火龍果耐鹽生理生化指標(biāo)的主成分 分析及綜合評價

陳明賢　陳清西　莊衛(wèi)東　王威　姚文　謝倩

摘?要：以海白1號、白巨龍、赤龍、巨龍和紅仙蜜5個火龍果品種（系）扦插盆栽幼苗為試驗材料，對其在NaCl脅迫下莖稈的相對電導(dǎo)率和丙二醛（MDA）、可溶性糖和脯氨酸（Pro）含量，以及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性等生理生化指標(biāo)進(jìn)行測定，以各項指標(biāo)的耐鹽系數(shù)為衡量指標(biāo)，利用主成分分析對其耐鹽性進(jìn)行綜合評價。通過主成分分析法，提取了3個主成分，能解釋原始變量信息的97.34%，建立了不同火龍果品種耐鹽性的評價體系，對5個火龍果品種（系）的耐鹽性強(qiáng)弱進(jìn)行排序：赤龍> 海白1號> 巨龍>白巨龍>紅仙蜜。

關(guān)鍵詞：火龍果;耐鹽性;生理生化;主成分分析;綜合評價

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.07.001

Principal Component Analysis and Comprehensive Evaluation of Physiological and?Biochemical Indexes of Salt Tolerance of Pitaya

CHEN Mingxian1， CHEN Qingxi2， ZHUANG Weidong1， WANG Wei2， YAO Wen1， XIE Qian2

（1. Quanzhou Institute of Agricultural Sciences， Jinjiang， Fujian 362212， China;?2. College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： The cutting potted seedlings of 5 varieties （strains） of pitaya， namely Haibai No.1， Baijulong， Chilong， Julong and Hongxianmi were used as the experimental material， and the physiological and biochemical indexes including the relative conductivity of stalk under the NaCl stress， the content of malondialdehyde （MDA）， soluble sugar and proline （Pro）， and the activities of superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD） and catalase （CAT） were determined. With the salt tolerance coefficient of the indexes as the measure index， the salt tolerance was evaluated by using the method of principal component analysis. Three principal components were extracted by means of principal component analysis， which could explain 97.34% of the original variable information. Then， the salt tolerance evaluation system of different varieties （strains） of pitaya was established， and the salt tolerance of 5 varieties （strains） of pitaya was ranked： Chilong>Haibai No.1>Julong>Baijulong>Hongxianmi.

Key words： Pitaya; Salt tolerance; Physiological and biochemical; Principal component analysis; Comprehensive evaluation

火龍果是典型的熱帶水果，具有抗氧化、清除自由基、抗衰老的作用，有很高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟(jì)價值[1-2]。福建沿海地區(qū)氣候溫和，適宜火龍果生產(chǎn)，目前已引種多個品種[3-4]。但沿海土壤鹽堿含量偏高，不利于火龍果的生長，在一定程度上制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究火龍果的耐鹽生理，篩選并培育耐鹽性較高的品種，是解決這一問題的有效途徑。

對植物耐鹽性的研究由來已久，鹽脅迫會導(dǎo)致細(xì)胞膜透性及丙二醛（MDA）含量增加[5-6];超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）活性會因逆境脅迫而呈現(xiàn)先升高到一定程度后下降的規(guī)律性變化趨勢[7];脯氨酸（Pro）是對鹽分敏感的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，高鹽脅迫下含量急劇上升;可溶性糖作為一種提供能量的物質(zhì)，在逆境脅迫下，含量變化明顯[8]。這些指標(biāo)常被用來檢測某種作物耐鹽水平。火龍果能耐較強(qiáng)的堿性（pH 8.0～9.0）[9]和較高的鹽分，火龍果幼苗采用電導(dǎo)率（ECw）4.0 dS·m-1的鹽水脅迫處理，成活率還能達(dá)到50%[10]，用NaCl脅迫不同品種火龍果，其耐鹽指標(biāo)均有顯著變化[11]，但只通過對各品種耐鹽指標(biāo)的初始分析，各指標(biāo)都會存在或大或小的相關(guān)性，在對耐鹽的作用中也不盡相同，因而無法確切地評價各品種的耐鹽性強(qiáng)弱。

主成分分析是一種降維分析方法，在減少變量的同時又可盡可能保留原始變量的信息[12]。目前有不少學(xué)者把主成分分析法應(yīng)用到作物的性狀分析、土壤的肥力分析、作物的抗逆性分析等方面。白志英等

[13]利用主成分分析法對21個小麥代換系及其親本的抗旱性進(jìn)行了分類和評價。李燕凌等[14]用主成分分析對辣椒大規(guī)模制種的影響因素進(jìn)行綜合分析，找到辣椒規(guī)模制種的最佳調(diào)控階段。張水清等

[15]用主成分分析法對潢川縣的耕作土壤進(jìn)行了肥力分析，對不同肥力的土壤進(jìn)行等級劃分，為糧食生產(chǎn)及作物施肥技術(shù)和土壤改良提供依據(jù)。Sorkheh等[16]研究了不同濃度NaCl脅迫下8個伊朗野生杏品種的抗氧化酶活性和代謝產(chǎn)物的變化，用主成分分析區(qū)分了不同品種的耐鹽性。另外也有在耐濕性方面的應(yīng)用評價[17]，說明主成分分析法已經(jīng)被學(xué)者廣泛接受，并能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上提供數(shù)據(jù)分析上的便利。本研究測定火龍果在NaCl脅迫下莖稈的生理生化指標(biāo)，通過主成分分析法，建立了不同火龍果品種（系）的耐鹽性評價體系，旨在為耐鹽性品種選育提供參考。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

供試火龍果為白巨龍、海白1號2個白肉品種（系）和巨龍、紅仙蜜、赤龍3個紅肉品種（系）。各個品種（系）選取長勢較一致的盆栽苗，盆直徑25 cm、高度25 cm，每盆種植1株，每株2～3個芽。試驗分為兩組，每個品種20盆，其中對照組10盆，NaCl脅迫組10盆。用濃度為1.2%的NaCl溶液澆灌脅迫處理，為了防止鹽激反應(yīng)，前3 d分別用0.3%、0.6%、1.2%濃度的NaCl溶液澆灌，之后每隔3 d澆灌1.2%的NaCl溶液1次，每次每盆0.5 L，對照澆灌等量清水。

1.2?測定項目及方法

火龍果莖稈相對電導(dǎo)率（ECw）、丙二醛（MDA）含量的測定參照王學(xué)奎的方法，可溶性糖（SS）含量采用蒽酮比色法測定，脯氨酸（Pro）含量的測定采用酸性茚三酮法，過氧化物酶（POD）活性測定用愈創(chuàng)木酚法、過氧化氫酶（CAT）活性測定用紫外吸收法，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定用氮藍(lán)四唑（NBT）法[18]。于第0、7、14、21、28、35 d時取樣，進(jìn)行各項生理生化指標(biāo)測定。取樣時，用修剪刀從枝條基部剪斷，后用超純水清洗干凈，晾干，剔除莖邊緣上的刺及中間髓部后，統(tǒng)一取枝條中上部分，其中相對電導(dǎo)率（ECw）馬上測定，其余的樣品分裝于自封袋內(nèi)，液氮速凍后置于-40℃冰箱內(nèi)備用，進(jìn)行其他各項生理指標(biāo)測定。

1.3?數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

（1）用公式①求得各品種的耐鹽系數(shù)

α=鹽脅迫下的測定值對照下的測定值×100%①

其中ECw與MDA含量表征的是質(zhì)膜透性及膜脂過氧化程度，值越高代表越不耐鹽，因而，其耐鹽系數(shù)取倒數(shù)。各指標(biāo)的耐鹽系數(shù)為整個脅迫過程的平均值。

（2）用公式②求得每個品種的隸屬函數(shù)值[13]

u（Zj）=Zj-ZminZmax-Zmin，（j=1，2，…，n）②

公式中Zj表示第j個主成分;Zmin表示第j個主成分的最小值，Zmax表示第j個主成分的最大值。

（3）用公式③求得各綜合指標(biāo)的權(quán)重[13]

wj=pj∑nj=1pj（j=1，2，…，n）③

公式中pj表示各品種第j個主成分的貢獻(xiàn)率。

（4）用公式④計算各品種的綜合耐鹽能力的大小[13]

S=∑nj=1[u（Zj）×wj]，（j=1，2，…，n）④

公式中S表示各品種在鹽脅迫下用主成分評價所得的耐鹽性綜合評價值，是一個無量綱的純數(shù)，因而各品種的耐鹽能力具有可比性。采用SPSS 18.0進(jìn)行主成分分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?各單項指標(biāo)的耐鹽系數(shù)及簡單相關(guān)分析

表1數(shù)據(jù)是整個鹽脅迫過程中處理組與對照組比值的求均值，相對電導(dǎo)率與MDA取倒數(shù)，值越大，表示耐鹽性越強(qiáng)。從表1可以看出，在鹽脅迫下，不同火龍果品種（系）各項指標(biāo)的耐鹽系數(shù)差別較大，紅仙蜜的POD活性小于100，說明鹽脅迫下POD活性整體上比對照低，其對耐鹽性貢獻(xiàn)不大。

由表2各指標(biāo)的相關(guān)性可以看出，各指標(biāo)之間存在或大或小的相關(guān)性，其中SOD活性和MDA含量、POD活性和Pro含量之間存在顯著正相關(guān)，說明各指標(biāo)所提供的信息存在疊加。通過對NaCl脅迫下單項指標(biāo)變化趨勢的分析發(fā)現(xiàn)，指標(biāo)間互相交錯，很難判定哪個品種更耐鹽。因而采用單項指標(biāo)評價火龍果耐鹽性得到的結(jié)果均不相同，也無法評價指標(biāo)互作下的耐鹽性，無法在整體上準(zhǔn)確評價火龍果不同品種的耐鹽性，需要進(jìn)行主成分分析。

2.2?火龍果耐鹽生理生化指標(biāo)的主成分分析

表3表明因子分析的指標(biāo)共同度都很高，7個指標(biāo)的共同度都在90%以上，說明這些變量的信息損失較小，變量都能被因子解釋。因此，因子分析結(jié)果有效。

由表4可以看出，前3個成分的特征值大于1，各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為0.371、0.318和0.284，且前3個成分的特征值之和占總特征值97.37%，說明前3個主成分就解釋了所有7個生理生化指標(biāo)97.34%的信息，因而把前3個成分確定為主成分，分別編號為Z1、Z2和Z3，其余的可以忽略不計。主成分的系數(shù)矩陣及貢獻(xiàn)率見表5。

由表5可得：

Z1=0.024 V1+0.401 V2+0.051 V3+0.254 V4+0.382 V5-0.182 V6+0.028 V7;

Z2=0.420 V1-0.171 V2+0.05 V3+0.223 V4-0.019 V5+0.449 V6-0.101 V7;

Z3=-0.121 V1+0.04 V2+0.49 V3+0.074 V4+0 V5+0.055 V6+0.498 V7;

計算結(jié)果列入表6。

由Z1、Z2、Z3表達(dá)式可知，第1主成分的第2和第5系數(shù)比較大，分別代表MDA含量和SOD活性，因而可概括為與質(zhì)膜過氧化有關(guān)的因子;第2主成分的第1和第6系數(shù)比較大，分別代表相對電導(dǎo)率和CAT活性，可大致概括為與細(xì)胞膜穩(wěn)定性有關(guān)的因子;第3主成分的第3和第7系數(shù)比較大，分別代表Pro含量及POD活性，可大致概括為與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的因子。

2.3?火龍果耐鹽生理的綜合評價

根據(jù)公式②求得火龍果各品種（系）的隸屬函數(shù)u（Zj）值（表6）。對同一主成分而言，u（Zj）值越大，表明在這一主成分指標(biāo)上的耐鹽能力越強(qiáng)。從表6可看出，赤龍u（Z1）值最大，為1.000，表明其在抗質(zhì)膜過氧化程度上表現(xiàn)良好，耐鹽能力強(qiáng);而海白1號則在細(xì)胞膜穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，巨龍則在滲透調(diào)節(jié)上表現(xiàn)良好。

根據(jù)各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，用公式③求得各主成分的權(quán)重，分別為0.381、0.327和0.292。用公式④計算各品種的綜合耐鹽能力的大小，并根據(jù)S值

對各火龍果品種（系）進(jìn)行排名。從表6可得到不同火龍果品種（系）的耐鹽能力大小依次為赤龍、海白1號、巨龍、白巨龍和紅仙蜜。主成分分析彌補(bǔ)了采用單項生理指標(biāo)分析而無法明確各火龍果品種（系）之間耐鹽能力大小的不足。

3?結(jié)論與討論

土壤鹽漬化是全球性的土地資源和環(huán)境問題，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的障礙之一，通過篩選抗鹽耐鹽性強(qiáng)的植物種類和品種是解決鹽漬化問題的有效途徑之一。植物耐鹽性是多基因控制的復(fù)合遺傳性狀，植物的耐鹽機(jī)理涉及植物生理生化等多個方面的反應(yīng)[19]。目前對植物耐鹽的機(jī)制研究已經(jīng)相當(dāng)深入，并提出了可用于抗鹽耐鹽評價的指標(biāo)。郭艷茹等[20]、徐鮮鈞等[19]通過對國內(nèi)外研究結(jié)果的收集與整理，提出了Na+、K+含量及Na+/K+、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、激素水平、細(xì)胞膜透性、抗氧化酶活性、植物形態(tài)與生長指標(biāo)等多個指標(biāo)。研究者通過測定鹽脅迫下的指標(biāo)變化，可以對植物是否抗（耐）鹽進(jìn)行評價，同時篩選耐鹽性強(qiáng)的品種。王秀玲等[21]研究了NaCl脅迫下甜高粱的生理生化特性，對8個甜高粱品種做出了耐鹽性評價。但并非耐鹽性最強(qiáng)的品種其各項指標(biāo)均表現(xiàn)良好，通過單項指標(biāo)來篩選耐鹽性品種存在局限性。對火龍果在NaCl脅迫下各項生理指標(biāo)的測定后也發(fā)現(xiàn)存在類似的局限性[12]，因而需另求更加穩(wěn)妥的評價方法。

主成分分析結(jié)合隸屬函數(shù)法為這種局限性提供了解決的可能途徑。主成分分析可達(dá)到降維的目的，將原來較多彼此相關(guān)的耐鹽指標(biāo)減少到只有幾個彼此獨立的綜合指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，求出所有品種的每一個主成分值及其相應(yīng)的隸屬函數(shù)值，然后進(jìn)行加權(quán)，便可得到各品種抗逆性的綜合評價值，據(jù)此可較科學(xué)地對各作物品種的抗逆性進(jìn)行評價[13， 22]。本試驗通過主成分分析對原始多個變量進(jìn)行降維，得到3個新的主成分，能解釋原始變量97.34%的信息，分析結(jié)果更加清晰。通過隸屬函數(shù)來看，赤龍品種在滲透調(diào)節(jié)及質(zhì)膜過氧化程度上表現(xiàn)較好，耐鹽能力強(qiáng);而海白1號則在抗氧化酶系統(tǒng)上表現(xiàn)良好。這與采用單項生理指標(biāo)評價火龍果耐鹽能力分析結(jié)果相符。通過耐鹽性綜合評價值（S值）的排名來看，赤龍和海白1號排在第1和第2位，這也與單純的生理指標(biāo)分析趨勢相符，但是單純的生理指標(biāo)分析無法具體確切地說明哪個品種更耐鹽。主成分分析法統(tǒng)計出的耐鹽性綜合評價值（S值）是一個無量綱的值，將原本無法在同一角度上進(jìn)行比較的各項生理指標(biāo)量化，進(jìn)而可以進(jìn)行大小的比較，從已有的研究及本試驗結(jié)果來看，是一種有效評價不同品種火龍果耐鹽性的方法。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）