哈密瓜苗期抗旱相关指标及主成分分析

户金鸽，廖 亮，杨 军 ，杨 英 ，孙玉萍 ，廖新福

(1.新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200；2.新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830052)

哈密瓜苗期抗旱相关指标及主成分分析

户金鸽1，廖 亮2，杨 军1，杨 英1，孙玉萍1，廖新福1

(1.新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200；2.新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830052)

【目的】在干旱胁迫条件下，研究哈密瓜幼苗与抗旱性有关的生理指标并进行主成分分析，为哈密瓜的抗旱育种提供理论基础。【方法】利用抗旱性不同的9份哈密瓜品种，采取盆栽控水技术进行水分干旱胁迫处理，测定与植物抗旱性有关的游离脯氨酸、甜菜碱、叶绿素、丙二醛(MDA)和保护性酶活性的变化等生理生化指标并对各指标进行主成分分析。【结果】苗期干旱胁迫增加了游离脯氨酸、甜菜碱、MDA、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)的活性，同时减少了叶绿素含量。【结论】通过主成分分析，干旱胁迫下游离脯氨酸、MDA、可溶性糖、SOD、POD、叶绿素均可作为哈密瓜苗期抗旱性的鉴定指标，在9份参试品种中，西州密24号抗旱性最强，红心脆抗旱性最弱。

哈密瓜；抗旱性；主成分分析

0 引 言

【研究意义】哈密瓜(CucumismelonL.)属葫芦科(Cucurbitaceae)甜瓜属(CucumisLinn)一年生蔓性草本植物，需水量较多，干旱胁迫对哈密瓜的品质、产量均有严重影响。吐鲁番鄯善县属温带大陆性气候，远离海洋，群山环绕，地貌复杂，形成了独特的气候。夏季炎热，冬季寒冷，春、秋季干燥，年降水量少，但蒸发量又极大。新疆吐鲁番地区是我国哈密瓜的主产区，因此，通过哈密瓜的抗旱鉴定可以为哈密瓜的抗旱育种提供优质的种质资源，从而对进一步提高哈密瓜的产量和品质有着重要的意义。在干旱胁迫条件下，植物可通过增加或减少游离脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖等渗透调节物质，改变体内过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等酶活性来适应水分的变化[1]。【前人研究进展】近年来，随着植物抗旱性研究的不断深入，有关哈密瓜的抗旱机理及抗旱性评价也有报道[2]，除此之外，关于作物抗旱性性及主成分分析研究也越来越多，冯方剑等[3]对棉花的研究表明，脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖、MDA含量、叶绿素、SOS活性和POS活性均能作为棉花苗期抗旱性鉴定指标，利用此7项值建立的D值抗旱评价体系对棉花品种苗期的解释率为34.49%;赵晓梅等[4]采用简便、快捷的主成分指标对杏品质进行综合 ，结果表明通过计算品质的主成分值，对供试的品系进行比较，进而选择了综合性状优良的品种，其结果与实际更相近，表明应用主成分对杏品种的选择更具有准确性和科学性；冯国郡等[5]对新疆甜高粱2008年区域试验中10个品种的13个农艺性状间关系进行研究，结果表明在性状选择上，应选择植株高大、节数多、茎秆粗壮、生育期适中和锤度高的品种;徐心诚[6]以番茄对试验材料，采用主成分分析法对番茄品种耐弱光的综合评价，结果表明，坐果率和产量与其他耐弱光指标之间不存在着极显著的相关性，同一作物在不同程度的逆境胁迫下，抗逆能力的稳定性也有不同；谢赛萍等[7]采用石蜡切片的方法比较了2种元胡叶片显微结构及主成分分析，结果显示大、小叶元胡叶片的显微结构存在显著差异;郭军战等[8]应用主成分分析和聚类分析法，对文冠果12个数量性状进行了分析，地径、枝下高、冠径、树高、叶长的累积贡献率达70.26%，聚类分析将12个数量性状聚为6类，2种分析共同揭示了因子对文冠果的作用；杨建华等[9]研究表明主成分分析法可以对美国山核桃主要经济性状进行综合评选；钟金仙等[10]对10个黄瓜优良品种的农艺性状进行主成分分析，单瓜重、结瓜数、雌花数、雌花着生节位的累积贡献率达93.87%，株高、节间长、第一雌花出现节位与单株产量呈负相关；胡建斌等[11]对不同来源的34份薄皮甜瓜品种的19个表型性状进行了主成分分析，其中果实形态和品种相关性状变异系数最大，是薄皮甜瓜表型性状的主要来源，19个表型性状归为6个主成分，累计贡献率达80.83%，王海、十道梨等10个品种综合表现优良。【本研究切入点】目前关于哈密瓜苗期抗旱性的研究报道较少。研究采取盆栽控水技术，探讨哈密瓜苗期的各生理指标和抗旱性的关系，对哈密瓜苗期的抗旱性进行综合评价。【拟解决的关键问题】研究哈密瓜苗期抗旱的相关指标，对各指标进行主成分分析，为哈密瓜抗旱性育种提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为抗旱性不同的9份哈密瓜品种，均由新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所提供。

1.2 方 法

1.2 .1 试验设计

试验于2012年在新疆吐鲁番地区鄯善县新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所试验地内进行，采取盆栽控水技术，花盆规格21 cm×18 cm，8月11日播种，每品种设置1个对照，胁迫组设置3个重复，每重复20盆。苗期正常浇水，常规管理，于9月8日开始进行干旱胁迫处理，对照组正常浇水，干旱胁迫组不浇水，由于花盆较小，吐鲁番地区温度较高，蒸发量极大，于干旱胁迫第1 d、第2 d、第3 d、第4 d、第5 d取样，采样时采取不同植株的同一节叶片，迅速置于-40℃冰箱中冷冻保藏。

1.2.2 测定项目

游离脯氨酸采用磺基水杨酸法测定，甜菜碱采用雷氏盐法测定，可溶性糖采用蒽酮法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化学还原法测定，叶绿素采用酒精-丙酮(1∶1)萃取法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[12]，各项指标均测定3次，取平均值。

1.3 数据统计

抗旱系数(DRC)[13]：

隶属函数：

式中，Xj为第j个综合指标值；Xmin和Xmax为第j个综合指标的最小值和最大值。

综合指标权重：

式中：wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；Pj为各品种第j个指标与抗旱系数之间的相关系数，表示了各品种第j个综合指标的贡献率。

各基因型的综合抗旱能力大小：

式中：D值为各品种在干旱胁迫下用综合指标评价所得的抗旱性综合评价值。

利用Microsoft Excel进行数据处理，利用DPS 6.5进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 各生理指标的抗旱系数及相关性

哈密瓜幼苗经干旱胁迫后，生理生化指标发生了诸多变化。除叶绿素含量低于对照组(DRC<100%)外，其它各指标均高于对照组(DRC>100%)。但不同品种的各项生理生化抗旱指标变化幅度不尽相同，脯氨酸变化幅度最大，叶绿素的变化幅度最小。由于不同的哈密瓜品种对某一单项生理生化指标的抗旱性反应不一定一致，因此用抗旱系数这一单项指标来反应各品种抗旱性的强弱显得不够科学。表1

表1 9个品种各项生化指标的抗旱系数

Table 1 Drought resistance coefficient for every biochemical index of 9 culticars

代号Sitislnumber品种VarietySODSuperoxideDismutase(X1)PODPeroxidase(X2)甜菜碱Betaine(X3)脯氨酸Proline(X4)可溶性糖Solublesugar(X5)MDAMalondialdehyd(X6)叶绿素Chlorophyll(X7)123456789伽师瓜西州密17号西州密24号西州密25号香梨黄芙蓉醉仙热瓜旦红心脆115 67109 89107 70107 00157 72114 88113 07119 04119 04137 26113 11168 79109 11132 032144 04150 25175 72111 89131 50127 48132 74136 36122 92133 22130 87124 92124 92186 85164 24131 40135 72132 68211 42176 09226 93212 50131 44153 69149 56127 07136 81134 74145 59141 79145 87104 68122 61111 17108 42311 59119 44121 24116 21145 6696 5497 9695 8999 6098 5883 0393 2396 4993 23

2.2 主成分分析

由于原始数据度量单位不同，通常不能在同一水平上进行比较分析，因此可将数据进行标准化处理后进行主成分分析，根据计算样本相关矩阵的特征向量可得出主成分函数，表达式分别为：表2

第1主成分：

CI1=0.322X1+0.443X2-0.268X3+0.564X4+0.107X5+0.183X6-0.516X7

根据累计贡献率和特征向量在生物学中的意义，可见对第1主成分贡献最大的是X4，代表脯氨酸含量，其次为X2、X1，分别代表POD含量、SOD含量，可大致概括为植物体内的渗透调节物质和细胞体内的酶活性。

第2主成分：

CI2=0.549X1-0.185X2-0.413X3-0.260X4-0.050X5+0.574X6+0.310X7.

X6为决定因子，代表MDA含量，可概括为MDA含量。

第3主成分：

CI3=-0.137X1+0.269X2-0.185X3-0.067X4+0.870X5-0.048X6+0.332X7.

在第3主成分表达式中，X5的系数最大，代表可溶性糖含量，其次是X7的系数较大，代表叶绿素含量，在第3主成分中，可大致概括为可溶性糖含量和叶绿素含量。

由3个函数可以看出，SOD活性、POD活性、脯氨酸含量、可溶性糖、MDA含量、叶绿素含量这6项指标均可作为哈密瓜苗期抗旱性的鉴定指标。在3个主成分表达式中，没直接表明甜菜碱和哈密瓜苗期的抗旱能力的相关性，而且其它生理指标的含量和甜菜碱的含量不存在极显著相关性，故甜菜碱能否作为哈密瓜苗期抗旱性的鉴定性指标，有待于进一步的研究。表2

表2 各项指标相关系数矩阵

Table 2 Corrrelation coefficient matrix of every single index

指标IndexX1X2X3X4X5X6X7X11X20 04351X30 50020 10031X40 15810 21110 12561X50 15820 17680 06020 03961X60 96730 15250 44660 35130 07751X70 16540 26800 27060 49250 06760 22281

注：相关系数临界值，a=0.05时，r=0.664 4；a=0.01时，r=0.797 7

Note:The correlation coefficient threshold,a=0.05,r=0.6 644;a=0.01,r=0.797 7

2.3 综合评价

2.3.1 隶属函数和权重

根据公式计算出隶属函数值同时并根据公式和贡献率计算出权重，可以看出，第一主成分的三个影响因子(SOD、POD、脯氨酸)的贡献率达36.369%，第二主成分的主要影响因子(MDA)的贡献率为20.994%，第三主成分的主要影响因子(可溶性糖、叶绿素)的贡献率为15.916%。对于CI1而言，芙蓉的μ1值最大(0.631)，说明芙蓉在这一指标上最抗旱；而西州密25号的μ1值最小(0.133)，表明西州密25号在CI1这一指标上的抗旱性最弱。表3,表4

μ(X1)、μ(X2)、μ(X3)的权重分别是0.501、0.286、0.217。表4

表3 各综合指标的系数及贡献率

Table 3 Confficient and contribution rate of different comprechensive indexs

主成分Principalcomponent(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)(X6)(X7)贡献率ContributionrateCI10 3220 443-0 2680 5640 1070 183-0 51636 369CI20 549-0 185-0 413-0 260-0 0500 5740 31020 994CI3-0 1370 269-0 185-0 0670 870-0 0480 33215 916

2.3.2 综合评价

D值的大小反应了哈密瓜幼苗的抗旱性的强弱，D值越大说明其抗旱性越强。根据公式计算D值，大小依次为，西州密24号(0.920)，西州密17号(0.881)、香梨黄(0.825)、醉仙(0.819)、热瓜旦(0.785)、芙蓉(0.771)、伽师瓜(0.749)、西州密25号(0.693)、红心脆(0.649)，不难看出西州密24号的抗旱性>西州密17号>香梨黄>醉仙>热瓜旦>芙蓉>伽师瓜>西州密5号>红心脆。表4

表4 9个品种的权重、μ(Xj)值、D值以及综合评价

Table 4 Proportion, μ(Xj)value and comprehensice baluation of 9 varieties

品种Varietyμ(X1)μ(X2)μ(X3)D值Dvalue综合评价Complexevaluation伽师瓜Jiashigua0 2450 7700 6370 7497西州密17号XizhoumiNO 170 3240 6960 8160 8812西州密24号XizhoumiNO 240 5510 5080 8110 9201西州密25号XizhoumiNO 250 1330 7890 6280 6938香梨黄Xianglihuang0 1990 2351 0330 8253芙蓉Furong0 6310 3250 5680 7716醉仙Zuixian0 3310 8540 6420 8194热瓜旦Reguadan0 4200 1950 8150 7855红心脆Hongxincui0 2860 2350 6890 6499权重Signidicant0 5010 2860 217

3 讨 论

抗旱性是植物对旱害的一种适应，通过生理生化的适应来减少干旱对植物所产生的危害。植物在干旱胁迫条件下，形态结构特征及生理生化特征会发生变化，如在干旱时叶片会卷成筒状，脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖等渗透调节物质会发生一系列的变化来适应外界的环境条件。此外植物在长期的进化过程中也会形成一系列的抗氧化酶来对抗与清除活性氧[14]。随着国内外学者对作物的抗旱性及主成分分析的研究，已筛选出许多与作物抗旱性有关的生理、生化指标，其中比较可靠的生化指标有渗透调节物质(无机离子、游离脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖)、叶绿素以及与细胞膜透性有关的酶类，如过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶的活性等。鉴于国内外学者的研究，试验选取了渗透调节物质(游离脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖)、POD活性、SOD活性、丙二醛、叶绿素这7项指标。由于吐鲁番地区蒸发量大、年降水量少、温度高等气候特点，试验又采用了盆栽控水技术，为了减少土壤板结带来的一系列问题，故在播种的土壤中加了少量基质并采取了喷灌方式。

作物的抗旱性不仅受多基因控制和环境的影响，而且各性状之间又相互联系、相互制约。如果直接用各项生理指标和抗旱系数对抗旱性进行评价，则显得不够科学。因此试验采用了主成分分析的方法，因为主成分分析法可以在不损失或很少损失原有信息的前提下，将多个彼此相关的指标通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。

4 结 论

在正常浇水和干旱胁迫条件下，SOD活性、POD活性、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、MDA含量、叶绿素含量均可作为哈密瓜苗期抗旱性的鉴定指标。甜菜碱也是细胞渗透调节物质，是一类季铵化合物，植物在干旱条件下会发生甜菜碱的积累，但是通过主成分分析，甜菜碱的贡献率极小，因此甜菜碱含量能否作为哈密瓜苗期抗旱的相关指标还有待于进一步的研究。

西州密24号的抗旱性>西州密17号>香梨黄>醉仙>热瓜旦>芙蓉>伽师瓜>西州密5号>红心脆，这与户金鸽等[15]的研究结果大体相同。但是在试验过程中观察发现，最先出现叶片萎蔫的是香梨黄，而通过主成分分析表明，香梨黄的抗旱性仅次于西州密24号和西州密17号，经验与试验结果不符。

研究了9份哈密瓜苗期的7项生理生化指标之间的关系，同时还对9份哈密瓜品种的叶片进行了石蜡切片分析[15]，两种分析方法的结果不完全相同，而且经验与试验结果也不完全不符，因此关于哈密瓜抗旱能力还尚待进一步研究。

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Fund project:Supported by the Special Fund of the National Watermelon and Muskmelon Industry System(nycytx-36)

Analysis on Principal Component of Relative Indices under Drought Resistance during the Seedling Stage of Hami Melon

HU Jin-ge1，LIAO Liang2，YANG Jun1，YANG Ying1，SUN Yu-ping1，LIAO Xin-fu1

(1.ResearchInstituteofGrapesandMelonsofXinjiangUygurAutonomousRegion,ShanshanXinjiang838200,China；2.CollegeofFoodandPharmaceuticalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

【Objective】 In order to provide a theoretical basis for Hami melon breeding, this project aims to explore the relevant indicators and conduct principal component analysis during seedling stage under drought conditions.【Method】Nine Hami melon cultivars with different drought resistance were used to determine the contents of free proline, chlorophyll, betaine, malondialdehyde (MDA) and the changes of protective enzyme connected with drought resistance by stress at the seedling stage.【Result】Results showed that water stress of seedlings stage increased the contents of free proline，betaine，malondialdehyde(MDA)and soluble sugar, raised the activity of SOD and POD, and reduced the content of chlorophyll, but every variety had different coping mechanisms.【Conclusion】The contents of free proline, betaine, malondialdehyde (MDA) and the changes of protective enzyme under water stress can all be used as ghe indicators of drought-resistance identification at the seedling s stage of Hami melon. No.24 is the strongest and Hongxincui is the weakest in drought resistance by the means of principal component analysis.

Hami melon; drought-resistance; principal component analysis

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.01.015

2015-07-29

国家西甜瓜产业技术体系专项资金(nycytx-36)

户金鸽(1982-)，女，新疆人，助理研究员，硕士研究生，研究方向为西、甜瓜育种，(E-mail)hujinge2007@sina.com

廖新福(1960-)，男，新疆人，研究员，研究方向为西、甜瓜育种，(E-mail)lxf3838@163.com

S652

A

1001-4330(2016)01-0114-06