主成分分析及隸屬函數(shù)法對(duì)菊芋苗期耐鹽性評(píng)價(jià)

張國新,王秀萍,姚玉濤,薛志忠

(河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所,河北省鹽堿地綠化工程技術(shù)研究中心,唐山市植物耐鹽研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北唐山 063200)

菊芋(HelianthustuberosusL.)為菊科向日葵屬多年生草本植物,別名洋姜、鬼子姜,是集食用、飼用、工業(yè)及能源原料為一體的多功能植物。菊芋塊莖干物質(zhì)的主要成分為菊淀粉(inulin),被作為優(yōu)質(zhì)的膳食纖維源和脂肪替代物,是“十一五”首推生物能源的原料植物。菊芋耐鹽堿性強(qiáng),在濱海灘涂應(yīng)用中取得了一定效果[1-2]。利用鹽荒地及灘涂資源發(fā)展菊芋的規(guī)?；N植,對(duì)高效利用濱海鹽堿地、推動(dòng)鹽堿產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極意義。

我國對(duì)菊芋的研究起步較晚,主要在20世紀(jì)90年代末開始進(jìn)行較系統(tǒng)研究,目前對(duì)鹽脅迫研究主要集中在耐鹽特性、離子吸收分布、光合效應(yīng)等方面[3-7],在品種耐鹽性評(píng)價(jià)方法方面的報(bào)道相對(duì)較少。筆者從苗期菊芋耐鹽指標(biāo)分析入手,通過多指標(biāo)相關(guān)性及主成分分析,篩選主要指標(biāo),采用隸屬函數(shù)法對(duì)菊芋品種進(jìn)行苗期評(píng)價(jià),對(duì)耐鹽品種篩選方法及鹽堿地應(yīng)用具有生產(chǎn)實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1材料6個(gè)菊芋品種(系),編號(hào)為J2、Q12、M4、B1、L8、N1,均來自于河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所資源圃。

1.2方法試驗(yàn)在河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。2016年5月5日,將帶一個(gè)芽眼的塊莖(直徑1 cm)播種于裝有沙子、底部有孔的塑料花盆中(口直徑×高=35 cm×38 cm),深淺保持一致,均埋深5 cm,自然光條件培養(yǎng),當(dāng)植株葉片展開后,用1/2Hoagland營養(yǎng)液澆灌。4葉進(jìn)行疏苗,每盆保留2個(gè)品種各3株。當(dāng)苗長到6葉時(shí),進(jìn)行鹽水脅迫試驗(yàn),以清水為對(duì)照,用NaCl配成0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的鹽溶液,每天進(jìn)行一次鹽水澆灌,每盆澆灌1 L,使底部流出鹽水,并按比例加入適量營養(yǎng)液,防止養(yǎng)分缺失。每處理3盆共9株苗,處理10 d后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.3指標(biāo)測(cè)定株高：利用直尺,測(cè)定菊芋植株生長點(diǎn)至根部沙面的距離；葉面積：利用YMJ-B型便攜式葉面積儀進(jìn)行功能葉片葉面積測(cè)量,取3株平均值；鮮干重：分別稱取洗凈吸干水分的植株鮮質(zhì)量,裝入干燥紙袋內(nèi),于70 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱取干質(zhì)量,結(jié)果取平均值；質(zhì)膜透性測(cè)定參照“山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生理實(shí)驗(yàn)”電導(dǎo)法；丙二醛含量測(cè)定參照《現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南》硫代巴比妥(TBA) 顯色法；光合參數(shù)測(cè)定采用便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(Li-6400,USA)。

1.4數(shù)據(jù)處理運(yùn)用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1各指標(biāo)耐鹽系數(shù)耐鹽性是一個(gè)受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,單一指標(biāo)不能全面反映品種的耐鹽性,該研究參照其他作物耐鹽性指標(biāo)分析結(jié)論,選取鹽分處理下變化幅度大的形態(tài)、生理指標(biāo)作為主要分析指標(biāo),通過耐鹽系數(shù)法,取相對(duì)值,消除品種本身的固有差異,不同濃度下的耐鹽系數(shù)用公式(1)表示：

式(1)：α=不同濃度處理下平均測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值×100%,表1中單項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)為不同濃度耐鹽系數(shù)的平均值。

2.2主效因子指標(biāo)分析從表2可以看出, 鹽分脅迫下的12個(gè)指標(biāo)相關(guān)性中,葉面積(x1)與地上鮮重(x3)正相關(guān),達(dá)到極顯著水平,與地下鮮重(x4)、地上干重(x5)正相關(guān),達(dá)到顯著水平,說明葉面積增加,有利于植株生長,從而提高地上鮮重、干重。地上鮮重(x3)與地下鮮重(x4)、地上干重(x5)正相關(guān),分別達(dá)極顯著、顯著水平,說明地上部鮮重增加,促進(jìn)了根系生長,同時(shí)提高了地上干物質(zhì)積累。地上干重(x5)與地下干重正相關(guān),達(dá)到極顯著水平。氣孔導(dǎo)度(x10)與胞間CO2濃度(x12)正相關(guān),達(dá)極顯著水平,說明氣孔導(dǎo)度加大,氣體流通量增加,提高了胞間CO2濃度,利于光合作用。

表1 供試材料單項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)

表2 指標(biāo)相關(guān)性分析

注：相關(guān)系數(shù)臨界值,a=0.05時(shí),r=0.811 4；a=0.01時(shí),r=0.917 2

Note: Critical value of correlation coefficient,a=0.05,r=0.811 4；a=0.01,r=0.917 2

從表3、4主因子分析看出,3個(gè)主因子代表了12個(gè)指標(biāo)的90.297 1%的主要信息,其中第1個(gè)因子代表信息最多,貢獻(xiàn)率達(dá)53.240 4%。從旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣看出,主因子1的葉面積(x1)、地上鮮重(x3)、地下鮮重(x4)、地上干重(x5)、氣孔導(dǎo)度(x10)5個(gè)指標(biāo)代表了總指標(biāo)53.240 4%的信息；主因子2的平均株高(x2)、丙二醛(x8)代表了21.326 9%信息；主因子3的凈光合速率(x9)代表了總指標(biāo)因子15.729 8%的信息。上述3個(gè)主因子的8個(gè)指標(biāo)為菊芋耐鹽指標(biāo)的主要分析指標(biāo)。

表3 主因子分析

2.3耐鹽性評(píng)價(jià)由于不同變量常常具有不同的單位和不同的變異程度,因此為了消除量綱影響和變量自身變異大小和數(shù)值大小的影響,消除單個(gè)指標(biāo)帶來的片面性,用隸屬函數(shù)法將各品種的各耐鹽指標(biāo)擴(kuò)展到[0,1]區(qū)間上,將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。用下式分別計(jì)算各耐鹽指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,每份材料各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值用公式(2)(3)求得。

式(2)：μxj=(xj-xmin)/(xmax-xmin),j=1,2,3,...,n

表4 方差旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

通過各品種(系)的8個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)值比較分析(表5),B1值為0.813,為最高,N1次之,Q12最小,說明B1、N1在鹽分脅迫下,苗期指標(biāo)表現(xiàn)較好的耐受性,在6個(gè)品種(系)中,耐鹽性較強(qiáng)。

表5 隸屬函數(shù)值及綜合排名

3 討論與結(jié)論

菊芋作為多功能菊科植物,在濱海鹽堿地具有一定應(yīng)用前景[8]。由于受少雨及蒸發(fā)影響,春季濱海鹽堿地土壤鹽分向表層聚集[9],而此時(shí)期正是作物幼苗期,是受土壤鹽分脅迫最重階段,所以苗期的耐鹽強(qiáng)弱,一定程度上能反映品種的全生育期耐鹽性。耐鹽性是一個(gè)受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,多指標(biāo)綜合分析的隸屬函數(shù)模糊評(píng)價(jià)法能全面反映品種苗期的耐鹽性,目前已在多種植物耐鹽性評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用[10-12]。

筆者采用主成分分析對(duì)不同鹽分梯度的多指標(biāo)進(jìn)行篩選,通過隸屬函數(shù)法進(jìn)行不同梯度指標(biāo)耐鹽系數(shù)平均值的比較,通過綜合得分評(píng)價(jià)苗期菊芋的耐鹽性,篩選出葉面積、株高、地上鮮重、地下鮮重、地上干重、丙二醛、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度為苗期隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo), 從品種耐鹽性上看,B1、N1綜合得分為0.812、0.625,苗期耐鹽性較強(qiáng)。