基于主成分分析和聚类分析的油桐优良家系抗性综合评价

徐永杰 ，邓先珍 ，代新平，汪阳东 ，马林江 ，李 玲 ，曾 博

基于主成分分析和聚类分析的油桐优良家系抗性综合评价

徐永杰1，邓先珍1，代新平1，汪阳东2，马林江1，李 玲4，曾 博1

（1.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉430079；2.中国林业科学研究院热带林业研究所，浙江 富阳311400）

为筛选评价复选的油桐优良家系，采用主成分和聚类分析综合分析方法对31个优良家系叶片SOD、POD活性及MDA含量进行综合分析，将31个优良家系分为高系(桂皱27号)、中抗家系(LF3,LF11,LF99,LF27, LF78, LF1, HF11, LT37,LF42,LF62,LF108,LF52, D27,LF28,S4 LF97,LT8 S2,LF46, LT37, LF16,D538)和弱抗家系(LF103,S9,LF20,LF92, S12,LT29,HF14,D440)。结果表明，主成分和聚类综合分析操作性强，结果可靠，是很有应用前景的综合分析方法。

油桐；优良家系；抗性；主成分分析；聚类分析；综合评价

植物经历了某种逆境后，能提高对另一种逆境的抵抗能力，这种对不良环境之间的相互适应作用称为交叉适应，交叉适应的原因之一是植物在多种逆境条件下膜保护物质发生了类似的反应[1]。超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）是植物体内防御活性氧伤害的重要保护酶，它们协同作用，有效地阻止高浓度自由基的积累，清除重金属等诱导产生的氧自由基和过氧化物，减轻活性氧的伤害，防止膜脂的过氧化作用，使植物维持正常的生长和发育，保护植株免遭伤害等方面起着重要作用，而丙二醛(MDA)作为膜脂过氧化产物，其含量可以反映细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱[2-6]。

油桐Aleurites fordii是我国亚热带地区具有代表性的经济林树种和特有的工业油料树种，也是湖北省乡土树种，其种子生产的桐油在工业、农业、国防等方面具有广泛的用途，近年来作为生物质能源原料树种也越来越受到重视[7-8]。然而，生产中由于油桐黑斑病、枯萎病等病害的严重危害，引起树体过早衰亡，减小了经济寿命，造成了极大的经济损失，严重影响了油桐产业的发展[9-10]。本研究以湖北省林科院30个复选优树家系和广西林科院选育的桂皱27号家系子代叶片为试材,在气候干旱期测定叶片SOD、POD活性和MDA含量，采用主成分分析和聚类分析方法对其抗性进行综合评价，以期筛选出高抗优树家系并为油桐抗性筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

本试验在湖北省林业科学研究院武汉九峰试验林场苗圃进行。试验林场位于北纬30°31′，东经114°20′，海拔120 m，属亚热带季风气候。地势平坦，南坡，黄壤土，土层较厚。试验材料为2009年湖北省复选的30个优树家系叶片，优树家系编号分别为 LF3，D27，LF78，LF103，LF111，LF16，D538，LF20，LF42，LF46，LF52， LF62，HF11，HF14，LF27，LF28，LF92，LF97，LF99，LT8 ，LT29，LF108，LT37， LT39，LF1，D440，S4，S9，S12，S2。对照品种为广西林科院选育的桂皱27号。

1.2 试验方法

2010年春季3月份中旬在整好的苗圃地播种油桐优树和桂皱27号家系种子，株行距为15 cm×20 cm，正常的苗圃管理。于8月中旬武汉气候干旱期分家系采集苗木中上部叶片，放入冰盒，带回实验室对SOD、POD活性和MDA含量抗性生理指标进行测定，测定方法参照李合生方法[11]进行。

1.3 数据统计

运用SAS 8.1软件进行数据统计。

2 结果与分析

2.1 抗性生理指标间的相关性分析

对油桐家系叶片SOD、POD活性和MDA含量相关性进行分析，相关矩阵见表1。从表1中可以看出，SOD活性与POD活性相关系数为0.448 65，呈极显著性正相关，与MDA含量相关系数为-0.285 51，呈极显著负相关，POD活性与MDA含量相关系数为-0.285 51，也呈现显著性负相关。说明油桐抗性表达过程中，膜质过氧化是SOD、POD活性综合作用的结果，当这两种酶活性强时，MDA含量就较低，膜质氧化过程缓解，油桐抗性增强；反之，膜质氧化过程加剧，油桐抗性下降。

表1 抗性生理指标的相关矩阵†Table 1 Correlation matric of physiological indexes of resistance

2.2 抗性生理指标的主成分分析

对30个复选油桐优树及对照品种家系叶片的SOD、POD活性和MDA含量进行主成分分析，其相关矩阵的特征根和相应的正规化特征向量列于表2。从表2可以看出，第1、2主成分方差累计贡献率达到了96.19﹪，即第1、2主成分包含了各优树抗性生理指标96.19﹪信息，因此可用第1、2主成分综合评价各优树家系抗性。

表2 抗性生理指标的特征向量、特征根Table2 Eigenvectors and characteristic roots of physiological indexes of resistance

第1、2主成分表达式分别为：

其中x1表示SOD活性，x2表示POD活性，x3表示MDA含量。利用第1、2主成分函数计算各优树主成分值，将主成分值与相应特征值的方差贡献率的积累加，得出各优树抗性的综合评价指数（见表3），以此来评价油桐各优树家系抗性优劣。

从表3各油桐优树家系叶片抗性生理指标及其综合评价指数可以看出，抗性生理指标综合评价指数最高的是桂皱27号，达116.97，30个优树家系抗性生理指标综合评价指数从高到低排在前五位的是HF11，LT39, LF42，LF16，D538，综合评价指数最低的D440,仅为99.61。

从表3中看出，桂皱27号抗性最强，LF3，LF11，LF99，LF27，LF78 ，LF1，HF11，LT37，LF42，LF62，LF108，LF52，D27，LF28，S4，LF97，LT8，S2，LF46，LT37，LF16，D538 22个家系抗性较强（见图1），与上述生物学观测结果基本一致（见表4），说明采用主成分分析和聚类分析均能很好地对油桐家系抗性进行综合评价。

表3 油桐优树家系叶片抗性生理指标及其综合评价指数Table 3 Physiological indexes and synthetic analysis index of leaves of Aleurites fordii pedigree

表4 供试油桐家系抗性分类Table 4 Resistance classification of Aleurites fordii pedigree in the test

3 结论与讨论

图1 油桐家系抗性生理指标聚类分析Fig.1 Cluster analysis of Aleurites fordii pedigree physiological indexes

（1）司剑华等[12]通过测定低温处理1年生柽柳离体枝条叶片MDA、可溶性蛋白质等生理指标表明，MDA含量与抗寒性密切相关，可以作为柽柳抗寒性鉴定指标。本研究中MDA含量也一定程度上反应了不同油桐优良家系抗性，如弱抗家系LT29 MDA含量高达8.52 µmol/g。但MDA决不是判断植物抗性的唯一指标，本研究中涉及到的两种抗性保护酶SOD、POD是清除O2-和H2O2的酶[13]，很大程度上也反应植物的抗逆性，因此要进行抗性评价需要综合考虑与抗性有关的多种因素来综合分析。

(2)本研究采用主成分分析和聚类分析的方法，对复选的油桐优良家系进行综合评价,将31个家系分为三类,即高抗家系（桂皱27号）、中抗家系(LF3,LF11,LF99,LF27,LF78,LF1,HF11, LT37, LF42,LF62,LF108,LF52, D27,LF28,S4 LF97,LT8 S2,LF46,LT37,LF16,D538)和弱抗家系(LF103,S9,LF20,LF92, S12,LT29,HF14,D440),分类结果与实际观测的生物学性状基本一致，显示出了极好的应用前景。

[1] 王 忠.植物生理学[M].北京:中国农业出版社, 2002: 441-442

[2] 李志辉,董晓辉,童方平.矿区构树叶片保护酶与丙二醛的四季变化及抗逆性[J].中南林业科技大学学报,2010,30(5):106-109.

[3] 于振群,孙明高,魏海霞,等.盐旱交叉胁迫对皂角幼苗保护酶活性的影响[J].中南林业科技大学学报,2007,27(3):29-32.

[4] 郭文硕.油桐品种抗黑斑病机制与超氧化物歧化酶之关系[J].植物病理学报,1992,(2):106.

[5] 江 彤,杨建卿,高 明,等.不同抗病性烟草罹黑胫病后几种酶活性及丙二醛含量的变化[J].安徽农业大学学报，2006,33(2):218-221.

[6] 孙文秀,朱小慧.辣椒疫霉菌对不同辣椒品种抗病性相关霉活性的影响[J].长江蔬菜:学术版,2009,(12):70-72.

[7] 黄瑞春,谭晓风,王承南,等.油桐种植资源库品比试验初步研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(9):38-41.

[8] 徐永杰,周席华,罗治建,等.典型相关分析在油桐选优中的应用[J].湖北农业科学,2011,50(4):759-776.

[9] 石嘉贵.葡萄桐果实黑斑病初步调查[J].亚林科技,1984(2):67-69.

[10] 花锁龙.葡萄桐大量枯果的原因探讨[J].亚林科技，1984,(1):117-122.

[11] 李合生,孙 群,赵世杰,等.植物生理生化试验指导[M].北京:高等教育出版社,2000:167-262.

[12] 司剑华,卢素锦.低温胁迫对5种柽柳抗寒性生理指标的影响[J].中南林业科技大学学报,2010,30(8):78-81.

[13] 王宝山.生物自由基与植物膜伤害[J].植物生理学通讯，1988,(2):12-16.

Comprehensive evaluation of resistance of Aleurites fordii superior family based on principal component analysis and clustering analysis

XU Yong-jie1, DENG Xian-zhen1, DAI Xin-ping1, WANG Yang-dong2, MA Lin-jiang1, LI Ling1, ZENG Bo1
（1. Hubei Academy of Forestry, Wuhan 430079, Hubei, China; 2. Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang 311400, Zhejiang, China）

For the screening evaluation of excellent re-elected Aleurites fordii superior pedigree, the SOD and POD activity and MDA content of the 31 excellent pedigree were comprehensively analyzed by using principal component analysis and cluster analysis, and the pedigrees were divided into three types: high anti-pedigree (crumpled tung tree 27 breeded in Guangxi), medium anti- pedigree (LF3, LF11, LF99, LF27, LF78,LF1, HF11, LT37, LF42, LF62, LF108, LF52, D27, LF28, S4 LF97, LT8, S2, LF46 LT37, LF16, D538), weak anti-pedigree (LF103, S9, LF20,LF92, S12, LT29, HF14, D440). The results show that the comprehensive analysis method including principal component analysis and cluster analysis has strong operability, can obtain reliable results, thus it is a very promising evaluation method.

Aleurites fordii；superior family; resistance; principal component analysis；cluster analysis；comprehensive evaluation

S794.3

A

1673-923X (2012)07-0024-04

2012-03-22

国家林业公益性行业专项（201204403）；湖北省林业局重大科研究项目（HLK2008-002）；武汉市凯迪控股投资有限公司委托项目资助（2008[1][1].7.11）

徐永杰（1981—），男，河南许昌人，助理研究员，主要从事经济林育种及栽培技术研究

邓先珍（1962—），女，研究员，主要从事经济林育种及栽培技术研究

[本文编校：吴 毅 ]