不同棉花基因型根系表型差異分析

薛惠云，李倩，王果，陳雪，張志勇，王清連

(河南科技學(xué)院，河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心/河南省棉麥分子生態(tài)和種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453003)

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，其發(fā)育情況直接關(guān)系著植株整體生長(zhǎng)發(fā)育的好壞。但前人對(duì)改善作物和農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在增加地上部干物重和收獲產(chǎn)量[1, 2]，往往忽視根系與作物產(chǎn)量的關(guān)系[3]。干旱脅迫、土壤鹽漬化、養(yǎng)分缺失、病蟲害等嚴(yán)重威脅作物根系和植株整體生長(zhǎng)發(fā)育，影響其產(chǎn)量，增加水肥、農(nóng)藥投入雖然可以在一定程度上緩解上述問題，但利用效率低、成本高，限制了其經(jīng)濟(jì)收益，而且造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。因此，分析作物根系表型，篩選影響其水肥吸收利用效率的主要性狀，對(duì)創(chuàng)制水分和養(yǎng)分利用效率高的新種質(zhì)具有重要意義[4]。

作物根系表型同時(shí)受基因型和環(huán)境的影響，表型不同，其對(duì)氮、磷、鉀及水分的吸收利用效率也不同[5]。廖紅等[6]研究認(rèn)為磷素在土壤中不容易發(fā)生轉(zhuǎn)移，有效磷一般分布在土壤表層，具有淺根系的作物能更好地吸收利用土壤中的磷素。趙首萍等[7]分析指出，當(dāng)作物的根系表現(xiàn)為根干重較大、總根長(zhǎng)較長(zhǎng)、側(cè)根在土壤中分布范圍較廣以及根系的吸收表面積較大時(shí)，能夠更加高效地吸收氮素和水分。York等[8]研究表明，相對(duì)較多的側(cè)根數(shù)量和較長(zhǎng)的根毛有助于對(duì)土壤表層養(yǎng)分的吸收，而減少側(cè)根數(shù)量、減小側(cè)根進(jìn)入土壤的角度則有助于根系吸收更深層土壤中的養(yǎng)分。閆映宇等[9]研究認(rèn)為土壤含水量較大時(shí)，根系主要分布在淺層，側(cè)根橫向生長(zhǎng)比較旺盛，根冠比較小；土壤含水量降低后，總根長(zhǎng)增加，根系傾向于縱向伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致根冠比也增大?？梢姡敌螒B(tài)特征可以影響其對(duì)水分、氮和無(wú)機(jī)鹽的吸收，根據(jù)不同根系表型合理灌水、施肥，協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)間的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)低肥高效，在提高產(chǎn)量同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的污染[10]。

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。前人對(duì)棉花根系表型的研究多選用常規(guī)的大田品種，且品種比較單一。本研究選用從國(guó)內(nèi)外收集的88個(gè)基因型棉花種質(zhì)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其主要根系表型性狀，如總根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、根表面積、根體積、平均根夾角、平均根直徑、根冠比、側(cè)根密度及主根根尖區(qū)比例等的差異性及相關(guān)性進(jìn)行比較分析，以期為選育水肥高效利用種質(zhì)育種，提高水肥利用效率、保護(hù)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用88個(gè)棉花基因型作為試驗(yàn)材料(表1)。其中，78個(gè)基因型來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所國(guó)家棉花種質(zhì)資源庫(kù)，10個(gè)基因型由河南科技學(xué)院棉花研究所提供；來(lái)自國(guó)內(nèi)三大棉區(qū)(西北流域、黃河流域、長(zhǎng)江流域)的基因型72個(gè)，國(guó)外基因型16個(gè)。

1.2 幼苗培養(yǎng)

每個(gè)基因型取30粒飽滿的光籽，用10%的過(guò)氧化氫25 mL消毒30 min后用水沖洗干凈，再用無(wú)菌水浸泡12 h進(jìn)行催芽；然后每個(gè)基因型選取6顆露白的種子，均勻放置在用改良霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液浸透的無(wú)菌吸水紙中，將吸水紙卷在無(wú)菌PVC管周圍，然后豎直放入盛有5 L改良霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液的塑料容器中，表面覆蓋透氣的塑料薄膜以防止水分蒸發(fā)過(guò)快，置于溫室中進(jìn)行培養(yǎng)。

首先在冷光源下(光照12 h，黑暗12 h，白天溫度28℃，晚上溫度26℃)培養(yǎng)5 d，至棉花出苗且子葉由黃轉(zhuǎn)綠；之后調(diào)節(jié)為強(qiáng)光(光照12 h，黑暗12 h，光強(qiáng)為328 μE·m-2·s-1，白天溫度30 ℃，晚上溫度26℃)，培養(yǎng)7 d，至棉花主根與側(cè)根發(fā)育完全。每天定時(shí)在紙筒表面噴施多菌靈，防止種子出現(xiàn)霉變。

表1 不同棉花基因型編號(hào)

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 地上部干重 將棉苗地上部分莖、葉放入105℃烘箱殺青30 min， 80℃烘至恒重，待樣品冷卻到室溫后，用萬(wàn)分之一天平對(duì)莖、葉分別稱重，并記錄數(shù)據(jù)，兩者之和為地上部干重。

1.3.2 根系表型性狀 用Epson掃描儀在彩色模式下透射掃描棉苗根部，獲得根系照片，然后用Image J軟件測(cè)量獲取根系夾角，用WinRhizo圖像分析軟件分析計(jì)算，獲得主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根表面積、平均根直徑、根體積、側(cè)根數(shù)、側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根區(qū)長(zhǎng)、主根根尖區(qū)長(zhǎng)、側(cè)根密度、主根根尖區(qū)比例。其中，側(cè)根密度=側(cè)根數(shù)/側(cè)根區(qū)長(zhǎng)，主根根尖區(qū)長(zhǎng)=總根長(zhǎng)-側(cè)根區(qū)長(zhǎng)，主根根尖區(qū)比例=主根根尖區(qū)長(zhǎng)/主根長(zhǎng)。將掃描后的根系烘至恒重，稱重并計(jì)算根冠比(根冠比=根干重/地上部干重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系表型性狀的變異分析

對(duì)88個(gè)基因型的10個(gè)主要性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果(表2)顯示，除平均根夾角外，其它表型性狀不同基因型間均達(dá)到差異極顯著水平(P<0.01)。變異系數(shù)是衡量農(nóng)藝性狀變異程度的重要標(biāo)準(zhǔn)[11]。本研究結(jié)果表明，除平均根夾角外其他9個(gè)性狀的變異系數(shù)均超過(guò)10%，其中，側(cè)根長(zhǎng)變異系數(shù)最大，為86.07%；其次為總根長(zhǎng)、根表面積、主根長(zhǎng)，變異系數(shù)分別為60.42%、44.57%、41.42%；根體積、側(cè)根密度、主根根尖區(qū)比例、根冠比、平均根直徑的變異系數(shù)也較大，分別為35.10%、33.65%、31.72%、18.85%、17.93%。說(shuō)明參試棉花基因型根表型存在豐富的遺傳變異，尤其側(cè)根長(zhǎng)，改良潛力較大；而平均根夾角在各基因型之間差異最小，離散程度最低，穩(wěn)定性最好，改良潛力較小。

表2 參試基因型根系表型性狀的變異情況

2.2 根系表型性狀間的相關(guān)性

通過(guò)相關(guān)性分析可揭示性狀間是否存在依存關(guān)系及相關(guān)關(guān)系的方向與強(qiáng)度[12]。結(jié)果(表3)表明，除主根根尖區(qū)比例外，平均根夾角與其它根系表型性狀間均相關(guān)不顯著?？偢L(zhǎng)、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、根表面積、根體積之間均極顯著正相關(guān)(P<0.01)。平均根直徑與除側(cè)根密度及主根根尖區(qū)比例外的其它根系表型性狀均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與總根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、根表面積的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。根冠比與總根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、根表面積、根體積、平均根直徑、主根根尖區(qū)比例均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中，與主根長(zhǎng)顯著相關(guān)(P<0.05)，與根表面積、根體積、主根根尖區(qū)比例極顯著相關(guān)(P<0.01)。側(cè)根密度與總根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、根表面積、根體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與總根長(zhǎng)、根表面積顯著相關(guān)(P<0.05)，與主根長(zhǎng)極顯著相關(guān)(P<0.01)。主根根尖區(qū)比例除與根冠比、側(cè)根長(zhǎng)極顯著或顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，P<0.05)、與平均根夾角顯著正相關(guān)(P<0.05)外，與其余性狀間無(wú)顯著相關(guān)性。

可見，根系表型是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，彼此之間相互影響，且多個(gè)根系表型性狀都會(huì)通過(guò)影響根冠比而影響地上部干重，可通過(guò)對(duì)根系表型性狀的直接選擇改善地上部。

表3 參試基因型根系表型性狀的相關(guān)性

2.3 主成分分析

通過(guò)相關(guān)性分析可知，根系表型性狀之間存在信息重疊，因此利用主成分分析法進(jìn)行降維，并對(duì)88個(gè)基因型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果(表4)表明，依據(jù)特征值大于1的原則選取前3個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)77.872%，包含了上述表型性狀的絕大部分信息。其中，第1主成分的貢獻(xiàn)率最高，為47.928%，根表面積、總根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)及根體積對(duì)其正向影響較大，特征向量值分別為0.980、0.977、0.913、0.863和0.822，而平均根直徑對(duì)其負(fù)向影響較大，特征向量值為-0.660。第2主成分的貢獻(xiàn)率為17.341%，主根根尖區(qū)比例對(duì)其正向影響最大，特征向量值為0.719，而根冠比對(duì)其負(fù)向影響最大，特征向量值為-0.818。第3主成分的貢獻(xiàn)率為12.603%，平均根夾角、側(cè)根密度對(duì)其正向影響最大，特征向量值分別為0.783、0.521，而平均根直徑具有負(fù)向影響，特征向量值為-0.374。

表4 各根系表型性狀的特征根向量、特征根和貢獻(xiàn)率

2.4 聚類分析

依據(jù)上述分析結(jié)果，根表面積、總根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、根體積、主根根尖區(qū)比例、平均根夾角、側(cè)根密度對(duì)3個(gè)主成分的影響較大，而根表面積、總根長(zhǎng)、根體積與主根長(zhǎng)和側(cè)根長(zhǎng)密切相關(guān)，因此，依據(jù)主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、平均根夾角、側(cè)根密度、主根根尖區(qū)比例對(duì)參試88個(gè)基因型進(jìn)行聚類分析，可將其分為5類(表5)。第Ⅰ類包括16個(gè)基因型，該類棉花基因型平均根夾角小、主根長(zhǎng)中等、側(cè)根短、側(cè)根密度小、主根根尖區(qū)比例中等。第Ⅱ類包括32個(gè)基因型，該類棉花基因型平均根夾角大、主根長(zhǎng)中等、側(cè)根短、側(cè)根密度大、主根根尖區(qū)比例大。第Ⅲ類包括10個(gè)基因型，該類棉花基因型平均根夾角中等、主根短、側(cè)根短、側(cè)根密度大、主根根尖區(qū)比例小。第Ⅳ類包括4個(gè)基因型，該類棉花基因型平均根夾角小、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根密度中等、主根根尖區(qū)比例中等。第Ⅴ類包括26個(gè)基因型，該類棉花基因型平均根夾角中等、主根長(zhǎng)中等、側(cè)根長(zhǎng)中等、側(cè)根密度小、主根根尖區(qū)比例中等。

表5 聚類分析結(jié)果

3 討論

表型性狀研究是了解生物特性最簡(jiǎn)單、最直接的方式之一，已成為評(píng)價(jià)、鑒定、篩選優(yōu)異生物種質(zhì)的基礎(chǔ)[13]。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，長(zhǎng)度、形狀、在土壤中的空間分布等表現(xiàn)型與植物對(duì)水分及礦質(zhì)元素的吸收功能密切相關(guān)[14]，因此，分析作物根系表型不僅能為農(nóng)業(yè)合理灌溉、節(jié)約水資源提供指導(dǎo)，還可為農(nóng)田科學(xué)施肥、提高肥料利用效率提供依據(jù)。

棉花是直根系深根作物，由入土很深的主根、分布較廣的側(cè)根和眾多的根毛組成發(fā)達(dá)的根系網(wǎng)[15]。本研究對(duì)88個(gè)基因型的10個(gè)主要根系表型性狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，參試基因型存在豐富的遺傳變異，除平均根夾角外其它9個(gè)性狀的變異系數(shù)均超過(guò)10%，其中側(cè)根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根表面積、主根長(zhǎng)的變異系數(shù)較高，這為特定目的基因型篩選提供了可能。但根表面積、總根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、根體積之間存在顯著相關(guān)性，經(jīng)主成分分析降維[16]，得到3個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率可達(dá)77.872%，可解釋根表面積、總根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、根體積、主根根尖區(qū)比例、平均根夾角及側(cè)根密度的主要變異。基于上述結(jié)果，選擇平均根夾角、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根密度和主根根尖區(qū)比例5個(gè)參數(shù)對(duì)88個(gè)基因型進(jìn)行聚類分析，可將其分為根系表型各具特點(diǎn)的5類。

土壤表層的水分和氮肥資源隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸滲透到深層土壤，因此在大田生長(zhǎng)環(huán)境中，根系能快速延伸到深層土壤的品種往往能最優(yōu)地利用水分和氮肥資源[17-20]。Lynch[17]提出玉米理想的吸收水分和氮肥的根系特征是“夾角小、資源利用高效、分布深”。Zhan等[21]提出側(cè)根少但長(zhǎng)的根系表型可以作為篩選氮高效品種的一項(xiàng)可行性指標(biāo)。按此標(biāo)準(zhǔn)，參試第Ⅳ類棉花基因型的平均根夾角小、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根密度中等、主根根尖區(qū)比例中等，屬于水氮高效基因型，符合水氮高效育種的目標(biāo)。

磷素和鉀素在土壤中較為穩(wěn)定，不易發(fā)生滲漏，多分布在土壤的淺層。當(dāng)作物淺層根系的數(shù)量較多同時(shí)側(cè)根長(zhǎng)度較大時(shí)，根系有著較大的表面積且主要集中在地表附近，更有利于磷的高效吸收利用[22]。在低磷和低鉀條件下，側(cè)根密度大且土壤淺層中根系分布多的玉米基因型，磷和鉀吸收效率高，生物產(chǎn)量高[23]。根夾角大、側(cè)根密度大及低的代謝成本有利于淺層土壤中磷的獲取[24]，而利于磷吸收的根系表型同樣利于鉀的吸收[25]。因此，本研究中參試第Ⅱ類棉花基因型更有利于磷素和鉀素的高效吸收，符合磷和鉀高效育種的目標(biāo)。

4 結(jié)論

參試88個(gè)棉花基因型的側(cè)根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根表面積和主根長(zhǎng)變異程度較大，受基因型的影響較為顯著，改良潛力較大。10個(gè)根系表型性狀之間存在信息重疊，總根長(zhǎng)、根表面積、根體積與主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)顯著相關(guān)，可經(jīng)主成分分析降維為3個(gè)綜合指標(biāo)，根表面積、總根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、根體積、主根根尖區(qū)比例、平均根夾角、側(cè)根密度是其主導(dǎo)因子?；谄骄鶌A角、主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根密度、主根根尖區(qū)比例可將88個(gè)棉花基因型聚為5類，其中，第Ⅳ類屬于水氮高效基因型，第Ⅱ類屬于磷、鉀高效基因型。本研究結(jié)果可為棉花水肥高效利用種質(zhì)的選育以及闡述其水分和養(yǎng)分高效吸收利用機(jī)制提供依據(jù)。