基于主成分分析的硒、铜交互作用下油菜生理响应机制研究

郭海如，崔雪梅，李春生，李冰晖

(1.湖北工程学院计算机与信息科学学院/湖北省新农村发展研究院智慧农业重点实验室，湖北 孝感 432000 ；2.湖北工程学院生命科学技术学院，湖北 孝感 432000)

基于主成分分析的硒、铜交互作用下油菜生理响应机制研究

郭海如1，崔雪梅2*，李春生2，李冰晖2

(1.湖北工程学院计算机与信息科学学院/湖北省新农村发展研究院智慧农业重点实验室，湖北 孝感 432000 ；2.湖北工程学院生命科学技术学院，湖北 孝感 432000)

【目的】为深入研究硒、铜交互作用下油菜的生理响应机制，找出最优的硒、铜供应量。【方法】采用盆栽实验，用7种不同浓度的CuSO4溶液和2种浓度的Na2SeO3溶液交叉处理油菜幼苗，测定油菜幼苗的总叶绿素、丙二醛、蛋白质、过氧化物酶活性等7种生化指标。采用主成分分析法分析不同处理下油菜各项指标的变化规律。【结果】硒12 mg/L和铜75 mg/L配施时各项指标综合权重最高，其次是X22T75、T752个处理，说明硒12 mg/L和铜75 mg/L配施对油菜的生长具有最佳促进作用，且供铜的最佳浓度为75 mg/L。硒22 mg/L及铜200 mg/L的单独处理综合排名最差。【结论】单独供应高浓度的硒(22 mg/L)、高浓度的铜(200 mg/L)均对油菜幼苗产生了抑制作用，两者结合能较好的缓解对油菜的胁迫作用。不同处理对总叶绿素含量影响最大，其次是淀粉酶活力和蛋白质质量分数，对丙二醛含量影响最小。

主成分分析法；硒、铜交互作用；油菜生化指标；生理响应机制

【研究意义】铜既是植物生长必需的微量元素，也是一种危害严重的重金属污染元素[1]。近年来，铜被广泛的运用于工农业生产，由于铜矿的大量开采、含铜杀菌剂、含铜饲料的大量使用及工业生产中排放的大量含铜污染物，导致农田土壤中铜含量严重超标，铜污染已成为世界性问题[2]。过量的铜离子对植物会产生毒害效应，降低作物产量和品质，还会通过生物富集作用累积到作物体内进入食物链对人体造成危害[3]。 【前人研究进展】硒是人和动物必需的14 种微量元素之一，具有抗氧化、抗癌等作用，缺乏和过量都会引起多种疾病，相关研究表明，动物的白肌病，人类的克山病、大骨节病等四十多种疾病都与缺硒有关[4]。硒虽然不是植物的必需营养元素，但是硒会影响植物的生长发育，参与调控植物的光合作用，提高植物抗逆性，与重金属产生颉颃作用等[4]。很多研究表明，硒能够与多种重金属元素产生拮抗效应[5-6]，降低植物对重金属的吸收[7]。因此，研究作物对硒、铜交互作用的生理响应机制，制订安全的硒铜供应量及提高作物中硒含量都具有非常重要的意义。【本研究切入点】本文选择我国种植面积及产量均占第一位的油菜作为研究对象，采用不同浓度的硒、铜交互胁迫处理盆栽油菜幼苗，测定幼苗叶绿素、丙二醛、硝态氮、可溶性糖、蛋白质等指标的含量及过氧化物酶、淀粉酶活性。【拟解决关键问题】采用主成分分析法[8-9]分析各项指标的变化规律，从而研究硒、铜交互作用下油菜生理响应机制，为提高油菜的产量和品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试油菜品种为油霸旺，该品种产量高，品质佳。2011年到2013年的田间试验表明，平均产量为4481.70 kg/hm2,高产栽培可超过4500 kg/hm2。单株的有效角果数达531个，千粒重3.76g，含油量48.8 %。

1.2 实验方法

实验于2015年10月至2016年1月在湖北工程学院生科楼进行，实验设计中的硒、铜浓度说明如表1所示。采用盆栽实验培养油菜幼苗，具体操作步骤如下：野外采集沙土，用土壤筛去除较大的石砾等杂质。将沙土均匀等量分装到45个花盆中，浇等量蒸馏使沙土保持湿润。

用1.00 %的NaClO溶液对供试种子进行消毒处理后，清水洗净，去除漂浮在上面的死种，用去离子水浸泡过夜。待种子充分吸水后，均匀撒在铺有滤纸的托盘内。将滤纸用蒸馏水湿润后移至25 ℃恒温箱(型号为MJX-250B-Z)进行催芽。催芽期间每天都要向托盘喷洒等量蒸馏水，水量以滤纸湿润，但不流动为宜。3 d后种子露白。即可移植到花盆中。每个花盆均匀移植十株，将花盆放在向阳通风处，每天上午和下午分别浇等量Hoagland’s营养液。待油菜幼苗长至4～5片叶之后，将45盆油菜随机分成3组，每组3个重复，进行硒、铜胁迫处理。铜溶液用硫酸铜配制，浓度设置为0、25、75、100、200 mg/L，硒溶液用亚硒酸钠配制，浓度设置为：0、12、22 mg/L。胁迫处理25 d后，取油菜样品测定各项生理指标。

1.3 测定指标及方法

叶绿素是一类与光合作用有关的最重要的色素。实验采用分光光度法[10]。

丙二醛(MDA)是由于植物器官衰老或在逆境条件下受伤害，其组织或器官膜脂质发生过氧化反应而产生的。它的含量与植物衰老及逆境伤害有密切关系。实验采用硫代巴比妥酸法[11]。

蛋白质含量测定的实验方法采用双缩脲法[12]。

植物体的过氧化物酶与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等关系密切。实验方法采用比色法。

测定植物体内的硝态氮含量可以为鉴定蔬菜及其加工品的品质提供依据，测定方法采用水杨酸法。

淀粉酶活性高低常作为植物抗逆性的生化指标[13]。淀粉酶活性测定方法采用比色法[14]。

蔬菜作物中可溶性糖的测定，可以了解和鉴定作物品质的高低[15]，可溶性糖的测定采用蒽酮法[16]。

1.4 数据处理

所有数据均为 3 次重复的平均值，采用主成分分析法在MATLAB环境下处理实验数据。

2 结果与分析

2.1 硒、铜各处理对油菜生化指标的影响分析

如表2所示,从表中数据可以看出，总叶绿素含量、蛋白质质量分数在单独供硒时，硒浓度为12mg/L时含量最高，200 mg/L时低于对照。说明单独供硒时，低硒水平对其有促进作用，高硒则产生抑制作用。单独供铜时，总叶绿素含量、蛋白质质量分数先增加后降低，在75 mg/L时含量最高，200 mg/L时含量低于对照，说明单独供铜时低浓度的铜溶液对其有促进作用，浓度过高产生抑制作用。两者同时供应时，总叶绿素含量、蛋白质质量分数在硒12 mg/L、铜25 mg/L配施时达到最高值，且高于单独供硒或者铜时的叶绿素含量。而当铜浓度达200 mg/L时，配施12或22 mg/L硒，总叶绿素含量、蛋白质质量分数均高于单独供铜的情况，说明硒对高浓度的铜有较好的缓解作用。

表1 实验设计

注：X12、X22表示硒浓度为12、22 mg/L；T25、T75、T100、T200分别代表铜浓度为25、75、100、200 mg/L；CK为对照，下同。

Note:X22andX12indicated that the selenium concentrations were 12 and 22 mg/L, respectively.T25,T75,T100,T200indicated that the copper concentrations were 25 ,75 ,100,200 mg/L；CK represented the control treatment. The same as below.

单独供硒时，丙二醛含量在硒12 mg/L时达最低值。单独供铜则在铜浓度100 mg/L达最低值。说明适量硒和铜均能提高植物的抗逆性。两者配施时，硒22 mg/L、铜100 mg/L时丙二醛含量最低。

过氧化酶活性单独供硒时在硒22 mg/L时达最高值，单独供铜时则随着铜浓度的增加而降低。说明硒对过氧化酶活性有一定促进作用，而铜则产生抑制作用。两者配施时，硒22 mg/L、铜25 mg/L配合时过氧化酶活性最高。

单独供硒时，硝态氮含量在硒22 mg/L时最低，且低于对照组。单独供铜则在铜25、75 mg/L2个浓度均达最低值。两者配施时在硒12 mg/L、铜100 mg/L时最低，但均高于对照组，说明硒和铜促进了土壤中氮的转化速率。

淀粉酶活性在单独供硒22 mg/L时达最高值，单独供铜则在铜100 mg/L时达最高值。两者配施时在硒22 mg/L、铜75 mg/L时最高，且高于单独施硒或者铜。说明硒、铜对淀粉酶活性均有促进作用。

可溶性糖随着硒浓度的增加而降低，但与对照差异很小。随着铜浓度的增加，可溶性糖先降低后增加再降低。说明硒对可溶性糖的影响不明显，适量铜能促进其含量，浓度过高则产生抑制作用。在硒22 mg/L、铜200 mg/L配施时，可溶性糖含量最高。

2.2 主成分分析硒、铜交互作用下油菜生理指标变化规律

在MATLAB环境下编写程序[7-9]，采用zscore()对表2中的系列数据进行标准化处理，并且采用corrcoef()函数求出标准化后的相关系数矩阵，相关系数矩阵如表3所示。

从相关系数矩阵的值可以看出，各指标之间都不存在很强的相关性。总叶绿素与丙二醛、硝态氮含量呈负相关关系，与蛋白质、过氧化物酶活性、淀粉酶活性、可溶性糖含量呈正相关关系 ；相对而言，总叶绿素与蛋白质相关性最高。丙二醛与蛋白质、硝态氮、淀粉酶活性呈负相关关系，与过氧化物酶活性呈正相关关系，相关性一般。其余各指标之间的相关性也类似。

表2 硒、铜交互作用下油菜生长指标变化规律

表3 相关系数矩阵

注：x1～x7分别表示：总叶绿素含量、丙二醛含量、蛋白质质量分数、过氧化物酶活性、硝态氮含量、淀粉酶活力、可溶性糖含量。

Note:x1-x7respectively：total chlorophyll, malondialdehyde, mass fraction of protein, peroxidase activity, amylase activity, soluble sugar content.

采用pcacov()函数计算表3中相关系数矩阵的特征值、方差贡献率和累积贡献率如表4所示。前4个成分的累计贡献率达到88.97 %，浓缩了源数据的大部分信息，因此提取前4个成分作为分析不同盐浓度下各指标的特征。

如表5所示，第一主成分主要反映蛋白质质量分数、硝态氮含量、淀粉酶活力的影响，第二主成分主要反映总叶绿素含量、过氧化物酶活性、淀粉酶活力，第三主成分主要反映总叶绿素含量和可溶性糖含量，第四主成分主要反映过氧化物酶活性和硝态氮含量。

表4各成分的特征值、贡献率和累计贡献率

Table 4 Characteristic root、contribution rate and cumulative contribution rate of each main components

特征根yCharacteristicrooty贡献率z(%)Contributionratez累计贡献率(%)Cumulativecontributionrate2.6838.3438.341.8726.7265.061.0515.0280.080.628.9088.970.334.6693.640.314.4198.050.141.95100.00

分别以4个主成分的贡献率为权重，构建主成分综合模型表达式如下：

Z=0.3834y1+0.2672y2+0.1502y3+0.08897y4

把不同硒、铜处理下的4个主成分值代入上式，以各自的贡献率为权数进行加权求和，求出不同硒、铜处理下各指标的综合排名，如表6所示。从表中可以看出，X12T75时各项指标综合权重最高，综合排名第一，达最佳状态，其次是X22T75、T752个处理，分别名列第2、3名，说明硒12 mg/L和铜75 mg/L,配施对油菜的生长具有最佳促进作用,供铜的最佳浓度为75 mg/L。在所有处理中，对照处理下各项指标的综合排名为13名，低于单独的低浓度铜(100 mg/L)、低硒(12 mg/L)处理及硒铜的所有配施组合。而单独高浓度硒、高浓度铜的处理综合排名最差，说明高单独供应浓度的硒(22 mg/L)、高浓度铜(200 mg/L)均对油菜幼苗产生了抑制作用，两者结合能较好的缓解对油菜的胁迫作用。

进一步计算各指标在主成分中的权重，并对各指标的权重进行排序，反过来可以分析不同硒、铜处理浓度对各指标的影响程度。从表7中可以看出，不同硒、铜浓度对总叶绿素含量影响最大。其次是淀粉酶活力和蛋白质质量分数，对丙二醛含量影响最小。

表5 4个主成分对应的特征向量

表6不同硒铜处理下各指标综合排名

Table 6 Comprehensive ranking of various indexes from different treatment of selenium and copper

处理Treatment综合权重Comprehensiveweight排名RankingX12T751.1481X22T750.8722T750.8323X12T250.6714X22T1000.6465T1000.3006X12T1000.2677X12T200-0.0908T25-0.1729X12-0.38910X22T200-0.44911X22T25-0.51612CK-0.81413X22-1.05714T200-1.24815

3 讨 论

过量的Cu不仅会导致植物体生理代谢紊乱，制约植物生长发育，导致细胞死亡。当植物体受到铜毒害 ，离子间的代谢平衡会受到影响，生物膜的完整性也会遭到破坏，酶活性降低。但程贯召等人在研究铜胁迫对小麦种子萌发和幼苗生长的毒害时得出，当植物体受到的Cu胁迫在其耐受范围内，植物会启动其体内一套由SOD、POD、CAT 等抗氧化酶组成的酶系统，来清除胁迫诱导产生的过量活性氧系统[17]。

本研究中，单独供铜时，过氧化酶活性随着铜浓度的增加而降低。单独供硒时，过氧化酶活性在硒22 mg/L时达最高值，说明硒对过氧化酶活性有一定促进作用，而铜则产生抑制作用。

段碧辉等人研究了硒减轻油菜幼苗硼毒害机理，得出：硒可以增强油菜幼苗抗氧化效率，减少油菜幼苗受硼毒害时丙二醛的形成。本研究中，单独供铜200 mg/L时，丙二醛含量达0.0037 μmol/L，同时供硒12 mg/L，丙二醛含量降为0.018 μmol/L。硒22 mg/L、铜100 mg/L时丙二醛含量最低。说明适量硒能有效缓解油菜幼苗受铜毒害而产生丙二醛。

表7 各指标权重及排序

4 结 论

从实验数据来看，当环境中硒、铜的浓度较低时，对油菜的各项指标均有促进作用，高浓度的硒、铜会对油菜幼苗的各项指标产生抑制作用。进一步用主成分分析法对数据进行分析处理，结果表明：X12T75时各项指标综合权重最高，综合排名第一，其次是X22T75、T752个处理，分别名列第2、3名，说明硒12 mg/L和铜75 mg/L,配施对油菜的生长具有最佳促进作用,供铜的最佳浓度为75 mg/L。在所有处理中，对照处理下各项指标的综合排名为13名，低于单独的低浓度铜(小于100 mg/L)、低硒(12 mg/L)处理及硒铜的所有配施组合。而单独高浓度硒、高浓度铜的处理综合排名最差，说明高单独供应浓度的硒(22 mg/L)、高浓度铜(200 mg/L)均对油菜幼苗产生了抑制作用，两者结合能较好的缓解对油菜的胁迫作用。而不同硒、铜处理对油菜各项指标在主成分中的影响权重及大小排名结果显示，不同硒、铜浓度对总叶绿素含量影响最大。其次是淀粉酶活力和蛋白质质量分数，对丙二醛含量影响最小。

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(责任编辑 李山云)

StudyonPhysiologicalResponseforRapeunderSeleniumandCopperInteractionBasedonPrincipalComponentAnalysis

GUO Hai-ru1, CUI Xue-mei2*,LI Chun-sheng2,LI Bing-hui2

(1. School of Computer and Information Science,Hubei Engineering University / Key Laboratory of Smart Agriculture for New Rural Research Institute in Hubei Province,Hubei Xiaogan 432000, China;2. School of Life Science and Technology,Hubei Engineering University, Hubei Xiaogan 432000,China)

【Objective】To explore the best supply of selenium and copper, the physiological response for rape under selenium and copper interaction were studied in this paper.【Method】The pot experiments were used to process rape seedlings under 7 different concentrations of CuSO4solution and 2 concentrations of Na2SeO3solution. And the 7 biochemical indexes for rape seedling: total chlorophyll, malondialdehyde, protein, peroxidase activity, etc were tested. The changed rules of various indexes for rape were analyzed under the different treatments based on principal component analysis. 【Result】The comprehensive weight of the index was the highest under selenium 12 mg/L and copper 75 mg/L, NextX22T75andT75.. It showed that the configuration ratio of selenium 12 mg/L and copper 75 mg /L had the best promoting effect on the growth of rape. And the optimal concentration of copper was 75 mg/L. As the selenium 22 mg/L or copper 200 mg /L was alone configured, the effect was the worst.【Conclusion】It showed that high concentration of selenium (22 mg/L) or high concentration of copper (200 mg/L) both had inhibitory effect on rape seedlings. Appropriate ratio of selenium and copper could effectively alleviate stress on rape. The effect on total chlorophyll content from different treatment was the most, then the amylase vigor and fraction of protein quality. It had the least influence on malondialdehyde.

Principal components analysis; Selenium and copper Interaction; Biochemical indicator for rape; Physiological response mechanism

S565.4;TP274

A

1001-4829(2017)11-2468-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.013

2016-08-10

湖北省教育厅科学计划重点项目(D20172702)

郭海如(1978-)，男，湖北武穴人，副教授，硕士研究生，主要从事农业环境信息处理，E-mail：hbeughr@126.com，*为通讯作者：崔雪梅，E-mail: swaucxm@126.com。