薄皮甜瓜种质资源苗期耐低温弱光鉴定及形态指标选择

高青海，王亚坤，郭远远（安徽科技学院生命科学学院，安徽蚌埠233100）

薄皮甜瓜种质资源苗期耐低温弱光鉴定及形态指标选择

高青海，王亚坤，郭远远
（安徽科技学院生命科学学院，安徽蚌埠233100）

对20份薄皮甜瓜种质材料在幼苗期进行低温弱光处理，测定薄皮甜瓜幼苗的株高、茎粗、地上部鲜质量、根系鲜质量、地上部干质量、根系干质量、叶片数、根长、根表面积、根体积、根尖数、根投影面积等12个形态指标，通过相关性分析、主成分分析和聚类分析对20份甜瓜种质材料进行耐低温弱光评价和耐胁迫指标的筛选。相关性分析结果表明，12个甜瓜形态指标之间均呈正相关性，其中，根长与根系干质量之间相关性不显著。通过聚类分析筛选出7个耐低温弱光胁迫强的品种和1个不耐低温弱光品种，并通过逐步回归分析建立甜瓜幼苗期耐性方程，其中，薄皮甜瓜相对根系鲜质量、相对根长、相对叶片数、相对根表面积和相对根投影面积对低温弱光胁迫响应敏感，可以作为鉴定甜瓜耐低温弱光指标。

薄皮甜瓜；低温弱光；聚类分析；主成分分析

薄皮甜瓜（Cucumis melo L.），又名香瓜、脆瓜，属于葫芦科甜瓜属，一年生蔓性草本植物，原产于印度和我国温暖湿润地区［1］，是我国栽培面积较大的水果型蔬菜之一。早春的低温弱光环境是目前作物设施生产的主要障碍之一，提高作物耐低温弱光能力已成为当前农业研究亟待解决的重要课题［2-3］。近年来，前人已在黄瓜［4］、番茄［5］、苦瓜［6］、苜蓿［7］等植物耐低温弱光机理方面做了大量工作，并从不同角度提出耐低温弱光的综合鉴定方法和指标。筛选耐低温弱光品种是解决薄皮甜瓜早春设施栽培的重要措施之一，而准确地鉴定作物品种耐低温弱光特性，是筛选耐低温弱光品种的必要前提。耐低温弱光鉴定是根据作物品种对低温弱光响应进行筛选、评价和归类的过程，既要有合适的鉴定方法，也要有建立在合适方法基础上的量化指标。目前，对甜瓜耐低温弱光性评价多采用生理指标［8-9］，而形态指标则可直接反映出作物对逆境胁迫的响应［10-11］。为此，本研究以20份薄皮甜瓜为材料，在人工气候室内进行低温弱光处理，采用主成分分析、相关性分析、聚类分析、回归分析等数量分析方法进行形态指标的综合性评价，研究不同基因型薄皮甜瓜在苗期的耐低温弱光胁迫能力，并建立较为可靠的形态评价体系，旨在为甜瓜种质资源的耐低温弱光胁迫鉴定和筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

表1 供试薄皮甜瓜品种及产地Table 1 Varieties and locations of the melons

所用20份薄皮甜瓜材料由安徽科技学院园艺实验室提供，各品种名称及产地如表1。

1.2 试验设计

试验于2014年2—10月在安徽科技学院生命科学学院园艺实习基地进行。选取饱满、整齐一致的甜瓜种子，于28℃条件下催芽，选取均匀一致的露白种子，播种于体积比为2∶1的草炭和珍珠岩混合基质中，在32孔穴盘中进行育苗，置于日光温室自然光照下培养。待甜瓜幼苗长到3 叶1心时，选择长势整齐一致的甜瓜幼苗，置于温度为15℃/7℃（12 h/12 h），光照强度为（100±5）μmol·m-2·s-1，相对湿度为（75±5）%的人工气候室中，进行低温弱光复合逆境胁迫处理，对照温度设置为28℃/18℃（12 h/12 h），光照强度为400 μmol·m-2·s-1，相对湿度为75%± 5%，处理15 d后随机取甜瓜幼苗进行相关指标的测定，每个处理取10株，试验重复3次。

1.3 试验方法

在低温弱光处理15 d后，分别取全株植株样品，首先用自来水清洗干净植株根部泥土，把水吸干，注意尽量避免毛根损失，每个处理随机取10株标记。

（1）株高测定：以直尺测定植株根颈部到生长点的距离。（2）茎粗测定：用游标卡尺测量紧贴基质表面处的茎部。（3）叶片数测定：记录完全展开的真叶数。（4）地上部和根系鲜质量测定：用百分之一天平称量甜瓜植株地上部和根系的重量。（5）地上部和根系干质量测定：将称量完鲜质量的甜瓜植株地上部和根系在105℃下杀青1 h，再在80℃恒温下烘干至恒重，最后用万分之一天平进行称量。（6）根系形态指标：采用WinRHIZO根系分析系统进行测定。

1.4 数据处理

相对值为该指标的低温弱光胁迫下数值与对照条件下数值之比。统计前先求相对值，采用Excel 2003和SPSS 16.0软件对指标进行相关性分析、主成分分析、聚类分析和逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 甜瓜苗期形态指标相对值

统计对照和低温弱光胁迫下甜瓜的形态指标，并计算相对值（表2）。可以看出，苗期形态指标的相对值均小于1，且差异较大，表明低温弱光胁迫使植株生长速度减缓，不同品种间的同一相对指标值差异较大，其中14号相对株高、相对茎粗、相对地上部鲜质量、相对叶片数、相对根长和相对根体积最大，分别为0.49、0.65、0.49、 0.75、0.50和0.48；9号相对根系鲜质量和相对根投影面积最大，分别为0.31和0.37；14号和16号相对地上部干质量最大，为0.21；18号相对根系干质量、根表面积和根尖数最大，分别为0.24、0.56和0.52。而1号相对株高、相对地上部鲜质量、相对根系鲜质量、相对地上部干质量、相对叶片数、相对根长、相对根表面积、相对根体积、相对根尖数和相对根投影面积最小，分别为0.16、0.14、0.06、0.08、0.41、0.13、0.13、0.09、0.12和0.11；2号相对茎粗最小，为0.34；1号和3号相对根系干质量最小，为0.11。由此说明，不同品种对低温弱光胁迫的适应程度不同。

2.2 甜瓜相对生长指标的相关性分析

对20份薄皮甜瓜材料低温弱光胁迫后12个相对指标进行相关性分析。结果表明，相对根长与相对根系干质量之间不存在显著相关关系，其余指标之间均呈显著或极显著正相关性（表3）。

表2 甜瓜苗期形态指标的相对值Table 2 Relative values of morphological indexes of melon at seedling stage

表3 变量间的相关系数Table 3 Correlation coefficients matrix among variables

表3中有48个相关系数达到0.700以上，故需要通过主成分分析进行变量的分离，以便从总体上研究低温弱光对甜瓜幼苗生长的影响。

2.3 甜瓜幼苗期耐低温弱光胁迫主成分分析

主成分分析法就是研究如何用少数几个综合指标或因素来代表众多指标或因素，综合后的新指标称为原来指标的主成分，彼此相互独立，又能综合反映原来多个指标（多因素）的大部分信息［12］。通过对测定的12个指标相对值标准化后进行主成分分析，得到特征向量和累计贡献率见表4，由表可知，分离出的相互独立的前3个主成分的累计贡献率达89.474%，大于85%，表明这3个综合指标代表了原来12个单项指标89.474%的信息，为简便运算及形象表示，用上述3个指标PC1、PC2和PC3替代原来的12个单项指标对变异进行描述。其中PC1中根系鲜质量、PC2中根长、PC3中地上部干质量特征向量最大，分别为0.945、0.741和0.444，说明3个主成分主要与根系鲜质量、根长和地上部干质量相关。

2.4 耐低温弱光胁迫的综合评价

由各指标的指标系数和各单项指标的相对值求出每一品种的综合指标值CI（表5）。

每一品种各综合指标的隶属函数值用公式（l）求得：

式中：xj表示第j个综合指标；xmin表示第j个综合指标的最小值；xmax表示第j个综合指标的最大值。求出的所有品种的综合指标的隶属函数值见表5。

表4 各个主成分的特征向量及贡献率Table 4 Eigenvectors and contribution rate of principal components

根据综合指标的贡献率大小用公式（2）求得综合指标的权重。

式中：ωj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度；pj为主成分分析中第j个综合指标的贡献率。经计算，3个综合指标的权重分别是0.879、0.069和0.052。

用公式（3）计算各品种的综合耐低温弱光胁迫能力大小。

表5 幼苗期各薄皮甜瓜品种的综合指标（CI）、隶属函数值（μ）、权重（ωj）、综合评价值（D）和预测值（VP）Table 5 Comprehensive index（CI），subordinate function value（μ），weight（ωj），comprehensive evaluation value（D）and prediction value（VP）of each melon material at seedling stage

式中，D为各品种在低温弱光胁迫下用综合指标评价所得的耐低温弱光胁迫综合评价值。根据D值大小，可对薄皮甜瓜各品种耐低温弱光胁迫强弱进行排序，其中美国天娇D值最大，表示该品种耐胁迫能力最强，冰美人D值最小，耐低温胁迫能力最弱（表5）。

根据D值采用最小距离法进行聚类分析，树形聚类分析图如图1，将20份薄皮甜瓜品种耐低温弱光胁迫能力分为3类，Ⅰ类包括7号、9号、10号、12号、14号、18号和20号，属于幼苗期耐复合逆境胁迫型；Ⅱ类包括1号，属于低温弱光敏感型；其他12种属于中等耐低温弱光胁迫型。

2.5 耐低温弱光指标的筛选

以耐低温弱光综合评价值（D值）为因变量，各单项指标的相对值为自变量，通过逐步回归分析建立最优回归方程：

图1 二十份薄皮甜瓜材料幼苗期耐低温弱光胁迫聚类图Fig.1 Dendrogram of low temperature and weak light resistance for 20 melon cultivars at seedling stage

式中：x4、x7、x8、x9和x12分别代表相对根系鲜质量、相对叶片数、相对根长、相对根表面积和相对根投影面积，方程决定系数R2=0.997，F= 84.89，方程极显著。由上述方程可知，在12个单项指标中，上述5个指标对幼苗期薄皮甜瓜耐低温弱光胁迫有显著影响，因此，在鉴定中可有选择性地测定上述指标，以简化工作。试验通过上述方程求出的20份幼苗期薄皮甜瓜材料的耐低温弱光胁迫预测值（VP）与综合评价值（D）之间的相关系数为0.998，呈极显著正相关，说明该方程对薄皮甜瓜在幼苗期的低温弱光耐受性的预测效果好且准确性较高。

3 讨论

低温弱光胁迫是制约设施农业生产和发展的主要影响因素之一。生理指标、分子指标及形态指标可用于评价植物对低温弱光的耐受性，并逐步建立起完善的鉴定体系［13］。根系是植物吸收、运输水分和矿质元素的重要器官，也参与相关代谢［14］。根系对低温胁迫较为敏感，土壤低温抑制根系的生长，影响根系的形态及其在土壤中的分布［15］。低温对冬小麦最直观的影响就是根系生长缓慢，根长、根体积的增加受到抑制［16］；低温显著抑制小麦的根系发育，根长、根体积、根系生物量、叶面积、地上部生物量、养分累积量均比常温处理显著降低［17］。前人在西瓜、黄瓜等作物上研究表明，相对胚根长可作为其苗期耐低温鉴定的指标［18-19］。本研究结果表明，薄皮甜瓜根系的生长对低温弱光比较敏感，不同的品种材料对低温弱光的反应也不同，通过聚类分析表明20份甜瓜品种幼苗期的耐低温弱光胁迫能力存在差异，其中苹果酥瓜、HN2014-1（海南1号）、HN2014-2（海南2号）、HN2014-5（海南5号）、美国天娇、过路白和金美7份品种耐低温弱光胁迫能力较强，冰美人耐低温弱光胁迫能力最弱，其他12份品种耐低温弱光胁迫能力中等；通过逐步回归分析建立了甜瓜幼苗期耐性方程，发现相对根系鲜质量、相对根长、相对根系表面积和相对根投影面积等指标能较好地反映出甜瓜对低温弱光的响应度，而且各指标之间呈极显著正相关性。

根系表面积是根系与环境介质直接接触的重要指标，是决定植物对水分和矿质元素吸收能力高低的重要因子，一般认为根系表面积越大，与土壤介质接触的机会越多，吸收能力越强［20-21］。本研究结果显示，薄皮甜瓜幼苗的根系表面积和根系投影面积与其耐低温弱光能力呈显著正相关，可以作为鉴定甜瓜幼苗耐低温弱光的形态指标。针对耐低温作物材料的筛选，不同研究者都提出各自的鉴定指标［22-24］。本试验通过对比、分析和剔除对耐性影响不大的部分指标后得出耐性综合评价值来进一步评价品种的耐性，结果表明，在甜瓜幼苗期鉴定中，以相对根系鲜质量、相对根长、相对叶片数、相对根表面积和相对根投影面积作为耐低温弱光胁迫鉴定综合指标最好。由于耐低温弱光胁迫的复杂性，试验筛选出的指标是否适用其他生育时期及全生育阶段的鉴定，仍需进一步的试验与研究。

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（责任编辑 张 韵）

Identification for tolerance to low temperature and weak light and selection for morphological indexes of melon at seedling stage

GAO Qing-hai，WANG Ya-kun，GUO Yuan-yuan
（College of Life Sciences，University of Science and Technology of Anhui，Bengbu 233100，China）

Twenty melon varieties treated under low temperature and weak light at their seedling stage were used to assess the low temperature and weak light tolerance and to select the indicators by the correlation analysis，principal component analysis and cluster analysis.A total of 12 indicators（plant height，stem diameter，shoot fresh weight，root fresh weight，shoot dry weight，root dry weight，leaf number，root length，root surface area，root volume，roottip number and root projected area）of melon at seedling stage were measured after low temperature and weak light stress.Correlation analysis and principal component analysis showed that there were positive correlation between 12 morphological indexes of melon，but the correlation between root length and root dry weight is not significant.Use the cluster analysis，7 varieties with resistance to low temperature and weak light stress and 1 sensitive variety were screened out.A tolerance equation of melon seedlings was established by stepwise regression analysis，in which relative root fresh weight，relative root length，relative leaf number，relative root surface area and relative root projected area could be used as identification indicators of melon resistance to low temperature and weak light.

melon；low temperature and weak light；cluster analysis；principal component analysis

S652.2

A

1004-1524（2016）08-1360-08

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.08.13

2015-10-29

安徽省教育厅自然科学重点研究项目（KJ2014A054）；安徽科技学院校级重点学科（AKZDXK2015C05）

高青海（1977—），男，博士，副教授，主要从事蔬菜高产栽培生理的研究。E-mail：gaoqh1977@163.com