（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094；2天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，天津 300192）

芹菜幼苗耐熱性鑒定的主成分分析

朱 鑫1，2沈火林1*

（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094；2天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，天津 300192）

采用主成分分析法及隸屬函數(shù)分析法對8個芹菜品種幼苗的耐熱性進行評價。結(jié)果表明：品種間差異顯著的32個耐熱性指標(biāo)在進行主成分分析后，得到7個新的相互獨立的綜合指標(biāo)；經(jīng)隸屬函數(shù)綜合評價，供試芹菜品種幼苗耐熱性從強到弱的順序為：文圖拉變異自交系＞加州王變異自交系＞津南實芹＞猶他52-70＞嫩脆西芹＞康乃爾＞伏芹＞金黃，與田間多年觀察結(jié)果基本一致。

芹菜；耐熱性；主成分分析

芹菜（Apium graveolens L.）是傘形花科二年生蔬菜，原產(chǎn)于地中海沿岸沼澤地區(qū)，在我國已有2 000多年的栽培歷史。芹菜含有豐富的營養(yǎng)成分，且具有一定的醫(yī)療作用，日漸成為國內(nèi)外主要栽培蔬菜種類之一。芹菜生長的最適溫度為15～20 ℃，26 ℃以上生長不良，品質(zhì)變劣，產(chǎn)量降低，因此適宜在春秋季栽培。為了實現(xiàn)芹菜的周年穩(wěn)定供應(yīng)，夏季生產(chǎn)中迫切需要耐熱且質(zhì)優(yōu)的芹菜品種，耐高溫已成為芹菜新品種選育的重要目標(biāo)之一，耐熱性鑒定方法的研究亦成為育種工作中的一個重要方面。

耐熱性是一個受多基因控制的復(fù)雜性狀（周群初和馬艷青，2000；安鳳霞 等，2007），不同抗性品種耐熱機制不同，利用單項指標(biāo)鑒定耐熱性局限性較大，無法準(zhǔn)確的反應(yīng)作物的實際耐熱能力（馬曉娣 等，2004；韓瑞宏 等，2006；胡俏強 等，2011）。主成分分析法可以在不損失或很少損失原有信息的基礎(chǔ)上，將眾多的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成新的、個數(shù)較少且彼此獨立的因子（Wahid et al.，2007；Zhang & Xu，2009；胡國富 等，2010）。隸屬函數(shù)分析法可以綜合多個指標(biāo)，對作物的耐熱性進行綜合評價（王凱紅 等，2011）。本試驗采用主成分分析法及隸屬函數(shù)分析法，對8個芹菜品種幼苗的耐熱性進行綜合評價，以期為芹菜耐熱育種提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試芹菜品種（品系）名稱及編號見表1，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園進行耐熱性評價試驗，夏季露地自然高溫條件下進行。連續(xù)2 a試驗結(jié)果表明：文圖拉變異自交系、津南實芹、加州王變異自交系耐熱性較強，金黃、伏芹、康乃爾耐熱性較差，嫩脆西芹和猶他52-70的耐熱性中等。

表1 供試芹菜品種（品系）名稱及編號

1.2 試驗方法

幼苗第5片真葉展開時，在人工氣候室內(nèi)進行高溫脅迫處理，脅迫溫度為30 ℃/20 ℃（晝/夜，下同）；對照溫度為20 ℃/12 ℃。光周期為12 h/12 h，光照強度126 μmol·m-2·s-2。采用50孔穴盤進行栽培，每個品種8盤，3次重復(fù)。處理10 d后進行生長量及生理生化指標(biāo)的測定。

1.3 項目測定

1.3.1 耐熱指數(shù) 幼苗第5片真葉展開時，每個品種取30株，帶盤置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行高溫脅迫處理，溫度設(shè)定為35 ℃，光周期為12 h/12 h，光照強度126 μmol·m-2·s-2。處理72 h和96 h后進行耐熱性調(diào)查，每處理3次重復(fù)。

耐熱性分級標(biāo)準(zhǔn)：0級，植株生長正常；1級，植株輕度萎蔫，表現(xiàn)為葉柄挺直，葉片稍萎蔫，或有1～2片黃葉；3級，植株萎蔫，表現(xiàn)為葉片有皺縮，葉柄有失水現(xiàn)象，或有1～2片死葉；5級，植株嚴(yán)重萎蔫，表現(xiàn)為葉片重度皺縮，葉柄嚴(yán)重失水、倒伏，甚至干枯；7級，植株死亡。

1.3.2 生長量 幼苗第5片真葉展開時，每個品種取30株，測定株高、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量，作為初始值；高溫脅迫處理10 d后，再分別取30株，測定株高、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量，減去相應(yīng)的初始值，即得到其絕對增長量；以20 ℃/12 ℃處理的絕對增長量為對照，計算高溫脅迫下各品種幼苗株高、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量的相對增長量。每處理3次重復(fù)。

1.3.3 膜傷害率 幼苗第5片真葉展開時，每個品種取10株，分別取第2葉柄的葉片2份，質(zhì)量均為2 g，1份置于40 ℃恒溫箱內(nèi)萎蔫1 h；另1份置于室溫下1 h，作對照。采用電導(dǎo)儀法（李合生，2000）測定細(xì)胞膜傷害率，3次重復(fù)。細(xì)胞膜傷害率越高，表示膜穩(wěn)定性越差。

1.3.4 生理生化指標(biāo) 高溫脅迫處理10 d后，每個品種取30株，稱取第2葉柄上的展開葉0.5 g，測定可溶性總糖、丙二醛（MDA）、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸含量，可溶性總糖含量測定采用蒽酮比色法，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法，可溶性蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法，游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法（劉祖祺，1994；李合生，2000）。以20 ℃/12 ℃處理為對照，計算高溫脅迫下各品種幼苗可溶性總糖、MDA、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸含量的相對值。每處理3次重復(fù)。

相對值=處理的絕對值/對照的絕對值

1.3.5 酶活性 高溫脅迫處理10 d后，每個品種取10株，稱取第2葉柄上的展開葉0.5 g，測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性，SOD活性測定采用氮藍四唑（NBT）法，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，CAT活性測定采用高錳酸鉀滴定法（李合生，2000）。以20 ℃/12 ℃處理為對照，計算高溫脅迫下各品種幼苗SOD、POD、CAT活性的相對值。每處理3次重復(fù)。

1.3.5 內(nèi)源激素含量 高溫脅迫處理10 d后，每個品種取10株，稱取第2葉柄上的展開葉1.0 g，測定吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）、玉米素和玉米素核苷（Z+ZR）含量。激素含量測定采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控研究室建立的間接酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA）（李合生，2000），在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控室進行，使用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控室提供的專用數(shù)據(jù)庫軟件計算內(nèi)源激素含量。以20 ℃/12 ℃處理為對照，計算高溫脅迫下各品種幼苗IAA、GA、ABA、Z+ZR含量的相對值。每處理3次重復(fù)。

1.4 主成分分析及隸屬函數(shù)分析

采用Excel 2007軟件和SPSS 13.0軟件進行方差分析和主成分分析（賀仲雄，1985），然后利用隸屬函數(shù)法評價8個芹菜品種耐熱性的強弱。

式中，X為某品種的某一指標(biāo)（如相對生長量）的測定值，Xmax為所有品種該指標(biāo)測定值中的最大值，Xmin為所有品種該指標(biāo)測定值中的最小值。

若某一指標(biāo)（如膜傷害率）與溫度脅迫耐性呈負(fù)相關(guān)，則可通過反隸屬函數(shù)公式計算其耐性隸屬函數(shù)值。

將某一品種各指標(biāo)的隸屬值進行累加，并求取平均值，平均值越大，則該品種的耐性越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

從表2可以看出，8個芹菜品種的32個指標(biāo)組間差異均達到顯著水平，而組內(nèi)差異不顯著。只有當(dāng)各品種間的差異顯著而重復(fù)間的差異不顯著時，進行主成分分析才有意義，因此這32個指標(biāo)都可以用來進行主成分分析。

表2 高溫脅迫下8個芹菜品種的32個耐熱指標(biāo)的方差分析結(jié)果

2.2 主成分分析

從表3可以看出，前7項主成分的累計貢獻率就達到了100%，其余各項的貢獻率太小，可以忽略不計。這樣就把原來的32個單項指標(biāo)，變成了7個新的相互獨立的綜合指標(biāo)。再按照累計貢獻率大于80%的原則，保留前4項綜合指標(biāo)（貢獻率分別為37.77%、19.69%、14.35%和10.25%，累計貢獻率為82.06%）。

表3 主成分分析結(jié)果

從主成分分析結(jié)果（表3）和各因子載荷矩陣（表4）可以看出，第1主成分的特征根為12.09，貢獻率為37.77%，對應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量有：耐熱指數(shù)（96 h）、MDA含量30 ℃/20℃相對值、可溶性蛋白質(zhì)含量30 ℃/20 ℃相對值、可溶性總糖含量30 ℃/20 ℃絕對值、CAT活性30℃/20 ℃相對值、SOD活性30 ℃/20 ℃絕對值、IAA含量20 ℃/12 ℃絕對值、ABA含量20 ℃/12℃絕對值、ABA含量30 ℃/20 ℃相對值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相對值，其中可溶性蛋白質(zhì)含量30 ℃/20 ℃相對值、ABA含量30 ℃/20 ℃相對值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相對值的載荷值比較大。MDA、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖都和物質(zhì)代謝有關(guān)，因此第1主成分又稱為代謝-激素因子。

第2主成分的特征根為6.30，貢獻率為19.69%，對應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量有：地上部干質(zhì)量30 ℃/20 ℃相對增長量、游離脯氨酸含量30 ℃/20 ℃絕對值、IAA含量30 ℃/20 ℃絕對值和IAA含量30 ℃/20 ℃相對值，其中地上部干質(zhì)量30 ℃/20 ℃相對增長量和游離脯氨酸含量30 ℃/20 ℃絕對值的載荷值為正值，IAA含量30 ℃/20 ℃絕對值和IAA含量30 ℃/20 ℃相對值的載荷值為負(fù)值。故第2主成分又稱為生長量-激素因子。

第3主成分特征根為4.59，貢獻率為14.35%，對應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量有：可溶性總糖含量30 ℃/20 ℃相對值和膜傷害率，其中膜傷害率的載荷值為負(fù)值，可溶性總糖含量30 ℃/20 ℃相對含量的載荷值為正值。膜傷害率主要和膜穩(wěn)定性相關(guān)，因此第3主成分又稱為膜穩(wěn)定因子。

表4 各因子載荷矩陣

第4主成分特征根為3.28，貢獻率為10.25%，對應(yīng)大于0.7和小于-0.7的特征向量為POD活性30 ℃/20 ℃相對值。因此第4主成分又稱為保護酶因子。

2.3 隸屬函數(shù)分析

選取累計貢獻率大于80%的4個主成分中特征根向量較大的17個指標(biāo)進行隸屬函數(shù)分析，計算出各品種的隸屬函數(shù)值后再進行平均，根據(jù)平均值的大小來評價各品種的耐熱性。其中膜傷害率、MDA含量30 ℃/20 ℃相對值和SOD活性30 ℃/20℃絕對值用反隸屬函數(shù)公式計算，其余指標(biāo)用隸屬函數(shù)公式計算。

根據(jù)隸屬函數(shù)值（表5）的大小對8個芹菜品種進行耐熱能力排序，耐熱性從強到弱的順序為：文圖拉變異自交系＞加州王變異自交系＞津南實芹＞猶他52-70＞嫩脆西芹＞康乃爾＞伏芹＞金黃，這與田間多年觀察結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論與討論

通過主成分分析，將32個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成7個新的相互獨立的綜合指標(biāo)，累計貢獻率達到了100%。按照累計貢獻率大于80%的原則，選取前4個主成分，累計貢獻率達82.06%，這4個主成分可歸納為代謝-激素因子、生長量-激素因子、膜穩(wěn)定因子和保護酶因子。

高溫對植物的傷害是一個復(fù)雜的生理過程，而植物抵抗高溫脅迫的能力也是一個復(fù)雜的綜合反應(yīng)。不同植物的耐熱機理不同，不同指標(biāo)所反應(yīng)的耐熱性強弱也不同，因此單一指標(biāo)很難全面而準(zhǔn)確的反應(yīng)植株的耐熱性（李敏 等，2004；田學(xué)軍 等，2009）。主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法相結(jié)合，既能通過各指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系找出反應(yīng)耐熱性的重要指標(biāo)，把現(xiàn)有的多個指標(biāo)優(yōu)化成新的彼此獨立的綜合指標(biāo)，又能避免單一指標(biāo)的片面性，在多指標(biāo)的基礎(chǔ)上進行綜合評價。近年來用于植物耐旱性和耐鹽堿評價已取得一定的成果（肖佳雷 等，2007；石永紅 等，2010），但是在耐熱性評價上還應(yīng)用得很少。本試驗經(jīng)主成分分析后選出了17個指標(biāo)，對8個芹菜品種進行隸屬函數(shù)綜合評價，耐熱性從強到弱的順序為：文圖拉變異自交系＞加州王變異自交系＞津南實芹＞猶他52-70＞嫩脆西芹＞康乃爾＞伏芹＞金黃，這與田間多年觀察結(jié)果一致，說明利用該方法可以對不同品種芹菜的耐熱性進行較為科學(xué)的評價。

表5 高溫脅迫下8個芹菜品種的17個耐熱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

高溫脅迫下，植物體的生理生化過程發(fā)生不同程度的變化。耐熱指數(shù)、生長量、MDA、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、各種保護酶和激素都能從一個方面反映出不同耐熱性芹菜品種的變化，都可以作為耐熱性的鑒定指標(biāo)。其中可溶性蛋白質(zhì)含量30℃/20 ℃相對值、ABA含量30 ℃/20 ℃相對值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相對值在第1主成分中的載荷值比較高，能更敏捷的反應(yīng)出植株的耐熱性，特別是可溶性蛋白質(zhì)含量30 ℃/20 ℃相對值，測定簡單，實用性強，應(yīng)在今后進行更深入的研究。

安鳳霞，李景富，王傲雪，許向陽．2007．番茄耐熱性遺傳分析．中國蔬菜，（9）：15-17．

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Analysis of Principal Components for Celery Seedlings High Temperature Resistance

ZHU Xin1，2，SHEN Huo-lin1*

（1Collage of Agronomy and Biotechnology，China Agricultural University，Beijing 100094，China；2Tianjin Facility Agriculture Research Institute，Tianjin 300192，China）

The high temperature resistance of 8 celery（Apium graveolens L.） varieties at the seedling stage was evaluated by principal components analysis and subordinate function analysis．The results showed that 32 high temperature resistance indexes with significant differences could be classified by principal components analysis into 7 new comprehensive indexes with mutually independent components analysis．Through subordinate function analysis，the order of high temperature resistance from high to low was‘Wentula mutation lines’＞‘Jiazhouwang mutation lines’＞‘Jinnanshiqin’＞‘Yota 52-70’＞‘Cuinenxiqin’＞‘Kangnaier’＞‘Fuqin’＞‘Jinhuang’，which was consistent with the results of field observation in the past several years．

Celery；High temperature resistance；Principal components analysis

朱鑫，女，助理研究員，專業(yè)方向：蔬菜遺傳育種，E-mail：zhuxin96@126.com

*通訊作者（Corresponding author）：沈火林，男，教授，專業(yè)方向：蔬菜遺傳育種與生物技術(shù)，E-mail：SHL1606@cau.edu.cn

2013-11-22；接受日期：2014-01-08