基于主成分与聚类分析的云南甘蔗细茎野生种F2代的抗旱性综合评价

俞华先， 周清明， 安汝东， 董立华， 桃联安， 孙有芳， 郎荣斌， 边 芯， 田春艳， 经艳芬

(云南省农业科学院甘蔗研究所/云南瑞丽育种站，云南瑞丽 678600)

甘蔗既是我国重要的糖料作物，也是我国南方重要的经济作物之一。云南省是我国的第二大蔗区，蔗地地形复杂，平地少、坡地多，坡地植蔗面积占全省植蔗总面积的70%，且多为雨养蔗区，蔗地土壤肥瘦不一，缺少基本的灌溉设施，这导致抵御自然灾害的能力不足，遇上持续干旱天气，甘蔗产量会受很大影响，2009—2010年极端干旱造成企业、蔗农经济损失达36亿元。季节性干旱是甘蔗生产的主要制约因素，云南省及广西省部分地区2010年初发生的严重干旱，使云南省30万hm2甘蔗面积中有20.87万hm2受到影响，4万hm2绝收[1]。另外，甘蔗主栽品种单一，新台糖系列品种独挡一面，自主选育的甘蔗品种屈指可数，这使得大陆蔗糖产业面临因品种单一引起病虫害暴发而全面绝收的危机。提升中国大陆甘蔗品种的自主创新能力，快速选育出抗旱性强的旱坡地甘蔗新品种十分必要。

甘蔗细茎野生种(SaccharumspontaneumL.)别称割手密或甜根子草，是甘蔗属及其近缘属种，也是现代甘蔗栽培品种的主要抗逆基因资源[2]。甘蔗细茎野生种在云南省分布范围最为广泛，遗传多样性丰富，是育种成效最为显著的一个野生种。利用甘蔗野生种质资源改良甘蔗生产品种的抗旱性、抗逆性、宿根性、适应性，是甘蔗育种的有效手段[3]。探讨作物对水分胁迫的适应机理及作物抗旱性遗传改良一直是国内外育种工作者关注的热点，并从不同角度研究作物的抗旱性指标和鉴定方法[4-7]，有许多学者采用模糊隶属函数法、分级评价法、相关分析法、灰色关联度分析法、逐步判别分析法、聚类分析法等[8-15]对作物抗旱性进行综合评价。模糊隶属函数评价法由于没有统一的抗性区间参考标准，不利于制定抗旱性分级标准，而系统聚类法能区分各品种的抗旱级别，恰好可以弥补模糊隶属函数法的不足，将这2种方法结合可使综合评定更准确、更科学。另外，结合主成分分析、隶属函数、系统聚类等综合评价甘蔗生理生化指标对干旱胁迫响应的报道相对较少[16]。

云南瑞丽育种站自建站以来，一直致力于云南野生甘蔗细茎野生种种质创新、亲本培育、甘蔗品种抗逆性改良研究[17-18]，快速筛选出了一批抗旱性强的育种亲本材料。本研究以云南不同气候类型的26个甘蔗细茎野生种为材料，测定其具有代表性的形态、生理指标，运用主成分分析法[19-21]和模糊隶属函数，并采用系统聚类分析结合形态指标评价不同甘蔗细茎野生种的抗旱性，为甘蔗细茎野生种抗旱育种利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为云南甘蔗细茎野生种F2代的26个种质材料，代号及材料名称见表1。

1.2 试验方法

试验在云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站内进行，该站位于24°N、97°83′E，海拔776 m，年均降水量 1 394 mm，年均气温20 ℃。于2014—2015年每年2月中旬，对供试材料单芽砍种、桶栽，每桶5个单芽，分别进行干旱胁迫、正常供水处理，每处理3桶，重复3次。持续处理7 d及解除胁迫复水3 d后测定各项指标。

表1 参试材料及其代号

1.3 测定内容和方法

1.3.1 形态指标 于试验处理后每月第5、第10、第15天，对试验处理的甘蔗分别统计绿叶数、枯黄叶数，取平均数，计算绿叶率及伤害度：绿叶率=绿叶数/(绿叶数+枯黄叶数)×100%；绿叶率伤害度=(对照绿叶率-处理绿叶率)/对照绿叶率×100%。

1.3.2 生理指标 干旱胁迫前及试验处理后第16天，参照王尊欣等的方法[22]测定土壤含水量；分别采用SPAD 502 Plus型叶绿素测定仪、雷磁DDSJ2308型电导仪、硫代巴比妥酸显色法、蒽酮法测定相同部位叶片的叶绿素相对含量、质膜透性(PMP)、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量[23-25]；采用 YMJ-B型手持活体激光叶面积仪测定叶面积。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007软件对试验数据进行统计；采用DPS 15.1软件对数据进行主成分分析及聚类分析，采用类平均法、欧氏距离进行聚类。

耐旱系数(DC)参照付风玲等方法[26]计算，公式为：

DC=干旱胁迫下指标性状值/正常供水下指标性状 值×100%。

模糊隶属函数参照周广生等的方法[27]，公式为：

Z(xj)=(x-xmin)/(xmax-xmin)。

式中：xmin、xmax分别为各参试材料中某一指标抗旱系数的最小值、最大值，x为各参试材料中某一指标的抗旱系数。指标性状和抗旱性如呈正相关，则直接可算出其隶属函数值Z(xj)；若呈负相关，则用1-Z(xj)表示。权重Wj[28]及综合值D[29]计算公式分别为：

式中：Pj为各个材料中第j个综合指标贡献率。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对甘蔗细茎野生种叶片绿叶率、伤害度的影响

绿叶率反映叶片在逆境时的衰老情况[30]。甘蔗细茎野生种种质材料在干旱胁迫过程中，其叶片逐渐枯黄卷曲，绿叶数不断减少，光合作用的面积也大幅度减少。因此，在干旱胁迫过程中，绿叶率较高的材料相对抗旱性较强。由表2可见，云割F211-159、云割F211-208、云割F211-231的绿叶率均值相对较高、伤害度较低，为对干旱胁迫反应钝感类型；云割F211-97、云割F211-196、云割F211-215的绿叶率均值相对较低、伤害度较高，为对干旱反应敏感类型；其他材料属中间类型。

2.2 干旱胁迫对甘蔗细茎野生种土壤含水量的影响

试验结果表明，试验处理前土壤含水量均值为18.82%；试验处理第16天后，正常供水(CK)的甘蔗细茎野生种土壤平均含水量为19.01%，说明其没有受到干旱胁迫，而干旱胁迫处理的土壤含水量平均值为4.94%，比处理前下降13.88百分点，且各参试甘蔗品种叶片均处于清晨无“吐水”现象的萎蔫状态，说明此时甘蔗细茎野生种已受到较为严重的干旱胁迫。

2.3 各参试材料抗旱相关性状指标的测定值分析

由表3可见，除相对含水量外，干旱胁迫对参试材料各抗旱相关性状指标有极显著影响(P<0.01)，各种质材料均值变异系数介于0.149～0.248之间，说明本研究选用的种质材料类型较为丰富，考察的指标对干旱胁迫反应较为敏感；在干旱胁迫、正常供水条件下，除相对含水量差异不显著(P>0.05)外，其他性状相关性差异为极显著(P<0.01)，这进一步说明各抗旱指标对胁迫的敏感程度存在较大差异，单一性状无法衡量其抗旱强弱。

2.4 各单项生理指标的相关性分析

植物器官衰老或在逆境条件下往往会发生膜脂过氧化作用，而丙二醛是膜脂过氧化的最终分解产物之一，丙二醛含量可以反映植物遭受伤害的程度[29]。由表4可见，各抗旱性生理生化指标间存在一定的相关性，可溶性糖含量与丙二醛含量呈极显著负相关(P<0.01)，表明可溶性糖含量与丙二醛含量的间接作用相对较大，试验过程中随着干旱胁迫程度的增加，丙二醛含量会升高，导致植物体内保护酶系统的活力和平衡受到破坏[31]，进而使植株光合作用受到影响，合成的可溶性糖也相应减少；可溶性糖含量与叶绿素含量呈显著正相关(P<0.05)，这与叶绿素含量多的植株光合作用相对较强，合成的可溶性糖含量也会相应增多的生理反应相吻合；相对含水量与丙二醛含量也呈显著正相关(P<0.05)，这表明干旱胁迫下，种质材料为抵御干旱，其相对含水量与丙二醛含量均有大幅度增加。在干旱胁迫中，各单项生理指标起的作用不尽相同，如果直接采用这些指标对甘蔗细茎野生种F2代种质材料进行抗旱性评价，则不能准确评价出各参试甘蔗种质的抗旱性。

2.5 参试种质抗旱性状的主成分分析

以26个云南甘蔗细茎野生种F2代种质材料相关性状的耐旱系数为基础，用DPS软件对丙二醛含量、相对质膜透性、叶绿素含量、可溶性糖含量、相对含水量这5个生理生化指标进行主成分分析[32-36]，计算各主成分的特征向量和贡献率。由表5可知，3个主成分的累计贡献率已达83.153 0%，而一般认为累计贡献率达70%以上即为比较满意[26]，因此可以用这3个主成分对其抗旱性进行综合分析，这就将原来的5个单项指标化成3个新的综合指标，这些综合指标相互独立，代表了原来指标83.153 0%的信息；在主成分1中，叶绿素含量系数相对最大、丙二醛含量(绝对值)系数略低，反映了全部信息的41.843 9%，故该成分代表了叶绿素、丙二醛含量；在主成分2中，相对质膜透性和可溶性糖含量(绝对值)系数相对较大，反映了全部信息的25.354 3%，故该成分代表了相对质膜透性和可溶性糖含量；在主成分3中，质膜透性和叶绿素相对含量系数相对较大，反映了全部信息的15.954 8%，故该成分代表着质膜透性和叶绿素含量。

表2 不同种质材料在干旱胁迫下的绿叶率比较

注：*、**分别表示差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)。表3、表4同。

表3 干旱胁迫与正常供水条件下各参试材料的抗旱相关性状统计分析

表4 各单项生理指标相关系数矩阵

2.6 综合抗旱性评价

在严重干旱胁迫条件下，隶属函数值越大，说明该种质材料在相应综合指标上抗旱性表现越强。由表6可见，3个综合指标的权重分别为0.503、0.305、0.192；云割F211-159 的综合值相对最大，为0.958，说明其最抗旱，云割F211-215的综合值相对最小，仅为0.115，说明其最不抗旱，其他24个甘蔗细茎野生种种质介于两者之间。

2.7 聚类分析

采用类平均法(UPGMA)对26个云南甘蔗细茎野生种F2代种质材料综合值(D值)进行系统聚类，结果如图1所示，当欧式距离等于1.00时，可将供试云南甘蔗细茎野生种F2代种质分为4类：第Ⅰ类包含抗旱性度量值排名1～6的6个材料，其在欧式距离为0.60处又分为2个亚类，第1个亚类包含抗旱性度量值排名第1位的云割F211-159，第2亚类包含抗旱性度量值排名2～6的5个材料，分别为云割F211-23、云割F211-78、云割F211-160、云割F211-260、云割F211-156等；第Ⅱ类包含抗旱性度量值排名7～22的16个材料，在欧式距离为0.40处又分为2个亚类，第1个亚类包含抗旱性度量值排名7～15的9个材料，其中有云割F211-52、云割F211-84、云割F211-141、云割F211-199等材料，第2亚类包含抗旱性度量值排名16～22的7个材料，其中有云割F211-133、云割F211-46、云割F211-68、云割F211-161、云割F211-149等；第Ⅲ类包含抗旱性度量值排名23～25的3个材料，分别为云割F211-182、云割F211-97、云割F211-196；第Ⅳ类包含1个材料，为云割F211-215，是抗旱性相对最差的种质材料。

表5 主成分的特征向量及贡献率

表6 各试验材料的综合值I(xj)、隶属函数值Z(xj)、权重、综合值

3 结论与讨论

作物抗旱性受多种因素影响，采用隶属函数法综合评价小麦抗旱性一定的局限性[37-39]，而以多指标评价又过于繁琐和低效，且指标间存在一定的相关性，即指标所提供的种质材料对干旱胁迫相应的信息发生交叉和重叠，且各指标在评价时因其本身之间权重差异，会直接导致评价结果发生偏差。因此，通过其中几个主要的因素进行分析则可达到快速、准确的目的[40-41]。本研究运用主成分分析法，将5个单项生理生化指标转化为3个综合指标，并根据其综合指标值贡献率求出其相应的隶属函数值，依据各综合指标的相对重要性进行加权，得到各品种抗旱性的综合评价值[33]。由于综合评价值是一个无量纲的数，从而使各品种的抗旱性差异具有可比性[41]。

本研究结果表明，在形态指标上，云割F211-159的绿叶率均值相对较高、伤害度较低，属对干旱胁迫反应钝感的类型；云割F211-46、云割F211-215的绿叶率均值相对较低、伤害度较高，属对干旱反应敏感的类型，而其他材料属于中间类型；从生理生化指标看，水分胁迫使植株体内相对含水量、质膜透性、丙二醛含量[23]有大幅度的增加，叶绿素含量减少，且不同种质材料增幅差异较大，这说明种质材料的抗旱性是通过多个指标来实现的，且是由多个因素来控制的；通过主成分分析、结合隶属函数法和系统聚类分析看，由5个单项生理生化指标综合成的3个独立指标代表了全部原始数据 83.153 0% 的信息量，26个云南甘蔗细茎野生种F2代种质材料可分为4类：第Ⅰ类是包含抗旱性度量值排名1～6的6个材料，主要有云割F211-159、云割F211-23、云割F211-78 等抗旱性较好的种质材料；第Ⅱ类包含抗旱性度量值排名7～22的16个材料，主要有云割F211-52、云割F211-84、云割F211-141等材料，其抗旱性良好；第Ⅲ类包含抗旱性度量值排名23～25的3个材料，分别为云割F211-182、云割F211-97、云割F211-196，表现为抗旱性中等；第Ⅳ类是抗旱较差的种质材料，为云割F211-215。

总之，评价植物抗旱性是一个复杂的综合性状，而用单一指标评价云南甘蔗细茎野生种F2代种质材料的抗旱能力具有一定的片面性，本研究选用的形态指标和生理生化指标也具有一定的局限性，还须结合生产实际作进一步的检验。