新疆哈密瓜苗期耐冷性评价

杨鸿基 徐诚 高亚宁 杨建超 杨平 轩正英 阿依买木·沙吾提

摘    要：为了挖掘新疆哈密瓜耐冷资源，为设施耐冷品种的选育提供研究基础，笔者以14份哈密瓜为试材，采用人工模拟低温的方法，在4 ℃低温处理下，测定相关生长、生理指标，并采用主成分分析和隶属函数分析，对14份哈密瓜幼苗的耐冷性进行综合评价。对原有的12个单项指标进行主成分分析，得到5个新的相互独立的综合指标;通过聚类分析，把所有品种分为3类。其中，阿克陶1号等3个品种为耐冷性强的品种，西开心等8个品种为中度耐冷品种，其里甘等3个品种为冷敏感品种;通过逐步回归分析，建立了评估哈密瓜苗期耐冷性的数学模型：D=-0.31+0.62RDW0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD，并筛选出根干质量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性等4个指标可作为哈密瓜苗期耐冷性评价的有效指标。

关键词：哈密瓜;耐冷性;主成分分析;隶属函数分析

中图分类号：S652.1 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）02-090-05

Cold tolerance evaluation of hami melon seedlings in Xinjiang

YANG Hongji， XU Cheng， GAO Yaning， YANG Jianchao， YANG Ping， XUAN Zhengying， Ayimaimu·Shawuti

（The National-Local Joint Engineering Laboratory of High Efficiency and Superior-Quality Cultivation and Fruit Deep Processing Technology on Characteristic Fruit Trees/College of Horticulture and Forestry， Tarim University， Alar 843300， Xinjiang， China）

Abstract：In order to excavate the cold tolerance resources of Hami melon in Xinjiang， and provide the research basis for the breeding of greenhouse cold tolerance varieties. In this study， 14 Hami melon seedlings were treated at 4 ℃ by simulated low temperature， and their growth and physiological indexes were determined， and the cold tolerance of 14 Hami melon seedlings was evaluated by principal component analysis and membership function analysis. Based on the principal component analysis of the original 12 individual indexes， five new independent comprehensive indexes were obtained; Through cluster analysis， all varieties were divided into 3 categories， among which 3 varieties， such as Aketao 1， were strong cold-tolerant varieties， 8 varieties， such as Xikaixin， were moderate cold-tolerant varieties， and 3 varieties， such as Qiligan， were cold-sensitive varieties. Through stepwise regression analysis， a mathematical model was established to evaluate the cold tolerance of Hami melon at seedling stage： D=-0.31+0.62RDW0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD， and root dry weight， soluble protein， soluble sugar and superoxide dismutase， can be used as effective indexes for cold tolerance evaluation of Hami melon at seedling stage.

Key words：Hami melon; Cold tolerance; Principal component analysis; Membership function analysis

哈密瓜（Cucumis melo L.）又名甘瓜、網纹瓜、雪瓜、贡瓜，属葫芦科黄瓜属的一年生草本植物，不仅是新疆传统的名优特产，还是国内外重要的经济作物[1-2]。新疆得天独厚的地理环境与特色气候条件成就了新疆哈密瓜肉质松脆、含糖量高、营养丰富的品质特点[3]。2016年我国哈密瓜产量约为250万t，2018年达到305.6万t左右。其中，新疆生产约165万t，其产量超过全国总产量的一半[4]，由此可见哈密瓜对新疆当地经济发展扮演着越来越重要的角色。但近几年来，极端严寒等灾害性气候频繁发、气候变化剧烈，早春设施常常发生低温冷害现象，严重影响哈密瓜幼苗的正常生长，造成哈密瓜产量的大幅度下降，给哈密瓜的生产带来了巨大的经济损失[5]。因此，筛选出适合设施栽培的哈密瓜专用品种势在必行，而准确地鉴定哈密瓜耐冷性的强弱和筛选出评价耐冷性的关键指标是解决以上问题的关键环节，并且对设施哈密瓜生产具有重大意义。

近年来植物耐冷性的评价引起了人们的广泛关注，前人对甜瓜耐冷性多从萌芽期[6-7]、苗期形态[8]与生理生化[9]等方面进行研究，然而针对新疆哈密瓜苗期耐冷性研究报道较少。本试验以14份新疆哈密瓜为材料，进行人工模拟低温处理，采用主成分分析、聚类分析等方法对新疆哈密瓜苗期的耐冷性进行综合评价和分类，建立较为可靠的分级体系，并筛选出耐冷性较强的品种，旨在为耐低温的设施品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用14份哈密瓜材料，由笔者所在课题搜集和保存（表1）。

1.2 方法

本试验于2020年10月在塔里木大学园艺试验站内进行。播种前从14份哈密瓜材料中分别选取90粒饱满的种子进行催芽，将种子在55 ℃蒸馏水中浸种10 min，期间不断搅拌，然后用热水中浸泡8 h，捞出后放入温度设置为28 ℃的人工培养箱内（GXZ-800D），催芽24 h，待露白后，播种在装有V草炭：V蛭石：V珍珠岩=1：1：1的32孔穴盘中，于智能温室苗床上进行育苗并进行常规管理，育苗期间智能温室温度为白天（25 ～30 ℃）/夜晚（15～18 ℃）。当幼苗生长至3叶1心时，选用长势均一的幼苗进行低温处理。先将材料置于温度为28 ℃/15 ℃的人工气候室内适应48 h后，再于（4±1） ℃下进行48 h低温处理[10]，光照度8000 lx，昼夜时长为16 h/8 h，以智能温室培养的植株为对照，处理48 h后进行采样。每份材料15株，3次重复，每次重复5株。

1.3 测定指标与方法

1.3.1    形态指标测定    采用分析天平对根干质量（RDW）、根鲜质量（RFW）、地上部干质量（ODW）、地上部鲜质量（OFW）进行称量。称量干质量时，先将材料在105 ℃下杀青15 min，在85 ℃下恒温干燥12 h，然后再称量。植株生长量（PMG）为处理前后植株干质量之差。试验随机选取5株幼苗进行测定。

1.3.2    生理指标测定    随机选取5株幼苗的第2片真叶，过液氮后捣碎取出较大叶脉，混匀，装入冻存管中以-80 ℃中保存备用。参考高俊凤[11]的方法测定游离脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SSC）和可溶性蛋白（SPC）含量等指标。使用苏州科铭生物技术有限公司的试剂盒和酶标仪（Infinete 200）对超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性进行测定，3次重复。

电导率（EC）采用型号为DDS 307的电导率仪进行测定。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2013对数据进行统计，各指标的相对值参考周亚峰等[12]的方法进行计算，即：

相对值/%=（处理测定值/对照测定值）×100。

（1）

利用SPSS 26.0，进行主成分分析、聚类分析和逐步回归分析，利用模糊数学中的隶属函数法，对不同品种的耐冷性进行鉴别和评价。各品种的综合指标（CI）、隶属函数值（μ）、权重（ω）和综合评价值（D）的计算，参照苗永美等[13]的方法，通过逐步回归法建立D值与指标间的回归方程，利用回归方程计算耐冷性综合评价的预测值（VP）[14]。

耐冷综合指标CIi= [j=16Eij·X'j]。                   （2）

式中，CI i為某一品种第 i 个主成分得分，E i j表示第 i 个主成分第 j 个单项指标对应的特征向量，[X'j]表示第 j 个单项指标的标准化值。本试验中 i=1，2，3，4，5;j=1，2，3，…12。

各品种综合指标的隶属函数值按下列公式计算：

μ（xi j）=（xi j –xj min）-（xj max–xj min）。                （3）

在式中：x i j表示 i 表示主成分分析中第 j 个综合指标;x j max、x j min分别表示该指标的最大值和最小值。

综合指标的权重可根据各综合指标的贡献率由以下公式求得：

ωj=pj /[jnpj] j= 1，2，3…，n。                        （4）

式中，ωj值表示第 j 综合指标在各综合指标中的相对重要性及权重，pj为第 j 综合指标在主成分分析中的贡献率，n为主成分的个数，本试验中 n=5。

用公式（5）计算各品种综合耐冷性的强弱：

Di = [j=1n[μxij·ωj]]  i = 1，2，3，…;j = 1，2，，3，…，n。                                                                        （5）

式中，Di值为第 i 品种耐冷性的综合评价值，n表示主成分的个数，本试验n=5。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对不同哈密瓜材料耐冷性指标的影响

如表2所示，在4 ℃条件下处理48 h后，全部幼苗生长受到抑制。与对照相比，低温胁迫后的植株生长量（PMG）、地上部分干质量（ODW）、地上部分鲜质量（OFW）、根干质量（RDW）、根鲜质量（RFW）均有所下降。其中，植株生长量的变化幅度0.19～0.59，地上部分干质量的变化幅度0.38～0.81，地上部分鲜质量的变化幅度0.38～0.97，根干质量的变化幅度0.39～0.83，根鲜质量的变化幅度0.44～0.96，形态指标的变异系数（CV）变化幅度为0.18～0.30。

由表3可知，经4 ℃低温处理后，14份供试材料生理指标发生明显变化。叶片的电导率（EC）、游离脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SPC）与对照相比均有增加，可溶性糖含量（SSC）与对照相比仅C7（西开心）有所下降，较对照比较过氧化物酶（POD）呈下降趋势，超氧化物歧化酶（SOD）在大多数品种中呈下降趋势，只在C9（阿克陶1号）、C11（岳普湖1号）、C13（超早丰F1）3份材料中呈上升趋势，过氧化氢酶（CAT）在大部分品种中呈上升趋势，而在4份品种C3（白库克其）、C6（比斜克其2号）、C7（西开心）、C8（卡啦喀西）中呈下降趋势，其生理指标的变异系数（CV）变化幅度在0.11～0.46之间。

由于各指标之间有一定程度的相关性，从而导致他们耐冷性表征信息有所重叠，所以难以用单一指标进行准确、客观地反映不同哈密瓜品种的耐冷性。因此，运用多元统计分析方法对各指标信息进行有效的综合利用是十分必要的。

2.2 哈密瓜幼苗指标的主成分分析

对14份哈密瓜材料测定耐冷性指标进行主成分分析后得到12个主成分，前5个主成分的累计贡献率在85%以上，表明这5个综合指标（PC1～PC5）的贡献率能够解释总变异的85.11%（表4）。这5个新的独立的综合指标就能代表原来12个单项指标的绝大部分信息。因此，选择前5个主成分对哈密瓜耐冷性进行评价分析。

在5个新确定的综合指标中，第一主成分（PC1）的特征向量主要是根干质量（0.47）、根鲜质量（0.43）、电导率（-0.43）、过氧化物酶活性（-0.41），其中，特征值最大的是根干质量;第二主成分（PC2）的特征向量主要是可溶性蛋白含量（0.46）、超氧化物歧化酶活性（-0.45）;第三主成分的特征向量主要是游离脯氨酸含量（0.51）、可溶性糖含量（0.45），其中，特征值最大的是游离脯氨酸含量;第四主成分是植株生长量（0.41）、地上部分鲜质量（-0.54），其中，特征值最大的是地上部分鲜质量;第五主成分的特征向量主要是过氧化氢酶活性（-0.62），说明5个主成分主要与根干质量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、地上部分鲜质量、过氧化氢酶活性相关。

2.3 哈密瓜幼苗的耐冷性综合评价

根据综合指标的贡献率大小及累计贡献率，计算各综合指标的权重，分别为0.33、0.28、0.15、0.15、0.09（表5）。

根据隶属函数值及权重计算出每份材料的D值，并根据D值大小对不同材料的耐冷性进行排序。其中，C9（阿克陶1号）的D值最大，表明耐冷性最强;C12（阔克齐1号）D值最小，表明耐冷性最弱。基于D值的组间平均连接法进行聚类（图1），在距离为5处，14份种质可以分为3类。第一类耐冷型强的品种，D值在0.68～0.71之间;第二类中度耐冷型的品种，D值介于0.38～0.52之间;第三类冷敏感性的品种，D值介于0.29～0.32之间（表6）。

2.4 耐冷性回归模型建立

为了更加准确地分析哈密瓜苗期的耐冷性与各项指标的相对值的关系，建立了评价哈密瓜苗期耐冷性的数学模型。利用SPSS软件，以D值为因变量，以苗期各调查指标的相对值为自变量，通过逐步回归分析，建立最佳回归方程：D=-0.31+0.62RDW+0.18SPC+0.10SSC-0.21SOD，其中R2=0.965，P<0.05。用回归方程对苗期4个单项指标的相对值进行预测，得到预测值（VP）（表5），并对预测值和综合评价值进行相关性分析，得出两者的相关系数r=0.921，呈极显著正相关关系，表明该回归方程可用于哈密瓜苗期耐冷性的综合评价。

3 讨论与结论

虽然已有关于哈密瓜苗期耐冷性的研究报道，但是主要集中在生理指标的响应方面[15]，鲜见对哈密瓜耐冷性的综合评价。植物的耐冷性是一个由遗传和环境因素共同决定的复杂性状[16-17]，不同品种的耐受机制各不相同，如果仅用单一指标评价，不但可信度低，而且结果不可靠[18]，故采用主成分分析和隶属函数法等多元分析方法对植物开展全面的评价[19]，不仅可以消除单一指标的局限性，还能提高评价的准确性[20-21]，因此越来越多的研究人员通过外观形态指标、生理生化指标等多指标的综合评价法来确定供试材料的耐冷性，并建立可靠的评估体系[22]。

植物受到低温胁迫时生理变化首先对胁迫做出反应，其中可溶性糖和可溶性蛋白是影响植物耐冷性的重要渗透调节物质，武雁军等[23]通过对厚皮甜瓜在4 ℃或6 ℃的生理生化指标的研究表明，耐冷性强的品种可产生较多的可溶性糖、可溶性蛋白，它们可以作为判定厚皮甜瓜耐冷性的重要指标，本次试验表明耐冷性与可溶性糖含量、可溶性蛋白含量呈正相关，说明可溶性糖和可溶性蛋白含量越高，耐冷性越好。本试验表明根干质量与耐冷性呈正相关、SOD与耐冷性在一定程度上呈负相关，说明较高耐冷性哈密瓜SOD酶活性较低，与周亚峰等[12]研究结果相一致。

综上所述，本试验采用主成分分析法，将12个单项指标转化为5个新的综合指标，并在此基础上进行了深入的分析，计算出隶属函数值、权重、综合评价值，采用组间平均连接法对D值进行聚类分类，将14个品种的耐冷性分为3类。其中，耐冷性强的3个分别是C9（阿克陶1号）、C5（比斜克其1号）、C4（斯力克65），中度耐冷品种8个分别是C7（西开心）、C10（阿克陶2号）、C13（超早丰F1）、C3（白库克其）、C6（比斜克其2号）、C11（岳普湖1号）、C1（比西克新75）、C8（卡啦喀西）、冷敏感品种3个分别是C2（其里甘）、C14（其力甘65）、C12（阔克奇1号）。采用逐步回归分析法，以D值为因变量，苗期各指标的相对值为自变量进行逐步回归分析，建立了可靠的回归方程，D=-0.31+0.62 RDW+0.18 SPC+0.10 SSC-0.21 SOD，通过回归方程分析，从12个单项指標中筛选了根干质量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性的相对值作为新疆哈密瓜苗期耐冷性评价的关键指标。

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