劉宏宇,姚雪,欒非時(shí),王學(xué)征
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,哈爾濱 150030)
厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性評(píng)價(jià)方法研究
劉宏宇,姚雪,欒非時(shí),王學(xué)征
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,哈爾濱150030)
以89個(gè)厚皮甜瓜品種為試驗(yàn)材料,測(cè)定低溫脅迫條件(18℃)下種子萌芽期相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)胚根長度和相對(duì)活力指數(shù);采用相關(guān)性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和逐步回歸分析等方法綜合評(píng)價(jià)萌芽期耐冷性。結(jié)果表明,厚皮甜瓜不同品種種子萌芽期耐冷性不同,相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)胚根長度和相對(duì)活力指數(shù)5項(xiàng)指標(biāo)間呈正相關(guān)。通過主成分分析將5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為2個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo),通過隸屬函數(shù)分析對(duì)各綜合指標(biāo)相對(duì)重要性加權(quán)獲得各品種耐冷性綜合評(píng)價(jià)D值,以D值為89份甜瓜材料排序,從高到低區(qū)分其耐冷性,并建立評(píng)價(jià)厚皮甜瓜耐冷性回歸方程。
厚皮甜瓜;萌芽期;耐冷性;綜合評(píng)價(jià)
網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2016-7-20 11:10:39[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160720.1110.008.html
劉宏宇,姚雪,欒非時(shí),等.厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性評(píng)價(jià)方法研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(7):24-31.
Liu Hongyu,Yao Xue,Luan Feishi,et al.Study on evaluation method of chilling tolerance at germination stage inCucumis melo[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):24-31.(in Chinese with English abstract)
甜瓜(Cucumis melo L.)原產(chǎn)于印度、非洲熱帶沙漠地區(qū),作為一種喜溫、耐熱一年生蔬菜作物,對(duì)低溫反應(yīng)極其敏感。甜瓜根據(jù)其生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、生物學(xué)特性可分為厚皮甜瓜和薄皮甜瓜兩大類[1-2]。厚皮甜作為我國大棚主栽品種之一,對(duì)溫度要求較為嚴(yán)格。低溫脅迫常常會(huì)影響作物生長發(fā)育,引起其生理、生化、形態(tài)等方面一系列變化,是限制厚皮甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)主要逆境因子之一。眾多學(xué)者對(duì)蔬菜作物在生理、生化、形態(tài)、產(chǎn)量等方面開展耐冷性研究,探討鑒定指標(biāo)和生理機(jī)制[3-6]。蔬菜耐冷性評(píng)價(jià)相關(guān)研究常選擇萌芽期和幼苗期,種子萌芽期耐冷性與幼苗期耐冷性顯著相關(guān)[7]?;蛐蜎Q定種子發(fā)芽過程耐冷性[8]。不同種質(zhì)遺傳差異決定種子發(fā)芽過程耐冷性差異,因此低溫發(fā)芽能力可作為低溫逆境下田間出苗狀況有效預(yù)測(cè)指標(biāo)[9]。目前,耐冷性評(píng)價(jià)方法缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),對(duì)大量甜瓜品種種子萌發(fā)期耐冷性綜合評(píng)價(jià)研究鮮見報(bào)道。為此,本研究對(duì)89個(gè)厚皮甜瓜品種開展萌芽期耐冷性試驗(yàn),通過測(cè)定和篩選種子萌芽期低溫敏感指標(biāo),系統(tǒng)運(yùn)用多元分析方法綜合評(píng)價(jià)厚皮甜瓜耐冷性,以期為甜瓜耐冷性鑒定、篩選與耐冷新品種選育提供理論依據(jù)。
1.1供試材料及試驗(yàn)處理
供試材料為89份不同類型厚皮甜瓜品種,均由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)西甜瓜遺傳育種課題組提供。供試品種編號(hào)及名稱見表1。
表1 供試材料信息Table 1Informations of experimental materials
選取籽粒飽滿、大小一致甜瓜種子,55℃溫湯浸種后浸泡6 h,再用蒸餾水沖洗,分別平放于鋪有雙層濾紙培養(yǎng)皿中,每培養(yǎng)皿30粒,完全隨機(jī)排列,分別置于常溫(28℃)和低溫(18℃)光照培養(yǎng)箱(HPG-280BX型)中黑暗條件下發(fā)芽。試驗(yàn)期間保持種子充分濕潤,每天用蒸餾水沖洗并更換濾紙,每品種3次重復(fù)。
1.2測(cè)定項(xiàng)目與方法
試驗(yàn)每24 h檢查發(fā)芽粒數(shù),常溫下第2天測(cè)量胚根長度,低溫下于第8天測(cè)量胚根長度,胚根長度測(cè)量以胚根突破種皮1 mm為標(biāo)準(zhǔn)。為消除種子活力差異造成的誤差,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長度、活力指數(shù)等指標(biāo)均采低溫與常溫?cái)?shù)據(jù)相對(duì)比率表示,按下列公式計(jì)算相關(guān)指標(biāo):
發(fā)芽率(%)=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;發(fā)芽勢(shì)(%)=前6 d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%;
發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt),Gt為第t天日發(fā)芽數(shù),Dt為相應(yīng)發(fā)芽日數(shù);
活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×胚根長度;
相對(duì)發(fā)芽率(%)=低溫下發(fā)芽率(第8天)/常溫下發(fā)芽率(第6天)×100%;
相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(%)=低溫下發(fā)芽勢(shì)(第6天)/常溫下發(fā)芽勢(shì)(第2天)×100%;
相對(duì)發(fā)芽指數(shù)(%)=低溫下發(fā)芽指數(shù)(第8天)/常溫下發(fā)芽指數(shù)(第2天)×100%;
相對(duì)胚根長度(%)=低溫下胚根長度(第8天)/常溫下胚根長度(第2天)×100%;
相對(duì)活力指數(shù)(%)=低溫下活力指數(shù)(第8天)/常溫下活力指數(shù)(第2天)×100%。
1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
Microsoft Office Excel 2007軟件完成所有相關(guān)指標(biāo)參數(shù)值計(jì)算。采用DPS v7.05b軟件作主成分分析、相關(guān)性分析和逐步回歸分析。甜瓜耐冷性評(píng)價(jià)方法采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法,按以下公式分別計(jì)算各項(xiàng)鑒定評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)值:
U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2,…,n(1)
U(Xj)=1-[(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)]
j=1,2,…,n(2)
公式(1)求得各供試材料每個(gè)綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)值,式中,Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo),Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)最小值,Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)最大值。
式中,IWj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中重要程度即權(quán)重;Pj為各基因型第j個(gè)綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率。
式中,D值為各基因型在低溫脅迫條件下耐冷性綜合評(píng)價(jià)值。
2.1厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性相關(guān)性狀及其相關(guān)分析
由表2可知,不同厚皮甜瓜品種低溫脅迫下種子發(fā)芽能力降低,但不同品種各單項(xiàng)指標(biāo)變化幅度不同。18℃低溫脅迫下,89個(gè)甜瓜品種種子相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)不同品種間變化幅度分別為0~111.11%、0~115.39%。其中,37個(gè)品種相對(duì)發(fā)芽率達(dá)100.00%,33個(gè)品種相對(duì)發(fā)芽勢(shì)達(dá)100.00%,表明低溫對(duì)其發(fā)芽速率基本未產(chǎn)生影響。5個(gè)品種相對(duì)發(fā)芽率低于10.00%,6個(gè)品種相對(duì)發(fā)芽勢(shì)低于10.00%,表明其種子在低溫脅迫下基本喪失活力。發(fā)芽指數(shù)反映種子萌芽期綜合活力,低溫脅迫條件下相對(duì)發(fā)芽指數(shù)在品種間變化幅度為0~120.79%,分布范圍顯著增加,數(shù)據(jù)分布較均勻。相對(duì)胚根長度是反映與種芽生長量相關(guān)的指標(biāo),其變化幅度為18.25%~93.24%,其中31個(gè)品種相對(duì)胚根長度低于50.00%,9個(gè)品種相對(duì)胚根長度高于80.00%。相對(duì)活力指數(shù)是反映種子發(fā)芽速度和生長量的綜合指標(biāo),變化幅度為0~105.13%,僅39和21號(hào)相對(duì)活力指數(shù)高于80.00%,分別為105.13%和90.55%,64個(gè)品種相對(duì)活力指數(shù)低于50.00%。
對(duì)89份厚皮甜瓜材料低溫脅迫條件下RGR、RGP、RGI、RRL和RVI 5個(gè)指標(biāo)作相關(guān)性分析(見表3)。結(jié)果表明,5個(gè)指標(biāo)之間呈正相關(guān),且相關(guān)性較大,其中RGR與其他4個(gè)指標(biāo),RGP與RGI、RVI,RGI與RVI以及RRL與RVI呈顯著正相關(guān),RGI與RRL呈極顯著正相關(guān)。萌芽期各性狀指標(biāo)從不同角度反映甜瓜種子萌芽期耐冷性,且其提供信息有部分重疊。因此,直接利用各單項(xiàng)指標(biāo)不能直觀、大量評(píng)價(jià)甜瓜品種耐冷性,需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用其他多元統(tǒng)計(jì)方法綜合分析,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其萌芽期耐冷性。
2.2厚皮甜瓜萌芽指標(biāo)主成分分析及耐冷性綜合評(píng)價(jià)
將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后再作主成分分析,得到樣本相關(guān)矩陣特征向量和累計(jì)貢獻(xiàn)率(見表4)。結(jié)果表明,前2個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為72.68%和20.20%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.89%,其余可忽略不計(jì)。因此將原來5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)新的相互獨(dú)立綜合指標(biāo)。其中,第1主成分?jǐn)y帶RGR、RGP、RGI和RVI方面信息,第2主成分?jǐn)y帶RRL方面信息。且第1主成分中RGP特征向量最大(0.4854),第2主成分中RRL特征向量最大(0.8656),兩個(gè)主成分主要與種子發(fā)芽勢(shì)和胚根長度關(guān)系較大。
表2 不同厚皮甜瓜品種萌芽期耐冷性相關(guān)性狀指標(biāo)Table 2Character indices related to chilling resistance of different melon varieties at germination stage
表3 甜瓜萌芽指標(biāo)之間相關(guān)性分析Table 3Correlation analysis among germination indices of melon
表4 各主成分特征向量及貢獻(xiàn)率Table 4Eigenvectors of principal components(PC)and contributive rate
利用公式(1)和(2)計(jì)算各品種所有綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)值,隸屬函數(shù)值可作為甜瓜耐冷性量度值,初步評(píng)價(jià)甜瓜材料耐冷性。根據(jù)各綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率大小,利用公式(3)計(jì)算3個(gè)綜合指標(biāo)權(quán)重,分別為0.7825和0.2175。根據(jù)各品種各綜合指標(biāo)U值和權(quán)重,利用公式(4)獲得各品種耐冷性綜合評(píng)價(jià)D值(見表5)。以D值對(duì)89份厚皮甜瓜材料排序,從高到低區(qū)分其耐冷性。不同厚皮甜瓜品種綜合評(píng)價(jià)D值變化范圍為0.0186~0.8765,采用最大距離法對(duì)各品種D值聚類分析,如圖1所示,可將89份甜瓜材料劃分為5個(gè)類型:強(qiáng)耐冷型(High resistant,HR)、耐冷型(Resistant,R)、中度耐冷類型(Middleresistance,MR)、不耐冷類型(Low sensitive,LS)和冷敏感類型(Sensitive,S),其中強(qiáng)耐冷型15份,分別為IranH、白皮脆、TN、M-021、PI164179、益都黃銀瓜-3、PI164433、PI183046、公爵、三棱紅、PI313970、益都黃銀-1、WI998、PI-140662和灰姑娘。冷敏感型8份,分別為PMR6、PI614526、Vedrantais、BT3、Edisto47、PMR45、PI-177351和Kurumeke No6。
表5 各品種綜合指標(biāo)U(X)值、權(quán)重(IW)、D值、預(yù)測(cè)值(P)及排序Table 5Value of each variety's comprehensive index U(X),index weight(IW),D,prediction(P)and ranking
續(xù)表
圖1 甜瓜89個(gè)品種耐冷性聚類Fig.1Clusters for 89 melon cultivars
2.3逐步回歸分析及最優(yōu)回歸方程建立
為更精確分析甜瓜品種耐冷性與各分析指標(biāo)之間關(guān)系,建立可靠的耐冷性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型,把綜合評(píng)價(jià)89份甜瓜材料耐冷性D值作為因變量,各單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值平均值作自變量逐步回歸分析,建立最優(yōu)回歸方程:Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5,方程決定系數(shù)R2= 0.9985,P=0.0001。由方程可知,5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)中有4個(gè)指標(biāo)對(duì)甜瓜耐冷性有顯著影響,分別是相對(duì)發(fā)芽率(X1)、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(X2)、相對(duì)胚根長度(X4)和相對(duì)活力指數(shù)(X5)。利用回歸方程得出89個(gè)甜瓜品種耐冷性預(yù)測(cè)值P,將其與耐冷性綜合評(píng)價(jià)值作相關(guān)分析,得出二者相關(guān)系數(shù)r=0.9989,達(dá)極顯著水平,說明該方程中指標(biāo)對(duì)耐冷性影響明顯,該回歸方程可用于甜瓜萌芽期耐冷性評(píng)價(jià)。
研究表明,作物不同生育期耐冷性由不同基因控制,對(duì)低溫脅迫表現(xiàn)不同。因此,不同生育期應(yīng)有各自耐冷性評(píng)價(jià)體系[10]。利用萌芽期低溫脅迫條件下與發(fā)芽速率和生長量相關(guān)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同種質(zhì)耐冷性、重復(fù)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、試驗(yàn)周期短、操作方法簡便易行。已較早應(yīng)用于多種蔬菜作物如黃瓜[11]和辣椒[7]耐冷性鑒定。低溫會(huì)推遲出芽時(shí)間,影響不同種質(zhì)發(fā)芽率和胚根長度等[12]。利用低溫脅迫條件下發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)相關(guān)指標(biāo)評(píng)價(jià)種子耐冷性,已應(yīng)用于甜瓜作物。孫玉宏等比較13、15和18℃低溫條件下甜瓜種子發(fā)芽情況,結(jié)果表明,18℃低溫條件下甜瓜種子活力指數(shù)可鑒定甜瓜品種耐冷性[13]。苗永美等研究15、17和18℃低溫條件下13份甜瓜材料發(fā)芽能力,結(jié)果表明,18℃下相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)活力指數(shù)可作為芽期耐冷性鑒定指標(biāo)[14]。任儉等也認(rèn)為18℃下甜瓜種子活力指數(shù)可用于厚皮甜瓜耐冷材料篩選[15]。因此,18℃可作為甜瓜種子芽期耐冷性鑒定適宜低溫脅迫溫度。為消除因貯藏年限、貯藏環(huán)境、種子成熟度以及后熟度等種子自身活力差異帶來的試驗(yàn)誤差,在評(píng)價(jià)甜瓜不同品種低溫發(fā)芽能力時(shí)應(yīng)考慮種子自身活力因素,采用低溫與常溫條件下各指標(biāo)相對(duì)值評(píng)價(jià)耐冷性,更具準(zhǔn)確性[16]。
不同品種某一單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)低溫脅迫反應(yīng)不同,難以全面準(zhǔn)確反映品種耐冷性強(qiáng)弱。因此,采用多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)作物抗逆性已形成共識(shí)[17]。耐冷性評(píng)價(jià)是對(duì)不同類型甜瓜耐低溫能力強(qiáng)弱作篩選、鑒定和歸類的過程。在甜瓜萌芽期耐冷性評(píng)價(jià)研究中,苗永美等采用極點(diǎn)排序法[14]和耐冷性隸屬函數(shù)[15]對(duì)甜瓜耐冷性綜合評(píng)價(jià),忽略各指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)重要性及權(quán)重。評(píng)價(jià)作物耐冷性指標(biāo)較多,指標(biāo)間存在相關(guān)性,對(duì)低溫脅迫反映信息發(fā)生交叉與重疊,導(dǎo)致鑒定過程復(fù)雜化、鑒定結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性??鼓嫘匝芯坎捎枚嘀笜?biāo)綜合評(píng)價(jià)方法,如主成分分析法、隸屬函數(shù)法、極點(diǎn)排序法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、聚類分析和逐步回歸分析法等[18-23]。本研究利用主成分分析法將原來5個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的且彼此獨(dú)立兩個(gè)綜合指標(biāo),利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)同時(shí)對(duì)各綜合指標(biāo)相對(duì)重要性加權(quán),根據(jù)不同厚皮甜瓜品種綜合評(píng)價(jià)D值,可更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各品種耐冷性[24]。利用逐步回歸分析方法建立最優(yōu)回歸方程:Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5,經(jīng)分析該方程耐冷性預(yù)測(cè)值P與耐冷性綜合評(píng)價(jià)值相關(guān)性達(dá)極顯著,準(zhǔn)確性較高。建立一套重復(fù)性好、可操作性強(qiáng)的厚皮甜瓜耐冷性鑒定數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型,可預(yù)測(cè)其他厚皮甜瓜品種耐冷性,適用性廣泛。
通過對(duì)89個(gè)厚皮甜瓜品種在低溫脅迫條件(18℃)下種子相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)胚根長度和相對(duì)活力指數(shù)作主成分分析,將原來關(guān)聯(lián)的5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成2個(gè)相互獨(dú)立綜合指標(biāo),通過隸屬函數(shù)分析對(duì)各綜合指標(biāo)相對(duì)重要性加權(quán)獲得各品種耐冷性綜合評(píng)價(jià)D值,以D值對(duì)89份甜瓜材料排序,從高到低區(qū)分其耐冷性強(qiáng)弱,聚類分析D值,將89個(gè)厚皮甜瓜分為5類,即強(qiáng)耐冷型、耐冷型、中度耐冷類型、不耐冷類型和冷敏感類型,其中強(qiáng)耐冷型甜瓜材料15份,冷敏感型甜瓜材料8份。通過逐步回歸分析建立評(píng)價(jià)厚皮甜瓜耐冷性回歸方程:Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5,可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)或評(píng)價(jià)其他品種耐冷性強(qiáng)弱。
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Study on evaluation method of chilling tolerance at germination stage inCucumis melo
LIU Hongyu,YAO Xue,LUAN Feishi,WANG Xuezheng
(School of Horticulture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)
Total 89 melon cultivars were used to evaluate comprehensively chilling resistance based on relative germination percentage,relative germination potential,relative germination index, relative radicle length,and relative vigor index at 18 ,with using variance analysis,principal components analysis,hierarchical cluster analysis and regression analysis at germination stage.The results showed that the degree of tolerance varied among melon cultivars,with a positive correlation between relative germination percent,relative germination potential,relative germination index,relative radicle length,and relative vigor index.These results showed that the five single indices could be classified into two independent comprehensive components by principal components analysis,and the relative importance of the comprehensive index was weighted to obtain chilling tolerance comprehensive evaluationDvalue,which of the size of 89 melon materials were ranked high to low to distinct the strength of its chilling tolerance by membership function analysis,then the regression equation for identifying chilling tolerance in melon was established.
Cucumis melo;germination stage;chilling tolerance;comprehensive evaluation
S652
A
1005-9369(2016)07-0024-08
2016-04-05
國家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系分子育種崗位項(xiàng)目(CARS-26-02)
劉宏宇(1967-),男,副研究員,博士,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槭卟诉z傳育種。E-mail:hyliu@neau.edu.cn