厚皮甜瓜种子萌芽期耐冷性评价方法研究

刘宏宇，姚雪，栾非时，王学征

（东北农业大学园艺学院，哈尔滨　150030）

厚皮甜瓜种子萌芽期耐冷性评价方法研究

刘宏宇，姚雪，栾非时，王学征

（东北农业大学园艺学院，哈尔滨150030）

以89个厚皮甜瓜品种为试验材料，测定低温胁迫条件（18℃）下种子萌芽期相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对胚根长度和相对活力指数；采用相关性分析、主成分分析、隶属函数分析和逐步回归分析等方法综合评价萌芽期耐冷性。结果表明，厚皮甜瓜不同品种种子萌芽期耐冷性不同，相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对胚根长度和相对活力指数5项指标间呈正相关。通过主成分分析将5个单项指标转换为2个相互独立的综合指标，通过隶属函数分析对各综合指标相对重要性加权获得各品种耐冷性综合评价D值，以D值为89份甜瓜材料排序，从高到低区分其耐冷性，并建立评价厚皮甜瓜耐冷性回归方程。

厚皮甜瓜；萌芽期；耐冷性；综合评价

网络出版时间2016-7-20 11:10:39［URL］http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160720.1110.008.html

刘宏宇,姚雪,栾非时,等.厚皮甜瓜种子萌芽期耐冷性评价方法研究[J].东北农业大学学报,2016,47(7):24-31.

Liu Hongyu,Yao Xue,Luan Feishi,et al.Study on evaluation method of chilling tolerance at germination stage inCucumis melo[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):24-31.(in Chinese with English abstract)

甜瓜（Cucumis melo L.）原产于印度、非洲热带沙漠地区，作为一种喜温、耐热一年生蔬菜作物，对低温反应极其敏感。甜瓜根据其生态学、植物学、生物学特性可分为厚皮甜瓜和薄皮甜瓜两大类［1-2］。厚皮甜作为我国大棚主栽品种之一，对温度要求较为严格。低温胁迫常常会影响作物生长发育，引起其生理、生化、形态等方面一系列变化，是限制厚皮甜瓜产量和品质主要逆境因子之一。众多学者对蔬菜作物在生理、生化、形态、产量等方面开展耐冷性研究，探讨鉴定指标和生理机制［3-6］。蔬菜耐冷性评价相关研究常选择萌芽期和幼苗期，种子萌芽期耐冷性与幼苗期耐冷性显著相关［7］。基因型决定种子发芽过程耐冷性［8］。不同种质遗传差异决定种子发芽过程耐冷性差异，因此低温发芽能力可作为低温逆境下田间出苗状况有效预测指标［9］。目前，耐冷性评价方法缺乏统一标准，对大量甜瓜品种种子萌发期耐冷性综合评价研究鲜见报道。为此，本研究对89个厚皮甜瓜品种开展萌芽期耐冷性试验，通过测定和筛选种子萌芽期低温敏感指标，系统运用多元分析方法综合评价厚皮甜瓜耐冷性，以期为甜瓜耐冷性鉴定、筛选与耐冷新品种选育提供理论依据。

1　材料与方法

1.1供试材料及试验处理

供试材料为89份不同类型厚皮甜瓜品种，均由东北农业大学西甜瓜遗传育种课题组提供。供试品种编号及名称见表1。

表1　供试材料信息Table 1Informations of experimental materials

选取籽粒饱满、大小一致甜瓜种子，55℃温汤浸种后浸泡6 h，再用蒸馏水冲洗，分别平放于铺有双层滤纸培养皿中，每培养皿30粒，完全随机排列，分别置于常温（28℃）和低温（18℃）光照培养箱（HPG-280BX型）中黑暗条件下发芽。试验期间保持种子充分湿润，每天用蒸馏水冲洗并更换滤纸，每品种3次重复。

1.2测定项目与方法

试验每24 h检查发芽粒数，常温下第2天测量胚根长度，低温下于第8天测量胚根长度，胚根长度测量以胚根突破种皮1 mm为标准。为消除种子活力差异造成的误差，发芽势、发芽率、发芽指数、胚根长度、活力指数等指标均采低温与常温数据相对比率表示，按下列公式计算相关指标：

发芽率（%）=发芽种子数/供试种子数×100%；发芽势（%）=前6 d种子发芽数/供试种子数×100%；

发芽指数=∑（Gt/Dt），Gt为第t天日发芽数，Dt为相应发芽日数；

活力指数=发芽指数×胚根长度；

相对发芽率（%）=低温下发芽率（第8天）/常温下发芽率（第6天）×100%；

相对发芽势（%）=低温下发芽势（第6天）/常温下发芽势（第2天）×100%；

相对发芽指数（%）=低温下发芽指数（第8天）/常温下发芽指数（第2天）×100%；

相对胚根长度（%）=低温下胚根长度（第8天）/常温下胚根长度（第2天）×100%；

相对活力指数（%）=低温下活力指数（第8天）/常温下活力指数（第2天）×100%。

1.3数据统计与分析

Microsoft Office Excel 2007软件完成所有相关指标参数值计算。采用DPS v7.05b软件作主成分分析、相关性分析和逐步回归分析。甜瓜耐冷性评价方法采用模糊数学隶属函数法，按以下公式分别计算各项鉴定评价指标隶属函数值：

U（Xj）=（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin）j=1，2，…，n（1）

U（Xj）=1-［（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin）］

j=1，2，…，n（2）

公式（1）求得各供试材料每个综合指标隶属函数值，式中，Xj表示第j个综合指标，Xmax表示第j个综合指标最小值，Xmax表示第j个综合指标最大值。

式中，IWj表示第j个综合指标在所有综合指标中重要程度即权重；Pj为各基因型第j个综合指标贡献率。

式中，D值为各基因型在低温胁迫条件下耐冷性综合评价值。

2　结果与分析

2.1厚皮甜瓜种子萌芽期耐冷性相关性状及其相关分析

由表2可知，不同厚皮甜瓜品种低温胁迫下种子发芽能力降低，但不同品种各单项指标变化幅度不同。18℃低温胁迫下，89个甜瓜品种种子相对发芽率、相对发芽势不同品种间变化幅度分别为0～111.11%、0～115.39%。其中，37个品种相对发芽率达100.00%，33个品种相对发芽势达100.00%，表明低温对其发芽速率基本未产生影响。5个品种相对发芽率低于10.00%，6个品种相对发芽势低于10.00%，表明其种子在低温胁迫下基本丧失活力。发芽指数反映种子萌芽期综合活力，低温胁迫条件下相对发芽指数在品种间变化幅度为0～120.79%，分布范围显著增加，数据分布较均匀。相对胚根长度是反映与种芽生长量相关的指标，其变化幅度为18.25%～93.24%，其中31个品种相对胚根长度低于50.00%，9个品种相对胚根长度高于80.00%。相对活力指数是反映种子发芽速度和生长量的综合指标，变化幅度为0～105.13%，仅39和21号相对活力指数高于80.00%，分别为105.13%和90.55%，64个品种相对活力指数低于50.00%。

对89份厚皮甜瓜材料低温胁迫条件下RGR、RGP、RGI、RRL和RVI 5个指标作相关性分析（见表3）。结果表明，5个指标之间呈正相关，且相关性较大，其中RGR与其他4个指标，RGP与RGI、RVI，RGI与RVI以及RRL与RVI呈显著正相关，RGI与RRL呈极显著正相关。萌芽期各性状指标从不同角度反映甜瓜种子萌芽期耐冷性，且其提供信息有部分重叠。因此，直接利用各单项指标不能直观、大量评价甜瓜品种耐冷性，需在此基础上进一步利用其他多元统计方法综合分析，准确评价其萌芽期耐冷性。

2.2厚皮甜瓜萌芽指标主成分分析及耐冷性综合评价

将数据标准化后再作主成分分析，得到样本相关矩阵特征向量和累计贡献率（见表4）。结果表明，前2个主成分贡献率分别为72.68%和20.20%，累计贡献率达92.89%，其余可忽略不计。因此将原来5个单项指标转换为两个新的相互独立综合指标。其中，第1主成分携带RGR、RGP、RGI和RVI方面信息，第2主成分携带RRL方面信息。且第1主成分中RGP特征向量最大（0.4854），第2主成分中RRL特征向量最大（0.8656），两个主成分主要与种子发芽势和胚根长度关系较大。

表2　不同厚皮甜瓜品种萌芽期耐冷性相关性状指标Table 2Character indices related to chilling resistance of different melon varieties at germination stage

表3　甜瓜萌芽指标之间相关性分析Table 3Correlation analysis among germination indices of melon

表4　各主成分特征向量及贡献率Table 4Eigenvectors of principal components（PC）and contributive rate

利用公式（1）和（2）计算各品种所有综合指标隶属函数值，隶属函数值可作为甜瓜耐冷性量度值，初步评价甜瓜材料耐冷性。根据各综合指标贡献率大小，利用公式（3）计算3个综合指标权重，分别为0.7825和0.2175。根据各品种各综合指标U值和权重，利用公式（4）获得各品种耐冷性综合评价D值（见表5）。以D值对89份厚皮甜瓜材料排序，从高到低区分其耐冷性。不同厚皮甜瓜品种综合评价D值变化范围为0.0186～0.8765，采用最大距离法对各品种D值聚类分析，如图1所示，可将89份甜瓜材料划分为5个类型：强耐冷型（High resistant，HR）、耐冷型（Resistant，R）、中度耐冷类型（Middleresistance，MR）、不耐冷类型（Low sensitive，LS）和冷敏感类型（Sensitive，S），其中强耐冷型15份，分别为IranH、白皮脆、TN、M-021、PI164179、益都黄银瓜-3、PI164433、PI183046、公爵、三棱红、PI313970、益都黄银-1、WI998、PI-140662和灰姑娘。冷敏感型8份，分别为PMR6、PI614526、Vedrantais、BT3、Edisto47、PMR45、PI-177351和Kurumeke No6。

表5　各品种综合指标U（X）值、权重（IW）、D值、预测值（P）及排序Table 5Value of each variety's comprehensive index U（X），index weight（IW），D，prediction（P）and ranking

续表

图1　甜瓜89个品种耐冷性聚类Fig.1Clusters for 89 melon cultivars

2.3逐步回归分析及最优回归方程建立

为更精确分析甜瓜品种耐冷性与各分析指标之间关系，建立可靠的耐冷性评价数学模型，把综合评价89份甜瓜材料耐冷性D值作为因变量，各单项指标测定值平均值作自变量逐步回归分析，建立最优回归方程：Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5，方程决定系数R2= 0.9985，P=0.0001。由方程可知，5个单项指标中有4个指标对甜瓜耐冷性有显著影响，分别是相对发芽率（X1）、相对发芽势（X2）、相对胚根长度（X4）和相对活力指数（X5）。利用回归方程得出89个甜瓜品种耐冷性预测值P，将其与耐冷性综合评价值作相关分析，得出二者相关系数r=0.9989，达极显著水平，说明该方程中指标对耐冷性影响明显，该回归方程可用于甜瓜萌芽期耐冷性评价。

3　讨论

研究表明，作物不同生育期耐冷性由不同基因控制，对低温胁迫表现不同。因此，不同生育期应有各自耐冷性评价体系［10］。利用萌芽期低温胁迫条件下与发芽速率和生长量相关指标评价不同种质耐冷性、重复性好、稳定性强、试验周期短、操作方法简便易行。已较早应用于多种蔬菜作物如黄瓜［11］和辣椒［7］耐冷性鉴定。低温会推迟出芽时间，影响不同种质发芽率和胚根长度等［12］。利用低温胁迫条件下发芽率、发芽指数和活力指数相关指标评价种子耐冷性，已应用于甜瓜作物。孙玉宏等比较13、15和18℃低温条件下甜瓜种子发芽情况，结果表明，18℃低温条件下甜瓜种子活力指数可鉴定甜瓜品种耐冷性［13］。苗永美等研究15、17和18℃低温条件下13份甜瓜材料发芽能力，结果表明，18℃下相对发芽率、相对发芽势和相对活力指数可作为芽期耐冷性鉴定指标［14］。任俭等也认为18℃下甜瓜种子活力指数可用于厚皮甜瓜耐冷材料筛选［15］。因此，18℃可作为甜瓜种子芽期耐冷性鉴定适宜低温胁迫温度。为消除因贮藏年限、贮藏环境、种子成熟度以及后熟度等种子自身活力差异带来的试验误差，在评价甜瓜不同品种低温发芽能力时应考虑种子自身活力因素，采用低温与常温条件下各指标相对值评价耐冷性，更具准确性［16］。

不同品种某一单项指标对低温胁迫反应不同，难以全面准确反映品种耐冷性强弱。因此，采用多个指标综合评价作物抗逆性已形成共识［17］。耐冷性评价是对不同类型甜瓜耐低温能力强弱作筛选、鉴定和归类的过程。在甜瓜萌芽期耐冷性评价研究中，苗永美等采用极点排序法［14］和耐冷性隶属函数［15］对甜瓜耐冷性综合评价，忽略各指标评价时重要性及权重。评价作物耐冷性指标较多，指标间存在相关性，对低温胁迫反映信息发生交叉与重叠，导致鉴定过程复杂化、鉴定结果缺乏准确性和稳定性。抗逆性研究采用多指标综合评价方法，如主成分分析法、隶属函数法、极点排序法、灰色关联度分析法、聚类分析和逐步回归分析法等［18-23］。本研究利用主成分分析法将原来5个指标转换为新的且彼此独立两个综合指标，利用模糊数学隶属函数同时对各综合指标相对重要性加权，根据不同厚皮甜瓜品种综合评价D值，可更准确评价各品种耐冷性［24］。利用逐步回归分析方法建立最优回归方程：Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5，经分析该方程耐冷性预测值P与耐冷性综合评价值相关性达极显著，准确性较高。建立一套重复性好、可操作性强的厚皮甜瓜耐冷性鉴定数学评价模型，可预测其他厚皮甜瓜品种耐冷性，适用性广泛。

4　结论

通过对89个厚皮甜瓜品种在低温胁迫条件（18℃）下种子相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对胚根长度和相对活力指数作主成分分析，将原来关联的5个单项指标转换成2个相互独立综合指标，通过隶属函数分析对各综合指标相对重要性加权获得各品种耐冷性综合评价D值，以D值对89份甜瓜材料排序，从高到低区分其耐冷性强弱，聚类分析D值，将89个厚皮甜瓜分为5类，即强耐冷型、耐冷型、中度耐冷类型、不耐冷类型和冷敏感类型，其中强耐冷型甜瓜材料15份，冷敏感型甜瓜材料8份。通过逐步回归分析建立评价厚皮甜瓜耐冷性回归方程：Y=-0.0088+0.1498X1+ 0.1981X2+0.1848X4+0.3667X5，可较准确预测或评价其他品种耐冷性强弱。

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Study on evaluation method of chilling tolerance at germination stage inCucumis melo

LIU Hongyu,YAO Xue,LUAN Feishi,WANG Xuezheng
(School of Horticulture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Total 89 melon cultivars were used to evaluate comprehensively chilling resistance based on relative germination percentage,relative germination potential,relative germination index, relative radicle length,and relative vigor index at 18 ，with using variance analysis，principal components analysis,hierarchical cluster analysis and regression analysis at germination stage.The results showed that the degree of tolerance varied among melon cultivars,with a positive correlation between relative germination percent,relative germination potential,relative germination index,relative radicle length,and relative vigor index.These results showed that the five single indices could be classified into two independent comprehensive components by principal components analysis,and the relative importance of the comprehensive index was weighted to obtain chilling tolerance comprehensive evaluationDvalue,which of the size of 89 melon materials were ranked high to low to distinct the strength of its chilling tolerance by membership function analysis,then the regression equation for identifying chilling tolerance in melon was established.

Cucumis melo;germination stage;chilling tolerance;comprehensive evaluation

S652

A

1005-9369（2016）07-0024-08

2016-04-05

国家西甜瓜产业技术体系分子育种岗位项目（CARS-26-02）

刘宏宇（1967-），男，副研究员，博士，硕士生导师，研究方向为蔬菜遗传育种。E-mail:hyliu@neau.edu.cn