薄皮甜瓜種質資源苗期耐低溫弱光鑒定及形態指標選擇

高青海，王亞坤，郭遠遠（安徽科技學院生命科學學院，安徽蚌埠233100）

薄皮甜瓜種質資源苗期耐低溫弱光鑒定及形態指標選擇

高青海，王亞坤，郭遠遠
（安徽科技學院生命科學學院，安徽蚌埠233100）

對20份薄皮甜瓜種質材料在幼苗期進行低溫弱光處理，測定薄皮甜瓜幼苗的株高、莖粗、地上部鮮質量、根系鮮質量、地上部干質量、根系干質量、葉片數、根長、根表面積、根體積、根尖數、根投影面積等12個形態指標，通過相關性分析、主成分分析和聚類分析對20份甜瓜種質材料進行耐低溫弱光評價和耐脅迫指標的篩選。相關性分析結果表明，12個甜瓜形態指標之間均呈正相關性，其中，根長與根系干質量之間相關性不顯著。通過聚類分析篩選出7個耐低溫弱光脅迫強的品種和1個不耐低溫弱光品種，并通過逐步回歸分析建立甜瓜幼苗期耐性方程，其中，薄皮甜瓜相對根系鮮質量、相對根長、相對葉片數、相對根表面積和相對根投影面積對低溫弱光脅迫響應敏感，可以作為鑒定甜瓜耐低溫弱光指標。

薄皮甜瓜；低溫弱光；聚類分析；主成分分析

薄皮甜瓜（Cucumis melo L.），又名香瓜、脆瓜，屬于葫蘆科甜瓜屬，一年生蔓性草本植物，原產于印度和我國溫暖濕潤地區［1］，是我國栽培面積較大的水果型蔬菜之一。早春的低溫弱光環境是目前作物設施生產的主要障礙之一，提高作物耐低溫弱光能力已成為當前農業研究亟待解決的重要課題［2-3］。近年來，前人已在黃瓜［4］、番茄［5］、苦瓜［6］、苜蓿［7］等植物耐低溫弱光機理方面做了大量工作，并從不同角度提出耐低溫弱光的綜合鑒定方法和指標。篩選耐低溫弱光品種是解決薄皮甜瓜早春設施栽培的重要措施之一，而準確地鑒定作物品種耐低溫弱光特性，是篩選耐低溫弱光品種的必要前提。耐低溫弱光鑒定是根據作物品種對低溫弱光響應進行篩選、評價和歸類的過程，既要有合適的鑒定方法，也要有建立在合適方法基礎上的量化指標。目前，對甜瓜耐低溫弱光性評價多采用生理指標［8-9］，而形態指標則可直接反映出作物對逆境脅迫的響應［10-11］。為此，本研究以20份薄皮甜瓜為材料，在人工氣候室內進行低溫弱光處理，采用主成分分析、相關性分析、聚類分析、回歸分析等數量分析方法進行形態指標的綜合性評價，研究不同基因型薄皮甜瓜在苗期的耐低溫弱光脅迫能力，并建立較為可靠的形態評價體系，旨在為甜瓜種質資源的耐低溫弱光脅迫鑒定和篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 供試薄皮甜瓜品種及產地Table 1 Varieties and locations of the melons

所用20份薄皮甜瓜材料由安徽科技學院園藝實驗室提供，各品種名稱及產地如表1。

1.2 試驗設計

試驗于2014年2—10月在安徽科技學院生命科學學院園藝實習基地進行。選取飽滿、整齊一致的甜瓜種子，于28℃條件下催芽，選取均勻一致的露白種子，播種于體積比為2∶1的草炭和珍珠巖混合基質中，在32孔穴盤中進行育苗，置于日光溫室自然光照下培養。待甜瓜幼苗長到3 葉1心時，選擇長勢整齊一致的甜瓜幼苗，置于溫度為15℃/7℃（12 h/12 h），光照強度為（100±5）μmol·m-2·s-1，相對濕度為（75±5）%的人工氣候室中，進行低溫弱光復合逆境脅迫處理，對照溫度設置為28℃/18℃（12 h/12 h），光照強度為400 μmol·m-2·s-1，相對濕度為75%± 5%，處理15 d后隨機取甜瓜幼苗進行相關指標的測定，每個處理取10株，試驗重復3次。

1.3 試驗方法

在低溫弱光處理15 d后，分別取全株植株樣品，首先用自來水清洗干凈植株根部泥土，把水吸干，注意盡量避免毛根損失，每個處理隨機取10株標記。

（1）株高測定：以直尺測定植株根頸部到生長點的距離。（2）莖粗測定：用游標卡尺測量緊貼基質表面處的莖部。（3）葉片數測定：記錄完全展開的真葉數。（4）地上部和根系鮮質量測定：用百分之一天平稱量甜瓜植株地上部和根系的重量。（5）地上部和根系干質量測定：將稱量完鮮質量的甜瓜植株地上部和根系在105℃下殺青1 h，再在80℃恒溫下烘干至恒重，最后用萬分之一天平進行稱量。（6）根系形態指標：采用WinRHIZO根系分析系統進行測定。

1.4 數據處理

相對值為該指標的低溫弱光脅迫下數值與對照條件下數值之比。統計前先求相對值，采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件對指標進行相關性分析、主成分分析、聚類分析和逐步回歸分析。

2 結果與分析

2.1 甜瓜苗期形態指標相對值

統計對照和低溫弱光脅迫下甜瓜的形態指標，并計算相對值（表2）。可以看出，苗期形態指標的相對值均小于1，且差異較大，表明低溫弱光脅迫使植株生長速度減緩，不同品種間的同一相對指標值差異較大，其中14號相對株高、相對莖粗、相對地上部鮮質量、相對葉片數、相對根長和相對根體積最大，分別為0.49、0.65、0.49、 0.75、0.50和0.48；9號相對根系鮮質量和相對根投影面積最大，分別為0.31和0.37；14號和16號相對地上部干質量最大，為0.21；18號相對根系干質量、根表面積和根尖數最大，分別為0.24、0.56和0.52。而1號相對株高、相對地上部鮮質量、相對根系鮮質量、相對地上部干質量、相對葉片數、相對根長、相對根表面積、相對根體積、相對根尖數和相對根投影面積最小，分別為0.16、0.14、0.06、0.08、0.41、0.13、0.13、0.09、0.12和0.11；2號相對莖粗最小，為0.34；1號和3號相對根系干質量最小，為0.11。由此說明，不同品種對低溫弱光脅迫的適應程度不同。

2.2 甜瓜相對生長指標的相關性分析

對20份薄皮甜瓜材料低溫弱光脅迫后12個相對指標進行相關性分析。結果表明，相對根長與相對根系干質量之間不存在顯著相關關系，其余指標之間均呈顯著或極顯著正相關性（表3）。

表2 甜瓜苗期形態指標的相對值Table 2 Relative values of morphological indexes of melon at seedling stage

表3 變量間的相關系數Table 3 Correlation coefficients matrix among variables

表3中有48個相關系數達到0.700以上，故需要通過主成分分析進行變量的分離，以便從總體上研究低溫弱光對甜瓜幼苗生長的影響。

2.3 甜瓜幼苗期耐低溫弱光脅迫主成分分析

主成分分析法就是研究如何用少數幾個綜合指標或因素來代表眾多指標或因素，綜合后的新指標稱為原來指標的主成分，彼此相互獨立，又能綜合反映原來多個指標（多因素）的大部分信息［12］。通過對測定的12個指標相對值標準化后進行主成分分析，得到特征向量和累計貢獻率見表4，由表可知，分離出的相互獨立的前3個主成分的累計貢獻率達89.474%，大于85%，表明這3個綜合指標代表了原來12個單項指標89.474%的信息，為簡便運算及形象表示，用上述3個指標PC1、PC2和PC3替代原來的12個單項指標對變異進行描述。其中PC1中根系鮮質量、PC2中根長、PC3中地上部干質量特征向量最大，分別為0.945、0.741和0.444，說明3個主成分主要與根系鮮質量、根長和地上部干質量相關。

2.4 耐低溫弱光脅迫的綜合評價

由各指標的指標系數和各單項指標的相對值求出每一品種的綜合指標值CI（表5）。

每一品種各綜合指標的隸屬函數值用公式（l）求得：

式中：xj表示第j個綜合指標；xmin表示第j個綜合指標的最小值；xmax表示第j個綜合指標的最大值。求出的所有品種的綜合指標的隸屬函數值見表5。

表4 各個主成分的特征向量及貢獻率Table 4 Eigenvectors and contribution rate of principal components

根據綜合指標的貢獻率大小用公式（2）求得綜合指標的權重。

式中：ωj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度；pj為主成分分析中第j個綜合指標的貢獻率。經計算，3個綜合指標的權重分別是0.879、0.069和0.052。

用公式（3）計算各品種的綜合耐低溫弱光脅迫能力大小。

表5 幼苗期各薄皮甜瓜品種的綜合指標（CI）、隸屬函數值（μ）、權重（ωj）、綜合評價值（D）和預測值（VP）Table 5 Comprehensive index（CI），subordinate function value（μ），weight（ωj），comprehensive evaluation value（D）and prediction value（VP）of each melon material at seedling stage

式中，D為各品種在低溫弱光脅迫下用綜合指標評價所得的耐低溫弱光脅迫綜合評價值。根據D值大小，可對薄皮甜瓜各品種耐低溫弱光脅迫強弱進行排序，其中美國天嬌D值最大，表示該品種耐脅迫能力最強，冰美人D值最小，耐低溫脅迫能力最弱（表5）。

根據D值采用最小距離法進行聚類分析，樹形聚類分析圖如圖1，將20份薄皮甜瓜品種耐低溫弱光脅迫能力分為3類，Ⅰ類包括7號、9號、10號、12號、14號、18號和20號，屬于幼苗期耐復合逆境脅迫型；Ⅱ類包括1號，屬于低溫弱光敏感型；其他12種屬于中等耐低溫弱光脅迫型。

2.5 耐低溫弱光指標的篩選

以耐低溫弱光綜合評價值（D值）為因變量，各單項指標的相對值為自變量，通過逐步回歸分析建立最優回歸方程：

圖1 二十份薄皮甜瓜材料幼苗期耐低溫弱光脅迫聚類圖Fig.1 Dendrogram of low temperature and weak light resistance for 20 melon cultivars at seedling stage

式中：x4、x7、x8、x9和x12分別代表相對根系鮮質量、相對葉片數、相對根長、相對根表面積和相對根投影面積，方程決定系數R2=0.997，F= 84.89，方程極顯著。由上述方程可知，在12個單項指標中，上述5個指標對幼苗期薄皮甜瓜耐低溫弱光脅迫有顯著影響，因此，在鑒定中可有選擇性地測定上述指標，以簡化工作。試驗通過上述方程求出的20份幼苗期薄皮甜瓜材料的耐低溫弱光脅迫預測值（VP）與綜合評價值（D）之間的相關系數為0.998，呈極顯著正相關，說明該方程對薄皮甜瓜在幼苗期的低溫弱光耐受性的預測效果好且準確性較高。

3 討論

低溫弱光脅迫是制約設施農業生產和發展的主要影響因素之一。生理指標、分子指標及形態指標可用于評價植物對低溫弱光的耐受性，并逐步建立起完善的鑒定體系［13］。根系是植物吸收、運輸水分和礦質元素的重要器官，也參與相關代謝［14］。根系對低溫脅迫較為敏感，土壤低溫抑制根系的生長，影響根系的形態及其在土壤中的分布［15］。低溫對冬小麥最直觀的影響就是根系生長緩慢，根長、根體積的增加受到抑制［16］；低溫顯著抑制小麥的根系發育，根長、根體積、根系生物量、葉面積、地上部生物量、養分累積量均比常溫處理顯著降低［17］。前人在西瓜、黃瓜等作物上研究表明，相對胚根長可作為其苗期耐低溫鑒定的指標［18-19］。本研究結果表明，薄皮甜瓜根系的生長對低溫弱光比較敏感，不同的品種材料對低溫弱光的反應也不同，通過聚類分析表明20份甜瓜品種幼苗期的耐低溫弱光脅迫能力存在差異，其中蘋果酥瓜、HN2014-1（海南1號）、HN2014-2（海南2號）、HN2014-5（海南5號）、美國天嬌、過路白和金美7份品種耐低溫弱光脅迫能力較強，冰美人耐低溫弱光脅迫能力最弱，其他12份品種耐低溫弱光脅迫能力中等；通過逐步回歸分析建立了甜瓜幼苗期耐性方程，發現相對根系鮮質量、相對根長、相對根系表面積和相對根投影面積等指標能較好地反映出甜瓜對低溫弱光的響應度，而且各指標之間呈極顯著正相關性。

根系表面積是根系與環境介質直接接觸的重要指標，是決定植物對水分和礦質元素吸收能力高低的重要因子，一般認為根系表面積越大，與土壤介質接觸的機會越多，吸收能力越強［20-21］。本研究結果顯示，薄皮甜瓜幼苗的根系表面積和根系投影面積與其耐低溫弱光能力呈顯著正相關，可以作為鑒定甜瓜幼苗耐低溫弱光的形態指標。針對耐低溫作物材料的篩選，不同研究者都提出各自的鑒定指標［22-24］。本試驗通過對比、分析和剔除對耐性影響不大的部分指標后得出耐性綜合評價值來進一步評價品種的耐性，結果表明，在甜瓜幼苗期鑒定中，以相對根系鮮質量、相對根長、相對葉片數、相對根表面積和相對根投影面積作為耐低溫弱光脅迫鑒定綜合指標最好。由于耐低溫弱光脅迫的復雜性，試驗篩選出的指標是否適用其他生育時期及全生育階段的鑒定，仍需進一步的試驗與研究。

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（責任編輯 張 韻）

Identification for tolerance to low temperature and weak light and selection for morphological indexes of melon at seedling stage

GAO Qing-hai，WANG Ya-kun，GUO Yuan-yuan
（College of Life Sciences，University of Science and Technology of Anhui，Bengbu 233100，China）

Twenty melon varieties treated under low temperature and weak light at their seedling stage were used to assess the low temperature and weak light tolerance and to select the indicators by the correlation analysis，principal component analysis and cluster analysis.A total of 12 indicators（plant height，stem diameter，shoot fresh weight，root fresh weight，shoot dry weight，root dry weight，leaf number，root length，root surface area，root volume，roottip number and root projected area）of melon at seedling stage were measured after low temperature and weak light stress.Correlation analysis and principal component analysis showed that there were positive correlation between 12 morphological indexes of melon，but the correlation between root length and root dry weight is not significant.Use the cluster analysis，7 varieties with resistance to low temperature and weak light stress and 1 sensitive variety were screened out.A tolerance equation of melon seedlings was established by stepwise regression analysis，in which relative root fresh weight，relative root length，relative leaf number，relative root surface area and relative root projected area could be used as identification indicators of melon resistance to low temperature and weak light.

melon；low temperature and weak light；cluster analysis；principal component analysis

S652.2

A

1004-1524（2016）08-1360-08

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.08.13

2015-10-29

安徽省教育廳自然科學重點研究項目（KJ2014A054）；安徽科技學院校級重點學科（AKZDXK2015C05）

高青海（1977—），男，博士，副教授，主要從事蔬菜高產栽培生理的研究。E-mail：gaoqh1977@163.com