基于主成分分析的谷子品種萌芽期抗旱性鑒定與分類

朱曉東趙術(shù)偉陳國秋

(遼寧省旱地農(nóng)林研究所,遼寧 朝陽 122000)

長期以來谷子一直是旱地農(nóng)業(yè)的重要作物,選擇相對抗旱的品種成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和常規(guī)育種與現(xiàn)代生物技術(shù)研究的迫切需要[1]。水分脅迫是研究谷子抗旱性的主要手段之一,一般是指采用特定方法致使植物水分散失超過水分吸收,從而使組織含水量下降,引起一定程度的代謝失調(diào)。PEG是聚乙二醇,無毒、無刺激性,易溶于水,經(jīng)常用作植物水分脅迫劑,1979年首次用PEG作為誘導(dǎo)劑篩選出抗旱的煙草細胞系[2];之后,高粱種子用PEG誘導(dǎo),其愈傷組織為材料獲得了耐旱性強的再生植株[4]。類似的研究國內(nèi)也有一定進展,用多種途徑獲得抗PEG脅迫的苜蓿細胞系[5]。龔子端等得出的結(jié)論是: PEG是模擬干旱脅迫的最佳材料[6]。目前,國內(nèi)外研究者利用PEG做脅迫劑在玉米、小麥、水稻、花生等植物上的研究較多[7～10],而在谷子抗旱性方面的研究較少,其抗旱性鑒定的標(biāo)準(zhǔn)也尚不明確[11]。本研究利用PEG-6000溶液進行模擬干旱脅迫,對15份谷子品種進行種子萌芽期抗旱性的初步鑒定,并加以分類,為今后本地區(qū)谷子抗旱品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

收集省內(nèi)外的谷子品種15份,見表1。聚乙二醇PEG-6000,江蘇南通宇辰化工有限公司生產(chǎn),平均分子質(zhì)量6 000～8 000,廣東汕頭市西隴化工廠生產(chǎn),作為滲透劑模擬水分脅迫。

表1 供試谷子品種及來源

1.2 試驗設(shè)計

試驗時間于2020年3～4月,地點在遼寧省旱地農(nóng)林研究所試驗室內(nèi),所用儀器為RXZ-1000B型人工氣候箱。選用15個谷子品種,每個品種篩選飽滿的籽粒,浸泡在50 g/L的次氯酸鈉溶液中消毒15 min,之后用純凈水清洗晾。從晾干的種子中每個品種選取30粒,盡量均勻地擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中,每個品種需擺放15個培養(yǎng)皿,分別加入濃度為120 g/L、160 g/L、200 g/L、240 g/L的PEG-6000溶液7 ml,純凈水為對照,即5個處理3次重復(fù)。培養(yǎng)皿用保鮮膜封口,放置在RXZ-1000B型人工氣候箱內(nèi),氣候箱白天溫度為28 ℃,夜間25 ℃,光照/黑暗為12 h/12 h,濕度為60%,光照強度為10 000 lx,連續(xù)培養(yǎng)8 d。在第2、第4、第6、第8天調(diào)查發(fā)芽數(shù), 第4天調(diào)查發(fā)芽勢,第8天調(diào)查發(fā)芽率。

相對萌發(fā)抗旱指數(shù)X1(DGRI)=PEG脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)(PIS)/對照種子萌發(fā)指數(shù)(PIC),式中PIS/PIC =(1.00)d2+(0.75)d4+(0.50)d6+(0.25)d8,其中,d2、d4、d6和d8分別為第2、第4、第6和第8天的萌發(fā)率[12]。

相對發(fā)芽勢X2=脅迫下種子發(fā)芽勢/對照種子發(fā)芽勢。

相對發(fā)芽率X3=脅迫下種子發(fā)芽率/對照種子發(fā)芽率。第8天在每個培養(yǎng)皿中隨機抽取10株調(diào)查根長和芽長,然后用烘干箱在85 ℃溫度下烘干24 h,烘干后稱量芽干重、根干重和剩余籽粒干重,根芽比=根干重/芽干重;計算貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率(%)=[苗干重(芽+根)/各部分總干重(芽+根+籽粒)]×100%[13]。

相對根長X4=脅迫下種子根長/對照種子根長。

X5=脅迫下種子芽長/對照種子芽長。

相對根干重X6=脅迫下種子根干重/對照種子根干重。

相對芽干重X7=脅迫下芽干重/對照種子芽干重。

相對根芽比X8=脅迫下根芽比/對照根芽比。相對貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率X9=脅迫下貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率/對照貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用 Microsoft Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理,計算各處理性狀的平均值和相對值,各指標(biāo)相對值:各指標(biāo)相對值=不同濃度處理的指標(biāo)/對照處理的指標(biāo)。用WPS 18.10進行相關(guān)性分析和主成分(PCA)分析[14～15], 并對15個品種的抗旱性進行綜合評價。對各測量指標(biāo)均采用干旱脅迫處理和對照處理的相對值,相對值比絕對值能更好地反映不同品種的抗旱性[16～17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同谷子品種萌發(fā)期對干旱脅迫的響應(yīng)

表2中數(shù)據(jù)看出,在240 g/L的PEG-6000濃度下,所有品種發(fā)芽率為0,說明在240 g/L的PEG濃度已經(jīng)超出所有參試品種的耐旱能力。9個指標(biāo)中,除了根芽比以外,其余8個指標(biāo)值均隨著干旱脅迫程度的加強而呈下降趨勢。朝谷118(S10)和燕谷18(S12)在120 g/L濃度下相對抗旱指數(shù)最高為0.95,朝谷20在200 g/L下相對抗旱指數(shù)最低為0.04;在120 g/L濃度下,朝谷13(S2)、朝谷58(S7)、朝谷118(S10)、燕谷18(S12)、豫谷18(S14)等5個品種均比對照有較高的發(fā)芽率,說明適當(dāng)?shù)乃置{迫會促進部分谷子品種發(fā)芽,其余品種發(fā)芽受到不同程度抑制[18]。

表2 干旱脅迫條件下谷子萌發(fā)性狀值

由于240g/L的PEG-6000溶液下所有品種發(fā)芽率為0,本組數(shù)據(jù)不再統(tǒng)計。對15個谷子品種在3個脅迫濃度(120 g/L、160 g/L、200 g/L)下的測定值均賦以相同權(quán)重(3種濃度下的3個相對值取平均數(shù)),結(jié)果如表3。所有參試品種3種脅迫濃度X1～X7的平均值都小于1,說明在120～200 g/L濃度下,相對萌發(fā)抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根長、相對芽長、相對根干重、相對芽干重都受到抑制,其中朝谷118(S10)相對芽率最高,為0.87。15個參試品種中,相對根芽比有10個品種大于1,說明水分脅迫下在一定程度上對芽的抑制作用高于對根的抑制作用。貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率可以較好地反映品種對種子中貯藏物質(zhì)的利用速率和相對效率,還可以反映體內(nèi)能量供應(yīng)水平[19]。燕谷18(S12)的相對貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最高,為1.06,對干旱脅迫不敏感,金苗K1(S13)的相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率最低, 為0.57, 對干旱脅迫較敏感。在干旱脅迫下,萌發(fā)抗旱指數(shù)能較客觀地鑒定和評價品種對干旱脅迫的各種反應(yīng)[20]。燕谷18(S12)相對萌發(fā)抗旱指數(shù)最高,為0.71,而朝谷20(S5)的相對萌發(fā)抗旱指數(shù)最低,為0.34。

表3 干旱脅迫條件下谷子各萌發(fā)性狀權(quán)重后的值

2.2 不同谷子品種萌發(fā)期各性狀的相關(guān)性分析

利用雙變量Pearson簡單相關(guān)系數(shù)法對干旱脅迫下萌發(fā)期9個指標(biāo)性狀的相對值進行相關(guān)性分析(表4)[15],多數(shù)性狀之間呈現(xiàn)正相關(guān),部分性狀相關(guān)性達到了顯著或極顯著水平。相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根長、相對根干重以及相對貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率與相對萌發(fā)抗旱指數(shù)相關(guān)系數(shù)較大, 分別達到 0.825**、0.787**、0.623*、0.613*和0.753**,該結(jié)果與劉桂紅等人的研究結(jié)果相類似[16]。相對根芽比與相對萌發(fā)抗旱指數(shù)呈負相關(guān),這與秦嶺等人的研究結(jié)果相似[18]。相對根長、相對芽干重和相對干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率極顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.530*、0.660**,這與王藝陶等人在高粱上的研究結(jié)果相似[15]。本研究的結(jié)果,相對發(fā)芽勢和相對貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率極顯著正相關(guān),相關(guān)系為0.865**。

表4 干旱脅迫下谷子各萌發(fā)性狀的相關(guān)系數(shù)

2.3 不同谷子品種萌發(fā)期抗旱性主成分分析

主成分分析是通過降維的方式,描述隱藏在一組被測變量中無法直接測量到的隱性變量,是綜合處理多因素問題的有效方法[15]。本試驗中,不同水分脅迫強度下測得的各個性狀值經(jīng)加權(quán)平均后進行主成分分析,結(jié)果如表5。

表5 3個主成分特征值及累計貢獻率

前3個主成分的累計貢獻率達到85.688%,可代表變量的絕大多數(shù)信息。繼續(xù)分析,得到前3個主成分的規(guī)格化特征向量,如表6。依表6得到因子得分公式:

表6 各成分規(guī)格化特征向量

一般情況下,綜合的主成分個數(shù)越多,綜合指標(biāo)的方差越小,分辨率也就越小,也就是說多個主成分加權(quán)綜合反而降低評價指標(biāo)的區(qū)分程度,所以只有第1主成分才具有綜合評價能力[16]。且公式(1)中-0.031X8需將負值進行正向化處理,

本試驗將表3數(shù)據(jù)代入公式(4),得到各個品種Y值(表7),Y值越大,品種的抗旱性越強。參試谷子品種萌發(fā)期抗旱性為S12＞S10＞S3＞S11＞S7＞S9＞S2＞S4＞S6＞S14＞S1＞S15＞S8＞S13＞S5。

表7 各谷子品種主成分Y值及抗旱性排序

2.4 不同谷子品種萌發(fā)期抗旱性聚類分析

將15個谷子品種在3個不同 PEG-6000溶液濃度下測得的9個性狀的相對值數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后, 進行聚類分析(圖1),結(jié)果表明, 15個谷子品種可以分為3種類型, 且根據(jù)主成分分析結(jié)果判斷, 3種類型從第 I類到第Ⅲ類基本遵循抗旱性由弱到強排列。第 I 類,S5、S8、S13、S15共4個品種,為一般抗旱型;第Ⅱ類,S1、S2、S3、S4、S6、S7、S9、S10、S11、S14共10個品種,為中等抗旱型;第Ⅲ類,S12為高度抗旱型[21]。

圖1 干旱脅迫下15個谷子品種聚類圖

3 討論

通過簡便、快速而準(zhǔn)確的萌發(fā)期抗旱性鑒定分析方法,篩選出具有萌發(fā)期抗旱性的作物品種,具有重要理論意義和實踐價值[15]。許多作物抗旱性研究表明,作物抗旱性受多種因素影響,以單一指標(biāo)評價高粱萌發(fā)期的抗旱能力具有一定的片面性,而多指標(biāo)評價又過于繁瑣和低效,通過其中的幾個主要因素進行分析則可達到快速、準(zhǔn)確的目的[22～23]。本試驗利用主成分和聚類分析的方法,對15個谷子品種萌發(fā)期抗旱性進行了鑒定與分類,接近其他研究結(jié)果。主成分分析中,一般將前幾個主成分按方差貢獻加權(quán)計算綜合指標(biāo)(Y值),這樣會降低第一主成分的方差,第一主成分的信息量不但不會增加反而會降低,唐啟義等在《DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)》第二卷第18章中有詳細描述。所以本研究在計算過程中采用對原變量具有最大綜合表達能力的第一主成分進行Y值計算,所得結(jié)果應(yīng)該更接近實際,希望各位同行探討研究。另外,PEG干旱脅迫與田間干旱環(huán)境畢竟存在一定差距,本試驗結(jié)果如果有土壤含水量脅迫試驗結(jié)果的驗證,將更具有效性。

4 結(jié)論

谷子萌芽期干旱脅迫下相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根長、相對根干重以及相對貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率與相對萌發(fā)抗旱指數(shù)相關(guān)顯著。通過主成分分析和聚類分析, 15個參試谷子品種根據(jù)其抗旱性可以分為3種類型,第 I 類,朝谷20(S5)、朝谷59(S8)、金毛23(S13)、濟谷22(S15)共4個品種,為一般抗旱型;第Ⅱ類,朝谷12(S1)、朝谷13(S2)、朝谷15(S3)、朝谷19(S4)、朝谷54(S6)、朝谷58(S7)、朝谷62(S9)、朝谷118(S10)、朝谷1459(S11)、豫谷18(S14),共10個品種,為中等抗旱型;第Ⅲ類,燕谷18(S12)為高度抗旱型。