基于主成分分析的谷子品种萌芽期抗旱性鉴定与分类

朱晓东赵术伟陈国秋

(辽宁省旱地农林研究所,辽宁 朝阳 122000)

长期以来谷子一直是旱地农业的重要作物,选择相对抗旱的品种成为农业生产和常规育种与现代生物技术研究的迫切需要[1]。水分胁迫是研究谷子抗旱性的主要手段之一,一般是指采用特定方法致使植物水分散失超过水分吸收,从而使组织含水量下降,引起一定程度的代谢失调。PEG是聚乙二醇,无毒、无刺激性,易溶于水,经常用作植物水分胁迫剂,1979年首次用PEG作为诱导剂筛选出抗旱的烟草细胞系[2];之后,高粱种子用PEG诱导,其愈伤组织为材料获得了耐旱性强的再生植株[4]。类似的研究国内也有一定进展,用多种途径获得抗PEG胁迫的苜蓿细胞系[5]。龚子端等得出的结论是: PEG是模拟干旱胁迫的最佳材料[6]。目前,国内外研究者利用PEG做胁迫剂在玉米、小麦、水稻、花生等植物上的研究较多[7～10],而在谷子抗旱性方面的研究较少,其抗旱性鉴定的标准也尚不明确[11]。本研究利用PEG-6000溶液进行模拟干旱胁迫,对15份谷子品种进行种子萌芽期抗旱性的初步鉴定,并加以分类,为今后本地区谷子抗旱品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

收集省内外的谷子品种15份,见表1。聚乙二醇PEG-6000,江苏南通宇辰化工有限公司生产,平均分子质量6 000～8 000,广东汕头市西陇化工厂生产,作为渗透剂模拟水分胁迫。

表1 供试谷子品种及来源

1.2 试验设计

试验时间于2020年3～4月,地点在辽宁省旱地农林研究所试验室内,所用仪器为RXZ-1000B型人工气候箱。选用15个谷子品种,每个品种筛选饱满的籽粒,浸泡在50 g/L的次氯酸钠溶液中消毒15 min,之后用纯净水清洗晾。从晾干的种子中每个品种选取30粒,尽量均匀地摆放在铺有2层滤纸的培养皿中,每个品种需摆放15个培养皿,分别加入浓度为120 g/L、160 g/L、200 g/L、240 g/L的PEG-6000溶液7 ml,纯净水为对照,即5个处理3次重复。培养皿用保鲜膜封口,放置在RXZ-1000B型人工气候箱内,气候箱白天温度为28 ℃,夜间25 ℃,光照/黑暗为12 h/12 h,湿度为60%,光照强度为10 000 lx,连续培养8 d。在第2、第4、第6、第8天调查发芽数, 第4天调查发芽势,第8天调查发芽率。

相对萌发抗旱指数X1(DGRI)=PEG胁迫下种子萌发指数(PIS)/对照种子萌发指数(PIC),式中PIS/PIC =(1.00)d2+(0.75)d4+(0.50)d6+(0.25)d8,其中,d2、d4、d6和d8分别为第2、第4、第6和第8天的萌发率[12]。

相对发芽势X2=胁迫下种子发芽势/对照种子发芽势。

相对发芽率X3=胁迫下种子发芽率/对照种子发芽率。第8天在每个培养皿中随机抽取10株调查根长和芽长,然后用烘干箱在85 ℃温度下烘干24 h,烘干后称量芽干重、根干重和剩余籽粒干重,根芽比=根干重/芽干重;计算贮藏物质转运率(%)=[苗干重(芽+根)/各部分总干重(芽+根+籽粒)]×100%[13]。

相对根长X4=胁迫下种子根长/对照种子根长。

X5=胁迫下种子芽长/对照种子芽长。

相对根干重X6=胁迫下种子根干重/对照种子根干重。

相对芽干重X7=胁迫下芽干重/对照种子芽干重。

相对根芽比X8=胁迫下根芽比/对照根芽比。相对贮藏物质转运率X9=胁迫下贮藏物质转运率/对照贮藏物质转运率。

1.3 数据处理与分析

用 Microsoft Excel 2010 进行数据整理,计算各处理性状的平均值和相对值,各指标相对值:各指标相对值=不同浓度处理的指标/对照处理的指标。用WPS 18.10进行相关性分析和主成分(PCA)分析[14～15], 并对15个品种的抗旱性进行综合评价。对各测量指标均采用干旱胁迫处理和对照处理的相对值,相对值比绝对值能更好地反映不同品种的抗旱性[16～17]。

2 结果与分析

2.1 不同谷子品种萌发期对干旱胁迫的响应

表2中数据看出,在240 g/L的PEG-6000浓度下,所有品种发芽率为0,说明在240 g/L的PEG浓度已经超出所有参试品种的耐旱能力。9个指标中,除了根芽比以外,其余8个指标值均随着干旱胁迫程度的加强而呈下降趋势。朝谷118(S10)和燕谷18(S12)在120 g/L浓度下相对抗旱指数最高为0.95,朝谷20在200 g/L下相对抗旱指数最低为0.04;在120 g/L浓度下,朝谷13(S2)、朝谷58(S7)、朝谷118(S10)、燕谷18(S12)、豫谷18(S14)等5个品种均比对照有较高的发芽率,说明适当的水分胁迫会促进部分谷子品种发芽,其余品种发芽受到不同程度抑制[18]。

表2 干旱胁迫条件下谷子萌发性状值

由于240g/L的PEG-6000溶液下所有品种发芽率为0,本组数据不再统计。对15个谷子品种在3个胁迫浓度(120 g/L、160 g/L、200 g/L)下的测定值均赋以相同权重(3种浓度下的3个相对值取平均数),结果如表3。所有参试品种3种胁迫浓度X1～X7的平均值都小于1,说明在120～200 g/L浓度下,相对萌发抗旱指数、相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对芽长、相对根干重、相对芽干重都受到抑制,其中朝谷118(S10)相对芽率最高,为0.87。15个参试品种中,相对根芽比有10个品种大于1,说明水分胁迫下在一定程度上对芽的抑制作用高于对根的抑制作用。贮藏物质转运率可以较好地反映品种对种子中贮藏物质的利用速率和相对效率,还可以反映体内能量供应水平[19]。燕谷18(S12)的相对贮藏物质转运率最高,为1.06,对干旱胁迫不敏感,金苗K1(S13)的相对干物质转运率最低, 为0.57, 对干旱胁迫较敏感。在干旱胁迫下,萌发抗旱指数能较客观地鉴定和评价品种对干旱胁迫的各种反应[20]。燕谷18(S12)相对萌发抗旱指数最高,为0.71,而朝谷20(S5)的相对萌发抗旱指数最低,为0.34。

表3 干旱胁迫条件下谷子各萌发性状权重后的值

2.2 不同谷子品种萌发期各性状的相关性分析

利用双变量Pearson简单相关系数法对干旱胁迫下萌发期9个指标性状的相对值进行相关性分析(表4)[15],多数性状之间呈现正相关,部分性状相关性达到了显著或极显著水平。相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对根干重以及相对贮藏物质转运率与相对萌发抗旱指数相关系数较大, 分别达到 0.825**、0.787**、0.623*、0.613*和0.753**,该结果与刘桂红等人的研究结果相类似[16]。相对根芽比与相对萌发抗旱指数呈负相关,这与秦岭等人的研究结果相似[18]。相对根长、相对芽干重和相对干物质转运率极显著正相关, 相关系数分别为0.530*、0.660**,这与王艺陶等人在高粱上的研究结果相似[15]。本研究的结果,相对发芽势和相对贮藏物质转运率极显著正相关,相关系为0.865**。

表4 干旱胁迫下谷子各萌发性状的相关系数

2.3 不同谷子品种萌发期抗旱性主成分分析

主成分分析是通过降维的方式,描述隐藏在一组被测变量中无法直接测量到的隐性变量,是综合处理多因素问题的有效方法[15]。本试验中,不同水分胁迫强度下测得的各个性状值经加权平均后进行主成分分析,结果如表5。

表5 3个主成分特征值及累计贡献率

前3个主成分的累计贡献率达到85.688%,可代表变量的绝大多数信息。继续分析,得到前3个主成分的规格化特征向量,如表6。依表6得到因子得分公式:

表6 各成分规格化特征向量

一般情况下,综合的主成分个数越多,综合指标的方差越小,分辨率也就越小,也就是说多个主成分加权综合反而降低评价指标的区分程度,所以只有第1主成分才具有综合评价能力[16]。且公式(1)中-0.031X8需将负值进行正向化处理,

本试验将表3数据代入公式(4),得到各个品种Y值(表7),Y值越大,品种的抗旱性越强。参试谷子品种萌发期抗旱性为S12＞S10＞S3＞S11＞S7＞S9＞S2＞S4＞S6＞S14＞S1＞S15＞S8＞S13＞S5。

表7 各谷子品种主成分Y值及抗旱性排序

2.4 不同谷子品种萌发期抗旱性聚类分析

将15个谷子品种在3个不同 PEG-6000溶液浓度下测得的9个性状的相对值数据标准化后, 进行聚类分析(图1),结果表明, 15个谷子品种可以分为3种类型, 且根据主成分分析结果判断, 3种类型从第 I类到第Ⅲ类基本遵循抗旱性由弱到强排列。第 I 类,S5、S8、S13、S15共4个品种,为一般抗旱型;第Ⅱ类,S1、S2、S3、S4、S6、S7、S9、S10、S11、S14共10个品种,为中等抗旱型;第Ⅲ类,S12为高度抗旱型[21]。

图1 干旱胁迫下15个谷子品种聚类图

3 讨论

通过简便、快速而准确的萌发期抗旱性鉴定分析方法,筛选出具有萌发期抗旱性的作物品种,具有重要理论意义和实践价值[15]。许多作物抗旱性研究表明,作物抗旱性受多种因素影响,以单一指标评价高粱萌发期的抗旱能力具有一定的片面性,而多指标评价又过于繁琐和低效,通过其中的几个主要因素进行分析则可达到快速、准确的目的[22～23]。本试验利用主成分和聚类分析的方法,对15个谷子品种萌发期抗旱性进行了鉴定与分类,接近其他研究结果。主成分分析中,一般将前几个主成分按方差贡献加权计算综合指标(Y值),这样会降低第一主成分的方差,第一主成分的信息量不但不会增加反而会降低,唐启义等在《DPS数据处理系统》第二卷第18章中有详细描述。所以本研究在计算过程中采用对原变量具有最大综合表达能力的第一主成分进行Y值计算,所得结果应该更接近实际,希望各位同行探讨研究。另外,PEG干旱胁迫与田间干旱环境毕竟存在一定差距,本试验结果如果有土壤含水量胁迫试验结果的验证,将更具有效性。

4 结论

谷子萌芽期干旱胁迫下相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对根干重以及相对贮藏物质转运率与相对萌发抗旱指数相关显著。通过主成分分析和聚类分析, 15个参试谷子品种根据其抗旱性可以分为3种类型,第 I 类,朝谷20(S5)、朝谷59(S8)、金毛23(S13)、济谷22(S15)共4个品种,为一般抗旱型;第Ⅱ类,朝谷12(S1)、朝谷13(S2)、朝谷15(S3)、朝谷19(S4)、朝谷54(S6)、朝谷58(S7)、朝谷62(S9)、朝谷118(S10)、朝谷1459(S11)、豫谷18(S14),共10个品种,为中等抗旱型;第Ⅲ类,燕谷18(S12)为高度抗旱型。