芹菜幼苗耐熱性鑒定的主成分分析

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094；2天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，天津 300192）

芹菜幼苗耐熱性鑒定的主成分分析

朱 鑫1，2沈火林1*

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094；2天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，天津 300192）

采用主成分分析法及隸屬函數(shù)分析法對(duì)8個(gè)芹菜品種幼苗的耐熱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：品種間差異顯著的32個(gè)耐熱性指標(biāo)在進(jìn)行主成分分析后，得到7個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)；經(jīng)隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)，供試芹菜品種幼苗耐熱性從強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋何膱D拉變異自交系＞加州王變異自交系＞津南實(shí)芹＞猶他52-70＞嫩脆西芹＞康乃爾＞伏芹＞金黃，與田間多年觀察結(jié)果基本一致。

芹菜；耐熱性；主成分分析

芹菜（Apium graveolens L.）是傘形花科二年生蔬菜，原產(chǎn)于地中海沿岸沼澤地區(qū)，在我國(guó)已有2 000多年的栽培歷史。芹菜含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，且具有一定的醫(yī)療作用，日漸成為國(guó)內(nèi)外主要栽培蔬菜種類(lèi)之一。芹菜生長(zhǎng)的最適溫度為15～20 ℃，26 ℃以上生長(zhǎng)不良，品質(zhì)變劣，產(chǎn)量降低，因此適宜在春秋季栽培。為了實(shí)現(xiàn)芹菜的周年穩(wěn)定供應(yīng)，夏季生產(chǎn)中迫切需要耐熱且質(zhì)優(yōu)的芹菜品種，耐高溫已成為芹菜新品種選育的重要目標(biāo)之一，耐熱性鑒定方法的研究亦成為育種工作中的一個(gè)重要方面。

耐熱性是一個(gè)受多基因控制的復(fù)雜性狀（周群初和馬艷青，2000；安鳳霞 等，2007），不同抗性品種耐熱機(jī)制不同，利用單項(xiàng)指標(biāo)鑒定耐熱性局限性較大，無(wú)法準(zhǔn)確的反應(yīng)作物的實(shí)際耐熱能力（馬曉娣 等，2004；韓瑞宏 等，2006；胡俏強(qiáng) 等，2011）。主成分分析法可以在不損失或很少損失原有信息的基礎(chǔ)上，將眾多的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成新的、個(gè)數(shù)較少且彼此獨(dú)立的因子（Wahid et al.，2007；Zhang & Xu，2009；胡國(guó)富 等，2010）。隸屬函數(shù)分析法可以綜合多個(gè)指標(biāo)，對(duì)作物的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（王凱紅 等，2011）。本試驗(yàn)采用主成分分析法及隸屬函數(shù)分析法，對(duì)8個(gè)芹菜品種幼苗的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為芹菜耐熱育種提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試芹菜品種（品系）名稱(chēng)及編號(hào)見(jiàn)表1，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園進(jìn)行耐熱性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，夏季露地自然高溫條件下進(jìn)行。連續(xù)2 a試驗(yàn)結(jié)果表明：文圖拉變異自交系、津南實(shí)芹、加州王變異自交系耐熱性較強(qiáng)，金黃、伏芹、康乃爾耐熱性較差，嫩脆西芹和猶他52-70的耐熱性中等。

表1 供試芹菜品種（品系）名稱(chēng)及編號(hào)

1.2 試驗(yàn)方法

幼苗第5片真葉展開(kāi)時(shí)，在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行高溫脅迫處理，脅迫溫度為30 ℃/20 ℃（晝/夜，下同）；對(duì)照溫度為20 ℃/12 ℃。光周期為12 h/12 h，光照強(qiáng)度126 μmol·m-2·s-2。采用50孔穴盤(pán)進(jìn)行栽培，每個(gè)品種8盤(pán)，3次重復(fù)。處理10 d后進(jìn)行生長(zhǎng)量及生理生化指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

1.3.1 耐熱指數(shù) 幼苗第5片真葉展開(kāi)時(shí)，每個(gè)品種取30株，帶盤(pán)置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行高溫脅迫處理，溫度設(shè)定為35 ℃，光周期為12 h/12 h，光照強(qiáng)度126 μmol·m-2·s-2。處理72 h和96 h后進(jìn)行耐熱性調(diào)查，每處理3次重復(fù)。

耐熱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：0級(jí)，植株生長(zhǎng)正常；1級(jí)，植株輕度萎蔫，表現(xiàn)為葉柄挺直，葉片稍萎蔫，或有1～2片黃葉；3級(jí)，植株萎蔫，表現(xiàn)為葉片有皺縮，葉柄有失水現(xiàn)象，或有1～2片死葉；5級(jí)，植株嚴(yán)重萎蔫，表現(xiàn)為葉片重度皺縮，葉柄嚴(yán)重失水、倒伏，甚至干枯；7級(jí)，植株死亡。

1.3.2 生長(zhǎng)量 幼苗第5片真葉展開(kāi)時(shí)，每個(gè)品種取30株，測(cè)定株高、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量，作為初始值；高溫脅迫處理10 d后，再分別取30株，測(cè)定株高、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量，減去相應(yīng)的初始值，即得到其絕對(duì)增長(zhǎng)量；以20 ℃/12 ℃處理的絕對(duì)增長(zhǎng)量為對(duì)照，計(jì)算高溫脅迫下各品種幼苗株高、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量的相對(duì)增長(zhǎng)量。每處理3次重復(fù)。

1.3.3 膜傷害率 幼苗第5片真葉展開(kāi)時(shí)，每個(gè)品種取10株，分別取第2葉柄的葉片2份，質(zhì)量均為2 g，1份置于40 ℃恒溫箱內(nèi)萎蔫1 h；另1份置于室溫下1 h，作對(duì)照。采用電導(dǎo)儀法（李合生，2000）測(cè)定細(xì)胞膜傷害率，3次重復(fù)。細(xì)胞膜傷害率越高，表示膜穩(wěn)定性越差。

1.3.4 生理生化指標(biāo) 高溫脅迫處理10 d后，每個(gè)品種取30株，稱(chēng)取第2葉柄上的展開(kāi)葉0.5 g，測(cè)定可溶性總糖、丙二醛（MDA）、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸含量，可溶性總糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法，MDA含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，可溶性蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法，游離脯氨酸含量測(cè)定采用酸性茚三酮法（劉祖祺，1994；李合生，2000）。以20 ℃/12 ℃處理為對(duì)照，計(jì)算高溫脅迫下各品種幼苗可溶性總糖、MDA、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸含量的相對(duì)值。每處理3次重復(fù)。

相對(duì)值=處理的絕對(duì)值/對(duì)照的絕對(duì)值

1.3.5 酶活性 高溫脅迫處理10 d后，每個(gè)品種取10株，稱(chēng)取第2葉柄上的展開(kāi)葉0.5 g，測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性，SOD活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）法，POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法，CAT活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法（李合生，2000）。以20 ℃/12 ℃處理為對(duì)照，計(jì)算高溫脅迫下各品種幼苗SOD、POD、CAT活性的相對(duì)值。每處理3次重復(fù)。

1.3.5 內(nèi)源激素含量 高溫脅迫處理10 d后，每個(gè)品種取10株，稱(chēng)取第2葉柄上的展開(kāi)葉1.0 g，測(cè)定吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）、玉米素和玉米素核苷（Z+ZR）含量。激素含量測(cè)定采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控研究室建立的間接酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA）（李合生，2000），在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控室進(jìn)行，使用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控室提供的專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件計(jì)算內(nèi)源激素含量。以20 ℃/12 ℃處理為對(duì)照，計(jì)算高溫脅迫下各品種幼苗IAA、GA、ABA、Z+ZR含量的相對(duì)值。每處理3次重復(fù)。

1.4 主成分分析及隸屬函數(shù)分析

采用Excel 2007軟件和SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析和主成分分析（賀仲雄，1985），然后利用隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)8個(gè)芹菜品種耐熱性的強(qiáng)弱。

式中，X為某品種的某一指標(biāo)（如相對(duì)生長(zhǎng)量）的測(cè)定值，Xmax為所有品種該指標(biāo)測(cè)定值中的最大值，Xmin為所有品種該指標(biāo)測(cè)定值中的最小值。

若某一指標(biāo)（如膜傷害率）與溫度脅迫耐性呈負(fù)相關(guān)，則可通過(guò)反隸屬函數(shù)公式計(jì)算其耐性隸屬函數(shù)值。

將某一品種各指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行累加，并求取平均值，平均值越大，則該品種的耐性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

從表2可以看出，8個(gè)芹菜品種的32個(gè)指標(biāo)組間差異均達(dá)到顯著水平，而組內(nèi)差異不顯著。只有當(dāng)各品種間的差異顯著而重復(fù)間的差異不顯著時(shí)，進(jìn)行主成分分析才有意義，因此這32個(gè)指標(biāo)都可以用來(lái)進(jìn)行主成分分析。

表2 高溫脅迫下8個(gè)芹菜品種的32個(gè)耐熱指標(biāo)的方差分析結(jié)果

2.2 主成分分析

從表3可以看出，前7項(xiàng)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率就達(dá)到了100%，其余各項(xiàng)的貢獻(xiàn)率太小，可以忽略不計(jì)。這樣就把原來(lái)的32個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，變成了7個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)。再按照累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的原則，保留前4項(xiàng)綜合指標(biāo)（貢獻(xiàn)率分別為37.77%、19.69%、14.35%和10.25%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.06%）。

表3 主成分分析結(jié)果

從主成分分析結(jié)果（表3）和各因子載荷矩陣（表4）可以看出，第1主成分的特征根為12.09，貢獻(xiàn)率為37.77%，對(duì)應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量有：耐熱指數(shù)（96 h）、MDA含量30 ℃/20℃相對(duì)值、可溶性蛋白質(zhì)含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值、可溶性總糖含量30 ℃/20 ℃絕對(duì)值、CAT活性30℃/20 ℃相對(duì)值、SOD活性30 ℃/20 ℃絕對(duì)值、IAA含量20 ℃/12 ℃絕對(duì)值、ABA含量20 ℃/12℃絕對(duì)值、ABA含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值，其中可溶性蛋白質(zhì)含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值、ABA含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值的載荷值比較大。MDA、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖都和物質(zhì)代謝有關(guān)，因此第1主成分又稱(chēng)為代謝-激素因子。

第2主成分的特征根為6.30，貢獻(xiàn)率為19.69%，對(duì)應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量有：地上部干質(zhì)量30 ℃/20 ℃相對(duì)增長(zhǎng)量、游離脯氨酸含量30 ℃/20 ℃絕對(duì)值、IAA含量30 ℃/20 ℃絕對(duì)值和IAA含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值，其中地上部干質(zhì)量30 ℃/20 ℃相對(duì)增長(zhǎng)量和游離脯氨酸含量30 ℃/20 ℃絕對(duì)值的載荷值為正值，IAA含量30 ℃/20 ℃絕對(duì)值和IAA含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值的載荷值為負(fù)值。故第2主成分又稱(chēng)為生長(zhǎng)量-激素因子。

第3主成分特征根為4.59，貢獻(xiàn)率為14.35%，對(duì)應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量有：可溶性總糖含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值和膜傷害率，其中膜傷害率的載荷值為負(fù)值，可溶性總糖含量30 ℃/20 ℃相對(duì)含量的載荷值為正值。膜傷害率主要和膜穩(wěn)定性相關(guān)，因此第3主成分又稱(chēng)為膜穩(wěn)定因子。

表4 各因子載荷矩陣

第4主成分特征根為3.28，貢獻(xiàn)率為10.25%，對(duì)應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量為POD活性30 ℃/20 ℃相對(duì)值。因此第4主成分又稱(chēng)為保護(hù)酶因子。

2.3 隸屬函數(shù)分析

選取累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的4個(gè)主成分中特征根向量較大的17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，計(jì)算出各品種的隸屬函數(shù)值后再進(jìn)行平均，根據(jù)平均值的大小來(lái)評(píng)價(jià)各品種的耐熱性。其中膜傷害率、MDA含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值和SOD活性30 ℃/20℃絕對(duì)值用反隸屬函數(shù)公式計(jì)算，其余指標(biāo)用隸屬函數(shù)公式計(jì)算。

根據(jù)隸屬函數(shù)值（表5）的大小對(duì)8個(gè)芹菜品種進(jìn)行耐熱能力排序，耐熱性從強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋何膱D拉變異自交系＞加州王變異自交系＞津南實(shí)芹＞猶他52-70＞嫩脆西芹＞康乃爾＞伏芹＞金黃，這與田間多年觀察結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)主成分分析，將32個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成7個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了100%。按照累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的原則，選取前4個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82.06%，這4個(gè)主成分可歸納為代謝-激素因子、生長(zhǎng)量-激素因子、膜穩(wěn)定因子和保護(hù)酶因子。

高溫對(duì)植物的傷害是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程，而植物抵抗高溫脅迫的能力也是一個(gè)復(fù)雜的綜合反應(yīng)。不同植物的耐熱機(jī)理不同，不同指標(biāo)所反應(yīng)的耐熱性強(qiáng)弱也不同，因此單一指標(biāo)很難全面而準(zhǔn)確的反應(yīng)植株的耐熱性（李敏 等，2004；田學(xué)軍 等，2009）。主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法相結(jié)合，既能通過(guò)各指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系找出反應(yīng)耐熱性的重要指標(biāo)，把現(xiàn)有的多個(gè)指標(biāo)優(yōu)化成新的彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)，又能避免單一指標(biāo)的片面性，在多指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。近年來(lái)用于植物耐旱性和耐鹽堿評(píng)價(jià)已取得一定的成果（肖佳雷 等，2007；石永紅 等，2010），但是在耐熱性評(píng)價(jià)上還應(yīng)用得很少。本試驗(yàn)經(jīng)主成分分析后選出了17個(gè)指標(biāo)，對(duì)8個(gè)芹菜品種進(jìn)行隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)，耐熱性從強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋何膱D拉變異自交系＞加州王變異自交系＞津南實(shí)芹＞猶他52-70＞嫩脆西芹＞康乃爾＞伏芹＞金黃，這與田間多年觀察結(jié)果一致，說(shuō)明利用該方法可以對(duì)不同品種芹菜的耐熱性進(jìn)行較為科學(xué)的評(píng)價(jià)。

表5 高溫脅迫下8個(gè)芹菜品種的17個(gè)耐熱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

高溫脅迫下，植物體的生理生化過(guò)程發(fā)生不同程度的變化。耐熱指數(shù)、生長(zhǎng)量、MDA、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、各種保護(hù)酶和激素都能從一個(gè)方面反映出不同耐熱性芹菜品種的變化，都可以作為耐熱性的鑒定指標(biāo)。其中可溶性蛋白質(zhì)含量30℃/20 ℃相對(duì)值、ABA含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值在第1主成分中的載荷值比較高，能更敏捷的反應(yīng)出植株的耐熱性，特別是可溶性蛋白質(zhì)含量30 ℃/20 ℃相對(duì)值，測(cè)定簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)在今后進(jìn)行更深入的研究。

安鳳霞，李景富，王傲雪，許向陽(yáng)．2007．番茄耐熱性遺傳分析．中國(guó)蔬菜，（9）：15-17．

韓瑞宏，盧欣石，高桂娟，楊秀娟．2006．紫花苜?？购敌灾鞒煞旨半`屬函數(shù)分析．草地學(xué)報(bào)，（6）：143-146．

賀仲雄．1985．模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用．天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社：67-70．

胡國(guó)富，李鳳蘭，李成雁，李鶴春，尹智，谷月嬌，詹云．2010．不同熟期菜豆（油豆角）產(chǎn)量性狀的相關(guān)性和主成分分析．中國(guó)蔬菜，（6）：24-27．

胡俏強(qiáng)，陳龍正，張永吉，徐海，宋波，蘇小俊，袁希漢．2011．普通白菜苗期耐熱性鑒定方法研究．中國(guó)蔬菜，（2）：56-61．

李合生．2000．植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)．北京：高等教育出版社．

李敏，王維華，王然，劉潤(rùn)進(jìn)．2004．高溫脅迫對(duì)菠菜葉片保護(hù)酶活性和膜透性的影響．園藝學(xué)報(bào)，31（1）：99-100．

劉祖祺．1994．植物抗性生理學(xué)．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社：370-372．

馬曉娣，彭惠茹，汪矛，王麗，孫其信．2004．作物耐熱性的評(píng)價(jià)．植物學(xué)通報(bào)，21（4）：411-418．

石永紅，萬(wàn)里強(qiáng)，劉建寧，王運(yùn)琦，郭銳，吳欣明，李向林．2010．多年生黑麥草抗旱性主成分及隸屬函數(shù)分析．草地學(xué)報(bào)，18（5）：669-672．

田學(xué)軍，陶宏征，羅晶，張旭東，陶發(fā)清．2009．熱脅迫對(duì)豌豆下胚軸生理的一些影響．云南植物研究，31（4）：363-368．

王凱紅，凌家慧，張樂(lè)華，劉向平，李立．2011．兩種常綠杜鵑亞屬幼苗耐熱性的主成分及隸屬函數(shù)分析．熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，（5）：412-418．

肖佳雷，尹靜，孫連發(fā)，馬鳳鳴，陳立軍，胡洪林，張成亮．2007．不同類(lèi)型春小麥抗旱生理指標(biāo)耐旱指數(shù)的主成分分析．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，38（4）：478-482．

周群初，馬艷青．2000．蔬菜耐熱性研究現(xiàn)狀及展望．長(zhǎng)江蔬菜，（3）：40-43．

Wahid A，Gelani S，Ashraf M．2007．Heat tolerance in plants：an overview．Environ Exp Bot，61（3）：199-223．

Zhang Z Y，Xu G F．2009．Comprehensive evaluation of heat tolerance of four ground covering plants by subordinate function values analysis．Prat Sci，26（2）：57-60．

Analysis of Principal Components for Celery Seedlings High Temperature Resistance

ZHU Xin1，2，SHEN Huo-lin1*

（1Collage of Agronomy and Biotechnology，China Agricultural University，Beijing 100094，China；2Tianjin Facility Agriculture Research Institute，Tianjin 300192，China）

The high temperature resistance of 8 celery（Apium graveolens L.） varieties at the seedling stage was evaluated by principal components analysis and subordinate function analysis．The results showed that 32 high temperature resistance indexes with significant differences could be classified by principal components analysis into 7 new comprehensive indexes with mutually independent components analysis．Through subordinate function analysis，the order of high temperature resistance from high to low was‘Wentula mutation lines’＞‘Jiazhouwang mutation lines’＞‘Jinnanshiqin’＞‘Yota 52-70’＞‘Cuinenxiqin’＞‘Kangnaier’＞‘Fuqin’＞‘Jinhuang’，which was consistent with the results of field observation in the past several years．

Celery；High temperature resistance；Principal components analysis

朱鑫，女，助理研究員，專(zhuān)業(yè)方向：蔬菜遺傳育種，E-mail：zhuxin96@126.com

*通訊作者（Corresponding author）：沈火林，男，教授，專(zhuān)業(yè)方向：蔬菜遺傳育種與生物技術(shù)，E-mail：SHL1606@cau.edu.cn

2013-11-22；接受日期：2014-01-08