不同濃度NaCl對 ‘達米娜’葡萄影響的主成分分析

譚 偉，李曉梅，董志剛，譚 敏，茹慧玲，唐曉萍

（山西省農業科學院果樹研究所/果樹種質創制與利用山西省重點實驗室，山西太谷030815）

不同濃度NaCl對 ‘達米娜’葡萄影響的主成分分析

譚 偉，李曉梅，董志剛，譚 敏，茹慧玲，唐曉萍

（山西省農業科學院果樹研究所/果樹種質創制與利用山西省重點實驗室，山西太谷030815）

為篩選NaCl脅迫對葡萄影響的主要指標，建立評價葡萄抗鹽性體系提供理論依據，以沙培1年生‘達米娜’葡萄自根苗為試驗材料，研究6個濃度NaCl脅迫10天后，葡萄根系和葉片相對電導率、葉片超氧陰離子產生速率、H2O2含量、抗氧化酶(SOD、CAT、POD、APX)活性、植株新梢長度和總生物量的變化。結果表明：與對照相比，隨著NaCl濃度的升高，根系和葉片相對電導率呈逐漸上升趨勢，葉片超氧陰離子產生速率和H2O2含量增加，葉片中SOD和CAT活性呈先升高后降低的趨勢，APX活性呈現“降低—升高—降低”的趨勢，而POD活性呈下降的趨勢；高濃度NaCl脅迫下，新梢長度和植株總生物量降低，葉片超氧陰離子產生速率和H2O2含量增加可能與較低的抗氧化酶活性有關。通過主成分分析得到，新梢長度、葉片CAT活性、H2O2含量和APX活性可作為不同濃度NaCl脅迫對葡萄影響的評價指標。

葡萄；鹽脅迫；主成分分析

0 引言

鹽害會對植物造成滲透脅迫、離子毒害和氧化脅迫[1]，抑制植物的生長發育[2]。鹽漬土在國內主要分布在西北、華北、東北及沿海地區[3]，西北地區鹽堿地葡萄缺鐵黃化是一個普遍現象，因此篩選耐鹽性較強的栽培品種對于推動鹽堿區域葡萄產業發展具有重要意義。葡萄屬于對鹽敏感的非鹽生植物，一般葡萄能正常生長的耐鹽能力是土壤中總鹽量的0.14%～0.3%[4-5]。一定濃度的鹽脅迫下，葡萄細胞膜透性增加，膜脂過氧化程度加重[6-8]，活性氧的累積產生氧化脅迫，葉片光合能力下降[9-13]，葉片細胞結構改變[11,13]。

主成分分析法是在不損失或很少損失原有信息的前提下，將多個指標轉化為新的個數較少且彼此獨立或相關性較小的綜合指標，從而達到簡化的目的[14]。前人運用主成分分析法分析4個釀酒葡萄的抗寒性，得出抗性強弱[15]，篩選出相對含水量、細胞膜透性、K+/Na+作為棉花苗期耐鹽鑒定的綜合評價指標[16]。運用主成分分析法評價不同濃度NaCl脅迫對葡萄植株的影響目前尚未見報道。筆者研究不同濃度NaCl脅迫對葡萄植株生長、葉片抗氧化酶活性和膜脂過氧化程度的影響，并采用主成分分析法篩選NaCl脅迫對葡萄影響的主要指標，以期為建立篩選評價葡萄抗鹽性體系提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗處理

試驗于2015年3月—2016年12月在山西省農業科學院果樹研究所玻璃溫室內進行。試驗材料為歐亞種葡萄品種‘達米娜’，1年生自根苗，定植于直徑25 cm、高35 cm的花盆中，置玻璃溫室沙培，待長出3～4片葉時，澆Hoagland營養液。于地上部長至7～8片葉時，選取長勢一致的苗木開始處理。處理共6個：（1）對照，Hoagland營養液；（2）50 mmol/L Na+處理，Hoagland營養液+50 mmol/L NaCl；（3）100 mmol/L Na+處理，Hoagland 營養液+100 mmol/L NaCl；（4）200 mmol/L Na+處 理 ，Hoagland 營 養 液+200 mmol/L NaCl；（5）300 mmol/L Na+處理，Hoagland營養液+300 mmol/L NaCl；（6）400 mmol/L Na+處 理，Hoagland 營 養 液+400 mmol/L NaCl。每個處理重復3次，每個重復10株幼苗。為避免鹽激反應，Na+處理中，NaCl濃度以每天50 mmol/L遞增，全部處理于同一天達到目標濃度，此時為NaCl處理第0天，此后于處理第10天時分別取全株鮮樣，測量地上部新梢長、植株鮮重，取中部第3～5節葉片和新根測定相對電導率，剩余葉片用液氮冷凍，放-80℃超低溫冰箱，于10月在山西省農業科學院果樹研究所葡萄與葡萄酒研發中心測定抗氧化酶活性、超氧陰離子產生速率和過氧化氫含量。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 質膜透性測定 采用相對電導率法[17]。

1.2.2 酶活性測定 稱取剪碎的葡萄葉片1.5 g，加9 mL預冷的提取液（pH 7.8磷酸緩沖液，含0.1 mmol/L EDTA，1%PVP），冰浴研磨，于 4℃下 12000×g(10470 r/min)離心20 min，上清液即為酶提取液。超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定按Giannopolitis和Ries[18]的方法進行，過氧化氫酶(CAT)活性的測定按Aebi[19]的方法測定，抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性按Nakano等[20]的方法測定，過氧化物酶(POD)活性按愈創木酚法[21]測定。

1.2.3 超氧陰離子產生速率和過氧化氫(H2O2)含量的測定 超氧陰離子(O2-)產生速率的測定參照Elstner等[22]的方法。按照Brennan等[23]的方法測定過氧化氫(H2O2)含量。

1.3 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數據處理和作圖，利用SPSS 17.0軟件進行one-way方差分析(P＜0.05)、主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄根系和葉片細胞膜透性的影響

圖1 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄根系和葉片電解質外滲率的影響

如圖1所示，隨著NaCl濃度的升高，‘達米娜’葡萄根系和葉片的相對電導率呈逐漸升高的趨勢，當NaCl濃度達到100、200 mmol/L時，根系和葉片的相對電導率顯著高于對照，分別為對照的1.25、1.22倍；低濃度NaCl(50、100、200 mmol/L)處理之間的根系和葉片的相對電導率差異不顯著；300 mmol/L NaCl處理的根系電導率顯著高于50、100 mmol/L的，葉片相對電導率顯著高于3個低濃度處理的，但顯著低于400 mmol/L處理的。

2.2 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄葉片超氧陰離子產生速率和H2O2含量的影響

與對照相比，NaCl脅迫下葡萄葉片中的超氧陰離子產生速率加快，H2O2含量升高（圖2）。隨著NaCl濃度的升高，超氧陰離子產生速率均顯著加快，為對照的1.15～1.82倍，當NaCl濃度達到300 mmol/L，超氧陰離子產生速率最大，400 mmol/L時降為對照的1.53倍，但也顯著高于低濃度(50、100、200 mmol/L)處理的（圖2A）。葉片中H2O2含量隨NaCl濃度的升高呈先上升后下降的趨勢，300 mmol/L NaCl處理的葉片H2O2含量顯著高于其他處理，為對照的1.46倍；200 mmol/L NaCl處理的葉片H2O2含量顯著高于對照、50 mmol/L NaCl處理的，但與100、400 mmol/L處理的差異不顯著；其他4個處理之間差異不顯著（圖2B）。

圖2 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄葉片超氧陰離子產生速率和H2O2含量的影響

2.3 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄葉片抗氧化酶活性的影響

隨NaCl濃度的升高，葉片中超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)均呈先升高后下降的趨勢，其中50 mmol/L NaCl處理的顯著高于對照和其他處理，當NaCl處理濃度達到200、100 mmol/L或更高時，葉片中SOD和CAT活性顯著低于對照，當濃度為400 mmol/L時，酶活性最低（圖3A、B），與對照相比，SOD和CAT活性分別降低了10.0%、39.6%。NaCl脅迫顯著降低了葉片中的過氧化物酶(POD)活性，且隨著處理濃度的升高，POD活性呈下降趨勢（圖3C）。隨NaCl濃度的升高，葉片中抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性呈“下降—上升—下降”的趨勢，與對照相比，50 mmol/L NaCl處理的葉片APX活性降低，但差異不顯著，100 mmol/L NaCl處理的APX活性則顯著高于對照和其他處理，300、400 mmol/L NaCl處理的顯著低于對照和200 mmol/L處理的（圖3D）。

圖3 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄葉片抗氧化酶活性的影響

2.4 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄生長的影響

隨NaCl濃度的升高，‘達米娜’葡萄新梢長度和總生物量呈先升高后降低的趨勢。50 mmol/L NaCl處理的葡萄植株新梢長度和總生物量分別比對照高3.8%(P＞0.05)、27.7%(P＜0.05)；100 mmol/L NaCl處理的葡萄植株新梢長度和總生物量均與對照差異不顯著；當NaCl≥200 mmol/L時，新梢長度顯著低于對照，而僅400 mmol/L NaCl處理的總生物量顯著低于對照和其他處理（圖4）。

圖4 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄地上部新梢長度和總生物量的影響

2.5 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄影響的主成分分析

對不同濃度NaCl脅迫對‘達米娜’葡萄上述10個指標的影響進行相關性分析。由表1得知，前2個綜合指標的貢獻率分別為71.59%、13.44%，累計貢獻率達85.04%，表明前2個綜合指標代表了原有10個指標的85.04%的信息，可以用這2個指標概括分析不同濃度NaCl脅迫對‘達米娜’葡萄的影響。由表2可知，第1個綜合指標中系數較大的是新梢長度和CAT活性，且均與不同濃度NaCl對葡萄植株的影響正相關；根系和葉片相對電導率是系數較大的且與不同濃度NaCl對葡萄植株的影響負相關；第2個綜合指標中系數較大的是葉片中H2O2含量和APX活性，且為正數。由表3可知，新梢長度與總生物量、葉片SOD、CAT和POD活性呈顯著正相關，而與根系、葉片相對電導率成顯著負相關，CAT活性還與根系、葉片相對電導率、超氧陰離子產生速率呈顯著負相關，與總生物量、SOD活性呈顯著正相關。因此用新梢長度、葉片CAT活性即可初步評價對不同濃度NaCl脅迫對‘達米娜’葡萄的影響，綜合評價可利用新梢長度、葉片CAT活性、H2O2含量和APX活性等指標。

表1 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄影響的主成分特征值

3 結論

（1）高濃度NaCl脅迫下，根系和葉片膜透性增加，葉片中超氧陰離子產生速率和H2O2含量增加，可能與抗氧化酶SOD、CAT、POD和APX活性的降低有關。

（2）主成分分析結果表明，新梢長度、葉片CAT活性、H2O2含量和APX活性可作為不同濃度NaCl對葡萄影響的評價指標。

表2 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄影響的2個綜合指標的系數

4 討論

植物鹽害對膜系統造成傷害，細胞膜是感受逆境脅迫最敏感的部位之一[24]。NaCl脅迫下，葡萄的細胞膜透性增大[6-8]，本研究中，不同濃度NaCl處理下，葡萄根系和葉片相對電導率均增加，但增加幅度不同，表明不同葡萄品種對不同濃度NaCl的響應不同。樊秀彩等[6]分析了國家葡萄資源圃30份砧木的耐鹽力從0.2%～0.4%不等，周志文等[25]的研究表明，‘乍娜’、‘無核白雞心’、‘力扎馬特’等可耐0.2%以上鹽脅迫，‘紅雙味’、‘黑香蕉’等可耐受0.35%NaCl脅迫，美洲種‘卡托巴’可耐受0.4%～0.6%NaCl脅迫。本研究中，從新梢長度、葉片CAT活性、H2O2含量和APX活性綜合評價，‘達米娜’可耐受200 mmol/L NaCl。

表3 不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄各單項指標影響的相關矩陣

逆境脅迫導致活性氧的累積，對植物產生氧化脅迫。本研究中，不同濃度NaCl脅迫下，‘達米娜’葡萄葉片中H2O2含量和超氧陰離子產生速率增加。抗氧化酶是植物在受到逆境脅迫時，用來減輕和清除活性氧自由基的傷害[26-28]。廖祥儒等[8]研究表明，鹽漬可使‘河岸’葡萄葉片CAT、APX和POD活性下降，李會云等[29]發現不同濃度NaCl脅迫下葡萄砧木SOD、CAT、POD活性先升高后降低，但研究者并未將活性氧與抗氧化酶進行相關性分析。本研究中，隨著NaCl濃度的升高，‘達米娜’葡萄葉片SOD、CAT和APX活性呈先升高后降低的趨勢，而POD活性呈下降的趨勢，高濃度NaCl脅迫下，葉片H2O2含量和超氧陰離子產生速率增加可能與SOD、CAT、POD和APX活性的降低有關，而且相關性分析表明CAT活性與超氧陰離子產生速率呈顯著負相關。

利用主成分分析進行綜合評價更客觀、結果更可靠[14]，通過主成分分析，孫璐等[30]得出根長、葉重和發芽率等指標可用與大批量高粱品種耐鹽性的評價，王藝陶等[31]指出相對芽長、相對根長和相對萌芽抗旱指數作為萌發期高粱抗旱性篩選的主要評價指標。關于NaCl脅迫對葡萄生理生化指標影響的研究較多，但是單純依據一個或多個指標評價品種耐鹽性，在品種過多或指標過多時，評價結果會變得更加復雜。因此用主成分分析法篩選鹽脅迫對葡萄影響的主要指標對于葡萄耐鹽性評價有重要意義。筆者采用主成分分析篩選了不同濃度NaCl對‘達米娜’葡萄影響較大的指標為新梢長度、葉片CAT活性、H2O2含量和APX活性，可作為今后開展葡萄耐鹽性篩選的主要評價指標。

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Principal Component Analysis of the Effect of Different NaCl Concentrations on‘Tamina’Grape Seedlings

Tan Wei,Li Xiaomei,Dong Zhigang,Tan Min,Ru Huiling,Tang Xiaoping
(Institute of Pomology,Shanxi Academy of Agricultural Sciences/Shanxi Key Laboratory of Germplasm Improvement and Utilization in Pomology,Taigu 030815,Shanxi,China)

The paper aims to select the main indexes of NaCl stress on grapevine and provide a theory basis for evaluation the salt resistance system of grapevines.With annual grape‘Tamina’grown in sand as the experimental material,six concentrations of NaCl were conducted,the relative conductivity of grape root and leaf,the oxygen anion production rate,H2O2content,antioxidant enzyme(SOD,CAT,POD,APX)activities of leaves,shoot length and total biomass of plants were analyzed.Results showed that the root and leaf relative conductivity increased gradually with the increase of NaCl concentration compared with the control,the super oxygen anion production rate and H2O2content increased,SOD and CAT activity in the leaves presented a trend of rise-down,APX activity presented a trend of down-rise-down,while POD activity presented a downward trend;under high concentrations of NaCl,the length of shoot and total biomass of plant were reduced,higher oxygen anion production rate and H2O2content in grape leaves might be related with the lower antioxidant enzyme activity.The principal component analysis indicated that the shoot length,CAT activity,H2O2content and APX activity of leaves could be used to evaluate the effects of different concentrations of NaCl stress on grapevine.

Grapevine;NaCl Stress;Principal Component Analysis

S663.1

A論文編號：cjas17060014

山西省農業科學院農業科技創新研究課題“鹽脅迫下外源鈣調節葡萄活性氧代謝的機理”(ZDSYS1505)；山西省重點研發計劃重點項目“葡萄產業提質增效關鍵技術研發與示范”(201603D21105)。

譚偉，女，1985年出生，山東聊城人，副研究員，博士，主要從事葡萄育種與栽培生理研究。通信地址：030815山西省晉中市太谷縣山西省農業科學院果樹研究所，E-mail：tanweisdau@163.com。

唐曉萍，女，1959年出生，山西臨猗人，研究員，學士，主要從事葡萄育種與栽培技術研究。通信地址：030815山西省晉中市太谷縣山西省農業科學院果樹研究所，Tel：0351-6215015，E-mail：txp-19590401@163.com。

2017-06-19，

2017-08-23。