基于主成分分析的5份香蕉種質(zhì)抗旱性評價

， ， ， ， ， ， ， ， 貴美

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所， 廣西 南寧 530007； 2.廣西植物組培苗有限公司， 廣西 南寧 530007)

基于主成分分析的5份香蕉種質(zhì)抗旱性評價

何海旺1，武鵬1，林茜1，龍芳1，趙明1，鄒瑜1，李賢高2，王趣友2，林貴美2

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所， 廣西 南寧 530007； 2.廣西植物組培苗有限公司， 廣西 南寧 530007)

通過向營養(yǎng)液中添加PEG-6000，研究在不同程度干旱脅迫下5份香蕉種質(zhì)的生理變化，并利用這些生理指標(biāo)進(jìn)行抗旱性綜合評價。結(jié)果表明，香蕉在干旱脅迫下，可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、POD活性和SOD活性6項(xiàng)生理指標(biāo)均發(fā)生不同程度的變化，隨著干旱脅迫程度的加重，這些指標(biāo)均有上升的趨勢。通過主成分分析，可以將6個單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為3個綜合指標(biāo)對5份香蕉種質(zhì)的抗旱性進(jìn)行綜合評價，其抗旱能力大小順序依次為：金粉1號gt;廣東粉蕉gt;粉雜gt;HAgt;桂蕉6號。本實(shí)驗(yàn)篩選出金粉1號和廣東粉蕉2個較為抗旱的ABB基因型種質(zhì)，評價結(jié)果將為今后廣西的香蕉抗旱育種以及確定香蕉品種的適合種植范圍提供理論依據(jù)。

香蕉； 抗旱性； 生理指標(biāo)； 主成分分析

香蕉(Musaspp.)屬芭蕉科(Musaceae)芭蕉屬(Musa)作物[1]，其植株高大多汁，其中假莖的含水量可高達(dá)90%以上[2]，加上葉面積大，根系淺，生長迅速，因此整個生育期需水量都較大[3]。據(jù)報道，香蕉正常生長需要較理想的年降雨量為1 800～2 500 mm，平均每月150 mm左右[4]。廣西地處華南低緯度地區(qū)，雨量較為豐沛，平均年降雨量為1 500～2 000 mm，但雨量的時空分布極不均勻，在廣西香蕉主產(chǎn)區(qū)的武鳴縣，12月和次年的1月份降雨量不到全年的3%[5]，極容易出現(xiàn)冬春旱現(xiàn)象，造成香蕉產(chǎn)量、品質(zhì)下降，并且增加種植戶成本。因此，鑒定、選育和推廣抗旱的香蕉品種對廣西香蕉生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)以及降本增收具有重要的意義。

種質(zhì)的精準(zhǔn)鑒定是香蕉抗旱新品種選育的關(guān)鍵。由于植物的抗旱性是由多種因素共同作用的結(jié)果，因此植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化等多個指標(biāo)均可作為抗旱性鑒定的依據(jù)。陳豫梅等認(rèn)為，香蕉葉片表皮氣孔長度等形態(tài)結(jié)構(gòu)與抗旱性呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性[6]。陳曉雪[7]利用干旱脅迫下的土壤含水量、可溶性蛋白等8項(xiàng)指標(biāo)成功地對3個不同基因型的香蕉種質(zhì)進(jìn)行了評價。王蕊[8]利用可溶性糖、SOD活性等24項(xiàng)指標(biāo)也對不同基因型的香蕉種質(zhì)的抗旱性進(jìn)行了評價，篩選出較為抗旱的粉蕉種質(zhì)。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，篩選了6個有代表性的生理指標(biāo)對廣西栽培的5份香蕉種質(zhì)的抗旱性進(jìn)行綜合評價，以期篩選出較為抗旱的種質(zhì)，為今后的抗旱育種提供基礎(chǔ)，并為確定這些香蕉品種的適合種植范圍提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的5份香蕉種質(zhì)分別為：金粉1號(ABB)、廣東粉蕉(ABB)、粉雜(ABB)、桂蕉6號(AAA)及HA(AAB)。所有種質(zhì)經(jīng)過組培生根后，于8月份移栽至營養(yǎng)杯中，基質(zhì)為經(jīng)殺菌消毒的黃壤。育苗棚為塑料大棚，不蓋遮陽網(wǎng)。從移栽到2葉期內(nèi)，保證空氣濕度為95%以上，2葉期后經(jīng)常澆水保證基質(zhì)濕潤。抽生新葉后，用0.1%～0.5%的復(fù)合肥(15-15-15)水溶液進(jìn)行葉面噴施，每隔7 d施1次。移栽60 d左右，葉齡長至7葉1心期時進(jìn)行試驗(yàn)處理。

1.2 干旱脅迫處理

采用水培模擬干旱法：香蕉幼苗洗凈根系，放入1/2 Hoagland營養(yǎng)液中進(jìn)行水培，3 d后更換營養(yǎng)液，并向營養(yǎng)液中添加不同量的PEG-6000進(jìn)行模擬干旱脅迫處理。干旱脅迫分為輕度、中度及重度3個不同程度的處理，各處理PEG-6000濃度分別為5%、10%及20%，以不添加PEG-6000的處理為對照。每個處理10株，3次重復(fù)。

1.3 生理指標(biāo)的測定

干旱脅迫處理1 d后，取展開的倒數(shù)第2張葉片進(jìn)行生理指標(biāo)的測定。

采用考馬期亮藍(lán)法[9]測定可溶性蛋白含量。

采用脯氨酸(PRO)測定試劑盒(南京建成生物工程研究所，貨號：A 107)測定樣品的脯氨酸含量。

采用電導(dǎo)儀法[9]測定電導(dǎo)率。相對電導(dǎo)率(%)=煮后電導(dǎo)率/煮前電導(dǎo)率×100%。

采用丙二醛(MDA)測定試劑盒(南京建成生物工程研究所，貨號：A 003-1)測定樣品的丙二醛含量。

采用過氧化物酶(POD)測定試劑盒(南京建成生物工程研究所，貨號：A 084-3)測定樣品的過氧化物酶活性。

采用超氧化物歧化酶(SOD)測定試劑盒(南京建成生物工程研究所，貨號：A 001-1)測定樣品的超氧化物歧化酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

收集的數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析。

公式(1)：各生理指標(biāo)的相對變化量DC=干旱脅迫下的指標(biāo)值/正常供水下的指標(biāo)值；

公式(2)：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化ZXij=(xij-μj)/σj；

式中，ZXij為第i個處理的第j個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的值；xij為第i個處理的第j個指標(biāo)的測定值；μj為第j個指標(biāo)的平均值；σj為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；aij為第i個主成份第j個指標(biāo)在線性組合中的系數(shù)；Lij為第j個指標(biāo)在第i個主成分的載荷值；λi為第i個主成分的特征值；ωj為第j個指標(biāo)的權(quán)重；Pi為第i個主成分的方差貢獻(xiàn)率；m為主成份個數(shù)。

主成分分析的主要過程：

1) 利用公式(1)計算各生理指標(biāo)的相對變化量；

2) 利用公式(2)對各指標(biāo)相對變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；

3) 利用SPSS軟件對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析；

4) 利用公式(3)計算各指標(biāo)在每個主成分中的線性組合系數(shù)，再用公式(4)計算得到各指標(biāo)的權(quán)重；

5) 根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重建立香蕉抗旱綜合評價函數(shù)模式，并計算綜合得分對香蕉種質(zhì)的抗旱性進(jìn)行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對香蕉葉片滲透物質(zhì)的影響

由圖1可知，各種質(zhì)的可溶性蛋白含量在干旱脅迫后均顯著增加，在重度脅迫時達(dá)到最大值。其中，增加幅度最大的是金粉1號，其重度脅迫的含量比對照增加1.64倍，其次為廣東粉蕉(增加1.61倍)，增幅最小的是桂蕉6號(增加0.55倍)和HA(增加0.65倍)2個種質(zhì)。脯氨酸含量在干旱脅迫后表現(xiàn)各異，輕度脅迫時，金粉1號略微降低，而廣東粉蕉則顯著降低，其余種質(zhì)均顯著升高；在中度脅迫時，所有種質(zhì)均比對照升高；在重度脅迫時，所有種質(zhì)的脯氨酸含量均達(dá)到最大值，與對照均達(dá)極顯著差異。

2.2 干旱脅迫對香蕉葉片細(xì)胞質(zhì)膜的影響

相對電導(dǎo)率和MDA含量反映細(xì)胞膜的通透度及膜脂的過氧化程度，在干旱脅迫后，香蕉種質(zhì)的這2項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生不同程度的變化。從圖1可以看出，在中度和重度脅迫時，廣東粉蕉、桂蕉6號和HA等3個種質(zhì)的相對電導(dǎo)率比對照明顯增加，說明這3個種質(zhì)的葉片細(xì)胞膜通透度在干旱脅迫下顯著增加，而金粉1號的相對電導(dǎo)率在3個處理下均沒有明顯的增加，說明金粉1號在干旱脅迫時能夠保持細(xì)胞膜的通透度不受影響，從而維持細(xì)胞的穩(wěn)定。干旱脅迫后，5份香蕉種質(zhì)的MDA含量均顯著增加，說明它們在受到脅迫后，葉片的細(xì)胞膜脂系統(tǒng)開始產(chǎn)生膜脂過氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的MDA。桂蕉6號的MDA含量峰值出現(xiàn)在輕度脅迫時，說明桂蕉6號在輕度干旱脅迫時便發(fā)生了嚴(yán)重的膜脂過氧化作用，可能是其不耐旱的原因之一。

2.3 干旱脅迫對香蕉葉片保護(hù)酶的影響

POD和SOD是細(xì)胞內(nèi)重要的保護(hù)酶，在逆境脅迫時，能夠保護(hù)膜系統(tǒng)免受氧自由基的為害。從圖1可以看出，POD活性在受到干旱脅迫時總體呈上升趨勢，其中金粉1號和廣東粉蕉的增幅最大，增加了1.8倍以上，說明這2個種質(zhì)在受到干旱脅迫時，POD酶迅速積累，從而保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)。SOD活性在香蕉受到干旱脅迫時的變化則不如POD變化明顯，在干旱脅迫后，略有降低或者與對照差異不顯著。

2.4 基于主成分分析的抗旱性綜合評價

利用公式(1)計算得到各生理指標(biāo)的相對變化量(表1)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行主成分分析，從表2可以看出，6個單獨(dú)生理指標(biāo)可以轉(zhuǎn)化為3個綜合指標(biāo)，其方差貢獻(xiàn)率分別為40.02%、23.53%和18.04%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)81.59%，說明這3個主成分代表原來的6個單獨(dú)指標(biāo)的絕大部分信息，可用于香蕉抗旱性綜合評價。

圖1 不同程度的干旱脅迫對香蕉種質(zhì)生理指標(biāo)的影響

表1 干旱脅迫后各項(xiàng)生理指標(biāo)的相對變化率

可溶性蛋白脯氨酸電導(dǎo)率MDAPODSOD輕度脅迫金粉1號1．870．891．231．542．830．96廣東粉蕉1．840．551．193．762．870．87粉雜1．543．20．584．281．321．04桂蕉6號1．110．651．485．361．170．96HA1．731．51．093．962．220．85中度脅迫金粉1號2．021．021．271．383．130．79廣東粉蕉2．052．141．623．113．090．88粉雜1．632．11．085．022．171．02桂蕉6號1．061．112．783．381．141．01HA1．081．11．334．611．370．88重度脅迫金粉1號2．651．61．32．513．081．06廣東粉蕉2．623．232．053．823．180．92粉雜23．771．54．372．340．9桂蕉6號1．5623．73．961．821．05HA1．661．81．457．212．350．99平均值1．761．781．583．882．270．95標(biāo)準(zhǔn)偏差值0．480．980．761．460．760．08

對提取的3個綜合指標(biāo)進(jìn)行計算，得出各個種質(zhì)的抗旱性綜合得分。從表3可以看出，在輕度脅迫時，金粉1號的得分為0.48，明顯高于其他種質(zhì)，說明其在輕度干旱脅迫時能表現(xiàn)出比其他種質(zhì)更強(qiáng)的抗旱性；中度和重度脅迫時，均以廣東粉蕉的得分最高，分別為0.75和1.45，其次為金粉1號(分別為0.68和1.27)，兩者相差不大，表明這2個粉蕉種質(zhì)在中度和重度脅迫時具有較強(qiáng)的抗旱性。而其他3個種質(zhì)，在不同程度的干旱脅迫下得分均較低，說明他們的抗旱能力較低。從綜合得分可以得出，金粉1號的綜合抗旱能力最強(qiáng)(0.81)，其次為廣東粉蕉(0.73)，桂蕉6號的抗旱能力最弱，綜合得分僅為-0.72。

表2 解釋的總方差

成分 初始特征值 提取因子的載荷平方和 特征根方差貢獻(xiàn)率累計方差貢獻(xiàn)率特征根方差貢獻(xiàn)率累計方差貢獻(xiàn)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 香蕉抗旱性綜合評價

種質(zhì)名稱 輕度脅迫 中度脅迫 重度脅迫 綜 合 得分排序得分排序得分排序得分排序 金粉1號0．4810．6821．2720．811 廣東粉蕉-0．0120．7511．4510．732 粉雜-0．514-0．3230．493-0．113 桂蕉6號-1．475-0．8440．134-0．725 HA-0．263-1．275-0．575-0．74

3 討論與結(jié)論

葉片離根系較遠(yuǎn)，是植物蒸騰作用及光合作用的重要場所，需水量大，因此，一旦植物受到干旱的脅迫，葉片的各項(xiàng)生理指標(biāo)將最先受到影響。干旱脅迫產(chǎn)生時，植物細(xì)胞內(nèi)積累各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以保持其體內(nèi)的水分來維持細(xì)胞的正常功能，朱志華等通過研究抗旱性不同的小麥根系對水分脅迫的反應(yīng)認(rèn)為，葉片的滲透調(diào)節(jié)能力跟小麥的抗旱性密切相關(guān)，可以做為衡量植物抗旱性的常用參數(shù)[10]。研究表明，在干旱脅迫下，植物葉片細(xì)胞的膜系統(tǒng)在氧自由基的作用下產(chǎn)生過氧化作用，導(dǎo)致膜的通透性變大、電解質(zhì)外滲以及積累丙二醛等有毒物質(zhì)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11]。而POD及SOD作為植物細(xì)胞中重要的保護(hù)酶系統(tǒng)，能夠迅速分解多余的氧自由基，維持膜脂系統(tǒng)的穩(wěn)定，與植物的抗旱能力關(guān)系密切[12-15]。因此，本研究選擇分別代表滲透物質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)膜變化及保護(hù)酶系統(tǒng)的可溶性蛋白含量、脯氨酸、相對電導(dǎo)率、丙二醛含量、POD及SOD活性等6項(xiàng)重要指標(biāo)對香蕉種質(zhì)的抗旱性進(jìn)行綜合評價。

有研究表明，香蕉的抗旱能力跟基因型有極大關(guān)系，其抗旱相關(guān)的基因可能存在于B基因組中，含有B基因組的種質(zhì)具有較強(qiáng)的抗旱性，如粉沙蕉(ABB)gt;中山龍牙蕉(AAB)gt;威廉斯(AAA)[16]。王蕊研究認(rèn)為，粉蕉(ABB)的抗旱性比黃帝蕉(AA)和巴西蕉(AAA)強(qiáng)[8]。本試驗(yàn)通過主成分分析法對5份香蕉種質(zhì)的抗旱性進(jìn)行了綜合評價，也認(rèn)為基因組為ABB型的粉蕉品種金粉1號、廣粉1號及粉雜的抗旱性較桂蕉6號(AAA)強(qiáng)，特別是前兩者比較明顯，但基因組為AAB型的HA的抗旱性評價卻比桂蕉6號略低，原因有待進(jìn)一步研究。在育苗及試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)粉雜、桂蕉6號和HA等3個種質(zhì)在缺水時，葉片容易出現(xiàn)萎蔫甚至干枯的情況，說明以生理指標(biāo)為基礎(chǔ)的抗旱性評價較為客觀。在2個抗旱能力較強(qiáng)的粉蕉品種中，不同程度的干旱脅迫時，金粉1號表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗旱性，而廣東粉蕉在輕度脅迫時則明顯低于前者，但在中度及重度脅迫時能夠表現(xiàn)比金粉1號稍強(qiáng)的抗旱能力，因此推測金粉1號可能比廣東粉蕉更能適應(yīng)水分的變化，從而表現(xiàn)出其在不同環(huán)境下的穩(wěn)產(chǎn)性。據(jù)本課題組對金粉1號根系的調(diào)查，在離植株1 m的范圍內(nèi)，在旱坡地大于5 mm的粗根數(shù)量比水田多，并且其根系的干物質(zhì)含量也比水田高，發(fā)達(dá)的根系為金粉1號的強(qiáng)抗旱性打下基礎(chǔ)。多年的生產(chǎn)實(shí)踐也證明，金粉1號在云南海拔800 m左右的旱坡地，在缺少人工灌溉的情況下，也能獲得較正常的產(chǎn)量，與本實(shí)驗(yàn)的評價結(jié)果相吻合。

本試驗(yàn)通過對5份香蕉種質(zhì)進(jìn)行綜合評價，從中篩選出金粉1號及廣東粉蕉2個較抗旱的種質(zhì)，它們的抗旱能力比目前全國的香蕉主栽品種桂蕉6號強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果同時也為這些種質(zhì)的適種地點(diǎn)的選擇提供了理論依據(jù)。但本試驗(yàn)僅對這些種質(zhì)的苗期的抗旱能力大小進(jìn)行相互比較，它們在不同生育期的抗旱性表現(xiàn)以及具體抗干旱的程度等問題，仍需進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

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(本欄目責(zé)任編輯：周忠燕)

Evaluation of Drought Resistance of 5 Banana Germplasms Basedon Principal Component Analysis

HEHaiwang1,WUPeng1,LINQian1,LONGFang1,ZHAOMing1,ZOUYu1,LIXian’gao2,WANGQuyou2,LINGuimei2

2017-01-13

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-32-15 )；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(桂農(nóng)科2015 YT 54)；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技發(fā)展基金(桂農(nóng)科2016 JZ 03)；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(桂農(nóng)科2017 YM 29)。

何海旺(1979—)，男，助理研究員，主要從事香蕉種質(zhì)資源及育種的研究;E-mail:gxhhwn@gxaas.net。

鄒 瑜，研究員；E-mail：zy@gxaas.net。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.06.067

S 688.1

A

1001-4705(2017)06-0067-05