基于主成分分析和模糊评价法的苦瓜耐冷性综合鉴定与评价

陈小凤　黄如葵　梁家作　黄熊娟　黄玉辉　陈振东　冯诚诚　刘杏连

摘要：【目的】综合鉴定及评价苦瓜的耐冷性，为苦瓜耐冷性资源筛选提供参考依据。【方法】在低温条件下测定17份苦瓜资源的发芽势、活力指数、冷害指数及花粉萌发率等指标，利用主成分分析和模糊评价法中的隶属函数进行耐冷性排序，结合两种方法的排序结果，进一步采用主成分值、隶属函数值与原始数据进行聚类分析，综合鉴定及评价苦瓜资源的耐冷性。【结果】主成分分析结果显示，活力指数和冷害指数对苦瓜耐冷性具有较高载荷，其系数分别为0.795和0.923，可作为苦瓜耐冷性鉴定的重要指标；结合主成分值、隶属函数值排序，可将供试的17份苦瓜资源耐冷性聚类为高度低温敏感型、中度低温敏感型、低温敏感型、耐冷型、中度耐冷型和高度耐冷型6种类型。【结论】基于主成分分析和模糊评价法建立的苦瓜耐冷性综合鉴定与评价体系适用于苦瓜资源耐冷性鉴定与评价。

关键词： 苦瓜；耐冷性鉴定；主成分分析；模糊评价法

中图分类号： S642.5 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）05-0677-05

Abstract：【Objective】The chilling tolerance of bitter gourd was identified and evaluated， in order to provide references for screening chilling-resistant materials. 【Method】Under low-temperature conditions， the germination potential， seed vigor index， chilling injury index， pollen germination rate of seventeen bitter gourd materials were determined. Then the chilling-tolerances of seventeen bitter gourd materials were ranked based on principal components analysis（PCA） and membership function of fuzzy evaluation method， respectively. According to ranking result of both methods， seventeen bitter gourd materials were clustered to identify and evaluate chilling-tolerance of bitter gourd based on principal component values（PCV）， membership function values（MFV） and original data. 【Result】The principal component analysis showed that， the seed vigor index and chilling injury index for chilling-tolerance of bitter gourd had higher load， with coefficients of 0.795 and 0.923， so they could be used as important indexes for identifying chilling-tolerance of bitter gourd. The chilling-tolerances of seventeen bitter gourd were classified into six types based on membership function value and principal component value. The first type was highly sensitive to low temperature， the second type was moderately sensitive to low temperature， the third type was lowly sensitive to low temperature， the fourth type was chilling-tolerant， the fifth type was moderately chilling-tolerant， the sixth type was highly chilling-tolerant. 【Conclusion】The established identification and evaluation system of bitter gourd based on PCA and fuzzy evaluation method is suitable for evaluating chilling-tolerance of bitter gourd.

Key words： bitter gourd； identification of chilling-tolerance； principal components analysis（PCA）； fuzzy evaluation method

0 引言

【研究意義】苦瓜（Momordica charantia L.）起源于熱带亚热带地区，属喜温蔬菜，气温低于20 ℃发芽缓慢，低于15 ℃花粉萌发受到抑制，低于10 ℃生长发育不良，在14～25 ℃范围内，温度越高越有利于苦瓜生长发育。在广西大多数地方，由于冷空气南下频繁，2～4月常出现连续或断续的低温阴雨天气，导致苦瓜落花落果，甚至造成绝收，严重阻碍苦瓜产业的持续发展。苦瓜春提早栽培从每年的1～2月开始育苗种植，有些地方的产品在4月初即可上市，低温伴随着苦瓜生长的整个发育期，无论哪一个发育阶段遇到冷害，最终都会影响苦瓜的产量和品质。因此，建立可靠而准确的苦瓜耐冷性鉴定和评价体系，筛选耐低温苦瓜资源进行耐冷育种，对从本质上解决苦瓜冷害问题具有重要意义。【前人研究进展】主成分分析、隶属函数及聚类分析等适用于进行多指标综合评价的方法已广泛应用于作物抗寒（洪永聪等，2009；许桂芳等，2009）、耐盐（朱春燕等，2010）、耐旱（孟庆立等，2009；王艺陶等，2014）等耐逆性鉴定及评价。有关苦瓜的耐冷性鉴定与评价研究，黄玉辉等（2008b）研究发现，苦瓜耐冷性鉴定可采用在20 ℃下的发芽指数、苗期冷害指数和田间耐冷性指数等作为指标。在生理指标方面，黄玉辉等（2008a）研究认为可利用10 ℃下苦瓜苗期的丙二醛相对增加量、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性及可溶性糖含量作为鉴定苦瓜耐冷性的指标。陈小凤等（2012）研究认为，15 ℃下的苦瓜花粉萌发率可作为苦瓜耐冷性鉴定指标。以上有关苦瓜耐冷性鉴定的研究多以单一指标对苦瓜资源进行耐冷性鉴定，会因某些指标不稳定而降低鉴定的准确性和可靠性。【本研究切入点】目前，苦瓜耐冷性鉴定具有指标单一和鉴定时期单一等局限性，不能从客观上反映其资源的耐冷性实质，而基于主成分分析和模糊评价法的苦瓜耐冷性综合鉴定与评价研究未见报道。【拟解决的关键问题】在低温条件下测定苦瓜资源发芽势、活力指数、幼苗冷害指数、花粉萌发率等涉及苦瓜芽期、苗期和授粉结果期的指标，采用主成分值、隶属函数值与原始数据一起进行聚类分析，探讨苦瓜耐冷性的综合鉴定与评价方法，以期为苦瓜耐冷性资源筛选提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

17份苦瓜资源（编号分别为MC6、MC14-2、MC20-1、MC21-1、MC22-2、MC25-4、MC28、MC33-1、MC36-1、MC42-2、MC45、MC48、MC75D、MC79、MC86、MC100、MC108）由广西农业科学院蔬菜研究所提供。主要测定仪器有紫外分光光度计（日本岛津）、人工气候箱（杭州托普）、显微镜（德国蔡司）等。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 发芽率和活力指数测定 将供试苦瓜种子用3%漂白水（有效成分为5%次氯酸钠水溶液）浸泡10 min进行消毒，然后用清水冲洗干净，水平置于20 ℃下的发芽盒中，覆上一薄层沙子，第6 d统计发芽势，以露胚根2 mm以上的种子百分数计；此后每天将露胚根的种子点入盒子另一端并覆盖1 cm厚沙子，至第10 d统计发芽率，并测量正常苗的下胚轴长度，计算种子活力指数。种子活力指数=发芽率×下胚轴长度。4次重复，每重复100粒。

1. 2. 2 冷害指数测定 将育苗盘中的4叶1心苦瓜幼苗置于10 ℃培养箱中进行冷害胁迫处理，处理后第10 d进行冷害指数统计。每处理3次重复，每重复15株。冷害指数=∑（各级株数×级数）/总株数×100。冷害指数测定中冷害分级参照于贤昌等（1998）的方法进行判定。冷害指数与植物的耐冷性呈负相关或冷害指数越低表明植株越耐冷。

1. 2. 3 花粉萌发率测定 在大田中取将在第2 d开放的花朵，放入清水中，置于15 ℃培养箱中进行开花散粉，第2 d早上待花粉散粉后按陈小凤等（2012）的方法进行花粉萌发率测定。每份供试资源混合5朵以上花朵的花粉后再进行萌发试验。

1. 3 数据处理

用SPSS 19.0进行主成分分析、相关性分析和聚类分析，其中聚类采用组间联接方法，度量标准为平方欧氏距离，无转换值，并以树状图呈现结果；用DPS 3.01软件进行新复极差方差分析。隶属函数值的计算公式如下：

综合隶属函数值Xi（u）=[■Xij（u）]/n，其中j=1

正向指标隶属函数值Xij（u）=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）

负向指标隶属函数值Xij（u）=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax- Xjmin）

式中，Xij（u）表示第i个资源第j个指标的隶属函数值，Xij表示第i个资源第j个指标的测定值，Xjmin表示第j个指标在试验资源中的最小值，Xjmax表示第j个指标在试验资源中的最大值；Xi（u）表示第j个资源的平均隶属函数值，n表示指标数。

2 结果与分析

2. 1 低温胁迫对不同苦瓜资源耐冷性指标的影响

由表1可知，MC25-4与MC108、MC42-2与MC48的发芽势差异不显著（P>0.05，下同），所有供试苦瓜资源的活力指数间差异不显著，MC28与MC86的冷害指数差异不显著，MC6、MC20-1、MC33-1和MC36-1间、MC28与MC45、MC14-2与MC22-2的花粉萌发率差异不显著，其余供试苦瓜资源的耐冷指标间存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）差异。在耐冷性方面，不同基因型苦瓜有所差异，供试材料的耐冷性在苦瓜资源中具有一定代表性。

由表1还可知，单一利用X1（发芽势）、X2（活力指数）、X3（冷害指数）和X4（花粉萌发率）4个指标分别进行供试材料的耐冷性评价，有的评价结果相差较明显，如材料MC22-2耐冷性排序分别为11、15、4和3，MC25-4的耐冷性排序分别为1、7、13和16，说明利用单一指标进行苦瓜资源耐冷性鉴定与评价存在一定局限性。

2. 2 不同苦瓜资源各生育期耐冷指标的相关性

由表2可知，X1与X2、X2与X3、X3与X4的相关系数均大于0.500，说明X1与X2、X2与X3、X3与X4存在显著相关性，本研究的指标数值适合进行主成分分析。

2. 3 不同苦瓜资源综合耐冷性的主成分分析

由表3可知，主成分1和主成分2的累积贡献率达85.117%，已能描述17份苦瓜资源所有信息的85%左右，按主成分分析方法可知，可由主成分1和主成分2两个新变量代替原来的4个变量。由表4可知，主成分1各指标均有较高载荷，其中活力指数（X2）和冷害指数（X3）为苗生长指标，可定为“苗生长因子”；主成分2载荷较高的指标为发芽势（X1），可定为“萌芽因子”。因此认为，活力指数和冷害指数可作为苦瓜耐冷性鉴定的重要指标。根据表3主成分贡献率和表5主成分向量矩阵（得分矩阵）数据计算，可得出各主成分的计算公式和综合冷害公式。综合冷害公式F=0.570F1+0.280F2，其中第1主成分公式F1=0.400X1+0.530X2+0.610X3+

0.440X4，第2主成分公式F2=0.630X1+0.350X2-0.240X3-

0.660X4。其中，X1～X4为测定值标准化后的数值。

2. 4 以主成分值和综合隶属函数值对苦瓜耐冷性的评价

由表6可知，分别利用主成分值和综合隶属函数值对供试苦瓜资源进行耐冷性评价，结果显示供试苦瓜资源的耐冷性排名大部分相同，少部分仅相差1～2个名次，而各资源在第1主成分和第2主成分中的排名则相差较大。说明同一苦瓜资源在不同生长发育期其耐冷性差异较明显，利用某一时期的耐冷性来鉴定和评价整个生育期的耐冷性存在一定局限性，而利用主成分值和综合隶属函数值对苦瓜耐冷性进行评价效果较佳。

2. 5 不同苦瓜资源综合耐冷性的聚类分析

由图1可以看出，在欧氏距离约3处，可將供试资源分为六大类型，第一类为高度低温敏感型（MC6、MC36-1），第二类为中度低温敏感型（MC21-1、MC75D），第三类为低温敏感型（MC33-1、MC79）；第四类为耐冷型（MC14-2、MC22-2、MC86、MC100）；第五類为中度耐冷型（MC20-1、MC28、MC45、MC25-4），第六类为高度耐冷型（MC42-2、MC48、MC108）。

3 讨论

植物的耐逆性是由多基因控制的数量性状，任何用于进行耐逆性评价的单一指标或单一时期的指标均存在一定局限性，不能准确可靠地评价作物的耐性实质（孙玉宏等，2004），而阻碍育种进程。本研究中在低温条件下选用苦瓜芽期的发芽势和活力指数、苗期的冷害指数、授粉结果期的花粉萌发率，均为相应时期具有代表性的指标，在一定程度上能充分反映该生育期的耐冷性，但结果显示，对不同发育期同一苦瓜资源用单一指标进行耐冷性鉴定评价，评价结果相差较明显，与黄玉辉等（2008a，2008b）的研究结果一致。说明苦瓜不同生长发育期具有不同的耐冷机制，这种耐冷机制间存在一定的相关性，但不足以使不同生育期两两相互代表，因此，孤立地用某一指标或某一时期的指标很难准确反映苦瓜整个生育期的综合耐冷性，需利用综合评价方法对苦瓜耐冷指标进行分析，以提高评价的可信度。

主成分分析及隶属函数和聚类分析等模糊评价方法是利用精确的数字手段处理模糊的评价对象，对蕴藏信息呈模糊性的资料进行比较科学、合理、贴近实际的量化评价，已在植物耐逆性鉴定与评价中广泛应用（齐晓花等，2011；王艺陶等，2014）。本研究利用主成分分析法对苦瓜耐冷指标进行分析，结果表明，活力指数和冷害指数对苦瓜耐冷性有较高载荷，可作为苦瓜耐冷性鉴定的重要指标；利用综合隶属函数值法对供试苦瓜材料进行耐冷性鉴定和评价的结果也具有一定可比性，与董万鹏等（2015）对西番莲抗寒性的鉴定评价结果一致。进一步对主成分分析法与综合隶属函数值法进行比较，结果显示，供试苦瓜资源的耐冷性排名多数相同，少数相差1～2个名次。说明每种评价方法均有优缺点，为消除因评价方法的缺陷对耐冷性评价造成干扰，本研究首次引入主成分值、隶属函数值和原始数据进行聚类分类，建立苦瓜耐冷性综合鉴定与评价体系，具有一定创新性。当然，为使该体系更合理、鉴定结果更可信，还应进一步引入更多合理的指标参与评价，改进和完善评价体系，为苦瓜耐冷育种提供更科学的依据。

4 结论

参试苦瓜资源的发芽势、活力指数、冷害指数及花粉萌发率等耐冷指标存在差异，用单一指标进行其耐冷性鉴定与评价存在一定局限性；活力指数和冷害指数对苦瓜耐冷性具有较高的载荷，可作为苦瓜耐冷性鉴定的重要指标；结合主成分值和隶属函数值排序进行聚类分析的综合评价结果与供试苦瓜资源的实际耐冷性基本一致。因此，本研究建立的苦瓜耐冷性综合鉴定与评价体系适用于苦瓜资源耐冷性鉴定与评价。

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（责任编辑 思利华）