海島棉種質(zhì)資源抗旱性評(píng)價(jià)

趙福相,劉康永,曲延英,高文偉,陳全家

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

0 引 言

【研究意義】干旱已經(jīng)成為限制世界范圍內(nèi)農(nóng)作物增產(chǎn)的重要問題[1]。新疆植棉歷史悠久，是我國(guó)最大的棉花生產(chǎn)基地，棉花生產(chǎn)在新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位[2]。棉花花鈴期是決定棉花品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)期水分虧缺對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響最為明顯[3]。新疆作為主要棉區(qū)，極易遭受干旱的影響，導(dǎo)致棉花減產(chǎn)和品質(zhì)下降，培育抗旱性強(qiáng)的棉花品種，在棉區(qū)水資源短缺十分緊缺地區(qū)，對(duì)棉花材料進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。【前人研究進(jìn)展】李海明等[4]采用綜合抗旱系數(shù)，模糊隸屬函數(shù)，主成分分析，關(guān)聯(lián)分析和聚類分析等統(tǒng)計(jì)分析方法相結(jié)合進(jìn)行陸地棉品種抗旱性鑒定和抗旱指標(biāo)的篩選。馮方劍等[5]通過研究與抗旱性相關(guān)的生理生化指標(biāo)，采用主成分分析及D值分類的方法，對(duì)32個(gè)棉花品種進(jìn)行了抗旱性評(píng)價(jià)。劉鵬鵬等[6]采用綜合抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)及隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法，綜合評(píng)價(jià)了棉花種質(zhì)資源的抗旱性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】大多數(shù)研究對(duì)棉花的抗旱性評(píng)價(jià)研究主要是陸地棉材料，對(duì)海島棉進(jìn)行抗旱評(píng)價(jià)性評(píng)價(jià)研究的比較少。研究采用抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、主成分分析、綜合抗旱系數(shù)、D值評(píng)價(jià)法等方法，對(duì)棉花品種進(jìn)行抗旱性分級(jí)評(píng)價(jià)。【擬解決的關(guān)鍵問題】對(duì)203份海島棉種質(zhì)資源脅迫田間表型性狀進(jìn)行多指標(biāo)綜合分析，并作抗旱性評(píng)價(jià)鑒定。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為203份海島棉資源材料，其中：前蘇聯(lián)材料48份，占23.6%；內(nèi)地材料54份，占26.6%；美國(guó)材料15份，占7.4%；中國(guó)新疆材料48份，占23.6%；埃及材料19份，占9.4%；不詳材料17份，占8.4%；阿爾法尼亞材料2份，占1%。

1.2 方 法

203份海島棉資源材料由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，于2018年種植于新疆阿克蘇16團(tuán)試驗(yàn)地。于4月中旬播種，隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，穴播(行長(zhǎng)2 m×行寬0.6 m)，設(shè)置2次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)間以70 cm寬的走道隔離。所有材料開花期在7月2～25日，于7月2日(花鈴期)對(duì)照組正常澆水，脅迫組不澆水，根據(jù)土壤中水分含量變化，7月25日對(duì)脅迫組復(fù)水，其后2個(gè)處理都正常澆水。于10月2號(hào)(吐絮期)收花，每個(gè)材料先收取15鈴，以獲得衣分和鈴重?cái)?shù)據(jù)，收花后測(cè)產(chǎn)并調(diào)查株高、果枝數(shù)、第一果枝高度等農(nóng)藝性狀。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析均在SPSS22.0和Excel 2013上完成，Excel 2013進(jìn)行繪圖；運(yùn)用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析、主成分分析等,數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除遺傳背景對(duì)抗旱性研究的影響。參照蘭巨生[7]方法，計(jì)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) 、對(duì)綜合抗旱指數(shù)、抗旱度量值進(jìn)行分析，劃分抗旱等級(jí)。

(1)

(2)

(3)

(4)

=1,2,3,…，n.

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)主要農(nóng)藝性狀的影響

對(duì)203份供試海島棉材料主要農(nóng)藝性狀，株高、果枝始節(jié)高、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)、鈴數(shù)、有效鈴數(shù)、單鈴重、衣分和單株產(chǎn)量分別進(jìn)行均值，方差以及變異系數(shù)計(jì)算，利用其均值進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析。研究表明，在花鈴期進(jìn)行旱脅迫處理后，除果枝始節(jié)高在旱脅迫處理與正常處理間無顯著性差異，其余性狀均存在極顯著差異，各性狀均有一定程度的下降，變異系數(shù)方面：正常處理下，變異系數(shù)在0.09～0.27，最大的是單株產(chǎn)量，為0.27，最小的是衣分，為0.09；旱脅迫處理下，變異系數(shù)在0.06～0.28，最大的是單株產(chǎn)量,為0.28,最小的是衣分,為0.06，說明干旱脅迫條件對(duì)單株產(chǎn)量的影響較大，對(duì)衣分的影響較小。對(duì)兩種水分條件下農(nóng)藝性狀的比較，除果枝始節(jié)高外，都存在顯著差異，試驗(yàn)所選的203個(gè)品種(系)的各農(nóng)藝性狀對(duì)水分脅迫比較敏感，所選農(nóng)藝性狀具有較好的代表性。表1

2.2 單項(xiàng)指標(biāo)分析

根據(jù)公式(1)抗旱系數(shù)、(2)抗旱指數(shù)獲得各性狀抗旱系數(shù)(DC值)和抗旱指數(shù)(DI值)，研究表明，抗旱系數(shù)與正常處理相比，各品種在花鈴期干旱處理后，所選性狀均發(fā)生了不同程度變化，DC值介于0.77～1.01，變異系數(shù)分別介于0.08～0.39?？购抵笖?shù)與正常處理相比，各品種在花鈴期干旱處理后，所選性狀均發(fā)生了不同程度變化，DI值介于0.58～1.01，變異系數(shù)分別介于0.12～0.47，變異系數(shù)的變化大小在一定程度上反應(yīng)不同農(nóng)藝指標(biāo)對(duì)水分脅迫的敏感程度，單株產(chǎn)量和有效鈴數(shù)兩指標(biāo)的變異系數(shù)比較大，這兩個(gè)性狀對(duì)水分脅迫較敏感。表2

根據(jù)DC值與DI值的范圍，將各性狀的DC值和DI值以組距為0.3分成5個(gè)組區(qū)間，制成連續(xù)次數(shù)分布表DC值分布較集中，DC值在區(qū)間0.6

表1 主要農(nóng)藝性狀描述性
Table 1 Descriptive analysis of main agronomic traits

項(xiàng)目Item株高Plantheight(cm)果枝始節(jié)高Heightofthefirstbranch(cm)果枝數(shù)Fruitbranchnumber有效果枝數(shù)EffectiveFruitbranchnumber單株產(chǎn)量Grainweightperplant(g)WDWDWDWDWD均值Meanvalue79.9275.455.985.887.186.457.176.0824.05 19.35標(biāo)準(zhǔn)差Standarddeviation12.6611.790.930.681.391.031.391.0495.297.68變異系數(shù)Coefficientofvariation0.160.160.160.110.190.160.190.170.270.28T5.735??1.1897.42??11.812??13.391??P0.0010.2360.0010.0010.001相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient0.590.060.360.440.278DCAverage0.951.010.920.870.77DCCV0.150.200.220.200.39DI Average0.971.001.010.890.58DICV0.280.280.320.320.47項(xiàng)目Item鈴數(shù)Bollnumber有效鈴數(shù)Effectivebollnumber衣分Lintpercent(%)單鈴重Singlebollweight(g)WDWDWDWD均值Meanvalue8.67.158.576.990.350.323.202.78標(biāo)準(zhǔn)差Standarddeviation1.731.621.731.640.0310.020.520.33變異系數(shù)Coefficientofvariation0.200.230.200.230.090.060.160.12T10.838??11.717??16.686??12.464??P0.0010.0010.0010.001相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient0.350.350.510.44DCAverage0.850.840.910.89DCCV0.250.260.080.20DIAverage0.900.870.910.89DICV0.420.440.120.24

注：W:旱脅迫處理；D:正常處理；*：顯著；**:極顯著

Note:W:Drought stress treatment;D:Normal processing;*Notable;**:very significant

表2 棉花品種(系)各主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)(DC)及區(qū)間分布
Table 2 Drought resistance coefficient of main agronomic traits and different distributions of upland cotton cultivars and line

性狀Character0.3

表3 棉花品種(系)各主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)抗旱指數(shù)(DI)及區(qū)間分布
Table 3 Drought resistance index of main agronomic traits and different distributions of upland cotton cultivars and lines

性狀Character0.3

表4 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻(xiàn)率
Table 4 Component matrix and contribution rate of principal component analysis

性狀Character因子載荷FactorpatternTraitPC1PC2PC3株高Plantheight0.135-0.009-0.043果枝始節(jié)高Heightofthefirstbranch0.015-0.3290.618果枝數(shù)Fruitbranchnumber0.2-0.13-0.082有效果枝數(shù)EffectiveFruitbranchnumbe0.203-0.194-0.009鈴數(shù)Bollnumber0.214-0.073-0.079有效鈴數(shù)Effectivebollnumber0.212-0.077-0.071衣分Lintpercent0.0340.268-0.582單鈴重Singlebollweight0.0570.5990.423單株產(chǎn)量Grainweightperplant0.1760.3440.239特征值Characteristicvalue4.4291.3851.025貢獻(xiàn)率Contributionrate(%)49.21115.38611.386累計(jì)貢獻(xiàn)率Accumulatedcontributionrate(%)49.21164.59775.983因子權(quán)重Factorweight0.6390.2080.153

2.3 主成分分析

使用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)各農(nóng)藝性狀的DC值進(jìn)行主成分分析，獲得因子載荷和貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步評(píng)價(jià)抗旱的重要農(nóng)藝指標(biāo)。根據(jù)特征值>1和主成分載荷矩陣，最終得到3個(gè)主成分PC1、PC2和PC3，將具有相同本質(zhì)的農(nóng)藝性狀歸為一類根據(jù)主成分載荷及其絕對(duì)值的大小分析，在PC1中，第5項(xiàng)載荷最大，第6、4和第3載荷次之，其對(duì)應(yīng)的農(nóng)藝指標(biāo)分別是鈴數(shù)，有效鈴數(shù)，有效果枝數(shù)和果枝數(shù)。在PC2中，第8項(xiàng)載荷最大，第9和7項(xiàng)載荷次之，其對(duì)應(yīng)的農(nóng)藝指標(biāo)分別為單鈴重，單株產(chǎn)量和衣分。在PC3中，第2項(xiàng)載荷最大，第8項(xiàng)次之，其對(duì)應(yīng)的農(nóng)藝指標(biāo)分別是果枝始節(jié)高和單鈴重。PC1主要概括鈴數(shù)及果枝數(shù)指標(biāo)，PC2主要概括單鈴重和單株產(chǎn)量，PC3主要概括了果枝始節(jié)高和單鈴重指標(biāo),單鈴重在PC2、PC3中載荷均較大。表4

2.4 隸屬函數(shù)分析及其品種的綜合抗旱性評(píng)價(jià)

CDC值雖然避免了單項(xiàng)指標(biāo)的片面性，但是對(duì)于各指標(biāo)之間關(guān)系及各指標(biāo)對(duì)抗旱能力的貢獻(xiàn)率并不能反映出來，后經(jīng)改進(jìn)以“加權(quán)隸屬函數(shù)法”來評(píng)價(jià)作物抗旱性。通過D值來評(píng)價(jià)供試種質(zhì)資源的抗旱性，D值越大，抗旱性越強(qiáng)。供試種質(zhì)資源D值介于0.08～0.98，均值為0.392，變異系數(shù)為0.362。根據(jù)D值和CDC對(duì)供試203份棉花材料進(jìn)行排序，兩者結(jié)果基本相同。表5

圖1 基于D值的棉花材料抗旱性系統(tǒng)聚類
Fig．1 Based on the value of D and drought resistance of cotton varieties of system clustering figure

表 5 不同棉花品種抗旱性評(píng)價(jià)的 D 值、CDC 值(部分)
Table 5 D and DC values of drought resistance of different cotton varieties(part)

品種名Varietyname隸屬函數(shù)值μ1μ2μ3D排序SortCDC排序Sort新海14號(hào)Xinhai140.5730.1840.4520.473551.01536新海13號(hào)Xinhai130.6710.1820.0570.476540.99643新海21號(hào)Xinhai210.7180.2330.1550.531311.04127新海24號(hào)Xinhai240.4550.3520.0000.3651100.858113新海25號(hào)Xinhai250.3930.1720.2040.3181340.832129新海26號(hào)Xinhai260.7160.2010.3630.555271.06520新海27號(hào)Xinhai270.4960.2950.1050.395940.88598新海28號(hào)Xinhai280.6940.2720.3630.556261.03429新海29號(hào)Xinhai290.6840.3430.0990.524331.01337新海30號(hào)Xinhai300.9480.2010.2610.68861.1715新海31號(hào)Xinhai310.2850.2580.1740.2631670.775167新海33號(hào)Xinhai330.3460.1880.3280.311380.824137新海34號(hào)Xinhai340.5140.3650.2320.441680.9181

2.5 聚類分析

根據(jù)各個(gè)材料的綜合抗旱性D值，在系統(tǒng)聚類中采用ward法分為5類，第Ⅰ類為強(qiáng)抗旱(0.86>D≥0.53)，包括新海21號(hào)、豐產(chǎn)2號(hào)、躍零1號(hào)、海輻6號(hào) 等35 份材料，第Ⅱ類為抗旱(0.53>D≥0.41)，包括新海32號(hào)、軍海1號(hào)、勝利1號(hào)、墨-1413等55份材料，第Ⅲ類為中抗旱型(0.41>D≥0.32)，包括躍51-10、抗萎2號(hào)、新海4號(hào)等46份材料，第Ⅳ為較敏感型(0.32>D≥0.25)，包括新海24 號(hào)、新海36號(hào)、巴州-3244等33份材料，第Ⅴ為敏感型(0.25>D≥0.11)，包括雞爪海島棉長(zhǎng)、海92-2、巴-329等33份材料。圖1

3 討 論

棉花抗旱為數(shù)量遺傳控制，抗旱機(jī)理復(fù)雜，選擇合理的指標(biāo)性狀是抗旱性鑒定的關(guān)鍵，指標(biāo)選擇不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也不相同，很多研究者在指標(biāo)選擇上從各個(gè)方面做了大量研究[9]，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。海島棉和陸地棉是目前世界上廣泛栽培的兩個(gè)四倍體棉種。陸地棉以其適應(yīng)性性廣，產(chǎn)量高而被廣泛種植，與陸地棉相比，海島棉具有纖維長(zhǎng)、細(xì)、強(qiáng)等突出特點(diǎn)，是紡織高支紗和特種植物不可缺少的原料，而且具有高抗病蟲，尤其抗黃萎病等優(yōu)點(diǎn)，研究其抗旱性，對(duì)培育高品質(zhì)棉花品種具有十分重要的意義。

目前，苗期、花鈴期、蕾期及產(chǎn)量形成后期是學(xué)者對(duì)棉花抗旱性研究的主要時(shí)期[10-12]。李志博等[12]研究發(fā)現(xiàn)棉花各個(gè)生育期抗旱能力排序?yàn)槭⒗倨?苗期>花鈴期>吐絮期。試驗(yàn)將花鈴期作為棉花抗旱的重要脅迫時(shí)期，符合新疆當(dāng)?shù)馗珊祵?shí)際情況。通過在花鈴期篩選有關(guān)棉花抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)，為海島棉抗旱材料的篩選提供參考。試驗(yàn)農(nóng)藝性狀指標(biāo)可以看出，單株產(chǎn)量、鈴數(shù)、有效鈴數(shù)對(duì)水分脅迫反應(yīng)敏感，衣分和株高對(duì)水分脅迫反應(yīng)遲鈍，單項(xiàng)指標(biāo)之間差異大，不能單獨(dú)作為決定性抗旱指標(biāo)與其他作物抗旱性一樣，不同農(nóng)藝性狀對(duì)水分脅迫的敏感程度存在差異，其抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)并不完全一樣。因此，使用任何一個(gè)單項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)的抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)都不能對(duì)棉花的抗旱性進(jìn)行很好評(píng)價(jià)，必須使用多個(gè)農(nóng)藝指標(biāo)進(jìn)行綜合抗旱性評(píng)價(jià)才較為可靠、準(zhǔn)確和科學(xué)。研究將綜合抗旱系數(shù)和干旱脅迫條件下的 9個(gè)指標(biāo)視為一個(gè)整體，用灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行棉花抗旱性評(píng)價(jià)，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，單株產(chǎn)量、單鈴重和株高三個(gè)抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠評(píng)價(jià)棉花花鈴期種質(zhì)資源的抗旱性。劉光輝等[13]通過研究花鈴期控水下棉花抗旱的指標(biāo)篩選，分別計(jì)算D值、WDC值、CDC值、Y值幾個(gè)綜合性狀的廣義遺傳率，發(fā)現(xiàn)D值遺傳率最高，是最適合的綜合抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。李海明等通過花鈴期控水，通過主成分分析、關(guān)聯(lián)度分析和逐步回歸分析方法篩選出株高、籽棉產(chǎn)量、單鈴重、有效鈴數(shù)和果枝始節(jié)高度5個(gè)抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，能直觀、簡(jiǎn)單和可靠的評(píng)價(jià)棉花花鈴期種質(zhì)資源的抗旱性。

4 結(jié) 論

通過以農(nóng)藝性狀為依據(jù)的綜合抗旱系數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)值相結(jié)合的方式及在隸屬函數(shù)基礎(chǔ)上賦予其權(quán)重的抗旱度量值(D 值) ,對(duì)203份海島棉種質(zhì)資源進(jìn)行了綜合的抗旱性鑒定，篩選出強(qiáng)抗旱型品種為新海21號(hào)、豐產(chǎn)2號(hào)、躍零1號(hào)、海輻6號(hào) 等35 份材料，為棉花生產(chǎn)和棉花抗旱分子機(jī)理研究提供基礎(chǔ)材料。主成分分析篩選出單株產(chǎn)量、單鈴重和株高3個(gè)抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，能直觀、簡(jiǎn)單和可靠的評(píng)價(jià)棉花花鈴期種質(zhì)資源的抗旱性。