哈密瓜苗期抗旱相關指標及主成分分析

戶金鴿，廖 亮，楊 軍 ，楊 英 ，孫玉萍 ，廖新福

(1.新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200；2.新疆農業大學食品科學與藥學學院，烏魯木齊 830052)

哈密瓜苗期抗旱相關指標及主成分分析

戶金鴿1，廖 亮2，楊 軍1，楊 英1，孫玉萍1，廖新福1

(1.新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200；2.新疆農業大學食品科學與藥學學院，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的生理指標并進行主成分分析，為哈密瓜的抗旱育種提供理論基礎。【方法】利用抗旱性不同的9份哈密瓜品種，采取盆栽控水技術進行水分干旱脅迫處理，測定與植物抗旱性有關的游離脯氨酸、甜菜堿、葉綠素、丙二醛(MDA)和保護性酶活性的變化等生理生化指標并對各指標進行主成分分析。【結果】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，同時減少了葉綠素含量。【結論】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，在9份參試品種中，西州密24號抗旱性最強，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，干旱脅迫對哈密瓜的品質、產量均有嚴重影響。吐魯番鄯善縣屬溫帶大陸性氣候，遠離海洋，群山環繞，地貌復雜，形成了獨特的氣候。夏季炎熱，冬季寒冷，春、秋季干燥，年降水量少，但蒸發量又極大。新疆吐魯番地區是我國哈密瓜的主產區，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質的種質資源，從而對進一步提高哈密瓜的產量和品質有著重要的意義。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、可溶性糖等滲透調節物質，改變體內過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等酶活性來適應水分的變化[1]。【前人研究進展】近年來，隨著植物抗旱性研究的不斷深入，有關哈密瓜的抗旱機理及抗旱性評價也有報道[2]，除此之外，關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，利用此7項值建立的D值抗旱評價體系對棉花品種苗期的解釋率為34.49%;趙曉梅等[4]采用簡便、快捷的主成分指標對杏品質進行綜合 ，結果表明通過計算品質的主成分值，對供試的品系進行比較，進而選擇了綜合性狀優良的品種，其結果與實際更相近，表明應用主成分對杏品種的選擇更具有準確性和科學性；馮國郡等[5]對新疆甜高粱2008年區域試驗中10個品種的13個農藝性狀間關系進行研究，結果表明在性狀選擇上，應選擇植株高大、節數多、莖稈粗壯、生育期適中和錘度高的品種;徐心誠[6]以番茄對試驗材料，采用主成分分析法對番茄品種耐弱光的綜合評價，結果表明，坐果率和產量與其他耐弱光指標之間不存在著極顯著的相關性，同一作物在不同程度的逆境脅迫下，抗逆能力的穩定性也有不同；謝賽萍等[7]采用石蠟切片的方法比較了2種元胡葉片顯微結構及主成分分析，結果顯示大、小葉元胡葉片的顯微結構存在顯著差異;郭軍戰等[8]應用主成分分析和聚類分析法，對文冠果12個數量性狀進行了分析，地徑、枝下高、冠徑、樹高、葉長的累積貢獻率達70.26%，聚類分析將12個數量性狀聚為6類，2種分析共同揭示了因子對文冠果的作用；楊建華等[9]研究表明主成分分析法可以對美國山核桃主要經濟性狀進行綜合評選；鐘金仙等[10]對10個黃瓜優良品種的農藝性狀進行主成分分析，單瓜重、結瓜數、雌花數、雌花著生節位的累積貢獻率達93.87%，株高、節間長、第一雌花出現節位與單株產量呈負相關；胡建斌等[11]對不同來源的34份薄皮甜瓜品種的19個表型性狀進行了主成分分析，其中果實形態和品種相關性狀變異系數最大，是薄皮甜瓜表型性狀的主要來源，19個表型性狀歸為6個主成分，累計貢獻率達80.83%，王海、十道梨等10個品種綜合表現優良。【本研究切入點】目前關于哈密瓜苗期抗旱性的研究報道較少。研究采取盆栽控水技術，探討哈密瓜苗期的各生理指標和抗旱性的關系，對哈密瓜苗期的抗旱性進行綜合評價。【擬解決的關鍵問題】研究哈密瓜苗期抗旱的相關指標，對各指標進行主成分分析，為哈密瓜抗旱性育種提供一定的理論基礎。

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葡萄瓜果研究所提供。

1.2 方 法

1.2 .1 試驗設計

試驗于2012年在新疆吐魯番地區鄯善縣新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所試驗地內進行，采取盆栽控水技術，花盆規格21 cm×18 cm，8月11日播種，每品種設置1個對照，脅迫組設置3個重復，每重復20盆。苗期正常澆水，常規管理，于9月8日開始進行干旱脅迫處理，對照組正常澆水，干旱脅迫組不澆水，由于花盆較小，吐魯番地區溫度較高，蒸發量極大，于干旱脅迫第1 d、第2 d、第3 d、第4 d、第5 d取樣，采樣時采取不同植株的同一節葉片，迅速置于-40℃冰箱中冷凍保藏。

1.2.2 測定項目

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

1.3 數據統計

抗旱系數(DRC)[13]：

隸屬函數：

式中，Xj為第j個綜合指標值；Xmin和Xmax為第j個綜合指標的最小值和最大值。

綜合指標權重：

式中：wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重；Pj為各品種第j個指標與抗旱系數之間的相關系數，表示了各品種第j個綜合指標的貢獻率。

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評價所得的抗旱性綜合評價值。

利用Microsoft Excel進行數據處理，利用DPS 6.5進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 各生理指標的抗旱系數及相關性

哈密瓜幼苗經干旱脅迫后，生理生化指標發生了諸多變化。除葉綠素含量低于對照組(DRC<100%)外，其它各指標均高于對照組(DRC>100%)。但不同品種的各項生理生化抗旱指標變化幅度不盡相同，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某一單項生理生化指標的抗旱性反應不一定一致，因此用抗旱系數這一單項指標來反應各品種抗旱性的強弱顯得不夠科學。表1

表1 9個品種各項生化指標的抗旱系數

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

代號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號西州密24號西州密25號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

由于原始數據度量單位不同，通常不能在同一水平上進行比較分析，因此可將數據進行標準化處理后進行主成分分析，根據計算樣本相關矩陣的特征向量可得出主成分函數，表達式分別為：表2

第1主成分：

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

根據累計貢獻率和特征向量在生物學中的意義，可見對第1主成分貢獻最大的是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的滲透調節物質和細胞體內的酶活性。

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主成分表達式中，X5的系數最大，代表可溶性糖含量，其次是X7的系數較大，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個函數可以看出，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項指標均可作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定指標。在3個主成分表達式中，沒直接表明甜菜堿和哈密瓜苗期的抗旱能力的相關性，而且其它生理指標的含量和甜菜堿的含量不存在極顯著相關性，故甜菜堿能否作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定性指標，有待于進一步的研究。表2

表2 各項指標相關系數矩陣

Table 2 Corrrelation coefficient matrix of every single index

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

注：相關系數臨界值，a=0.05時，r=0.664 4；a=0.01時，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 綜合評價

2.3.1 隸屬函數和權重

根據公式計算出隸屬函數值同時并根據公式和貢獻率計算出權重，可以看出，第一主成分的三個影響因子(SOD、POD、脯氨酸)的貢獻率達36.369%，第二主成分的主要影響因子(MDA)的貢獻率為20.994%，第三主成分的主要影響因子(可溶性糖、葉綠素)的貢獻率為15.916%。對于CI1而言，芙蓉的μ1值最大(0.631)，說明芙蓉在這一指標上最抗旱；而西州密25號的μ1值最小(0.133)，表明西州密25號在CI1這一指標上的抗旱性最弱。表3,表4

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

表3 各綜合指標的系數及貢獻率

Table 3 Confficient and contribution rate of different comprechensive indexs

主成分Principalcomponent(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)(X6)(X7)貢獻率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 綜合評價

D值的大小反應了哈密瓜幼苗的抗旱性的強弱，D值越大說明其抗旱性越強。根據公式計算D值，大小依次為，西州密24號(0.920)，西州密17號(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(0.693)、紅心脆(0.649)，不難看出西州密24號的抗旱性>西州密17號>香梨黃>醉仙>熱瓜旦>芙蓉>伽師瓜>西州密5號>紅心脆。表4

表4 9個品種的權重、μ(Xj)值、D值以及綜合評價

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

品種Varietyμ(X1)μ(X2)μ(X3)D值Dvalue綜合評價Complexevaluation伽師瓜Jiashigua0 2450 7700 6370 7497西州密17號XizhoumiNO 170 3240 6960 8160 8812西州密24號XizhoumiNO 240 5510 5080 8110 9201西州密25號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權重Signidicant0 5010 2860 217

3 討 論

抗旱性是植物對旱害的一種適應，通過生理生化的適應來減少干旱對植物所產生的危害。植物在干旱脅迫條件下，形態結構特征及生理生化特征會發生變化，如在干旱時葉片會卷成筒狀，脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等滲透調節物質會發生一系列的變化來適應外界的環境條件。此外植物在長期的進化過程中也會形成一系列的抗氧化酶來對抗與清除活性氧[14]。隨著國內外學者對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的生理、生化指標，其中比較可靠的生化指標有滲透調節物質(無機離子、游離脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖)、葉綠素以及與細胞膜透性有關的酶類，如過氧化物酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶的活性等。鑒于國內外學者的研究，試驗選取了滲透調節物質(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項指標。由于吐魯番地區蒸發量大、年降水量少、溫度高等氣候特點，試驗又采用了盆栽控水技術，為了減少土壤板結帶來的一系列問題，故在播種的土壤中加了少量基質并采取了噴灌方式。

作物的抗旱性不僅受多基因控制和環境的影響，而且各性狀之間又相互聯系、相互制約。如果直接用各項生理指標和抗旱系數對抗旱性進行評價，則顯得不夠科學。因此試驗采用了主成分分析的方法，因為主成分分析法可以在不損失或很少損失原有信息的前提下，將多個彼此相關的指標通過線性變換以選出較少個數重要變量的一種多元統計分析方法。

4 結 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。甜菜堿也是細胞滲透調節物質，是一類季銨化合物，植物在干旱條件下會發生甜菜堿的積累，但是通過主成分分析，甜菜堿的貢獻率極小，因此甜菜堿含量能否作為哈密瓜苗期抗旱的相關指標還有待于進一步的研究。

西州密24號的抗旱性>西州密17號>香梨黃>醉仙>熱瓜旦>芙蓉>伽師瓜>西州密5號>紅心脆，這與戶金鴿等[15]的研究結果大體相同。但是在試驗過程中觀察發現，最先出現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號和西州密17號，經驗與試驗結果不符。

研究了9份哈密瓜苗期的7項生理生化指標之間的關系，同時還對9份哈密瓜品種的葉片進行了石蠟切片分析[15]，兩種分析方法的結果不完全相同，而且經驗與試驗結果也不完全不符，因此關于哈密瓜抗旱能力還尚待進一步研究。

References)

[1]王忠.植物生理學[M].北京：中國農業出版社,2000.

WANG Zhong. (2000).PlantPhysiology[M]. Beijing: China Agriculture Press. (in Chinese)

[2] 馬光恕,廉華.甜瓜種質資源抗旱性生化鑒定指標鑒定[J].園林園藝,2006，(7):44-47.

MA Guang-shu, LIAN Hua. (2006). Biochemical indexes of drought resistance of melon germplasm [J].LandscapeGardening, (7): 44-47. (in Chinese)

[3] 馮方劍,宋敏,陳全家,等.棉花苗期抗旱相關指標的主成分分析及綜合評價[J].新疆農業大學學報,2011,34(3):211-217.

FENG Fang-jian, SONG Min, CHEN Quan-jia, et al. (2011). Analysis and comprehensive evaluation on principal component of indices of drought resistance at the seedling stage of melon [J].JournalofXinjiangAgriculturalUniversity, 34(3)211-217. (in Chinese)

[4] 趙曉梅,張騫,過利敏,等.新疆主栽杏品種經濟性狀主成分分析及優良品種的選擇[J].新疆農業科學,2010,47(12):2 426-2 430.

ZHAO Xiao-mei, ZHANG Qian, GUO Li-min, et al. (2010). Analysis of Principal Component of the Main Economic Characters and Selection of Superiot Variety of Apricot in Xinjiang [J].XinjiangAgriculturalSciences, 47(12):2，426-2，430. (in Chinese)

[5] 馮國郡,葉凱,涂振東,等.甜高粱主要農藝性狀相關性和主成分分析[J].新疆農業科學,2010,47(8):1 552-1 557.

FENG Guo-jun,YE Kai, TU Zhen-dong, et al. (2010). Analysis on Correlation and Principal Component of Major Agronomic Trait of Sweet Sorghum [J].XinjiangAgriculturalSciences, 47(8):1，552-1，557. (in Chinese)

[6] 徐心誠.主成分分析法對番茄品種耐弱光性的綜合評價[J].中國農學通報,2012,28(4):135-140.

XU Xin-cheng. (2012). Comprehensive Evaluation of Weak Light Tolerance of Tomato Cultivars with Main Factor Analysis [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, 28(4):135-140. (in Chinese)

[7] 謝賽萍,蘭金旭,陳彩霞,等.2種葉形元胡葉片的顯微特征及主成分分析[J].安徽農業科學,2011,39(2):802-804,807.

XIE Sai-Ping, LAN Jin-xu, CHEN Cai-xia, et al. (2011). Leaf Microstructure of Two Leaf Types Corydalis yanhusuo and Principal Component Analysis of Microscopie Parameters [J].JournalofAnhuiAGRI.Sci, 39(2):802-804,807. (in Chinese)

[8] 郭軍戰,張敏,費趙雪,等.文冠果數量性狀的主成分分析及聚類分析研究[J].西北林學院學報,2012,27(2):66-69.

GUO Jun-zhan, ZHANG Min, FEI Zhao-xue, et al. (2012). Principal Component Analysis and Cluster Analysis of Quantitative Characters of Xanthoceras sorbi folia [J].JournalofNorthwestForestryUniversity, 27(2):66-69. (in Chinese)

[9] 楊建華,李淑芳,范志遠,等.美國山核桃主要經濟性狀的主成分分析及良種選擇[J].浙江農林大學學報,2011,28(6):907-910.

YANG Jian-hua, LI Shu-fang, FAN Zhi-yuan, et al. (2011). Principal Component Analysis for major economic characteristics of Carya illinoensis and selection of superior cultivars [J].JournalofZhejiangA&FUniversity, 28(6):907-910. (in Chinese)

[10 ] 鐘金仙,羅英.黃瓜品種主要農藝性狀與主成分分析[J].中國農學通報,2012,28(4):131-134.

ZHONG Jin-xian, LUO Ying. (2012). Correlation and Principal Component Analysis on the Major Agronomic Traits of Cucumbei Varieties [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, 28(4):131-134. (in Chinese)

[11] 胡建斌,馬肖靜,李瓊.薄皮甜瓜表型性狀的主成分分析[J].江西農業學報,2010,22(12):30-33.

HU Jian-bin, MA Xiao-jing, LI Qiong. (2010). Principal Component Analysis of Phenotypic Characters in Thin-peel Melon [J].ActaAgriculturaeJiangxi, 22(12):30-33. (in Chinese)

[12] 鄒琦.植物生理學實驗指導[M].北京:中國農業出版社,2000.

ZHOU Qi. (2000).PlantPhysiologyExperiment[M]. Beijing: China Agriculture Press. (in Chinese)

[13] 冀天會,張燦軍,謝慧民,等.小麥品種抗旱性鑒定產量指標的比較研究[J].中國農學通報,2006,22(1):103-106.

YI Tian-hui, ZHANG Can-jun, XIE Hui-min, et al. (2006). A Comparative Study on Yield Index of Wheat Varieties Drought Resistance [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, 22(1):103-106. (in Chinese)

[14] 焦健,李朝周,黃高寶.鈷對干旱脅迫下大豆幼苗葉片的保護作用及其機理[J].應用生態學報,2006,17(5):796-800.

JIAO Jian, LI Chao-zhou, HUANG Gao-bao.(2006). Protective effects and the Irmechanism of Coybean Seedling′s Leaf under Drought Stress [J].JournalofAppliedEcology, 17(5): 796-800. (in Chinese)

[15] 戶金鴿,孫玉萍,楊英,等.9個哈密瓜品種葉片解剖結構及其抗旱性研究[J].中國瓜菜,2013,26(6):11-13.

HU Jin-ge, SUN Yu-ping, YANG Ying, et al. (2013). Analysis of Anatomical Leaf Structure and Drought Resistance in 9 Varieties of Melon [J].ChinaCucurbitsandVegetables, 26(6):11-13. (in Chinese)

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

國家西甜瓜產業技術體系專項資金(nycytx-36)

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

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

S652

A

1001-4330(2016)01-0114-06