植物学报 ›› 2017, Vol. 52 ›› Issue (4): 520-529.doi: 10.11983/CBB16138

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基于主成分-聚类分析构建甜瓜幼苗耐冷性综合评价体系

周亚峰, 许彦宾, 王艳玲, 李琼, 胡建斌*()   

  1. 河南农业大学园艺学院, 郑州 450002
  • 收稿日期:2016-06-27 接受日期:2016-11-11 出版日期:2017-07-01 发布日期:2017-05-05
  • 通讯作者: 胡建斌 E-mail:jianbinhu@henau.edu.cn
  • 作者简介:

    # 共同第一作者

  • 基金资助:
    基金项目: 国家自然科学基金(No.31672147)、河南省科技攻关计划(No.172102110052)和河南农业大学科技创新基金(No.KJCX2016- C03)

Establishment of a Comprehensive Evaluation System for Chilling Tolerance in Melon Seedlings Based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis

Yafeng Zhou, Yanbin Xu, Yanling Wang, Qiong Li, Jianbin Hu*   

  1. College of Horticulture, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
  • Received:2016-06-27 Accepted:2016-11-11 Online:2017-07-01 Published:2017-05-05
  • Contact: Hu Jianbin E-mail:jianbinhu@henau.edu.cn
  • About author:

    # Co-first authors

摘要:

为了构建甜瓜(Cucumis melo)种质耐冷性的评价体系并筛选耐冷种质, 以19份遗传背景差异明显的甜瓜种质为实验材料, 测定低温胁迫下幼苗的9个形态指标和8个生理指标, 利用主成分分析、聚类分析及回归分析等多元统计方法对各指标的耐冷系数(α值)进行综合评价。结果表明, 低温胁迫下甜瓜幼苗的形态和生理指标发生了明显的变化, 其α值的变异系数均大于10%, 生理指标的α值变化更为明显。利用主成分分析将原有的17个指标转换为7个独立的综合指标, 其累计贡献率达84.64%, 以此计算各种质的隶属函数值, 并以主成分的贡献率进行加权, 最终获得所有种质耐冷性的综合评价值(D值)。基于D值的聚类分析将所有种质按耐冷性强弱划分为3类, 其中Oujin为耐冷性最强的种质, Xujin1等11份种质具有中等耐冷性, Qiuxiang等7份种质耐冷性较弱。通过逐步回归分析建立了甜瓜幼苗耐冷性评价的数学模型: D=0.048+0.048POD- 0.119SOD+0.097PRO+0.042CRI+0.084RDW+0.206OFW。模型的预测精度大于93.0%。该耐冷性评价体系可广泛用于不同甜瓜种质耐冷性的快速鉴定和预测。

Abstract:

The present study aimed to establish a system for evaluating chilling tolerance in melon seedlings and select the chilling-tolerance germplasms. Overall, 19 melon germplasms with different genetic background were used as experimental materials and their seedlings were measured for 9 morphological indices and 8 physiological indices under low temperature stress. Multiple statistics analyses (e.g., principal component analysis, cluster analysis, and regression analysis) were used to analyze the chilling-tolerance coefficients (α value) of the indices and evaluate the chilling tole- rance of the melon germplasms. Obvious variation was observed with the α value of both morphological and physiological indices of the seedlings (coefficient of variation >10%) under low-temperature stress, particularly for the α value of physiological indices. By principal component analysis, the primary 17 indices were changed to 7 separate comprehensive indices with a cumulative contribution rate 84.64%. The comprehensive evaluation value (D value) for each melon germplasm was obtained by calculating their membership function values and then weighting the values with the contribution rate of the 7 principal components. According to the D values, all melon germplasms were clustered into 3 groups: chilling-tolerance (1 accession), medium chilling-tolerance (11 accessions), and chilling-sensitive (7 accessions). Finally, stepwise regression analysis was used to establish a mathematic model (forecast accuracy >93.0%) for evaluating the chilling tolerance of melon seedlings: D=0.048+0.048POD-0.119SOD+0.097PRO+0.042CRI+0.084RDW+0.206OFW. The evaluation system established was suitable for rapid examination and prediction of chilling tolerance of different melon germplasms and may also be widely used for screening chilling-tolerance germplasms and cultivar breeding.

表1

供试的19份甜瓜种质"

No. Accession Subsp. Origin No. Accession Subsp. Origin
1 Qiuxiang melo Taiwan, China 11 Yangjiaomi agrestis Shandong, China
2 Xujin1 melo Shaanxi, China 12 Tianxiangjiao agrestis Liaoning, China
3 West melo Sweden 13 Hongzicui agrestis Henan, China
4 Thumb melo Gansu, China 14 Hamasu agrestis Liaoning, China
5 Jinfeng melo Henan, China 15 Mapao agrestis Henan, China
6 PI313973 melo Russian 16 Changxiuyu agrestis Shanghai, China
7 Nafl-Tukauie melo France 17 De Luneville melo France
8 Oujin melo Beijing, China 18 Sliver honey melo Korea
9 Xuanan1 melo Henan, China 19 Golden gem melo Korea
10 Hongchengcui melo Inner Mongolia, China

表2

不同甜瓜种质幼苗的形态指标的耐冷系数α"

No. CII PLH STD LAG PMG ODW OFW RDW RFW
1 0.289 0.714 0.878 0.428 0.750 0.906 0.850 1.737 1.278
2 0.324 0.711 0.964 0.815 0.665 0.543 0.826 1.803 1.456
3 0.231 0.537 0.849 0.947 0.800 0.872 0.833 1.336 1.440
4 0.306 0.846 0.825 0.259 0.489 0.566 0.780 1.164 1.223
5 0.425 0.849 0.778 0.446 0.514 0.559 0.624 1.152 1.099
6 0.432 0.723 1.146 0.702 0.973 0.632 0.786 1.955 1.960
7 0.283 0.843 0.902 0.884 0.497 0.626 0.739 1.111 1.410
8 0.237 0.885 1.142 0.525 0.818 0.787 0.837 1.722 1.364
9 0.416 0.936 0.888 0.558 0.777 0.822 0.818 1.802 1.200
10 0.317 0.820 1.213 0.725 0.703 0.724 0.812 1.117 1.236
11 0.561 0.890 0.882 0.440 0.595 0.529 0.658 1.217 1.031
12 0.323 0.942 0.838 0.620 0.612 0.679 0.840 1.116 1.410
13 0.241 0.838 0.911 0.953 0.546 0.453 0.536 1.351 1.277
14 0.237 0.999 1.070 0.732 0.517 0.654 0.724 1.478 1.160
15 0.612 0.967 0.896 0.791 0.618 0.825 0.672 1.188 1.303
16 0.325 0.799 0.877 0.682 0.612 0.679 0.714 1.450 1.365
17 0.276 0.949 0.904 0.393 0.902 0.738 0.833 1.110 1.594
18 0.372 0.821 0.803 0.711 0.569 0.544 0.811 1.364 1.008
19 0.327 0.817 0.765 0.712 0.486 0.557 0.761 1.418 1.156
CV 0.307 0.132 0.139 0.298 0.223 0.194 0.114 0.199 0.169

表3

不同甜瓜种质幼苗的生理指标的耐冷系数α"

No. CHL REC SPC SSC H2O2 SOD POD PRO
1 0.658 1.085 2.201 1.257 1.804 1.831 1.226 3.267
2 0.932 1.208 1.067 1.340 1.010 0.937 0.739 3.491
3 0.749 1.045 1.022 1.013 1.114 1.242 2.200 1.386
4 0.928 1.211 1.005 1.005 1.856 1.020 1.960 3.627
5 0.686 1.009 1.081 0.987 1.308 1.552 1.127 1.127
6 0.823 1.032 1.034 0.819 1.069 0.501 0.575 3.145
7 0.892 1.281 1.001 1.088 1.152 1.054 1.508 3.350
8 0.909 1.048 1.750 1.869 1.034 0.919 2.875 4.712
9 0.756 1.052 1.004 1.112 1.427 1.086 2.351 2.614
10 0.763 1.042 1.262 1.551 1.046 0.753 1.260 3.821
11 0.833 1.046 1.248 1.157 1.268 1.494 1.591 2.096
12 0.818 1.169 1.084 1.254 1.214 0.957 1.800 1.416
13 0.739 1.028 1.067 1.152 1.075 1.182 1.537 2.851
14 0.879 1.128 1.376 1.145 1.481 1.779 1.456 2.039
15 0.779 1.069 1.112 1.229 1.729 1.348 0.619 2.772
16 0.809 1.061 1.088 0.849 1.614 1.736 2.242 1.680
17 0.646 1.079 1.031 1.292 1.866 1.048 1.214 1.439
18 0.747 1.163 1.726 1.383 1.843 1.242 3.302 1.417
19 0.821 1.037 1.115 1.202 1.824 0.701 1.232 3.003
CV 0.108 0.270 0.265 0.202 0.234 0.315 0.450 0.392

表4

甜瓜17个单项指标的主成分分析"

Principle components CI1 CI2 CI3 CI4 CI5 CI6 CI7
Eigen value 3.531 2.687 2.199 1.964 1.499 1.295 1.015
Contributive ratio (%) 20.77 15.80 12.93 11.55 8.82 7.62 7.15
Cumulative contributive ratio (%) 20.77 36.58 49.51 61.06 69.88 77.50 84.64
PLH -0.183 0.241 0.184 -0.315 -0.144 -0.297 -0.379
STD 0.364 0.042 0.202 -0.207 0.283 0.090 -0.082
LAG 0.001 -0.263 0.183 0.521 0.042 -0.061 0.223
PMG 0.449 0.077 -0.201 0.034 -0.274 -0.108 0.089
ODW 0.272 0.146 -0.482 -0.054 -0.055 -0.136 -0.179
OFW 0.349 0.290 -0.130 0.135 -0.304 0.051 0.175
RDW 0.268 -0.013 0.073 -0.322 0.412 0.159 0.344
RFW 0.390 -0.286 0.013 0.094 -0.217 -0.075 -0.125
CII 0.025 0.041 -0.014 0.275 0.417 -0.340 0.175
CHL -0.208 0.253 0.185 0.195 -0.322 0.246 0.342
REC 0.082 0.256 0.260 0.331 -0.109 0.316 -0.367
SPC -0.060 0.292 -0.336 -0.046 0.125 0.479 0.227
SSC 0.025 0.476 0.041 0.130 0.219 -0.182 -0.096
H2O2 -0.088 0.324 0.228 -0.307 -0.178 -0.204 0.323
SOD -0.290 0.017 -0.452 0.096 0.179 0.203 -0.253
POD 0.056 0.350 -0.009 0.326 0.247 -0.288 -0.016
PRO 0.250 0.075 0.352 0.007 0.180 0.364 -0.263

表5

19份甜瓜种质的μ(X)、权重(W)、D值及综合评价"

No. μ(X1) μ(X2) μ(X3) μ(X4) μ(X5) μ(X6) μ(X7) D CRI Comprehensive evaluation
1 0.499 0.450 0.000 0.328 0.509 1.000 0.525 0.439 3.461 S
2 0.754 0.240 1.000 0.372 0.344 0.962 0.477 0.596 3.086 M
3 0.596 0.294 0.328 0.749 0.522 0.378 0.737 0.504 4.325 M
4 0.453 0.449 0.915 0.423 0.333 0.702 0.322 0.518 3.264 M
5 0.000 0.267 0.380 0.469 0.445 0.491 0.677 0.320 2.351 S
6 0.999 0.000 0.845 0.177 0.080 0.957 0.606 0.544 2.317 M
7 0.589 0.310 0.988 0.554 0.391 0.748 0.253 0.558 3.538 M
8 1.000 1.000 0.727 1.000 1.000 0.000 0.455 0.822 4.213 R
9 0.598 0.445 0.620 0.339 0.305 0.637 0.486 0.501 2.403 M
10 0.986 0.602 0.881 0.000 0.574 0.867 1.000 0.774 3.153 M
11 0.055 0.320 0.497 0.291 0.193 0.944 0.144 0.302 1.781 S
12 0.386 0.392 0.620 0.498 0.211 0.559 0.504 0.445 3.092 S
13 0.400 0.243 0.811 0.491 0.670 0.590 0.791 0.524 4.149 M
14 0.334 0.447 0.606 0.417 0.479 0.581 0.761 0.481 4.226 M
15 0.323 0.254 0.485 0.087 0.000 0.994 0.000 0.306 1.633 S
16 0.352 0.286 0.288 0.554 0.408 0.660 0.344 0.391 3.074 S
17 0.515 0.356 0.538 0.390 0.207 0.478 0.556 0.440 3.618 S
18 0.143 0.760 0.585 0.649 0.330 0.693 0.932 0.530 2.687 M
19 0.386 0.331 0.885 0.312 0.257 0.655 0.779 0.486 3.054 M
W 0.245 0.187 0.153 0.136 0.104 0.090 0.084

图1

19份甜瓜种质耐冷性的聚类分析^编号1-19同表1。"

表6

19份甜瓜种质耐冷性评价回归方程的预测精度分析"

No. Primary value Regression Difference Evaluation
accuracy (%)
1 0.439 0.442 -0.003 99.31
2 0.596 0.576 0.020 96.68
3 0.504 0.502 0.002 99.53
4 0.518 0.553 -0.035 93.63
5 0.320 0.333 -0.013 95.97
6 0.544 0.526 0.018 96.76
7 0.558 0.537 0.021 96.20
8 0.822 0.825 -0.003 99.63
9 0.501 0.523 -0.022 95.85
10 0.674 0.685 -0.011 98.33
11 0.306 0.315 -0.009 97.15
12 0.445 0.451 -0.006 98.60
13 0.524 0.512 0.012 97.67
14 0.481 0.478 0.003 99.45
15 0.302 0.300 0.002 99.40
16 0.391 0.388 0.003 99.17
17 0.440 0.432 0.008 98.14
18 0.530 0.493 0.037 93.02
19 0.486 0.509 -0.023 95.50

表7

19份甜瓜种质耐冷性聚类图中各类别表现特征"

Cluster Average of each index
POD
(U∙g-1
min-1)
SOD (U∙g-1
h-1)
PRO (μg∙g-1) CRI RDW (g) OFW (g)
Cluster I 10.057 53.765 29.203 4.213 0.033 1.308
Cluster II 20.719 69.113 14.084 3.286 0.034 1.435
Cluster III 14.148 56.713 12.307 2.666 0.022 1.106
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