基于主成分分析的苦瓜自交系萌发期耐热性评价

林春妹， 廖道龙，2， 刘子凡， 符厚隆

(1.海南大学热带作物学院， 海口 570228； 2.海南省农业科学院蔬菜研究所， 海口 571100)

苦瓜(MomordicacharantiaL.)别名凉瓜，是葫芦科苦瓜属一年生攀缘性草本植物，具有较高的营养价值和药用价值，深受广大消费者喜爱[1]。苦瓜是海南本地市场瓜类产品的主要供应品种之一[2]，是瓜菜作物中经济效益较高的作物，种植面积高达666.7 hm2，主要分布在海口、澄迈、定安和三亚等地。苦瓜种子发芽适宜温度为30～35 ℃[3]，海南岛年平均温度为22.8～25.5 ℃，夏季气温高于30 ℃，且时间很长[4]，短期温度可达35 ℃以上，多数作物生长发育的最适温度上限一般靠近其最高温度[5]，因此，这种持续的高温限制了海南夏季蔬菜的供应，成为海南蔬菜夏淡季的关键原因[6]。

植物的新生命是从种子萌发开始，温度对种子萌发及成苗具有重要影响[7]。萌发期是种子对外界不良环境比较敏感的时期，因此，在萌发期开展耐热性鉴定具有代表意义[8]。在抗性评价中，除了高效的评价指标外，还需要对数据进行科学合理的分析。近年来，主成分分析等多元统计方法已经被广泛地应用于作物种质资源评价和育种实践中。已有研究表明，高温条件下，黄瓜[9]、萝卜[10]、玉米[11]的发芽率、发芽势、发芽指数均呈下降趋势；高温会影响水稻成苗率[12]。苦瓜作为海南夏季克淡的一个重要蔬菜种类[13]，姜羽[14]研究发现，高温会导致苦瓜种子的发芽势和发芽率下降。本课题组前期筛选出表现性状良好的KG 10-1、KG 14-4、KG 18-2 三个自交系，摸清其耐高温差异对缓解海南夏季蔬菜供应有一定的现实意义。因此，本试验以上述3个苦瓜自交系的种子为材料，于高温条件下砂床发芽，测定萌发特性指标，采用主成分分析法分析其耐热性差异，为海南省夏季苦瓜种植材料的选择及其栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试苦瓜(MomordicacharantiaL.)自交系为KG 10-1、KG 14-4、KG 18-2，其种子均由海南省农业科学院蔬菜研究所提供。砂床用砂购自本地建材市场。

1.2 试验方法

发芽盒和发芽床的准备：选用长方形发芽盒，75%酒精消毒后备用；砂经洗涤、130 ℃高温灭菌2 h、过0.05 mm和0.8 mm筛，每100 g干砂加14 mL蒸馏水，拌匀后每盒称400 g砂备用。

发芽方法：每个自交系设4次重复，共12盒。选取健康饱满、大小一致的苦瓜种子，55 ℃浸种10～15 min，再于30 ℃水中浸种12 h；均匀置种，每盒30粒，砂床法发芽。分别置于30 ℃、33 ℃、36 ℃光照培养箱内发芽(按照农作物种子检验规程中规定发芽温度为30 ℃，故以30 ℃为对照)，为了防止出现白化苗和霉菌生长，培养时设置光照，光强为750～1250 lx，光照时间12 h，试验期间，无需补充水分。以种子露白0.5 cm为发芽标准，连续3 d无种子发芽结束试验。

每天在相同时间段观察、记录种子发芽数，试验结束时，测量所有成苗的幼苗下胚轴长(SHL)、根长(SRL)、鲜重(SFW)及干重(SDW)。计算平均发芽时间(MGP)、发芽率(GP)、成苗率(SP)、发芽速率指数(GRI)、发芽指数(GI)、活力指数(VI)及其变化率，计算公式如下：

MGP=∑(Dt×Nt)/∑Nt；

GP(%)=(发芽数/种子总数)×100%；

SP(%)=(成苗数/种子总数)×100%；

GRI=∑Gt×D；

VGI=∑Nt×Dt；

VI=GP×SDW；

式中：Dt代表开始播种后的第t天；Nt代表相应各天的发芽粒数；Gt代表开始播种后的第t天累积发芽率；D代表总发芽天数。

1.3 试验数据处理方法

采用Excel 2010软件进行数据整理，统计分析采用DPS 9.01软件。

2 结果与分析

2.1 种子萌发相关指标差异

不同温度不同苦瓜种子的萌发情况见表1。 从表1可知，各发芽温度下， KG 10-1和KG 14-4的MGP均无明显差异，但两者均显著高于KG 18-2；对同一自交系种子来说，呈现出随发芽温度的升高，MGP延长的趋势；且均表现为当发芽温度达到36 ℃时，苦瓜种子的MGP才达到显著差异。

另外，发芽温度为30 ℃、33 ℃时，KG 10-1和KG 18-2的GP无明显差异，但均显著低于KG 14-4的种子GP；当发芽温度为36 ℃时，KG 10-1与KG 14-4种子的GP无明显差异，但均显著高于KG 18-2的种子GP；同一自交系不同发芽温度，均呈现随着发芽温度的增加，GP不断降低，当温度升到36 ℃时，GP才呈现显著差异。

表1 种子萌发相关指标差异Table 1 Differences in related indexes of seed germination

表2 各项萌发指标的变化率差异Table 2 The change rates of various germination indexes

表3 种子成苗相关指标差异Table 3 Differences in related indexes of seedlings

从表1还发现，各自交系苦瓜种子，GRI和GI均呈现随温度的升高而不断降低的趋势，其中KG 10-1的发芽温度升至33 ℃时GRI和GI达到显著水平，KG 14-1和KG 18-2的发芽温度升至36 ℃时才达到显著水平。对同一温度不同自交系来说，KG 10-1与KG 14-4在发芽温度为30 ℃和36 ℃时无明显差异，而KG 18-2的GRI和GI显著低于KG 10-1和KG 14-4；在发芽温度为33 ℃时，KG 14-4的GRI和GI显著高于KG 10-1和KG 18-2，KG 10-1和KG 18-2的GRI与GI均无明显差异。

2.2 种子萌发相关性状变化率的差异

由于不同自交系间的萌发相关性状存在差异，为了克服其本身萌发指标的差异，选用变化率进行分析比较。从表2可以看出，发芽温度为33 ℃时，3个自交系的MGP变化率无明显差异，且均未达到显著水平，说明33 ℃下3个自交系的MGP与30 ℃无差异；仅KG 18-2的GP、GRI和GI变化率显著差异，说明该自交系在发芽温度为33 ℃和30 ℃时GP、GRI和GI无差异，而KG 10-1和KG 14-4的GP、GRI和GI变化率均为负值，且达到显著水平，同时KG 10-1的下降幅度显著大于KG 14-4，说明发芽温度为33 ℃时，GP、GRI和GI显著降低，从对种子发芽的影响上看，KG 10-1自交系要比KG 14-4大。

从表2可知，发芽温度达36 ℃时，3个自交系的MGP、GP、GRI和GI变化率均达到显著水平，说明发芽温度升到36 ℃时，3个自交系种子的MGP也明显延长，KG 18-2的GP、GRI和GI也明显降低。KG 18-2种子的MGP、GP与GRI变化率显著大于KG 10-1和KG 14-4，KG 10-1与KG 14-4的MGP与GRI变化率无明显差异，而KG 10-1的GP和GI的变化率显著小于KG 14-4。

2.3 种子成苗相关指标差异

由表3可知，无论是30 ℃还是33 ℃，KG 14-4种子的SP、SHL、SFW和VI均显著大于KG 10-1和KG 18-2，而SRL和SDW两个自交系间无明显差异；KG 18-2种子的SP、SHL、SFW和VI均显著低于KG 10-1和KG 14-4。

从表3还可知，对KG 10-1来说，发芽温度为30 ℃时的SP、SHL和VI显著高于发芽温度为33 ℃的，这两个发芽温度之间的SRL、SFW和SDW无显著差异；KG 14-4和KG 18-2种子发芽温度为30 ℃与发芽温度为33 ℃的SP、SHL、SRL、SFW、SDW和VI无差异。

2.4 种子成苗相关指标变化率的差异

各自交系之间的成苗相关指标存在差异，为了克服品系本身成苗指标的差异，选用变化率进行分析比较，由于36 ℃下3个自交系种子均未成苗，故只关注33 ℃下各成苗指标变化率，各成苗指标变化率见表4。

从表4可知，KG 14-4与KG 18-2的SP变化率无显著差异，但SP的变化率均显著低于品系KG 10-1；3个自交系之间SHL、SRL、SFW、SDW变化率均无显著差异；KG 14-4的VI变化率显著低于KG 18-2，但KG 14-4与KG 10-1之间、KG 10-1与KG 18-2之间的VI变化率无明显差异。3个自交系的SHL变化率均显著低于0，SP的变化率仅KG 10-1和KG 14-4显著低于0，VI变化率仅KG 10-1显著低于0。

2.5 3个自交系耐热能力综合分析

因36 ℃时各自交系均不能成苗，故只对3个自交系在33 ℃时的萌发成苗进行综合评价。33 ℃下10个萌发与成苗指标的变化率相关系数见表5。从表5可知，X2分别与X3、X4、X5、X10间呈极显著相关；X3分别与X4、X5、X10间呈极显著相关；X4分别与X5、X10间呈极显著相关；X5与X10呈极显著相关；X9与X10呈显著相关。以上说明，各单项指标之间的信息存在一定相互叠加现象，因此，直接利用这些指标不能准确评价33 ℃对苦瓜种子萌发及成苗的影响，故需对变量进行降维。

表4 各项成苗指标的变化率Table 4 The change rate of each seedling index

表5 各指标之间的相关性分析Table 5 Correlation analysis among indicators

对苦瓜种子萌发及成苗共10个指标的变化率进行主成分分析，结果见表6和表7。从表6可知，第一主成分的特征值为4.64，贡献率为46.40%；第二主成分的特征值为2.05，贡献率为20.51%；第三主成分的特征值为1.13，贡献率为11.28%。三个主成分的累积贡献率达到了78.19%。这样就将原来10个单项指标转换为3个新的相互独立的综合指标，并代表了原始指标包含的绝大部分信息。

根据表6结果中的F1、F2和F3值及其贡献率，通过计算获得综合得分值F(表7)。其中，KG 18-2的F值最大，为0.68；KG 10-1的F值最小，为-0.97。根据F值的大小对3个自交系进行排名，结果表明，3个苦瓜自交系在33 ℃下耐热能力表现为KG 18-2>KG 14-4>KG 10-1，且KG 18-2和KG 14-4在33 ℃下的萌发出苗情况优于30 ℃。

表6 主成分的公因子特征值及贡献率Table 6 Common factor eigenvalues and contribution rates of principal components

表7 综合得分及排名Table 7 Comprehensive scores and rankings

3 讨论与结论

作物的正常生长需要一定的温度条件来保障，环境温度超出了其适应范围，就会对其形成胁迫，进而造成不同程度的损害。在一定的发芽温度范围内，通常温度愈高，发芽速度愈快，发芽率随之下降；相反，温度愈低，发芽速度减慢，而发芽率可能会增加[16]。研究结果表明，随着温度的升高，3个苦瓜自交系发芽率整体呈下降趋势，与姜羽[14]的研究结果一致。发芽温度为36 ℃时，3个品系的平均发芽时间变化率均大于0，且达到显著水平，说明36 ℃超过了种子发芽的温度范围。

同一作物不同生育时期的温度三基点不同，一般种子萌发的温度三基点低于营养生长期，营养生长期又低于生殖器官发育期[17]，所以，种子萌发和幼苗生长是作物生长各阶段中对环境较为敏感的时期[18-19]。因此，可通过研究不同品种的萌发期特性进行耐热性评价。植物耐热性是一个受多种因素控制的复杂数量性状[20]，不能采用单一指标对作物的耐热性进行评价。主成分分析法可以避免单一指标带来的片面性[21]。从综合得分值可知，3个苦瓜自交系在33 ℃下耐热能力排序为：KG 18-2>KG 14-4>KG 10-1。因此，在夏季苦瓜生产中，建议选择耐热力较优的KG 18-2品系。

植物生长过程中，在较短时间内可暂时接受逆境胁迫，但是胁迫时间过长会对植物造成不可逆的伤害[22]。研究发现，发芽温度为36 ℃时，3个自交系苦瓜种子均不能成苗，这与种子发芽在高温下持续时间较长影响了种子活力有关[23]，说明若土温持续高于36 ℃的时间过长，苦瓜种子不宜播种，可先在 33 ℃以下的温度进行催芽和育苗，待植株具有更强的耐热性后再移至室外栽培。短时间的36 ℃是否影响成苗还有待进一步研究。