厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性評價方法研究

劉宏宇，姚雪，欒非時，王學征

（東北農業(yè)大學園藝學院，哈爾濱　150030）

厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性評價方法研究

劉宏宇，姚雪，欒非時，王學征

（東北農業(yè)大學園藝學院，哈爾濱150030）

以89個厚皮甜瓜品種為試驗材料，測定低溫脅迫條件（18℃）下種子萌芽期相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數、相對胚根長度和相對活力指數；采用相關性分析、主成分分析、隸屬函數分析和逐步回歸分析等方法綜合評價萌芽期耐冷性。結果表明，厚皮甜瓜不同品種種子萌芽期耐冷性不同，相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數、相對胚根長度和相對活力指數5項指標間呈正相關。通過主成分分析將5個單項指標轉換為2個相互獨立的綜合指標，通過隸屬函數分析對各綜合指標相對重要性加權獲得各品種耐冷性綜合評價D值，以D值為89份甜瓜材料排序，從高到低區(qū)分其耐冷性，并建立評價厚皮甜瓜耐冷性回歸方程。

厚皮甜瓜；萌芽期；耐冷性；綜合評價

網絡出版時間2016-7-20 11:10:39［URL］http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160720.1110.008.html

劉宏宇,姚雪,欒非時,等.厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性評價方法研究[J].東北農業(yè)大學學報,2016,47(7):24-31.

Liu Hongyu,Yao Xue,Luan Feishi,et al.Study on evaluation method of chilling tolerance at germination stage inCucumis melo[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):24-31.(in Chinese with English abstract)

甜瓜（Cucumis melo L.）原產于印度、非洲熱帶沙漠地區(qū)，作為一種喜溫、耐熱一年生蔬菜作物，對低溫反應極其敏感。甜瓜根據其生態(tài)學、植物學、生物學特性可分為厚皮甜瓜和薄皮甜瓜兩大類［1-2］。厚皮甜作為我國大棚主栽品種之一，對溫度要求較為嚴格。低溫脅迫常常會影響作物生長發(fā)育，引起其生理、生化、形態(tài)等方面一系列變化，是限制厚皮甜瓜產量和品質主要逆境因子之一。眾多學者對蔬菜作物在生理、生化、形態(tài)、產量等方面開展耐冷性研究，探討鑒定指標和生理機制［3-6］。蔬菜耐冷性評價相關研究常選擇萌芽期和幼苗期，種子萌芽期耐冷性與幼苗期耐冷性顯著相關［7］?；蛐蜎Q定種子發(fā)芽過程耐冷性［8］。不同種質遺傳差異決定種子發(fā)芽過程耐冷性差異，因此低溫發(fā)芽能力可作為低溫逆境下田間出苗狀況有效預測指標［9］。目前，耐冷性評價方法缺乏統(tǒng)一標準，對大量甜瓜品種種子萌發(fā)期耐冷性綜合評價研究鮮見報道。為此，本研究對89個厚皮甜瓜品種開展萌芽期耐冷性試驗，通過測定和篩選種子萌芽期低溫敏感指標，系統(tǒng)運用多元分析方法綜合評價厚皮甜瓜耐冷性，以期為甜瓜耐冷性鑒定、篩選與耐冷新品種選育提供理論依據。

1　材料與方法

1.1供試材料及試驗處理

供試材料為89份不同類型厚皮甜瓜品種，均由東北農業(yè)大學西甜瓜遺傳育種課題組提供。供試品種編號及名稱見表1。

表1　供試材料信息Table 1Informations of experimental materials

選取籽粒飽滿、大小一致甜瓜種子，55℃溫湯浸種后浸泡6 h，再用蒸餾水沖洗，分別平放于鋪有雙層濾紙培養(yǎng)皿中，每培養(yǎng)皿30粒，完全隨機排列，分別置于常溫（28℃）和低溫（18℃）光照培養(yǎng)箱（HPG-280BX型）中黑暗條件下發(fā)芽。試驗期間保持種子充分濕潤，每天用蒸餾水沖洗并更換濾紙，每品種3次重復。

1.2測定項目與方法

試驗每24 h檢查發(fā)芽粒數，常溫下第2天測量胚根長度，低溫下于第8天測量胚根長度，胚根長度測量以胚根突破種皮1 mm為標準。為消除種子活力差異造成的誤差，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數、胚根長度、活力指數等指標均采低溫與常溫數據相對比率表示，按下列公式計算相關指標：

發(fā)芽率（%）=發(fā)芽種子數/供試種子數×100%；發(fā)芽勢（%）=前6 d種子發(fā)芽數/供試種子數×100%；

發(fā)芽指數=∑（Gt/Dt），Gt為第t天日發(fā)芽數，Dt為相應發(fā)芽日數；

活力指數=發(fā)芽指數×胚根長度；

相對發(fā)芽率（%）=低溫下發(fā)芽率（第8天）/常溫下發(fā)芽率（第6天）×100%；

相對發(fā)芽勢（%）=低溫下發(fā)芽勢（第6天）/常溫下發(fā)芽勢（第2天）×100%；

相對發(fā)芽指數（%）=低溫下發(fā)芽指數（第8天）/常溫下發(fā)芽指數（第2天）×100%；

相對胚根長度（%）=低溫下胚根長度（第8天）/常溫下胚根長度（第2天）×100%；

相對活力指數（%）=低溫下活力指數（第8天）/常溫下活力指數（第2天）×100%。

1.3數據統(tǒng)計與分析

Microsoft Office Excel 2007軟件完成所有相關指標參數值計算。采用DPS v7.05b軟件作主成分分析、相關性分析和逐步回歸分析。甜瓜耐冷性評價方法采用模糊數學隸屬函數法，按以下公式分別計算各項鑒定評價指標隸屬函數值：

U（Xj）=（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin）j=1，2，…，n（1）

U（Xj）=1-［（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin）］

j=1，2，…，n（2）

公式（1）求得各供試材料每個綜合指標隸屬函數值，式中，Xj表示第j個綜合指標，Xmax表示第j個綜合指標最小值，Xmax表示第j個綜合指標最大值。

式中，IWj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中重要程度即權重；Pj為各基因型第j個綜合指標貢獻率。

式中，D值為各基因型在低溫脅迫條件下耐冷性綜合評價值。

2　結果與分析

2.1厚皮甜瓜種子萌芽期耐冷性相關性狀及其相關分析

由表2可知，不同厚皮甜瓜品種低溫脅迫下種子發(fā)芽能力降低，但不同品種各單項指標變化幅度不同。18℃低溫脅迫下，89個甜瓜品種種子相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢不同品種間變化幅度分別為0～111.11%、0～115.39%。其中，37個品種相對發(fā)芽率達100.00%，33個品種相對發(fā)芽勢達100.00%，表明低溫對其發(fā)芽速率基本未產生影響。5個品種相對發(fā)芽率低于10.00%，6個品種相對發(fā)芽勢低于10.00%，表明其種子在低溫脅迫下基本喪失活力。發(fā)芽指數反映種子萌芽期綜合活力，低溫脅迫條件下相對發(fā)芽指數在品種間變化幅度為0～120.79%，分布范圍顯著增加，數據分布較均勻。相對胚根長度是反映與種芽生長量相關的指標，其變化幅度為18.25%～93.24%，其中31個品種相對胚根長度低于50.00%，9個品種相對胚根長度高于80.00%。相對活力指數是反映種子發(fā)芽速度和生長量的綜合指標，變化幅度為0～105.13%，僅39和21號相對活力指數高于80.00%，分別為105.13%和90.55%，64個品種相對活力指數低于50.00%。

對89份厚皮甜瓜材料低溫脅迫條件下RGR、RGP、RGI、RRL和RVI 5個指標作相關性分析（見表3）。結果表明，5個指標之間呈正相關，且相關性較大，其中RGR與其他4個指標，RGP與RGI、RVI，RGI與RVI以及RRL與RVI呈顯著正相關，RGI與RRL呈極顯著正相關。萌芽期各性狀指標從不同角度反映甜瓜種子萌芽期耐冷性，且其提供信息有部分重疊。因此，直接利用各單項指標不能直觀、大量評價甜瓜品種耐冷性，需在此基礎上進一步利用其他多元統(tǒng)計方法綜合分析，準確評價其萌芽期耐冷性。

2.2厚皮甜瓜萌芽指標主成分分析及耐冷性綜合評價

將數據標準化后再作主成分分析，得到樣本相關矩陣特征向量和累計貢獻率（見表4）。結果表明，前2個主成分貢獻率分別為72.68%和20.20%，累計貢獻率達92.89%，其余可忽略不計。因此將原來5個單項指標轉換為兩個新的相互獨立綜合指標。其中，第1主成分攜帶RGR、RGP、RGI和RVI方面信息，第2主成分攜帶RRL方面信息。且第1主成分中RGP特征向量最大（0.4854），第2主成分中RRL特征向量最大（0.8656），兩個主成分主要與種子發(fā)芽勢和胚根長度關系較大。

表2　不同厚皮甜瓜品種萌芽期耐冷性相關性狀指標Table 2Character indices related to chilling resistance of different melon varieties at germination stage

表3　甜瓜萌芽指標之間相關性分析Table 3Correlation analysis among germination indices of melon

表4　各主成分特征向量及貢獻率Table 4Eigenvectors of principal components（PC）and contributive rate

利用公式（1）和（2）計算各品種所有綜合指標隸屬函數值，隸屬函數值可作為甜瓜耐冷性量度值，初步評價甜瓜材料耐冷性。根據各綜合指標貢獻率大小，利用公式（3）計算3個綜合指標權重，分別為0.7825和0.2175。根據各品種各綜合指標U值和權重，利用公式（4）獲得各品種耐冷性綜合評價D值（見表5）。以D值對89份厚皮甜瓜材料排序，從高到低區(qū)分其耐冷性。不同厚皮甜瓜品種綜合評價D值變化范圍為0.0186～0.8765，采用最大距離法對各品種D值聚類分析，如圖1所示，可將89份甜瓜材料劃分為5個類型：強耐冷型（High resistant，HR）、耐冷型（Resistant，R）、中度耐冷類型（Middleresistance，MR）、不耐冷類型（Low sensitive，LS）和冷敏感類型（Sensitive，S），其中強耐冷型15份，分別為IranH、白皮脆、TN、M-021、PI164179、益都黃銀瓜-3、PI164433、PI183046、公爵、三棱紅、PI313970、益都黃銀-1、WI998、PI-140662和灰姑娘。冷敏感型8份，分別為PMR6、PI614526、Vedrantais、BT3、Edisto47、PMR45、PI-177351和Kurumeke No6。

表5　各品種綜合指標U（X）值、權重（IW）、D值、預測值（P）及排序Table 5Value of each variety's comprehensive index U（X），index weight（IW），D，prediction（P）and ranking

續(xù)表

圖1　甜瓜89個品種耐冷性聚類Fig.1Clusters for 89 melon cultivars

2.3逐步回歸分析及最優(yōu)回歸方程建立

為更精確分析甜瓜品種耐冷性與各分析指標之間關系，建立可靠的耐冷性評價數學模型，把綜合評價89份甜瓜材料耐冷性D值作為因變量，各單項指標測定值平均值作自變量逐步回歸分析，建立最優(yōu)回歸方程：Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5，方程決定系數R2= 0.9985，P=0.0001。由方程可知，5個單項指標中有4個指標對甜瓜耐冷性有顯著影響，分別是相對發(fā)芽率（X1）、相對發(fā)芽勢（X2）、相對胚根長度（X4）和相對活力指數（X5）。利用回歸方程得出89個甜瓜品種耐冷性預測值P，將其與耐冷性綜合評價值作相關分析，得出二者相關系數r=0.9989，達極顯著水平，說明該方程中指標對耐冷性影響明顯，該回歸方程可用于甜瓜萌芽期耐冷性評價。

3　討論

研究表明，作物不同生育期耐冷性由不同基因控制，對低溫脅迫表現不同。因此，不同生育期應有各自耐冷性評價體系［10］。利用萌芽期低溫脅迫條件下與發(fā)芽速率和生長量相關指標評價不同種質耐冷性、重復性好、穩(wěn)定性強、試驗周期短、操作方法簡便易行。已較早應用于多種蔬菜作物如黃瓜［11］和辣椒［7］耐冷性鑒定。低溫會推遲出芽時間，影響不同種質發(fā)芽率和胚根長度等［12］。利用低溫脅迫條件下發(fā)芽率、發(fā)芽指數和活力指數相關指標評價種子耐冷性，已應用于甜瓜作物。孫玉宏等比較13、15和18℃低溫條件下甜瓜種子發(fā)芽情況，結果表明，18℃低溫條件下甜瓜種子活力指數可鑒定甜瓜品種耐冷性［13］。苗永美等研究15、17和18℃低溫條件下13份甜瓜材料發(fā)芽能力，結果表明，18℃下相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢和相對活力指數可作為芽期耐冷性鑒定指標［14］。任儉等也認為18℃下甜瓜種子活力指數可用于厚皮甜瓜耐冷材料篩選［15］。因此，18℃可作為甜瓜種子芽期耐冷性鑒定適宜低溫脅迫溫度。為消除因貯藏年限、貯藏環(huán)境、種子成熟度以及后熟度等種子自身活力差異帶來的試驗誤差，在評價甜瓜不同品種低溫發(fā)芽能力時應考慮種子自身活力因素，采用低溫與常溫條件下各指標相對值評價耐冷性，更具準確性［16］。

不同品種某一單項指標對低溫脅迫反應不同，難以全面準確反映品種耐冷性強弱。因此，采用多個指標綜合評價作物抗逆性已形成共識［17］。耐冷性評價是對不同類型甜瓜耐低溫能力強弱作篩選、鑒定和歸類的過程。在甜瓜萌芽期耐冷性評價研究中，苗永美等采用極點排序法［14］和耐冷性隸屬函數［15］對甜瓜耐冷性綜合評價，忽略各指標評價時重要性及權重。評價作物耐冷性指標較多，指標間存在相關性，對低溫脅迫反映信息發(fā)生交叉與重疊，導致鑒定過程復雜化、鑒定結果缺乏準確性和穩(wěn)定性?？鼓嫘匝芯坎捎枚嘀笜司C合評價方法，如主成分分析法、隸屬函數法、極點排序法、灰色關聯(lián)度分析法、聚類分析和逐步回歸分析法等［18-23］。本研究利用主成分分析法將原來5個指標轉換為新的且彼此獨立兩個綜合指標，利用模糊數學隸屬函數同時對各綜合指標相對重要性加權，根據不同厚皮甜瓜品種綜合評價D值，可更準確評價各品種耐冷性［24］。利用逐步回歸分析方法建立最優(yōu)回歸方程：Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5，經分析該方程耐冷性預測值P與耐冷性綜合評價值相關性達極顯著，準確性較高。建立一套重復性好、可操作性強的厚皮甜瓜耐冷性鑒定數學評價模型，可預測其他厚皮甜瓜品種耐冷性，適用性廣泛。

4　結論

通過對89個厚皮甜瓜品種在低溫脅迫條件（18℃）下種子相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數、相對胚根長度和相對活力指數作主成分分析，將原來關聯(lián)的5個單項指標轉換成2個相互獨立綜合指標，通過隸屬函數分析對各綜合指標相對重要性加權獲得各品種耐冷性綜合評價D值，以D值對89份甜瓜材料排序，從高到低區(qū)分其耐冷性強弱，聚類分析D值，將89個厚皮甜瓜分為5類，即強耐冷型、耐冷型、中度耐冷類型、不耐冷類型和冷敏感類型，其中強耐冷型甜瓜材料15份，冷敏感型甜瓜材料8份。通過逐步回歸分析建立評價厚皮甜瓜耐冷性回歸方程：Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5，可較準確預測或評價其他品種耐冷性強弱。

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Study on evaluation method of chilling tolerance at germination stage inCucumis melo

LIU Hongyu,YAO Xue,LUAN Feishi,WANG Xuezheng
(School of Horticulture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Total 89 melon cultivars were used to evaluate comprehensively chilling resistance based on relative germination percentage,relative germination potential,relative germination index, relative radicle length,and relative vigor index at 18 ，with using variance analysis，principal components analysis,hierarchical cluster analysis and regression analysis at germination stage.The results showed that the degree of tolerance varied among melon cultivars,with a positive correlation between relative germination percent,relative germination potential,relative germination index,relative radicle length,and relative vigor index.These results showed that the five single indices could be classified into two independent comprehensive components by principal components analysis,and the relative importance of the comprehensive index was weighted to obtain chilling tolerance comprehensive evaluationDvalue,which of the size of 89 melon materials were ranked high to low to distinct the strength of its chilling tolerance by membership function analysis,then the regression equation for identifying chilling tolerance in melon was established.

Cucumis melo;germination stage;chilling tolerance;comprehensive evaluation

S652

A

1005-9369（2016）07-0024-08

2016-04-05

國家西甜瓜產業(yè)技術體系分子育種崗位項目（CARS-26-02）

劉宏宇（1967-），男，副研究員，博士，碩士生導師，研究方向為蔬菜遺傳育種。E-mail:hyliu@neau.edu.cn