基于主成分分析的B、Cu脅迫下油菜生理響應機制研究

郭海如 崔雪梅 李春生

摘要：為研究油菜在B、Cu脅迫下的生理響應機制，找出最佳的B、Cu濃度配比，采用5種不同濃度的Cu溶液和3種不同濃度的B溶液交叉處理盆栽油菜幼苗，脅迫20 d后測定油菜的葉綠素含量、蛋白質含量、硝態氮含量、淀粉酶活性、丙二醛含量以及過氧化物酶活性。采用主成分分析法分析不同處理下各指標的變化規律。結果表明，T200B1組合時綜合權重最高，即B 0.5 mg/L 、Cu 200 mg/L配施時對各項綜合指標最好，其次是Cu 100 mg/L、B 0.5 mg/L，說明0.5 mg/L的B對高濃度的Cu脅迫有較好的緩解作用，適量的B、Cu施用對油菜生長有很好的促進作用。各項指標在主成分中的權重排序得出，不同B、Cu處理對葉綠素影響最大。

關鍵詞：主成分分析法;重金屬元素;生理指標;油菜

中圖分類號： S634.301 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0096-03

油菜在我國的種植面積和總產量均居世界首位，其油產量在國產食用植物油中占50%以上[1]。近年來，我國油菜產量出現徘徊與下滑，尤其是2005—2007年我國油菜生產連續3年下滑，面積減少近20%[2]，國家的植物油的供應受到直接影響，造成我國植物油總消費量對外依存度一度達到61%，嚴重受制于國際供給[3]。這就需要我們從科研的層面上來研究如何提高油菜的產量和改善油菜的品質。營養元素硼（B）和重金屬元素銅（Cu）均是高等植物生長發育所必需的微量元素，是影響油菜產量和品質的重要元素。

我國土壤普遍缺B，油菜缺B會導致花而不實和返花現象，因而要及時施B肥補充，但是B適合作物生長的范圍非常窄，控制不當就容易出現缺B與B毒害現象[4-6]。Cu對植物正常的生理代謝、生長發育和產量形成起著重要的作用，但如果土壤中Cu過量，植物體內過量的Cu就會抑制酶的活性，加劇植株體內膜脂過氧化，導致植物生理代謝紊亂，從而對植物產生毒性作用。研究發現，過量Cu抑制了植物對N、P、K、Ca、Mg、S及微量元素的吸收[7-10]。

土壤環境中存在離子的拮抗或促進作用，目前國內外研究B、Cu對油菜生長的影響主要集中在單一元素的脅迫上，而缺乏2種元素同時作用于油菜的生理響應研究，也很少運用綜合分析方法找出最佳的配施比[11-12]。本研究用5種不同濃度的Cu溶液和3種不同濃度的B溶液交叉處理盆栽油菜幼苗，處理結束后測定油菜幼苗的葉綠素、蛋白質、硝態氮、淀粉酶、丙二醛含量以及過氧化物酶活性等指標。采用主成分分析法分析不同處理下各指標的變化規律，找出B、Cu的最佳施用濃度以及不同處理對各項指標的影響差異，以期為油菜的高產、穩產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試油菜品種為油霸旺，2016年9—12月在湖北工程學院智慧農業重點實驗室實驗基地進行試驗。

1.2 試驗方法

試驗選取質量飽滿、大小均勻的油菜種子，用 0.525% 的NaClO溶液浸泡25 min，清水洗凈后用去離子水浸泡過夜，次日挑選沉于下方的種子進行催芽。將種子均勻放置在鋪有2層濾紙的托盤中，用蒸餾水浸潤濾紙，以濾紙上積累的水量恰好不流動為宜。將托盤放入25 ℃、光照度為4 lx、型號是MJX-250B-Z的恒溫培養箱中培養，每隔8 h澆1次水，水量均等。3 d后種子露白，將種子移入裝有沙土的45個花盆中繼續培養（10株/盆），開始改澆1/2霍格蘭營養液，時間間隔與蒸餾水一致。21 d后，待幼苗長出5～6張子葉、幼莖較硬時，將45盆油菜隨機分成3組，每組3個重復，進行B、Cu脅迫處理。Cu溶液用CuSO4配制，濃度設置為0、25、75、100、200 mg/L，B溶液用Na2B4O7配制，濃度設置為0、0.5、1.0 mg/L。脅迫處理20 d后，取油菜樣品測定各項生理指標，各個指標測定方法如表2所示。

1.3 數據處理

所有數據均為3次重復的平均值，在MATLAB環境下采用主成分分析法處理數據。

2 結果與分析

2.1 B、Cu各處理對油菜生理指標的影響

用不同濃度的B、Cu交叉處理油菜幼苗，測定油菜幼苗各項生理指標（表3）。從表3可以看出，單獨供Cu時，隨著Cu濃度的增加，油菜葉綠素a/b、總葉綠素含量、蛋白質含量、硝態氮含量均是先增加后降低;淀粉酶活性則先降低再增加后又降低，但均低于對照;過氧化物酶活性隨著Cu濃度的增加而降低;丙二醛含量隨著銅濃度的增加而增加。單獨供B時，與對照相比，油菜葉綠素含量差異不明顯;蛋白質含量隨著B濃度的增加先降低再增加，但均低于對照;硝態氮含量、淀粉酶活性隨B濃度先增加后降低，均高于對照;過氧化物酶活性則隨著B濃度的增加而降低;丙二醛含量隨著B濃度的增加而增加。與對照相比，油菜各項生理指標的變化差異不明顯。

B、Cu配合施用時，葉綠素含量、蛋白質含量、淀粉酶活性、過氧化物酶活性均是低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合明顯高于高濃度B（1.0 mg/L）和Cu的組合;當0.5 mg/L的B和200 mg/L的Cu配施時，油菜的葉綠素含量、蛋白質含量、淀粉酶活性、過氧化物酶活性均高于單施200 mg/L Cu的情況，丙二醛含量則明顯低于單施200 mg/L Cu的情況，說明B對高濃度的Cu有較好的緩解作用;硝態氮含量、丙二醛含量在低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合高于高濃度B（1.0 mg/L）和Cu配施的組合，說明高濃度B和Cu配施可以減少硝態氮、丙二醛的產生。

2.2 主成分分析B、Cu交互作用下油菜生理指標變化規律

從試驗數據很難得出不同濃度的B、Cu脅迫處理對油菜各項指標的綜合影響。采用主成分分析法對數據進行分析處理。在MATLAB環境下編寫程序[13-16]，采用zscore（）對表3中的數據進行標準化，并且采用corrcoef（）函數求出標準化后的相關系數矩陣（表4）。從表4可以看出，葉綠素b含量和總葉綠素含量相關性很強，總葉綠素含量、硝態氮含量變化與過氧化物酶活性相關性比較強，丙二醛含量變化與硝態氮含量變化、過氧化物酶活性負相關性比較強，其他指標相關性一般。

采用pcacov（）函數計算表4中相關系數矩陣的特征值、方差貢獻率和累積貢獻率（表5）。前4個主成分累計貢獻率達到89.768 19%，濃縮了源數據的大部分信息，因此提取前4個成分作為分析不同鹽濃度下各指標的特征。

前4個特征根對應的特征向量如表6所示，第一主成分主要反映葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量、丙二醛含量，第二主成分主要反映過硝態氮含量、過氧化物酶活性，第三主成分主要反映淀粉酶活性，第四主成分主要反映蛋白質含量和淀粉酶活性。分別以4個主成分的貢獻率為權重，構建主成分綜合模型表達式如下：

Z=0.473 317 9y1+0.191 216 2y2+0.147 591y3+0.085 556 78y4。

把不同B、Cu處理下的4個主成分值代入上式，以各自的貢獻率為權數進行加權求和，求出不同B、Cu處理下各指標的綜合排名（表7）。從表7中可以看出，T200B1組合時綜合權重最高，排名第一，說明當B濃度為0.5 mg/L、Cu濃度為200 mg/L配施時對各項指標最好，其次是T100B1、T75B0，分別是第2、第3名;對照組排名13，最差的是T25B1組合，說明低濃度的B、Cu產生了相互抑制作用。

最后，進一步計算各指標在主成分中的權重，并對各指標的權重進行排序，反過來可以分析不同B、Cu處理濃度對各指標的影響程度。各指標在主成分中的權重及排序如表8所示，從表8可以看出，不同B、Cu濃度對葉綠素影響最大。其次是蛋白質含量，對硝態氮含量變化影響最小。

3 小結

單獨供Cu時，油菜葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量、蛋白質含量、過氧化物酶活性、硝態氮含量均是先增加后降低;而淀粉酶活性則先降低再增加后又降低;丙二醛含量隨著Cu濃度的增加而增加。說明適量Cu對葉綠素、蛋白質和硝態氮含量及過氧化酶活性均有促進作用，且能抑制丙二醛的產生，提高油菜的抗逆性。單獨供B時，與對照相比，油菜各項生理指標的變化差異不明顯。B、Cu配合施用時，葉綠素含量、蛋白質含量、淀粉酶含量、過氧化酶活性均是低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合明顯高于高濃度B（1.0 mg/L）和Cu的組合;當0.5 mg/L的B和200 mg/L的Cu配施時，油菜的葉綠素含量、蛋白質含量、淀粉酶活性、過氧化物酶活性均高于單施200 mg/L Cu的情況，丙二醛含量則明顯低于單施200 mg/L Cu的情況，說明B對高濃度的Cu有較好的緩解作用;硝態氮含量、丙二醛含量在低濃度B（0.5 mg/L）和Cu組合高于高濃度B和Cu配施的組合，說明高濃度B和Cu配施可以減少硝態氮、丙二醛的產生。

運用主成分分析法對各項指標進行綜合分析，結果表明，T200B1組合時綜合權重最高，即B 0.5 mg/L、Cu 200 mg/L配施時對各項指標最好，其次是Cu 100 mg/L、B 0.5 mg/L，而對照組排名13，說明適量的B、Cu施用對油菜生長有很好的促進作用;最差的是T25B1組合，說明低濃度的B、Cu產生了相互抑制作用。

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