主成分分析及隸屬函數法對菊芋苗期耐鹽性評價

張國新,王秀萍,姚玉濤,薛志忠

(河北省農林科學院濱海農業研究所,河北省鹽堿地綠化工程技術研究中心,唐山市植物耐鹽研究重點實驗室,河北唐山 063200)

菊芋(HelianthustuberosusL.)為菊科向日葵屬多年生草本植物,別名洋姜、鬼子姜,是集食用、飼用、工業及能源原料為一體的多功能植物。菊芋塊莖干物質的主要成分為菊淀粉(inulin),被作為優質的膳食纖維源和脂肪替代物,是“十一五”首推生物能源的原料植物。菊芋耐鹽堿性強,在濱海灘涂應用中取得了一定效果[1-2]。利用鹽荒地及灘涂資源發展菊芋的規模化種植,對高效利用濱海鹽堿地、推動鹽堿產業發展具有積極意義。

我國對菊芋的研究起步較晚,主要在20世紀90年代末開始進行較系統研究,目前對鹽脅迫研究主要集中在耐鹽特性、離子吸收分布、光合效應等方面[3-7],在品種耐鹽性評價方法方面的報道相對較少。筆者從苗期菊芋耐鹽指標分析入手,通過多指標相關性及主成分分析,篩選主要指標,采用隸屬函數法對菊芋品種進行苗期評價,對耐鹽品種篩選方法及鹽堿地應用具有生產實際意義。

1 材料與方法

1.1材料6個菊芋品種(系),編號為J2、Q12、M4、B1、L8、N1,均來自于河北省農林科學院濱海農業研究所資源圃。

1.2方法試驗在河北省農林科學院濱海農業研究所試驗基地進行。2016年5月5日,將帶一個芽眼的塊莖(直徑1 cm)播種于裝有沙子、底部有孔的塑料花盆中(口直徑×高=35 cm×38 cm),深淺保持一致,均埋深5 cm,自然光條件培養,當植株葉片展開后,用1/2Hoagland營養液澆灌。4葉進行疏苗,每盆保留2個品種各3株。當苗長到6葉時,進行鹽水脅迫試驗,以清水為對照,用NaCl配成0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的鹽溶液,每天進行一次鹽水澆灌,每盆澆灌1 L,使底部流出鹽水,并按比例加入適量營養液,防止養分缺失。每處理3盆共9株苗,處理10 d后進行指標測定。

1.3指標測定株高：利用直尺,測定菊芋植株生長點至根部沙面的距離；葉面積：利用YMJ-B型便攜式葉面積儀進行功能葉片葉面積測量,取3株平均值；鮮干重：分別稱取洗凈吸干水分的植株鮮質量,裝入干燥紙袋內,于70 ℃烘干至恒質量后稱取干質量,結果取平均值；質膜透性測定參照“山東農業大學植物生理實驗”電導法；丙二醛含量測定參照《現代植物生理學實驗指南》硫代巴比妥(TBA) 顯色法；光合參數測定采用便攜式光合測定系統(Li-6400,USA)。

1.4數據處理運用DPS統計分析軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1各指標耐鹽系數耐鹽性是一個受多基因控制的復雜數量性狀,單一指標不能全面反映品種的耐鹽性,該研究參照其他作物耐鹽性指標分析結論,選取鹽分處理下變化幅度大的形態、生理指標作為主要分析指標,通過耐鹽系數法,取相對值,消除品種本身的固有差異,不同濃度下的耐鹽系數用公式(1)表示：

式(1)：α=不同濃度處理下平均測定值/對照測定值×100%,表1中單項指標的耐鹽系數為不同濃度耐鹽系數的平均值。

2.2主效因子指標分析從表2可以看出, 鹽分脅迫下的12個指標相關性中,葉面積(x1)與地上鮮重(x3)正相關,達到極顯著水平,與地下鮮重(x4)、地上干重(x5)正相關,達到顯著水平,說明葉面積增加,有利于植株生長,從而提高地上鮮重、干重。地上鮮重(x3)與地下鮮重(x4)、地上干重(x5)正相關,分別達極顯著、顯著水平,說明地上部鮮重增加,促進了根系生長,同時提高了地上干物質積累。地上干重(x5)與地下干重正相關,達到極顯著水平。氣孔導度(x10)與胞間CO2濃度(x12)正相關,達極顯著水平,說明氣孔導度加大,氣體流通量增加,提高了胞間CO2濃度,利于光合作用。

表1 供試材料單項指標的耐鹽系數

表2 指標相關性分析

注：相關系數臨界值,a=0.05時,r=0.811 4；a=0.01時,r=0.917 2

Note: Critical value of correlation coefficient,a=0.05,r=0.811 4；a=0.01,r=0.917 2

從表3、4主因子分析看出,3個主因子代表了12個指標的90.297 1%的主要信息,其中第1個因子代表信息最多,貢獻率達53.240 4%。從旋轉因子載荷矩陣看出,主因子1的葉面積(x1)、地上鮮重(x3)、地下鮮重(x4)、地上干重(x5)、氣孔導度(x10)5個指標代表了總指標53.240 4%的信息；主因子2的平均株高(x2)、丙二醛(x8)代表了21.326 9%信息；主因子3的凈光合速率(x9)代表了總指標因子15.729 8%的信息。上述3個主因子的8個指標為菊芋耐鹽指標的主要分析指標。

表3 主因子分析

2.3耐鹽性評價由于不同變量常常具有不同的單位和不同的變異程度,因此為了消除量綱影響和變量自身變異大小和數值大小的影響,消除單個指標帶來的片面性,用隸屬函數法將各品種的各耐鹽指標擴展到[0,1]區間上,將數據標準化。用下式分別計算各耐鹽指標的隸屬函數值,每份材料各綜合指標的隸屬函數值用公式(2)(3)求得。

式(2)：μxj=(xj-xmin)/(xmax-xmin),j=1,2,3,...,n

表4 方差旋轉因子載荷矩陣

通過各品種(系)的8個指標隸屬函數值比較分析(表5),B1值為0.813,為最高,N1次之,Q12最小,說明B1、N1在鹽分脅迫下,苗期指標表現較好的耐受性,在6個品種(系)中,耐鹽性較強。

表5 隸屬函數值及綜合排名

3 討論與結論

菊芋作為多功能菊科植物,在濱海鹽堿地具有一定應用前景[8]。由于受少雨及蒸發影響,春季濱海鹽堿地土壤鹽分向表層聚集[9],而此時期正是作物幼苗期,是受土壤鹽分脅迫最重階段,所以苗期的耐鹽強弱,一定程度上能反映品種的全生育期耐鹽性。耐鹽性是一個受多基因控制的復雜數量性狀,多指標綜合分析的隸屬函數模糊評價法能全面反映品種苗期的耐鹽性,目前已在多種植物耐鹽性評價中得到應用[10-12]。

筆者采用主成分分析對不同鹽分梯度的多指標進行篩選,通過隸屬函數法進行不同梯度指標耐鹽系數平均值的比較,通過綜合得分評價苗期菊芋的耐鹽性,篩選出葉面積、株高、地上鮮重、地下鮮重、地上干重、丙二醛、凈光合速率、氣孔導度為苗期隸屬函數綜合評價指標, 從品種耐鹽性上看,B1、N1綜合得分為0.812、0.625,苗期耐鹽性較強。