基于主成分分析的油菜鹽害生理反應規(guī)律

崔雪梅+++郭海如+++方嬙+++李春生

摘要：為研究油菜鹽害的生理反應規(guī)律，以NaCl、CaCl2、MgSO4、Na2SO4、NaHCO3作為復鹽成分，設置11種不同濃度復鹽脅迫處理油菜幼苗，處理結束后測定油菜葉綠素含量、可溶性糖含量、H2O2含量、游離脯氨酸含量、根系活力、根長變量、株高變量等9項指標，運用主成分分析法分析鹽害對油菜生理生化指標的影響。結果表明：復鹽濃度為0.30%時，各項指標最佳，隨著鹽濃度的增加，各項指標越來越差，說明低濃度的鹽分會促進油菜幼苗的生長；各生理指標鹽害敏感性分析結果表明，油菜品種陽光2009對鹽害反應最敏感的是株高和三苯基甲月替含量，其次是根長，脯氨酸含量影響最小。

關鍵詞：主成分分析；土壤鹽漬化；油菜幼苗；復鹽脅迫；生理指標

中圖分類號： S634.301文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0105-03

收稿日期：2015-08-06

基金項目：國家自然科學基金（編號：71473072）；湖北省中青年人才項目（編號：Q20152702）。

作者簡介：崔雪梅（1979—），女，云南宣威人，碩士，講師，主要從事生態(tài)環(huán)境及智能預測等研究。E-mail：swaucxm@126.com。

通信作者：郭海如，碩士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境信息處理及計算機監(jiān)控等研究。E-mail：hbeughr@126.com。土壤鹽漬化是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤資源可持續(xù)利用中存在的嚴重問題。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，但現(xiàn)有人均耕地面積只有世界人均量的1/4。隨著人口增加及經(jīng)濟發(fā)展，人地矛盾日益突出。因此，改良利用鹽漬化土地成為當前關注的熱點問題。目前對鹽漬化土壤的改良采用2種方式：用傳統(tǒng)水土工程改良鹽漬土壤，使之適宜作物生長；進行植物耐鹽育種[1]。相比較而言，無論是經(jīng)濟效果還是環(huán)境效益，培育耐鹽性品種都有較大優(yōu)勢。

油菜是我國主要的油料作物，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，菜籽油是我國的主要食用植物油之一[2]。油菜在我國西北地區(qū)大面積種植，深入研究油菜的抗逆性機理有著重要的戰(zhàn)略意義[3]。相關研究表明，鹽漬化土壤中可溶性鹽分主要包括Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子以及C032-、HCO3-、C1-、SO42-等陰離子，它們均來自中性鹽或堿性鹽[4]。目前對于油菜耐鹽性的研究主要集中于單鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響 [5]，而關于復鹽脅迫對油菜種子萌發(fā)及幼苗生長的研究鮮見報道。

本試驗選用陽光2009油菜種子，以NaCl、CaCl2、MgSO4、Na2SO4、NaHCO3作為復鹽成分，人工設定不同濃度復鹽分梯度，模擬現(xiàn)實的復雜狀態(tài)下油菜受到鹽脅迫的情景。經(jīng)過一段時間的適應生長以后，測定了不同濃度鹽分處理下的油菜葉綠素含量、可溶性糖含量、H2O2含量、游離脯氨酸含量、根系活力、根長變量、株高變量（根長和株高數(shù)值均為脅迫處理生長10 d后前測量值與脅迫處理前的差值）等生理指標，并采用主成分分析法分析了鹽分對各項生理指標影響的大小及油菜受鹽害的鹽濃度大小，為進一步探究油菜抗逆性和提高油菜抗逆能力提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗于2015年3—5月在湖北工程學院生科樓實驗室完成。供試油菜品種為甘藍型陽光2009，由中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所選育。該品種抗倒性強，經(jīng)農(nóng)業(yè)部油料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢測，平均芥酸含量0.25%，餅粕硫苷含量18.39 μmol/g，含油率43.98%，品質(zhì)較好。

供試鹽分種類及比例：根據(jù)我國鹽漬化土壤中可溶性鹽分，模擬鹽分脅迫的鹽溶液成分選用NaCl2、CaCl2、MgSO4、Na2SO4、NaHCO3，以NaCl ∶CaCl2 ∶MgSO4 ∶Na2SO4 ∶NaHCO3=14 ∶1.5 ∶3 ∶14 ∶0.5的質(zhì)量比作為鹽分處理原溶液。以此溶液為基礎配制0、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%、1.50%、1.80%、2.10%、2.40%、2.70%、3.00%的濃度梯度。

1.2試驗方法

挑選籽粒飽滿、大小均勻的油菜種子，用0.525%的NaClO溶液浸泡25 min，自來水洗凈，浸泡24 h后，棄去浮在水面的死種后進行催芽。將種子均勻散布在鋪有2層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中。將培養(yǎng)皿放入（25 ±2） ℃恒溫箱中培養(yǎng)，每隔1 d澆2次水，水量均等，以恰好不流動為宜。3 d后移至沙土中繼續(xù)培養(yǎng)，每隔1 d澆2次1/2霍格蘭氏營養(yǎng)液。幼苗適應生長2周后，長出3～4張子葉、根系發(fā)達、幼莖較硬時，將長勢一致、長短粗細均勻的幼苗每組6株移于獨立的玻璃器皿中繼續(xù)水培，以泡沫軟墊固定。幼苗分為11個試驗組，每組3個平行，置于通風光照處培養(yǎng)，每天通氣15 min。移苗1周后進行復鹽脅迫處理。鹽分處理10 d后開始測定各項生理生化指標。

1.3測定指標及方法

油菜幼苗測定項目及測定方法[6]如表1所示。

1.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值，在MATLAB環(huán)境下采用主成分分析法處理數(shù)據(jù)，分析鹽分對各生理指標影響大小及生理指標間的相關性大小。

2結果與分析

2.1不同濃度復鹽脅迫對油菜幼苗生理指標的影響

處理結束后測定各組油菜根長變量、株高變量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性糖、H2O2含量、三苯基甲月替（triphenyl formazan，TPF）含量，結果如表2所示。

從表2看出，鹽分含量為0.30%時，油菜根長、株高、TPF含量均顯著增加，在此濃度下，油菜根長比對照（復鹽濃度為0）增長52%，株高比對照增長31%，而 （TPF）量跟對照相比也增長了6.5%；此后隨著鹽濃度的增加，油菜根長、株高、TPF量逐步降低，說明低濃度的鹽分有助于油菜根系及地上部分的生長，超過一定濃度后，隨著鹽分含量增加，油菜地上部分、根系生長都受到抑制。葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量及可溶性糖含量則隨著復鹽濃度增加而減少。由此可見油菜幼苗葉綠素含量、可溶性糖含量對復鹽脅迫反應敏感。復鹽濃度低于0.60%時，脯氨酸含量差異很小；鹽分濃度為 1.50% 時，脯氨酸含量最高，是對照組的116%，說明適量濃度的鹽分脅迫能夠明顯促進油菜幼苗的脯氨酸積累；此后當復鹽濃度繼續(xù)升高時，脯氨酸含量又開始下降，受到抑制。復鹽脅迫下H2O2含量隨著鹽分濃度升高呈現(xiàn)明顯的先升后降趨勢。當鹽分濃度達到1.20%時，H2O2含量達最高值。H2O2是植物體內(nèi)活性氧最重要的代表之一，H2O2在植物面臨環(huán)境脅迫反應中具有重要作用。

2.2主成分分析復鹽脅迫下油菜生理指標變化規(guī)律

主成分分析方法是一種降維的統(tǒng)計方法，能夠把多指標轉化為少數(shù)的幾個綜合指標，來反映多個變量的大部分信息，有利于在多個變量中找出主要的影響因子[7]。本研究采用主成分分析法分析不同復鹽濃度下對各項生理指標的影響并找出最佳復鹽濃度。

在MATLAB下編寫程序，采用zscore（）對表2中的數(shù)據(jù)進行標準化，并且采用corrcoef（）函數(shù)求出標準化后的相關系數(shù)矩陣（表3）。從表3中可以看出，各指標之間相關性各不相同，其中根長（x1）、株高（x2）和TTC含量有很強的相關性，TPF含量（x7）與總葉綠素含量（x5）相關性也很強。葉綠素a（x3）含量、葉綠素b含量（x4）、總葉綠素含量（x5）與可溶性糖含量（x8）相關性均很強。脯氨酸含量（x6）與其他指標相關性最弱，H2O2含量（x9）跟其他指標相關性一般。可以看出，某些指標之間存在很強的相關性，若直接用這些指標進行綜合評價，必然造成信息重疊，影響評價結果的客觀性。因此采用主成分分析方法把多個指標轉化為少數(shù)幾個不相關的綜合指標。

采用pcacov（）函數(shù)計算表3中相關系數(shù)矩陣的特征值、方差貢獻率和累積貢獻率，如表4所示。前4個特征值的累計貢獻率達到98.25%，濃縮了源數(shù)據(jù)的大部分信息，因此提取前4個主成分作為分析不同鹽濃度下各指標的特征。

前4個特征根對應的特征向量如表5所示，第1主成分主要反映根長、株高、葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量、TPF含量及可溶性糖含量的影響，第2主成分主要反映脯氨酸含量和H2O2含量，第3主成分主要反映脯氨酸含量和葉綠素a含量，第4主成分主要反映株高和根長。

分別以4個主成分的貢獻率為權重，構建主成分綜合評價模型，表達式如下：

Z=0.701 702 8y1+0.141 923 6y2+0.024 196 7y3+0.016 454 7y4。

式中：y1、y2、y3、y4分別表示4個主成分表達式；Z表示最終主成分綜合評價模型表達式。

把不同鹽濃度的4個主成分值代入上式，以各自的貢獻率為權數(shù)進行加權求和，求出不同鹽濃度下各指標的綜合排表3相關系數(shù)矩陣

3結論與討論

本研究結果表明，鹽分含量為0.30%時，油菜根長、株高、TPF含量均表現(xiàn)出一定程度的增加；隨著鹽濃度的增加，油菜根長、株高、TPF含量逐步降低；葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量、可溶性糖含量則隨著復鹽濃度增加而減少。由此可見，油菜幼苗葉綠素含量、可溶性糖含量對復鹽脅迫反應敏感。復鹽濃度低于0.60%時，脯氨酸含量差異很小；鹽分濃度繼續(xù)升高，脯氨酸含量有明顯升高，說明適量濃度的鹽分脅迫能夠促進油菜幼苗的脯氨酸積累，且促進作用明顯；但當復鹽濃度繼續(xù)升高時，脯氨酸含量又開始下降，受到抑制。復鹽脅迫下H2O2含量隨著鹽分濃度升高呈現(xiàn)明顯的先升后降的趨勢。

在MATLAB環(huán)境下采用主成分分析法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，結果表明：不同鹽濃度下各指標的綜合排名表明鹽濃度為0.30%時各項指標最佳，隨著鹽濃度的增加，各項指標越來越差。復鹽脅迫對株高、TPF量影響最大，其次是根長，說明油菜品種陽光2009對鹽害反應最敏感的是株高和TPF量，其次是根長。復鹽脅迫對脯氨酸含量影響最小。

參考文獻：

[1]鄢燕，張新全，張新躍. 黑麥草種子生產(chǎn)研究現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J]. 草業(yè)科學，2003，20（2）：16-19.[2]左青松，曹石，楊士芬，等. 不同氮肥和密度對油菜機械收獲損失率的影響[J]. 作物學報，2014，40（6）：1109-1116.

[3]張騰國，寇明剛，王圓圓，等. 鹽脅迫對兩種油菜葉片生理指標的影響[J]. 西北師范大學學報：自然科學版，2014，50（5）：85-90.

[4]張向前，劉景輝，齊冰潔，等. 復鹽脅迫對幾種燕麥種子萌發(fā)指數(shù)的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（6）：233-238.

[5]許耀照，曾秀存，方彥，等. 鹽堿脅迫對油菜種子萌發(fā)和根尖細胞有絲分裂的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014，32（4）：14-19.

[6]李合生，孫群，趙世杰. 植物生理生化實驗原理與技術[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[7]朱東旭，關中波，徐桂真，等. 油用向日葵品種主要農(nóng)藝性狀的主成分分析和聚類分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2015，31（12）：152-156.祭秀亭，裴玉賀，趙美愛，等. 青農(nóng)8號等3個玉米品種苗期耐鹽抗旱性鑒定[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44（2）：108-110.