芹菜幼苗耐热性鉴定的主成分分析

（1中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100094；2天津市设施农业研究所，天津 300192）

芹菜幼苗耐热性鉴定的主成分分析

朱 鑫1，2沈火林1*

（1中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100094；2天津市设施农业研究所，天津 300192）

采用主成分分析法及隶属函数分析法对8个芹菜品种幼苗的耐热性进行评价。结果表明：品种间差异显著的32个耐热性指标在进行主成分分析后，得到7个新的相互独立的综合指标；经隶属函数综合评价，供试芹菜品种幼苗耐热性从强到弱的顺序为：文图拉变异自交系＞加州王变异自交系＞津南实芹＞犹他52-70＞嫩脆西芹＞康乃尔＞伏芹＞金黄，与田间多年观察结果基本一致。

芹菜；耐热性；主成分分析

芹菜（Apium graveolens L.）是伞形花科二年生蔬菜，原产于地中海沿岸沼泽地区，在我国已有2 000多年的栽培历史。芹菜含有丰富的营养成分，且具有一定的医疗作用，日渐成为国内外主要栽培蔬菜种类之一。芹菜生长的最适温度为15～20 ℃，26 ℃以上生长不良，品质变劣，产量降低，因此适宜在春秋季栽培。为了实现芹菜的周年稳定供应，夏季生产中迫切需要耐热且质优的芹菜品种，耐高温已成为芹菜新品种选育的重要目标之一，耐热性鉴定方法的研究亦成为育种工作中的一个重要方面。

耐热性是一个受多基因控制的复杂性状（周群初和马艳青，2000；安凤霞 等，2007），不同抗性品种耐热机制不同，利用单项指标鉴定耐热性局限性较大，无法准确的反应作物的实际耐热能力（马晓娣 等，2004；韩瑞宏 等，2006；胡俏强 等，2011）。主成分分析法可以在不损失或很少损失原有信息的基础上，将众多的指标转换成新的、个数较少且彼此独立的因子（Wahid et al.，2007；Zhang & Xu，2009；胡国富 等，2010）。隶属函数分析法可以综合多个指标，对作物的耐热性进行综合评价（王凯红 等，2011）。本试验采用主成分分析法及隶属函数分析法，对8个芹菜品种幼苗的耐热性进行综合评价，以期为芹菜耐热育种提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试芹菜品种（品系）名称及编号见表1，在中国农业大学科学园进行耐热性评价试验，夏季露地自然高温条件下进行。连续2 a试验结果表明：文图拉变异自交系、津南实芹、加州王变异自交系耐热性较强，金黄、伏芹、康乃尔耐热性较差，嫩脆西芹和犹他52-70的耐热性中等。

表1 供试芹菜品种（品系）名称及编号

1.2 试验方法

幼苗第5片真叶展开时，在人工气候室内进行高温胁迫处理，胁迫温度为30 ℃/20 ℃（昼/夜，下同）；对照温度为20 ℃/12 ℃。光周期为12 h/12 h，光照强度126 μmol·m-2·s-2。采用50孔穴盘进行栽培，每个品种8盘，3次重复。处理10 d后进行生长量及生理生化指标的测定。

1.3 项目测定

1.3.1 耐热指数 幼苗第5片真叶展开时，每个品种取30株，带盘置于光照培养箱内进行高温胁迫处理，温度设定为35 ℃，光周期为12 h/12 h，光照强度126 μmol·m-2·s-2。处理72 h和96 h后进行耐热性调查，每处理3次重复。

耐热性分级标准：0级，植株生长正常；1级，植株轻度萎蔫，表现为叶柄挺直，叶片稍萎蔫，或有1～2片黄叶；3级，植株萎蔫，表现为叶片有皱缩，叶柄有失水现象，或有1～2片死叶；5级，植株严重萎蔫，表现为叶片重度皱缩，叶柄严重失水、倒伏，甚至干枯；7级，植株死亡。

1.3.2 生长量 幼苗第5片真叶展开时，每个品种取30株，测定株高、地上部鲜质量和地上部干质量，作为初始值；高温胁迫处理10 d后，再分别取30株，测定株高、地上部鲜质量和地上部干质量，减去相应的初始值，即得到其绝对增长量；以20 ℃/12 ℃处理的绝对增长量为对照，计算高温胁迫下各品种幼苗株高、地上部鲜质量和地上部干质量的相对增长量。每处理3次重复。

1.3.3 膜伤害率 幼苗第5片真叶展开时，每个品种取10株，分别取第2叶柄的叶片2份，质量均为2 g，1份置于40 ℃恒温箱内萎蔫1 h；另1份置于室温下1 h，作对照。采用电导仪法（李合生，2000）测定细胞膜伤害率，3次重复。细胞膜伤害率越高，表示膜稳定性越差。

1.3.4 生理生化指标 高温胁迫处理10 d后，每个品种取30株，称取第2叶柄上的展开叶0.5 g，测定可溶性总糖、丙二醛（MDA）、可溶性蛋白质、游离脯氨酸含量，可溶性总糖含量测定采用蒽酮比色法，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法，可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法，游离脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法（刘祖祺，1994；李合生，2000）。以20 ℃/12 ℃处理为对照，计算高温胁迫下各品种幼苗可溶性总糖、MDA、可溶性蛋白质、游离脯氨酸含量的相对值。每处理3次重复。

相对值=处理的绝对值/对照的绝对值

1.3.5 酶活性 高温胁迫处理10 d后，每个品种取10株，称取第2叶柄上的展开叶0.5 g，测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性，SOD活性测定采用氮蓝四唑（NBT）法，POD活性测定采用愈创木酚法，CAT活性测定采用高锰酸钾滴定法（李合生，2000）。以20 ℃/12 ℃处理为对照，计算高温胁迫下各品种幼苗SOD、POD、CAT活性的相对值。每处理3次重复。

1.3.5 内源激素含量 高温胁迫处理10 d后，每个品种取10株，称取第2叶柄上的展开叶1.0 g，测定吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、玉米素和玉米素核苷（Z+ZR）含量。激素含量测定采用中国农业大学作物化控研究室建立的间接酶联免疫吸附法（ELISA）（李合生，2000），在中国农业大学作物化控室进行，使用中国农业大学作物化控室提供的专用数据库软件计算内源激素含量。以20 ℃/12 ℃处理为对照，计算高温胁迫下各品种幼苗IAA、GA、ABA、Z+ZR含量的相对值。每处理3次重复。

1.4 主成分分析及隶属函数分析

采用Excel 2007软件和SPSS 13.0软件进行方差分析和主成分分析（贺仲雄，1985），然后利用隶属函数法评价8个芹菜品种耐热性的强弱。

式中，X为某品种的某一指标（如相对生长量）的测定值，Xmax为所有品种该指标测定值中的最大值，Xmin为所有品种该指标测定值中的最小值。

若某一指标（如膜伤害率）与温度胁迫耐性呈负相关，则可通过反隶属函数公式计算其耐性隶属函数值。

将某一品种各指标的隶属值进行累加，并求取平均值，平均值越大，则该品种的耐性越强。

2 结果与分析

2.1 方差分析

从表2可以看出，8个芹菜品种的32个指标组间差异均达到显著水平，而组内差异不显著。只有当各品种间的差异显著而重复间的差异不显著时，进行主成分分析才有意义，因此这32个指标都可以用来进行主成分分析。

表2 高温胁迫下8个芹菜品种的32个耐热指标的方差分析结果

2.2 主成分分析

从表3可以看出，前7项主成分的累计贡献率就达到了100%，其余各项的贡献率太小，可以忽略不计。这样就把原来的32个单项指标，变成了7个新的相互独立的综合指标。再按照累计贡献率大于80%的原则，保留前4项综合指标（贡献率分别为37.77%、19.69%、14.35%和10.25%，累计贡献率为82.06%）。

表3 主成分分析结果

从主成分分析结果（表3）和各因子载荷矩阵（表4）可以看出，第1主成分的特征根为12.09，贡献率为37.77%，对应大于0.7和小于-0.7的特征向量有：耐热指数（96 h）、MDA含量30 ℃/20℃相对值、可溶性蛋白质含量30 ℃/20 ℃相对值、可溶性总糖含量30 ℃/20 ℃绝对值、CAT活性30℃/20 ℃相对值、SOD活性30 ℃/20 ℃绝对值、IAA含量20 ℃/12 ℃绝对值、ABA含量20 ℃/12℃绝对值、ABA含量30 ℃/20 ℃相对值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相对值，其中可溶性蛋白质含量30 ℃/20 ℃相对值、ABA含量30 ℃/20 ℃相对值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相对值的载荷值比较大。MDA、可溶性蛋白质、可溶性总糖都和物质代谢有关，因此第1主成分又称为代谢-激素因子。

第2主成分的特征根为6.30，贡献率为19.69%，对应大于0.7和小于-0.7的特征向量有：地上部干质量30 ℃/20 ℃相对增长量、游离脯氨酸含量30 ℃/20 ℃绝对值、IAA含量30 ℃/20 ℃绝对值和IAA含量30 ℃/20 ℃相对值，其中地上部干质量30 ℃/20 ℃相对增长量和游离脯氨酸含量30 ℃/20 ℃绝对值的载荷值为正值，IAA含量30 ℃/20 ℃绝对值和IAA含量30 ℃/20 ℃相对值的载荷值为负值。故第2主成分又称为生长量-激素因子。

第3主成分特征根为4.59，贡献率为14.35%，对应大于0.7和小于-0.7的特征向量有：可溶性总糖含量30 ℃/20 ℃相对值和膜伤害率，其中膜伤害率的载荷值为负值，可溶性总糖含量30 ℃/20 ℃相对含量的载荷值为正值。膜伤害率主要和膜稳定性相关，因此第3主成分又称为膜稳定因子。

表4 各因子载荷矩阵

第4主成分特征根为3.28，贡献率为10.25%，对应大于0.7和小于-0.7的特征向量为POD活性30 ℃/20 ℃相对值。因此第4主成分又称为保护酶因子。

2.3 隶属函数分析

选取累计贡献率大于80%的4个主成分中特征根向量较大的17个指标进行隶属函数分析，计算出各品种的隶属函数值后再进行平均，根据平均值的大小来评价各品种的耐热性。其中膜伤害率、MDA含量30 ℃/20 ℃相对值和SOD活性30 ℃/20℃绝对值用反隶属函数公式计算，其余指标用隶属函数公式计算。

根据隶属函数值（表5）的大小对8个芹菜品种进行耐热能力排序，耐热性从强到弱的顺序为：文图拉变异自交系＞加州王变异自交系＞津南实芹＞犹他52-70＞嫩脆西芹＞康乃尔＞伏芹＞金黄，这与田间多年观察结果基本一致。

3 结论与讨论

通过主成分分析，将32个指标转换成7个新的相互独立的综合指标，累计贡献率达到了100%。按照累计贡献率大于80%的原则，选取前4个主成分，累计贡献率达82.06%，这4个主成分可归纳为代谢-激素因子、生长量-激素因子、膜稳定因子和保护酶因子。

高温对植物的伤害是一个复杂的生理过程，而植物抵抗高温胁迫的能力也是一个复杂的综合反应。不同植物的耐热机理不同，不同指标所反应的耐热性强弱也不同，因此单一指标很难全面而准确的反应植株的耐热性（李敏 等，2004；田学军 等，2009）。主成分分析法和隶属函数分析法相结合，既能通过各指标的内在联系找出反应耐热性的重要指标，把现有的多个指标优化成新的彼此独立的综合指标，又能避免单一指标的片面性，在多指标的基础上进行综合评价。近年来用于植物耐旱性和耐盐碱评价已取得一定的成果（肖佳雷 等，2007；石永红 等，2010），但是在耐热性评价上还应用得很少。本试验经主成分分析后选出了17个指标，对8个芹菜品种进行隶属函数综合评价，耐热性从强到弱的顺序为：文图拉变异自交系＞加州王变异自交系＞津南实芹＞犹他52-70＞嫩脆西芹＞康乃尔＞伏芹＞金黄，这与田间多年观察结果一致，说明利用该方法可以对不同品种芹菜的耐热性进行较为科学的评价。

表5 高温胁迫下8个芹菜品种的17个耐热指标的隶属函数值

高温胁迫下，植物体的生理生化过程发生不同程度的变化。耐热指数、生长量、MDA、可溶性蛋白质、可溶性总糖、各种保护酶和激素都能从一个方面反映出不同耐热性芹菜品种的变化，都可以作为耐热性的鉴定指标。其中可溶性蛋白质含量30℃/20 ℃相对值、ABA含量30 ℃/20 ℃相对值和Z+ZR含量30 ℃/20 ℃相对值在第1主成分中的载荷值比较高，能更敏捷的反应出植株的耐热性，特别是可溶性蛋白质含量30 ℃/20 ℃相对值，测定简单，实用性强，应在今后进行更深入的研究。

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胡俏强，陈龙正，张永吉，徐海，宋波，苏小俊，袁希汉．2011．普通白菜苗期耐热性鉴定方法研究．中国蔬菜，（2）：56-61．

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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，助理研究员，专业方向：蔬菜遗传育种，E-mail：zhuxin96@126.com

*通讯作者（Corresponding author）：沈火林，男，教授，专业方向：蔬菜遗传育种与生物技术，E-mail：SHL1606@cau.edu.cn

2013-11-22；接受日期：2014-01-08