棉花抗旱相關(guān)指標(biāo)綜合評價及灰色關(guān)聯(lián)分析

孫豐磊，曲延英，陳全家，高文偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

干旱是影響棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的重要非生物脅迫之一，其對農(nóng)業(yè)造成的損失與其它非生物自然災(zāi)害造成的損失之和相當(dāng)[1]。因此，了解棉花的抗旱性、合理評價棉花抗旱資源材料，并挖掘抗旱資源中的抗旱材料，對提高棉花抗旱性有重要意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在作物抗旱性鑒定及作物遺傳改良方面做了大量研究[2-4]。針對抗旱性鑒定，在生理、生化、形態(tài)、產(chǎn)量等方面進(jìn)行了深入研究[5-8]。但棉花的抗旱性是一個復(fù)雜的生物學(xué)性狀，使用單一指標(biāo)判斷其耐旱性易受到環(huán)境及基因型差異影響導(dǎo)致研究結(jié)果不一致。因此，方便、簡單有效的評價方法及鑒定指標(biāo)是抗旱性鑒定的關(guān)鍵[2]。在品種抗逆性研究中，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行指標(biāo)選擇，給出評價方法以及對抗旱性進(jìn)行評價[9-11]。研究結(jié)果表明，棉花花鈴期受干旱脅迫時，棉花植株生長減慢，葉片數(shù)減少，葉片變小，新生葉片生長速率降低，果枝數(shù)量減少，受干旱嚴(yán)重時棉花植株停止生長，產(chǎn)生自然封頂現(xiàn)象[12-15]；在全生育期缺水時會造成株高降低，果枝數(shù)、單株成鈴數(shù)減少，蕾鈴脫落增加，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[16-17]；陳玉梁等研究表明彩棉農(nóng)藝性狀與水分利用率呈極顯著相關(guān)[18]。以上研究多針對單一的生理指標(biāo)或農(nóng)藝性狀研究抗旱性。本研究通過對30份棉花資源材料進(jìn)行相關(guān)分析，采用抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、主成分分析法[19-21]、隸屬函數(shù)[22]、灰色關(guān)聯(lián)度[23]等相結(jié)合的方法，綜合評價其抗旱性，避免單一指標(biāo)的片面性，為抗旱性鑒定提供可借鑒的方法與指標(biāo)，同時為篩選抗旱資源品種和抗旱性育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

30份棉花品種均由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳育種實(shí)驗(yàn)室保存提供(表1)。

表1 棉花品種來源

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計 試驗(yàn)于2015-2016年在石河子144團(tuán)農(nóng)大試驗(yàn)田進(jìn)行，播種前在試驗(yàn)區(qū)劃分2片區(qū)域，用于正常澆水(CK)和干旱脅迫(Drought)，每個材料采用3 m 2行規(guī)模種植，每膜種植3個品種，2種處理均重復(fù)2次，以保護(hù)行隔開。在花鈴期對照組正常澆水，脅迫組不澆水處理，脅迫處理10天后復(fù)水，此后，兩處理均正常澆水。

1.2.2 測定項(xiàng)目與方法

(1)生理生化指標(biāo)測定：采用英國(漢莎)CIRAS-3便攜式光合測定系統(tǒng)，于棉花花鈴期脅迫第10天(10∶30—12∶30之間，此時間段為當(dāng)?shù)販y量最佳時間，避免“光合午休”現(xiàn)象)進(jìn)行光合測量。測定均以倒3葉為準(zhǔn)，測定時設(shè)定光量子通量密度為1 100 μmol·m-2·s-1，環(huán)境溫度為31℃±2℃，相對濕度為50%±3%，CO2濃度為370±5 μmol·mol-1。主要測定的光合指標(biāo)有凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、水分利用效率(WUE,水分利用效率=凈光合速率/蒸騰速率)；與此同時，摘取頂部完全展開的幼葉液氮保存，帶回實(shí)驗(yàn)室測定丙二醛(MDA)[24]、葉綠素(Chla、Chlb、Chla+b)[24]、超氧化物歧化酶(SOD)[24]、脯氨酸(Pro)[24]4項(xiàng)指標(biāo)，重復(fù)3次。

(2)農(nóng)藝性狀指標(biāo)：棉花成熟吐絮后測定其農(nóng)藝性狀包括株高、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)、鈴數(shù)、有效鈴數(shù),參照劉光輝等[25]方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均在Excel匯總與計算，用SPSS 21.0軟件分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。參照魯守平[26]、蘭巨生[27]、祁旭升[2]、尹利[28]等方法，計算抗旱系數(shù)(公式1)、抗旱指數(shù)(公式2)、綜合抗旱指數(shù)(公式3)、隸屬函數(shù)值(公式4)、抗旱性量度值(公式5)、灰色關(guān)聯(lián)度(公式6)，對綜合抗旱指數(shù)、抗旱度量值進(jìn)行聚類分析，劃分抗旱等級。

抗旱系數(shù)

(1)

抗旱指數(shù)

(2)

綜合抗旱指數(shù)

(3)

隸屬函數(shù)

(4)

抗旱性度量值

(5)

灰色關(guān)聯(lián)度

(6)

(7)

關(guān)聯(lián)系數(shù)

(8)

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)地干旱脅迫處理后，棉花花鈴期在脅迫前、脅迫中、脅迫后0～60 cm土層土壤平均含水量分別為24.108%、14.669%、17.715%(表2)。

2.1 通過綜合抗旱指數(shù)評價棉花抗旱性

通過公式(1)、(2)、(3)計算出各材料的綜合抗旱指數(shù)(表3)，根據(jù)綜合抗旱指數(shù)排序,初步將30份材料的抗旱性分為三組：序號1～10如貝爾斯諾、川98、新陸中39、中R2015、天合2013等材料抗旱性最強(qiáng)；序號11～20，包括KK1543、大鈴?fù)?、富依?98、早42、新陸中8號等10份材料為抗旱性中等；其余如軍棉1號、早24、新陸早26等10份材料為干抗敏感材料。棉花的抗旱性表現(xiàn)為不同性狀對干旱脅迫的敏感程度不同，同一材料的不同指標(biāo)的抗旱系數(shù)不同，有一定差距，用單一指標(biāo)的抗旱系數(shù)評價抗旱性有一定的片面性與不穩(wěn)定性，所以采用多個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價較為可靠。

2.2 通過綜合抗旱性度量值評價棉花抗旱性

利用主成分分析計算各個性狀與綜合抗旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，利用公式(4)計算出各個材料的隸屬函數(shù)值，再根據(jù)公式(5)計算出抗旱性度量值D，再根據(jù)D值大小對各個材料進(jìn)行抗旱性排序。D值大小表示抗旱性強(qiáng)弱，D值越大則抗旱性越強(qiáng)。根據(jù)各個材料的綜合抗旱性在系統(tǒng)聚類中采用最遠(yuǎn)鄰元素的系統(tǒng)聚類方法對其進(jìn)行聚類分析，劃分抗旱等級(圖1)。在距離為5處將材料分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類，分別為高抗旱型、中等抗旱型、抗旱型、干旱敏感型。第Ⅰ類有貝爾斯諾、川98、庫克C310-5100、KK1543、中R2015，第Ⅱ類有新陸早49、新陸中8號、中R773-1、早32、塔什干7號、早19、大鈴?fù)?、天?013、早24、108夫、新陸中39、早42、新石K7，第Ⅲ類有新陸早47、遼18、富依德998、西部4號、新陸早50、中R2009、新陸早1號、C1470，第Ⅳ類有軍棉1號、新陸早26、新陸中58、CQJ-5。這與表1分析結(jié)果基本一致，抗旱性強(qiáng)的材料與敏感型材料排序大致相同。因此，5個抗旱性較強(qiáng)的品種貝爾斯諾、川98、中R2015、KK1543、庫克C310-5100抗旱性較為穩(wěn)定。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)灰色理論系統(tǒng)[29]對各性狀單項(xiàng)抗旱指數(shù)(比較數(shù)列)與D值(參考數(shù)列)建立灰色系統(tǒng)，做灰色關(guān)聯(lián)度分析，獲得D值與各個單項(xiàng)抗旱指數(shù)間的關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表4。由表4得出，在干旱脅迫條件下，

16個指標(biāo)與D值密切程度(關(guān)聯(lián)序)從大到小順序?yàn)椋河行р彅?shù)、總鈴數(shù)、有效果枝數(shù)、Gs、Tr、果枝數(shù)、MDA、葉綠素總量、Pn、葉綠素b、株高、WUE、葉綠素a、Pro、Ci、SOD。上述結(jié)果表明，與各個材料抗旱性關(guān)系最密切的是農(nóng)藝性狀表型指標(biāo)，其次為光合指標(biāo)及抗旱生理指標(biāo)。

在計算所得的各個材料的各指標(biāo)和綜合抗旱指數(shù)關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上，通過關(guān)聯(lián)度計算各材料指標(biāo)的權(quán)重，各指標(biāo)的權(quán)重分別與各個材料各指標(biāo)綜合抗旱指數(shù)相乘，并對結(jié)果求和，得到各個材料的加權(quán)抗旱指數(shù)[23]，并對其排序(表5)。加權(quán)抗旱指數(shù)越高則抗旱性越強(qiáng)，結(jié)果與表6的分析結(jié)果相似。

表2 干旱脅迫處理下土壤含水量/%

表3棉花材料品種、熟性及綜合抗旱指數(shù)

Table 3 Cotton variety, maturity, and comprehensive drought-tolerance index

品種名稱 Variety 品種類型 Variety typeCDI值 CDI value排序 Ranking中R2015 Zhong R2015中早熟 Mid-early maturity0.8256早19 Zao 19早熟 Early maturity0.8334新陸早49 Xinluzao 49早熟 Early maturity0.79713大鈴?fù)?Dalingwang中早熟 Mid-early maturity0.79316天合2013 Tianhe 2013中早熟 Mid-early maturity0.81610川98 Chuan 98不詳 Unknown0.8473早32 Zao 32早熟 Early maturity0.79018新陸早47 Xinluzao 47早熟 Early maturity0.75025中R2009 Zhong R2009中早熟 Mid-early maturity0.77820富依德998 Fuyide 998早熟 Early maturity0.79315西部4號 Xibu 4早熟 Early maturity0.8255新陸中8號 Xinluzhong 8中熟 Middle maturity0.79317新陸中58 Xinluzhong 58中熟 Middle maturity0.72827中R773-1 Zhong R773-1中早熟 Mid-early maturity0.81411庫克C310-5100 Kuke C310-5100早熟 Early maturity0.8199早42 Zao 42早熟 Early maturity0.80312新陸早50 Xinluzao 50早熟 Early maturity0.8247塔什干7號 Tashigan 1早熟 Early maturity0.76024CQJ-5早熟 Early maturity0.77123KK1543早熟 Early maturity0.79514新陸早1號 Xinluzao 1早熟 Early maturity0.77622新石K7 Xinshi K7早熟 Early maturity0.78619新陸早26 Xinluzao 26早熟 Early maturity0.73326早24 Zao 24早熟 Early maturity0.72728108夫 108 Fu早熟 Early maturity0.72329貝爾斯諾 Beiersinuo早熟 Early maturity0.8851新路中39 Xinluzhong 39早熟 Early maturity0.8482c1470中熟 Middle maturity0.77821軍棉1號 Junmian 1中熟 Middle maturity0.68930遼18 Liao 18特早熟 Very early maturity0.8198

圖1 棉花品種D值聚類分析結(jié)果Fig.1 Cluster analysis of different cotton varieties based on D value

指標(biāo) Parameter關(guān)聯(lián)度Correlation degree關(guān)聯(lián)序Correlative order株高 Plant height 0.67611果枝數(shù) Branch number 0.7026有效果枝數(shù) Effective branch number 0.7843總鈴數(shù) Total number of the bell 0.7982有效鈴數(shù) Effective number of bell0.7991MDA0.6957葉綠素a Chlorophyll a0.67613葉綠素b Chlorophyll b0.67910葉綠素總量 Total chlorophyll 0.6918SOD0.60916Pro0.63114Pn0.6829Tr0.7135Gs0.7524Ci0.61115WUE0.67612

3 討 論

棉花的抗旱性是一個復(fù)雜的數(shù)量性狀，選擇合理的指標(biāo)性狀是抗旱性鑒定的關(guān)鍵，對此國內(nèi)外學(xué)者在指標(biāo)選擇上從各個方面做了大量研究[30],主要有生理生化指標(biāo)、農(nóng)藝性狀指標(biāo)等，但在不同研究中得出各類指標(biāo)與抗旱性關(guān)系不同的結(jié)論不盡一致。劉光輝等[25]在干旱脅迫下對90份棉花材料的6個農(nóng)藝性狀指標(biāo)用因子分析方法，對棉花材料的抗旱性進(jìn)行綜合評價并聚類分析，馮劍方等[31]對32個棉花品種的7個相互關(guān)聯(lián)的生理指標(biāo)采用主成分分析及綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)的方法進(jìn)行苗期抗旱性的綜合評價，王士強(qiáng)等[23]通過對小麥抗旱性研究表明，干旱對小麥生理生化性狀的影響大于農(nóng)藝性狀，魯雪林等[32]認(rèn)為各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)順序?yàn)椋嚎购抵笖?shù)>抗旱系數(shù)?；诖?，本試驗(yàn)以棉花花鈴期抗旱相關(guān)的16個指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)法等得到抗旱性度量值(D值)；D值的大小不僅可以準(zhǔn)確地評價棉花的抗旱性，同時考慮到各指標(biāo)間的相互關(guān)系及各指標(biāo)間的重要性；并通過聚類分析將各個材料聚為不同類別，代表不同的抗旱等級。此類方法在谷子[19]，小麥[23]等作物上均有應(yīng)用。同時，本研究將綜合抗旱指數(shù)和干旱脅迫條件下的16個指標(biāo)視為一個整體，用灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行棉花抗旱性評價，結(jié)果表明灰色關(guān)聯(lián)分析和抗旱性度量值分析結(jié)果基本一致。劉光輝[25]和馮劍方等[31]對棉花研究表明，利用主成分分析、隸屬函數(shù)分析及聚類分析對棉花抗旱性進(jìn)行評價和分類，可篩選抗旱性強(qiáng)的棉花材料。因此，采用綜合抗旱指數(shù)、隸屬函數(shù)分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度等相結(jié)合的方法對棉花花鈴期抗旱性進(jìn)行評價，可較好地揭示指標(biāo)性狀與抗旱性的關(guān)系。

表5棉花材料加權(quán)抗旱指數(shù)及位次

Table 5 Weighted drought-tolerance indexes and rank of cotton varieties

品種名稱Variety 加權(quán)抗旱指數(shù)Weighted drought-tolerance index位次Rank品種名稱Variety 加權(quán)抗旱指數(shù)Weighted drought-tolerance index位次Rank中R2015 Zhong R20150.8195早42 Zao 420.79412早19 Zao 190.8244新陸早50 Xinluzao 500.8166新陸早49 Xinluzao 490.78914塔什干7號 Tashigan 70.75424大鈴?fù)?Dalingwang0.78516CQJ-5 0.75623天合2013 Tianhe 20130.80710KK1543 0.79213川98 Chuan 980.8393新陸早1號 Xinluzao 10.76222早32 Zao 320.77919新石K7 Xinshi K70.78417新陸早47 Xinluzao 470.73725新陸早26 Xinluzao 260.72826中R2009 Zhong R20090.76521早24 Zao 240.71927富依德998 Fuyide 9980.78018108夫 108 Fu0.71928西部4號 Xibu 40.8157貝爾斯諾 Beiersinuo0.8861新陸中8號 Xinluzhong 80.78815新路中39 Xinluzhong 390.8442新陸中58 Xinluzhong 580.71329c14700.76620中R773-1 Zhong R773-10.80311軍棉1號 Junmian 10.67830庫克C310-5100 Kuke C310-51000.8129遼18 Liao 180.8138

4 結(jié) 論

本研究采用灰色關(guān)聯(lián)度、隸屬函數(shù)分析、聚類分析、綜合抗旱指數(shù)相結(jié)合的方法，對30 份棉花材料抗旱性進(jìn)行評價。將材料分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4類，分別為高抗旱型、中等抗旱型、抗旱型、干旱敏感型，第Ⅰ類有貝爾斯諾、川98、庫克C310-5100、KK1543、中R2015，第Ⅱ類有大鈴?fù)?、塔什?號、新陸早49等13個品種，第Ⅲ類有中R773-1、CQJ-5、新陸早47等8個品種，第Ⅳ類有軍棉1號、新陸早26等4個品種。同時，在棉花花鈴期受到干旱脅迫時，棉花農(nóng)藝性狀表型指標(biāo)敏感，MDA、葉綠素總量這2個指標(biāo)反應(yīng)較其它生理生化指標(biāo)敏感，氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)相對其它光合指標(biāo)較敏感。因此，在評價棉花的抗旱性時，除了將農(nóng)藝性狀作為抗旱性篩選的最終性狀外，也應(yīng)該注重丙二醛、葉綠素等相關(guān)的生理生化性狀及氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率的選用，在生育期內(nèi)利用這些性狀指標(biāo)有助于抗旱性較強(qiáng)材料的準(zhǔn)確選擇。