黃瓜芽期耐熱相關指標的篩選及預測方程的建立

黃建都，林翮飛，王艷娜，陳繼兵

(1.福州市蔬菜科學研究所，福建 福州 350111；2.福州市經濟作物技術站，福建 福州 350005)

黃瓜(CucumissativusL.)是葫蘆科甜瓜屬的一種重要蔬菜作物。黃瓜喜溫暖但不耐熱，在35 ℃以上的持續高溫情況下將嚴重影響黃瓜的產量和品質[1]，因此篩選耐熱性強的黃瓜種質資源用于培育耐熱品種成為解決夏季黃瓜高溫生產的重要方法。目前，對黃瓜耐熱性鑒定指標篩選通常從生理生化、分子生物學以及微觀結構等方面進行研究，這些需要通過專門的設備和人員才能完成。在成苗期對黃瓜外部形態或經濟性狀鑒定法比較直觀，但需要的時間較長而且易受環境因素影響[2-5]。因此，對種子萌芽期外部直觀形態指標篩選和快速鑒定黃瓜材料的耐熱性具有重要的意義。

本研究通過測定不同耐熱性黃瓜材料種子芽期多項形態指標，從中篩選出簡便、可靠的耐熱性指標，并基于這些指標建立耐熱性預測方程，為黃瓜耐熱材料的篩選提供一種簡易、快速、可靠的方法。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為福州市蔬菜科學研究所黃瓜課題組收集的6個不同黃瓜品種經過多代分離后的自交系(表1)。所用種子均于2018年春季收獲，挑選飽滿度和整齊度都較高的種子用于試驗，避免因種子年齡和活力等因素影響，在高溫發芽能力測定時造成的誤差。

表1 黃瓜芽期耐熱性鑒定材料

1.2 方法

1.2.1 種子預處理 各材料選用飽滿度一致的黃瓜種子，置于55 ℃水浴中浸種10 min，并不斷攪拌，之后水溫降至室溫繼續浸種12 h，倒去水放置在濾紙上吸去多余的水分。

1.2.2 種子萌發 采用卷紙發芽法[6]。取40 cm×15 cm的長方形濾紙，延長邊折出1條2.5 cm的紙槽，在紙槽上均勻放置30粒種子，種子下方要剪出大小合適的小口，用于下胚軸的伸長。在濾紙下方鋪一層保鮮膜，之后將其卷成筒狀，豎直插入底部盛水的小瓶子內以供不同溫度處理。

1.2.3 溫度處理 將采用紙卷發芽法包裝的小瓶子置于人工氣候培養箱中黑暗條件下萌發，濕度保持在80%以上，以28 ℃為對照，高溫脅迫設置為35、38、42 ℃共3個處理，重復3次。

1.2.4 測定指標 溫度處理期間統計種子發芽情況，5 d后每個處理選取20株芽苗，測定種子下胚軸長度(HL)、根長(RL)和地上部鮮質量(SFW)、根鮮質量(RFW)、全鮮質量(WFW)、去子葉鮮重(FW)、側根數(LRN)等形態指標。計算各指標的平均值，并按以下公式計算種子發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數，萌發第3天統計發芽勢，第5天統計發芽率，最后計算各材料在不同溫度下的發芽率、發芽勢和發芽指數[7]。

×100%

活力指數(VI)=S×GI

式中：Gt指在時間t(d)的發芽數，Dt指相應的發芽天數，S指芽苗的全鮮質量。

1.2.5 數據統計分析 各指標的相對值計算公式為：

所得對應值采用DPS 7.05軟件分別進行方差和差異顯著性分析、主成分分析及回歸分析，利用隸屬函數值對6個黃瓜材料的耐熱性進行綜合評價。

隸屬函數值計算公式：

(1)

如果為負相關，則用反隸屬函數進行轉換，計算公式為：

(2)

式中：Uxj為第j個綜合指標的隸屬函數值，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。

權重計算公式：

(3)

式中：Wj表示第j個綜合指標的相對重要程度。Pj表示各材料第j個主成分因子的貢獻值。

綜合評價值計算公式：

(4)

式中：D值為各材料在高溫條件下用綜合指標評價所得的耐熱性綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 芽期高溫對黃瓜形態指標的影響

從表2可以看出，35、38和42 ℃高溫脅迫對不同耐熱性黃瓜材料各指標的影響不同。發芽率在35和38 ℃溫度下影響不明顯，各材料發芽率相對值均接近于1；在42 ℃下發芽率明顯下降，其中1857和1717的發芽率相對值低于0.9，但與田間耐熱性綜合表現有明顯差異。高溫對各材料發芽指數的影響比較明顯，在35和38 ℃下對發芽指數影響有促進作用，各材料的發芽指數相對值均大于1，但與材料耐熱性強弱不具相關性；42 ℃條件下發芽指數相對值均低于1，說明42 ℃對發芽指數有明顯的抑制作用，但與材料耐熱性強弱不具有相關性，42 ℃下黃瓜種子發芽后，由于高溫的影響，胚根和下胚軸的伸長明顯受到抑制，不同耐熱性材料之間沒有顯著性差異。38 ℃下活力指數與材料耐熱性強弱相關，耐熱材料的活力指數相對值均顯著大于1，中等耐熱材料的相對活力指數相對值接近1，熱敏材料的活力指數相對值顯著小于1。因此，38 ℃脅迫下種子的活力指數相對值可作為黃瓜材料耐熱性鑒定的指標之一。

從表3可以看出，38 ℃下，全鮮質量和去子葉鮮質量的相對值耐熱材料要明顯大于熱敏材料，說明耐熱材料在高溫下生長較熱敏材料更加旺盛；根長和側根數的相對值均小于1，說明高溫對黃瓜種子芽期抑制根系的生長，并且熱敏材料受到的抑制比耐熱材料更明顯，這可能與機體吸水降溫有一定的關系；下胚軸長相對值均明顯大于1，高溫使黃瓜下胚軸均有明顯的伸長，熱敏材料較耐熱材料伸長的更加顯著。

綜合表2、表3結果可知，在35 ℃條件下，黃瓜受熱害的程度不明顯，42 ℃條件對黃瓜受熱害過于嚴重，發芽后下胚軸與根系的生長均受到嚴重的抑制，因此這2種溫度對黃瓜的耐熱性研究均不適用，38 ℃更適合黃瓜耐熱性指標的篩選。38 ℃條件下，發芽指數、活力指數、全鮮質量、去子葉鮮質量、下胚軸長、根長和側根數各項指標相對值與黃瓜的耐熱性相關，可作為黃瓜芽期耐熱性鑒定的指標。

2.2 黃瓜芽期耐熱性鑒定指標的主成分分析

利用DPS 7.05軟件對篩選出的耐熱鑒定指標的相對值進行主成分分析，由表4可知，前3個主成分的貢獻值分別為83.75%、10.68%和4.16%，累計貢獻率達到98.59%，其余的貢獻率可忽略不計，這樣就可以由原來的7個指標轉換成3個相對獨立的主成分因子。這3個主成分因子可以代表原有的7個單項指標98.59%的信息，從其貢獻率的大小可知各個主成分因子的相對重要性。

表2 不同溫度下黃瓜種子發芽指標的相對值

注：同列數據后的大、小寫字母分別表示在0.01、0.05水平上的差異顯著性，字母相同則差異不顯著，不同則顯著。下同。

表3 不同溫度下黃瓜苗期各指標的相對值

2.3 黃瓜芽期耐熱性鑒定指標的隸屬函數分析、權重確定以及綜合評價值的確定

根據各主成分的指標系數(表4)及各單項指標的相對值(表2和表3)，可以求得每個黃瓜材料的3個主成分因子的得分值，根據各主成分因子的得分值，由公式(1)分別求出6種黃瓜材料所有主成分因子的隸屬函數值(表5)。

根據各主成分貢獻率83.75%、10.68%、4.16%，用公式(3)求出各主成分的權重分別為84.95%、10.83%和4.22%。

表4 黃瓜各主成分的系數與貢獻值

表5 各黃瓜材料主成分因子值、權重、隸屬函數值以及綜合評價值

根據公式(4)，求出各黃瓜材料耐熱性能力的綜合評價值，如表5所示。6個黃瓜材料的綜合評價值的大小反映各材料的綜合耐熱性強弱，值越大代表其耐熱性越強。通過計算得出6種黃瓜材料的綜合評價值大小分別為：1857(0.1147)、1859(0.4295)、1854(0.7155)、1706(0.2548)、1701(0.6780)和1717(0.9757)。從這些綜合指標可以看出，1857和1706的耐熱性較差，屬于熱敏材料；1854和1717的耐熱性較強，屬于耐熱材料；1859和1701的耐熱性中等材料。以上結果與田間耐熱性觀察的綜合表現一致。

2.4 黃瓜芽期耐熱性鑒定方程的建立與驗證

將6種黃瓜材料的耐熱性綜合評價值作為因變量(Y)，各單項指標的相對值全鮮質量(X1)、去子葉鮮質量(X2)、下胚軸長(X3)、根長(X4)、側根數(X5)、發芽指數(X6)、活力指數(X7)作為自變量，采用逐步回歸方程建立最優回歸方程，剔除不顯著的變量，擬合結果為：Y=-0.6245-0.4828X5+1.2072X7，相關系數R2=0.9995，對方程進行檢驗，F值為2712.0422，表明方程極顯著。此方程從原有的7個單項指標中選出側根數(X5)和活力指數(X7)這2個指標對黃瓜芽期耐熱性有顯著性影響，在鑒定中可選擇性測定這些指標，將工作簡化。利用芽期的形態指標和該回歸方程對黃瓜耐熱性進行預測，其預測值與和綜合評價值在各材料間的大小次序一致(表6)。兩者之間高度相關，R2值達到0.9997，相關性達到極顯著水平。

采用12種耐熱性不同的已知黃瓜品種(組合)對最優回歸方程進行驗證，結果見表7。從表7可以看出，驗證材料的實際耐熱次序號與最優回歸方程的預測結果基本一致。說明該方程適用于黃瓜芽期耐熱性預測。

表6 黃瓜各材料預測值和綜合評價值

表7 基于2個評價指標相對值對不同黃瓜材料的耐熱性綜合評價預測值

3 結論與討論

黃瓜種子萌發是其生長的最初階段，在高溫條件下種子發芽的好壞決定著以后的植株的生長情況，甚至關系到商品果的品質和產量。因此，芽期耐熱性在一定程度上反映品種的耐熱性。本試驗在28、35、38和42 ℃條件下對已知耐熱性強弱的6種黃瓜材料(3種華南型黃瓜和3種華北型黃瓜)進行發芽試驗，發芽期間記錄發芽勢、發芽率以及芽苗各形態指標，并進行主成分分析和逐步回歸分析。結果表明，在38 ℃高溫條件下全鮮質量(X1)、去子葉鮮質量(X2)、下胚軸長(X3)、根長(X4)、側根數(X5)、發芽指數(X6)和活力指數(X7)的相對值與黃瓜耐熱能力相關性比35和42 ℃更加密切。通過對以上多項指標進行逐步回歸建立的黃瓜耐熱性預測方程，方程剔除其他因素，以側根數(X5)和活力指數(X7)的相對值作為芽期耐熱性評價指標簡單易行，可快速篩選出耐熱性材料。

前人對黃瓜芽期耐熱性鑒定指標的篩選有很多報道，鑒定指標主要可分為外部形態指標和生理生化指標。生理生化指標作為外部形態指標的內在因素，對耐熱黃瓜材料的篩選具有重要的作用。但忠等[8]認為MDA含量和POD酶活性可作為黃瓜耐熱性篩選的重要指標；李紅斌等[9]認為POD酶活性是黃瓜耐熱性篩選的重要指標。程智慧[6]和孟煥文[10]等認為黃瓜38 ℃高溫脅迫下外部形態指標變化與其材料耐熱能力的相關性比35和42 ℃脅迫更緊密。

本試驗研究結果與程智慧一致認為38 ℃下芽期活力指數可以作為黃瓜材料耐熱性篩選的重要指標。活力指數作為耐熱性的重要指標在黃瓜[11]、蘿卜[12]、菠菜[13]等耐熱性篩選中均有報道，說明其與植物體的耐熱性關系密切。黃瓜植株作為一個完整而統一的有機體，各個時期的耐熱性指標間關系緊密，對各個時期各個指標間的相互關系的報道不多，有待于作進一步的研究。