全 文 :第 39 卷 第 3 期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol. 39 No. 3
2011 年 3 月 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Mar. 2011
1) “十一五”国家科技支撑计划项目( 2006BAD030103) 。
第一作者简介: 李庆贱,男,1983 年 11 月生,林木花卉遗传育种
教育部重点实验室( 北京林业大学) ,硕士研究生。
通信作者:李悦,林木花卉遗传育种教育部重点实验室 ( 北京林
业大学) ,教授。E - mail: liyue@ bjfu. edu. cn。
收稿日期: 2010 年 8 月 16 日。
责任编辑:程 红。
不同白榆家系苗期耐盐碱综合评价1)
李庆贱 李 悦 陈志强 时瑞亭 张建秋 王国柱 张玉玲
( 林木花卉遗传育种教育部重点实验室( 北京林业大学) ,北京,100083) ( 吉林省白城市林业科学院)
摘 要 为筛选耐盐碱白榆家系,以 2批白榆家系苗木为材料,分析了有效的耐盐碱评价指标和指标间的相关
性,用主成分分析对家系耐盐碱性做了分类。结果表明:检测指标间多存在显著相关;基于苗木有效指标平均值和最
高质量浓度胁迫值的主成分分析,分别需提取 2和 3个主成分,说明以平均值统计,指标间的关联更紧密;以平均值
和最高质量浓度胁迫值统计,白城家系试验苗耐盐碱能力由高到低为 B2、B7、B3、B5、B6、B4、B8、B1 和 B2、B7、B3、B5、
B6、B4、B1、B8 ;济源家系试验苗由高到低为 J9、J3、J2、J6、J8、J4、J7、J1、J5 和 J9、J2、J8、J4、J1、J6、J3、J7、J5 ;综合分析平均值
和最高质量浓度胁迫值的统计结果,家系 B2、B7、B3、J9、J2 较耐盐碱,家系 B4、B1、B8、J7、J5 对盐碱胁迫敏感,其余家系
介于两者之间。从研究结果可知,用主成分分析法评价白榆家系耐盐碱能力是有效和可靠的。
关键词 白榆;家系;主成分分析;耐盐碱评价
分类号 S722. 3 + 6
Integrated Evaluation of Saline-Alkali Tolerance of Ulmus pumila Seedlings from Different Families /Li Qingjian,Li
Yue,Chen Zhiqiang,Shi Ruiting( Key Laboratory for Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants ( Bei-
jing Forestry University) ,Ministry of Education,Beijing 100083,P. R. China) ; Zhang Jianqiu,Wang Guozhu,Zhang
Yuling( Baicheng Academy of Forestry Sciences) / / Journal of Northeast Forestry University. - 2011,39( 3) . - 8 ~ 11
The effective evaluation indices of saline-alkali tolerance and the correlation between the resistance indices were ana-
lyzed in order to select seedlings with saline - alkali tolerance from two families of Ulmus pumila. The saline-alkali toler-
ance of different U. pumila families was classified by the principal component analysis. Results showed that there were sig-
nificant correlations among the resistance indices. Two and three principal components were extracted respectively based on
the principal component analysis on the average value of effective index and the stress value of the highest concentration. It
indicated that the correlation between the resistance indices was closer in terms of the average value. The saline-alkali tol-
erance of Baicheng families was B2 > B7 > B3 > B5 > B6 > B4 > B8 > B1 or B2 > B7 > B3 > B5 > B6 > B4 > B1 > B8,and that
of Jiyuan families was J9 > J3 > J2 > J6 > J8 > J4 > J7 > J1 > J5 and J9 > J2 > J8 > J4 > J1 > J6 > J3 > J7 > J5 in terms of the av-
erage value and the stress value of the highest concentration,respectively. The families of B2,B7,B3,J9 and J2 had high-
er saline-alkali tolerances,while the families of B4,B1,B8,J7 and J5 were sensitive to alkaline-salt stress,and other fam-
ilies were at moderate levels according to the comprehensive analysis of the average value of effective index and the stress
value of the highest concentration. It is effective and credible to evaluate saline-alkali tolerances of U. pumila families by
the principal component analysis method.
Keywords Ulmus pumila; Families; Principal component analysis; Saline-alkali tolerances
苏打盐碱土在中国吉林省白城地区有大面积分布,是生
态林建设的制约因素。筛选耐盐碱种质,是促进该地区盐碱
土生态林业工程建设的重要途径[1]。白榆( Ulmus pumila) 是
该地区具有较强耐干旱寒冷能力的优良乡土树种,并具备一
定的耐盐碱能力。研究其耐盐碱评价指标,选育优良耐盐碱
种质,对该地区的生态林业工程建设有积极意义。植物耐盐
碱能力是受多种因素影响的复杂性状,不同植物种的耐盐碱
特性亦有不同,建立适宜的耐盐碱评价指标体系,是抗逆性种
质选择的技术基础[2 - 4]。国内外对白榆种的耐盐碱能力做过
一定研究[2,5 - 6],但对白榆种内不同遗传材料的耐盐碱变异分
析和探索多指标的综合评价方法尚未见报导。笔者曾对供试
白榆家系在盐碱胁迫下的 13 个生长和生理指标的变异进行
了分析,筛选了可有效反映家系间变异的多个指标[7]。笔者
将在该研究基础上,进一步分析白榆家系在盐碱胁迫下的适
应性和生理指标间的相关性,探索用多指标评价白榆家系耐
盐碱能力的方法,为耐盐碱优良白榆种质的选择提供理论和
技术参考。
1 试验地概况
试验地点设在吉林省白城市,年平均气温 4. 3 ℃,极端最低
气温 -26. 3 ℃,极端最高气温 40. 5 ℃,年降水量为 430 mm,无霜
期 135 ~140 d,属于大陆性季风气候,有效积温 2 750. 0 ~3 011. 7
℃。该地区土壤属于内陆苏打盐碱型,盐分组成以苏打和小
苏打( Na2CO3 和 NaHCO3 ) 为主,含有少量的硫酸盐和氯化
物,土壤盐碱质量分数为 0. 2% ~ 1. 0%,pH 值 8. 5 ~ 10. 0。
土壤有不同程度的盐化和碱化特性。天然优势群落为碱蓬群落
和羊草群落,光板地分布广,面积占盐碱地面积的 50%以上。
2 材料与方法
2. 1 试验家系
①白城市林业科学院白榆良种繁育基地白榆自由授粉家
系 8 个( 编号: B1 ~ B8 ) ; ②河南省济源白榆良种基地家系自
由授粉家系 9 个( 编号: J1 ~ J9 ) 。
2. 2 育苗及试验设计
白城家系试验: 测定苗木为当年生播种苗。8 个家系种
子于 2009 年 4 月采集,当年 5 月底播种于装满培养基质的容
器内;容器底部直径 28 cm,开口直径 40 cm,容器高度 40 cm。
培养基质为细沙土,pH值 7. 3,土壤电导率[8]为 100 μΩ /cm,
换算成土壤盐碱质量分数为 0. 025%,试验前均用纯净地下
水冲洗 1 ~ 2 次,以满足试验前土壤盐碱含量少且一致的要
求。采用完全随机区组设计,各家系重复 3 次,每个重复 2
盆,每盆 10 株苗。在 6 月到 8 月下旬苗木培养期间,追肥 2
次、间苗 3 次,最后每个盆内保留形态和长势相似的 6 株苗木
为试验材料,即每个家系共 36 株苗,苗木培养 3 个月后开始
施盐试验。按土壤盐碱质量分数递增配制施盐碱溶液 ( m
( Na2CO3 ) ∶ m ( NaHCO3 ) = 1 ∶ 1 ) ,土壤盐碱梯度 ( 强度) 7
个,
依 次为: 0( 清水) 、0. 15%、0. 25%、0. 40%、0. 55%、0. 75%、
0. 95%,pH值为 8. 9 ~ 9. 6,对各重复每隔 5 d 换 1 个递增胁
迫强度。
济源家系试验: 测定苗木为第 2 年苗。9 个家系于 2008
年用低床播种育苗,每个家系 1 000 株以上,各家系育苗措施
一致,自然条件下越冬。苗木于 2009 年 5 月移入容器供试验
使用。容器底部直径 20 cm,开口直径 25 cm,容器高度 25 cm。
培养基质和处理方法与白城家系试验一致。各家系试验苗木
30 株,从 1 年生苗木中随机抽取,分别移栽在 15 个容器内,
每个容器 2 株。盐碱胁迫试验,采用完全随机区组设计,重复
3 次,每个家系小区 10 株,缓苗 2 个月后开始施盐试验。按
土壤盐碱质量分数递增配制施盐碱溶液 m ( ( Na2CO3 ) ∶ m
( NaHCO3 ) = 1∶ 1) ,设置 5个盐碱胁迫梯度,依次为 0(清水)、
0. 2%、0. 4%、0. 6%、0. 9%,pH 值为 8. 9 ~ 9. 6,每隔 5 d 换 1
个递增胁迫强度。
2. 3 测定指标与方法
2 批试验苗木的苗龄不同,测定的指标也各有侧重。对
白城家系苗木调查了盐碱胁迫的受害程度,并测定了叶绿素
质量分数和叶片含水量,对济源家系测定了叶绿素质量分数、
叶片膜透性、叶片气体交换特征参数和叶片荧光动力学参数。
各指标测定方法如下:
①苗木受害情况调查,于每次盐碱处理后的最后 1 天对
苗木受盐碱胁迫后的叶子和枝干形态变化和成活情况做调查
记录。根据盐碱胁迫后苗木叶子和枝干形态变化程度分为 3
个受害等级。a轻度伤害:少许叶子出现浅黄( 褐) 色斑点,或
叶边缘焦黄卷曲,枝干未有明显受害症状; b 中重度伤害: 整
个植株 1 /2 以上叶子焦黄或出现褐色斑点,尚有部分叶子为
青绿色,植株仍有一定的生命力; c 死亡: 整株叶子已经变成
黄( 黑) 褐色,叶子萎蔫脱落,枝干干枯变色,已无生长势和生
命特征。
②叶绿素质量分数的测定,每次施盐后第 2 或 3 天,每个
小区随机摘取 8 片叶子。叶绿素 a、b质量分数的测定参照高
俊凤的方法[9]74 - 76。
③叶片膜透性( Ec ) 的测定,按高俊凤的方法
[9]209 - 210。
④叶片含水量( Wc ) 的测定,每次施盐后第 3 或 4 天,每
个小区随机摘取 6 ~ 8 片叶子,装在盛有冰块的保温箱内,拿
到试验室立即用精度为 0. 001 g 的电子天平称质量( M0 ) ;称
质量后把样品放入烘箱内,110 ℃杀青 15 min,然后 80 ℃烘 24
h至恒质量,称质量( M1 ) 。叶片含水量 = ( ( M0 -M1 ) /M1 ) ×
100%。
⑤叶片气体交换特征参数包括净光合速率( Pn ) 、气孔导
度( Gs ) 、蒸腾速率( Tr ) ) 、胞间二氧化碳摩尔分数( Ci ) 、大气
二氧化碳摩尔分数 ( Ca ) 等,计算二氧化碳摩尔分数比 ( Ci /
Ca ) ,水分利用效率( WUE)
[10]。叶片光合参数测定于施盐碱
前和每次施盐碱后 2 ~ 3 d,选择晴朗无风天气,在09:00—12:00
进行。每重复随机选取 4 株苗木,在苗木中上部位随机选取
一叶片,待植物充分活化后,对选取叶片测定,每片叶测 3 次,
取平均值。
⑥叶片荧光动力学参数包括初始荧光 ( F0 ) 、最大荧光
( Fm ) 、可变荧光( Fv ) ,光系统Ⅱ( PSⅡ) 最大光化学效率( Fv /
Fm ) 、PSⅡ潜在活性( Fv /F0 )
[11]。各参数测定于施盐碱前和
每次施盐碱后 2 ~ 3 d夜晚 10: 00 点后进行,测定样品选取方
法和光合参数的一致( 叶片气体交换特征参数和叶片荧光动
力学参数均用 Li—6400 便携式光合仪测定) 。
2. 4 统计分析方法
2 批家系苗木耐盐碱指标间的相关分析分别进行,以苗
木在各胁迫强度下的指标平均值为统计值做指标间的简单相
关分析。分别以所有胁迫梯度下家系苗木测定指标的平均值
为统计值和以最高胁迫梯度下家系苗木测定值为统计值,做
家系综合指标的主成分分析。统计分析借助了 SPSS16. 0 和
EXCEL软件。
3 结果与分析
3. 1 测定指标间的相关分析
相关性分析表明( 表 1,表 2) ,在盐碱胁迫下除苗木的叶
绿素 a与蒸腾速率,叶绿素 b与光系统Ⅱ( PSⅡ) 最大光化学
效率、PSⅡ潜在活性、叶绿素 a共 4 对指标间的相关性没有达
到显著水平外,其余有效指标间均存在显著或极显著( 正负)
相关,可通过综合分析对白榆家系的耐盐碱能力进行评价。
表 1 白城家系试验苗木测定指标间相关系数
性 状 叶片含水量 叶绿素 a 中重度受害率 死亡率 总受害率
电导率 -0. 883** -0. 914* 0. 978** 0. 866* 0. 969**
叶片含水量 0. 908* - 0. 911** -0. 922** -0. 904**
叶绿素 a - 0. 936** -0. 882* - 0. 972**
中重度受害率 0. 884** 0. 987**
死亡率 0. 865*
注:**表示在 α =0. 01 水平上显著; * 表示在 α =0. 05 水平上显著。
表 2 济源家系试验苗木测定指标间相关系数
指 标 气孔导度 光系统Ⅱ最大光化学效率 光系统Ⅱ潜在活性 蒸腾速率 电导率 叶绿素 a 叶绿素 b
净光合速率 0. 991** 0. 960** 0. 966** 0. 986** - 0. 974** 0. 940* 0. 890*
气孔导度 0. 960** 0. 974** 0. 997** - 0. 960** 0. 904* 0. 914*
光系统Ⅱ最大光化学效率 0. 995** 0. 966** - 0. 886* 0. 891* 0. 793
光系统Ⅱ潜在活性 0. 977** - 0. 890* 0. 894* 0. 816
蒸腾速率 - 0. 957* 0. 878 0. 920*
电导率 - 0. 883* - 0. 945*
叶绿素 a 0. 713
注:**表示在 α = 0. 01 水平上显著; * 表示在 α = 0. 05 水平上显著。
9第 3 期 李庆贱等:不同白榆家系苗期耐盐碱综合评价
3. 2 耐盐碱测定指标的主成分分析
根据白榆种质有效耐盐碱评价指标的选择结果[7],对 2
批家系苗木在盐碱胁迫下各项指标做主成分分析。以各胁迫
梯度指标平均值和最高梯度值做主成分分析有不同结果。在
用指标平均值分析时,只需提取 2 个主成分,因子方差占总方
差百分比累计就达到了 85%以上; 以最高梯度值指标分析
时,需提取 3 个主成分才能达到 85% ( 表 3) 。
根据各性状相关矩阵的特征向量( 表 3、表 4) ,以每个主
成分所对应的特征根占所提取主成分特征根之和的比例作为
权重计算主成分综合模型,得到:
表 3 白城、济源家系的多项指标主成分特征值分析
家系 成分
平均值
各成分
特征值
因子方差占总
方差百分比 /%
方差百分
比累计 /%
最高质量浓度胁迫值
各成分
特征值
因子方差占总
方差百分比 /%
方差百分
比累计 /%
白城 1 3. 99 66. 52 66. 52 2. 69 44. 82 44. 82
2 1. 21 20. 21 86. 73 1. 44 24. 07 68. 89
3 1. 07 17. 76 86. 65
济源 1 4. 91 61. 42 61. 42 3. 64 45. 51 45. 51
2 1. 74 21. 77 83. 19 2. 11 26. 32 71. 83
3 1. 69 21. 12 92. 95
表 4 白城、济源家系试验苗主成分提取分析
家系 变 量
平均值主成分
1 2
最高质量浓度胁迫值主成分
1 2 3
白成 中重度受害率 0. 857 - 0. 319 - 0. 822 0. 223 0. 398
死亡率 0. 897 0. 092 0. 652 0. 694 0. 280
总受害率 0. 965 - 0. 167 - 0. 516 0. 836 0. 101
电导率 0. 936 0. 335 0. 663 0. 418 - 0. 566
叶片含水量 - 0. 738 - 0. 430 0. 753 - 0. 004 0. 277
叶绿素 a - 0. 316 0. 881 0. 561 - 0. 199 0. 649
济源 叶绿素 a 0. 499 0. 726 0. 034 0. 726 0. 594
叶绿素 b 0. 283 0. 758 - 0. 381 0. 593 0. 655
电导率 - 0. 841 - 0. 045 - 0. 774 0. 488 0. 013
净光合速率 0. 896 - 0. 197 0. 761 0. 486 - 0. 335
气孔导度 0. 871 - 0. 414 0. 809 0. 510 - 0. 248
蒸腾速率 0. 747 - 0. 582 0. 884 0. 389 - 0. 107
光系统Ⅱ潜在活性 0. 915 0. 280 0. 623 - 0. 406 0. 645
光系统Ⅱ最大光化学效率 0. 959 0. 105 0. 702 - 0. 420 0. 554
1) 基于白城家系试验苗的 6 个指标平均值的综合评价系
统; F1 = 0. 227Zx1 + 0. 315Zx2 + 0. 291Zx3 + 0. 370Zx4 - 0. 325Zx5
+ 0. 056Zx6,其中 Zx1……Zx6分别代表 6 个指标在不同盐碱质
量浓度胁迫下的平均值标准化的数据;
2) 基于白城家系试验苗的 6 个指标最高质量浓度胁迫值
的综合评价系统: F2 = - 0 . 111Zx1 + 0. 366Zx2 + 0. 044Zx3 +
0. 167Zx4 + 0. 253Zx5 + 0. 225Zx6,其中 Zx1……Zx6分别代表 6
个指标在最高质量浓度下的胁迫值标准化的数据;
3) 基于济源家系试验苗的 8 个指标平均值的综合评价系
统: F3 = 0. 258Zx1 + 0. 203Zx2 - 0. 240Zx3 + 0. 216Zx4 + 0. 173Zx5
+ 0. 111Zx6 + 0. 300Zx7 + 0. 283Zx8,其中 Zx1……Zx8分别代表 8
个指标在不同盐碱质量浓度胁迫下的平均值标准化的数据;
4) 基于济源家系试验苗的 8 个指标最高质量浓度胁迫值
的综合评价系统 : F4 = 0 . 236Zx1 + 0 . 123Zx2 - 0 . 094Zx3 +
0. 215Zx4 +0. 245Zx5 + 0. 264Zx6 + 0. 181Zx7 + 0. 180Zx8。其中 Zx1
……Zx8分别代表 8 个指标在最高质量浓度下的胁迫值标准
化的数据。
代入标准化的原始数据,求得 F 值及 2 批家系试验苗的
耐盐碱能力排序见表 5。从表 5 可知,基于平均值和最高质
量浓度胁迫值的综合评价系统,白城家系苗表现有差异,综合
得分相差较大。以平均值统计,家系 B2 得分最高,为 2. 14;
家系 B1 得分最低,为 - 2. 235,家系耐盐碱能力由高到低为
B2、B7、B3、B5、B6、B4、B8、B1 ;以最高质量浓度胁迫值统计,家
系 B1 最高,为 1. 195,家系 B8 最低,为 - 1. 378,家系耐盐碱能
力由高到低为为 B2、B7、B3、B5、B6、B4、B1、B8。
表 5 综合主成分 F值及各家系耐盐碱能力排序
试验
地
家系
平均值
综合得分( F值) 排序
最高质量浓度胁迫值
综合得分( F值) 排序
白城 B1 - 2. 235 8 - 0. 558 7
B2 2. 140 1 1. 195 1
B3 0. 303 3 0. 218 3
B4 - 0. 488 6 - 0. 238 6
B5 - 0. 008 4 - 0. 018 4
B6 - 0. 364 5 - 0. 138 5
B7 1. 435 2 0. 916 2
B8 - 0. 784 7 - 1. 378 8
济源 J1 5. 588 8 0. 059 5
J2 6. 395 3 0. 714 2
J3 6. 499 2 - 0. 439 7
J4 6. 070 6 0. 435 4
J5 4. 819 9 - 1. 732 9
J6 6. 379 4 - 0. 037 6
J7 6. 024 7 - 1. 084 8
J8 6. 324 5 0. 511 3
J9 7. 015 1 1. 573 1
济源家系试验苗与白城家系试验苗有相似结果,基于平
均值和最高质量浓度胁迫值统计的综合得分相差较大。以平
均值统计时,家系 J9 得分最高,为 7. 015,家系 J5 得分最低,
为 4. 819,家系耐盐碱能力由高到低为 J9、J3、J2、J6、J8、J4、J7、
J1、J5 ;以最高质量浓度胁迫值统计,家系 J1 最高,为 1. 537,家
系 J9 最低,为 - 1. 732,家系耐盐碱能力由高到低为 J9、J2、J8、
J4、J1、J6、J3、J7、J5。
4 结论与讨论
植物耐盐性是一个多基因控制的数量性状[12 - 13],对盐胁
迫的反应是一个整体的综合反应,因此,必须采用一系列的综
合指标来反映植物的抗盐性[14]。张华新等[15]、何俊瑜等[16]
均采用模糊数学的隶属函数法对植物抗盐性进行综合评价,
并获得较好的选择结果。可见,综合评价方法在评价植物抗
性方面是可行的。
主成分分析法的基本思想是通过降维,把多个彼此相关
的指标化为几个不相关的新的综合指标的方法。这种方法是
根据指标之间的相关信息,用较少的指标来代替和综合反映
原来较多信息。目前,国内外将这种方法用于植物种质的抗
逆性研究有一定的报导[17 - 18]。本研究相关性分析表明,2 批
苗木的大部分有效指标间有显著相关,说明可用主成分分析
法对白榆家系的耐盐碱能力进行综合分析。通过对 2 批白榆
家系试验苗的有效指标的平均值和最高质量浓度胁迫值进行
主成分分析,结果表明,以平均值为统计单位,只需提取 2 个
主成分,因子方差占总方差百分比累计可达 85%以上,而以
最高质量浓度胁迫值为统计单位,需提取 3 个主成分才能达
01 东 北 林 业 大 学 学 报 第 39 卷
到 85%,这说明从主成分的提取效果上来说,以平均值统计
有一定的优势,信息反映更集中化,亦即指标间的关联更紧
密。
白城家系试验苗的平均值和最高质量浓度胁迫值评价结
果相似。以平均值统计,家系耐盐碱能力由高到低为 B2、B7、
B3、B5、B6、B4、B8、B1 ;以最高质量浓度胁迫值统计,家系耐盐
碱能力由高到低为 B2、B7、B3、B5、B6、B4、B1、B8。济源家系试
验苗的平均值和最高质量浓度胁迫值评价结果有一定相似之
处,但差别较大。以平均值统计时,济源家系耐盐碱能力由高
到低为 J9、J3、J2、J6、J8、J4、J7、J1、J5 ;以最高质量浓度胁迫值统
计,济源家系耐盐碱能力由高到低为 J9、J2、J8、J4、J1、J6、J3、
J7、J5。以指标平均值和最高质量浓度胁迫值统计结果的相
似性,一定程度上说明了这些评价方法的有效性和可靠性。
引起 2 类统计值评价结果差别的原因可能是某些指标整体表
现较好( 平均值较高) ,而在胁迫后期,特别是最后一个胁迫
强度下突然大幅下降( 最高质量浓度胁迫值降低) ,从而降低
了特定家系的综合得分。如济源家系 J3,自然条件下净光合
速率为所有家系中最高,而受盐碱胁迫后,急剧下降,作为综
合评价指标中的“参与指标”,对综合得分起到了“拖累”的效
果。
综合分析平均值和最高质量浓度胁迫值的统计结果,表
明白城家系试验苗的 B2、B7、B3 较耐盐碱,家系 B4、B1、B8 对
盐碱胁迫敏感;济源家系试验苗 J9、J2 较耐盐碱,J7、J5 对盐碱
胁迫敏感,其他家系介于两者之间。所以在生产上,可优先选
用白榆家系试验苗 B2、B7、B3、J9、J2 在白城地区中度盐碱地
造林。
参 考 文 献
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11第 3 期 李庆贱等:不同白榆家系苗期耐盐碱综合评价