主成分分析及隶属函数法评价非洲菊不同品种对低温弱光的适应性

(贵州省农业科学院园艺研究所, 贵阳 550006)

非洲菊(Gerberajamesonii)原产南非，为菊科大丁草属多年生常绿宿根草本花卉[1]。在世界花卉贸易中的销售量仅次于月季、康乃馨、菊花、郁金香，是世界第五大切花[2-5]。非洲菊性喜温暖湿润、阳光充足、空气流通的环境，生长适温 20～25 ℃，属半耐寒性花卉，若条件适宜,可全年产花[4-5]；在贵州省内，贵阳、遵义、黔东南、毕节等地均有大面积栽培，是目前贵州发展趋势最好的设施栽培鲜切花之一，每667 m2产值3.0万～5.0万元，栽培经济效益非常显著。

低温弱光等逆境条件会导致非洲菊出现枯萎、畸形等症状，致使产量和质量严重降低。贵州独特的高原季风气候、冬季天气阴霾多雨、低温寡日照给非洲菊切花生产带来较大的影响。冬季低温造成全年产量大幅下降，经济效益受到较大影响。因此，探索冬春低温弱光条件下，不同品种非洲菊的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、叶绿素含量、丙二醛含量等生理生化指标的变化，旨在了解不同非洲菊品种对贵州冬春季节低温弱光逆境的适应性及其生理机制，为贵州地区筛选适宜品种以及进一步提高非洲菊的产量、品质、经济效益提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

13个非洲菊品种分别为:热带草原(红色)、大088(橘红色)、缤纷(淡黄色)、玲珑(粉色)、阳光海岸(黄色)、蜜糖(粉色)、秋日(黄色)、贵族(黄色)、靓粉(粉色)、鸿运(红色)、娇艳(红色)、白马王子(白色)、红色妖姬(红色)。

1.2 试验方法

1.2.1样品采集与制备

鉴于贵州的极端低温集中在12月至翌年1月份，本试验于2017年12月6日、2017年12月27日、2018年1月30日，分3次选择非洲菊不同品种生长势较一致的植株叶片进行采样，采样后及时将叶片存放于-80 ℃超低温冰箱待用。每个样品取3株，取样50 g左右，磨碎混匀后测定生理生化指标,每个指标重复3次。在整个试验期间对非洲菊植株进行正常的栽培管理。

试验地(贵阳)年平均气温15.3 ℃，年极端最低温度为-7.3 ℃,最冷的1月上旬，平均气温是4.6 ℃。年平均相对湿度为77%，年平均总降水量为1 129.5 mm，年平均阴天日数为235.1 d，年平均日照时数为1 148.3 h。 冬季阴雨天每月可达20 d左右，设施大棚内光照度经常不足2 000 lx。

表1 非洲菊材料采样时间及气候条件

采样时间(年-月-日)大棚内日均温度/℃大棚内日均相对湿度/%大棚内有效辐射/[μmol·(m2·s)-1]2017-12-06 8.50 9625.67(阴)2017-12-27 9.508552.11(阴)2017-12-2812.0083174.32(晴)2018-01-30 1.509160.15(阴)2018-04-20 26.0078201.69(多云)

1.2.2指标测定

1) 可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[6]。

2) 可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-205方法测定[7]。

3) 叶绿素含量采用乙醇浸提法测定[8]。

4) 游离脯氨酸含量采用茚三酮法测定[9]。

5) 丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法测定[10]。

6) 质膜透性采用相对电导率法测定[11,12]。

相对电导率测定采用浸泡法。取大小相当的植物叶片(尽量保证叶片的完整性，少含茎节)，用自来水洗净后再用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干表面水分，将叶片剪成适宜长度的长条(避开主脉)，快速称取鲜样3份，每份0.1 g,分别置于10 mL去离子水的试管中，盖上玻璃塞置于室温下12 h，用电导仪测定浸提液电导(R1),然后沸水浴加热30 min，冷却至室温后摇匀，再次测定浸提液电导(R2)。

相对电导率(%)=(R1/R2)×100%

7) 超氧化物歧化酶采用试剂盒测定。

采用南京建成生物工程研究所生产的过氧化物酶测试盒。样品0.5 g，磷酸缓冲液4.50 mL，10%组织匀浆液，6 000 r·min-1离心10 min，取上清液测定。

8) 过氧化物酶采用试剂盒测定。

采用南京建成生物工程研究所生产的过氧化物酶测试盒。样品0.5 g，磷酸缓冲液4.50 mL，10%组织匀浆液，6 000 r·min-1离心10 min，取上清液测定。

1.2.3数据分析方法

试验数据采用Microsoft Excel 2010软件进行整理，用新复极差法进行多重比较，对测定的生理生化各指标进行主成分提取和相关性分析，然后采用模糊隶属函数法求出每个品种主要指标的隶属值R(Xi)，并在此基础上进行品种聚类分析[13-15]。

隶属函数值计算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中Xi为指标测定值，Xmax、Xmin为所有参试材料某一指标的最大值和最小值。如果某一指标为负相关，则用反隶属函数进行转换，计算公式为：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

对各个品种指标所求其隶属值进行累加求取平均数，值越大，则适应性越好。

2 结果与分析

2.1 低温弱光对非洲菊不同品种生理生化指标的影响

研究结果(表2)表明，受设施大棚内冬春季节低温弱光的影响，非洲菊在质膜透性(相对电导率)、脯氨酸含量、叶绿素含量、丙二醛含量、总超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量等指标方面，不同品种间存在显著的差异性。

2.2 不同指标间的相关性分析

从表3可以看出，叶绿素含量与丙二醛，过氧化物酶与可溶性蛋白含量指标相关性达到了极显著水平。综上所述，如果直接使用这些指标，会出现信息重叠的现象，对评价结果会有一定的影响。因此，为进一步了解这些指标之间的相关关系，利用主成分分析方法进行综合评价。

主成分的特征向量，也叫系数向量，反映各原始指标在主成分中的重要程度，等于相应的载荷系数除以对应的特征值的平方根。

从表4、表5可以看出，提取特征值>第1个主成分，可以提取3个主成分，第1个主成分特征值是2.557，方差贡献率为31.966%，主要贡献因素是总超氧化物歧化酶、可溶性糖、丙二醛、脯氨酸；第2个主成分特征值是2.128，方差累计贡献率为26.598%,主要贡献因素是过氧化物酶、可溶性蛋白；第3个主成分，特征值是1.263，方差贡献率为15.784%，主要贡献因素是脯氨酸，方差累计累计贡献率达到74.349%，说明这3个主成分保留了原始数据信息量的74.349%。

以上8个指标在三大主成分中，总超氧化物歧化酶活性、可溶性糖含量、丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白含量、过氧化物酶等6个指标的因子贡献率较高。过氧化物酶与可溶性蛋白含量指标相关性达到了极显著水平，综合比较误差因素，过氧化物酶与可溶性蛋白含量之间选择可溶性蛋白含量。

因此，总超氧化物歧化酶、可溶性蛋白含量、脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量等5个指标，可作为非洲菊耐低温弱光性的评价鉴定指标。

表2 设施大棚内低温弱光对非洲菊不同品种生理生化指标的影响

品种指标脯氨酸含量/(μg·g-1)丙二醛含量/(μmol·g-1)叶绿素含量/(mg·g-1)可溶性蛋白含量/(μg·g-1)缤纷151.039±0.0012k18.827±0.0054a2.693±0.0223a2.095±0.0042i大088669.394±0.0021a12.737±0.1584e1.232±0.0087g3.210±0.0009b贵族279.679±0.0029f11.288±0.0262f0.788±0.0032l2.689±0.0155e阳光海岸151.947±0.0029j15.344±0.1722b1.313±0.0093f2.945±0.0022d鸿运339.992±0.0051e10.410±0.0344gh1.162±0.0027h3.076±0.0174c红极星122.505±0.0032l10.070±0.0234x0.855±0.0214k2.281±0.0009f娇艳248.460±0.2597h14.404±0.0892c1.539±0.0076d2.209±0.0019g靓粉382.074±0.0034d11.411±0.3022f1.626±0.0073c1.893±0.0012k玲珑203.295±0.0020i8.925±0.0147i1.395±0.0064e2.048±0.0018j蜜糖260.220±0.0035g10.629±0.0179gh1.101±0.0185i1.666±0.0018l秋日497.723±0.1764c13.111±0.0673d1.941±0.0068b2.128±0.0027h白马王子504.878±0.0021b11.180±0.0283f1.250±0.0062g4.765±0.0034a红色妖姬111.530±0.0058m13.230±0.2085d0.949±0.0055j2.249±0.0010f品种指标总超氧化物歧化酶活性/(μ·g-1)过氧化物酶活性/(μ·g-1)可溶性糖含量/%相对电导率/%缤纷1089.35±0.1970e39.795±0.0590e2.095±0.0042i11.463±0.1342i大088632.09±0.0987m33.378±0.0116f3.210±0.0009b16.863±0.3011fg贵族1016.55±1.0436g26.384±0.1294h2.689±0.0155e15.193±0.4433h阳光海岸770.89±0.1045k20.860±0.0182j2.945±0.0022d19.223±0.1330d鸿运728.91±0.3453l16.187±0.0268k3.076±0.0174c36.750±0.5289a红极星1122.21±0.4280e11.529±0.0793m2.281±0.0009f17.457±0.0426ef娇艳1320.56±1.0446a22.627±0.2219i2.209±0.0019g21.213±0.5886c靓粉843.64±0.1962h42.149±0.0257d1.893±0.0012k20.830±0.6809c玲珑955.85±0.2218g45.686±0.2007b2.048±0.0018j29.287±0.2810b蜜糖822.06±1.1581j43.441±0.2923c1.666±0.0018l18.643±0.2092de秋日1160.68±0.1978c15.281±0.0461l2.128±0.0027h20.647±0.3505c白马王子838.33±0.1157i51.727±0.0383a4.765±0.0033a21.113±0.2904c红色妖姬1248.04±0.0528b31.162±0.0597g2.095±0.0042i15.967±0.7014gh

注：不同字母表示处理间在0.05水平有显著性差异。

表3 相关性系数矩阵

指标相对含水量脯氨酸可溶性糖含量叶绿素总含量丙二醛过氧化物酶可溶性蛋白含量相对含水量1.0000.1300.145-0.184-0.552-0.1180.324脯氨酸1.0000.4720.042-0.1770.171-0.208总超氧化物歧化酶-0.4150.1810.268-0.2830.218可溶性糖含量1.000-0.235-0.0800.158-0.165叶绿素总含量1.0000.697∗∗0.183-0.040丙二醛1.000-0.0720.098过氧化物酶1.000-0.877∗∗可溶性蛋白含量1.000

注：“*”代表差异显著(p<0.05)，“**”代表差异极显著(p<0.01)。

表4 主成分分析的特征值与方差贡献率

成分 初始特征值 载荷因子平方和 特征值方差/%累计/%特征值方差/%累计/%12.55731.96631.9662.55731.96631.96622.12826.59858.5642.12826.59858.56431.26315.78474.3491.26315.78474.34940.87510.93885.28650.5436.78392.07060.4896.10798.17770.0760.94699.12280.0700.878100.000

表5 主成分分析下各项指标的特征向量

指标 第1主成分特征向量第2主成分特征向量第3主成分特征向量相对含水量-0.247 -0.431 0.093 脯氨酸-0.399 0.086 0.469 总超氧化物歧化酶0.475 0.001 -0.241 可溶性糖含量-0.393 0.017 0.376 叶绿素总含量0.261 0.395 0.413 丙二醛0.385 0.364 0.437 过氧化物酶-0.307 0.502 -0.286 可溶性蛋白含量0.301 -0.515 0.360

表6 13个非洲菊不同品种不同指标隶属函数及均值排名

品种隶属函数值总超氧化物歧化酶可溶性糖丙二醛可溶性蛋白脯氨酸隶属函数均值排名缤纷0.66420.13851.00000.28870.07080.43246大0880.00000.49810.38500.39601.00000.45584贵族0.55840.33010.23870.33370.30140.352510阳光海岸0.20160.41260.64830.97670.07240.46233鸿运0.14060.45500.15000.91330.40950.41377红极星0.71190.19860.11560.81300.01970.37189娇艳1.00000.17520.55330.77240.24550.54932靓粉0.30730.07330.25110.04310.48500.232012玲珑0.47030.12320.00000.47490.16450.246611蜜糖0.27590.00000.17210.26270.26650.195513秋日0.76780.14920.42281.00000.69230.60641白马王子0.29961.00000.22780.00000.70510.44655红色妖姬0.89470.20010.43480.44740.00000.39548

2.3 利用模糊隶属函数分析评价非洲菊不同品种的适应性

通过利用筛选的5个生理生化指标(总超氧化物歧化酶、可溶性蛋白含量、脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量)对13个非洲菊品种进行模糊隶属函数分析。结果(表5)发现，隶属函数排名依次为：秋日>娇艳>阳光海岸>大088>白马王子>缤纷>鸿运>红色妖姬>红极星>贵族>玲珑>靓粉>蜜糖。秋日、娇艳的隶属函数值较高达到0.606 4、0.549 3，表明这2个品种对低温弱光逆境的适应性较强；而玲珑、靓粉、蜜糖的隶属函数值较低，均在0.3以下，说明这3个品种对低温弱光逆境的适应性较差。

2.4 非洲菊不同品种的聚类分析

参照张文娥等[16]的方法，按平均隶属度将抗寒性分为5级：0.70～1.00为Ⅰ级(高抗)；0.60～0.69为Ⅱ级(抗)；0.40～0.59为Ⅲ级(中抗)；0.30～0.39为Ⅳ级(低抗)；0～0.29为Ⅴ级(不抗)。

综合非洲菊品种的隶属函数排名(表6)及聚类分析结果(图1)，可将13个非洲菊品种分为2大类群，7个亚类群，并对其抗寒性作评价(表7)。

第Ⅰ大类群仅有1个亚群：① 秋日、娇艳聚为一类，且两者相似度较高，耐低温弱光性较强，其中秋日抗寒能力达到Ⅱ级，为抗寒品种。

第Ⅱ大类群包括4个亚群：②大088、阳光海岸及白马王子这3个品种聚为一类，三者相似度很高，抗寒能力达到Ⅲ级，为中抗寒品种；③缤纷单独为一类，抗寒能力达到Ⅲ级，为中抗寒品种；④鸿运与红色妖姬聚为一类，抗寒能力达到Ⅲ级，为中抗寒品种；⑤贵族与红极星聚为一类，抗寒能力仅到Ⅳ级，为低抗寒品种。

图1 非洲菊不同品种聚类分析图

表7 13个非洲菊不同品种的抗寒评价

品种隶属函数均值耐寒性等级耐寒性评价缤纷0.4324 Ⅲ级中抗寒品种大0880.4558 Ⅲ级中抗寒品种贵族0.3525 Ⅳ级低抗寒品种阳光海岸0.4623Ⅲ级中抗寒品种鸿运0.4137Ⅲ级中抗寒品种红极星0.3718Ⅳ级低抗寒品种娇艳0.5493Ⅲ级中抗寒品种靓粉0.2320Ⅴ级不抗寒品种玲珑0.2466Ⅴ级不抗寒品种蜜糖0.1955Ⅴ级不抗寒品种秋日0.6064Ⅱ级抗寒品种白马王子0.4465Ⅲ级中抗寒品种红色妖姬0.3954Ⅲ级中抗寒品种

第Ⅲ大类群包括2个亚群：⑥靓粉、玲珑聚为一类，抗寒能力为Ⅴ级，为不抗寒品种。 ⑦蜜糖为一类，为不抗寒品种，且隶属度最低。表明，粉色系品种的抗寒能力较差。

3 结 论

光照与温度是植物生长和发育的必要条件，也是制约植物自然地理分布的主要环境因素。植物在生长发育过程中往往会随季节和昼夜的温度、光照条件的变化而变化，这种变化不仅影响植物的许多生物化学过程，也影响植物体内各种物质的变化。而低温和弱光的普遍发生，往往成为影响植物正常生长发育、制约农业生产的重要逆境条件。

南方大棚的环境调控能力弱，冬春持续低温阴雨，光照不良气候条件致使大棚内长期处在亚适温昼/夜，(15～20)℃/(8～12)℃与 弱光(光照强度<100μmol·(m2·s)-1)环境[17]。非洲菊原产于南非温带地区,喜阳光充足且不耐低温。大棚内低温弱光条件对其在冬春季节的生长开花影响较大。

国内外许多学者已筛选出许多与植物低温弱光耐受性的相关形态、生理生化等方面的指标。陈青君等[18]认为，不同基因型黄瓜对低温弱光的耐受性不完全协同。耐低温与耐弱光之间存在交互效应。高山等[17]采用主因子分析、系统聚类分析和隶属函数法综合评价了23份苦瓜材料的耐低温弱光能力，发现苦瓜的低温弱光耐受性是受到多因子影响的复杂性状，仅使用某一单项指标无法反映苦瓜耐受性的本质。本研究结果与之一致。

本研究筛选出丙二醛、总超氧化物歧化酶、可溶性蛋白含量、脯氨酸、可溶性糖含量等5个指标，可作为非洲菊耐低温弱光性的评价鉴定指标。

利用模糊隶属函数分析和聚类分析，较好地评定了13个非洲菊品种的耐低温弱光性，依次为：秋日、娇艳>阳光海岸、大088、白马王子>缤纷>鸿运、红色妖姬>红极星、贵族>玲珑、靓粉、蜜糖。

本试验表明，13个非洲菊品种的耐寒性与田间表现比较吻合，说明主成分分析法、模糊隶属函数分析法以及聚类分析法可以作为花卉品种资源耐低温弱光逆境分析方法，为在多指标测定基础上对供试材料进行综合评价提供了一条比较可靠的途径，弥补了单一指标的局限性，从而使评价结果更加客观、科学。但这一结果仍需更多非洲菊品种材料，在光温控制条件下对非洲菊的整个生长期的耐低温弱光性做进一步验证和研究。