戶金鴿，廖 亮，楊 軍 ，楊 英 ，孫玉萍 ，廖新福

(1.新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

哈密瓜苗期抗旱相關(guān)指標(biāo)及主成分分析

戶金鴿1，廖 亮2，楊 軍1，楊 英1，孫玉萍1，廖新福1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

【目的】在干旱脅迫條件下，研究哈密瓜幼苗與抗旱性有關(guān)的生理指標(biāo)并進(jìn)行主成分分析，為哈密瓜的抗旱育種提供理論基礎(chǔ)?！痉椒ā坷每购敌圆煌?份哈密瓜品種，采取盆栽控水技術(shù)進(jìn)行水分干旱脅迫處理，測(cè)定與植物抗旱性有關(guān)的游離脯氨酸、甜菜堿、葉綠素、丙二醛(MDA)和保護(hù)性酶活性的變化等生理生化指標(biāo)并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析?！窘Y(jié)果】苗期干旱脅迫增加了游離脯氨酸、甜菜堿、MDA、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)的活性，同時(shí)減少了葉綠素含量?！窘Y(jié)論】通過主成分分析，干旱脅迫下游離脯氨酸、MDA、可溶性糖、SOD、POD、葉綠素均可作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定指標(biāo)，在9份參試品種中，西州密24號(hào)抗旱性最強(qiáng)，紅心脆抗旱性最弱。

哈密瓜；抗旱性；主成分分析

0 引 言

【研究意義】哈密瓜(CucumismelonL.)屬葫蘆科(Cucurbitaceae)甜瓜屬(CucumisLinn)一年生蔓性草本植物，需水量較多，干旱脅迫對(duì)哈密瓜的品質(zhì)、產(chǎn)量均有嚴(yán)重影響。吐魯番鄯善縣屬溫帶大陸性氣候，遠(yuǎn)離海洋，群山環(huán)繞，地貌復(fù)雜，形成了獨(dú)特的氣候。夏季炎熱，冬季寒冷，春、秋季干燥，年降水量少，但蒸發(fā)量又極大。新疆吐魯番地區(qū)是我國(guó)哈密瓜的主產(chǎn)區(qū)，因此，通過哈密瓜的抗旱鑒定可以為哈密瓜的抗旱育種提供優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源，從而對(duì)進(jìn)一步提高哈密瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要的意義。在干旱脅迫條件下，植物可通過增加或減少游離脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，改變體內(nèi)過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等酶活性來適應(yīng)水分的變化[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，隨著植物抗旱性研究的不斷深入，有關(guān)哈密瓜的抗旱機(jī)理及抗旱性評(píng)價(jià)也有報(bào)道[2]，除此之外，關(guān)于作物抗旱性性及主成分分析研究也越來越多，馮方劍等[3]對(duì)棉花的研究表明，脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖、MDA含量、葉綠素、SOS活性和POS活性均能作為棉花苗期抗旱性鑒定指標(biāo)，利用此7項(xiàng)值建立的D值抗旱評(píng)價(jià)體系對(duì)棉花品種苗期的解釋率為34.49%;趙曉梅等[4]采用簡(jiǎn)便、快捷的主成分指標(biāo)對(duì)杏品質(zhì)進(jìn)行綜合 ，結(jié)果表明通過計(jì)算品質(zhì)的主成分值，對(duì)供試的品系進(jìn)行比較，進(jìn)而選擇了綜合性狀優(yōu)良的品種，其結(jié)果與實(shí)際更相近，表明應(yīng)用主成分對(duì)杏品種的選擇更具有準(zhǔn)確性和科學(xué)性；馮國(guó)郡等[5]對(duì)新疆甜高粱2008年區(qū)域試驗(yàn)中10個(gè)品種的13個(gè)農(nóng)藝性狀間關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明在性狀選擇上，應(yīng)選擇植株高大、節(jié)數(shù)多、莖稈粗壯、生育期適中和錘度高的品種;徐心誠(chéng)[6]以番茄對(duì)試驗(yàn)材料，采用主成分分析法對(duì)番茄品種耐弱光的綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，坐果率和產(chǎn)量與其他耐弱光指標(biāo)之間不存在著極顯著的相關(guān)性，同一作物在不同程度的逆境脅迫下，抗逆能力的穩(wěn)定性也有不同；謝賽萍等[7]采用石蠟切片的方法比較了2種元胡葉片顯微結(jié)構(gòu)及主成分分析，結(jié)果顯示大、小葉元胡葉片的顯微結(jié)構(gòu)存在顯著差異;郭軍戰(zhàn)等[8]應(yīng)用主成分分析和聚類分析法，對(duì)文冠果12個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行了分析，地徑、枝下高、冠徑、樹高、葉長(zhǎng)的累積貢獻(xiàn)率達(dá)70.26%，聚類分析將12個(gè)數(shù)量性狀聚為6類，2種分析共同揭示了因子對(duì)文冠果的作用；楊建華等[9]研究表明主成分分析法可以對(duì)美國(guó)山核桃主要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行綜合評(píng)選；鐘金仙等[10]對(duì)10個(gè)黃瓜優(yōu)良品種的農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，單瓜重、結(jié)瓜數(shù)、雌花數(shù)、雌花著生節(jié)位的累積貢獻(xiàn)率達(dá)93.87%，株高、節(jié)間長(zhǎng)、第一雌花出現(xiàn)節(jié)位與單株產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)；胡建斌等[11]對(duì)不同來源的34份薄皮甜瓜品種的19個(gè)表型性狀進(jìn)行了主成分分析，其中果實(shí)形態(tài)和品種相關(guān)性狀變異系數(shù)最大，是薄皮甜瓜表型性狀的主要來源，19個(gè)表型性狀歸為6個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)80.83%，王海、十道梨等10個(gè)品種綜合表現(xiàn)優(yōu)良?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于哈密瓜苗期抗旱性的研究報(bào)道較少。研究采取盆栽控水技術(shù)，探討哈密瓜苗期的各生理指標(biāo)和抗旱性的關(guān)系，對(duì)哈密瓜苗期的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究哈密瓜苗期抗旱的相關(guān)指標(biāo)，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，為哈密瓜抗旱性育種提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為抗旱性不同的9份哈密瓜品種，均由新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果研究所提供。

1.2 方 法

1.2 .1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012年在新疆吐魯番地區(qū)鄯善縣新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果研究所試驗(yàn)地內(nèi)進(jìn)行，采取盆栽控水技術(shù)，花盆規(guī)格21 cm×18 cm，8月11日播種，每品種設(shè)置1個(gè)對(duì)照，脅迫組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)20盆。苗期正常澆水，常規(guī)管理，于9月8日開始進(jìn)行干旱脅迫處理，對(duì)照組正常澆水，干旱脅迫組不澆水，由于花盆較小，吐魯番地區(qū)溫度較高，蒸發(fā)量極大，于干旱脅迫第1 d、第2 d、第3 d、第4 d、第5 d取樣，采樣時(shí)采取不同植株的同一節(jié)葉片，迅速置于-40℃冰箱中冷凍保藏。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

游離脯氨酸采用磺基水楊酸法測(cè)定，甜菜堿采用雷氏鹽法測(cè)定，可溶性糖采用蒽酮法測(cè)定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化學(xué)還原法測(cè)定，葉綠素采用酒精-丙酮(1∶1)萃取法測(cè)定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[12]，各項(xiàng)指標(biāo)均測(cè)定3次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

抗旱系數(shù)(DRC)[13]：

隸屬函數(shù)：

式中，Xj為第j個(gè)綜合指標(biāo)值；Xmin和Xmax為第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

綜合指標(biāo)權(quán)重：

式中：wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；Pj為各品種第j個(gè)指標(biāo)與抗旱系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，表示了各品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

各基因型的綜合抗旱能力大小：

式中：D值為各品種在干旱脅迫下用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)所得的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值。

利用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用DPS 6.5進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生理指標(biāo)的抗旱系數(shù)及相關(guān)性

哈密瓜幼苗經(jīng)干旱脅迫后，生理生化指標(biāo)發(fā)生了諸多變化。除葉綠素含量低于對(duì)照組(DRC<100%)外，其它各指標(biāo)均高于對(duì)照組(DRC>100%)。但不同品種的各項(xiàng)生理生化抗旱指標(biāo)變化幅度不盡相同，脯氨酸變化幅度最大，葉綠素的變化幅度最小。由于不同的哈密瓜品種對(duì)某一單項(xiàng)生理生化指標(biāo)的抗旱性反應(yīng)不一定一致，因此用抗旱系數(shù)這一單項(xiàng)指標(biāo)來反應(yīng)各品種抗旱性的強(qiáng)弱顯得不夠科學(xué)。表1

表1 9個(gè)品種各項(xiàng)生化指標(biāo)的抗旱系數(shù)

Table 1 Drought resistance coefficient for every biochemical index of 9 culticars

代號(hào)Sitislnumber品種VarietySODSuperoxideDismutase(X1)PODPeroxidase(X2)甜菜堿Betaine(X3)脯氨酸Proline(X4)可溶性糖Solublesugar(X5)MDAMalondialdehyd(X6)葉綠素Chlorophyll(X7)123456789伽師瓜西州密17號(hào)西州密24號(hào)西州密25號(hào)香梨黃芙蓉醉仙熱瓜旦紅心脆115 67109 89107 70107 00157 72114 88113 07119 04119 04137 26113 11168 79109 11132 032144 04150 25175 72111 89131 50127 48132 74136 36122 92133 22130 87124 92124 92186 85164 24131 40135 72132 68211 42176 09226 93212 50131 44153 69149 56127 07136 81134 74145 59141 79145 87104 68122 61111 17108 42311 59119 44121 24116 21145 6696 5497 9695 8999 6098 5883 0393 2396 4993 23

2.2 主成分分析

由于原始數(shù)據(jù)度量單位不同，通常不能在同一水平上進(jìn)行比較分析，因此可將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，根據(jù)計(jì)算樣本相關(guān)矩陣的特征向量可得出主成分函數(shù)，表達(dá)式分別為：表2

第1主成分：

CI1=0.322X1+0.443X2-0.268X3+0.564X4+0.107X5+0.183X6-0.516X7

根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率和特征向量在生物學(xué)中的意義，可見對(duì)第1主成分貢獻(xiàn)最大的是X4，代表脯氨酸含量，其次為X2、X1，分別代表POD含量、SOD含量，可大致概括為植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和細(xì)胞體內(nèi)的酶活性。

第2主成分：

CI2=0.549X1-0.185X2-0.413X3-0.260X4-0.050X5+0.574X6+0.310X7.

X6為決定因子，代表MDA含量，可概括為MDA含量。

第3主成分：

CI3=-0.137X1+0.269X2-0.185X3-0.067X4+0.870X5-0.048X6+0.332X7.

在第3主成分表達(dá)式中，X5的系數(shù)最大，代表可溶性糖含量，其次是X7的系數(shù)較大，代表葉綠素含量，在第3主成分中，可大致概括為可溶性糖含量和葉綠素含量。

由3個(gè)函數(shù)可以看出，SOD活性、POD活性、脯氨酸含量、可溶性糖、MDA含量、葉綠素含量這6項(xiàng)指標(biāo)均可作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定指標(biāo)。在3個(gè)主成分表達(dá)式中，沒直接表明甜菜堿和哈密瓜苗期的抗旱能力的相關(guān)性，而且其它生理指標(biāo)的含量和甜菜堿的含量不存在極顯著相關(guān)性，故甜菜堿能否作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定性指標(biāo)，有待于進(jìn)一步的研究。表2

表2 各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

Table 2 Corrrelation coefficient matrix of every single index

指標(biāo)IndexX1X2X3X4X5X6X7X11X20 04351X30 50020 10031X40 15810 21110 12561X50 15820 17680 06020 03961X60 96730 15250 44660 35130 07751X70 16540 26800 27060 49250 06760 22281

注：相關(guān)系數(shù)臨界值，a=0.05時(shí)，r=0.664 4；a=0.01時(shí)，r=0.797 7

Note:The correlation coefficient threshold,a=0.05,r=0.6 644;a=0.01,r=0.797 7

2.3 綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 隸屬函數(shù)和權(quán)重

根據(jù)公式計(jì)算出隸屬函數(shù)值同時(shí)并根據(jù)公式和貢獻(xiàn)率計(jì)算出權(quán)重，可以看出，第一主成分的三個(gè)影響因子(SOD、POD、脯氨酸)的貢獻(xiàn)率達(dá)36.369%，第二主成分的主要影響因子(MDA)的貢獻(xiàn)率為20.994%，第三主成分的主要影響因子(可溶性糖、葉綠素)的貢獻(xiàn)率為15.916%。對(duì)于CI1而言，芙蓉的μ1值最大(0.631)，說明芙蓉在這一指標(biāo)上最抗旱；而西州密25號(hào)的μ1值最小(0.133)，表明西州密25號(hào)在CI1這一指標(biāo)上的抗旱性最弱。表3,表4

μ(X1)、μ(X2)、μ(X3)的權(quán)重分別是0.501、0.286、0.217。表4

表3 各綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率

Table 3 Confficient and contribution rate of different comprechensive indexs

主成分Principalcomponent(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)(X6)(X7)貢獻(xiàn)率ContributionrateCI10 3220 443-0 2680 5640 1070 183-0 51636 369CI20 549-0 185-0 413-0 260-0 0500 5740 31020 994CI3-0 1370 269-0 185-0 0670 870-0 0480 33215 916

2.3.2 綜合評(píng)價(jià)

D值的大小反應(yīng)了哈密瓜幼苗的抗旱性的強(qiáng)弱，D值越大說明其抗旱性越強(qiáng)。根據(jù)公式計(jì)算D值，大小依次為，西州密24號(hào)(0.920)，西州密17號(hào)(0.881)、香梨黃(0.825)、醉仙(0.819)、熱瓜旦(0.785)、芙蓉(0.771)、伽師瓜(0.749)、西州密25號(hào)(0.693)、紅心脆(0.649)，不難看出西州密24號(hào)的抗旱性>西州密17號(hào)>香梨黃>醉仙>熱瓜旦>芙蓉>伽師瓜>西州密5號(hào)>紅心脆。表4

表4 9個(gè)品種的權(quán)重、μ(Xj)值、D值以及綜合評(píng)價(jià)

Table 4 Proportion, μ(Xj)value and comprehensice baluation of 9 varieties

品種Varietyμ(X1)μ(X2)μ(X3)D值Dvalue綜合評(píng)價(jià)Complexevaluation伽師瓜Jiashigua0 2450 7700 6370 7497西州密17號(hào)XizhoumiNO 170 3240 6960 8160 8812西州密24號(hào)XizhoumiNO 240 5510 5080 8110 9201西州密25號(hào)XizhoumiNO 250 1330 7890 6280 6938香梨黃Xianglihuang0 1990 2351 0330 8253芙蓉Furong0 6310 3250 5680 7716醉仙Zuixian0 3310 8540 6420 8194熱瓜旦Reguadan0 4200 1950 8150 7855紅心脆Hongxincui0 2860 2350 6890 6499權(quán)重Signidicant0 5010 2860 217

3 討 論

抗旱性是植物對(duì)旱害的一種適應(yīng)，通過生理生化的適應(yīng)來減少干旱對(duì)植物所產(chǎn)生的危害。植物在干旱脅迫條件下，形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及生理生化特征會(huì)發(fā)生變化，如在干旱時(shí)葉片會(huì)卷成筒狀，脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會(huì)發(fā)生一系列的變化來適應(yīng)外界的環(huán)境條件。此外植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中也會(huì)形成一系列的抗氧化酶來對(duì)抗與清除活性氧[14]。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物的抗旱性及主成分分析的研究，已篩選出許多與作物抗旱性有關(guān)的生理、生化指標(biāo)，其中比較可靠的生化指標(biāo)有滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(無(wú)機(jī)離子、游離脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖)、葉綠素以及與細(xì)胞膜透性有關(guān)的酶類，如過氧化物酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶的活性等。鑒于國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，試驗(yàn)選取了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(游離脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖)、POD活性、SOD活性、丙二醛、葉綠素這7項(xiàng)指標(biāo)。由于吐魯番地區(qū)蒸發(fā)量大、年降水量少、溫度高等氣候特點(diǎn)，試驗(yàn)又采用了盆栽控水技術(shù)，為了減少土壤板結(jié)帶來的一系列問題，故在播種的土壤中加了少量基質(zhì)并采取了噴灌方式。

作物的抗旱性不僅受多基因控制和環(huán)境的影響，而且各性狀之間又相互聯(lián)系、相互制約。如果直接用各項(xiàng)生理指標(biāo)和抗旱系數(shù)對(duì)抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，則顯得不夠科學(xué)。因此試驗(yàn)采用了主成分分析的方法，因?yàn)橹鞒煞址治龇梢栽诓粨p失或很少損失原有信息的前提下，將多個(gè)彼此相關(guān)的指標(biāo)通過線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。

4 結(jié) 論

在正常澆水和干旱脅迫條件下，SOD活性、POD活性、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、MDA含量、葉綠素含量均可作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定指標(biāo)。甜菜堿也是細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，是一類季銨化合物，植物在干旱條件下會(huì)發(fā)生甜菜堿的積累，但是通過主成分分析，甜菜堿的貢獻(xiàn)率極小，因此甜菜堿含量能否作為哈密瓜苗期抗旱的相關(guān)指標(biāo)還有待于進(jìn)一步的研究。

西州密24號(hào)的抗旱性>西州密17號(hào)>香梨黃>醉仙>熱瓜旦>芙蓉>伽師瓜>西州密5號(hào)>紅心脆，這與戶金鴿等[15]的研究結(jié)果大體相同。但是在試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)，最先出現(xiàn)葉片萎蔫的是香梨黃，而通過主成分分析表明，香梨黃的抗旱性僅次于西州密24號(hào)和西州密17號(hào)，經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果不符。

研究了9份哈密瓜苗期的7項(xiàng)生理生化指標(biāo)之間的關(guān)系，同時(shí)還對(duì)9份哈密瓜品種的葉片進(jìn)行了石蠟切片分析[15]，兩種分析方法的結(jié)果不完全相同，而且經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果也不完全不符，因此關(guān)于哈密瓜抗旱能力還尚待進(jìn)一步研究。

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Fund project:Supported by the Special Fund of the National Watermelon and Muskmelon Industry System(nycytx-36)

Analysis on Principal Component of Relative Indices under Drought Resistance during the Seedling Stage of Hami Melon

HU Jin-ge1，LIAO Liang2，YANG Jun1，YANG Ying1，SUN Yu-ping1，LIAO Xin-fu1

(1.ResearchInstituteofGrapesandMelonsofXinjiangUygurAutonomousRegion,ShanshanXinjiang838200,China；2.CollegeofFoodandPharmaceuticalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

【Objective】 In order to provide a theoretical basis for Hami melon breeding, this project aims to explore the relevant indicators and conduct principal component analysis during seedling stage under drought conditions.【Method】Nine Hami melon cultivars with different drought resistance were used to determine the contents of free proline, chlorophyll, betaine, malondialdehyde (MDA) and the changes of protective enzyme connected with drought resistance by stress at the seedling stage.【Result】Results showed that water stress of seedlings stage increased the contents of free proline，betaine，malondialdehyde(MDA)and soluble sugar, raised the activity of SOD and POD, and reduced the content of chlorophyll, but every variety had different coping mechanisms.【Conclusion】The contents of free proline, betaine, malondialdehyde (MDA) and the changes of protective enzyme under water stress can all be used as ghe indicators of drought-resistance identification at the seedling s stage of Hami melon. No.24 is the strongest and Hongxincui is the weakest in drought resistance by the means of principal component analysis.

Hami melon; drought-resistance; principal component analysis

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.01.015

2015-07-29

國(guó)家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金(nycytx-36)

戶金鴿(1982-)，女，新疆人，助理研究員，碩士研究生，研究方向?yàn)槲?、甜瓜育種，(E-mail)hujinge2007@sina.com

廖新福(1960-)，男，新疆人，研究員，研究方向?yàn)槲?、甜瓜育種，(E-mail)lxf3838@163.com

S652

A

1001-4330(2016)01-0114-06