不同基因型苦瓜幼苗耐低温弱光综合评价及鉴定指标筛选

高山等

摘 要 以23个不同基因型苦瓜（Momordica charantia L.）幼苗为试材，研究低温弱光胁迫对苦瓜生理生化的影响，采用主因子分析、系统聚类分析和隶属函数法综合评价苦瓜的耐低温弱光能力。结果表明，12个生理生化指标在参试的23份苦瓜自交系间存在显著差异。运用主因子分析将12个苦瓜生理指标转换为4个相互独立的综合指标；通过聚类分析和隶属函数将23不同基因型系按照耐低温弱光性的强弱划分为2类4组，通过逐步回归建立苦瓜幼苗耐寒性评价数学模型，并筛选出6个耐寒性鉴定指标，可对苦瓜种质资源耐低温弱光特性进行快速鉴定和预测。

关键词 苦瓜；低温弱光；主因子分析；聚类分析；隶属函数；逐步回归分析

中图分类号 S642.5 文献标识码 A

Abstract The seedlings of 23 bitter gourd genotypes were exposed to low temperature and weak light to study the effects on some physiological indicators. Principal factor analysis， subordinate function and system clustering analysis were used to evaluate the tolerance to low temperature and weak light in 23 genotypes based on the physiological indicators. The results showed that principal factor analysis indicated that the 12 parameters could be characterized into 4 main factors， and the accumulative contribution rate was up to 90.48%. A comprehensive evaluation on heat resistance was given based on D value of subordinate function analysis. The 23 genotypes were divided into 4 subgroups of 2 clusters by system clustering based on D value. The mathematical evaluation model for the low chilling-light tolerance of bitter gourd was established， and the evaluation accuracy of the D value was 86.53%. Six indices were closely related to low temperature and weak light tolerance， which could be used for rapid identification and prediction of the low temperature and weak light tolerant bitter gourd germplasm.

Key words Momordica charantia L.；Low temperature and weak light；Principal factor analysis；Clustering analysis；Subordinate function；Regression analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.016

南方冬春持续的低温弱光是影响大棚苦瓜生长发育与产量品质形成的主要限制因子，培育耐低温弱光苦瓜品种是解决这一问题的关键。因此，了解苦瓜耐低温弱光的特性，合理评价苦瓜低温弱光的耐受性，筛选耐低温弱光的资源，从而选育出耐低温弱光的品种具有重要意义。多年来，国内外学者对植物耐低温弱光机理做了大量工作[1-7]，从不同的角度提出了耐低温弱光的鉴定方法和指标，普遍认为植物的耐低温弱光性是由多基因调控的数量性状，采用多指标的综合评价方法能较准确地反映出植物的耐低温弱光能力。目前，该综合评价方法在黄瓜[8-9]、番茄[10-11]、甜瓜[12]、菜豆[13]、辣椒[14-15]等作物的耐低温弱光的评价进行大量报道，而在苦瓜耐低温弱光综合评价的研究开展较少，程世强[16]等开展了低温胁迫下对2个苦瓜自交系发芽种子成苗的影响以及苦瓜抗氧酶活性的变化规律的研究。张红梅[17]等以苦瓜8个自交系为材料，探讨了在低温弱光下幼苗的生长和生理生化的变化。但相关研究由于参试材料类型少，代表性较差，导致研究结果有一定的局限性。本试验通过模拟福建地区冬春季大棚内低温弱光的特点，测定低温弱光胁迫下的不同基因型苦瓜幼苗的生理生化指标，采用多元统计的分析方法对苦瓜的耐低温弱光性进行评价，以期为苦瓜耐低温弱光种质资源的挖掘，耐低温弱光品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料由福州市蔬菜科学研究所苦瓜项目组提供，23个材料均采用单株选择法选育的F6代自交系，来源和主要特征见表1，特征的描述参考《苦瓜种质资源描述规范和数据标准》[18]略作修改。

2 结果与分析

2.1 各单项指标的耐低温弱光系数α值及相关分析

由表2可知，经低温弱光处理后，同一基因型苦瓜不同指标的耐低温弱光系数，同一单项指标不同基因型苦瓜的耐低温弱光系数均有较大变幅。幼苗叶片的初始荧光（F0）、相对电导率（REC）、丙二醛（MDA）和可溶性糖含量（SS）与低温弱光胁迫前相比均有所增加（α>100），其中，‘碧秀的初始荧光（F0）增加最大，‘春3的相对电导率（REC）、‘绿龙的丙二醛（MDA）和‘玉银二号的可溶性糖含量（SS）增加最大；PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ实际光化学效率（ΦPSⅡ）、谷胱甘肽含量（GSH）、丙二醛含量（MDA）、超氧化物歧化酶含量（SOD）、过氧化物酶含量（POD）、抗坏血酸过氧化物酶含量（APX）、脯氨酸含量（Pro）、叶绿素含量（Chl）与低温弱光胁迫前相比均有所下降（α<100），但不同基因型苦瓜各单项指标的变化幅度不尽相同。因此，用不同单项指标的耐低温弱光系数来评价苦瓜耐低温弱光性，其结果均不相同。

从各单项指标的相关系数矩阵（表3）可知，除SOD与F0、Fv/Fm、ΦPSⅡ、Pro、Pro、GSH、SOD、APX、POD的耐低温弱光系数的相关不显著外，12个单项指标的耐低温弱光系数间相关性达显著水平或极显著水平。结果发现，各指标间均存在不同程度的相关性，导致它们所包含的信息发生重叠。但各单项指标在耐低温弱光中所起的作用是不同的，表明苦瓜耐低温弱光是一个复杂的综合性状，直接利用各单项指标不能准确、直观地反映苦瓜耐低温弱光的能力。需要利用多元统计方法进行分析，以弥补单项指标对耐低温弱光评价的不足。

2.2 主因子分析

对12个单项指标的耐低温弱光系数进行主因子分析。从表4可以看出，前4个综合评价指标的贡献率分别为41.02%、33.75%、9.58%、6.13%，累积贡献率达90.48%，表明4个新的相互独立的综合指标代表了12个原始指标的绝大部分信息。其中，因子1中F0、Fv/Fm、ΦPSⅡ、Chl的载荷值高于其他指标，分别为-0.902、0.847、0.825和0.829，可称为光系统因子；因子2中SOD、APX和MDA的载荷值分别为0.962、0.885、-0.802，远高于其他指标，表明该因子与抗氧化有关，称其为抗氧化因子；因子3中Pro对因子3呈正相关，载荷值为0.896，称其脯氨酸为因子；因子4中POD载荷值较其他指标高，称其为POD因子。但4个综合指标的贡献率不同，其所起的作用也存在差异，需进行进一步的综合评价。

2.3 综合评价

2.3.1 隶属函数分析 根据公式（2）计算每个基因型各综合指标的隶属函数值（表5）。对于综合指标CI1而言，‘玉银2号的u（X1）最大，为1.000，表明该材料在CI1表现为耐低温弱光最强，而‘泰国苦瓜的u（X1）值最小，为0.000，表明该材料在CI1表现为耐低温弱光最差。相对于综合指标CI2、CI3、CI4，‘莆田、‘春11、‘881的u（X2）、u（X3）、u（X4）分别高于其他品种，均达到最大值1.000，表明这3个材料在对应指标上均表现为耐低温弱光性最强；‘丰秀、‘春3和‘先锋分别在综合指标CI2、CI3、CI4的u（X2）、u（X3）、u（X4）值均为0.000，表明这3个材料在对应指标上均表现为耐低温弱光性最弱。根据公式（3）计算其权重各综合指标贡献率大小。得出4个综合指标的权重分别为0.453、0.373、0.106和0.068（表5），采用公式（4）计算各基因型综合耐低温弱光能力的大小（表5），并根据D 值对其耐低温弱光能力进行强弱排序。‘43的D值最大，表明其耐低温弱光最强，‘丰秀的D 值最小，表明其耐低温弱光最弱。

2.3.2 聚类分析 采用最大距离法对D 值进行系统聚类分析（图1），可将23个不同基因型苦瓜种质资源划分为2个类群：第Ⅰ类不耐低温弱光类型，可分为2个组，第1组为‘丰秀、‘碧秀、‘富剑、‘泰国苦瓜等10个材料，属于低温弱光敏感类型；第2 组，‘绿丰和‘翠秀2个材料，属中度不耐低温弱光类型；第Ⅱ类为耐低温弱光类型，分为2个组，第1组为‘春11、‘同胜和‘881等6个材料，属中度耐低温弱光类型；第2组为‘43、‘莆田、‘24K、‘玉银2号和‘先锋等4个材料，属高度耐低温弱光类型。

2.3.3 回归模型的建立 以D值为因变量，各单项指标的耐低弱光系数为自变量进行逐步回归分析，建立耐低温弱光评价的数学模型，筛选可靠耐低温弱光鉴定指标。获得最优回归方程：D=0.212-0.002F0+0.002Fv/Fm-0.002REC+0.002SOD+0.002APX+0.003SS，决定系数为R2=0.994，剩余通径系数=0.077，P=0.000 1。用方程中F0、Fv/Fm、REC、SOD、APX和SS等6个单项指标的耐低温弱光系数计算回归的D值（表5），平均估计精度为86.53%，结果表明回归方程可以反映苦瓜耐低温弱光强弱，进而用于其它苦瓜的耐低温弱光的预测。逐步回归与聚类分析结果来看，不耐低温弱光的类型的苦瓜幼苗的叶片经低温弱光处理后，F0和REC值上升并变幅较高，而Fv/Fm、SOD和APX值下降并变幅较大，SS值上升幅度小，而低温弱光类型材料则反之。

3 讨论与结论

南方大棚的环境调控能力弱，冬春持续低温阴雨，光照不良气候条件，致使大棚内长期处在亚适温[昼/夜，（15～20）℃/（8～12）℃]与弱光（光照强度<100 μmol/m2/s）环境，对于南方大棚苦瓜而言，低温弱光逆境主要影响幼苗生长至生殖生长的关键时期。因此，本试验采用人工气候箱模拟亚适宜温光环境，作为不同基因型苦瓜幼苗耐低温弱光性评价的选择压力。

国内外许多学者已筛选出许多与植物低温弱光耐受性的相关形态、生理生化等方面的指标。陈青君[24]认为不同基因型黄瓜对低温弱光的耐受性不完全协同，耐低温与耐弱光之间存在交互效应，在亚适温弱光条件下，弱光对黄瓜生长起主导作用。本试验中不同基因型的耐寒机制不相同，而单项指标的耐低弱光系数间存在不同程度的相关性，表明苦瓜的低温弱光耐受性是受到多因子影响的复杂性状，仅使用某一单项指标无法反映苦瓜耐受性的本质，因此，有必要采用适宜的鉴定指标和运用多元分析对苦瓜种质资源进行系统的评价。

本试验将12个存在显著差异的指标通过因子分析，转换为4个新的相互独立的因子，分别称其为光系统因子、抗氧化物因子、脯氨酸因子和POD因子，4个因子累积贡献率达90.48%，其中光系统因子和抗氧化物因子分别占41.02%和33.75%，表明低温弱光胁迫主要影响苦瓜幼苗的光化学反应和抗氧化物酶活性，这2个因子相互独立，并且携带大部分信息。隶属函数法是在多指标测定基础上进行综合评价的方法，既考虑了各指标间的相互关系，又兼顾了各指标的重要性，因此鉴定结果更具有准确性[25]。4个综合因子利用隶属函数分析法求出各综合指标评价值D，并进行聚类分析，将23个不同基因型供试材料根据耐低温弱光能力的大小分为2类4组。

低温耐光对植物的影响是多方面的，目前多数研究集中在对植物光合作用能力和细胞膜稳定性影响的相关生理生化指标的鉴定和筛选。然而鉴定指标过多，包含信息重叠，增加了鉴定难度和评价准确性。本试验通过逐步回归建立苦瓜耐低温弱光评价的数学模型，从12个单项指标中筛选出F0、Fv/Fm、REC、SOD、APX和SS等影响苦瓜幼苗耐寒性评价的6个单项指标。结果显示，不耐低温弱光的材料F0上升且变幅大，PSⅡ最大光能转化效率Fv/Fm下降幅度大，表明不耐低温弱光材料的PSⅡ受到伤害较重，光合作用能力受到较严重的抑制，这个结果与低温弱光胁迫对切花菊[26]和棉花[27]研究结果相似，而任华中等[28]研究发现番茄在低温弱光胁迫下Fv/Fm值反而上升，颉建明[19]等则认为Fv/Fm值下降幅度与品种的耐性并不相关，不适用于鉴定辣椒耐低温弱光性的指标。低温弱光对苦瓜幼苗的影响还表现在酶的活性、膜的结构稳定性及细胞渗透压等方面，如SOD、APX下降，REC，SS增大。经检验，这6个单项指标可作为供试23个苦瓜基因型耐低温弱光鉴定与筛选的指标，但这一结果仍需更多不同基因型苦瓜种质，以及在复杂大棚环境中对供试材料的整个生长期的耐低弱光性做进一步验证和研究。

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