利用多元统计分析方法评价甘蔗新品系的抗旱性

蒋洪涛，蒋夏兰，商贺阳，李安贵，张木清

（1.广西大学广西甘蔗生物学重点实验室，南宁 530004；2.福建农林大学国家甘蔗工程技术研究中心，福州 350002）

0 引言

近几年随着其他作物面积的扩张，迫使甘蔗种植区域不断向旱地和坡地转移，中国旱地甘蔗所占比例达到85%以上。水资源缺乏已成为制约中国蔗糖生产的最关键因素之一，选育抗旱性强的甘蔗新品种是一种重要的经济、有效抗旱措施。抗旱性强的甘蔗新品种不仅可以保证高产稳产，而且对提高水资源利用率具有十分重要的意义。但是传统的育种周期较长，很难得到综合性能好的品种，通过引种能在较短的时间内获得适应当地推广的优良品种，而准确鉴定甘蔗品种的抗旱性首先要建立有效的甘蔗抗旱性评价体系。

作物的抗旱性与作物形态、生理生化性状密切相关。国内外学者从不同角度研究了作物抗旱性的鉴定方法和指标[1-3]。卢会文等[4]研究叶片衰老情况、株高伤害度、叶面积伤害度等形态指标和4 个生理指标与甘蔗品种抗旱性的关系，指出农艺性状也是适合甘蔗抗旱性评价的指标；高三基等[5-7]研究水分胁迫下甘蔗叶绿素及叶绿素荧光与甘蔗抗旱性的关系，指出光合指标与品种抗旱性有密切关系；张木清等[8]对水分胁迫下蔗叶活性氧代谢回归分析表明，水分胁迫下丙二醛含量与质膜透性变化呈正相关，可作为鉴定甘蔗品种抗旱性较为可靠的生理生化指标。研究表明，多种作物在干旱胁迫下脯氨酸快速积累以抵御干旱胁迫的伤害[9-12]，所以该指标也可作为评价甘蔗抗旱的重要指标之一。不同植物的抗旱能力和机制不同，利用多个单一指标对作物进行抗旱性评判容易造成评价结果的片面性和不稳定性。

主成分分析可以快速准确地确定各指标权重，找出数目较少且能代表所有变量的主成分。主成分分析对原有信息全面覆盖，同步解决了综合变量覆盖和降维问题，降低了数据对象集合的相异度和维度，实现了数据对象集合的聚类归约[13]。研究表明，甘蔗叶片抗氧化物酶活性和渗透调节物质含量的差异是品种间耐干旱胁迫差异的生理基础[14]。目前，利用主成分分析并结合隶属函数、聚类分析的方法已经广泛地用于多种植物的抗逆性评价。田治国等[15]对9个万寿菊品种16个生理指标的抗旱性进行综合评价，结果表明，不同品种万寿菊的生理指标变化程度不同，通过主成分分析法、隶属函数法和聚类分析法能够很好地评价万寿菊的抗旱性；王兰芬等[16]采用抗旱系数、隶属函数和抗旱指数法评价绿豆的抗旱性，结果表明，3 种评价方法抗旱分级结果一致性较高，说明在抗旱性评价上抗旱系数和隶属函数法、抗旱指数法都具有很好的评价效果。边芯等[17]通过利用抗旱系数和隶属函数法对持绿性‘割手密’的抗旱性进行综合评价，探明了持绿性‘割手密’的抗旱性遗传特性，为持绿性甘蔗细茎野生种的利用提供依据；田春艳等[18]利用综合分析方法进一步明确了质膜透性（PMP）、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸（Pro）含量、自由水/束缚水等是甘蔗抗旱性评价的关键指标，可有效评价甘蔗种质抗旱性；王天菊等[19]利用相关分析、聚类分析和模糊隶属函数分析法对26 份‘割手密’的抗旱性进行评价，为‘割手密’抗旱材料筛选及抗旱基因发掘奠定基础。王焱等[20]利用相关分析、隶属函数系数、综合抗旱性系数、灰色关联分析、逐步回归和聚类分析方法对苜蓿发芽期的抗旱性进行评价，筛选出在萌发期表现出较强的抗旱性的3个苜蓿基因型。王竞红等[21]对3 种观赏草、李怡等[22]对54 份羊草种质资源、孙佩等[23]对杨树苗期、路之娟等[24]对不同基因型苦荞采用以上相关方法进行了抗旱性综合评价。然而目前对于引进的甘蔗品种（系）还没有抗旱性差异综合性评价。因此，本文对19 个潜力较大的甘蔗品种（系）的6个抗旱性指标进行主成分分析、隶属函数分析和聚类及判别分析，从而对供试材料的抗旱性进行综合评价，旨在筛选出抗旱性强的品种（系），为今后的甘蔗育种和引种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试甘蔗材料为2012 年广西大学在美国农业部运河点育种站按照常规杂交育种技术选择5 个甘蔗组合，分别为‘HoCP01-157’בCP14-0969’、‘CP49-50’בCP96-1252’、‘CP88-1762’בCP96-1252’、‘CP00-1100’בQ209’、‘CP89-2143’בCP72-1210’；杂交所得9 个甘蔗花穗，带回国后经过杂种圃和选种圃后选择出17 个糖分、产量和抗逆性较好的甘蔗材料，其中‘GUC1’、‘GUC8’、‘GUC10’、‘GUC16’、‘GUC17’和‘GUC23’是‘HoCP01-157’בCP14-0969’杂交后代；‘GUC19’、‘GUC21’、‘GUC29’、‘GUC31’和‘GUC33’是‘CP49-50’בCP96-1252’杂交后代；‘GUC2’、‘GUC3’和‘GUC24’是‘CP88-1762’בCP96-1252’杂交后代；‘GUC9’和‘GUC13’是‘CP00-1100’בQ209’杂交后代；‘GUC25’是‘CP89-2143’בCP72-1210’杂交后代。在对17 个甘蔗材料进行品比的同时进行抗旱性评价试验，试验对照甘蔗品种为广西本地主栽品种‘新台糖22号’（"ROC"22）和‘福农39’（‘FN39’）。

1.2 试验设计

2015 年7 月20 日，将所有试验材料砍成单芽，用多菌灵浸种处理后种植于塑料桶中，每桶装等量的种植土（种植土以沙质土壤与有机肥3:1 的比例混合），每个品种种植10 桶，每桶下种5～6 芽，正常肥水管理，保持所有材料的正常生长，待成苗后每桶定植3 株。分蘖期移至网室大棚，每个品种选取长势均匀9桶作为研究对象，其中6 桶为试验组，3 桶作为对照组，试验组于10 月28 日开始停止供水处理，土壤相对含水量为81.9%～86.0%，停止供水20 d 后，自然失水到部分品种叶片干枯萎蔫，清晨无“吐水”现象时，此时土壤相对含水量为23.8%～31.2%；对照组则一直控制土壤相对含水量在81.9%～86.0%。并于早上8:00—9:00 取样，每个处理组和对照组均采集6株甘蔗的+1 叶混合为1份样品，放入冰壶中，带回实验室后将试验组和对照组样品分别进行随机分组，每2 张叶片一组，形成3 个生物学重复，进行株高（Ph）、相对含水量（RWC）、叶绿素（Chl）、丙二醛（MDA）、膜透性（PMP）、脯氨酸（Pro）含量6个生理指标的测定。

1.3 测定项目与方法

株高（Ph）测定，选择成熟挺直、无病害、长势一致、具代表性的甘蔗主茎，用皮尺从地面测量至甘蔗+1叶。甘蔗叶片相对含水量（RWC）采用重量法测定，RWC=（叶片鲜重－干重）/（水饱和重－干重）×100%[25]；质膜透性（PMP）测定参照侯冬花[26]方法，用相对电导率表示，PMP=处理电导率/煮沸电导率×100%；丙二醛含量（MDA，μmol/g）测定参照HEATH 等[27]方法；叶绿素含量（Chl，mg/g）测定采用混合液法[28]；脯氨酸含量（Pro，mg/g）测定参照张瑛等[29]方法。

参照BOUSLAMA 等[30]的方法计算Ph、RWC、PMP、MDA、Chl 和Pro 含量各指标性状的抗旱系数：抗旱系数=干旱处理测定值/对照测定值×100%

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0 软件进行主成分分析、隶属函数分析和判别分析，用Origin 2019 软件进行聚类分析，采用欧式距离法进行聚类分析，运用的主要公式如下。

1.4.1隶属函数值

式中：i=1，2，3，…，19（下同）；xi表示第i个因子的得分值，xminxmax分别表示第i个因子的最小值和最大值。

1.4.2权重

式中：Wi表示第i个公因子在所有公因子中的重要程度，Pi为各品种第i个公因子的贡献率。

1.4.3综合评价值

式中：Di值表示甘蔗材料抗旱性综合评价值，U(xi)表示各品种隶属度值，Wi表示各品种权重值。

2 结果与分析

2.1 各品种（系）的抗旱系数和相关性分析

干旱胁迫下，不同甘蔗品种（系）的6项抗旱相关指标呈现不同的变化（表1）。部分甘蔗在持续水分胁迫下能保持一定的生长能力，也有少数的甘蔗MDA 含量要低于正常供水的含量；但总体来说，RWC 和Chl 含量表现为明显的下降，PMP、MDA 含量和Pro 含量有较大幅度的增加，反映出干旱胁迫在一定程度上造成了甘蔗膜脂过氧化；而不同品种甘蔗对水分胁迫的响应表现不一样。相关分析表明，19 个甘蔗品种（系）的部分生理指标之间存在显著的相关性。其中Ph、RWC、Chl和Pro与PMP呈显著负相关；除Ph以外，与MDA也呈显著负相关；Ph、RWC、Chl 和Pro 四个指标间相互呈显著正相关；PMP 与MDA 呈显著正相关（表2）。说明，在干旱胁迫下，不同甘蔗品种的各抗旱指标之间存在一定的协同性和拮抗性，在减少水分胁迫对膜系统伤害的同时保持叶片较高的相对含水量、叶绿素含量和脯氨酸的含量，以提高甘蔗的抗旱能力，从而促进甘蔗的生长。

表1 19 个甘蔗品种（系）各指标的抗旱系数Table 1 Drought-tolerant coefficients of different parameters of nineteen sugarcane cultivars(clones)

表2 抗旱性指标的相关系数矩阵Table 2 Correlative coefficient matrix of drought-tolerant indexes

2.2 各品种（系）的主成分分析

6个抗旱指标的抗旱系数转化为4个主因子，累加贡献率达94.12%（表3），说明前4个主因子所包含的要素信息量可以反映出6个抗旱性指标原始特征参数的大部分信息，既保留了绝大部分信息，又达到了降维的目的。主因子1 中，Chl和PMP指标对甘蔗品种抗旱性起支配作用，反映了甘蔗抗旱性与叶片光合作用和膜透性密切相关；因子2 中，RWC 和Pro 指标对甘蔗品种抗旱性起支配作用，表明渗透调节对于甘蔗抗旱至关重要；因子3中，只有Ph具有较大载荷，反映了甘蔗抗旱性强弱直接影响甘蔗的生长；因子4中，只有MDA含量有较大载荷，表明MDA 含量是相对较为独立的影响因子。甘蔗各生理指标的抗旱系数与其主因子系数相结合，得到每个品种（系）的4 个主因子得分值CI(xi)。CI(xi)值越大，说明该品种（系）在这一主因子上的抗旱性越强，反之抗旱性越弱。由表4 可以看出，‘GUC9’、‘GUC17’和‘GUC31’在Chl 和PMP 上抗旱性较强；‘GUC23’和‘GUC24’在RWC 和Pro 上的抗旱性较强；‘GUC19’和‘"ROC"22’在Ph 上的抗旱性较强；‘GUC1’、‘GUC9’和‘GUC33’在MDA 上的抗旱性较强。各CI(xi)值间的相关系数可以反映出一个因子作用性状与其他因子作用性状的间接作用。

表3 各主因子系数及贡献率Table 3 Coefficients of principal factors and contribution rate

表4 19 个甘蔗品种（系）的4 个主因子得分值Table 4 Principal factor scores of nineteen sugarcane cultivars(clones)

2.3 各品种（系）的隶属函数及综合评价值

依据主因子贡献率的大小，可以计算出各主因子的权重（IW）。4 个主因子的权重值不等，主因子1 的权重最大（0.307）；主因子4 的权重最小（0.195）。由于4个主因子在不同甘蔗品种（系）抗旱性评价中的作用不同，因此，在CI(xi)值的基础上利用隶属函数法进行数值转换，得到各品种的隶属函数值U(xi)和综合评价值（Di），根据Di值评价各品种（系）的抗旱性。由表5 可知，19 个甘蔗品种（系）的抗旱性强弱依次为‘GUC31’>‘GUC17’>‘GUC23’>‘GUC9’>‘"ROC"22’>‘GUC21’>‘GUC8’>‘GUC24’>‘GUC25’>‘GUC29’>‘GUC33’>‘GUC13’>‘GUC2’>‘GUC3’>‘GUC10’>‘GUC1’>‘GUC16’>‘GUC19’>‘福农39’。

表5 19 个甘蔗品种（系）的隶属函数值U(xi)和权重(IW)Table 5 U(xi)and IW in nineteen sugarcane cultivars(clones)

2.4 甘蔗不同种质材料抗旱性的聚类及判别分析

聚类分析（图1）在欧式距离5.08 时，将19 个甘蔗品种（系）分为3 类：高抗品种（系）5 个，包括‘GUC23’、‘GUC21’、‘GUC31’、‘GUC17’和‘GUC8’；中抗品种（系）10 个，包括‘"ROC"22’、‘GUC9’、‘GUC19’、‘GUC25’、‘GUC16’、‘GUC10’、‘GUC29’、‘GUC24’、‘GUC3’和‘GUC2’；不抗旱品种（系）4 个，包括‘GUC33’、‘福农39’、‘GUC13’和‘GUC1’。将对甘蔗抗旱性（y）归类有显著影响的6 个抗旱性指标Ph（x1）、RWC（x2）、Chl（x3）、MDA（x4）、PMP（x5）和Pro（x6）数据标准化后作为判别式的变量，进行逐步判别分析，经显著性测验，所有显著指标都入选，建立如下判别函数：

图1 19个甘蔗品种的抗旱性聚类分析图Fig. 1 Cluster map of drought-tolerance in nineteen sugarcane cultivars(clones)

根据判别函数，利用相互验证法对原分类重新判别归类，判别归类的结果在19 个甘蔗品种（系）中没有被误判，所以聚类分析所得的结果是准确的。

3 讨论与结论

植物的抗旱性是由多种因素相互作用而构成的较为复杂的综合性状，其中每一个因素都与抗旱性本质之间存在着一定的联系，植物抵御或适应干旱的途径是多种多样的，依靠一个或几个指标很难全面评价品种间抗旱性的差异[31]。因此，对不同作物做抗旱性评价应该从作物形态、生理和生化等多个指标中筛选出有显著影响的几个主要指标，通过综合评定，减少单一或过多指标的试验误差，结果才更合理、有效[5，32-33]。本试验中的6 个抗旱性指标是从前人研究结果中选取的，结果表明6 个抗旱性指标对甘蔗的抗旱性有显著的影响，并且各指标间都相互显著相关。由于主成分的各因子为综合变量且相互独立，所以用主成分的因子得分作为指标，能够准确地了解各性状的综合表现，同时根据各自贡献率大小可确定其相对重要性。以主成分分析为基础，再结合隶属函数加权法，可比较科学全面地对各品种的抗旱性进行综合评价[34-35]。高三基等[5]和刘杜玲等[36]用主成分分析分别评价甘蔗的抗旱性和早实核桃的抗寒性，结果准确可靠，与实际情况相符。

本试验中MDA、PMP、Ph、Chl、Pro含量和RWC这6 个抗旱性指标对不同甘蔗品种（系）抗旱性综合鉴定的结果可靠性高，通过主成分分析法将单一指标的抗旱系数转化为彼此独立的4 个主因子，4 个主因子可代表甘蔗抗旱性94.12%的原始数据信息量。因此，采用隶属函数法，结合主成分分析得到的甘蔗抗旱性综合评价值（Di），不仅考虑了各个指标的重要性，又考虑到各指标间以及各指标与甘蔗抗旱性间的相互关系，从而准确评价不同甘蔗材料的抗旱性。本研究通过采用抗旱系数、主成分分析、隶属函数、聚类分析和判别分析方法成功评价了19 个不同甘蔗品种（系）的抗旱性，其强弱依次为：‘GUC31’>‘GUC17’>‘GUC23’>‘GUC9’>‘"ROC"22’>‘GUC21’>‘GUC8’>‘GUC24’>‘GUC25’>‘GUC29’>‘GUC33’>‘GUC13’>‘GUC2’>‘GUC3’>‘GUC10’>‘GUC1’>‘GUC16’>‘GUC19’>‘福农39’。通过聚类分析和判别分析，可以将19个甘蔗品种（系）分为9 个高抗、7 个中抗和3 个不抗。综合上述多元统计方法，可以看出‘GUC23’、‘GUC21’、‘GUC31’、‘GUC17’和‘GUC8’抗旱性较强；‘GUC1’、‘GUC16’和‘福农39’抗旱性较差；其他品种的抗旱性一般。在前人的研究中，汪灿等[37-38]、祁旭升等[39]、田春艳等[18]研究表明基于综合评价值（Di）的抗旱性系统聚类结果与各材料的田间实际抗旱表现更接近。因此，本研究参照前人的研究方法采用抗旱系数及综合评价值（Di），进行抗旱性分析，综合考虑了不同指标的重要性，能够准确地评价不同甘蔗品种的抗旱性。

本研究的‘GUC’系列甘蔗是从美国引进，该系列甘蔗品系的选育旨在适应当地旱地种植，所以具有一定的抗旱性，结果表明‘GUC’系列的甘蔗品系抗旱性较强，仅有‘GUC1’和‘GUC16’的抗旱性较敏感。综合评价体系的建立为甘蔗抗旱性品种选育和引种等提供了科学依据。但是本文仅对甘蔗6项抗旱性指标进行了多元化评价，更合理的抗旱性指标体系的构建有待于进一步研究。另外，本文只对甘蔗分蘖期的抗旱性进行评价，为了对甘蔗品种更全面的抗旱性评价，还应对甘蔗生育期的几个关键时期进行综合评价。