南疆引進的52份菊芋品種資源葉片生理性狀主成分和聚類分析

范君華，劉明，吳全忠，艾買爾江·吾斯曼（塔里木大學生命科學學院，新疆阿拉爾843300；塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾843300）

南疆引進的52份菊芋品種資源葉片生理性狀主成分和聚類分析

范君華1，劉明2，吳全忠2，艾買爾江·吾斯曼2
（1塔里木大學生命科學學院，新疆阿拉爾843300；2塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾843300）

摘要：為菊芋種質資源評價、分類、利用、育種親本選配、引種提供參考，對53個菊芋材料葉片生理生化指標進行相關、主成分和聚類分析。結果表明：淀粉含量和可溶性糖含量變異系數較大，酸性轉化酶活性、SLW和Chl a/b的變異系數較小。菊芋葉片生理生化指標存在著不同程度的相關性。主成分分析將這些因子分為5個主成分，其累計貢獻率達90.301%。5個主成分歸為光合能力、光合產物、耐蔭性、類胡蘿卜素的保護程度、酶活性的綜合指標。聚類分析將資源聚為5類，第Ⅰ類菊芋葉片淀粉和可溶性糖含量較低；第Ⅱ類Chl a/b較高；第Ⅲ類酸性轉化酶、可溶性蛋白質含量高；第Ⅳ類Car較高；第Ⅴ類Chl a、Chl b、Chl (a+b)、SLW、淀粉含量、可溶性糖含量較高。篩選出5個今后示范推廣的品種，即‘北純29’、‘北純32’、‘北純15’、‘北純52’和‘南純56’。

關鍵詞：菊芋；品種資源；葉片生理指標；相關性；主成分分析；聚類分析

0　引言

菊芋(Helianthus tuberosus L.)屬菊科向日葵屬，耐貧瘠、耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗病蟲、抗風沙、繁殖力強、產量潛力大、分布廣、適應性強等特點于一體，從17世紀初直至現在，菊芋的塊莖一直被用作食品和飼料[36]。菊芋是目前中國沿海灘涂推廣種植的主要海涂耐鹽高效植物之一。塊莖富含的菊糖等果糖多聚物能夠加工成生物燃料、化學品、生物保健產品，在食品、能源、醫藥和化工等行業中廣泛應用[1-2]。地上莖葉可做飼料，葉片中的綠原酸生物活性成分具有清除自由基、抗脂質過氧化、抗菌、抗病毒、抗腫瘤、抗衰老、抗誘變、降壓、清熱解毒、保肝利膽等多種藥用功能[3-5]。葉片提取物對番茄早疫菌、番茄灰霉菌、水稻紋枯菌、辣椒疫霉菌、番茄灰霉病菌、蘋果炭疽病菌、小麥紋枯菌和辣椒疫霉病菌有抑菌效果[6-9]，對棉鈴蟲生長發育有一定的影響[10]。菊芋葉蛋白氨基酸種類齊全[11]。國內外對菊芋資源多樣性[12-18]、抗旱性、光合特性、糖代謝、耐鹽性、干物質的積累[19-27]進行研究。主成分分析法是將眾多指標性狀轉化為少數綜合指標的一種統計分析方法，將復雜問題通過降維方式變得簡單直觀，揭示變量間的關系，更好地進行品種（系）分類。主成分和聚類分析在絲瓜、薏苡、西瓜、百合、水稻、高粱等植物中均有報道[28-33]。種質資源的科學評價是合理利用的前提和新品種選育的基礎。本研究以53個菊芋資源為材料，通過測定生長期菊芋葉片的生理生化指標，采用相關分析、主成分分析和聚類分析，以期為菊芋種質資源收集、評價、分類、鑒定、管理、保護、良種的選育、利用以及雜交育種中的親本選配提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

以中國農業大學引進的純、北純、南純系列菊芋品種資源52份（純1、24、25、26、29、30、31、32、34、35、38、40、42、43、45、48、49、50、51、52、53、54，北純2、3、5、7、8、9、10、11、12、14、15、16、17、19、18、20、21、23，南純27、28、36、37、46、55、56、57、59、60、61，無碼00），本地區的白皮新疆洋姜品種1份作為對照。

1.2試驗設計與資源保存

試驗于2008年在農一師良種繁育場一連7斗3農中條田進行。前茬棉花，機力鋪設普通寬膜，4月13日膜上人工點播，行距80 cm，株距35 cm，小區面積2.4 m2，2次重復。生育期按高產田進行田間肥水管理。11月1日收獲。塊莖在室外普通地窖進行冬藏。

2009年種植于塔里木大學園藝試驗站多年生蔬菜圃。播種時品種間用混凝土預制板分隔，每品種10穴。每年收獲后利用宿根進行長期活體保存。

1.3測定指標及其方法

在營養生長期和塊莖形成及膨大期，分別選取菊芋中部生長基本一致的功能葉片10片，測定葉片比葉重(specific leaf weight，SLW)、葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Car)、Chl (a+b)、Chl a/b、酸性蔗糖轉化酶(acid sucrose invertase，ASI，EC 3.2.1.26)活性、可溶性蛋白質含量(soluble protein content，SPC)、淀粉含量(starch content，SC)、可溶性糖含量(soluble sugar content，SSC)等生理生化指標。其中SLW用打孔烘干稱重法；SSC用蒽酮-硫酸比色法；SPC用考馬斯亮藍G-250比色法；葉綠體色素各組分含量用丙酮乙醇等比混合液浸提比色法[34]；ASI活性以蔗糖作底物，DNS比色法；SC以3.9%的HClO4提取淀粉，碘-碘化鉀(KI-I2)顯色法測定。

1.4數據分析

應用Excel 2003和DPS 9.50分析軟件結合進行處理。

2　結果與分析

2.1菊芋資源葉片生理生化指標的統計分析

2.1.1分異特征變異系數的大小與指標的變異范圍成正相關，即變異系數越大，指標的變異范圍越大。由表1可見，淀粉含量和可溶性糖含量變異系數較大，其次為Chl a、Chl b、Car、Chl (a+b)、可溶性蛋白質含量，最小的是酸性轉化酶活性、比葉重和Chl a/b。

2.1.2相關性分析從表2可以看出，Chl a、Chl b與Chl (a+b)、SLW、淀粉含量有顯著和極顯著正相關性，與酸性轉化酶和可溶性蛋白質含量呈負的顯著和極顯著相關；Chl (a+b)與酸性轉化酶、可溶性蛋白質含量呈負的顯著和極顯著相關；轉化酶與可溶性蛋白含量呈顯著正相關，SLW與酸性轉化酶和可溶性蛋白質含量有極負顯著相關性；SLW與淀粉含量呈顯著正相關。Car、Chl a/b與其他指標之間相關性不顯著。從相關分析可看出，10個指標彼此互相影響，而通過主成分分析可獲得新的變量，可消除多重共線性且彼此間互不相關，鑒于菊芋生理指標之間存在較復雜相關性，因此有必要通過主成分分析找出主要因子。

表1　菊芋資源生理指標的多樣性分析

表2　菊芋資源生理生化指標的相關系數

2.2菊芋資源葉片生理生化指標的主成分分析及排序

2.2.1主成分分析由表3可知，前5個主成分的方差貢獻率達90.301%，所以選前5個主成分已經足夠做出菊芋的種質資源評價分析。第1主成分的特征向量中，特征值為4.479，貢獻率為44.789%，載荷較高的指標是Chl a、Chl b、Chl (a+b)、SLW，可以看作是反映菊芋葉片光合能力的綜合指標；第2主成分載荷較高的指標是淀粉、可溶性糖，可以看作是反映菊芋葉片光合產物的綜合指標；第3主成分載荷較高的指標是Chl a/b，可以看作是反映菊芋耐蔭性的指標；第4主成分載荷較高的指標是Car，是反映菊芋葉片中類胡蘿卜素對葉綠素的保護程度的綜合指標；第5主成分反映了可溶性蛋白質含量，可以看作是反映菊芋葉片酶活性的綜合指標。根據表3構建主成分與菊芋生理指標的線性關系式，如式(1)～(5)。

F1=0.444Chla+0.447Chlb-0.090Car+0.448Chl(a+ b)-0.083Chla/b- 0.366ASI- 0.184SPC + 0.411SLW + 0.207SC+0.086SSC…………………………………(1)

F2=-0.021Chla-0.045Chlb+0.277Car-0.029Chl(a+ b)+0.056Chla/b + 0.044ASI + 0.430SPC + 0.001SLW + 0.531SC+0.669SSC…………………………………(2)

F3=0.099Chla-0.119Chlb-0.303Car+0.029Chl(a+ b)+0.927Chla/b-0.003ASI- 0.113SPC + 0.026SLW + 0.021SC+0.100SSC…………………………………(3)

F4=0.124Chla+0.039Chlb-0.811Car+0.097Chl(a+ b)- 0.293Chla/b- 0.275ASI- 0.131SPC-0.030SLW-0.336SC-0.151SSC…………………………………(4)

F5=0.20Chla + 0.200Chlb- 0.341Car + 0.205Chl(a + b)+0.001Chla/b-0.031ASI+0.780SPC-0.174SLW-0.342SC-0.063SSC…………………………………(5)

根據5個主成分的因子負荷量的大小，篩選出貢獻率較大的5組性狀因子，即用(Chl a，Chl b，Chl (a+ b)，SLW)、(SC，SSC)、(Chl a/b)、(Car)、(SPC)表示。

2.2.2得分及排序以表3中5個主成分的方差貢獻率作為權重進行加權求和，建立菊芋資源綜合評價數學模型，如式(6)。

F=0.444789F1+0.18257F2+0.10418F3+0.10094F4+ 0.06773F5……………………………………………(6)

式(6)中，F1、F2、F3、F4、F5為各指標主成分得分值。主成分因子得分及排序中，‘北純29’、‘北純32’、‘北純15’、‘純52’、‘南純56’、‘純50’、‘純31’、‘北純16’、‘純43’、‘北純2’位于前10名。

2.2.3聚類分析對供試品種進行聚類分析，當歐式距離為100時，可將53個品種分為5大類群（圖1）。5類菊芋葉片生理指標見表4，由圖1和表4可見，5類生理指標具有差異，第Ⅰ類，包括‘北純19’、‘北純7’、‘南純60’、‘南純55’、‘純40’、‘南純36’、‘北純11’、‘北純8’、‘純49’共9份材料，占總樣本的16.98%。這類菊芋主要特征是葉片淀粉和可溶性糖含量較低。第Ⅱ類，包括‘北純10’、‘北純3’以及‘純29’、‘純31’、‘純50’等共29份材料，占總樣本的近54.72%。這類菊芋的主要特征是Chl a/b較高。第Ⅲ類，包括‘北純15’、‘純32’、‘純35’、‘純43’、‘南純28’、‘純24’、‘無碼00’共7份材料，占總樣本的13.21%。這類菊芋的主要特征是酸性轉化酶活性、可溶性蛋白質含量高，Chl a、Chl b、Car、Chl (a+b)、SLW較低。第Ⅳ類，包括‘北純12’、‘北純14’、‘純25’、‘純30’、‘純38’、‘純53’共6份材料，占總樣本的11.32%。這類菊芋的主要特征是Car含量較高，Chl a/b較低。第Ⅴ類，包括‘純26’、‘本地01’共2份材料，占總樣本的3.77%。這類菊芋主要特征是Chl a、Chl b、Chl (a+b)含量、SLW、淀粉含量、可溶性糖含量較高，酸性轉化酶活性和可溶性蛋白質含量偏低。

表3　主成分的特征向量特征值貢獻率及累計貢獻率

3　結論與討論

種質資源經自然選擇和人工選擇而形成的一種重要自然資源，它蘊藏著極其豐富的遺傳變異，因此對引進和征集大量的作物遺傳資源進行鑒定、篩選和分析評價，為今后種質資源的引選、品種改良、親本選配及雜種優勢利用具有重要意義。主成分分析采取降維的方法，達到數據的壓縮和解釋，其目的是從繁雜的試驗數據中透析事物的本質，是有利于提高多目標育種的親本選配效果的一種方法[35]。本研究發現，菊芋資源淀粉含量和可溶性糖含量變異系數較大，酸性轉化酶活性、比葉重和Chl a/b變異系數較小，其余指標變異系數居中。相關性分析，葉綠素a、葉綠素b與葉綠素(a+b)、比葉重、淀粉含量含量有顯著和極顯著正相關性；葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)與酸性轉化酶和可溶性蛋白質含量呈負的顯著和極顯著相關；轉化酶與可溶性蛋白含量呈顯著正相關，比葉重與酸性轉化酶和可溶性蛋白質含量有極負顯著相關性；SLW與淀粉含量呈顯著正相關。主成分分析將其歸于5個主成分。5個主成分分別代表葉片光合能力、光合產物、耐蔭性、類胡蘿卜素對葉綠素的保護程度以及葉片酶活性的綜合指標。聚類分析是研究資源分類和親緣關系的常用方法，它將性質相近的歸為一類，將性質差別較大的歸入不同類。選配親本組合上，聚類分析可減少雜交親本配組上的盲目性，對作物雜種優勢利用具有一定的指導意義。本研究結果可將53個物種分為5大類群。第Ⅰ類，包括9個樣，占總樣本的16.98%，這類菊芋葉片淀粉和可溶性糖含量較低；第Ⅱ類，包括29個樣，占總樣本的近54.72%，這類菊芋的主要特征是Chl a/b較高；第Ⅲ類，包括7個樣品，占總樣本的13.21%，這類菊芋的主要特征酸性轉化酶、可溶性蛋白質含量高，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素(a+b)、比葉重較低；第Ⅳ類，包括6個樣品，占總樣本的11.32%，這類類胡蘿卜素較高，Chl a/b較低；第Ⅴ類，包括2個樣本，占總樣本的3.77%，這類Chl a、Chl b、Chl (a+b)、比葉重、淀粉含量、可溶性糖含量較高，酸性轉化酶和可溶性蛋白質含量偏低。因子得分排序后篩選出‘北純29’、‘北純32’、‘北純15’、‘純52’、‘南純56’、‘純50’、‘純31’、‘北純16’、‘純43’、‘北純2’10個優質品種。因此今后示范推廣建議首選‘北純29’、‘北純32’、‘北純15’、‘純52’、‘南純56’這5個品種。筆者采用多元統計分析方法對引進的菊芋種質資源生長期葉片生理生化指標進行了初步研究，這對菊芋種質資源評價、利用，育種親本的選配、引種提供參考。有關菊芋種質資源品質性狀抗逆性以及分子水平的研究還有待深入。

圖1　南疆53份菊芋品種資源葉片生理生化指標的聚類分析圖

表4　各類別菊芋資源葉片生理生化指標的平均值

續表4

參考文獻

[1]劉祖昕,謝光輝.菊芋作為能源植物的研究進展[J].中國農業大學學報,2012,17(6):122-132.

[2]寇一翾,呂世奇,劉建全,等.寡糖類能源植物菊芋及其綜合利用研究進展[J].生命科學,2014,26(5):451-457.

[3]Chang W C, Jia H J, Aw W P, et al. Beneficial effects of soluble dietary Jerusalemartichoke (Helianthus tuberosus) in the prevention of the onset of type 2 diabetes and nonalcoholic fatty liver disease in high- fructose diet- fed rats[J]. British Journal of Nutrition,2014,112(5):709-717.

[4]Eva Johansson, Thomas Prade, Irini Angelidaki, et al. Economically Viable Components fromJerusalemArtichoke (Helianthus tuberosus L.) in a Biorefinery Concept[J]. Int J Mol Sci,2015,16: 8997-9016.

[5]郭秋娟,金邦荃,陳和平.綠原酸生物活性與提取方法的研究進展[J].食品工業科技,2009,30(8):346-348.

[6]劉海偉,劉兆普,劉玲,等.菊芋葉片提取物抑菌活性與化學成分的研究[J].天然產物研究與開發,2007,19(3):405-409.

[7]韓睿,王麗慧,鐘啟文,等.菊芋葉片提取物抑菌活性研究[J].現代農業科技,2010(5):120-122.

[8]李屹,韓睿,王麗慧,等.菊芋葉片提取物對辣椒疫霉菌的抑菌效果及盆栽驗證試驗[J].江蘇農業科學,2015,43(1):139-141.

[9]諶馥佳.菊芋葉片化學成分分析及抑菌活性成分研究[D].南京:南京農業大學,2013.

[10]劉海偉,劉兆普,劉玲.菊芋葉片提取物對棉鈴蟲生長發育的影響[J].天然產物研究與開發,2007,33(1):90-93.

[11]俞夢妮,包婉君,諶馥佳,等.菊芋葉蛋白提取工藝研究及氨基酸分析[J].草業科學,2015,32(1):125-131.

[12]馬勝超.41份菊芋資源遺傳多樣性的SRAP分析[D].西寧:青海大學,2014.

[13]馬勝超,韓睿,任鵬鴻,等.三十份菊芋資源親緣關系的SRAP分析[J].浙江農業學報,2014,26(5):1212-1217.

[14]趙孟良,韓睿,李莉.24個菊芋品種(系)遺傳多樣性的ISSR標記分析[J].植物資源與環境學報,2013,22(4):44-49.

[15]寇一翾.菊芋種質資源多樣性及高產量形成機理研究[D].蘭州:蘭州大學,2013.

[16]Ruttanaprasert R, Baterng P, Jogloy S, et al. Genotypic variability for tuber yield, biomass, and drought tolerance in Jerusalem artichoke germplasm[J]. Turk JAgric For,2014,38:570-580.

[17]Anon Janket, Sanun Jogloy, Nimitr Vorasoot, et al. Genetic diversity of water use efficiency in Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) Germplasm[J].AJCS,2013,7(11):1670-1681.

[18]曾軍.菊芋種質資源的評價與雜交可能性研究[D].蘭州:蘭州大學, 2011.

[19]黃高峰.干旱脅迫下菊芋生理生化響應與主栽品種抗旱性比較[D].西寧:青海大學,2011.

[20]董潔,董秋麗,夏方山,等.不同鹽堿度對菊芋光合特性的影響[J].中國草地學報,2012,34(4):42-47.

[21]鐘啟文,李屺,孫雪梅,等.干旱脅迫下菊芋苗期糖代謝響應研究[J].西南農業學報,2012,25(4):1238-1241.

[22]黃高峰,王麗慧,方云花,等.干旱脅迫對菊芋苗期葉片保護酶活性及膜脂過氧化作用的影響[J].西南農業學報,2011,24(2):552-555.

[23]馮大偉,張洪霞,劉廣洋,等不同品種菊芋對黃河三角洲土壤鹽脅迫的響應研究[J].核農學報,2013,27(1):1171-1176.

[24]趙俊香,任翠梅,吳鳳芝,等.16份菊芋種質苗期耐鹽堿性篩選與綜合鑒定[J].中國生態農業學報,2015,23(5):620-627.

[25]李輝,康健,趙耕毛,等.鹽脅迫對菊芋干物質和糖分積累分配的影響[J].草業學報,2014,23(2):160-170.

[26]趙孟良,王麗慧,孫雪梅,等.干旱脅迫下菊芋可溶性碳水化合物的積累及分配規律[J].江蘇農業科學,2015,43(2):340-343.

[27]呂世奇,寇一翾,楊彬,等.半干旱地區菊芋品系植株表型與光合特性分析[J].作物學報,2014,40(10):1857-1864.

[28]王嬌陽,趙永彬,馮春梅.浙江省絲瓜種質資源主成分分析和聚類分析[J].植物遺傳資源學報,2014,15(6):1374-1379.

[29]李春花,王艷青,盧文潔,等.云南薏苡種質資源農藝性狀的主成分和聚類分析[J].植物遺傳資源學報,2015,16(2):277-281.

[30]王志強,郭松,劉聲鋒,等.西瓜種質資源果實主要數量性狀的主成分分析[J].東北農業大學學報,2014,45(3):59-64.

[31]趙天榮,蔡建崗.主成分和聚類分析在蟹爪蘭資源評價及育種中的應用[J].浙江農業學報,2014,26(2):319-324.

[32]游書梅,曹應江,鄭家奎,等.73份亞洲水稻恢復系農藝性狀的主成分與聚類分析[J].植物遺傳資源學報,2015,16(2):250-256.

[33]王藝陶,周宇飛,李豐先,等.基于主成分和SOM聚類分析的高粱品種萌發期抗旱性鑒定與分類[J].作物學報,2014,40(1):110-121.

[34]劉明,范君華.零型海島棉不同葉位葉片光合色素含量分析[J].棉花學報,1999,11(5):225-229.

[35]袁志發,周靜宇.多元統計分析[M].北京:科學出版社,2003:188-201.

[36]Dan G. Bock, Nolan C Kane, Daniel P Ebert, et al. Genome skimming reveals the origin of the Jerusalem Artichoke tuber crop species: neither fromJerusalemnor an artichoke[J]. New Phytologist,2014,201:1021-1030.

致謝：塔里木大學是中國農業大學的對口支援高校，真誠感謝中國農業大學農學與生物技術學院的謝光輝教授饋贈52份菊芋種質資源及其領導的團隊成員在其校本部對菊芋資源的塊莖收獲、貯藏、郵寄塔里木大學過程中所給予的大力幫助！

Principal Component and Cluster Analysis of Leaf Physiological Traits of 52 Helianthus tuberosus Germplasm Resources in Southern Xinjiang

Fan Junhua, Liu Ming, Wu Quanzhong, Aimaierjiang·wusiman
(1College of Life Science, Tarim University, Alaer 843300, Xinjiang, China;
2Plant Science, Tarim University, Alaer 843300, Xinjiang, China)

Abstract:The study aims to provide reference for evaluating, classifying, utilizing, parental selection and introduction of germplasm resources of Helianthus tuberosus. The physiological indexes (specific leaf weight, SLW; Chl.a; Chl.b; Car.; Chl. (a+b); Chl.a/b; acid sucrose invertase, ASI; soluble protein content, SPC; starch content, SC; soluble sugar content, SSC) of 53 H. tuberosus cultivars’leaves were measured and analyzed by correlation analysis, principal component analysis and cluster analysis. The results showed that variation coefficients of starch content and soluble protein content were high, but those of acid invertase activity, specific leaf weight, chlorophyll a/b were low. Photosynthesis index of H. tuberosus leaves had different levels of correlation. All factors were distributed into 5 principal components by principal component analysis, with cumulative contribution of 90.301% . These materials classified as photosynthetic capacity, photosynthate, shade tolerance, protection of carotenoids and composite indicator of enzyme activity. All the 53 H. tuberosus cultivars were divided into 5 groups by cluster analysis. Group I had lower starch and soluble sugar content in leaves; group II had higher chlorophyll a/b content; group III had higher acid invertase activity and starchcontent; group IV had higher carotenoids content; group V had higher chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll (a+b), specific leaf weight, starch and soluble sugar content. Five varieties, including‘Beichun 29’,‘Beichun 32’,‘Beichun 15’,‘Beichun 52’and‘Nanchun 56’, with good productive characters were selected for future demonstration and extension.

Key words:Helianthus tuberosus L.; Germplasm Resources; Physiological Indexes of Leaves; Correlation; Principal Component Analysis; Cluster Analysis

中圖分類號：S792

文獻標志碼：A論文編號：cjas15060015

基金項目：新疆生產建設兵團博士基金項目“塔河流域生態交錯帶生物質開發生態經濟效益研究”(2007JC17)。

第一作者簡介：范君華，女，1965年出生，新疆阿克蘇人，副教授，學士，研究方向植物資源研究。

通信地址：843300新疆阿拉爾市塔里木大道東1487號塔里木大學生命科學學院，Tel：0997-4685622，E-mail：fjhzky@163.com。 843300新疆阿拉爾市塔里木大道東1487號塔里木大學植物科學學院，Tel：0997-4680312，E-mail：lmzky@163.com。

通訊作者：劉明，男，1962年出生，新疆阿克蘇人，教授，研究方向為植物資源。

收稿日期：2015-06-14，修回日期：2015-08-05。