基于主成分分析的5份香蕉种质抗旱性评价

2017-12-01贵美

种子 2017年6期

关键词：金粉抗旱性抗旱

，，，，，，，，贵美

(1.广西农业科学院生物技术研究所，广西南宁 530007； 2.广西植物组培苗有限公司，广西南宁 530007)

基于主成分分析的5份香蕉种质抗旱性评价

何海旺1，武鹏1，林茜1，龙芳1，赵明1，邹瑜1，李贤高2，王趣友2，林贵美2

(1.广西农业科学院生物技术研究所，广西南宁 530007； 2.广西植物组培苗有限公司，广西南宁 530007)

通过向营养液中添加PEG-6000，研究在不同程度干旱胁迫下5份香蕉种质的生理变化，并利用这些生理指标进行抗旱性综合评价。结果表明，香蕉在干旱胁迫下，可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、电导率、丙二醛含量、POD活性和SOD活性6项生理指标均发生不同程度的变化，随着干旱胁迫程度的加重，这些指标均有上升的趋势。通过主成分分析，可以将6个单项指标转化为3个综合指标对5份香蕉种质的抗旱性进行综合评价，其抗旱能力大小顺序依次为：金粉1号gt;广东粉蕉gt;粉杂gt;HAgt;桂蕉6号。本实验筛选出金粉1号和广东粉蕉2个较为抗旱的ABB基因型种质，评价结果将为今后广西的香蕉抗旱育种以及确定香蕉品种的适合种植范围提供理论依据。

香蕉；抗旱性；生理指标；主成分分析

香蕉(Musaspp.)属芭蕉科(Musaceae)芭蕉属(Musa)作物[1]，其植株高大多汁，其中假茎的含水量可高达90%以上[2]，加上叶面积大，根系浅，生长迅速，因此整个生育期需水量都较大[3]。据报道，香蕉正常生长需要较理想的年降雨量为1 800～2 500 mm，平均每月150 mm左右[4]。广西地处华南低纬度地区，雨量较为丰沛，平均年降雨量为1 500～2 000 mm，但雨量的时空分布极不均匀，在广西香蕉主产区的武鸣县，12月和次年的1月份降雨量不到全年的3%[5]，极容易出现冬春旱现象，造成香蕉产量、品质下降，并且增加种植户成本。因此，鉴定、选育和推广抗旱的香蕉品种对广西香蕉生产的稳产、高产、优质以及降本增收具有重要的意义。

种质的精准鉴定是香蕉抗旱新品种选育的关键。由于植物的抗旱性是由多种因素共同作用的结果，因此植物的形态结构、生理生化等多个指标均可作为抗旱性鉴定的依据。陈豫梅等认为，香蕉叶片表皮气孔长度等形态结构与抗旱性呈现明显的相关性[6]。陈晓雪[7]利用干旱胁迫下的土壤含水量、可溶性蛋白等8项指标成功地对3个不同基因型的香蕉种质进行了评价。王蕊[8]利用可溶性糖、SOD活性等24项指标也对不同基因型的香蕉种质的抗旱性进行了评价，筛选出较为抗旱的粉蕉种质。本研究在前人研究的基础上，筛选了6个有代表性的生理指标对广西栽培的5份香蕉种质的抗旱性进行综合评价，以期筛选出较为抗旱的种质，为今后的抗旱育种提供基础，并为确定这些香蕉品种的适合种植范围提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的5份香蕉种质分别为：金粉1号(ABB)、广东粉蕉(ABB)、粉杂(ABB)、桂蕉6号(AAA)及HA(AAB)。所有种质经过组培生根后，于8月份移栽至营养杯中，基质为经杀菌消毒的黄壤。育苗棚为塑料大棚，不盖遮阳网。从移栽到2叶期内，保证空气湿度为95%以上，2叶期后经常浇水保证基质湿润。抽生新叶后，用0.1%～0.5%的复合肥(15-15-15)水溶液进行叶面喷施，每隔7 d施1次。移栽60 d左右，叶龄长至7叶1心期时进行试验处理。

1.2 干旱胁迫处理

采用水培模拟干旱法：香蕉幼苗洗净根系，放入1/2 Hoagland营养液中进行水培，3 d后更换营养液，并向营养液中添加不同量的PEG-6000进行模拟干旱胁迫处理。干旱胁迫分为轻度、中度及重度3个不同程度的处理，各处理PEG-6000浓度分别为5%、10%及20%，以不添加PEG-6000的处理为对照。每个处理10株，3次重复。

1.3 生理指标的测定

干旱胁迫处理1 d后，取展开的倒数第2张叶片进行生理指标的测定。

采用考马期亮蓝法[9]测定可溶性蛋白含量。

采用脯氨酸(PRO)测定试剂盒(南京建成生物工程研究所，货号：A 107)测定样品的脯氨酸含量。

采用电导仪法[9]测定电导率。相对电导率(%)=煮后电导率/煮前电导率×100%。

采用丙二醛(MDA)测定试剂盒(南京建成生物工程研究所，货号：A 003-1)测定样品的丙二醛含量。

采用过氧化物酶(POD)测定试剂盒(南京建成生物工程研究所，货号：A 084-3)测定样品的过氧化物酶活性。

采用超氧化物歧化酶(SOD)测定试剂盒(南京建成生物工程研究所，货号：A 001-1)测定样品的超氧化物歧化酶活性。

1.4 数据分析

收集的数据采用Excel 2007和SPSS 13.0软件进行分析。

公式(1)：各生理指标的相对变化量DC=干旱胁迫下的指标值/正常供水下的指标值；

公式(2)：数据标准化ZXij=(xij-μj)/σj；

式中，ZXij为第i个处理的第j个指标进行标准化后的值；xij为第i个处理的第j个指标的测定值；μj为第j个指标的平均值；σj为第j个指标的标准差；aij为第i个主成份第j个指标在线性组合中的系数；Lij为第j个指标在第i个主成分的载荷值；λi为第i个主成分的特征值；ωj为第j个指标的权重；Pi为第i个主成分的方差贡献率；m为主成份个数。

主成分分析的主要过程：

1) 利用公式(1)计算各生理指标的相对变化量；

2) 利用公式(2)对各指标相对变化量进行数据标准化；

3) 利用SPSS软件对标准化后的数据进行主成分分析；

4) 利用公式(3)计算各指标在每个主成分中的线性组合系数，再用公式(4)计算得到各指标的权重；

5) 根据各指标的权重建立香蕉抗旱综合评价函数模式，并计算综合得分对香蕉种质的抗旱性进行评价。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对香蕉叶片渗透物质的影响

由图1可知，各种质的可溶性蛋白含量在干旱胁迫后均显著增加，在重度胁迫时达到最大值。其中，增加幅度最大的是金粉1号，其重度胁迫的含量比对照增加1.64倍，其次为广东粉蕉(增加1.61倍)，增幅最小的是桂蕉6号(增加0.55倍)和HA(增加0.65倍)2个种质。脯氨酸含量在干旱胁迫后表现各异，轻度胁迫时，金粉1号略微降低，而广东粉蕉则显著降低，其余种质均显著升高；在中度胁迫时，所有种质均比对照升高；在重度胁迫时，所有种质的脯氨酸含量均达到最大值，与对照均达极显著差异。

2.2 干旱胁迫对香蕉叶片细胞质膜的影响

相对电导率和MDA含量反映细胞膜的通透度及膜脂的过氧化程度，在干旱胁迫后，香蕉种质的这2项指标发生不同程度的变化。从图1可以看出，在中度和重度胁迫时，广东粉蕉、桂蕉6号和HA等3个种质的相对电导率比对照明显增加，说明这3个种质的叶片细胞膜通透度在干旱胁迫下显著增加，而金粉1号的相对电导率在3个处理下均没有明显的增加，说明金粉1号在干旱胁迫时能够保持细胞膜的通透度不受影响，从而维持细胞的稳定。干旱胁迫后，5份香蕉种质的MDA含量均显著增加，说明它们在受到胁迫后，叶片的细胞膜脂系统开始产生膜脂过氧化反应，从而产生大量的MDA。桂蕉6号的MDA含量峰值出现在轻度胁迫时，说明桂蕉6号在轻度干旱胁迫时便发生了严重的膜脂过氧化作用，可能是其不耐旱的原因之一。

2.3 干旱胁迫对香蕉叶片保护酶的影响

POD和SOD是细胞内重要的保护酶，在逆境胁迫时，能够保护膜系统免受氧自由基的为害。从图1可以看出，POD活性在受到干旱胁迫时总体呈上升趋势，其中金粉1号和广东粉蕉的增幅最大，增加了1.8倍以上，说明这2个种质在受到干旱胁迫时，POD酶迅速积累，从而保护细胞膜系统。SOD活性在香蕉受到干旱胁迫时的变化则不如POD变化明显，在干旱胁迫后，略有降低或者与对照差异不显著。

2.4 基于主成分分析的抗旱性综合评价

利用公式(1)计算得到各生理指标的相对变化量(表1)，以此为基础进行主成分分析，从表2可以看出，6个单独生理指标可以转化为3个综合指标，其方差贡献率分别为40.02%、23.53%和18.04%，累积方差贡献率达81.59%，说明这3个主成分代表原来的6个单独指标的绝大部分信息，可用于香蕉抗旱性综合评价。

图1 不同程度的干旱胁迫对香蕉种质生理指标的影响

表1 干旱胁迫后各项生理指标的相对变化率

可溶性蛋白脯氨酸电导率MDAPODSOD轻度胁迫金粉1号1．870．891．231．542．830．96广东粉蕉1．840．551．193．762．870．87粉杂1．543．20．584．281．321．04桂蕉6号1．110．651．485．361．170．96HA1．731．51．093．962．220．85中度胁迫金粉1号2．021．021．271．383．130．79广东粉蕉2．052．141．623．113．090．88粉杂1．632．11．085．022．171．02桂蕉6号1．061．112．783．381．141．01HA1．081．11．334．611．370．88重度胁迫金粉1号2．651．61．32．513．081．06广东粉蕉2．623．232．053．823．180．92粉杂23．771．54．372．340．9桂蕉6号1．5623．73．961．821．05HA1．661．81．457．212．350．99平均值1．761．781．583．882．270．95标准偏差值0．480．980．761．460．760．08

对提取的3个综合指标进行计算，得出各个种质的抗旱性综合得分。从表3可以看出，在轻度胁迫时，金粉1号的得分为0.48，明显高于其他种质，说明其在轻度干旱胁迫时能表现出比其他种质更强的抗旱性；中度和重度胁迫时，均以广东粉蕉的得分最高，分别为0.75和1.45，其次为金粉1号(分别为0.68和1.27)，两者相差不大，表明这2个粉蕉种质在中度和重度胁迫时具有较强的抗旱性。而其他3个种质，在不同程度的干旱胁迫下得分均较低，说明他们的抗旱能力较低。从综合得分可以得出，金粉1号的综合抗旱能力最强(0.81)，其次为广东粉蕉(0.73)，桂蕉6号的抗旱能力最弱，综合得分仅为-0.72。

表2 解释的总方差

成分初始特征值提取因子的载荷平方和特征根方差贡献率累计方差贡献率特征根方差贡献率累计方差贡献率12．4040．0240．022．4040．0240．0221．4123．5163．531．4123．5163．5331．0818．0481．571．0818．0481．5840．6110．2391．8150．457．5199．3260．040．68100

表3 香蕉抗旱性综合评价

种质名称轻度胁迫中度胁迫重度胁迫综合得分排序得分排序得分排序得分排序金粉1号0．4810．6821．2720．811 广东粉蕉-0．0120．7511．4510．732 粉杂-0．514-0．3230．493-0．113 桂蕉6号-1．475-0．8440．134-0．725 HA-0．263-1．275-0．575-0．74

3 讨论与结论

叶片离根系较远，是植物蒸腾作用及光合作用的重要场所，需水量大，因此，一旦植物受到干旱的胁迫，叶片的各项生理指标将最先受到影响。干旱胁迫产生时，植物细胞内积累各种渗透调节物质，以保持其体内的水分来维持细胞的正常功能，朱志华等通过研究抗旱性不同的小麦根系对水分胁迫的反应认为，叶片的渗透调节能力跟小麦的抗旱性密切相关，可以做为衡量植物抗旱性的常用参数[10]。研究表明，在干旱胁迫下，植物叶片细胞的膜系统在氧自由基的作用下产生过氧化作用，导致膜的通透性变大、电解质外渗以及积累丙二醛等有毒物质，最终导致细胞死亡[11]。而POD及SOD作为植物细胞中重要的保护酶系统，能够迅速分解多余的氧自由基，维持膜脂系统的稳定，与植物的抗旱能力关系密切[12-15]。因此，本研究选择分别代表渗透物质、细胞质膜变化及保护酶系统的可溶性蛋白含量、脯氨酸、相对电导率、丙二醛含量、POD及SOD活性等6项重要指标对香蕉种质的抗旱性进行综合评价。

有研究表明，香蕉的抗旱能力跟基因型有极大关系，其抗旱相关的基因可能存在于B基因组中，含有B基因组的种质具有较强的抗旱性，如粉沙蕉(ABB)gt;中山龙牙蕉(AAB)gt;威廉斯(AAA)[16]。王蕊研究认为，粉蕉(ABB)的抗旱性比黄帝蕉(AA)和巴西蕉(AAA)强[8]。本试验通过主成分分析法对5份香蕉种质的抗旱性进行了综合评价，也认为基因组为ABB型的粉蕉品种金粉1号、广粉1号及粉杂的抗旱性较桂蕉6号(AAA)强，特别是前两者比较明显，但基因组为AAB型的HA的抗旱性评价却比桂蕉6号略低，原因有待进一步研究。在育苗及试验过程中，发现粉杂、桂蕉6号和HA等3个种质在缺水时，叶片容易出现萎蔫甚至干枯的情况，说明以生理指标为基础的抗旱性评价较为客观。在2个抗旱能力较强的粉蕉品种中，不同程度的干旱胁迫时，金粉1号表现出极强的抗旱性，而广东粉蕉在轻度胁迫时则明显低于前者，但在中度及重度胁迫时能够表现比金粉1号稍强的抗旱能力，因此推测金粉1号可能比广东粉蕉更能适应水分的变化，从而表现出其在不同环境下的稳产性。据本课题组对金粉1号根系的调查，在离植株1 m的范围内，在旱坡地大于5 mm的粗根数量比水田多，并且其根系的干物质含量也比水田高，发达的根系为金粉1号的强抗旱性打下基础。多年的生产实践也证明，金粉1号在云南海拔800 m左右的旱坡地，在缺少人工灌溉的情况下，也能获得较正常的产量，与本实验的评价结果相吻合。

本试验通过对5份香蕉种质进行综合评价，从中筛选出金粉1号及广东粉蕉2个较抗旱的种质，它们的抗旱能力比目前全国的香蕉主栽品种桂蕉6号强。试验结果同时也为这些种质的适种地点的选择提供了理论依据。但本试验仅对这些种质的苗期的抗旱能力大小进行相互比较，它们在不同生育期的抗旱性表现以及具体抗干旱的程度等问题，仍需进一步的试验进行验证。

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