新疆哈密瓜苗期耐冷性評價

楊鴻基 徐誠 高亞寧 楊建超 楊平 軒正英 阿依買木·沙吾提

摘? ? 要：為了挖掘新疆哈密瓜耐冷資源，為設施耐冷品種的選育提供研究基礎，筆者以14份哈密瓜為試材，采用人工模擬低溫的方法，在4 ℃低溫處理下，測定相關生長、生理指標，并采用主成分分析和隸屬函數分析，對14份哈密瓜幼苗的耐冷性進行綜合評價。對原有的12個單項指標進行主成分分析，得到5個新的相互獨立的綜合指標;通過聚類分析，把所有品種分為3類。其中，阿克陶1號等3個品種為耐冷性強的品種，西開心等8個品種為中度耐冷品種，其里甘等3個品種為冷敏感品種;通過逐步回歸分析，建立了評估哈密瓜苗期耐冷性的數學模型：D=-0.31+0.62RDW0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD，并篩選出根干質量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性等4個指標可作為哈密瓜苗期耐冷性評價的有效指標。

關鍵詞：哈密瓜;耐冷性;主成分分析;隸屬函數分析

中圖分類號：S652.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2022）02-090-05

Cold tolerance evaluation of hami melon seedlings in Xinjiang

YANG Hongji， XU Cheng， GAO Yaning， YANG Jianchao， YANG Ping， XUAN Zhengying， Ayimaimu·Shawuti

（The National-Local Joint Engineering Laboratory of High Efficiency and Superior-Quality Cultivation and Fruit Deep Processing Technology on Characteristic Fruit Trees/College of Horticulture and Forestry， Tarim University， Alar 843300， Xinjiang， China）

Abstract：In order to excavate the cold tolerance resources of Hami melon in Xinjiang， and provide the research basis for the breeding of greenhouse cold tolerance varieties. In this study， 14 Hami melon seedlings were treated at 4 ℃ by simulated low temperature， and their growth and physiological indexes were determined， and the cold tolerance of 14 Hami melon seedlings was evaluated by principal component analysis and membership function analysis. Based on the principal component analysis of the original 12 individual indexes， five new independent comprehensive indexes were obtained; Through cluster analysis， all varieties were divided into 3 categories， among which 3 varieties， such as Aketao 1， were strong cold-tolerant varieties， 8 varieties， such as Xikaixin， were moderate cold-tolerant varieties， and 3 varieties， such as Qiligan， were cold-sensitive varieties. Through stepwise regression analysis， a mathematical model was established to evaluate the cold tolerance of Hami melon at seedling stage： D=-0.31+0.62RDW0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD， and root dry weight， soluble protein， soluble sugar and superoxide dismutase， can be used as effective indexes for cold tolerance evaluation of Hami melon at seedling stage.

Key words：Hami melon; Cold tolerance; Principal component analysis; Membership function analysis

哈密瓜（Cucumis melo L.）又名甘瓜、網紋瓜、雪瓜、貢瓜，屬葫蘆科黃瓜屬的一年生草本植物，不僅是新疆傳統的名優特產，還是國內外重要的經濟作物[1-2]。新疆得天獨厚的地理環境與特色氣候條件成就了新疆哈密瓜肉質松脆、含糖量高、營養豐富的品質特點[3]。2016年我國哈密瓜產量約為250萬t，2018年達到305.6萬t左右。其中，新疆生產約165萬t，其產量超過全國總產量的一半[4]，由此可見哈密瓜對新疆當地經濟發展扮演著越來越重要的角色。但近幾年來，極端嚴寒等災害性氣候頻繁發、氣候變化劇烈，早春設施常常發生低溫冷害現象，嚴重影響哈密瓜幼苗的正常生長，造成哈密瓜產量的大幅度下降，給哈密瓜的生產帶來了巨大的經濟損失[5]。因此，篩選出適合設施栽培的哈密瓜專用品種勢在必行，而準確地鑒定哈密瓜耐冷性的強弱和篩選出評價耐冷性的關鍵指標是解決以上問題的關鍵環節，并且對設施哈密瓜生產具有重大意義。

近年來植物耐冷性的評價引起了人們的廣泛關注，前人對甜瓜耐冷性多從萌芽期[6-7]、苗期形態[8]與生理生化[9]等方面進行研究，然而針對新疆哈密瓜苗期耐冷性研究報道較少。本試驗以14份新疆哈密瓜為材料，進行人工模擬低溫處理，采用主成分分析、聚類分析等方法對新疆哈密瓜苗期的耐冷性進行綜合評價和分類，建立較為可靠的分級體系，并篩選出耐冷性較強的品種，旨在為耐低溫的設施品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用14份哈密瓜材料，由筆者所在課題搜集和保存（表1）。

1.2 方法

本試驗于2020年10月在塔里木大學園藝試驗站內進行。播種前從14份哈密瓜材料中分別選取90粒飽滿的種子進行催芽，將種子在55 ℃蒸餾水中浸種10 min，期間不斷攪拌，然后用熱水中浸泡8 h，撈出后放入溫度設置為28 ℃的人工培養箱內（GXZ-800D），催芽24 h，待露白后，播種在裝有V草炭：V蛭石：V珍珠巖=1：1：1的32孔穴盤中，于智能溫室苗床上進行育苗并進行常規管理，育苗期間智能溫室溫度為白天（25 ～30 ℃）/夜晚（15～18 ℃）。當幼苗生長至3葉1心時，選用長勢均一的幼苗進行低溫處理。先將材料置于溫度為28 ℃/15 ℃的人工氣候室內適應48 h后，再于（4±1） ℃下進行48 h低溫處理[10]，光照度8000 lx，晝夜時長為16 h/8 h，以智能溫室培養的植株為對照，處理48 h后進行采樣。每份材料15株，3次重復，每次重復5株。

1.3 測定指標與方法

1.3.1? ? 形態指標測定? ? 采用分析天平對根干質量（RDW）、根鮮質量（RFW）、地上部干質量（ODW）、地上部鮮質量（OFW）進行稱量。稱量干質量時，先將材料在105 ℃下殺青15 min，在85 ℃下恒溫干燥12 h，然后再稱量。植株生長量（PMG）為處理前后植株干質量之差。試驗隨機選取5株幼苗進行測定。

1.3.2? ? 生理指標測定? ? 隨機選取5株幼苗的第2片真葉，過液氮后搗碎取出較大葉脈，混勻，裝入凍存管中以-80 ℃中保存備用。參考高俊鳳[11]的方法測定游離脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SSC）和可溶性蛋白（SPC）含量等指標。使用蘇州科銘生物技術有限公司的試劑盒和酶標儀（Infinete 200）對超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性進行測定，3次重復。

電導率（EC）采用型號為DDS 307的電導率儀進行測定。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2013對數據進行統計，各指標的相對值參考周亞峰等[12]的方法進行計算，即：

相對值/%=（處理測定值/對照測定值）×100。

（1）

利用SPSS 26.0，進行主成分分析、聚類分析和逐步回歸分析，利用模糊數學中的隸屬函數法，對不同品種的耐冷性進行鑒別和評價。各品種的綜合指標（CI）、隸屬函數值（μ）、權重（ω）和綜合評價值（D）的計算，參照苗永美等[13]的方法，通過逐步回歸法建立D值與指標間的回歸方程，利用回歸方程計算耐冷性綜合評價的預測值（VP）[14]。

耐冷綜合指標CIi= [j=16Eij·X'j]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，CI i為某一品種第 i 個主成分得分，E i j表示第 i 個主成分第 j 個單項指標對應的特征向量，[X'j]表示第 j 個單項指標的標準化值。本試驗中 i=1，2，3，4，5;j=1，2，3，…12。

各品種綜合指標的隸屬函數值按下列公式計算：

μ（xi j）=（xi j –xj min）-（xj max–xj min）。? ? ? ? ? ? ? ? （3）

在式中：x i j表示 i 表示主成分分析中第 j 個綜合指標;x j max、x j min分別表示該指標的最大值和最小值。

綜合指標的權重可根據各綜合指標的貢獻率由以下公式求得：

ωj=pj /[jnpj] j= 1，2，3…，n。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，ωj值表示第 j 綜合指標在各綜合指標中的相對重要性及權重，pj為第 j 綜合指標在主成分分析中的貢獻率，n為主成分的個數，本試驗中 n=5。

用公式（5）計算各品種綜合耐冷性的強弱：

Di = [j=1n[μxij·ωj]]? i = 1，2，3，…;j = 1，2，，3，…，n。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，Di值為第 i 品種耐冷性的綜合評價值，n表示主成分的個數，本試驗n=5。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對不同哈密瓜材料耐冷性指標的影響

如表2所示，在4 ℃條件下處理48 h后，全部幼苗生長受到抑制。與對照相比，低溫脅迫后的植株生長量（PMG）、地上部分干質量（ODW）、地上部分鮮質量（OFW）、根干質量（RDW）、根鮮質量（RFW）均有所下降。其中，植株生長量的變化幅度0.19～0.59，地上部分干質量的變化幅度0.38～0.81，地上部分鮮質量的變化幅度0.38～0.97，根干質量的變化幅度0.39～0.83，根鮮質量的變化幅度0.44～0.96，形態指標的變異系數（CV）變化幅度為0.18～0.30。

由表3可知，經4 ℃低溫處理后，14份供試材料生理指標發生明顯變化。葉片的電導率（EC）、游離脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SPC）與對照相比均有增加，可溶性糖含量（SSC）與對照相比僅C7（西開心）有所下降，較對照比較過氧化物酶（POD）呈下降趨勢，超氧化物歧化酶（SOD）在大多數品種中呈下降趨勢，只在C9（阿克陶1號）、C11（岳普湖1號）、C13（超早豐F1）3份材料中呈上升趨勢，過氧化氫酶（CAT）在大部分品種中呈上升趨勢，而在4份品種C3（白庫克其）、C6（比斜克其2號）、C7（西開心）、C8（卡啦喀西）中呈下降趨勢，其生理指標的變異系數（CV）變化幅度在0.11～0.46之間。

由于各指標之間有一定程度的相關性，從而導致他們耐冷性表征信息有所重疊，所以難以用單一指標進行準確、客觀地反映不同哈密瓜品種的耐冷性。因此，運用多元統計分析方法對各指標信息進行有效的綜合利用是十分必要的。

2.2 哈密瓜幼苗指標的主成分分析

對14份哈密瓜材料測定耐冷性指標進行主成分分析后得到12個主成分，前5個主成分的累計貢獻率在85%以上，表明這5個綜合指標（PC1～PC5）的貢獻率能夠解釋總變異的85.11%（表4）。這5個新的獨立的綜合指標就能代表原來12個單項指標的絕大部分信息。因此，選擇前5個主成分對哈密瓜耐冷性進行評價分析。

在5個新確定的綜合指標中，第一主成分（PC1）的特征向量主要是根干質量（0.47）、根鮮質量（0.43）、電導率（-0.43）、過氧化物酶活性（-0.41），其中，特征值最大的是根干質量;第二主成分（PC2）的特征向量主要是可溶性蛋白含量（0.46）、超氧化物歧化酶活性（-0.45）;第三主成分的特征向量主要是游離脯氨酸含量（0.51）、可溶性糖含量（0.45），其中，特征值最大的是游離脯氨酸含量;第四主成分是植株生長量（0.41）、地上部分鮮質量（-0.54），其中，特征值最大的是地上部分鮮質量;第五主成分的特征向量主要是過氧化氫酶活性（-0.62），說明5個主成分主要與根干質量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、地上部分鮮質量、過氧化氫酶活性相關。

2.3 哈密瓜幼苗的耐冷性綜合評價

根據綜合指標的貢獻率大小及累計貢獻率，計算各綜合指標的權重，分別為0.33、0.28、0.15、0.15、0.09（表5）。

根據隸屬函數值及權重計算出每份材料的D值，并根據D值大小對不同材料的耐冷性進行排序。其中，C9（阿克陶1號）的D值最大，表明耐冷性最強;C12（闊克齊1號）D值最小，表明耐冷性最弱。基于D值的組間平均連接法進行聚類（圖1），在距離為5處，14份種質可以分為3類。第一類耐冷型強的品種，D值在0.68～0.71之間;第二類中度耐冷型的品種，D值介于0.38～0.52之間;第三類冷敏感性的品種，D值介于0.29～0.32之間（表6）。

2.4 耐冷性回歸模型建立

為了更加準確地分析哈密瓜苗期的耐冷性與各項指標的相對值的關系，建立了評價哈密瓜苗期耐冷性的數學模型。利用SPSS軟件，以D值為因變量，以苗期各調查指標的相對值為自變量，通過逐步回歸分析，建立最佳回歸方程：D=-0.31+0.62RDW+0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD，其中R2=0.965，P<0.05。用回歸方程對苗期4個單項指標的相對值進行預測，得到預測值（VP）（表5），并對預測值和綜合評價值進行相關性分析，得出兩者的相關系數r=0.921，呈極顯著正相關關系，表明該回歸方程可用于哈密瓜苗期耐冷性的綜合評價。

3 討論與結論

雖然已有關于哈密瓜苗期耐冷性的研究報道，但是主要集中在生理指標的響應方面[15]，鮮見對哈密瓜耐冷性的綜合評價。植物的耐冷性是一個由遺傳和環境因素共同決定的復雜性狀[16-17]，不同品種的耐受機制各不相同，如果僅用單一指標評價，不但可信度低，而且結果不可靠[18]，故采用主成分分析和隸屬函數法等多元分析方法對植物開展全面的評價[19]，不僅可以消除單一指標的局限性，還能提高評價的準確性[20-21]，因此越來越多的研究人員通過外觀形態指標、生理生化指標等多指標的綜合評價法來確定供試材料的耐冷性，并建立可靠的評估體系[22]。

植物受到低溫脅迫時生理變化首先對脅迫做出反應，其中可溶性糖和可溶性蛋白是影響植物耐冷性的重要滲透調節物質，武雁軍等[23]通過對厚皮甜瓜在4 ℃或6 ℃的生理生化指標的研究表明，耐冷性強的品種可產生較多的可溶性糖、可溶性蛋白，它們可以作為判定厚皮甜瓜耐冷性的重要指標，本次試驗表明耐冷性與可溶性糖含量、可溶性蛋白含量呈正相關，說明可溶性糖和可溶性蛋白含量越高，耐冷性越好。本試驗表明根干質量與耐冷性呈正相關、SOD與耐冷性在一定程度上呈負相關，說明較高耐冷性哈密瓜SOD酶活性較低，與周亞峰等[12]研究結果相一致。

綜上所述，本試驗采用主成分分析法，將12個單項指標轉化為5個新的綜合指標，并在此基礎上進行了深入的分析，計算出隸屬函數值、權重、綜合評價值，采用組間平均連接法對D值進行聚類分類，將14個品種的耐冷性分為3類。其中，耐冷性強的3個分別是C9（阿克陶1號）、C5（比斜克其1號）、C4（斯力克65），中度耐冷品種8個分別是C7（西開心）、C10（阿克陶2號）、C13（超早豐F1）、C3（白庫克其）、C6（比斜克其2號）、C11（岳普湖1號）、C1（比西克新75）、C8（卡啦喀西）、冷敏感品種3個分別是C2（其里甘）、C14（其力甘65）、C12（闊克奇1號）。采用逐步回歸分析法，以D值為因變量，苗期各指標的相對值為自變量進行逐步回歸分析，建立了可靠的回歸方程，D=-0.31+0.62 RDW+0.18 SPC+0.10 SSC-0.21 SOD，通過回歸方程分析，從12個單項指標中篩選了根干質量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性的相對值作為新疆哈密瓜苗期耐冷性評價的關鍵指標。

參考文獻

[1] 王東.新疆哈密瓜病毒研究進展[J].黑龍江農業科學，2019（10）：162-165.

[2] 楊晶.新疆甜瓜eIF4E和MLO基因的敲除及功能分析[D].烏魯木齊：新疆大學，2018.

[3] 廖新福，劉曼雙.新疆哈密瓜產業現狀及發展對策[J].新疆農業科技，2011（3）：1-2.

[4] 武華文.哈密瓜片遠紅外干燥特性及品質工藝試驗研究[D].新疆阿拉爾：塔里木大學，2020.

[5] 張永平，姚雪琴，楊少軍，等.低溫脅迫及恢復對厚皮甜瓜光合作用和抗氧化特性的影響[J].上海農業學報，2017，33（1）：41-49.

[6] 苗永美，高青海，戈應祥，等.甜瓜耐低溫鑒定指標的研究[J].安徽科技學院學報，2013，27（1）：39-44.

[7] 劉宏宇，姚雪，欒非時，等.厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性評價方法研究[J].東北農業大學學報，2016，47（7）：24-31.

[8] 李琦.低溫弱光對甜瓜幼苗生理特性的影響[D].武漢：華中農業大學，2012.

[9] 姚雪.甜瓜種質資源耐冷性的鑒定評價及其關聯分析研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2016.

[10] 徐小軍，張桂蘭，周亞峰，等.甜瓜幼苗耐冷性相關生理指標的綜合評價[J].果樹學報，2015，32（6）：1187-1194.

[11] 高俊鳳.植物生理學實驗指導[M].北京：高等教育出版社，2006.

[12] 周亞峰，許彥賓，王艷玲，等.基于主成分-聚類分析構建甜瓜幼苗耐冷性綜合評價體系[J].植物學報，2017，52（4）：520-529.

[13] 苗永美，寧宇，曹玉杰，等.黃瓜萌芽期和苗期耐冷性評價[J].應用生態學報，2013，24（7）：1914-1922.

[14] WU H， HOU L L， ZHOU Y F， et al. Analysis of chilling-tolerance and determination of chilling-tolerance evaluation indicators in cotton of different genotypes[J].Agricultural Science & Technology，2012，45（9）：1703-1713.

[15] 戶金鴿，楊咪，楊英，等.低溫脅迫下哈密瓜幼苗生理的變化研究[J].新疆農業科學，2016，53（8）：1409-1414.

[16] 黃海濤，胡江，徐冬梅，等.豇豆萌芽期耐冷性綜合鑒定與評價[J].西北農業學報，2019，28（2）：237-246.

[17] 張鶴，蔣春姬，殷冬梅，等.花生耐冷綜合評價體系構建及耐冷種質篩選[J].作物學報，2021，47（9）：1753-1767.

[18] 李冰，張敬敬，高秀瑞，等.低溫脅迫下不同基因型西瓜抗寒性綜合評價[J].中國瓜菜，2019，32（4） ：16-19.

[19] CAO X，JIANG F L，WANG X，et al.Comprehensive evaluation and screening for chilling-tolerance in tomato lines at the seedling stage[J]. Euphytica ： International Journal of Plant Breeding，2015，205（2）：569-584.

[20] 宋靜爽，王靜，劉周斌，等.辣椒苗期對低溫脅迫的響應及耐冷評價體系的建立[J].分子植物育種，2020，18（22）：7537-7546.

[21] 陳小鳳，黃如葵，梁家作，等.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[J].南方農業學報，2016，47（5）：677-681.

[22] 張健，田佳星，張國裕，等.瓜類作物耐低溫弱光研究進展[J].中國瓜菜，2020，33（10）：1-8.

[23] 武雁軍，劉建輝.低溫脅迫對厚皮甜瓜幼苗抗寒性生理生化指標的影響[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2007，35（3）：139-143.