基于主成分分析的油菜幼苗鋁毒機(jī)制研究

崔雪梅，郭海如，李春生，簡君萌

(1.湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 孝感 432000; 2.湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

基于主成分分析的油菜幼苗鋁毒機(jī)制研究

崔雪梅1，郭海如2*，李春生1，簡君萌1

(1.湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 孝感 432000; 2.湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

為探究油菜幼苗對Al3+的耐受性及生理響應(yīng)機(jī)制，設(shè)置7個(gè)Al3+濃度試液，用水培法處理生長2周的油菜幼苗，脅迫1周后測定油菜的株高、根長的變化量，根系活力，根系氧化力，以及可溶性糖、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、游離脯氨酸、H2O2含量共10項(xiàng)指標(biāo)，并進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，對照(Al3+濃度為0 μmol/L)各項(xiàng)生理指標(biāo)表現(xiàn)最好，隨著Al3+濃度的增加，各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)越來越差；Al3+脅迫對葉綠素a、總?cè)~綠素含量和根長的影響最大,其次是根系活力、葉綠素b含量和根系氧化力。說明鋁脅迫首先降低了油菜幼苗的光能利用率，抑制根系生長，同時(shí)根系活力及氧化力下降，從而影響植株對水分及養(yǎng)分的吸收。

油菜幼苗； 主成分分析； 鋁脅迫； 根系

由于施用生理酸性肥料及大氣酸沉降等原因，土壤酸化呈加重趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，酸性土壤占我國可耕地的40%以上[1]。在酸性土壤中，原固定于晶格中的Al可逐漸解離。以離子形態(tài)(Al3+)釋放出來，危害作物生長，鋁毒害是酸性土壤上限制植物生長的主要因素[2-3]。我國油菜種植面積及產(chǎn)量均為世界第一，菜籽油是國產(chǎn)食用植物油的第一大來源[3-4]，在我國食用油市場中具有非常重要的地位[5]。油菜對鋁響應(yīng)比較敏感，鋁毒害問題較為嚴(yán)重[6]。目前，國內(nèi)外對植物鋁毒害和耐鋁機(jī)制方面的研究已取得了較大進(jìn)展，但有關(guān)鋁脅迫對油菜生理生化指標(biāo)的影響研究較少。鑒于此，本試驗(yàn)通過砂土培養(yǎng)油菜壯苗至2～3片真葉進(jìn)行水培鋁脅迫試驗(yàn)，測定了鋁脅迫后油菜幼苗根長、株高的變化量，根系活力，根系氧化力，以及葉片中葉綠素、可溶性糖、H2O2、游離脯氨酸含量等10項(xiàng)指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析法研究油菜幼苗對鋁毒的響應(yīng)機(jī)制，以期為進(jìn)一步研究油菜對鋁脅迫的抗性及油菜豐產(chǎn)提供一定的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2015年1—5月在湖北工程學(xué)院生科樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試油菜品種為陽光2009，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所選育。2010—2011年參加長江中游油菜品種區(qū)域試驗(yàn)，平均產(chǎn)量2 866.5 kg/hm2,該品種抗倒伏性強(qiáng)，經(jīng)農(nóng)業(yè)部油料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心檢測，平均芥酸含量0.25%，含油量43.98%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將供試種子用次氯酸鈉消毒處理，浸泡后選取沉入下方的飽滿種子，用去離子水浸泡24 h。待種子充分吸脹后移至培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿中墊2層濕潤吸水紙。置25 ℃恒溫的SPX-250BSH-Ⅱ生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，期間每天向培養(yǎng)皿中添加適量的等量蒸餾水，3 d后種子露白。將幼苗移植到砂土中繼續(xù)培養(yǎng)，待幼苗長出2～3片真葉后向沙土中加入適量的1/2霍格蘭營養(yǎng)液[7]，每天2次，2周后將長勢相同的粗壯幼苗移植到玻璃器皿中，將幼苗用帶孔泡沫固定，加入完全營養(yǎng)液，總共21個(gè)器皿。移苗后1周進(jìn)行鋁處理，用AlCl3配制0(CK)、50、75、100、125、150、200 μmol/L 7個(gè)Al3+濃度試液。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每天通氣15 min。每3 d更換一次營養(yǎng)液，脅迫1周后測定油菜幼苗的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

使用刻度尺測量脅迫前、后各處理幼苗的根長和株高，用脅迫1周后的株高、根長測定值減去脅迫前的測定值，即得到根長、株高的變化量，每組處理重復(fù)3次，取平均值；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用分光光度法測定葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和總?cè)~綠素(Chlt)含量；采用硫酸鈦分光光度法測定H2O2含量；采用酸性茚三酮顯色法測定游離脯氨酸含量；采用TTC分光光度法測定根系活力，脫氫酶在中性反應(yīng)條件下可將TTC還原為紅色TPF(三苯基甲月替)，求出每克鮮根所生成的TPF含量，可以判斷根系活力；采用α-萘胺法測定根系氧化力，α-萘胺氧化能力與根系呼吸強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，因此用α-萘胺氧化量判斷根系氧化能力[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，在MATLAB環(huán)境下采用主成分分析法[9]處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁脅迫處理對油菜幼苗生理指標(biāo)的影響

由表1可見，隨著Al3+濃度的增加，油菜根長及株高變化量，Chla、Chlb、Chlt、TPF含量，以及α-萘胺氧化量整體呈降低的趨勢?？梢?，鋁脅迫抑制了油菜根系、株高的生長；葉綠素含量降低說明鋁毒使油菜光合利用率降低，而鄭陽霞等[10]的鋁脅迫對西瓜葉綠素含量的影響表現(xiàn)為先促后抑；TPF含量降低說明鋁脅迫下油菜幼苗的根系活力均下降，且鋁脅迫濃度越大，對根系的影響越明顯；α-萘胺氧化量降低則說明鋁脅迫使油菜幼苗根系的氧化力降低，且降幅隨鋁脅迫濃度的增加而增大，根系氧化力下降會(huì)影響根系對水分和鹽分的吸收，也會(huì)影響根部物質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響整個(gè)植株的生長。相反， 隨著Al3+濃度的增加，可溶性糖、脯氨酸含量增加，說明Al3+可以損壞葉片的輸導(dǎo)組織，從而影響葉片中有機(jī)物的運(yùn)輸，使得可溶性糖在幼苗葉片中積累。植物葉片中脯氨酸含量的高低通常作為植物受到脅迫的一種信號(hào)。隨著Al3+濃度的增加,H2O2含量先增加后降低，Al3+濃度為100 μmol/L時(shí)達(dá)到最大值。

表1 鋁脅迫后油菜幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)

2.2 主成分分析Al3+脅迫下油菜生理指標(biāo)的變化

在MATLAB環(huán)境下編寫程序[11]，采用zscore()對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并且采用corrcoef()函數(shù)求出標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)矩陣，相關(guān)系數(shù)矩陣如表2所示。從表2可以看出，在鋁毒影響下各指標(biāo)之間相關(guān)性各不相同，其中第1組指標(biāo)：根長變化量(x1)、Chla含量(x4)、Chlb含量 (x5)、Chlt含量(x6)、TPF含量(x9)、α-萘胺氧化量(x10)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性；第2組指標(biāo)：可溶性糖含量(x3)與脯氨酸含量(x8)之間相關(guān)性也很強(qiáng)；而第1組指標(biāo)與第2組指標(biāo)具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。株高變化量(x2)與H2O2含量(x7)的相關(guān)性以及二者與其他指標(biāo)相關(guān)性都較弱。

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣

注：x1、x2分別代表根長、株高變化量，x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分別代表可溶性糖、Chla、Chlb、Chlt、H2O2、脯氨酸、TPF的含量，x10代表α-萘胺氧化量。

采用pcacov()函數(shù)計(jì)算表2相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表3所示。前3個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到98.91%，濃縮了源數(shù)據(jù)的大部分信息，因此提取前3個(gè)成分作為分析不同鹽濃度下各指標(biāo)的特征。

表3 各成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

前3個(gè)特征根對應(yīng)的特征向量如表4所示，第1主成分主要反映根長變化量，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、TPF含量及α-萘胺氧化量的影響；第2主成分主要反映H2O2含量的影響，第3主成分主要反映株高變化量的影響。分別以3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建主成分綜合模型表達(dá)式如下：Z=0.825 186 728y1+0.100 786 022 5y2+0.063 136 648 3y3，式中，Z表示主成分評價(jià)模型表達(dá)式，y1、y2、y3分別表示第1、第2、第3主成分表達(dá)式。

表4 3個(gè)主成分對應(yīng)的特征向量

把不同鋁濃度處理下的3個(gè)主成分值代入上式，以各自的貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，求出不同鋁濃度處理下各指標(biāo)的綜合排名(表5)。從表5可以看出，對照各項(xiàng)指標(biāo)比較好，隨著鋁處理濃度的增加，各項(xiàng)指標(biāo)逐漸變差。

表5 不同鋁濃度處理各指標(biāo)綜合排名

最后，進(jìn)一步計(jì)算各指標(biāo)在主成分中的權(quán)重，并對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行排序，用以分析不同鋁濃度處理對各指標(biāo)的影響程度。各指標(biāo)在主成分中的權(quán)重及排序如表6所示，從表6可以看出，不同鋁濃度對Chla含量、Chlt含量和根長變化量影響最大；其次是TPF含量、Chlb含量和α-萘胺氧化量，對可溶性糖、脯氨酸含量影響最小。

表6 各指標(biāo)權(quán)重及排序

3 小結(jié)與討論

植物對鋁脅迫的響應(yīng)因植物種類及品種不同有很大差異，本試驗(yàn)選用了產(chǎn)量和品質(zhì)較好的油菜品種陽光2009。研究結(jié)果表明，隨著Al3+濃度的增加，油菜根長及株高變化量，Chla、Chlb、Chlt、TPF含量以及α-萘胺氧化量整體呈逐步降低的趨勢，表明陽光2009對鋁脅迫比較敏感。蔣桂芳[12]在研究鋁脅迫對蠶豆幼苗影響時(shí)也得出，隨著鋁質(zhì)量濃度的升高,蠶豆生長受阻,根系活力及葉綠素含量下降，與本研究結(jié)果一致。逆境脅迫下，植物大都會(huì)受到不同程度的損害，同時(shí)，植物也會(huì)通過本身的代謝變化，如可溶性糖、脯氨酸等含量的增加來適應(yīng)逆境脅迫。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Al3+濃度的增加，油菜幼苗可溶性糖、脯氨酸含量逐步增加。植物在逆境脅迫下，由于體內(nèi)活性氧代謝加強(qiáng)而使H2O2累積，H2O2可以直接或間接地氧化細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子，并使細(xì)胞膜受到損害，加速了細(xì)胞的衰老和解體。本試驗(yàn)結(jié)果表明，H2O2含量隨著Al3+濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。當(dāng)Al3+濃度大于100 μmol/L后，H2O2含量開始下降，但仍高于CK處理。

主成分分析7個(gè)Al3+濃度處理油菜幼苗各指標(biāo)的綜合排名，結(jié)果表明，對照各項(xiàng)生理指標(biāo)最理想，排名第1。隨著Al3+濃度的增加，各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)越來越差。這基本上與陳振等[13]、徐芬芬等[2]對狗牙根、花生等植物鋁脅迫試驗(yàn)的結(jié)果一致。主成分分析鋁脅迫對油菜幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，Al3+對Chla、Chlt含量以及根長變化量的影響最大，其次是TPF、Chlb含量以及α-萘胺氧化量，而對可溶性糖、脯氨酸含量的影響最小。說明鋁脅迫首先降低了油菜幼苗的光能利用率，抑制根系生長，同時(shí)使根系活力及氧化力下降，從而影響植株對水分及養(yǎng)分的吸收。

Al3+對植物的影響反映在多種生理指標(biāo)上。楊衛(wèi)韻等[14]研究植物鋁毒機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，首先觀察到的鋁毒表現(xiàn)是根系生長受到抑制，而本研究在主成分分析下也得出，在各項(xiàng)生理指標(biāo)中,葉綠素含量和根長受到Al3+脅迫的影響最大。

[1] 楊列耿,楊曙,張永先,等.鋁離子脅迫下大豆根尖檸檬酸的分泌及SGA1基因的表達(dá)[J].作物學(xué)報(bào),2015,41(4):666-670.

[2] 徐芬芬,程詩雨,田玉清.鋁脅迫對花生根系生長和生理特性的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,43(9):52-55.

[3] 姜浩明.雙低油菜生長特性及高產(chǎn)栽培技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2015(15):28-29.

[4] 咸拴獅,杜春芳,范建春,等.近年來我國冬油菜區(qū)試品種主要性狀演變分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(9):1084-1088.

[5] 張瑛,丁廣大,蔡紅梅,等.不同栽培方式對油菜根系形態(tài)構(gòu)型和產(chǎn)量的影響[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(4):25-32.

[6] 劉強(qiáng),李曉紅,李蘊(yùn),等.鋁脅迫對油菜葉片光合特性的影響[J].井岡山學(xué)院學(xué)報(bào),2008,29(1):14-15,54.

[7] 李合生,孫群,趙世杰.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[8] 張志良,瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

[9] 張亞,楊亞麗,沈濤,等.云南省食用薯蕷中無機(jī)元素含量主成分分析與聚類分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,54(6):1399-1403.

[10] 鄭陽霞,賈松濤,趙英鵬,等.鋁脅迫對西瓜幼苗光合及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慬J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2015,30(4):150-156.

[11] 袁小慶,李奇峰,李琳,等.基于主成分分析法的農(nóng)業(yè)信息化評價(jià)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(3):398-402.

[12] 蔣桂芳.鋁脅迫對蠶豆幼苗生理的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(1):21-24.

[13] 陳振,黃春瓊,劉國道.狗牙根對鋁脅迫響應(yīng)及臨界濃度的研究[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2015,36(4):645-649.

[14] 楊衛(wèi)韻,周春,胡蕾.植物鋁毒及耐鋁毒機(jī)制研究進(jìn)展[J].金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,2(3):29-31.

Study on Aluminum Poisonous Mechanism for Rape Seedling Based on Principal Component Analysis

CUI Xuemei1,GUO Hairu2*,LI Chunsheng1,JIAN Junmeng1

(1.School of Life Science and Technology,Hubei Engineering University/Hubei Key Laboratory of Quality Control of Characteristic Fruits and Vegetables,Xiaogan 432000,China; 2.School of Computer and Information Science,Hubei Engineering University,Xiaogan 432000,China)

To explore the tolerance and physiological response of rape seedling to Al3+,we set testing solution of seven Al3+densities,and processed two week-long rape seedlings by water treatment.After one week we measured the ten indicators:plant height,root length,root activity,root oxidizing ability,soluble sugar,chlorophyll a(Chla),chlorophyll b(Chlb),total chlorophyll(Chlt),proline and H2O2content,and used principal components analysis.Results showed as followed:each physiological indicator was best when the density of Al3+was 0 μmol/L;the indicators got worse with the increase of Al3+concentration; the influence of Al3+on Chla,Chlt and root length was biggest,and next was the influence on root activity,Chlb and root oxidizing ability.It indicates that aluminum stress reduces the utilization of solar energy,inhibits the root growth,and reduces the root activity and root oxidizing ability,thereby affecting the plant’s absorption of water and nutrients.

rape seedling; principal components analysis; aluminum stress; root system

2015-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71473072); 湖北省中青年人才項(xiàng)目(Q20152702)

崔雪梅(1979-)，女，云南宣威人，副教授，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境及智能預(yù)測等研究。 E-mail:swaucxm@126.com

*通訊作者：郭海如(1978-)，男，湖北武穴人，副教授，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境信息處理。E-mail：hbeughr@126.com

S565.4

A

1004-3268(2016)05-0052-04