新疆哈密瓜苗期耐冷性評(píng)價(jià)

楊鴻基 徐誠(chéng) 高亞寧 楊建超 楊平 軒正英 阿依買木·沙吾提

摘? ? 要：為了挖掘新疆哈密瓜耐冷資源，為設(shè)施耐冷品種的選育提供研究基礎(chǔ)，筆者以14份哈密瓜為試材，采用人工模擬低溫的方法，在4 ℃低溫處理下，測(cè)定相關(guān)生長(zhǎng)、生理指標(biāo)，并采用主成分分析和隸屬函數(shù)分析，對(duì)14份哈密瓜幼苗的耐冷性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)原有的12個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到5個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo);通過聚類分析，把所有品種分為3類。其中，阿克陶1號(hào)等3個(gè)品種為耐冷性強(qiáng)的品種，西開心等8個(gè)品種為中度耐冷品種，其里甘等3個(gè)品種為冷敏感品種;通過逐步回歸分析，建立了評(píng)估哈密瓜苗期耐冷性的數(shù)學(xué)模型：D=-0.31+0.62RDW0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD，并篩選出根干質(zhì)量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性等4個(gè)指標(biāo)可作為哈密瓜苗期耐冷性評(píng)價(jià)的有效指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：哈密瓜;耐冷性;主成分分析;隸屬函數(shù)分析

中圖分類號(hào)：S652.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2022）02-090-05

Cold tolerance evaluation of hami melon seedlings in Xinjiang

YANG Hongji， XU Cheng， GAO Yaning， YANG Jianchao， YANG Ping， XUAN Zhengying， Ayimaimu·Shawuti

（The National-Local Joint Engineering Laboratory of High Efficiency and Superior-Quality Cultivation and Fruit Deep Processing Technology on Characteristic Fruit Trees/College of Horticulture and Forestry， Tarim University， Alar 843300， Xinjiang， China）

Abstract：In order to excavate the cold tolerance resources of Hami melon in Xinjiang， and provide the research basis for the breeding of greenhouse cold tolerance varieties. In this study， 14 Hami melon seedlings were treated at 4 ℃ by simulated low temperature， and their growth and physiological indexes were determined， and the cold tolerance of 14 Hami melon seedlings was evaluated by principal component analysis and membership function analysis. Based on the principal component analysis of the original 12 individual indexes， five new independent comprehensive indexes were obtained; Through cluster analysis， all varieties were divided into 3 categories， among which 3 varieties， such as Aketao 1， were strong cold-tolerant varieties， 8 varieties， such as Xikaixin， were moderate cold-tolerant varieties， and 3 varieties， such as Qiligan， were cold-sensitive varieties. Through stepwise regression analysis， a mathematical model was established to evaluate the cold tolerance of Hami melon at seedling stage： D=-0.31+0.62RDW0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD， and root dry weight， soluble protein， soluble sugar and superoxide dismutase， can be used as effective indexes for cold tolerance evaluation of Hami melon at seedling stage.

Key words：Hami melon; Cold tolerance; Principal component analysis; Membership function analysis

哈密瓜（Cucumis melo L.）又名甘瓜、網(wǎng)紋瓜、雪瓜、貢瓜，屬葫蘆科黃瓜屬的一年生草本植物，不僅是新疆傳統(tǒng)的名優(yōu)特產(chǎn)，還是國(guó)內(nèi)外重要的經(jīng)濟(jì)作物[1-2]。新疆得天獨(dú)厚的地理環(huán)境與特色氣候條件成就了新疆哈密瓜肉質(zhì)松脆、含糖量高、營(yíng)養(yǎng)豐富的品質(zhì)特點(diǎn)[3]。2016年我國(guó)哈密瓜產(chǎn)量約為250萬t，2018年達(dá)到305.6萬t左右。其中，新疆生產(chǎn)約165萬t，其產(chǎn)量超過全國(guó)總產(chǎn)量的一半[4]，由此可見哈密瓜對(duì)新疆當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展扮演著越來越重要的角色。但近幾年來，極端嚴(yán)寒等災(zāi)害性氣候頻繁發(fā)、氣候變化劇烈，早春設(shè)施常常發(fā)生低溫冷害現(xiàn)象，嚴(yán)重影響哈密瓜幼苗的正常生長(zhǎng)，造成哈密瓜產(chǎn)量的大幅度下降，給哈密瓜的生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。因此，篩選出適合設(shè)施栽培的哈密瓜專用品種勢(shì)在必行，而準(zhǔn)確地鑒定哈密瓜耐冷性的強(qiáng)弱和篩選出評(píng)價(jià)耐冷性的關(guān)鍵指標(biāo)是解決以上問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且對(duì)設(shè)施哈密瓜生產(chǎn)具有重大意義。

近年來植物耐冷性的評(píng)價(jià)引起了人們的廣泛關(guān)注，前人對(duì)甜瓜耐冷性多從萌芽期[6-7]、苗期形態(tài)[8]與生理生化[9]等方面進(jìn)行研究，然而針對(duì)新疆哈密瓜苗期耐冷性研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)以14份新疆哈密瓜為材料，進(jìn)行人工模擬低溫處理，采用主成分分析、聚類分析等方法對(duì)新疆哈密瓜苗期的耐冷性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分類，建立較為可靠的分級(jí)體系，并篩選出耐冷性較強(qiáng)的品種，旨在為耐低溫的設(shè)施品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用14份哈密瓜材料，由筆者所在課題搜集和保存（表1）。

1.2 方法

本試驗(yàn)于2020年10月在塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。播種前從14份哈密瓜材料中分別選取90粒飽滿的種子進(jìn)行催芽，將種子在55 ℃蒸餾水中浸種10 min，期間不斷攪拌，然后用熱水中浸泡8 h，撈出后放入溫度設(shè)置為28 ℃的人工培養(yǎng)箱內(nèi)（GXZ-800D），催芽24 h，待露白后，播種在裝有V草炭：V蛭石：V珍珠巖=1：1：1的32孔穴盤中，于智能溫室苗床上進(jìn)行育苗并進(jìn)行常規(guī)管理，育苗期間智能溫室溫度為白天（25 ～30 ℃）/夜晚（15～18 ℃）。當(dāng)幼苗生長(zhǎng)至3葉1心時(shí)，選用長(zhǎng)勢(shì)均一的幼苗進(jìn)行低溫處理。先將材料置于溫度為28 ℃/15 ℃的人工氣候室內(nèi)適應(yīng)48 h后，再于（4±1） ℃下進(jìn)行48 h低溫處理[10]，光照度8000 lx，晝夜時(shí)長(zhǎng)為16 h/8 h，以智能溫室培養(yǎng)的植株為對(duì)照，處理48 h后進(jìn)行采樣。每份材料15株，3次重復(fù)，每次重復(fù)5株。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1? ? 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定? ? 采用分析天平對(duì)根干質(zhì)量（RDW）、根鮮質(zhì)量（RFW）、地上部干質(zhì)量（ODW）、地上部鮮質(zhì)量（OFW）進(jìn)行稱量。稱量干質(zhì)量時(shí)，先將材料在105 ℃下殺青15 min，在85 ℃下恒溫干燥12 h，然后再稱量。植株生長(zhǎng)量（PMG）為處理前后植株干質(zhì)量之差。試驗(yàn)隨機(jī)選取5株幼苗進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2? ? 生理指標(biāo)測(cè)定? ? 隨機(jī)選取5株幼苗的第2片真葉，過液氮后搗碎取出較大葉脈，混勻，裝入凍存管中以-80 ℃中保存?zhèn)溆谩⒖几呖▲P[11]的方法測(cè)定游離脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SSC）和可溶性蛋白（SPC）含量等指標(biāo)。使用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒和酶標(biāo)儀（Infinete 200）對(duì)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性進(jìn)行測(cè)定，3次重復(fù)。

電導(dǎo)率（EC）采用型號(hào)為DDS 307的電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各指標(biāo)的相對(duì)值參考周亞峰等[12]的方法進(jìn)行計(jì)算，即：

相對(duì)值/%=（處理測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值）×100。

（1）

利用SPSS 26.0，進(jìn)行主成分分析、聚類分析和逐步回歸分析，利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法，對(duì)不同品種的耐冷性進(jìn)行鑒別和評(píng)價(jià)。各品種的綜合指標(biāo)（CI）、隸屬函數(shù)值（μ）、權(quán)重（ω）和綜合評(píng)價(jià)值（D）的計(jì)算，參照苗永美等[13]的方法，通過逐步回歸法建立D值與指標(biāo)間的回歸方程，利用回歸方程計(jì)算耐冷性綜合評(píng)價(jià)的預(yù)測(cè)值（VP）[14]。

耐冷綜合指標(biāo)CIi= [j=16Eij·X'j]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，CI i為某一品種第 i 個(gè)主成分得分，E i j表示第 i 個(gè)主成分第 j 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的特征向量，[X'j]表示第 j 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。本試驗(yàn)中 i=1，2，3，4，5;j=1，2，3，…12。

各品種綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值按下列公式計(jì)算：

μ（xi j）=（xi j –xj min）-（xj max–xj min）。? ? ? ? ? ? ? ? （3）

在式中：x i j表示 i 表示主成分分析中第 j 個(gè)綜合指標(biāo);x j max、x j min分別表示該指標(biāo)的最大值和最小值。

綜合指標(biāo)的權(quán)重可根據(jù)各綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率由以下公式求得：

ωj=pj /[jnpj] j= 1，2，3…，n。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，ωj值表示第 j 綜合指標(biāo)在各綜合指標(biāo)中的相對(duì)重要性及權(quán)重，pj為第 j 綜合指標(biāo)在主成分分析中的貢獻(xiàn)率，n為主成分的個(gè)數(shù)，本試驗(yàn)中 n=5。

用公式（5）計(jì)算各品種綜合耐冷性的強(qiáng)弱：

Di = [j=1n[μxij·ωj]]? i = 1，2，3，…;j = 1，2，，3，…，n。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，Di值為第 i 品種耐冷性的綜合評(píng)價(jià)值，n表示主成分的個(gè)數(shù)，本試驗(yàn)n=5。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)不同哈密瓜材料耐冷性指標(biāo)的影響

如表2所示，在4 ℃條件下處理48 h后，全部幼苗生長(zhǎng)受到抑制。與對(duì)照相比，低溫脅迫后的植株生長(zhǎng)量（PMG）、地上部分干質(zhì)量（ODW）、地上部分鮮質(zhì)量（OFW）、根干質(zhì)量（RDW）、根鮮質(zhì)量（RFW）均有所下降。其中，植株生長(zhǎng)量的變化幅度0.19～0.59，地上部分干質(zhì)量的變化幅度0.38～0.81，地上部分鮮質(zhì)量的變化幅度0.38～0.97，根干質(zhì)量的變化幅度0.39～0.83，根鮮質(zhì)量的變化幅度0.44～0.96，形態(tài)指標(biāo)的變異系數(shù)（CV）變化幅度為0.18～0.30。

由表3可知，經(jīng)4 ℃低溫處理后，14份供試材料生理指標(biāo)發(fā)生明顯變化。葉片的電導(dǎo)率（EC）、游離脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SPC）與對(duì)照相比均有增加，可溶性糖含量（SSC）與對(duì)照相比僅C7（西開心）有所下降，較對(duì)照比較過氧化物酶（POD）呈下降趨勢(shì)，超氧化物歧化酶（SOD）在大多數(shù)品種中呈下降趨勢(shì)，只在C9（阿克陶1號(hào)）、C11（岳普湖1號(hào)）、C13（超早豐F1）3份材料中呈上升趨勢(shì)，過氧化氫酶（CAT）在大部分品種中呈上升趨勢(shì)，而在4份品種C3（白庫克其）、C6（比斜克其2號(hào)）、C7（西開心）、C8（卡啦喀西）中呈下降趨勢(shì)，其生理指標(biāo)的變異系數(shù)（CV）變化幅度在0.11～0.46之間。

由于各指標(biāo)之間有一定程度的相關(guān)性，從而導(dǎo)致他們耐冷性表征信息有所重疊，所以難以用單一指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確、客觀地反映不同哈密瓜品種的耐冷性。因此，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)各指標(biāo)信息進(jìn)行有效的綜合利用是十分必要的。

2.2 哈密瓜幼苗指標(biāo)的主成分分析

對(duì)14份哈密瓜材料測(cè)定耐冷性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析后得到12個(gè)主成分，前5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率在85%以上，表明這5個(gè)綜合指標(biāo)（PC1～PC5）的貢獻(xiàn)率能夠解釋總變異的85.11%（表4）。這5個(gè)新的獨(dú)立的綜合指標(biāo)就能代表原來12個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的絕大部分信息。因此，選擇前5個(gè)主成分對(duì)哈密瓜耐冷性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

在5個(gè)新確定的綜合指標(biāo)中，第一主成分（PC1）的特征向量主要是根干質(zhì)量（0.47）、根鮮質(zhì)量（0.43）、電導(dǎo)率（-0.43）、過氧化物酶活性（-0.41），其中，特征值最大的是根干質(zhì)量;第二主成分（PC2）的特征向量主要是可溶性蛋白含量（0.46）、超氧化物歧化酶活性（-0.45）;第三主成分的特征向量主要是游離脯氨酸含量（0.51）、可溶性糖含量（0.45），其中，特征值最大的是游離脯氨酸含量;第四主成分是植株生長(zhǎng)量（0.41）、地上部分鮮質(zhì)量（-0.54），其中，特征值最大的是地上部分鮮質(zhì)量;第五主成分的特征向量主要是過氧化氫酶活性（-0.62），說明5個(gè)主成分主要與根干質(zhì)量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、地上部分鮮質(zhì)量、過氧化氫酶活性相關(guān)。

2.3 哈密瓜幼苗的耐冷性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率大小及累計(jì)貢獻(xiàn)率，計(jì)算各綜合指標(biāo)的權(quán)重，分別為0.33、0.28、0.15、0.15、0.09（表5）。

根據(jù)隸屬函數(shù)值及權(quán)重計(jì)算出每份材料的D值，并根據(jù)D值大小對(duì)不同材料的耐冷性進(jìn)行排序。其中，C9（阿克陶1號(hào)）的D值最大，表明耐冷性最強(qiáng);C12（闊克齊1號(hào)）D值最小，表明耐冷性最弱。基于D值的組間平均連接法進(jìn)行聚類（圖1），在距離為5處，14份種質(zhì)可以分為3類。第一類耐冷型強(qiáng)的品種，D值在0.68～0.71之間;第二類中度耐冷型的品種，D值介于0.38～0.52之間;第三類冷敏感性的品種，D值介于0.29～0.32之間（表6）。

2.4 耐冷性回歸模型建立

為了更加準(zhǔn)確地分析哈密瓜苗期的耐冷性與各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)值的關(guān)系，建立了評(píng)價(jià)哈密瓜苗期耐冷性的數(shù)學(xué)模型。利用SPSS軟件，以D值為因變量，以苗期各調(diào)查指標(biāo)的相對(duì)值為自變量，通過逐步回歸分析，建立最佳回歸方程：D=-0.31+0.62RDW+0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD，其中R2=0.965，P<0.05。用回歸方程對(duì)苗期4個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)值（VP）（表5），并對(duì)預(yù)測(cè)值和綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行相關(guān)性分析，得出兩者的相關(guān)系數(shù)r=0.921，呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明該回歸方程可用于哈密瓜苗期耐冷性的綜合評(píng)價(jià)。

3 討論與結(jié)論

雖然已有關(guān)于哈密瓜苗期耐冷性的研究報(bào)道，但是主要集中在生理指標(biāo)的響應(yīng)方面[15]，鮮見對(duì)哈密瓜耐冷性的綜合評(píng)價(jià)。植物的耐冷性是一個(gè)由遺傳和環(huán)境因素共同決定的復(fù)雜性狀[16-17]，不同品種的耐受機(jī)制各不相同，如果僅用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)，不但可信度低，而且結(jié)果不可靠[18]，故采用主成分分析和隸屬函數(shù)法等多元分析方法對(duì)植物開展全面的評(píng)價(jià)[19]，不僅可以消除單一指標(biāo)的局限性，還能提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性[20-21]，因此越來越多的研究人員通過外觀形態(tài)指標(biāo)、生理生化指標(biāo)等多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)法來確定供試材料的耐冷性，并建立可靠的評(píng)估體系[22]。

植物受到低溫脅迫時(shí)生理變化首先對(duì)脅迫做出反應(yīng)，其中可溶性糖和可溶性蛋白是影響植物耐冷性的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，武雁軍等[23]通過對(duì)厚皮甜瓜在4 ℃或6 ℃的生理生化指標(biāo)的研究表明，耐冷性強(qiáng)的品種可產(chǎn)生較多的可溶性糖、可溶性蛋白，它們可以作為判定厚皮甜瓜耐冷性的重要指標(biāo)，本次試驗(yàn)表明耐冷性與可溶性糖含量、可溶性蛋白含量呈正相關(guān)，說明可溶性糖和可溶性蛋白含量越高，耐冷性越好。本試驗(yàn)表明根干質(zhì)量與耐冷性呈正相關(guān)、SOD與耐冷性在一定程度上呈負(fù)相關(guān)，說明較高耐冷性哈密瓜SOD酶活性較低，與周亞峰等[12]研究結(jié)果相一致。

綜上所述，本試驗(yàn)采用主成分分析法，將12個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為5個(gè)新的綜合指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的分析，計(jì)算出隸屬函數(shù)值、權(quán)重、綜合評(píng)價(jià)值，采用組間平均連接法對(duì)D值進(jìn)行聚類分類，將14個(gè)品種的耐冷性分為3類。其中，耐冷性強(qiáng)的3個(gè)分別是C9（阿克陶1號(hào)）、C5（比斜克其1號(hào)）、C4（斯力克65），中度耐冷品種8個(gè)分別是C7（西開心）、C10（阿克陶2號(hào)）、C13（超早豐F1）、C3（白庫克其）、C6（比斜克其2號(hào)）、C11（岳普湖1號(hào)）、C1（比西克新75）、C8（卡啦喀西）、冷敏感品種3個(gè)分別是C2（其里甘）、C14（其力甘65）、C12（闊克奇1號(hào)）。采用逐步回歸分析法，以D值為因變量，苗期各指標(biāo)的相對(duì)值為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，建立了可靠的回歸方程，D=-0.31+0.62 RDW+0.18 SPC+0.10 SSC-0.21 SOD，通過回歸方程分析，從12個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)中篩選了根干質(zhì)量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性的相對(duì)值作為新疆哈密瓜苗期耐冷性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。

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