棉花蕾期至初花期抗旱性評價及指標(biāo)篩選

田又升，葉春秀，張國麗，董永梅，李全勝，王志軍，趙曾強(qiáng)，馬盼盼，孫國清，謝宗銘

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所/作物種質(zhì)創(chuàng)新與基因資源利用兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

【研究意義】干旱是影響新疆棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因素，培育抗旱品種是應(yīng)對干旱環(huán)境提高棉花產(chǎn)量的有效手段，尋找其中的有效抗旱指標(biāo)是抗旱種質(zhì)鑒定及品種選育的前提[1]，開展棉花抗旱性評價及指標(biāo)篩選工作，為棉花抗旱品種選育提供依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】目前已有大量文獻(xiàn)報道棉花的抗旱性評價指標(biāo)，形態(tài)學(xué)上有根系發(fā)達(dá)程度、莖的水分輸導(dǎo)能力、葉的形態(tài)(如葉片大小、形狀、角度、葉片卷曲程度等)[2-3]、農(nóng)藝性狀(株高、果枝數(shù)、鈴數(shù)、果枝始節(jié)節(jié)位、始節(jié)高)等[4-5]，生理生化方面有脯氨酸含量、甜菜堿含量、可溶性糖含量、MDA含量、葉綠素含量、SOD活性和POD活性[6-7]、PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)[8]、電導(dǎo)率、葉氣孔數(shù)量[9]、離體葉片失水速率[10]等，以及單株成鈴數(shù)、成鈴率、單鈴重等[11]產(chǎn)量性狀指標(biāo)均可應(yīng)用于棉花的抗旱性評價。棉花的抗旱性是多基因、多因素控制的復(fù)雜生物性狀，任何單一指標(biāo)對抗旱性作出的評價都有一定的局限性[12-14]。選用綜合指標(biāo)能夠增加評價結(jié)果的可靠性[15]，莊振剛等[9]采用電導(dǎo)率和葉片氣孔數(shù)量評價40份早熟陸地棉的抗旱性，篩選出新陸早8號和新陸早27號的抗旱性較強(qiáng)；陳玉梁等[14]將農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀指標(biāo)相結(jié)合評價10份彩色棉花抗旱性，并篩選出有效果枝數(shù)、株高、果節(jié)數(shù)、收獲指數(shù)和籽指可作為彩色棉花抗旱評價指標(biāo)?！颈狙芯壳腥朦c】不同生育期棉花的抗旱機(jī)制及評價體系存在差異[16-17]，棉花在蕾期和初花期對干旱脅迫比較敏感[18]，目前針對該生育期的田間抗旱性評價和指標(biāo)篩選的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在棉花蕾期至初花期進(jìn)行干旱脅迫，采用形態(tài)學(xué)指標(biāo)、生理指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)相結(jié)合，對68份棉花材料進(jìn)行抗旱性評價，篩選出抗旱性綜合評價指標(biāo)，為棉花抗旱品種選育和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料68份，其中棉花品種5份，引進(jìn)抗病材料1份，自育品系62份，均由新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所提供。品種(系)名稱見表1，品系名稱為田間編號。

1.2 試驗方法

試驗于2015年在新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所二輪五試驗田進(jìn)行。4月18日播種，每品種(系)連續(xù)種植3行，5 m行長，株距12 cm，各品種(系)隨機(jī)排列種植。正常大田生產(chǎn)管理為4月22日滴出苗水，之后蹲苗至蕾期(6月12日左右)進(jìn)行第2次滴水，此后每隔10 d左右滴水1次直至收獲，本試驗的處理為：將第二水推遲至6月25日，造成棉花蕾期至初花期的干旱脅迫。在6月17日至6月24日完成所有品種(系)株高、莖粗、SPAD、電導(dǎo)率、熒光參數(shù)、葉片正、背面氣孔數(shù)量等指標(biāo)的測定。9月20日進(jìn)行收獲測產(chǎn)。本試驗對照為新陸早61號。

葉片氣孔數(shù)量參照葉春秀(2014)的方法；電導(dǎo)率的測定方法為取棉花倒三葉葉片，用蒸餾水清洗干凈后，濾紙輕輕吸干葉表面水分，用直徑為1 cm的打孔器，避開葉脈打孔，每片葉打10孔，樣品完全浸泡在盛有50 mL蒸餾水的三角瓶中，浸泡1 h后測定浸泡液電導(dǎo)率R1。然后將樣品放入高壓滅菌鍋內(nèi)，100 ℃高溫10 min，放涼后測定浸泡液電導(dǎo)率R2。相對電導(dǎo)率(%)=R1/R2×100。

利用Mini-PAM熒光儀(WALZ，Germany)，以葉脈為軸對稱點測量葉綠素?zé)晒鈪?shù)。于上午12：00-13：00測定光適應(yīng)下的最大熒光值(Fm′)、最小熒光(Fo′)、穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)等熒光參數(shù)，于次日凌晨4時測定暗適應(yīng)下的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)。參照Demming-Adams等[19]方法，最大光化學(xué)效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，實際量子產(chǎn)量ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′，光化學(xué)猝滅系數(shù)qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)qN=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)，NPQ=Fm/Fm′-1，Y(NPQ)=F/Fm′-F/Fm，Y(NO)=F/Fm。每個材料重復(fù)5次。

表1 棉花品種(系)編號及名稱Table 1 Code and name of cotton varieties (strains)

表2 干旱脅迫下棉花各項指標(biāo)的變異系數(shù)Table 2 Variation coefficient of cotton indexes under drought stress

采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行棉花抗旱性鑒定和評價，隸屬函數(shù)值X(μ) =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，式中X為指標(biāo)測定值，Xmax和Xmin為所有參試材料某一指標(biāo)的最大值和最小值，如果某一指標(biāo)與棉花抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則可以通過反隸屬函數(shù)計算其抗性隸屬函數(shù)值，公式為X(v) =1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。以所有參試指標(biāo)隸屬值的平均值作為干旱脅迫下棉花材料抗旱性強(qiáng)弱的綜合評價結(jié)果。棉花抗旱性分級標(biāo)準(zhǔn)為隸屬值≥0.600為高抗，在0.500～0.599之間為中抗，≤0.499為弱抗[15,20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對棉花品種 (系) 各項指標(biāo)的影響

如表2所示，Y(NO)的變異系數(shù)最大，為28.12 %，F(xiàn)v/Fm的變異系數(shù)最小，為1.06 %。變異系數(shù)大于20 %的指標(biāo)有2個，分別為Y(NO)和電導(dǎo)率；變異系數(shù)在10 %～20 %的指標(biāo)有8個，分別為NPQ、qP、Y(NPQ)、株高、葉面積、產(chǎn)量、背面氣孔數(shù)量和正面氣孔數(shù)量；變異系數(shù)小于10 %的指標(biāo)有7個，分別為ΦPSⅡ、Fv/Fm、qN、莖粗、SPAD、背面氣孔面積和正面氣孔面積。

2.2 相關(guān)性分析

干旱脅迫下棉花各項指標(biāo)間存在一定相關(guān)性(表3)，產(chǎn)量與Y(NPQ)和莖粗呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.25，與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.40，與qP、葉背面氣孔數(shù)量、葉正面氣孔數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.24、-0.24和-0.28。株高與Y(NPQ)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.30，與葉正面氣孔數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.37，與莖粗呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.33。正面氣孔面積與背面氣孔面積呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.63；葉背面氣孔數(shù)量與葉正面氣孔數(shù)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.62。各熒光參數(shù)間大多存在顯著相關(guān)性，而與其他指標(biāo)間達(dá)到顯著相關(guān)性的較少，僅qP與電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.31，與莖粗呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.24。Y(NPQ)與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.42，與莖粗呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.30。Y(NO)與電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.28，與莖粗呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.24。葉面積與所有測定指標(biāo)間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

2.3 棉花抗旱性評價

采用各指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值評價棉花品種(系)的抗旱性(表4)，抗旱性排名第一的品系為2360，隸屬值為0.642，排名最后為品系2323，隸屬值為0.261。根據(jù)隸屬值抗旱性分級標(biāo)準(zhǔn)，在68份材料中，高抗材料7份，中抗材料20份，弱抗材料41份。對照品種新陸早61號的抗旱性排名為23，隸屬值為0.506，新陸早62號的抗旱排名為19，隸屬值為0.524，表現(xiàn)為中等抗旱性。其他品種均為弱抗材料，新陸早10號的隸屬值為0.487，抗旱性排名33；新陸中51號的隸屬值為0.419，抗旱性排名58；新陸早36號的隸屬值為0.399，抗旱性排名61。

表3 干旱脅迫下棉花各項指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of cotton indexes under drought stress

注：X1：ΦPSⅡ；X2：Fv/Fm；X3：NPQ；X4：qP；X5：qN；X6：Y(NPQ)；X7：Y(NO)；X8：株高(cm)；X9：葉面積(cm2)；X10：電導(dǎo)率(%)；X11：莖粗(mm)；X12：SPAD；X13：背面氣孔數(shù)量；X14：正面氣孔數(shù)量；X15：背面氣孔面積；X16：正面氣孔面積；X17：產(chǎn)量(kg/667 m2)。
Notes:X1:ΦPSⅡ;X2:Fv/Fm;X3:NPQ;X4:qP;X5:qN;X6:Y(NPQ);X7:Y(NO);X8:Height;X9:Leaf area;X10:Conductivity;X11:Stem diameter;X12:SPAD;X13:Stomatal number on the back;X14:Stomatal number on the front;X15:Stomatal area on the back;X16:Stomatal area on the front;X17:Yield.

表4 棉花的抗旱性評價Table 4 Evaluation of drought resistance of cotton

續(xù)表4(Continued table 4)

品種(系)名稱Variety(Strain)name隸屬函數(shù)值Membershipvalue排名Rank抗旱性分級Droughtresistanceclassification品種(系)名稱Variety(Strain)name隸屬函數(shù)值Membershipvalue排名Rank抗旱性分級Droughtresistanceclassification品種(系)名稱Variety(Strain)name隸屬函數(shù)值Membershipvalue排名Rank抗旱性分級Droughtresistanceclassification28530 56411中抗Mediumresistance2740 48734弱抗Weakresistance28410 42057弱抗Weakresistance09010 55512中抗Mediumresistance23580 48335弱抗Weakresistance新陸中510 41958弱抗Weakresistance23510 55513中抗Mediumresistance17400 48036弱抗Weakresistance18670 40959弱抗Weakresistance28190 54614中抗Mediumresistance庫爾勒0 47837弱抗Weakresistance26360 40860弱抗Weakresistance19340 54515中抗Mediumresistance27370 47738弱抗Weakresistance早360 39961弱抗Weakresistance22580 54316中抗Mediumresistance26950 47539弱抗Weakresistance27420 38562弱抗Weakresistance28670 53817中抗Mediumresistance26830 46840弱抗Weakresistance00670 38563弱抗Weakresistance19440 53618中抗Mediumresistance01510 46341弱抗Weakresistance26650 37564弱抗Weakresistance早620 52419中抗Mediumresistance26710 46242弱抗Weakresistance27310 36865弱抗Weakresistance2390 52120中抗Mediumresistance00610 46143弱抗Weakresistance27250 36266弱抗Weakresistance27580 51621中抗Mediumresistance28270 45844弱抗Weakresistance26620 34567弱抗Weakresistance26530 51322中抗Mediumresistance27200 45045弱抗Weakresistance23230 26168弱抗Weakresistance早610 50623中抗Mediumresistance22870 44146弱抗Weakresistance

2.4 主成分分析

前3個主成分貢獻(xiàn)率分別為48.491 %，25.739 %，7.4799 %(表5)，其累計貢獻(xiàn)率為81.710 %，其余貢獻(xiàn)率較小可以忽略不計。這樣就把原來的17個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成3個新的相互獨立的綜合指標(biāo)，代表了原來17個單項指標(biāo)81.710 %的信息。這3個主成分與17個抗旱性狀的相關(guān)系數(shù)(即特征向量)，反映了他們之間的相關(guān)性(表5)。

第Ⅰ主成分的特征根λ1= 8.244，貢獻(xiàn)率為48.491 %，對應(yīng)特征向量中的，數(shù)值較大的性狀為Fv/Fm、Y(NPQ)和ΦPSⅡ，相關(guān)系數(shù)分別為0.332、0.259和0.185，主要反映了干旱脅迫下棉花葉片的光合相關(guān)情況，可作為棉花蕾期至初花期的抗旱性評價指標(biāo)。

第Ⅱ主成分的特征根λ2=4.376，貢獻(xiàn)率為25.739 %，對應(yīng)特征向量中，數(shù)值較大的性狀為莖粗和電導(dǎo)率，相關(guān)系數(shù)為0.170、0.137，可作為棉花蕾期至初花期的抗旱性評價指標(biāo)。

第Ⅲ主成分的特征根λ3=1.272，貢獻(xiàn)率為7.480 %，對應(yīng)特征向量中，數(shù)值較大的性狀為葉背面氣孔數(shù)量和正面氣孔面積，相關(guān)系數(shù)為0.624、0.361，主要反映干旱脅迫下葉片的氣孔狀況，可作為棉花蕾期至初花期抗旱性鑒定的參考指標(biāo)。

表5 棉花各指標(biāo)的特征向量值及貢獻(xiàn)率Table 5 Eigenvector value and contribution rate of cotton indexes

續(xù)表5 Continued table 5

指標(biāo)Indexes編號Codes特征向量EigenvectorPrin1Prin2Prin3Y(NPQ)X60 2590 1520 024Y(NO)X70 068-0 0730 011株高(cm)HeightX8-0 718-0 0050 067葉面積(cm2)LeafareaX9-0 1670 0610 123電導(dǎo)率(%)ConductivityX100 1470 1370 069莖粗(mm)StemdiameterX11-0 3050 1700 097SPADX12-0 009-0 2180 143背面氣孔數(shù)量StomatalnumberonthebackX130 184-0 610 624正面氣孔數(shù)量StomatalnumberonthefrontX140 131-0 525-0 452背面氣孔面積StomatalareaonthebackX150 026-0 062-0 237正面氣孔面積StomatalareaonthefrontX16-0 0220 0720 361產(chǎn)量(kg/667m2)YieldX17-0 0040 0150 020特征值Eigenvalues8 2444 3761 272百分率(%)Percentage48 49125 7397 480累計百分率(%)Cumulativepercentage48 49174 23081 710

3 討 論

棉花不同生育期干旱對其生長的影響有所不同[21-22]，黃云等[23]認(rèn)為蕾期干旱對棉株影響較小，而王娟[18]認(rèn)為棉花在蕾期和初花期對干旱脅迫比較敏感。在本試驗中，棉花蕾期經(jīng)歷干旱脅迫后，測定的17個指標(biāo)均受到不同程度的影響，品種(系)間變異系數(shù)最大的指標(biāo)為Y(NO)和電導(dǎo)率，說明Y(NO)和電導(dǎo)率對干旱脅迫的敏感性存在較大的品種差異。主成分分析將17個指標(biāo)歸類為3大因子，各因子中又以Fv/Fm、Y(NPQ)、ΦPSⅡ，莖粗、電導(dǎo)率、葉背面氣孔數(shù)量和葉正面氣孔面積為負(fù)荷量較大的指標(biāo)，可作為棉花蕾期至初花期抗旱性鑒定的主要指標(biāo)，篩選出的部分指標(biāo)與前人的研究結(jié)果一致[8-9,24]。

冀天會等[25]認(rèn)為生理生化指標(biāo)受環(huán)境影響較大，只能間接地反映作物的抗旱性，因此，需多個指標(biāo)綜合評價作物抗旱性。產(chǎn)量指標(biāo)是對于評價以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為目的的作物必須考慮的指標(biāo)。本試驗所篩選的棉花蕾期至初花期的抗旱性評價指標(biāo)Y(NPQ)、莖粗、電導(dǎo)率、葉背面氣孔數(shù)和葉正面氣孔面積與棉花產(chǎn)量存在顯著相關(guān)性，但是，干旱脅迫后棉花的產(chǎn)量指標(biāo)不是評價其抗旱性的有效指標(biāo)，說明由生理指標(biāo)評價出的棉花抗旱性不能預(yù)測棉花的最終產(chǎn)量?？傊?，采用多個指標(biāo)綜合評價得出的結(jié)果更接近于實際抗旱性，同時對于以獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的作物應(yīng)考慮產(chǎn)量因素。

4 結(jié) 論

可采用Fv/Fm、Y(NPQ)、ΦPSⅡ、莖粗、電導(dǎo)率、葉背面氣孔數(shù)量和葉正面氣孔面積綜合評價棉花蕾期至初花期的抗旱性。

[1]Banziger M,Lafitte H R.Efficiency of secondary traits for improving maize for low-nitrogen target environment[J].Crop Science,1997,33:1110-1117.

[2]郭紀(jì)坤.陸地棉抗旱耐鹽及產(chǎn)量、形態(tài)性狀的QTL定位[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007:7-8.

[3]杜傳莉,黃國勤.棉花主要抗旱鑒定指標(biāo)研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(9):17-20.

[4]周生峰.新陸早系列品種的遺傳抗旱性研究[J].棉花科學(xué),2013,35(1):10-14.

[5]于 健.棉花品種的抗旱遺傳多樣性分析及抗旱性評價[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008:5-6.

[6]馮方劍,宋 敏,陳全家,等.棉花苗期抗旱相關(guān)指標(biāo)的主成分分析及綜合評價[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,34(3):211-217.

[7]王海標(biāo),陳全家,劉鵬鵬,等.苗期干旱脅迫對棉花生理特性、產(chǎn)量構(gòu)成因素和纖維品質(zhì)的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,50(12):2172-2181.

[8]李志博,魏亦農(nóng),楊 敏,等.低溫脅迫對棉花幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懗跆絒J].棉花學(xué)報,2006,18(4):255-256.

[9]莊振剛,葉春秀,李有忠.新疆陸地棉早熟品種花鈴期抗旱性初步評價[J].中國棉花,2014,41(7):5-7.

[10]吳振良,劉麗英,戴茂華.棉花離體葉片失水速率與抗旱性的關(guān)系研究[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,13(11):1-3.

[11]蔡紅濤,湯 一,刁品春,等.棉花花鈴期土壤持續(xù)干旱脅迫對產(chǎn)量形成的調(diào)節(jié)效應(yīng)[J].棉花學(xué)報,2008,20(4):300-305.

[12]王 敏,楊萬明,侯燕平,等.不同類型大豆花莢期抗旱性形態(tài)指標(biāo)及其綜合評價[J].核農(nóng)學(xué)報,2010,24(1):154-159.

[13]陸貴和,安海潤.作物抗旱性鑒定方法與指標(biāo)研究進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),1999,27(4):39-43.

[14]陳玉梁,石有太,羅俊杰,等.甘肅彩色棉花抗旱性農(nóng)藝性狀指標(biāo)的篩選鑒定[J].作物學(xué)報,2012,38(9):1680-1687.

[15]劉鵬鵬,陳全家,曲延英,等.棉花種質(zhì)資源抗旱性評價[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,51(11):1961-1969.

[16]李志博,章 杰,魏亦農(nóng),等.覆膜高密度下棉花抗旱性產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的特征分析[J].核農(nóng)學(xué)報,2011,25(3):576-581.

[17]田又升,謝宗銘,吳向東,等.水稻種質(zhì)資源萌發(fā)期抗旱性綜合鑒定[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2015(4):173-180.

[18]王 娟,危常州,朱金龍,等.不同生育期干旱脅迫對棉花葉片生理指標(biāo)及生物量的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,51(4):596-604.

[19]Demmig-Adams B, Adams W W, Baker D H. Using chlorophyll fluorescence to assess the fraction of absorbed light allocated to thermal dissipation of excess excitation[J]. Physiol Plant,1996,98:253-264.

[20]付風(fēng)玲,李晚枕,潘光堂.模糊隸屬法對玉米苗期耐旱性的擬合分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2003,21(1):83-85,125.

[21]肖俊夫,劉祖貴.不同生育期干旱對棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J].灌溉排水,1999 (1):23-27.

[22]李少昆,肖 璐,黃文華,等.不同時期干旱脅迫對棉花生長和產(chǎn)量的影響:Ⅱ棉花生長發(fā)育及生理特性的變化[J].石河子大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999(4):259-264.

[23]黃 云,藍(lán)家樣,陳全求,等.淺述棉花的抗逆性與抗逆育種研究進(jìn)展[J].棉花科學(xué),2015,37(1):3-9.

[24]石有太,陳玉梁,羅俊杰,等.不同色彩棉花抗旱性鑒定指標(biāo)及評價[J].作物雜志,2013:62-67.

[25]冀天會,張燦軍,謝惠民,等.小麥品種抗旱性鑒定產(chǎn)量指標(biāo)的比較研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2006,22(1):103-106.