基于主成分分析和模糊評價法的苦瓜耐冷性綜合鑒定與評價

陳小鳳　黃如葵　梁家作　黃熊娟　黃玉輝　陳振東　馮誠誠　劉杏連

摘要：【目的】綜合鑒定及評價苦瓜的耐冷性，為苦瓜耐冷性資源篩選提供參考依據?！痉椒ā吭诘蜏貤l件下測定17份苦瓜資源的發芽勢、活力指數、冷害指數及花粉萌發率等指標，利用主成分分析和模糊評價法中的隸屬函數進行耐冷性排序，結合兩種方法的排序結果，進一步采用主成分值、隸屬函數值與原始數據進行聚類分析，綜合鑒定及評價苦瓜資源的耐冷性?！窘Y果】主成分分析結果顯示，活力指數和冷害指數對苦瓜耐冷性具有較高載荷，其系數分別為0.795和0.923，可作為苦瓜耐冷性鑒定的重要指標；結合主成分值、隸屬函數值排序，可將供試的17份苦瓜資源耐冷性聚類為高度低溫敏感型、中度低溫敏感型、低溫敏感型、耐冷型、中度耐冷型和高度耐冷型6種類型?！窘Y論】基于主成分分析和模糊評價法建立的苦瓜耐冷性綜合鑒定與評價體系適用于苦瓜資源耐冷性鑒定與評價。

關鍵詞： 苦瓜；耐冷性鑒定；主成分分析；模糊評價法

中圖分類號： S642.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）05-0677-05

Abstract：【Objective】The chilling tolerance of bitter gourd was identified and evaluated， in order to provide references for screening chilling-resistant materials. 【Method】Under low-temperature conditions， the germination potential， seed vigor index， chilling injury index， pollen germination rate of seventeen bitter gourd materials were determined. Then the chilling-tolerances of seventeen bitter gourd materials were ranked based on principal components analysis（PCA） and membership function of fuzzy evaluation method， respectively. According to ranking result of both methods， seventeen bitter gourd materials were clustered to identify and evaluate chilling-tolerance of bitter gourd based on principal component values（PCV）， membership function values（MFV） and original data. 【Result】The principal component analysis showed that， the seed vigor index and chilling injury index for chilling-tolerance of bitter gourd had higher load， with coefficients of 0.795 and 0.923， so they could be used as important indexes for identifying chilling-tolerance of bitter gourd. The chilling-tolerances of seventeen bitter gourd were classified into six types based on membership function value and principal component value. The first type was highly sensitive to low temperature， the second type was moderately sensitive to low temperature， the third type was lowly sensitive to low temperature， the fourth type was chilling-tolerant， the fifth type was moderately chilling-tolerant， the sixth type was highly chilling-tolerant. 【Conclusion】The established identification and evaluation system of bitter gourd based on PCA and fuzzy evaluation method is suitable for evaluating chilling-tolerance of bitter gourd.

Key words： bitter gourd； identification of chilling-tolerance； principal components analysis（PCA）； fuzzy evaluation method

0 引言

【研究意義】苦瓜（Momordica charantia L.）起源于熱帶亞熱帶地區，屬喜溫蔬菜，氣溫低于20 ℃發芽緩慢，低于15 ℃花粉萌發受到抑制，低于10 ℃生長發育不良，在14～25 ℃范圍內，溫度越高越有利于苦瓜生長發育。在廣西大多數地方，由于冷空氣南下頻繁，2～4月常出現連續或斷續的低溫陰雨天氣，導致苦瓜落花落果，甚至造成絕收，嚴重阻礙苦瓜產業的持續發展?？喙洗禾嵩缭耘鄰拿磕甑?～2月開始育苗種植，有些地方的產品在4月初即可上市，低溫伴隨著苦瓜生長的整個發育期，無論哪一個發育階段遇到冷害，最終都會影響苦瓜的產量和品質。因此，建立可靠而準確的苦瓜耐冷性鑒定和評價體系，篩選耐低溫苦瓜資源進行耐冷育種，對從本質上解決苦瓜冷害問題具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】主成分分析、隸屬函數及聚類分析等適用于進行多指標綜合評價的方法已廣泛應用于作物抗寒（洪永聰等，2009；許桂芳等，2009）、耐鹽（朱春燕等，2010）、耐旱（孟慶立等，2009；王藝陶等，2014）等耐逆性鑒定及評價。有關苦瓜的耐冷性鑒定與評價研究，黃玉輝等（2008b）研究發現，苦瓜耐冷性鑒定可采用在20 ℃下的發芽指數、苗期冷害指數和田間耐冷性指數等作為指標。在生理指標方面，黃玉輝等（2008a）研究認為可利用10 ℃下苦瓜苗期的丙二醛相對增加量、過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性及可溶性糖含量作為鑒定苦瓜耐冷性的指標。陳小鳳等（2012）研究認為，15 ℃下的苦瓜花粉萌發率可作為苦瓜耐冷性鑒定指標。以上有關苦瓜耐冷性鑒定的研究多以單一指標對苦瓜資源進行耐冷性鑒定，會因某些指標不穩定而降低鑒定的準確性和可靠性。【本研究切入點】目前，苦瓜耐冷性鑒定具有指標單一和鑒定時期單一等局限性，不能從客觀上反映其資源的耐冷性實質，而基于主成分分析和模糊評價法的苦瓜耐冷性綜合鑒定與評價研究未見報道?！緮M解決的關鍵問題】在低溫條件下測定苦瓜資源發芽勢、活力指數、幼苗冷害指數、花粉萌發率等涉及苦瓜芽期、苗期和授粉結果期的指標，采用主成分值、隸屬函數值與原始數據一起進行聚類分析，探討苦瓜耐冷性的綜合鑒定與評價方法，以期為苦瓜耐冷性資源篩選提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

17份苦瓜資源（編號分別為MC6、MC14-2、MC20-1、MC21-1、MC22-2、MC25-4、MC28、MC33-1、MC36-1、MC42-2、MC45、MC48、MC75D、MC79、MC86、MC100、MC108）由廣西農業科學院蔬菜研究所提供。主要測定儀器有紫外分光光度計（日本島津）、人工氣候箱（杭州托普）、顯微鏡（德國蔡司）等。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 發芽率和活力指數測定 將供試苦瓜種子用3%漂白水（有效成分為5%次氯酸鈉水溶液）浸泡10 min進行消毒，然后用清水沖洗干凈，水平置于20 ℃下的發芽盒中，覆上一薄層沙子，第6 d統計發芽勢，以露胚根2 mm以上的種子百分數計；此后每天將露胚根的種子點入盒子另一端并覆蓋1 cm厚沙子，至第10 d統計發芽率，并測量正常苗的下胚軸長度，計算種子活力指數。種子活力指數=發芽率×下胚軸長度。4次重復，每重復100粒。

1. 2. 2 冷害指數測定 將育苗盤中的4葉1心苦瓜幼苗置于10 ℃培養箱中進行冷害脅迫處理，處理后第10 d進行冷害指數統計。每處理3次重復，每重復15株。冷害指數=∑（各級株數×級數）/總株數×100。冷害指數測定中冷害分級參照于賢昌等（1998）的方法進行判定。冷害指數與植物的耐冷性呈負相關或冷害指數越低表明植株越耐冷。

1. 2. 3 花粉萌發率測定 在大田中取將在第2 d開放的花朵，放入清水中，置于15 ℃培養箱中進行開花散粉，第2 d早上待花粉散粉后按陳小鳳等（2012）的方法進行花粉萌發率測定。每份供試資源混合5朵以上花朵的花粉后再進行萌發試驗。

1. 3 數據處理

用SPSS 19.0進行主成分分析、相關性分析和聚類分析，其中聚類采用組間聯接方法，度量標準為平方歐氏距離，無轉換值，并以樹狀圖呈現結果；用DPS 3.01軟件進行新復極差方差分析。隸屬函數值的計算公式如下：

綜合隸屬函數值Xi（u）=[■Xij（u）]/n，其中j=1

正向指標隸屬函數值Xij（u）=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）

負向指標隸屬函數值Xij（u）=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax- Xjmin）

式中，Xij（u）表示第i個資源第j個指標的隸屬函數值，Xij表示第i個資源第j個指標的測定值，Xjmin表示第j個指標在試驗資源中的最小值，Xjmax表示第j個指標在試驗資源中的最大值；Xi（u）表示第j個資源的平均隸屬函數值，n表示指標數。

2 結果與分析

2. 1 低溫脅迫對不同苦瓜資源耐冷性指標的影響

由表1可知，MC25-4與MC108、MC42-2與MC48的發芽勢差異不顯著（P>0.05，下同），所有供試苦瓜資源的活力指數間差異不顯著，MC28與MC86的冷害指數差異不顯著，MC6、MC20-1、MC33-1和MC36-1間、MC28與MC45、MC14-2與MC22-2的花粉萌發率差異不顯著，其余供試苦瓜資源的耐冷指標間存在顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）差異。在耐冷性方面，不同基因型苦瓜有所差異，供試材料的耐冷性在苦瓜資源中具有一定代表性。

由表1還可知，單一利用X1（發芽勢）、X2（活力指數）、X3（冷害指數）和X4（花粉萌發率）4個指標分別進行供試材料的耐冷性評價，有的評價結果相差較明顯，如材料MC22-2耐冷性排序分別為11、15、4和3，MC25-4的耐冷性排序分別為1、7、13和16，說明利用單一指標進行苦瓜資源耐冷性鑒定與評價存在一定局限性。

2. 2 不同苦瓜資源各生育期耐冷指標的相關性

由表2可知，X1與X2、X2與X3、X3與X4的相關系數均大于0.500，說明X1與X2、X2與X3、X3與X4存在顯著相關性，本研究的指標數值適合進行主成分分析。

2. 3 不同苦瓜資源綜合耐冷性的主成分分析

由表3可知，主成分1和主成分2的累積貢獻率達85.117%，已能描述17份苦瓜資源所有信息的85%左右，按主成分分析方法可知，可由主成分1和主成分2兩個新變量代替原來的4個變量。由表4可知，主成分1各指標均有較高載荷，其中活力指數（X2）和冷害指數（X3）為苗生長指標，可定為“苗生長因子”；主成分2載荷較高的指標為發芽勢（X1），可定為“萌芽因子”。因此認為，活力指數和冷害指數可作為苦瓜耐冷性鑒定的重要指標。根據表3主成分貢獻率和表5主成分向量矩陣（得分矩陣）數據計算，可得出各主成分的計算公式和綜合冷害公式。綜合冷害公式F=0.570F1+0.280F2，其中第1主成分公式F1=0.400X1+0.530X2+0.610X3+

0.440X4，第2主成分公式F2=0.630X1+0.350X2-0.240X3-

0.660X4。其中，X1～X4為測定值標準化后的數值。

2. 4 以主成分值和綜合隸屬函數值對苦瓜耐冷性的評價

由表6可知，分別利用主成分值和綜合隸屬函數值對供試苦瓜資源進行耐冷性評價，結果顯示供試苦瓜資源的耐冷性排名大部分相同，少部分僅相差1～2個名次，而各資源在第1主成分和第2主成分中的排名則相差較大。說明同一苦瓜資源在不同生長發育期其耐冷性差異較明顯，利用某一時期的耐冷性來鑒定和評價整個生育期的耐冷性存在一定局限性，而利用主成分值和綜合隸屬函數值對苦瓜耐冷性進行評價效果較佳。

2. 5 不同苦瓜資源綜合耐冷性的聚類分析

由圖1可以看出，在歐氏距離約3處，可將供試資源分為六大類型，第一類為高度低溫敏感型（MC6、MC36-1），第二類為中度低溫敏感型（MC21-1、MC75D），第三類為低溫敏感型（MC33-1、MC79）；第四類為耐冷型（MC14-2、MC22-2、MC86、MC100）；第五類為中度耐冷型（MC20-1、MC28、MC45、MC25-4），第六類為高度耐冷型（MC42-2、MC48、MC108）。

3 討論

植物的耐逆性是由多基因控制的數量性狀，任何用于進行耐逆性評價的單一指標或單一時期的指標均存在一定局限性，不能準確可靠地評價作物的耐性實質（孫玉宏等，2004），而阻礙育種進程。本研究中在低溫條件下選用苦瓜芽期的發芽勢和活力指數、苗期的冷害指數、授粉結果期的花粉萌發率，均為相應時期具有代表性的指標，在一定程度上能充分反映該生育期的耐冷性，但結果顯示，對不同發育期同一苦瓜資源用單一指標進行耐冷性鑒定評價，評價結果相差較明顯，與黃玉輝等（2008a，2008b）的研究結果一致。說明苦瓜不同生長發育期具有不同的耐冷機制，這種耐冷機制間存在一定的相關性，但不足以使不同生育期兩兩相互代表，因此，孤立地用某一指標或某一時期的指標很難準確反映苦瓜整個生育期的綜合耐冷性，需利用綜合評價方法對苦瓜耐冷指標進行分析，以提高評價的可信度。

主成分分析及隸屬函數和聚類分析等模糊評價方法是利用精確的數字手段處理模糊的評價對象，對蘊藏信息呈模糊性的資料進行比較科學、合理、貼近實際的量化評價，已在植物耐逆性鑒定與評價中廣泛應用（齊曉花等，2011；王藝陶等，2014）。本研究利用主成分分析法對苦瓜耐冷指標進行分析，結果表明，活力指數和冷害指數對苦瓜耐冷性有較高載荷，可作為苦瓜耐冷性鑒定的重要指標；利用綜合隸屬函數值法對供試苦瓜材料進行耐冷性鑒定和評價的結果也具有一定可比性，與董萬鵬等（2015）對西番蓮抗寒性的鑒定評價結果一致。進一步對主成分分析法與綜合隸屬函數值法進行比較，結果顯示，供試苦瓜資源的耐冷性排名多數相同，少數相差1～2個名次。說明每種評價方法均有優缺點，為消除因評價方法的缺陷對耐冷性評價造成干擾，本研究首次引入主成分值、隸屬函數值和原始數據進行聚類分類，建立苦瓜耐冷性綜合鑒定與評價體系，具有一定創新性。當然，為使該體系更合理、鑒定結果更可信，還應進一步引入更多合理的指標參與評價，改進和完善評價體系，為苦瓜耐冷育種提供更科學的依據。

4 結論

參試苦瓜資源的發芽勢、活力指數、冷害指數及花粉萌發率等耐冷指標存在差異，用單一指標進行其耐冷性鑒定與評價存在一定局限性；活力指數和冷害指數對苦瓜耐冷性具有較高的載荷，可作為苦瓜耐冷性鑒定的重要指標；結合主成分值和隸屬函數值排序進行聚類分析的綜合評價結果與供試苦瓜資源的實際耐冷性基本一致。因此，本研究建立的苦瓜耐冷性綜合鑒定與評價體系適用于苦瓜資源耐冷性鑒定與評價。

參考文獻：

陳小鳳，黃如葵，黃玉輝，陳振東，鐘波. 2012. 花粉生活力與苦瓜植株耐冷性的關系[J]. 南方農業學報，43（7）：929-931.

Chen X F，Huang R K，Huang Y H，Chen Z D，Zhong B. 2012. Relationship between pollen vitality and chilling tolerance of bitter gourd[J]. Journal of Southern Agriculture，43（7）：929-931.

董萬鵬，羅充，龍秀琴，胡靜，李燕. 2015. 低溫脅迫對西番蓮抗寒生理指標的影響[J]. 植物生理學報，51（5）：771-777.

Dong W P，Luo C，Long X Q，Hu J，Li Y. 2015. Effects of low temperature stress on physiological indexes of cold resistance of Passiflora edulis[J]. Plant Physiology Journal，51（5）：771-777.

洪永聰，王玉，丁兆堂，張新富. 2009. 越冬期茶樹葉片生理指數分析及抗寒種質材料的篩選[J]. 中國農學通報，25（16）：215-218.

Hong Y C，Wang Y，Ding Z T，Zhang X F. 2009. Cold resistant screening of tea germplasm resources applied by physiological index of leaves in wintering period[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin，25（16）：215-218.

黃玉輝，羅海玲，韋莉萍，周生茂，方鋒學. 2008a. 苦瓜耐冷性生理指標研究[J]. 廣西農業科學，39（6）：805-807.

Huang Y H，Luo H L，Wei L P，Zhou S M，Fang F X. 2008a. Physiological criteria for cold tolerance evaluation in Balsam pear[J]. Journal of Guangxi Agricultural Sciences，39（6）：805-807.

黃玉輝，羅海玲，張曼. 2008b. 不同苦瓜品種種子發芽和苗期耐冷性差異的研究[J]. 長江蔬菜（學術版），（20）：11-13.

Huang Y H，Luo H L，Zhang M. 2008b. Study on cold-resistance of different bitter gourd cultivars in germination and seedling stages[J]. Journal of Changjiang Vegetables，（20）：11-13.

孟慶立，關周博，馮佰利，柴巖，胡銀崗. 2009. 谷子抗旱相關性狀的主成分與模糊聚類分析[J]. 中國農業科學，42（8）：2667-2675.

Meng Q L，Guan Z B，Feng B L，Chai Y，Hu Y G. 2009. Principal component analysis and fuzzy clustering on drought-tolerance related traits of foxtail millet（Setaria italica）[J]. Scientia Agricultura Sinica，42（8）：2667-2675.

齊曉花，張萍，徐強，陳學好. 2011. 黃瓜種子及幼苗期耐冷性鑒定[J]. 中國蔬菜，（16）：34-38.

Qi X H，Zhang P，Xu Q，Chen X H. 2011. Evaluation of cold tolerance of cucumber seed and seedling[J]. China Vege-

tables，（16）：34-38.

孫玉宏，徐躍進，彭金光，周謨兵，李煜華，李愛成，毛巧云. 2004. 甜瓜耐冷性鑒定指標的篩選[J]. 中國蔬菜，（4）：7-10.

Sun Y H，Xu Y J，Peng J G，Zhou M B，Li Y H，Li A C，Mao Q Y. 2004. Screening on identification indices of chilling to-

lerance in melon[J]. China Vegetables，（4）：7-10.

王藝陶，周宇飛，李豐先，依兵，白薇，閆彤，許文娟，高明超，黃瑞冬. 2014. 基于主成分和SOM聚類分析的高粱品種萌發期抗旱性鑒定與分類[J]. 作物學報，40（1）： 110-121.

Wang Y T，Zhou Y F，Li F X，Yi B，Bai W，Yan T，Xu W J，Gao M C，Huang R D. 2014. Identification and classification of sorghum cultivars for drought resistance during germination stage based on principal components analysis and self organizing map cluster analysis[J]. Acta Agronomica Sinica，40（1）：110-121.

許桂芳，張朝陽，向佐湘. 2009. 利用隸屬函數法對4 種珍珠菜屬植物的抗寒性綜合評價[J]. 西北林學院學報，24（3）：24-26.

Xu G F，Zhang Z Y，Xiang Z X. 2009. Comprehensive evaluation of cold resistance on four Lysimachia plants by subordinate function values analysis[J]. Journal of Northwest Forestry University，24（3）：24-26.

于賢昌，刑禹賢，馬紅，魏珉. 1998. 不同砧木與接穗對黃瓜嫁接苗抗冷性的影響[J]. 中國農業科學， 31（2）： 41-47.

Yu X C，Xing Y X，Ma H，Wei M. 1998. Effect of different rootstocks and scions on chilling tolerance in grafted cucumber seedlings[J]. Scientia Agriculture Sinica，31（2）：41-47.

朱春燕，黃丹楓，蔡保松，俞晨璽，鄧浩宣，卓俊義. 2010. 甜瓜品種資源萌發期耐鹽性及其指標評價[J]. 上海交通大學學報（農業科學版），28（6）：504-508.

Zhu C Y，Huang D F，Cai B S，Yu C X，Deng H X，Zhuo J Y. 2010. Salt tolerance and indicators assessment of melon germplasms in germination stage[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University（Agricultural Science），28（6）：504-508.

（責任編輯 思利華）