基于主成分、隶属函数和聚类分析的大豆耐盐性综合评价

来源:用户上传      作者:田艺心　曹鹏鹏　高凤菊

　　 摘要：本研究根据不同大豆品种萌发期对盐胁迫的响应，应用主成分分析、模糊隶属函数法及聚类分析对30个大豆品种耐盐性进行综合评价与鉴定。结果表明：各大豆品种萌发期发芽势、发芽率、根长、苗高均受到盐胁迫抑制;根冠比变异系数最大，苗高和根长变异均高于发芽指标变异;发芽势和发芽率盐害率均高于根长和苗高盐害率。通过主成分分析确定了3个主成分，分别反映萌发因子、盐害因子、根部情况，并确定相对根长、相对发芽率、相对发芽势、根冠比盐害率可作为大豆耐盐筛选与评价的重要指标。模糊隶属函数法评价结果与主成分分析结果具有一致性。通过聚类分析把大豆品种分为5个类群，其中冀豆12等3个品种为强耐盐品种;中野2号等11个品种为耐盐品种;鲁豆12等8个品种为中等耐盐品种;蚕丝豆-1等6个品种为盐敏感品种;丹豆2号等2个品种为不耐盐品种。本研究可为选择适宜种植的耐盐大豆品种、增加大豆种植面积、开发利用盐碱地提供理论及技术依据。
　　关键词：大豆;盐胁迫;主成分分析;隶属函数;聚类分析;综合评价
　　中图分类号：S565.103.7 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2020）04-0016-07
　　Abstract According to the response of different soybean varieties to salt stress during germination， the salt tolerance of 30 varieties were evaluated and identified by principal component analysis， fuzzy membership function method and cluster analysis. The results showed that the germination potential， germination rate， root length and seedling height of all soybean varieties were inhibited by salt stress， and the variation coefficient of root-shoot ratio was the highest. The variation of seedling height and root length was higher than that of germination indexes. The salt damage rate of germination potential and germination rate was higher than that of root length and seedling height. Through principal component analysis， three principal components were determined to reflect germination factors， salt damage factors and root conditions， respectively. The salt damage rate of relative root length， relative germination rate， relative germination potential and root-shoot ratio were determined as the important indexes for screening and evaluating salt-tolerant soybean varieties. The evaluation results of fuzzy membership function method were consistent with those of principal component analysis. By cluster analysis， the tested soybean varieties were divided into 5 groups， in which， 3 had strong salt tolerance such as Jidou 12， 11 were salt-tolerant ones such as Zhongye 2， and 8 had medium salt tolerance such as Ludou 12; 6 varieties such as Cansidou-1 were salt sensitive， and 2 ones had no salt tolerance such as Dandou 2. This study could provide theoretical and technical bases for screening salt-tolerant soybean varieties suitable for planting in saline soil， increasing soybean planting area and developing and utilizing saline-alkali lands.
　　Keywords Soybean; Salt stress; Principal component analysis; Membership function; Cluster analysis; Comprehensive evaluation
　　
　　 大豆富含蛋白质和脂肪，是世界上重要的粮食和油料作物，在我国乃至世界上占有极其重要的地位[1]。2016年，我国提出进行农业供给侧结构性改革，2017年明确要求增加优质食用大豆、薯类、杂粮杂豆种植面积。2019年我国大豆种植面积预计可达870×104 hm2，总产量1 600×104 t。但我国大豆总需求量在1.0×108 t以上[2]，国内产量远远不能自给自足，进口大豆仍是主力，因此迫切需要增加国内大豆种植面积和产量，减少国际依赖性。而一方面我国耕地资源有限，大豆种植面积难以扩展;另一方面，我国盐碱地面积已达9 913×104 hm2，并且因施肥和灌溉不当，次生盐渍化耕地面积还在不断增加[3]。这种情况迫切需要进行耐盐碱大豆品種的培育和筛选，以间接增加种植面积，有效开发利用盐渍土地，促进我国农业可持续发展。 　　有研究[4，5]指出，种子萌发阶段是作物能否在盐碱胁迫下完成生育周期最为关键的时期，直接影响作物后期生长发育，因此筛选萌发期耐盐碱性强的品种是应对盐碱害的重要方法之一。先前大豆耐盐性评价指标或品种筛选方法比较单一，多集中在依靠发芽率或者盐害指数进行耐盐等级的评定[6-9]，尚未能综合考虑不同鉴定方法和品种之间所存在的差异。植物的抗盐碱性是由多种基因控制的[10]，这些基因相互作用形成复杂的综合性状，所以用单一指标研究植物的抗盐碱性具有局限性，难以准确全面地评价植物抗盐碱性。目前，对植物综合性状评价的方法主要有主成分分析法[11，12]、模糊隶属函数法[13，14]、聚类分析[15，16]等。张智峰等[17]利用主成分分析已对荞麦成分和产地溯源的相关性进行过分析;张亚飞等[18]利用主成分分析已对不同葡萄品种最佳采收期进行过筛选及鉴定;魏秀俭等[19]运用模糊隶属函数法已对22个玉米自交系的耐旱性进行过综合分析;朱丽伟等[20]运用模糊隶属函数法已对12个苦荞品种进行过种子质量综合评价;闫晶秋子等[21]运用主成分分析及模糊隶属函数法已对巨菌草幼苗耐盐碱性进行过综合鉴定与评价;张梦等[22]运用主成分分析和聚类分析亦对百合花瓣品质进行过综合分析与评价。目前有关综合运用上述方法对大豆耐盐性进行鉴定筛选的研究报道较少，为此本研究采用主成分分析、模糊隶属函数法及聚类分析对30个大豆品种耐盐性进行综合评价及鉴定筛选，旨在多角度分析和评价大豆耐盐性，明确多种方法评价的相关性及统一性，选出耐盐大豆品种，为今后大豆及其它作物抗逆性品种选育提供理论基础。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　供试30个大豆品种，分别来自中国农业科学院、西北农林科技大学及山东、河北、河南、陕西、山西、辽宁、新疆等省区农业科学院。品种名称、来源及编号见表1。
　　
　　1.2 试验设计
　　试验于2018年在德州市农业科学研究院进行。采用RXZ-1000B人工光照培养箱对供试大豆品种进行培养。每品种精选大小一致、种皮完整、籽粒饱满种子，用5% NaClO溶液消毒5 min，自来水冲洗3次，去离子水冲洗3次，再用灭菌滤水纸吸干，之后置于放有三层水吸湿滤纸的发芽盒（长18 cm，宽12 cm）中。每个处理30粒，重复3次。
　　为确定大豆品种芽期最适筛选盐浓度，采用0（CK）、50、100、150、200 mmol/L NaCl溶液分别对冀豆12、中野1号、铁丰29、晋遗30、鲁豆12、豫豆28、陕豆125、中黄13、蚕丝豆-1、丹豆2号共10个品种进行预处理试验，通过测定其发芽势、发芽率、根长、苗高等生长指标，显示150 mmol/L NaCl盐溶液胁迫下品种间各生长指标差异最明显，因而将该浓度选为筛选盐浓度。
　　人工光照培养箱设置：相对湿度60%，恒温20℃，昼夜时长12h/12h，光照强度12 000 lx。
　　1.3 指标测定及方法
　　每天统计发芽数。每隔一天用称重补水法补充蒸发的水分。试验第4天和第8天统计种子发芽势和发芽率，并在统计发芽率当天，每个发芽盒取5株幼苗测量根长、苗高，求平均值。发芽标准：胚根伸出种脐部分长度超过种子纵径1/2。
　　发芽势（%）=第4天发芽种子数/供试种子数×100 ;
　　发芽率（%）=第8天发芽种子数/供试种子数×100 ;
　　各指标相对值（%）=各指标值/对照值×100 ;
　　各指标盐害率（%）=（对照各指标值-胁迫下各指标值）/对照各指标值×100 。
　　1.4 数据处理与分析
　　用Microsoft Excel 2010进行数据整理并计算各处理性状的平均值，SPSS 19.0软件进行方差分析、相关性分析、聚类分析及作图等。
　　2 结果与分析
　　2.1 盐胁迫对不同大豆品种萌发的影响
　　为消除供试材料本身存在差异，本研究采用各指标的相对值来反映萌发期不同大豆品种的耐盐性。从表2中可以看出，除根冠比外，盐胁迫下不同大豆品种的发芽势、发芽率、根长、苗高相比对照均有所降低，且降幅不同。发芽势相对值的变化范围为29.79%～84.00%，变异系数为24.14%;发芽率相对值的变化范围为31.69%～83.82%，变异系数为22.16%;根长相对值的变化范围为22.28%～90.61%，变异系数为34.58%;苗高相对值的变化范围为18.01%～88.00%，变异系数为36.33%;根冠比相对值的变化范围为38.48%～367.42%，变异系数为68.01%。
　　另外，盐胁迫下不同大豆品种各性状盐害率的变化幅度也均有差异。发芽势盐害率的变化范围为16.00%～70.21%，变异系数为46.61%;发芽率盐害率的变化范围为16.18%～68.31%，变异系数为45.32%;根长盐害率的变化范围为9.39%～77.72%，变异系数为45.28%;苗高盐害率的变化范围为12.00%～81.99%，变异系数为44.94%;根冠比盐害率的变化范围为-267.42%～61.52%，变异系数为-333.97%。
　　2.2 大豆品种耐盐性的主成分分析
　　主成分分析是将多个变量进行降维处理，将大量数据中的信息囊括在几个潜在因子中进行数据分析的一种综合评价方法。对大豆各品种所有指标相对值及盐害率进行主成分分析，各主成分特征值及贡献率如表3所示。前3个主成分的贡献率分别为44.12%、34.52%和19.66%，其累计贡献率为98.30%，可代表绝大部分数据信息，能有效反映数据的变化趋势，符合主成分的分析要求。第Ⅰ主成分特征根λ1=4.412，对总遗传贡献率最大，达到44.12%，与相对发芽势、相对发芽率、相对根冠比呈较大相关性，其中与相对发芽率、相对发芽势的相关系数较大，分别为0.757、0.754，可综合为萌发因子;第Ⅱ主成分特征根λ2=3.452，对总遗传贡献率达到34.52%，与根冠比盐害率相关性最大，相关系数为0.722，可综合为盐害因子;第Ⅲ主成分特征根λ3=1.966，对总遗传贡献率为19.66%，相关性最大的为相对根长，相关系数为0.804，可综合为根部因子。由于这3个主成分反映了原来10个单项耐盐参数98.30%的信息，因此相对根长、相對发芽率、相对发芽势、根冠比盐害率这4个指标均可作为大豆耐盐筛选与评价的重要指标。 　　
　　用SPSS 19.0软件综合处理可得大豆各品种综合评价得分值。由表4可知，耐盐性较好、排名前5的品种为冀豆12、新大豆1号、秦豆8号、铁丰29、中野2号，蚕丝豆-1、蚕丝豆-2、辽豆14、丹豆2号耐盐性较差，其它品种耐盐性居中。
　　2.3 盐胁迫下大豆品种的模糊隶属函数耐盐性评价
　　采用模糊数学隶属函数法对大豆品种盐胁迫耐受性进行综合评价。模糊隶属函数的计算公式：X=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），式中X表示某一项评价指标的测定值，Xmin、Xmax为所有参试材料某一指标的最小值和最大值;如果某一指标与抗性指标呈负相关，可通过反隶属函数计算，计算公式为：X=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。计算隶属函数值平均值并作为耐盐性评价指标，值越大，表明该品种的耐盐性越强。从表5中可以看出，耐盐性较强、排名前十的品种分别为新大豆1号、冀豆12、中野2号、晋豆23、猫眼豆、中黄30、秦豆8号、铁丰29、青豆、烟黄3号，蚕丝豆-1、辽豆14、蚕丝豆-2、丹豆2号耐盐性较差，其它品种耐盐性居中。
　　2.4 不同大豆品种耐盐性综合评价
　　对主成分分析和模糊隶属函数两种评价方法进行相互验证，结果（图1）可知，主成分分析得分值和模糊隶属函数值之间达显著正相关（R2=0.845），因此两方法对大豆耐盐性评价均具有可行性。通过主成分分析值和模糊隶属函数值可获得综合得分值及其排序（表6）。对综合得分值进行聚类分析，可将30个大豆品种划分为5个类群（图2）。第Ⅰ类群包括3个品种：新大豆1号、冀豆12、秦豆8号，该类群耐盐综合得分均较高，属于强耐盐品种;第Ⅱ类群包括11个品种：中野2号、铁丰29、晋豆23、绿黄豆、青豆、锦豆33、烟黄3号、中野1号、晋遗30、猫眼豆、陕豆125，该类类群耐盐综合得分仅次于第Ⅰ类群，属于耐盐品种;第Ⅲ类群包括8个品种：鲁豆12、中黄30、黑豆-2、褐黑豆、豫豆28、沧豆5号、黑豆-1、鲁宁1号，该类群耐盐综合得分居中，属于中等耐盐品种;第Ⅳ类群包括6个品种：蚕丝豆-1、中黄27、蚕丝豆-2、中黄13、鲁豆2号、小白脐，该类品种耐盐综合得分较低，属于盐敏感品种;第Ⅴ类群包括2个品种：辽豆14、丹豆2号，该类品种耐盐综合得分最低，属于不耐盐品种。
　　3 讨论
　　3.1 盐胁迫下不同大豆品种耐盐性状指标差异
　　大豆属于中度耐盐碱作物，在土壤盐碱度超过5 dS/m时，会导致严重减产[23]。作为世界重要的油料作物和经济作物，开展大豆耐盐性研究对大豆市场及盐碱地开发利用均具有重要意义。本研究对30个大豆品种萌发期的耐盐性进行鉴定，结果表明，除根冠比外，大豆发芽势、发芽率、根长、苗高均受到盐胁迫抑制，且不同品种各性状相对值变异系数表现为根冠比（68.01%）>苗高（36.33%）>根长（34.58%）>发芽势（24.14%）>发芽率（22.16%），说明根冠比变异系数最大，且苗高和根长的相对值变异均高于发芽指标相对值变异。另外，除根冠比盐害率外，不同大豆品种盐害率表现为发芽势（46.61%）>发芽率[JP]（45.32%）>根长（45.28%）>苗高（44.94%），表明盐胁迫对发芽指标影响更大，这与张军起[24]、蒲艳艳[25]等的研究结果相一致。
　　3.2 盐胁迫下不同大豆品种耐盐性状的主成分分析
　　主成分分析是通过降维将原来多个指标转化为较少且彼此独立的新综合指标的统计方法，在不同作物多性状综合评价上已均有广泛应用。高春华等[27]利用主成分分析将高粱耐盐性鉴定指标分为根部生长因子、萌发和地上部生长因子;赵鹏涛等[28]通过主成分分析，将小麦主要品质性状综合为沉降因子、面团因子和容重因子;张春兰等[29]通过主成分分析将叶面积、根长和丙二醛含量作为大豆耐盐品种筛选的主要指标。本研究主成分分析表明，大豆萌发期耐盐鉴定指标可综合为3个主成分，其中第Ⅰ主成分对总遗传贡献率最大，达到44.12%，与相对发芽率、相对发芽势相关系数较大，可综合为萌发因子;第Ⅱ主成分对总遗传贡献率达到34.52%，与根冠比盐害率相关性最大，可综合为盐害因子;第Ⅲ主成分对总遗传贡献率为19.66%，相关性最大的为相对根长，可综合为根部因子。由于这3个主成分反映了原来10个单项耐盐参数98.30%的信息，因此相对根长、相对发芽率、相对发芽势、根冠比盐害率这4个指标均可作为大豆耐盐筛选与评价的重要指标。
　　3.3 盐胁迫下大豆耐盐性综合评价及聚类分析
　　模糊隶属函数法是一种在多指标测定基础上对材料进行综合评价的方法，在玉米[30]、苜蓿[31]、荞麦[32]、辣椒[33]等多种作物抗逆性研究上均有所应用。本研究结果表明，采用模糊隶属函数法对不同大豆品种耐盐性综合评价的结果与主成分分析结果具有一致性，两者之间呈显著正相关（R2=0.845），因此这两种方法对大豆耐盐性评价均具有可行性和统一性。通过综合得分值进行聚类分析，大豆品种可分为5个类群，其中第Ⅰ类群包括3个品种，属于强耐盐品种;第Ⅱ类群包括11个品种，属于耐盐品种;第Ⅲ类群包括8个品种，属于中等耐盐品种;第Ⅳ类群包括6个品种，属于盐敏感品种;第Ⅴ类群包括2個品种，属于不耐盐品种。其中，新大豆1号、冀豆12、秦豆8号耐盐性较好，可用于深入研究大豆耐盐机制及盐碱地的开发利用。
　　4 结论
　　本研究结果表明，30个大豆品种萌发期发芽势、发芽率、根长、苗高均受到盐胁迫抑制;根冠比变异系数最大，且苗高和根长的相对值变异均高于发芽指标相对值变异;不同大豆品种发芽势和发芽率盐害率均高于根长和苗高盐害率，表明盐胁迫对发芽指标影响更大。主成分分析表明，大豆萌发期耐盐鉴定指标可综合为3个主成分，其中第Ⅰ主成分为萌发因子，第Ⅱ主成分为盐害因子，第Ⅲ主成分为根部因子，这3个主成分反映了耐盐参数98.30%的信息，因此相对根长、相对发芽率、相对发芽势、根冠比盐害率这4个指标均可作为大豆耐盐筛选与评价的重要指标。模糊隶属函数法对不同大豆品种耐盐性综合评价的结果与主成分分析结果具有一致性。通过聚类分析，大豆品种可分为5个类群，其中冀豆12等3个品种为强耐盐品种;中野2号等11个品种为耐盐品种;鲁豆12等8个品种为中等耐盐品种;蚕丝豆-1等[JP]6个品种为盐敏感品种;丹豆2号等2个品种为不耐盐品种。 　　参 考 文 献：
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