陸地棉耐澇相關(guān)性狀主成分及聚類(lèi)分析

贠平　楊婷　李曉龍　張文英

摘要：以34份陸地棉（Gossypium hirsutum Linn.）品種為材料，考查苗期澇漬脅迫及正常供水對(duì)照的苗高、主莖紅綠比、莖粗、葉片數(shù)、葉面積、SPAD值、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重、地下部分干重等性狀，以耐澇系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用主成分分析及聚類(lèi)分析進(jìn)行耐澇性綜合評(píng)價(jià)。利用耐澇度量值進(jìn)行模糊聚類(lèi)，將34個(gè)供試棉花品種耐澇性劃分為3類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果基本與供試材料的選育和種植區(qū)域的特點(diǎn)相符，其中新陸早19相對(duì)耐澇，新陸早36和蘇棉20相對(duì)敏感。

關(guān)鍵詞：陸地棉（Gossypium hirsutum Linn.）；耐澇性；主成分分析；聚類(lèi)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：S324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）22-5520-05

Abstract： The morphological traits of seedling stage under waterlogging stress were studied for identifying and screening waterlogging-tolerance cotton cultivars. Principal component analysis and clustering analysis were used to evaluate the ability in waterlogging tolerance of 34 upland cotton cultivars based on the morphological traits in waterlogging stress. This included seedling height， red and green ratio， stem diameter， number of leaf， chlorophyll content， above-ground fresh weight， above-ground dry weight， underground fresh weight， underground dry weight and leaf area. The 34 cultivars could be divided into 3 clusters by Fuzzy Clustering based on their Waterlogging-tolerance Value（DV）， which could match with the waterlogging characteristics of the origins and planting areas of those cultivars.

Key words： cotton（Gossypium hirsutum Linn.）；flooding tolerance；principal component analysis；cluster analysis

棉花（Gossypium hirsutum Linn.）是全球最重要的纖維作物，也是重要的油料作物。然而，中國(guó)長(zhǎng)江流域棉區(qū)常常遭受澇漬危害，這成為當(dāng)前長(zhǎng)江流域棉花產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的一大挑戰(zhàn)[1，2]。為了應(yīng)對(duì)澇漬脅迫，對(duì)耐澇性進(jìn)行針對(duì)性遺傳改良已迫在眉睫，其中耐濕種質(zhì)資源的鑒定與篩選至關(guān)重要。

近年來(lái)，針對(duì)作物耐濕性鑒定國(guó)內(nèi)外提出多種鑒定方法，在生理、生化、形態(tài)、產(chǎn)量等鑒定指標(biāo)上開(kāi)展了研究[3-9]。利用單一指標(biāo)鑒定品種耐濕性易受環(huán)境影響，利用隸屬函數(shù)法進(jìn)行多指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)又會(huì)因?yàn)楦髦笜?biāo)間存在不同程度的相關(guān)性，導(dǎo)致各單項(xiàng)指標(biāo)提供的信息發(fā)生重疊，難以得出可靠的結(jié)果，影響鑒定效果[10]。主成分分析是將多指標(biāo)線(xiàn)性組合為較少的綜合指標(biāo)，這些綜合指標(biāo)彼此間既不相關(guān)，又能反映原來(lái)多指標(biāo)的信息[11]，已有應(yīng)用于作物多指標(biāo)耐濕性綜合評(píng)價(jià)的報(bào)道[12-15]。目前關(guān)于棉花濕害耐性方面的研究主要停留在子葉期鑒定[16]。在大田生產(chǎn)中，子葉期多處于集中育苗階段，該生育期鑒定結(jié)果是否適用于其他生育期尚不得而知。澇漬脅迫下棉花的形態(tài)指標(biāo)是耐濕性強(qiáng)弱的直接表現(xiàn)，由于棉花耐濕機(jī)制的復(fù)雜性，僅用某一形態(tài)指標(biāo)對(duì)其衡量有失偏頗。本研究在棉花苗期進(jìn)行，利用多個(gè)形態(tài)指標(biāo)，采用主成分分析和聚類(lèi)分析的方法，以期為棉花耐濕性開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料來(lái)源于國(guó)家棉花種質(zhì)中期庫(kù)和自育材料。利用雙套盆模擬淹水方法，即將盆栽花盆放入略大于其口徑的塑料桶中模擬淹水，從263份陸地棉種質(zhì)材料中鑒定出17份耐澇、17份澇敏感共計(jì)34份材料參與試驗(yàn)（表1）。

試驗(yàn)在長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)科基地（30°21′N(xiāo)，112°09′E）遮雨棚中進(jìn)行。該基地位于湖北省荊州市，屬東部季風(fēng)農(nóng)業(yè)氣候大區(qū)、北亞熱帶農(nóng)業(yè)氣候帶、長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，年平均氣溫16.5 ℃，≥10 ℃年均積溫5 094.9～5 204.3℃，年均降水量 1 095 mm，年均日照時(shí)數(shù) 1 718 h。

采用育苗盤(pán)育苗，移栽前將土、基質(zhì)、蛭石按質(zhì)量比2∶1∶1混勻，每盆裝1 kg。每盆定植3株，淹水前每個(gè)品種選較健壯且長(zhǎng)勢(shì)一致的8盆苗參與試驗(yàn)，4～5葉期開(kāi)始淹水處理。其中4盆作為對(duì)照（正常供水），另外4盆參與雙套盆淹水試驗(yàn)。淹水前進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)調(diào)查，上水后控制水面高于根際土面2 cm，淹水42 d后測(cè)量相關(guān)性狀并撤水。

1.2 形態(tài)指標(biāo)調(diào)查

形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定，包括株高、主莖紅綠比、莖粗、真葉數(shù)、SPAD值、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重、地下部分干重、單株葉面積。使用SPAD儀及直尺、天平測(cè)量所需數(shù)據(jù)，SPAD值及葉片長(zhǎng)寬均來(lái)自倒四葉。除主要形態(tài)指標(biāo)的測(cè)量外，在淹水期間根據(jù)目測(cè)葉片萎蔫狀況、葉片色澤及長(zhǎng)勢(shì)等方面綜合做出比較、鑒定、評(píng)級(jí)，作為對(duì)形態(tài)指標(biāo)分析結(jié)果的參考。

1.3 數(shù)據(jù)分析

形態(tài)指標(biāo)耐澇系數(shù)計(jì)算方法：

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花苗期主要形態(tài)指標(biāo)的耐澇系數(shù)

參試材料分為兩組，澇漬處理組和正常供水組，正常供水為對(duì)照。表2中的數(shù)據(jù)為經(jīng)過(guò)公式1計(jì)算后的耐澇系數(shù)，當(dāng)耐澇系數(shù)小于1時(shí)，可認(rèn)為澇漬脅迫下形態(tài)指標(biāo)值有所下降。利用棉花苗期形態(tài)指標(biāo)計(jì)算其耐澇系數(shù)（表2）。由表2可知，澇漬脅迫下絕大部分形態(tài)指標(biāo)值與對(duì)照相比有一定下降，但主莖紅綠比、地下部分干重及地下部分鮮重有所增長(zhǎng)。由此表明在澇漬脅迫下，棉苗會(huì)啟動(dòng)一些適應(yīng)機(jī)制以緩解自身所受傷害。根據(jù)耐澇系數(shù)的平均變化幅度將各形態(tài)指標(biāo)在澇漬脅迫方面的敏感度排序：主莖紅綠比>單株葉面積總和>地上部分鮮重>株高增長(zhǎng)量>地上部分干重>處理結(jié)束后真葉數(shù)>處理結(jié)束后株高>處理結(jié)束后SPAD值>地下部分鮮重>地下部分干重>處理結(jié)束后莖粗。由此可知，主莖紅綠比對(duì)澇漬脅迫最敏感，其次是單株葉面積總和、地上部分鮮重和株高增長(zhǎng)量等性狀。

2.2 主成分分析

以34份供試材料耐澇相關(guān)形態(tài)指標(biāo)的耐澇系數(shù)為基礎(chǔ)，利用DPS軟件計(jì)算各主成分的特征向量和貢獻(xiàn)率（表3），并根據(jù)各向量的絕對(duì)值將不同形態(tài)指標(biāo)劃分到不同的主成分中。同一形態(tài)指標(biāo)在各因子中的最大絕對(duì)值所在位置即為其所屬主成分。由表3可知，主成分分析中的5個(gè)成分的累計(jì)百分率為87.904 7%，即具有較強(qiáng)的代表性，可代表11個(gè)原始性狀的絕大部分信息。主成分1的大小主要取決于單株葉面積總和、地上部分鮮重、地上部分干重、真葉數(shù)4個(gè)指標(biāo)，主成分1相當(dāng)于4.492 2個(gè)原始性狀的作用，可反映全部數(shù)據(jù)40.838 1%的信息。主成分2的大小主要取決于地下部分干重和地下部分鮮重，主成分2相當(dāng)于2.005 1個(gè)原始性狀的作用，可反映全部數(shù)據(jù)18.228 2%的信息。主成分3的大小主要取決于株高、株高增長(zhǎng)量、主莖紅綠比4個(gè)指標(biāo)，主成分3相當(dāng)于1.360 8個(gè)原始性狀的作用，可反映全部數(shù)據(jù)12.3709%的信息。主成分4的大小主要取決于淹水處理結(jié)束后莖粗，主成分5的大小主要取決于處理結(jié)束后SPAD值。

2.3 耐澇性度量值的模糊聚類(lèi)

根據(jù)耐澇系數(shù)可算得各材料性狀的模糊隸屬函數(shù)值（公式2），將主成分1各指標(biāo)的特征值作為各性狀的權(quán)數(shù)與其相乘，按材料求和算得耐澇性度量值（D值）（表4）。由表4可知，新陸早19具有較強(qiáng)的耐澇性。為全面評(píng)價(jià)各參試棉花材料的耐澇性，本研究用各材料的耐澇性度量值（D值）進(jìn)行模糊聚類(lèi)，可將34份材料的耐澇性分為2大類(lèi)（圖1）。第一大類(lèi)為耐澇材料，可分為2小類(lèi)，第一小類(lèi)是相對(duì)極端耐澇的新陸早19，第二小類(lèi)是包括Z5到CX082在內(nèi)的19份一般耐澇材料。第一大類(lèi)的20份材料基本都對(duì)澇漬脅迫有不同程度的耐性，其中Z23、Z11、PM1均為目測(cè)鑒定耐澇性較好的材料。第二大類(lèi)為澇敏感材料，也可分為2小類(lèi)，第一小類(lèi)是相對(duì)極端澇敏感的新陸早36，第二小類(lèi)是包括蘇棉22號(hào)到PM20的13份一般澇敏感材料。第二大類(lèi)的14份材料在淹水過(guò)程中均較早出現(xiàn)葉片萎蔫、較晚形成或不形成氣生根。其中，蘇棉22號(hào)、華中91217、新陸早38和蘇棉20號(hào)均為目測(cè)鑒定對(duì)澇漬敏感性較強(qiáng)的材料。該結(jié)果與征集材料時(shí)所標(biāo)結(jié)果以及目測(cè)鑒定結(jié)果大致相同，基本反映了參試材料的耐澇類(lèi)型。

3 小結(jié)

耐濕性是指植物通過(guò)生理上和代謝上的改變，從而忍耐因水淹缺氧所導(dǎo)致的脅迫[18，19]。作物耐濕性是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，濕害可發(fā)生于作物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)階段。作物在不同生育時(shí)期對(duì)澇漬脅迫的響應(yīng)可能不同，抗性機(jī)制也可能不盡一致。對(duì)作物耐濕性進(jìn)行鑒定，不僅需要將形態(tài)、生理、產(chǎn)量等指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，也需要對(duì)各個(gè)時(shí)期的耐濕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。淹水條件會(huì)誘發(fā)植株產(chǎn)生形態(tài)學(xué)適應(yīng)，如形成不定根、根際通氣組織，從而使地下部分的鮮、干重均有所增加，由于澇漬脅迫對(duì)根際的傷害使得棉苗對(duì)養(yǎng)分的吸收等受到干擾，從而對(duì)SPAD值、株高增長(zhǎng)量、葉面積、莖粗及地上部分鮮干重造成不同程度影響。同一性狀不同材料的耐澇系數(shù)及同一材料不同性狀的耐澇系數(shù)均有較大變幅，因而難以根據(jù)各性狀的耐澇系數(shù)直接判斷耐濕性。

耐澇性鑒定需選用合適的鑒定指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法對(duì)不同基因型進(jìn)行鑒定、評(píng)價(jià)、篩選和歸類(lèi)。在大量種質(zhì)資源耐澇性鑒定及耐澇品種選育的早期世代，篩選簡(jiǎn)單、有效的鑒定指標(biāo)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已篩選出一些與芝麻[3]、小麥[10]、大豆[13]等作物耐澇性有關(guān)的形態(tài)及生理指標(biāo)。在棉花耐澇指標(biāo)研究中，有研究認(rèn)為根系生長(zhǎng)[20]、抗氧化酶活性、內(nèi)源激素含量[4]、葉片光合作用與產(chǎn)量[21]等都可以作為棉花耐澇性鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)。然而，作物耐澇性是由多基因控制的數(shù)量遺傳性狀，受到基因和環(huán)境的共同影響，不同基因型間、同一基因型不同發(fā)育階段耐澇機(jī)制不盡相同，耐澇相關(guān)性狀表現(xiàn)也不盡相同。因此，單一指標(biāo)很難全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)耐澇性的強(qiáng)弱，而僅利用多指標(biāo)隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)作物耐澇性時(shí)，雖能更全面地反映作物耐澇所表現(xiàn)的眾多耐澇相關(guān)性狀，但也存在一定的局限性。本研究在棉花最容易發(fā)生澇害的苗期選用11個(gè)形態(tài)指標(biāo)，利用主成分分析將各單項(xiàng)指標(biāo)綜合成為5個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，對(duì)34份材料苗期耐澇性進(jìn)行鑒定，利用聚類(lèi)分析對(duì)34份陸地棉種質(zhì)苗期耐澇性進(jìn)行了歸類(lèi)。

棉花苗期主要形態(tài)指標(biāo)對(duì)澇漬脅迫的敏感度排序中，主莖紅綠比最為敏感，因此在田間看苗時(shí)根據(jù)此項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判棉苗生長(zhǎng)狀況可信度較高。單株葉面積總和、地上部分鮮重、地上部分干重、處理后葉片數(shù)、地下部分干重在主要形態(tài)指標(biāo)中具有較大的代表性，因此在棉花苗期耐澇性鑒定中可考慮優(yōu)先采用。根據(jù)耐澇性度量值得到的棉花耐澇性排序、模糊聚類(lèi)分析結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)基本相符，因此可作為棉花耐澇性強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)方法。

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（責(zé)任編輯 韓 雪）