基于主成分分析的B、Cu脅迫下油菜生理響應(yīng)機(jī)制研究

郭海如 崔雪梅 李春生

摘要：為研究油菜在B、Cu脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制，找出最佳的B、Cu濃度配比，采用5種不同濃度的Cu溶液和3種不同濃度的B溶液交叉處理盆栽油菜幼苗，脅迫20 d后測定油菜的葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、硝態(tài)氮含量、淀粉酶活性、丙二醛含量以及過氧化物酶活性。采用主成分分析法分析不同處理下各指標(biāo)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，T200B1組合時綜合權(quán)重最高，即B 0.5 mg/L 、Cu 200 mg/L配施時對各項(xiàng)綜合指標(biāo)最好，其次是Cu 100 mg/L、B 0.5 mg/L，說明0.5 mg/L的B對高濃度的Cu脅迫有較好的緩解作用，適量的B、Cu施用對油菜生長有很好的促進(jìn)作用。各項(xiàng)指標(biāo)在主成分中的權(quán)重排序得出，不同B、Cu處理對葉綠素影響最大。

關(guān)鍵詞：主成分分析法;重金屬元素;生理指標(biāo);油菜

中圖分類號： S634.301 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0096-03

油菜在我國的種植面積和總產(chǎn)量均居世界首位，其油產(chǎn)量在國產(chǎn)食用植物油中占50%以上[1]。近年來，我國油菜產(chǎn)量出現(xiàn)徘徊與下滑，尤其是2005—2007年我國油菜生產(chǎn)連續(xù)3年下滑，面積減少近20%[2]，國家的植物油的供應(yīng)受到直接影響，造成我國植物油總消費(fèi)量對外依存度一度達(dá)到61%，嚴(yán)重受制于國際供給[3]。這就需要我們從科研的層面上來研究如何提高油菜的產(chǎn)量和改善油菜的品質(zhì)。營養(yǎng)元素硼（B）和重金屬元素銅（Cu）均是高等植物生長發(fā)育所必需的微量元素，是影響油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要元素。

我國土壤普遍缺B，油菜缺B會導(dǎo)致花而不實(shí)和返花現(xiàn)象，因而要及時施B肥補(bǔ)充，但是B適合作物生長的范圍非常窄，控制不當(dāng)就容易出現(xiàn)缺B與B毒害現(xiàn)象[4-6]。Cu對植物正常的生理代謝、生長發(fā)育和產(chǎn)量形成起著重要的作用，但如果土壤中Cu過量，植物體內(nèi)過量的Cu就會抑制酶的活性，加劇植株體內(nèi)膜脂過氧化，導(dǎo)致植物生理代謝紊亂，從而對植物產(chǎn)生毒性作用。研究發(fā)現(xiàn)，過量Cu抑制了植物對N、P、K、Ca、Mg、S及微量元素的吸收[7-10]。

土壤環(huán)境中存在離子的拮抗或促進(jìn)作用，目前國內(nèi)外研究B、Cu對油菜生長的影響主要集中在單一元素的脅迫上，而缺乏2種元素同時作用于油菜的生理響應(yīng)研究，也很少運(yùn)用綜合分析方法找出最佳的配施比[11-12]。本研究用5種不同濃度的Cu溶液和3種不同濃度的B溶液交叉處理盆栽油菜幼苗，處理結(jié)束后測定油菜幼苗的葉綠素、蛋白質(zhì)、硝態(tài)氮、淀粉酶、丙二醛含量以及過氧化物酶活性等指標(biāo)。采用主成分分析法分析不同處理下各指標(biāo)的變化規(guī)律，找出B、Cu的最佳施用濃度以及不同處理對各項(xiàng)指標(biāo)的影響差異，以期為油菜的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試油菜品種為油霸旺，2016年9—12月在湖北工程學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取質(zhì)量飽滿、大小均勻的油菜種子，用 0.525% 的NaClO溶液浸泡25 min，清水洗凈后用去離子水浸泡過夜，次日挑選沉于下方的種子進(jìn)行催芽。將種子均勻放置在鋪有2層濾紙的托盤中，用蒸餾水浸潤濾紙，以濾紙上積累的水量恰好不流動為宜。將托盤放入25 ℃、光照度為4 lx、型號是MJX-250B-Z的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔8 h澆1次水，水量均等。3 d后種子露白，將種子移入裝有沙土的45個花盆中繼續(xù)培養(yǎng)（10株/盆），開始改澆1/2霍格蘭營養(yǎng)液，時間間隔與蒸餾水一致。21 d后，待幼苗長出5～6張子葉、幼莖較硬時，將45盆油菜隨機(jī)分成3組，每組3個重復(fù)，進(jìn)行B、Cu脅迫處理。Cu溶液用CuSO4配制，濃度設(shè)置為0、25、75、100、200 mg/L，B溶液用Na2B4O7配制，濃度設(shè)置為0、0.5、1.0 mg/L。脅迫處理20 d后，取油菜樣品測定各項(xiàng)生理指標(biāo)，各個指標(biāo)測定方法如表2所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，在MATLAB環(huán)境下采用主成分分析法處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 B、Cu各處理對油菜生理指標(biāo)的影響

用不同濃度的B、Cu交叉處理油菜幼苗，測定油菜幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)（表3）。從表3可以看出，單獨(dú)供Cu時，隨著Cu濃度的增加，油菜葉綠素a/b、總?cè)~綠素含量、蛋白質(zhì)含量、硝態(tài)氮含量均是先增加后降低;淀粉酶活性則先降低再增加后又降低，但均低于對照;過氧化物酶活性隨著Cu濃度的增加而降低;丙二醛含量隨著銅濃度的增加而增加。單獨(dú)供B時，與對照相比，油菜葉綠素含量差異不明顯;蛋白質(zhì)含量隨著B濃度的增加先降低再增加，但均低于對照;硝態(tài)氮含量、淀粉酶活性隨B濃度先增加后降低，均高于對照;過氧化物酶活性則隨著B濃度的增加而降低;丙二醛含量隨著B濃度的增加而增加。與對照相比，油菜各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化差異不明顯。

B、Cu配合施用時，葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉酶活性、過氧化物酶活性均是低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合明顯高于高濃度B（1.0 mg/L）和Cu的組合;當(dāng)0.5 mg/L的B和200 mg/L的Cu配施時，油菜的葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉酶活性、過氧化物酶活性均高于單施200 mg/L Cu的情況，丙二醛含量則明顯低于單施200 mg/L Cu的情況，說明B對高濃度的Cu有較好的緩解作用;硝態(tài)氮含量、丙二醛含量在低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合高于高濃度B（1.0 mg/L）和Cu配施的組合，說明高濃度B和Cu配施可以減少硝態(tài)氮、丙二醛的產(chǎn)生。

2.2 主成分分析B、Cu交互作用下油菜生理指標(biāo)變化規(guī)律

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難得出不同濃度的B、Cu脅迫處理對油菜各項(xiàng)指標(biāo)的綜合影響。采用主成分分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在MATLAB環(huán)境下編寫程序[13-16]，采用zscore（）對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并且采用corrcoef（）函數(shù)求出標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)矩陣（表4）。從表4可以看出，葉綠素b含量和總?cè)~綠素含量相關(guān)性很強(qiáng)，總?cè)~綠素含量、硝態(tài)氮含量變化與過氧化物酶活性相關(guān)性比較強(qiáng)，丙二醛含量變化與硝態(tài)氮含量變化、過氧化物酶活性負(fù)相關(guān)性比較強(qiáng)，其他指標(biāo)相關(guān)性一般。

采用pcacov（）函數(shù)計(jì)算表4中相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率（表5）。前4個主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到89.768 19%，濃縮了源數(shù)據(jù)的大部分信息，因此提取前4個成分作為分析不同鹽濃度下各指標(biāo)的特征。

前4個特征根對應(yīng)的特征向量如表6所示，第一主成分主要反映葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、丙二醛含量，第二主成分主要反映過硝態(tài)氮含量、過氧化物酶活性，第三主成分主要反映淀粉酶活性，第四主成分主要反映蛋白質(zhì)含量和淀粉酶活性。分別以4個主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建主成分綜合模型表達(dá)式如下：

Z=0.473 317 9y1+0.191 216 2y2+0.147 591y3+0.085 556 78y4。

把不同B、Cu處理下的4個主成分值代入上式，以各自的貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，求出不同B、Cu處理下各指標(biāo)的綜合排名（表7）。從表7中可以看出，T200B1組合時綜合權(quán)重最高，排名第一，說明當(dāng)B濃度為0.5 mg/L、Cu濃度為200 mg/L配施時對各項(xiàng)指標(biāo)最好，其次是T100B1、T75B0，分別是第2、第3名;對照組排名13，最差的是T25B1組合，說明低濃度的B、Cu產(chǎn)生了相互抑制作用。

最后，進(jìn)一步計(jì)算各指標(biāo)在主成分中的權(quán)重，并對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行排序，反過來可以分析不同B、Cu處理濃度對各指標(biāo)的影響程度。各指標(biāo)在主成分中的權(quán)重及排序如表8所示，從表8可以看出，不同B、Cu濃度對葉綠素影響最大。其次是蛋白質(zhì)含量，對硝態(tài)氮含量變化影響最小。

3 小結(jié)

單獨(dú)供Cu時，油菜葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、蛋白質(zhì)含量、過氧化物酶活性、硝態(tài)氮含量均是先增加后降低;而淀粉酶活性則先降低再增加后又降低;丙二醛含量隨著Cu濃度的增加而增加。說明適量Cu對葉綠素、蛋白質(zhì)和硝態(tài)氮含量及過氧化酶活性均有促進(jìn)作用，且能抑制丙二醛的產(chǎn)生，提高油菜的抗逆性。單獨(dú)供B時，與對照相比，油菜各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化差異不明顯。B、Cu配合施用時，葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉酶含量、過氧化酶活性均是低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合明顯高于高濃度B（1.0 mg/L）和Cu的組合;當(dāng)0.5 mg/L的B和200 mg/L的Cu配施時，油菜的葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉酶活性、過氧化物酶活性均高于單施200 mg/L Cu的情況，丙二醛含量則明顯低于單施200 mg/L Cu的情況，說明B對高濃度的Cu有較好的緩解作用;硝態(tài)氮含量、丙二醛含量在低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合高于高濃度B和Cu配施的組合，說明高濃度B和Cu配施可以減少硝態(tài)氮、丙二醛的產(chǎn)生。

運(yùn)用主成分分析法對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，T200B1組合時綜合權(quán)重最高，即B 0.5 mg/L、Cu 200 mg/L配施時對各項(xiàng)指標(biāo)最好，其次是Cu 100 mg/L、B 0.5 mg/L，而對照組排名13，說明適量的B、Cu施用對油菜生長有很好的促進(jìn)作用;最差的是T25B1組合，說明低濃度的B、Cu產(chǎn)生了相互抑制作用。

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