, 2017; 许国春等, 2021)、栽培方式(禄兴丽等, 2021)以及抗逆相关基因(李登高等, 2022)等方面, 而对马铃薯耐低钾性的综合评价鲜有报道。目前, 较为可靠的筛选评价体系以多指标、多种方法相结合。杨春婷等(2018)利用主成分分析、隶属函数分析及聚类分析将14种苦荞(Fagopyrum tataricum)划分为3类, 并建立最优回归方程, 确定了耐低磷性筛选评价指标, 研究结果为苦荞耐低磷性筛选奠定了基础。郭书亚等(2022)利用主成分分析和聚类分析, 依据耐铝性综合评价值将供试番茄(Solanum lycopersicum)种质划分为5类, 并得出番茄苗期耐铝评价方程, 使番茄耐铝性鉴定工作快速简便。李忠旺等(2017)利用4种综合评价方法, 通过聚类分析将供试棉花(Gossypium hirsutum)品种分为5个抗旱等级, 通过逐步回归方程确定了抗旱性筛选最优评价指标, 对不同抗旱性品种做出有效且准确的评定。张正社等(2017)结合多种分析方法对不同基因型山羊草(Aegilops sp.)进行耐低钾性评价, 初步建立了耐低钾山羊草种质评价模型, 并筛选到耐低钾山羊草评价指标。确定有效的鉴定指标对于筛选耐低钾品种至关重要, 而选择大量指标进行测定耗时费力, 导致筛选周期延长, 效率较低(李晓云等, 2014)。植株的形态指标具有易观察、易测定的优点(张婷婷等, 2016)。因此综合前人的研究方法(杨春婷等, 2018; 王吉祥等, 2021), 我们选择便于测定且具有代表性的17个指标(包括植株性状、形态指标、品质性状及产量性状)作为原始数据, 通过对这些指标的变异系数进行分析, 得到9个指标的绝对值及相对值(耐低钾系数)在品种间变异系数较大(>20%), 因此选用这些指标进行后续分析。本研究所用分析鉴定方法与张正社等(2017)的方法相似。我们先将这9个指标测定值转化为耐低钾系数作为基础性指标, 排除马铃薯品种间固有的生物学和遗传学差异, 然后对不同马铃薯品种耐低钾系数进行主成分分析, 将筛选到的9个单项指标转化为4个相互独立的评价指标, 通过计算4个综合评价指标的隶属函数值, 最终得到代表不同品种马铃薯耐低钾性的综合评价值(D值), 并根据D值对各品种马铃薯进行排序(表6)。

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