摘 要:通過對高溫脅迫下獼猴桃種質(zhì)資源多項生理指標的研究,鑒定耐熱性種質(zhì)材料。以7個獼猴桃種類的17份種質(zhì)資源為材料,對其在不同溫度處理條件下CAT活性、POD 活性、SOD 活性、丙二醛含量(MDA)、脯氨酸含量(PRO)、可溶性蛋白含量(protein)、PPO活性和PAL活性等8個生理指標進行測定,以各項指標的耐熱系數(shù)作為衡量耐熱性的指標,將8個單項生理指標綜合成為4個相互獨立的綜合指標,并通過主成分分析、隸屬函數(shù)分析對17份獼猴桃種質(zhì)資源進行耐熱性綜合評價,篩選出了華特、米良1號耐熱性種質(zhì)材料。
關鍵詞:獼猴桃;耐熱性;生理指標;綜合評價;主成分分析
中圖分類號:S663.4 文獻標識碼:A 文章編號:1006-060X(2018)12-0021-05
Comprehensive Evaluation of 7 Kiwifruit Germplasm to Heat Resistance
TANG Jia-le1,2,3,BU Fan-wen1,2,3,ZHANG Ping1,2,3,LIN Wen-li1,2,3,WU Nian-qing4,XU Hai1,2,3
(1. Hunan Academy of Agriculture Sciences, Hunan Horticulture Research Institute, Changsha 410125, PRC; 2. Observation Station of Fruit Trees in Central China, Ministry of Agriculture of China, Changsha 410125, PRC; 3. Season Fruits Engineering Technology Research Center of Changsha 410125, PRC; 4. Sibaoshan Biotechnology Co. Ltd, Huaihua 419300, PRC)
Abstract: The physiological indices of germplasm resources of Kiwifruit under different temperature treatments were studied to select the heat-resistance species.The heat resistant coefficient of 8 physiological indices including CAT activity, POD activity, SOD activity, MDA content, PRO content, protein content, PPO activity and PAL activity, of 17 kiwifruit germplasm resources of 7 species were evaluated by principal components analysis and membership function analysis." The results showed that the 8 single indexes could be classified into 4 independent comprehensive components. The heat-resistance of 17 kiwifruit germplasm resources was evaluated by principal component analysis and membership function analysis, 2 heat-resistant kiwifruit accessions named Huate and Miliang No. 1 were screened out." The result provide valuable insights for breeding heat tolerant kiwifruit and for studying the heat-resistance mechanism of kiwifruit .
Key words: kiwifruit; heat-resistance; physiological indices; comprehensive evaluation; principal component analysis
獼猴桃為獼猴桃科(Actinidiaceae)獼猴桃屬(Actinidia)藤本植物,是20世紀人工馴化栽培野生果樹最有成就的四大果種之一[1]。中國是獼猴桃的起源和分布中心,種質(zhì)資源極其豐富。全世界現(xiàn)有獼猴桃屬植物66種,約118個分類單位(變種、變型),其中62個種原產(chǎn)我國[2]。據(jù)調(diào)查,迄今為止我國已培育出100多個獼猴桃優(yōu)良品種(系)。獼猴桃風味獨特、營養(yǎng)價值高,其中維生素C含量高達100~420 g/100 mg,因而獼猴桃產(chǎn)業(yè)在世界各國發(fā)展迅速,方興未艾。
獼猴桃屬于不耐高溫的藤本落葉果樹。大多數(shù)獼猴桃種質(zhì)要求溫暖濕潤的氣候,其適宜的年平均氣溫范圍是11.3~16.9℃。隨著“溫室效應”的加劇,全球越來越頻繁地出現(xiàn)高溫極端天氣[3]。我國部分地區(qū),特別是中低海拔地區(qū),7、8 月份的最高溫長期超過40℃,對獼猴桃的生產(chǎn)十分不利。獼猴桃遭受夏季高溫危害的具體表現(xiàn)為枝、葉、莖和果的灼傷,葉片卷縮、變褐,新梢頂端枯萎,植株生長發(fā)育延緩或受阻,果實品質(zhì)變差,貯藏性變差,嚴重時落葉落果,甚至植株死亡,對獼猴桃的生長發(fā)育和果實品質(zhì)、產(chǎn)量產(chǎn)生嚴重影響。因此,夏季高溫危害已成為制約我國獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要障礙之一。
目前,有關植物耐熱性的研究主要集中在高溫脅迫下植物的生理生化[4-5]、耐熱機制[6-7]和植物抗高溫基因[8-11]等方面。由于獼猴桃的耐熱性屬于數(shù)量性狀,受多個基因控制,且不同獼猴桃種質(zhì)資源及品種對高溫脅迫的耐熱機制不同,因此僅憑單項生理生化指標難以真實鑒定出獼猴桃品種的耐熱性。近年來,主成分分析法與隸屬函數(shù)法在獼猴桃[12]、柑橘[13]、扁桃[14]、番茄[15]等農(nóng)作物上得到了廣泛應用。使用該方法獲得的耐熱性鑒定結果與品種在田間的耐熱表現(xiàn)基本一致,可有效地避免單一耐熱指標的片面性與局限性,較全面地評價農(nóng)作物的耐熱性。
試驗首先測定了高溫脅迫下與獼猴桃耐熱性相關的多項生理指標,然后將多個相關的耐熱性指標轉換成少數(shù)獨立的綜合指標,在此基礎上計算出不同獼猴桃種質(zhì)的每一個綜合指標值及其隸屬函數(shù)值,再進行加權,最后獲得不同獼猴桃種質(zhì)的耐熱性綜合評價值。筆者旨在以簡單、科學的方法評價獼猴桃種質(zhì)的耐熱性,以期為獼猴桃耐熱性鑒定、評價及耐熱品種的選育探索出一條實用的鑒別途徑。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
供試種類有獼猴桃屬中華獼猴桃、美味獼猴桃、毛花獼猴桃、闊葉獼猴桃、京梨獼猴桃、對額獼猴桃、長葉獼猴桃7個獼猴桃種類的17份種質(zhì)材料,均為以美味獼猴桃做砧木的一年生嫁接苗。
2018年2月上旬,將獼猴桃嫁接苗種植于規(guī)格為16 cm×18 cm×2 cm(底直徑×上口直徑×高)的塑料盆中,每盆1株。盆栽基質(zhì)配比為園土∶草泥炭∶蛭石=3∶3∶1。供試苗置于常溫溫室中培養(yǎng),采用日常養(yǎng)護管理方法,4個月后進行高溫脅迫處理。
1.2 試驗方法
2018年6月,待獼猴桃一年生新梢生長到7~9片葉時,選擇生長發(fā)育一致且生長健壯、無病蟲害的獼猴桃苗進行脅迫處理。脅迫處理分別設置25℃(對照)、40℃(高溫脅迫)2組處理。每組處理設3次重復,每重復5株苗。試驗在空氣相對濕度80%、光照時間為12 h/d、光照強度3 000 Lx的人工氣候箱中進行。脅迫處理12小時后,采集成熟葉片,去除中脈,用液氮處理后放置在-80℃超低溫冰箱中保存。
1.3 測定指標及方法
CAT活性、POD活性、SOD活性、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、PPO活性、PAL活性參照高俊鳳[16]、曹建康[17]、鄒琦[18]等方法進行測定。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
采用Microsoft excel 2003進行原始數(shù)據(jù)的整理和簡單分析;采用Spss17.0數(shù)據(jù)處理軟件進行相關性分析、主成分分析和聚類分析。相關指數(shù)計算公式如下[19]:
耐熱系數(shù)(HRC)=處理組測定值/對照組測定值×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (1)
隸屬函數(shù)值U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)
j=1,2……n" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (2)
式中Xj表示第j 個指標;Xmin表示第j個指標的最小值;Xmax表示第j個指標的最大值。
權重Wj=Pj/" " " " " "j=1,2‥‥ n" " " " " " " " " " " "(3)
式中:Wj表示第j個指標在所有綜合指標中的重
要程度即權重;Pj為各種類第j個綜合指標的貢獻率。
綜合評價值D= j=1,2…n" " " (4)
式中:D值為各種類在高溫脅迫條件下用綜合指標評價所得的耐熱性綜合評價值。
2 結果與分析
2.1 各單項指標的耐熱系數(shù)及其相關分析
為了確定不同獼猴桃種質(zhì)之間是否具有真實差異性,利用SPSS17.00軟件對各個單項指標進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和描述統(tǒng)計分析(表1、表2)。結果顯示,不同獼猴桃種質(zhì)之間各單項指標的變化幅度和變異系數(shù)均存在顯著差異,同時,采用各單項指標耐熱性系數(shù)評價獼猴桃的耐熱性,其獲得的結果也不相同。因此,采用單項指標的耐熱系數(shù)評價不同獼猴桃種質(zhì)的耐熱性存在一定的局限性。
此外,從相關系數(shù)矩陣(表3)來看,8個生理生化指標間均存在著一定的相關性,其中有些指標間的相關性達到了顯著或極顯著水平。例如,在P<0.05水平上,CAT活性與MDA含量和PAL活性呈現(xiàn)顯著正相關;PRO含量與Protein呈現(xiàn)顯著正相關。在P<0.01水平上,SOD活性與PRO含量和PPO活性呈現(xiàn)顯著正相關;MDA活性與PPL呈現(xiàn)顯著正相關。這些單項指標之間或大或小的相關性,使得它們所提供的信息發(fā)生重疊,同時各單項指標在獼猴桃耐熱中所起的作用也不盡相同,因此直接利用這些指標無法準確評價不同種質(zhì)的耐熱性。
2.2 主成分分析
利用spss17.0軟件對8個單項指標的耐熱系數(shù)進行主成分分析(表4),按累計貢獻率大于或等于85%確定主成分個數(shù)。前4個綜合指標的貢獻率分別為0.321、0.298、0.207、0.098,累計貢獻率達92.4%,其余可以忽略不計。表明前4個綜合指標反映了原指標的絕大部分信息,可以代替原來的8個生理指標。前4個綜合指標分別定義為第一、第二、第三和第四主成分,它們綜合指標的標準化特征向量為:
第一主成分:CI1=-0.203 X1+0.310 X2+0.745 X3-0.678 X4+0.821 X5+0.361 X6 +0.612 X7-0.491 X8
第二主成分:CI2=0.610 X1+0.289 X2+0.558 X3+0.712 X4+0.175 X5+0.019 X6 +0.600 X7 +0.847 X8
第三主成分:CI3=0.657 X1-0.489 X2-0.210 X3-0.026 X4+0.420 X5+0.801 X6-0.347 X7-0.006 X8
第四主成分:CI4=-0.010 X1+0.753 X2-0.165 X3+0.059 X4-0.057 X5+0.346 X6-0.252 X7-0.008 X8
主成分特征向量為主成分表達式中的原始變量標準化值的系數(shù)向量,它們代表了各變量對相應的主成分作用權數(shù),即各單項指標對綜合指標的貢獻大小。由上述4個主成分的表達式可知:
在第一主成分的表達式中,第5項的系數(shù)較大,其次是3、7,分別為PRO、SOD和PPO。植物組織受到脅迫時,PRO具有穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)代謝過程的功能,在一定程度上反映了植物組織對不良環(huán)境脅迫的抵抗能力;SOD是生物體內(nèi)清除活性氧自由基的關鍵酶,是衡量抗氧化能力的重要指標;PPO廣泛存在于動植物中,是一種含銅的氧化酶,是引起植物褐變的主要因素,也是衡量抗氧化能力的重要指標。故第一主成分可概括為抵抗與抗氧化因子。
在第二主成分的表達式中,第4、8項的系數(shù)較大,分別為MDA和PAL。植物器官在逆境下遭到傷害,往往發(fā)生膜脂過氧化作用。而MDA是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一,其含量可反映植物對逆境條件反應的強弱。PAL是植物次生代謝物質(zhì)生物合成途徑苯丙烷代謝的關鍵酶,在植物逆境過程中起重要作用。故第二主成分可概括為逆境反應因子。
在第三主成分的表達式中,第1、6項的系數(shù)較大,分別為CAT和Protein。CAT是減少或清除活性氧的一種酶類清除劑,也是衡量膜系統(tǒng)受害程度的重要指標。Protein能夠提高細胞的保水能力,對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用。故第三主成分可概括為細胞膜穩(wěn)定性因子。
在第四主成分的表達式中,第2項的系數(shù)最大,為POD。POD廣泛分布于生物界,在細胞代謝的氧化還原中起重要作用,如清除細胞內(nèi)的有害物質(zhì)H2O2、保護酶蛋白等。故第三主成分可以概括為氧化還原因子。
上述分析表明抵抗與抗氧化因子(PRO、SOD、PPO)、逆境反應因子(MDA、PAL)、細胞膜穩(wěn)定性因子(CAT、Protein)、氧化還原因子(POD)均可作為獼猴桃耐熱性的綜合鑒定指標。
2.2 綜合評價
2.2.1 隸屬函數(shù)分析 根據(jù)主成分分析的表達式和公式(2)求出每個獼猴桃種質(zhì)材料的所有綜合指標值CI(x)和隸屬函數(shù)值U(x),詳見表5。對綜合指標CI1而言,華特的U(x1)值最大,為1.000,表明華特在CI1這一綜合指標上表現(xiàn)為耐熱性最強;海沃德的U(x1)值最小,為0.000,說明海沃德在CI1這一綜合指標上表現(xiàn)為耐熱性最弱。
2.2.2 權重的確定 根據(jù)各個綜合指標貢獻率的大小(分別為0.321、0.298、0.207、0.098),用公式(3)求出4個綜合指標的權重,分別為0.348、0.322、0.224、0.106(表5)。
2.2.3 綜合評價 用公式(4)計算各個種類的綜合耐熱能力的大小,根據(jù)D值(表5)對其耐熱性進行強弱排序。其中華特的D值最大, 表明其耐熱性最強;其次為米良1號,紅陽的D值最小,表明紅陽的耐熱性最差。采用最大距離法對D值進行聚類分析,可將17個獼猴桃種質(zhì)材料劃分為3類:華特、米良1號為一類,屬高度耐熱類型;海沃德、金魁、豐碩作為一類,屬中度耐熱類型;其余12個獼猴桃種質(zhì)(金艷、豐悅、楚紅、長葉、金紅50、金桃、對額、臍紅、闊葉、京梨、翠玉、紅陽)屬不耐熱類型。
3 討 論
植物在生長發(fā)育過程中會受到環(huán)境中各種非生物因子的脅迫,其中溫度對植物生長發(fā)育的影響尤其重要。一般認為,當溫度高于植物正常生長溫度的5~12℃時,植物就會產(chǎn)生熱激反應,在數(shù)小時內(nèi)迅速獲得耐熱性以抵御致死溫度[20, 21]。同時,植物在受到高溫脅迫時會產(chǎn)生各種生理生化變化,如改變細胞穩(wěn)定性,改變激素和次級代謝物的合成,甚至死亡[22]。因此,通過對種質(zhì)材料的耐熱性進行篩選、鑒定和評級歸類,可以為耐熱性育種提供優(yōu)異的種質(zhì)材料。
彭永宏[23]選擇了7個獼猴桃品種對其耐熱性的形態(tài)與生理生化指標進行了研究,認為通過熱處理條件下獼猴桃葉片細胞膜透性變化擬合求出的高溫半致死溫度和游離脯氨酸的相對增長率,可以較好的鑒定獼猴桃品種的耐熱性。張文標[24]以毛花獼猴桃贛獼6號、中華獼猴桃紅陽、金艷和美味獼猴桃金魁為試驗材料,研究了不同獼猴桃品種在高溫脅迫條件下的生理指標響應,發(fā)現(xiàn)4種獼猴桃品種葉片的POD、CAT和SOD活性均增強, MDA、脯氨酸和可溶性蛋白都大量積累;同時,采用隸屬函數(shù)法鑒定了4種獼猴桃品種的耐熱性強弱為:贛獼6號>金魁>金艷>紅陽。因此,采用多項指標相結合的方法能夠有效地避免僅利用單項指標評價耐熱性的片面性 [25],同時,研究認為,單純采用隸屬函數(shù)法對獼猴桃種質(zhì)材料進行綜合評價也會存在一定的局限性。
試驗利用主成分分析與隸屬函數(shù)分析相結合的方法將8個單項生理指標綜合為4個相互獨立的綜合指標。CAT活性、POD 活性、SOD 活性、MDA含量、PRO含量、Protein含量、PPO活性、PAL活性,均可作為獼猴桃耐熱性鑒定指標,這與前人研究觀點基本一致[26]。試驗結果表明,17份獼猴桃種質(zhì)材料的耐熱性是由上述4個綜合指標共同決定,某一綜合指標的高低并不能完全決定某一種質(zhì)材料的耐熱性的強弱。筆者根據(jù)4個綜合指標值的貢獻率求出其相應的隸屬函數(shù)值,并依據(jù)各綜合指標的相對重要性(權重)進行加權,得到不同獼猴桃種質(zhì)材料耐熱性的綜合評價值(D 值),并通過聚類分析,在17份獼猴桃種質(zhì)材料中,篩選出了2份(華特、米良1號)高度耐熱種質(zhì)材料。這為以后開展獼猴桃耐熱性機理研究提供了試驗依據(jù),也為耐熱性獼猴桃新品種的選育提供了親本選擇。
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