基于主成分分析的硒、銅交互作用下油菜生理響應機制研究

郭海如，崔雪梅，李春生，李冰暉

(1.湖北工程學院計算機與信息科學學院/湖北省新農村發展研究院智慧農業重點實驗室，湖北 孝感 432000 ；2.湖北工程學院生命科學技術學院，湖北 孝感 432000)

基于主成分分析的硒、銅交互作用下油菜生理響應機制研究

郭海如1，崔雪梅2*，李春生2，李冰暉2

(1.湖北工程學院計算機與信息科學學院/湖北省新農村發展研究院智慧農業重點實驗室，湖北 孝感 432000 ；2.湖北工程學院生命科學技術學院，湖北 孝感 432000)

【目的】為深入研究硒、銅交互作用下油菜的生理響應機制，找出最優的硒、銅供應量。【方法】采用盆栽實驗，用7種不同濃度的CuSO4溶液和2種濃度的Na2SeO3溶液交叉處理油菜幼苗，測定油菜幼苗的總葉綠素、丙二醛、蛋白質、過氧化物酶活性等7種生化指標。采用主成分分析法分析不同處理下油菜各項指標的變化規律。【結果】硒12 mg/L和銅75 mg/L配施時各項指標綜合權重最高，其次是X22T75、T752個處理，說明硒12 mg/L和銅75 mg/L配施對油菜的生長具有最佳促進作用，且供銅的最佳濃度為75 mg/L。硒22 mg/L及銅200 mg/L的單獨處理綜合排名最差。【結論】單獨供應高濃度的硒(22 mg/L)、高濃度的銅(200 mg/L)均對油菜幼苗產生了抑制作用，兩者結合能較好的緩解對油菜的脅迫作用。不同處理對總葉綠素含量影響最大，其次是淀粉酶活力和蛋白質質量分數，對丙二醛含量影響最小。

主成分分析法；硒、銅交互作用；油菜生化指標；生理響應機制

【研究意義】銅既是植物生長必需的微量元素，也是一種危害嚴重的重金屬污染元素[1]。近年來，銅被廣泛的運用于工農業生產，由于銅礦的大量開采、含銅殺菌劑、含銅飼料的大量使用及工業生產中排放的大量含銅污染物，導致農田土壤中銅含量嚴重超標，銅污染已成為世界性問題[2]。過量的銅離子對植物會產生毒害效應，降低作物產量和品質，還會通過生物富集作用累積到作物體內進入食物鏈對人體造成危害[3]。 【前人研究進展】硒是人和動物必需的14 種微量元素之一，具有抗氧化、抗癌等作用，缺乏和過量都會引起多種疾病，相關研究表明，動物的白肌病，人類的克山病、大骨節病等四十多種疾病都與缺硒有關[4]。硒雖然不是植物的必需營養元素，但是硒會影響植物的生長發育，參與調控植物的光合作用，提高植物抗逆性，與重金屬產生頡頏作用等[4]。很多研究表明，硒能夠與多種重金屬元素產生拮抗效應[5-6]，降低植物對重金屬的吸收[7]。因此，研究作物對硒、銅交互作用的生理響應機制，制訂安全的硒銅供應量及提高作物中硒含量都具有非常重要的意義。【本研究切入點】本文選擇我國種植面積及產量均占第一位的油菜作為研究對象，采用不同濃度的硒、銅交互脅迫處理盆栽油菜幼苗，測定幼苗葉綠素、丙二醛、硝態氮、可溶性糖、蛋白質等指標的含量及過氧化物酶、淀粉酶活性。【擬解決關鍵問題】采用主成分分析法[8-9]分析各項指標的變化規律，從而研究硒、銅交互作用下油菜生理響應機制，為提高油菜的產量和品質提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試油菜品種為油霸旺，該品種產量高，品質佳。2011年到2013年的田間試驗表明，平均產量為4481.70 kg/hm2,高產栽培可超過4500 kg/hm2。單株的有效角果數達531個，千粒重3.76g，含油量48.8 %。

1.2 實驗方法

實驗于2015年10月至2016年1月在湖北工程學院生科樓進行，實驗設計中的硒、銅濃度說明如表1所示。采用盆栽實驗培養油菜幼苗，具體操作步驟如下：野外采集沙土，用土壤篩去除較大的石礫等雜質。將沙土均勻等量分裝到45個花盆中，澆等量蒸餾使沙土保持濕潤。

用1.00 %的NaClO溶液對供試種子進行消毒處理后，清水洗凈，去除漂浮在上面的死種，用去離子水浸泡過夜。待種子充分吸水后，均勻撒在鋪有濾紙的托盤內。將濾紙用蒸餾水濕潤后移至25 ℃恒溫箱(型號為MJX-250B-Z)進行催芽。催芽期間每天都要向托盤噴灑等量蒸餾水，水量以濾紙濕潤，但不流動為宜。3 d后種子露白。即可移植到花盆中。每個花盆均勻移植十株，將花盆放在向陽通風處，每天上午和下午分別澆等量Hoagland’s營養液。待油菜幼苗長至4～5片葉之后，將45盆油菜隨機分成3組，每組3個重復，進行硒、銅脅迫處理。銅溶液用硫酸銅配制，濃度設置為0、25、75、100、200 mg/L，硒溶液用亞硒酸鈉配制，濃度設置為：0、12、22 mg/L。脅迫處理25 d后，取油菜樣品測定各項生理指標。

1.3 測定指標及方法

葉綠素是一類與光合作用有關的最重要的色素。實驗采用分光光度法[10]。

丙二醛(MDA)是由于植物器官衰老或在逆境條件下受傷害，其組織或器官膜脂質發生過氧化反應而產生的。它的含量與植物衰老及逆境傷害有密切關系。實驗采用硫代巴比妥酸法[11]。

蛋白質含量測定的實驗方法采用雙縮脲法[12]。

植物體的過氧化物酶與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等關系密切。實驗方法采用比色法。

測定植物體內的硝態氮含量可以為鑒定蔬菜及其加工品的品質提供依據，測定方法采用水楊酸法。

淀粉酶活性高低常作為植物抗逆性的生化指標[13]。淀粉酶活性測定方法采用比色法[14]。

蔬菜作物中可溶性糖的測定，可以了解和鑒定作物品質的高低[15]，可溶性糖的測定采用蒽酮法[16]。

1.4 數據處理

所有數據均為 3 次重復的平均值，采用主成分分析法在MATLAB環境下處理實驗數據。

2 結果與分析

2.1 硒、銅各處理對油菜生化指標的影響分析

如表2所示,從表中數據可以看出，總葉綠素含量、蛋白質質量分數在單獨供硒時，硒濃度為12mg/L時含量最高，200 mg/L時低于對照。說明單獨供硒時，低硒水平對其有促進作用，高硒則產生抑制作用。單獨供銅時，總葉綠素含量、蛋白質質量分數先增加后降低，在75 mg/L時含量最高，200 mg/L時含量低于對照，說明單獨供銅時低濃度的銅溶液對其有促進作用，濃度過高產生抑制作用。兩者同時供應時，總葉綠素含量、蛋白質質量分數在硒12 mg/L、銅25 mg/L配施時達到最高值，且高于單獨供硒或者銅時的葉綠素含量。而當銅濃度達200 mg/L時，配施12或22 mg/L硒，總葉綠素含量、蛋白質質量分數均高于單獨供銅的情況，說明硒對高濃度的銅有較好的緩解作用。

表1 實驗設計

注：X12、X22表示硒濃度為12、22 mg/L；T25、T75、T100、T200分別代表銅濃度為25、75、100、200 mg/L；CK為對照，下同。

Note:X22andX12indicated that the selenium concentrations were 12 and 22 mg/L, respectively.T25,T75,T100,T200indicated that the copper concentrations were 25 ,75 ,100,200 mg/L；CK represented the control treatment. The same as below.

單獨供硒時，丙二醛含量在硒12 mg/L時達最低值。單獨供銅則在銅濃度100 mg/L達最低值。說明適量硒和銅均能提高植物的抗逆性。兩者配施時，硒22 mg/L、銅100 mg/L時丙二醛含量最低。

過氧化酶活性單獨供硒時在硒22 mg/L時達最高值，單獨供銅時則隨著銅濃度的增加而降低。說明硒對過氧化酶活性有一定促進作用，而銅則產生抑制作用。兩者配施時，硒22 mg/L、銅25 mg/L配合時過氧化酶活性最高。

單獨供硒時，硝態氮含量在硒22 mg/L時最低，且低于對照組。單獨供銅則在銅25、75 mg/L2個濃度均達最低值。兩者配施時在硒12 mg/L、銅100 mg/L時最低，但均高于對照組，說明硒和銅促進了土壤中氮的轉化速率。

淀粉酶活性在單獨供硒22 mg/L時達最高值，單獨供銅則在銅100 mg/L時達最高值。兩者配施時在硒22 mg/L、銅75 mg/L時最高，且高于單獨施硒或者銅。說明硒、銅對淀粉酶活性均有促進作用。

可溶性糖隨著硒濃度的增加而降低，但與對照差異很小。隨著銅濃度的增加，可溶性糖先降低后增加再降低。說明硒對可溶性糖的影響不明顯，適量銅能促進其含量，濃度過高則產生抑制作用。在硒22 mg/L、銅200 mg/L配施時，可溶性糖含量最高。

2.2 主成分分析硒、銅交互作用下油菜生理指標變化規律

在MATLAB環境下編寫程序[7-9]，采用zscore()對表2中的系列數據進行標準化處理，并且采用corrcoef()函數求出標準化后的相關系數矩陣，相關系數矩陣如表3所示。

從相關系數矩陣的值可以看出，各指標之間都不存在很強的相關性。總葉綠素與丙二醛、硝態氮含量呈負相關關系，與蛋白質、過氧化物酶活性、淀粉酶活性、可溶性糖含量呈正相關關系 ；相對而言，總葉綠素與蛋白質相關性最高。丙二醛與蛋白質、硝態氮、淀粉酶活性呈負相關關系，與過氧化物酶活性呈正相關關系，相關性一般。其余各指標之間的相關性也類似。

表2 硒、銅交互作用下油菜生長指標變化規律

表3 相關系數矩陣

注：x1～x7分別表示：總葉綠素含量、丙二醛含量、蛋白質質量分數、過氧化物酶活性、硝態氮含量、淀粉酶活力、可溶性糖含量。

Note:x1-x7respectively：total chlorophyll, malondialdehyde, mass fraction of protein, peroxidase activity, amylase activity, soluble sugar content.

采用pcacov()函數計算表3中相關系數矩陣的特征值、方差貢獻率和累積貢獻率如表4所示。前4個成分的累計貢獻率達到88.97 %，濃縮了源數據的大部分信息，因此提取前4個成分作為分析不同鹽濃度下各指標的特征。

如表5所示，第一主成分主要反映蛋白質質量分數、硝態氮含量、淀粉酶活力的影響，第二主成分主要反映總葉綠素含量、過氧化物酶活性、淀粉酶活力，第三主成分主要反映總葉綠素含量和可溶性糖含量，第四主成分主要反映過氧化物酶活性和硝態氮含量。

表4各成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率

Table 4 Characteristic root、contribution rate and cumulative contribution rate of each main components

特征根yCharacteristicrooty貢獻率z(%)Contributionratez累計貢獻率(%)Cumulativecontributionrate2.6838.3438.341.8726.7265.061.0515.0280.080.628.9088.970.334.6693.640.314.4198.050.141.95100.00

分別以4個主成分的貢獻率為權重，構建主成分綜合模型表達式如下：

Z=0.3834y1+0.2672y2+0.1502y3+0.08897y4

把不同硒、銅處理下的4個主成分值代入上式，以各自的貢獻率為權數進行加權求和，求出不同硒、銅處理下各指標的綜合排名，如表6所示。從表中可以看出，X12T75時各項指標綜合權重最高，綜合排名第一，達最佳狀態，其次是X22T75、T752個處理，分別名列第2、3名，說明硒12 mg/L和銅75 mg/L,配施對油菜的生長具有最佳促進作用,供銅的最佳濃度為75 mg/L。在所有處理中，對照處理下各項指標的綜合排名為13名，低于單獨的低濃度銅(100 mg/L)、低硒(12 mg/L)處理及硒銅的所有配施組合。而單獨高濃度硒、高濃度銅的處理綜合排名最差，說明高單獨供應濃度的硒(22 mg/L)、高濃度銅(200 mg/L)均對油菜幼苗產生了抑制作用，兩者結合能較好的緩解對油菜的脅迫作用。

進一步計算各指標在主成分中的權重，并對各指標的權重進行排序，反過來可以分析不同硒、銅處理濃度對各指標的影響程度。從表7中可以看出，不同硒、銅濃度對總葉綠素含量影響最大。其次是淀粉酶活力和蛋白質質量分數，對丙二醛含量影響最小。

表5 4個主成分對應的特征向量

表6不同硒銅處理下各指標綜合排名

Table 6 Comprehensive ranking of various indexes from different treatment of selenium and copper

處理Treatment綜合權重Comprehensiveweight排名RankingX12T751.1481X22T750.8722T750.8323X12T250.6714X22T1000.6465T1000.3006X12T1000.2677X12T200-0.0908T25-0.1729X12-0.38910X22T200-0.44911X22T25-0.51612CK-0.81413X22-1.05714T200-1.24815

3 討 論

過量的Cu不僅會導致植物體生理代謝紊亂，制約植物生長發育，導致細胞死亡。當植物體受到銅毒害 ，離子間的代謝平衡會受到影響，生物膜的完整性也會遭到破壞，酶活性降低。但程貫召等人在研究銅脅迫對小麥種子萌發和幼苗生長的毒害時得出，當植物體受到的Cu脅迫在其耐受范圍內，植物會啟動其體內一套由SOD、POD、CAT 等抗氧化酶組成的酶系統，來清除脅迫誘導產生的過量活性氧系統[17]。

本研究中，單獨供銅時，過氧化酶活性隨著銅濃度的增加而降低。單獨供硒時，過氧化酶活性在硒22 mg/L時達最高值，說明硒對過氧化酶活性有一定促進作用，而銅則產生抑制作用。

段碧輝等人研究了硒減輕油菜幼苗硼毒害機理，得出：硒可以增強油菜幼苗抗氧化效率，減少油菜幼苗受硼毒害時丙二醛的形成。本研究中，單獨供銅200 mg/L時，丙二醛含量達0.0037 μmol/L，同時供硒12 mg/L，丙二醛含量降為0.018 μmol/L。硒22 mg/L、銅100 mg/L時丙二醛含量最低。說明適量硒能有效緩解油菜幼苗受銅毒害而產生丙二醛。

表7 各指標權重及排序

4 結 論

從實驗數據來看，當環境中硒、銅的濃度較低時，對油菜的各項指標均有促進作用，高濃度的硒、銅會對油菜幼苗的各項指標產生抑制作用。進一步用主成分分析法對數據進行分析處理，結果表明：X12T75時各項指標綜合權重最高，綜合排名第一，其次是X22T75、T752個處理，分別名列第2、3名，說明硒12 mg/L和銅75 mg/L,配施對油菜的生長具有最佳促進作用,供銅的最佳濃度為75 mg/L。在所有處理中，對照處理下各項指標的綜合排名為13名，低于單獨的低濃度銅(小于100 mg/L)、低硒(12 mg/L)處理及硒銅的所有配施組合。而單獨高濃度硒、高濃度銅的處理綜合排名最差，說明高單獨供應濃度的硒(22 mg/L)、高濃度銅(200 mg/L)均對油菜幼苗產生了抑制作用，兩者結合能較好的緩解對油菜的脅迫作用。而不同硒、銅處理對油菜各項指標在主成分中的影響權重及大小排名結果顯示，不同硒、銅濃度對總葉綠素含量影響最大。其次是淀粉酶活力和蛋白質質量分數，對丙二醛含量影響最小。

[1]王松華, 張 華, 何慶元.銅脅迫對紫花苜蓿幼苗葉片抗氧化系統的影響[J].應用生態學報, 2011, 22(9):2285-2290.

[2]王曉維,黃國勤,徐健程,等.銅脅迫和間作對玉米抗氧化酶活性及丙二醛含量的影響[J].農業環境科學學報, 2014，33(10):1890-1896.

[3]劉婷婷, 李 鋒, 張 曦,等. 銅離子脅迫下玉米根邊緣細胞數量及存活率[J].植物生理學報,2012, 48(7): 669-675.

[4]吳露露,楊安富,耿建梅等.硒對不同類型雜交水稻品種發芽特性的影響[J].熱帶作物學報,2010,31(5):711-718.

[5]王海男, 劉漢湖. 硒對油菜鎘中毒緩解作用的研究[J]. 山東農業科學, 2012, 44(4): 62-64.

[6]于淑慧, 周鑫斌, 王文華, 等. 硒對水稻幼苗吸收鎘的影響[J].西南大學學報(自然科學版), 2013, 35(9): 17-22.

[7]WANG Li-xia. Research progress on physiological function and mecha-nism of selenium for plants[J]. Journal of Anhui Agricultural Science,2010, 38(1): 31-31, 47.

[8]崔雪梅,郭海如,李春生,等.基于主成分分析的油菜幼苗鋁毒機制研究[J].河南農業科學,2016,45(5):52-55.

[9]崔雪梅,郭海如,方 嬙,等.基于主成分分析的油菜鹽害生理反應規律[J].江蘇農業科學,2016,44(2):105-108．

[10]李柏年,吳禮斌.數據分析方法[M].北京:機械工業出版社,2012.

[11]高惠璇.應用多元統計分析[M].北京:北京大學出版社, 2005.

[12]張志良, 瞿偉菁, 李小芳. 植物生理學實驗指導[M]. 四版. 北京：高等教育出版社, 2009.

[13]郭 鋒, 樊文華, 馮兩蕊,等.硒對鎘脅迫下菠菜生理特性、元素含量及鎘吸收轉運的影響[J].環境科學學報, 2014, 34(2): 524-531.

[14]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 第三版. 北京：高等教育出版社, 2008.

[15]張 馳, 吳永堯, 彭振坤, 等. 硒對油菜苗期葉片色素的影響研究[J]. 湖北民族學院學報(自然科學版), 2002, 20(3): 63-65.

[16]Jessica E S. Nanoceria exhibit redox state-dependent catalase mimetic activity[J]. Chemical Communications, 2010, 46(16)：2736-2738.

[17]程貫召．銅離子脅迫對小麥種子萌發和幼苗生長的毒害[D]．濟南 ：山東師范大學，2008,

(責任編輯 李山云)

StudyonPhysiologicalResponseforRapeunderSeleniumandCopperInteractionBasedonPrincipalComponentAnalysis

GUO Hai-ru1, CUI Xue-mei2*,LI Chun-sheng2,LI Bing-hui2

(1. School of Computer and Information Science,Hubei Engineering University / Key Laboratory of Smart Agriculture for New Rural Research Institute in Hubei Province,Hubei Xiaogan 432000, China;2. School of Life Science and Technology,Hubei Engineering University, Hubei Xiaogan 432000,China)

【Objective】To explore the best supply of selenium and copper, the physiological response for rape under selenium and copper interaction were studied in this paper.【Method】The pot experiments were used to process rape seedlings under 7 different concentrations of CuSO4solution and 2 concentrations of Na2SeO3solution. And the 7 biochemical indexes for rape seedling: total chlorophyll, malondialdehyde, protein, peroxidase activity, etc were tested. The changed rules of various indexes for rape were analyzed under the different treatments based on principal component analysis. 【Result】The comprehensive weight of the index was the highest under selenium 12 mg/L and copper 75 mg/L, NextX22T75andT75.. It showed that the configuration ratio of selenium 12 mg/L and copper 75 mg /L had the best promoting effect on the growth of rape. And the optimal concentration of copper was 75 mg/L. As the selenium 22 mg/L or copper 200 mg /L was alone configured, the effect was the worst.【Conclusion】It showed that high concentration of selenium (22 mg/L) or high concentration of copper (200 mg/L) both had inhibitory effect on rape seedlings. Appropriate ratio of selenium and copper could effectively alleviate stress on rape. The effect on total chlorophyll content from different treatment was the most, then the amylase vigor and fraction of protein quality. It had the least influence on malondialdehyde.

Principal components analysis; Selenium and copper Interaction; Biochemical indicator for rape; Physiological response mechanism

S565.4;TP274

A

1001-4829(2017)11-2468-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.013

2016-08-10

湖北省教育廳科學計劃重點項目(D20172702)

郭海如(1978-)，男，湖北武穴人，副教授，碩士研究生，主要從事農業環境信息處理，E-mail：hbeughr@126.com，*為通訊作者：崔雪梅，E-mail: swaucxm@126.com。