田藝心　曹鵬鵬　高鳳菊

摘要：本研究根據(jù)不同大豆品種萌發(fā)期對鹽脅迫的響應(yīng)，應(yīng)用主成分分析、模糊隸屬函數(shù)法及聚類分析對30個(gè)大豆品種耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)與鑒定。結(jié)果表明：各大豆品種萌發(fā)期發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、苗高均受到鹽脅迫抑制;根冠比變異系數(shù)最大，苗高和根長變異均高于發(fā)芽指標(biāo)變異;發(fā)芽勢和發(fā)芽率鹽害率均高于根長和苗高鹽害率。通過主成分分析確定了3個(gè)主成分，分別反映萌發(fā)因子、鹽害因子、根部情況，并確定相對根長、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、根冠比鹽害率可作為大豆耐鹽篩選與評價(jià)的重要指標(biāo)。模糊隸屬函數(shù)法評價(jià)結(jié)果與主成分分析結(jié)果具有一致性。通過聚類分析把大豆品種分為5個(gè)類群，其中冀豆12等3個(gè)品種為強(qiáng)耐鹽品種;中野2號等11個(gè)品種為耐鹽品種;魯豆12等8個(gè)品種為中等耐鹽品種;蠶絲豆-1等6個(gè)品種為鹽敏感品種;丹豆2號等2個(gè)品種為不耐鹽品種。本研究可為選擇適宜種植的耐鹽大豆品種、增加大豆種植面積、開發(fā)利用鹽堿地提供理論及技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大豆;鹽脅迫;主成分分析;隸屬函數(shù);聚類分析;綜合評價(jià)

中圖分類號：S565.103.7文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：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

大豆富含蛋白質(zhì)和脂肪，是世界上重要的糧食和油料作物，在我國乃至世界上占有極其重要的地位[1]。2016年，我國提出進(jìn)行農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，2017年明確要求增加優(yōu)質(zhì)食用大豆、薯類、雜糧雜豆種植面積。2019年我國大豆種植面積預(yù)計(jì)可達(dá)870×104?hm2，總產(chǎn)量1 600×104?t。但我國大豆總需求量在1.0×108?t以上[2]，國內(nèi)產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能自給自足，進(jìn)口大豆仍是主力，因此迫切需要增加國內(nèi)大豆種植面積和產(chǎn)量，減少國際依賴性。而一方面我國耕地資源有限，大豆種植面積難以擴(kuò)展;另一方面，我國鹽堿地面積已達(dá)9 913×104?hm2，并且因施肥和灌溉不當(dāng)，次生鹽漬化耕地面積還在不斷增加[3]。這種情況迫切需要進(jìn)行耐鹽堿大豆品種的培育和篩選，以間接增加種植面積，有效開發(fā)利用鹽漬土地，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

有研究[4，5]指出，種子萌發(fā)階段是作物能否在鹽堿脅迫下完成生育周期最為關(guān)鍵的時(shí)期，直接影響作物后期生長發(fā)育，因此篩選萌發(fā)期耐鹽堿性強(qiáng)的品種是應(yīng)對鹽堿害的重要方法之一。先前大豆耐鹽性評價(jià)指標(biāo)或品種篩選方法比較單一，多集中在依靠發(fā)芽率或者鹽害指數(shù)進(jìn)行耐鹽等級的評定[6-9]，尚未能綜合考慮不同鑒定方法和品種之間所存在的差異。植物的抗鹽堿性是由多種基因控制的[10]，這些基因相互作用形成復(fù)雜的綜合性狀，所以用單一指標(biāo)研究植物的抗鹽堿性具有局限性，難以準(zhǔn)確全面地評價(jià)植物抗鹽堿性。目前，對植物綜合性狀評價(jià)的方法主要有主成分分析法[11，12]、模糊隸屬函數(shù)法[13，14]、聚類分析[15，16]等。張智峰等[17]利用主成分分析已對蕎麥成分和產(chǎn)地溯源的相關(guān)性進(jìn)行過分析;張亞飛等[18]利用主成分分析已對不同葡萄品種最佳采收期進(jìn)行過篩選及鑒定;魏秀儉等[19]運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法已對22個(gè)玉米自交系的耐旱性進(jìn)行過綜合分析;朱麗偉等[20]運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法已對12個(gè)苦蕎品種進(jìn)行過種子質(zhì)量綜合評價(jià);閆晶秋子等[21]運(yùn)用主成分分析及模糊隸屬函數(shù)法已對巨菌草幼苗耐鹽堿性進(jìn)行過綜合鑒定與評價(jià);張夢等[22]運(yùn)用主成分分析和聚類分析亦對百合花瓣品質(zhì)進(jìn)行過綜合分析與評價(jià)。目前有關(guān)綜合運(yùn)用上述方法對大豆耐鹽性進(jìn)行鑒定篩選的研究報(bào)道較少，為此本研究采用主成分分析、模糊隸屬函數(shù)法及聚類分析對30個(gè)大豆品種耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)及鑒定篩選，旨在多角度分析和評價(jià)大豆耐鹽性，明確多種方法評價(jià)的相關(guān)性及統(tǒng)一性，選出耐鹽大豆品種，為今后大豆及其它作物抗逆性品種選育提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試30個(gè)大豆品種，分別來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、西北農(nóng)林科技大學(xué)及山東、河北、河南、陜西、山西、遼寧、新疆等省區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院。品種名稱、來源及編號見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院進(jìn)行。采用RXZ-1000B人工光照培養(yǎng)箱對供試大豆品種進(jìn)行培養(yǎng)。每品種精選大小一致、種皮完整、籽粒飽滿種子，用5% NaClO溶液消毒5 min，自來水沖洗3次，去離子水沖洗3次，再用滅菌濾水紙吸干，之后置于放有三層水吸濕濾紙的發(fā)芽盒（長18 cm，寬12 cm）中。每個(gè)處理30粒，重復(fù)3次。

為確定大豆品種芽期最適篩選鹽濃度，采用0（CK）、50、100、150、200 mmol/L NaCl溶液分別對冀豆12、中野1號、鐵豐29、晉遺30、魯豆12、豫豆28、陜豆125、中黃13、蠶絲豆-1、丹豆2號共10個(gè)品種進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)，通過測定其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、苗高等生長指標(biāo)，顯示150 mmol/L NaCl鹽溶液脅迫下品種間各生長指標(biāo)差異最明顯，因而將該濃度選為篩選鹽濃度。

人工光照培養(yǎng)箱設(shè)置：相對濕度60%，恒溫20℃，晝夜時(shí)長12h/12h，光照強(qiáng)度12 000 lx。

1.3 指標(biāo)測定及方法

每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)。每隔一天用稱重補(bǔ)水法補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。試驗(yàn)第4天和第8天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率，并在統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率當(dāng)天，每個(gè)發(fā)芽盒取5株幼苗測量根長、苗高，求平均值。發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：胚根伸出種臍部分長度超過種子縱徑1/2。

發(fā)芽勢（%）=第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100 ;

發(fā)芽率（%）=第8天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100 ;

各指標(biāo)相對值（%）=各指標(biāo)值/對照值×100 ;

各指標(biāo)鹽害率（%）=（對照各指標(biāo)值-脅迫下各指標(biāo)值）/對照各指標(biāo)值×100 。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并計(jì)算各處理性狀的平均值，SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析、聚類分析及作圖等。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對不同大豆品種萌發(fā)的影響

為消除供試材料本身存在差異，本研究采用各指標(biāo)的相對值來反映萌發(fā)期不同大豆品種的耐鹽性。從表2中可以看出，除根冠比外，鹽脅迫下不同大豆品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、苗高相比對照均有所降低，且降幅不同。發(fā)芽勢相對值的變化范圍為29.79%～84.00%，變異系數(shù)為24.14%;發(fā)芽率相對值的變化范圍為31.69%～83.82%，變異系數(shù)為22.16%;根長相對值的變化范圍為22.28%～90.61%，變異系數(shù)為34.58%;苗高相對值的變化范圍為18.01%～88.00%，變異系數(shù)為36.33%;根冠比相對值的變化范圍為38.48%～367.42%，變異系數(shù)為68.01%。

另外，鹽脅迫下不同大豆品種各性狀鹽害率的變化幅度也均有差異。發(fā)芽勢鹽害率的變化范圍為16.00%～70.21%，變異系數(shù)為46.61%;發(fā)芽率鹽害率的變化范圍為16.18%～68.31%，變異系數(shù)為45.32%;根長鹽害率的變化范圍為9.39%～77.72%，變異系數(shù)為45.28%;苗高鹽害率的變化范圍為12.00%～81.99%，變異系數(shù)為44.94%;根冠比鹽害率的變化范圍為-267.42%～61.52%，變異系數(shù)為-333.97%。

2.2 大豆品種耐鹽性的主成分分析

主成分分析是將多個(gè)變量進(jìn)行降維處理，將大量數(shù)據(jù)中的信息囊括在幾個(gè)潛在因子中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的一種綜合評價(jià)方法。對大豆各品種所有指標(biāo)相對值及鹽害率進(jìn)行主成分分析，各主成分特征值及貢獻(xiàn)率如表3所示。前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為44.12%、34.52%和19.66%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為98.30%，可代表絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，能有效反映數(shù)據(jù)的變化趨勢，符合主成分的分析要求。第Ⅰ主成分特征根λ1=4.412，對總遺傳貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到44.12%，與相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根冠比呈較大相關(guān)性，其中與相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢的相關(guān)系數(shù)較大，分別為0.757、0.754，可綜合為萌發(fā)因子;第Ⅱ主成分特征根λ2=3.452，對總遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)到34.52%，與根冠比鹽害率相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.722，可綜合為鹽害因子;第Ⅲ主成分特征根λ3=1.966，對總遺傳貢獻(xiàn)率為19.66%，相關(guān)性最大的為相對根長，相關(guān)系數(shù)為0.804，可綜合為根部因子。由于這3個(gè)主成分反映了原來10個(gè)單項(xiàng)耐鹽參數(shù)98.30%的信息，因此相對根長、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、根冠比鹽害率這4個(gè)指標(biāo)均可作為大豆耐鹽篩選與評價(jià)的重要指標(biāo)。

用SPSS 19.0軟件綜合處理可得大豆各品種綜合評價(jià)得分值。由表4可知，耐鹽性較好、排名前5的品種為冀豆12、新大豆1號、秦豆8號、鐵豐29、中野2號，蠶絲豆-1、蠶絲豆-2、遼豆14、丹豆2號耐鹽性較差，其它品種耐鹽性居中。

2.3 鹽脅迫下大豆品種的模糊隸屬函數(shù)耐鹽性評價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對大豆品種鹽脅迫耐受性進(jìn)行綜合評價(jià)。模糊隸屬函數(shù)的計(jì)算公式：X=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），式中X表示某一項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的測定值，Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值;如果某一指標(biāo)與抗性指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，可通過反隸屬函數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式為：X=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。計(jì)算隸屬函數(shù)值平均值并作為耐鹽性評價(jià)指標(biāo)，值越大，表明該品種的耐鹽性越強(qiáng)。從表5中可以看出，耐鹽性較強(qiáng)、排名前十的品種分別為新大豆1號、冀豆12、中野2號、晉豆23、貓眼豆、中黃30、秦豆8號、鐵豐29、青豆、煙黃3號，蠶絲豆-1、遼豆14、蠶絲豆-2、丹豆2號耐鹽性較差，其它品種耐鹽性居中。

2.4 不同大豆品種耐鹽性綜合評價(jià)

對主成分分析和模糊隸屬函數(shù)兩種評價(jià)方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，結(jié)果（圖1）可知，主成分分析得分值和模糊隸屬函數(shù)值之間達(dá)顯著正相關(guān)（R2=0.845），因此兩方法對大豆耐鹽性評價(jià)均具有可行性。通過主成分分析值和模糊隸屬函數(shù)值可獲得綜合得分值及其排序（表6）。對綜合得分值進(jìn)行聚類分析，可將30個(gè)大豆品種劃分為5個(gè)類群（圖2）。第Ⅰ類群包括3個(gè)品種：新大豆1號、冀豆12、秦豆8號，該類群耐鹽綜合得分均較高，屬于強(qiáng)耐鹽品種;第Ⅱ類群包括11個(gè)品種：中野2號、鐵豐29、晉豆23、綠黃豆、青豆、錦豆33、煙黃3號、中野1號、晉遺30、貓眼豆、陜豆125，該類類群耐鹽綜合得分僅次于第Ⅰ類群，屬于耐鹽品種;第Ⅲ類群包括8個(gè)品種：魯豆12、中黃30、黑豆-2、褐黑豆、豫豆28、滄豆5號、黑豆-1、魯寧1號，該類群耐鹽綜合得分居中，屬于中等耐鹽品種;第Ⅳ類群包括6個(gè)品種：蠶絲豆-1、中黃27、蠶絲豆-2、中黃13、魯豆2號、小白臍，該類品種耐鹽綜合得分較低，屬于鹽敏感品種;第Ⅴ類群包括2個(gè)品種：遼豆14、丹豆2號，該類品種耐鹽綜合得分最低，屬于不耐鹽品種。

3 討論

3.1 鹽脅迫下不同大豆品種耐鹽性狀指標(biāo)差異

大豆屬于中度耐鹽堿作物，在土壤鹽堿度超過5 dS/m時(shí)，會導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)[23]。作為世界重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，開展大豆耐鹽性研究對大豆市場及鹽堿地開發(fā)利用均具有重要意義。本研究對30個(gè)大豆品種萌發(fā)期的耐鹽性進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明，除根冠比外，大豆發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、苗高均受到鹽脅迫抑制，且不同品種各性狀相對值變異系數(shù)表現(xiàn)為根冠比（68.01%）>苗高（36.33%）>根長（34.58%）>發(fā)芽勢（24.14%）>發(fā)芽率（22.16%），說明根冠比變異系數(shù)最大，且苗高和根長的相對值變異均高于發(fā)芽指標(biāo)相對值變異。另外，除根冠比鹽害率外，不同大豆品種鹽害率表現(xiàn)為發(fā)芽勢（46.61%）>發(fā)芽率[JP]（45.32%）>根長（45.28%）>苗高（44.94%），表明鹽脅迫對發(fā)芽指標(biāo)影響更大，這與張軍起[24]、蒲艷艷[25]等的研究結(jié)果相一致。

3.2 鹽脅迫下不同大豆品種耐鹽性狀的主成分分析

主成分分析是通過降維將原來多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少且彼此獨(dú)立的新綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，在不同作物多性狀綜合評價(jià)上已均有廣泛應(yīng)用。高春華等[27]利用主成分分析將高粱耐鹽性鑒定指標(biāo)分為根部生長因子、萌發(fā)和地上部生長因子;趙鵬濤等[28]通過主成分分析，將小麥主要品質(zhì)性狀綜合為沉降因子、面團(tuán)因子和容重因子;張春蘭等[29]通過主成分分析將葉面積、根長和丙二醛含量作為大豆耐鹽品種篩選的主要指標(biāo)。本研究主成分分析表明，大豆萌發(fā)期耐鹽鑒定指標(biāo)可綜合為3個(gè)主成分，其中第Ⅰ主成分對總遺傳貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到44.12%，與相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢相關(guān)系數(shù)較大，可綜合為萌發(fā)因子;第Ⅱ主成分對總遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)到34.52%，與根冠比鹽害率相關(guān)性最大，可綜合為鹽害因子;第Ⅲ主成分對總遺傳貢獻(xiàn)率為19.66%，相關(guān)性最大的為相對根長，可綜合為根部因子。由于這3個(gè)主成分反映了原來10個(gè)單項(xiàng)耐鹽參數(shù)98.30%的信息，因此相對根長、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、根冠比鹽害率這4個(gè)指標(biāo)均可作為大豆耐鹽篩選與評價(jià)的重要指標(biāo)。

3.3 鹽脅迫下大豆耐鹽性綜合評價(jià)及聚類分析

模糊隸屬函數(shù)法是一種在多指標(biāo)測定基礎(chǔ)上對材料進(jìn)行綜合評價(jià)的方法，在玉米[30]、苜蓿[31]、蕎麥[32]、辣椒[33]等多種作物抗逆性研究上均有所應(yīng)用。本研究結(jié)果表明，采用模糊隸屬函數(shù)法對不同大豆品種耐鹽性綜合評價(jià)的結(jié)果與主成分分析結(jié)果具有一致性，兩者之間呈顯著正相關(guān)（R2=0.845），因此這兩種方法對大豆耐鹽性評價(jià)均具有可行性和統(tǒng)一性。通過綜合得分值進(jìn)行聚類分析，大豆品種可分為5個(gè)類群，其中第Ⅰ類群包括3個(gè)品種，屬于強(qiáng)耐鹽品種;第Ⅱ類群包括11個(gè)品種，屬于耐鹽品種;第Ⅲ類群包括8個(gè)品種，屬于中等耐鹽品種;第Ⅳ類群包括6個(gè)品種，屬于鹽敏感品種;第Ⅴ類群包括2個(gè)品種，屬于不耐鹽品種。其中，新大豆1號、冀豆12、秦豆8號耐鹽性較好，可用于深入研究大豆耐鹽機(jī)制及鹽堿地的開發(fā)利用。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，30個(gè)大豆品種萌發(fā)期發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、苗高均受到鹽脅迫抑制;根冠比變異系數(shù)最大，且苗高和根長的相對值變異均高于發(fā)芽指標(biāo)相對值變異;不同大豆品種發(fā)芽勢和發(fā)芽率鹽害率均高于根長和苗高鹽害率，表明鹽脅迫對發(fā)芽指標(biāo)影響更大。主成分分析表明，大豆萌發(fā)期耐鹽鑒定指標(biāo)可綜合為3個(gè)主成分，其中第Ⅰ主成分為萌發(fā)因子，第Ⅱ主成分為鹽害因子，第Ⅲ主成分為根部因子，這3個(gè)主成分反映了耐鹽參數(shù)98.30%的信息，因此相對根長、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、根冠比鹽害率這4個(gè)指標(biāo)均可作為大豆耐鹽篩選與評價(jià)的重要指標(biāo)。模糊隸屬函數(shù)法對不同大豆品種耐鹽性綜合評價(jià)的結(jié)果與主成分分析結(jié)果具有一致性。通過聚類分析，大豆品種可分為5個(gè)類群，其中冀豆12等3個(gè)品種為強(qiáng)耐鹽品種;中野2號等11個(gè)品種為耐鹽品種;魯豆12等8個(gè)品種為中等耐鹽品種;蠶絲豆-1等[JP]6個(gè)品種為鹽敏感品種;丹豆2號等2個(gè)品種為不耐鹽品種。

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