基于隶属函数和聚类分析法的广西韭菜地方种质资源耐热性评价

2023-05-05赵曾菁龚明霞王日升

西南农业学报 2023年3期

王萌,赵曾菁,赵虎,吴星,龚明霞,何志,王日升

(广西农业科学院蔬菜研究所,南宁 530007)

【研究意义】韭菜(AlliumtuberosumRottl.ex Spreng)属百合科(Liliaceae)葱属(Allium)多年生草本植物,富含多种营养元素,且含有硫化物、皂苷类和黄酮类等具有强身健体、滋阴助阳医疗保健功效的有机成分,是一种营养保健型蔬菜。韭菜原产于我国,性喜冷凉气候,栽培历史悠久,野生资源和地方品种资源分布广泛[1]。广西地处热带亚热带地区,气候炎热、高温时间长,耐热韭菜品种短缺,且韭菜夏季产量低、生长纤细、纤维多[2],出现明显生产淡季。因此,筛选和培育耐热性较强的韭菜品种,对解决广西耐热韭菜品种短缺、提高韭菜经济和社会效益具有重要意义。【前人研究进展】关于广西韭菜研究的报道有“桂特一号大叶韭”品种选育[3]、野韭菜的营养品质分析[4-5]、野韭菜水培技术体系[6]和组织培养[7]。高温、低温、干旱和盐碱等逆境胁迫均会损坏细胞膜结构及过度产生活性氧进而影响植物正常生长发育,因此不同的逆境胁迫均具有相似的评价指标,如张中华[8]鉴定9个韭菜亲本组合的耐寒性发现,品种间丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、可溶性蛋白含量和脯氨酸(Pro)含量差异显著,这些指标均与冷害程度呈极显著相关,可作为韭菜耐寒性鉴定指标;李艳华等[9]以韭菜叶片的可溶性蛋白、MDA和Pro含量及SOD和POD活性为指标,筛选适合韭菜水培的营养液配方;任倩倩等[10]开展干旱胁迫下不同绣球品种的生理响应和抗旱性研究,选择生物量、根冠比、细胞膜透性、叶绿素含量、MDA含量、Pro含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量及POD和SOD活性等15个参数作为评价指标;庞强强等[11]采用逐步回归法结合灰色关联度分析,筛选出热害指数、过氧化物酶活性和MDA含量等6个指标可作为菜心耐热性综合鉴定指标。植物的株高、生物量和发芽率等生长指标通常也可作为温度胁迫的评价指标,如王陆州等[12]为全面评价2个迟抽薹韭菜新品系,以相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数、相对胚根长和相对活力指数5个指标进行种子萌发期耐低温性鉴定,筛选出较耐低温的迟抽薹韭菜新品系;Arslan等[13]研究表明,韭菜叶片鲜重和干重、株高、蒸散量及韭菜植株水分利用效率等可作为韭菜耐盐性评价指标。耐热评价指标和耐热性评价方法是许多作物资源的主要耐热性评价内容,其中,发芽率[11-12]、株高[13-15]、生物量[10,15]、干鲜重[11,13]、热害指数[16-18]等是主要生长评价指标,叶绿素含量[19-21]、细胞膜相对电导率[20-23]、MDA含量[21-25]、Pro含量[25-26]、SOD和POD活性[8-11]等是主要生理生化评价指标,隶属函数分析和聚类分析是常用耐热性评价方法[16-17,25,27]。【本研究切入点】目前,韭菜品种选育机构主要集中在河南省平顶山地区,且多以耐寒性作为主要选育方向,而南方地区专门从事韭菜品种选育的机构很少,针对韭菜耐热性评价和耐热资源筛选的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以农业农村部第三次农作物种质资源普查(2015—2020)在广西收集的3类9份韭菜地方种质资源为试验材料,参考小白菜[11]、辣椒[17]、葡萄[25]、玉米[27]等作物耐热性鉴定常用的生长指标和生理生化指标,分析其耐热性,利用隶属函数和聚类分析法建立韭菜耐热性评价方法,综合评价广西韭菜地方种质资源的耐热性,为选育耐热韭菜品种及丰富广西耐热韭菜品种资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

依托农业农村部第三次全国农作物种质资源普查与收集行动和广西创新驱动发展专项“广西农作物种质资源收集鉴定与保存”,在广西13个地级市的54个县(市、区)收集到58份韭菜种质资源[28],根据《韭菜种质资源描述规范和数据标准》和韭菜种质资源调查结果,将其划分为大叶韭(叶宽1.5～2.2 cm)、宽叶韭(叶宽0.6～0.8 cm)和细叶韭(叶宽0.3～0.5 cm)3种类型,选取其中9份(分别标记为A、B、C、D、E、F、G、H和I)典型的种质为试验材料(表1)。

表1 供试韭菜种质名称、类型及采集地Table 1 Names,types and collection places of tested leek germplasm resources

1.2 试验方法

1.2.1 高温胁迫(实验室组)处理将9份韭菜种质分别移栽于塑料盆,每份种质种植12盆,每盆种植大小一致的韭菜6株,保留地上10 cm修剪,统一管理,待恢复生长1个月后,移入光照培养箱进行温度胁迫处理。以25 ℃/25 ℃(昼/夜) 为适温对照(CK),38 ℃/25 ℃(昼/夜)为高温胁迫处理,每份材料进行38 ℃高温胁迫处理6盆,适温处理6盆,每个处理3次重复。各处理的6盆韭菜又分为2组,一组放入培养箱前进行齐地收割,7 d后再次齐地收割,用于测定韭菜叶片最大生长长度和地上部新增生物量,未收割的一组处理7 d后用于测定叶绿素、Pro和MDA含量等指标。叶绿素含量参照李玲等[29]的方法进行测定,Pro和MDA含量参照苏州科铭生物技术有限公司的试剂盒说明进行测定。

1.2.2 田间自然高温(田间组)处理以广西南宁市最适宜韭菜生长的4月所测定数据为对照,最热的8月所测数据为田间自然高温处理。每份种质选择健壮且大小一致的12株韭菜为1个处理,其中6株齐地收割,另6株不收割。收割的韭菜在田间35～40 ℃高温条件下生长7 d后,再次收割等待测定韭菜叶片最大生长长度和地上部新增生物量;不收割的6株也在生长7 d后测定叶绿素、Pro和MDA含量等指标,3次重复。各指标测定方法同1.2.1。该组数据作为实验室组高温胁迫处理的平行数据,用于共同评价韭菜种质资源的耐热性。

1.2.3 韭菜种质资源的耐热性评价将9份韭菜种质在实验室38 ℃高温胁迫和在田间自然高温下得到的各测试指标值转化为耐热性指标(相对耐热系数)进行耐热性初步评价,相对耐热系数越大,表示耐热性越强,相对耐热系数越小,表示耐热性越差。再采用隶属函数法和聚类分析法对9份韭菜种质的耐热性进行综合评价。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行整理,以SPSS 21.0分别对田间组和实验室组韭菜的5个测试指标进行主成分分析并得出综合指标值,以该值为评价耐热性的基础数据,计算田间组和实验室组各韭菜材料的隶属函数均值[耐热性综合评价值(D)],并进行耐热性综合评价与排序[14-15]。根据D,采用欧氏距离中的离差平方和法对9份韭菜种质的耐热性进行聚类分析。

相对耐热系数(HRC)(%)= 处理组测定值/对照组测定值×100

正向隶属度函数值U(Xj)= (Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

反向隶属度函数值U(Xj)= 1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中,Xj为各指标的测定值,Xmin为所有参加试验韭菜种质资源某一个指标的最小值,Xmax为所有参加试验韭菜种质资源某一个指标的最大值。

式中,Wj表示第j个综合指标在所有指标中的重要程度即权重,Pj为各材料第j个综合指标的贡献率,D表示各材料在高温胁迫下由综合指标评价所得的耐热性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫对韭菜种质生长指标的影响

由表2可知,38 ℃高温胁迫处理7 d后,各类型韭菜的叶片最大生长长度、地上部新增生物量及叶绿素、Pro和MDA含量与CK均存在极显著差异(P<0.01,下同),说明38 ℃高温胁迫对大叶韭、宽叶韭和细叶韭生长均产生极显著影响。此外,在高温胁迫下,不同类型韭菜种质各测试指标间也存在显著差异(P<0.05,下同),说明高温对不同类型韭菜种质的胁迫程度不同。

由表3可知,38 ℃高温胁迫处理后不同类型韭菜种质的叶片最大生长长度和地上部新增生物量均较其相应的CK大幅下降,结合表2的分析结果,叶片最大生长长度和地上部新增生物量均极显著低于其相应的CK,说明38 ℃高温对韭菜生长抑制作用明显,其中,叶片生长速度最慢的是大叶韭类型,最快的是细叶韭类型,其3份种质的叶片生长速度均显著高于大叶韭类型,尤其以种质G的生长速度最快(仅比其CK降低27.33%),而种质C的生长速度最慢(比其CK降低85.27%),说明细叶韭类型的生长速度受高温胁迫影响最小,大叶韭类型的生长速度受高温胁迫影响最大;地上部新增生物量以大叶韭菜类型降幅最大,其次为宽叶韭类型,细叶韭类型的地上部新增生物量降幅最小,三者地上部新增生物量降幅的平均值分别较其相应CK的平均值下降80.31%、59.57%和33.85%,说明地上部新增生物量也以细叶韭类型受高温胁迫影响最小,大叶韭类型受高温胁迫影响最大,尤其以种质H的地上部新增生物量降幅最小,种质C的地上部新增生物量降幅最大,分别降低30.02%和88.06%。

表2 高温胁迫下不同类型韭菜种质间的方差分析Table 2 Analysis of variance among different germplasms of leek under high temperature stress

表3 高温胁迫对韭菜种质生长的影响Table 3 Effects of high temperature stress on the growth of leek germplasms

综上所述,高温对韭菜生长和生物量提高均具有明显抑制作用,其中,细叶韭类型受抑制程度最小,大叶韭类型受抑制程度最大,3种类型种质生长受抑制程度排序为大叶韭>宽叶韭>细叶韭。

2.2 高温胁迫对韭菜种质生理指标的影响

由表4可知,38 ℃高温胁迫处理后叶绿素含量降幅最大的是大叶韭类型,而降幅最小的是细叶韭类型,其3份种质的叶绿素含量均显著高于大叶韭类型和宽叶韭类型,其中,种质G和H的叶绿素含量降幅较小,分别较其相应的CK下降7.73%和10.93%,种质C的叶绿素含量降幅最大,较其CK下降59.16%;3种类型韭菜种质资源的叶绿素含量降幅排序为大叶韭>宽叶韭>细叶韭。

38 ℃高温胁迫处理后,3种类型韭菜种质资源的Pro含量均呈上升趋势(表4)。与CK相比,Pro含量升幅最小的是大叶韭类型,而升幅最大的是细叶韭类型,其3份种质的Pro含量均显著高于大叶韭类型和宽叶韭类型,其中,种质G和I的Pro含量升幅较大,分别较其相应的CK增长90.44%和89.35%,种质B和C的Pro含量升幅较小,分别较其相应的CK增长30.67%和28.65%;3种类型韭菜种质资源的Pro含量升幅排序为大叶韭<宽叶韭<细叶韭。

38 ℃高温胁迫处理后,3种类型韭菜种质资源的MDA含量均呈上升趋势(表4)。与CK相比,MDA含量升幅最大的是大叶韭类型,而升幅最小的是细叶韭类型,其3份种质的MDA含量均显著低于大叶韭类型和宽叶韭类型,其中,种质G和H的MDA含量升幅较小,分别较其相应的CK增长50.81%和60.30%,种质B和C的MDA含量升幅较大,分别较其相应的CK增长171.82%和213.28%;3种类型韭菜种质资源的MDA含量升幅排序为大叶韭>宽叶韭>细叶韭。

表4 高温胁迫对韭菜种质生理指标的影响Table 4 Effects of high temperature stress on physiological indexes of leek germplasms

综上所述,3种类型韭菜种质资源的叶绿素含量降幅和MDA含量升幅具有相同的变化趋势,即大叶韭>宽叶韭>细叶韭,Pro含量升幅排序为大叶韭<宽叶韭<细叶韭。

2.3 韭菜种质资源耐热性初步评价

由表5可知,田间组韭菜种质各耐热性指标(相对耐热系数)的变化趋势与实验室组相同,耐热性排序均表现为大叶韭<宽叶韭<细叶韭,但实验室组测试数据的变幅大于田间组;种质D和E及种质G和I分别属于宽叶韭菜和细叶韭菜类型,其耐热性在田间组和实验室组分组内的排序结果略有差异;9份韭菜种质的各指标的相对耐热系数均发生大幅度变化,特别是MDA含量,其相对耐热系数变幅为123.18～317.52。因此,根据表5的相对耐热系数不能直观地判断不同类型韭菜种质资源的耐热性,还需进行综合评价。

表5 不同类型韭菜种质的相对耐热系数比较Table 5 Comparision of relative heat resistance coefficients of different leek germplasms

续表5 Continuedtable 5

2.4 韭菜种质资源的耐热性综合评价

2.4.1 隶属函数值法评价为更准确地评价韭菜种质的耐热性,本研究对实验室组和田间组韭菜种质资源的5个指标进行主成分分析(PCA),分别得到2个主成分,方差解释率累计为89.48%和89.17%(表6),说明主成分1(PC1)和主成分2(PC2)可代表韭菜种质资源耐热性测试数据的大部分信息。实验室组和田间组各测试指标的权重见表6,各种质各指标的隶属函数值和D见表7。其中,实验室组的D=U(X1)0.2175+U(X2)0.1585+U(X3)0.1963+U(X4)0.2163+U(X5)0.2113,田间组的D=U(X1)0.1559+U(X2)0.2091+U(X3)0.2258+U(X4)0.1592+U(X5)0.2099(X1、X2、X3、X4和X5分别为韭菜叶片最大生长长度、地上部新增生物量、叶绿素含量、Pro含量和MDA含量5个指标的测定值)。由表8可知,细叶韭类型3个种质的D排名在前3位,说明细叶韭类型属于耐热类型,其中种质G和I的D较大,说明其耐热性在9份种质中表现较好;大叶韭类型3个种质的D排在后3位,说明大叶韭类型属于不耐热类型,其中种质C的D最小,说明其耐热性在9份种质中表现最差;大叶韭类型种质A的D明显大于同类型韭菜种质B和C;宽叶韭类型3个种质的D排在4～6位,说明宽叶韭类型的耐热性介于耐热与不耐热类型之间;供试9份韭菜种质的耐热性排序为I>G>H>E>D>F>A>B>C。

表6 实验室组和田间组韭菜种质各测试指标的线性组合系数和权重Table 6 Linear combination coefficient and weight of test group and field group

2.4.2 聚类分析法评价根据表7中各韭菜种质的D,采用欧氏距离中的离差平方和法对9份韭菜种质的耐热性进行聚类分析。从图1可看出,9份韭菜种质可分为三大类。其中,第Ⅰ类为耐热型种质,包括种质G、I和H,均为细叶韭类型;第Ⅱ类为中度耐热型种质,包括种质D、F、E和A;第Ⅲ类为不耐热型种质,包括种质B和C,均为大叶韭类型;种质A属于大叶韭类型,在隶属函数值算法中,其D排在第7位,介于宽叶韭类型和大叶韭类型间,而通过聚类分析,该种质被归为第Ⅱ类中度耐热型种质,较同类大叶韭种质B和C表现出较优的耐热性,可能是该种质(大叶韭3号)是在广西较热的平原地区经过多代选育的原因。

图1 不同韭菜种质耐热性的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of heat tolerance of different leek germplasms

表7 高温胁迫下不同韭菜种质各指标的隶属函数值比较Table 7 Membership function values of indexes of different leek germplasm under high temperature stress

3 讨论

植物的生长速度和生物增长量可直观反映其植株对胁迫因子的适应程度[10-11,13-16]。韩瑞宏等[16]研究发现,在高温胁迫下30份苜蓿种质苗期的地上部生物量均有不同程度降低,但耐热性强种质的生物量降幅较小。本研究也发现,耐热韭菜种质G、H和I在38 ℃高温胁迫处理7 d时,其叶片的最大生长长度和地上部新增生物量降幅均较小。

叶绿素是植物光合作用的载体,其含量直接反映植物的营养状况和光合能力,也是反映植物耐热性的重要生理指标[8,10,19-21]。本研究中,38 ℃高温胁迫处理后9份韭菜种质的叶绿素含量均显著下降,但耐热性强细叶韭类型的3份种质(G、H和I)在38 ℃高温胁迫下的叶绿素含量均高于其他种质,38 ℃高温胁迫后的降幅也显著小于其他韭菜类型,耐热性弱种质的叶绿素含量降幅较大,其中降幅最大的是大叶韭类型,与吴久赟等[25]对不同葡萄品种的耐热性评价结果一致。

Pro和MDA含量也是反映植物抗性的重要生理指标[8-11,19-21,25-26]。Pro具有渗透调节和防止细胞质脱水的作用,反映植物的抗胁迫能力。当植物受到胁迫时,其体内通常积累较多Pro,积累越多说明植物的耐热性越强。本研究中,9份韭菜种质在38 ℃高温胁迫处理后,Pro含量均呈上升趋势,其中,细叶韭类型种质G和I的Pro含量升幅较大,大叶韭类型种质B和C的Pro含量升幅较小,与前人对菜心[11]、月季[20]、茄子[21]等作物的研究结果一致。MDA是植物在逆境胁迫下产生的生理活性物质,其含量能反映膜脂过氧化程度[22],间接反映植物组织抵抗逆境胁迫的能力,MDA含量越高,表明高温胁迫下细胞膜脂的过氧化程度越严重,植物本身的耐热性越差。前人研究结果也显示,丝瓜[22]、黄瓜[23]、玉米[24]MDA含量的增幅越大,其品种的耐热性越差。本研究中,9份韭菜种质的MDA含量在38 ℃高温胁迫下出现大幅度增长,其中,增幅较大的是种质B和C,增幅较小的是种质G和H,3种类型韭菜种质的MDA含量增幅排序为大叶韭>宽叶韭>细叶韭;进一步的耐热性综合评价结果显示,9份韭菜种质可分为三大类,耐热性排序为细叶韭>宽叶韭>大叶韭,该评价结果与各类型韭菜种质在田间的实际耐热性表现一致,也与广西大叶韭主要分布在冷凉山区的实际情况相符。

植物的耐热性受多种因素影响,是一个复杂的综合性状,需综合各种质的多项指标进行分析才能准确评价其耐热性[19-21,25-26],如孔令接等[19]选择表型性状(幼梢下垂萎蔫率、成熟功能叶片卷缩率、黄化和枯焦率等)、生理指标(电导率及叶绿素、MDA和Pro含量)和相关基因表达情况作为不同夏菊品种耐热性评价指标;姚启伦等[24]以花粉粒活性、叶绿素含量、MDA含量和叶绿素荧光参数作为玉米耐热种质的筛选指标。本研究参考其他植物耐热评价指标和方法,选用5个较简便和常用的生长指标和生理指标,开展38 ℃高温胁迫处理和田间自然高温处理2组试验,并参考赵东风等[17]、吴久赟等[25]、李淑君等[27]的方法,首先通过计算相对耐热系数作为评价韭菜耐热能力的单项指标,再采用主成分分析法分别计算田间组和实验室组9份韭菜种质5个指标的权重,然后利用模糊隶属函数法得出各韭菜种质的综合耐热能力,同时结合聚类分析结果,最终将9份韭菜种质划分为3个不同耐热等级,并明确耐热性最强的为种质I(No.2016453604)和G(No.2016451159),耐热性最弱的为种质C(No.SC20191200)。