42個新疆海島棉品種萌發(fā)期耐鹽性評價

趙 康 楊 濤 王紅剛 李生梅 龐 博 馬尚潔 高文偉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心，830052，新疆烏魯木齊）

土壤鹽漬化是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化的主要問題之一。它不僅直接危害農(nóng)作物，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，而且還會導(dǎo)致土壤退化，嚴(yán)重降低土地利用效率[1]。新疆降水稀少，蒸發(fā)量大，更有特殊地質(zhì)的影響，導(dǎo)致土壤中無機(jī)鹽聚集、濃度升高，容易發(fā)生土壤鹽漬化[2]。棉花（Gossypiumspp.）屬于錦葵科，是一種具有較好抗旱、耐鹽和耐瘠薄能力的作物[3]。而新疆等地區(qū)種植棉花有天然優(yōu)勢，能緩解糧棉爭地矛盾，保障糧食生產(chǎn)，發(fā)揮優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)產(chǎn)能[4-6]。

種子萌發(fā)是種胚從生命活動相對靜止恢復(fù)到生理活躍狀態(tài)的生長發(fā)育過程，易受外部環(huán)境的影響，其中鹽堿脅迫是最嚴(yán)重的生態(tài)限制因素之一[7]。前人在大豆[8]、小麥[9]、玉米[10]和棉花[11]等作物進(jìn)行了萌發(fā)期鹽脅迫處理，用于篩選耐鹽性種質(zhì)資源。季波等[12]對10種牧草種子的研究發(fā)現(xiàn)，相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)均隨著鹽脅迫濃度的增大呈不同程度的降幅。葉武威[13]通過對棉花耐鹽性的生理遺傳研究，確立了0.4%鹽量脅迫法作為棉花種質(zhì)耐鹽性鑒定方法。張國偉等[14]發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度鹽脅迫（150mmol/L）是鑒定棉花耐鹽性的適宜鹽濃度。

在棉花耐鹽鑒定中，模糊隸屬函數(shù)值法[14]和主成分分析[15]是重要的統(tǒng)計和評價方法，得到廣泛的應(yīng)用。張國偉等[14]利用隸屬函數(shù)值法進(jìn)行棉花耐鹽性評價，而吳文超等[15]用主成分分析鑒定棉花耐鹽性和選擇棉花耐鹽性指標(biāo)。也有學(xué)者[16]將2種方法進(jìn)行統(tǒng)一綜合性評價，但這種方法在棉花耐鹽性評價上鮮有研究。因此，本研究對42份棉花種質(zhì)進(jìn)行鹽脅迫，測定相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對鮮重4個指標(biāo)，運(yùn)用隸屬函數(shù)值法和主成分分析對海島棉品種進(jìn)行萌發(fā)期綜合評價，篩選耐鹽種質(zhì)，為棉花及耐鹽新品種培育提供理論依據(jù)和鑒定方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

42份海島棉材料由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心提供，分別為新海14、新海13、新海21、新海24、新海25、新海26、新海27、新海28、新海29、新海30、新海31、新海33、新海 34、新海 35、新海 36、新海 32、N9247、塔 07-152、N9107、06-146、軍海1號、吐82-5-9、孔雀202、孔雀201、孔雀200、吐75-6、墨-1413、新海5號、巴 238、吐 79-713、吐 77-104、巴 66-284、巴-5507、吐75-238、V9-2、巴州-3021、吐75-193、新海2號、塔海-901、巴州-3244、巴州-3761和吐77-55。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院進(jìn)行，參照文獻(xiàn)[14]方法，棉種用0.1%HgCl溶液消毒15min后，用蒸餾水沖洗5次，消毒完畢后用蒸餾水浸泡種子至露白。將50粒種子置于鋪有一層發(fā)芽紙的發(fā)芽盒內(nèi)，并于種子表面鋪一層發(fā)芽紙。然后滴加150mmol/L的NaCl溶液10mL為脅迫組，正常組滴加蒸餾水10mL，均設(shè)置2個重復(fù)。人工氣候箱設(shè)置晝夜溫度26℃/18℃，晝夜時長為8h/16h，相對濕度65%，光照強(qiáng)度12 000lx。在種子萌發(fā)過程中，每天記錄發(fā)芽情況，于第7天隨機(jī)選取5株幼苗，計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，稱量鮮重。

1.3 計算公式

參考高春華等[16]和Sikder等[17]分別計算相對發(fā)芽率（relative germination rate，RGR）、相對發(fā)芽勢（relative germination potential，RGP）、相對發(fā)芽指數(shù)（relative germination index，RGI）、相對鮮重（relative fresh weight，RGW）、發(fā)芽率鹽害率（salt injury rate of germination rate，SIRGR）、發(fā)芽勢鹽害率（salt injury rate of germination potential，SIRGP）、發(fā)芽指數(shù)鹽害率（salt injury rate of germination index，SIRGI）和鮮重鹽害率（salt injury rate of fresh weight，SIRFW），計算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0軟件分析數(shù)據(jù)，通過計算得到每個指標(biāo)相對值，再利用隸屬函數(shù)法[18-19]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式為：

式中，Xi表示第i個指標(biāo)值；Xmin和Xmax分別表示第i個指標(biāo)的最小值和最大值，獲取每個鹽濃度下每份供試材料各測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對海島棉萌發(fā)期各指標(biāo)的影響

由表1可知，在鹽脅迫下，42份海島棉資源的RGR、RGP、RGI和RFW均有所下降，但降低幅度不同，均值為30.19%～50.83%，變異系數(shù)為41.70%～66.30%。其中吐82-5-9的RGR、RGP和RFW均最大；新海36的RGR、RGP和RGI均最小。

表1 海島棉萌發(fā)期各指標(biāo)耐鹽系數(shù)Table 1 Salt tolerance coefficient of each index during the germination period of sea-island cotton

在鹽脅迫下，海島棉鹽害率指標(biāo)表現(xiàn)出不同的變化幅度。鹽害率指標(biāo)的均值為49.17%～69.81%，變異系數(shù)為26.67%～46.72%。

2.2 海島棉各耐鹽指標(biāo)相關(guān)性分析

海島棉鹽脅迫下各指標(biāo)相關(guān)性（表2）表明。RGR、RGP、RGI和RFW間均呈極顯著正相關(guān)；鹽害率指標(biāo)間呈極顯著性正相關(guān)；其中RGI與RGR和RGP呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最高，分別為0.914和0.910；RGR、RGP、RGI和RFW與各自的鹽害率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（R=-1.000）。

表2 鹽脅迫下棉花各指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of cotton indexes under salt stress

2.3 海島棉各性狀指標(biāo)的頻率分布

由圖1可知，42份海島棉種質(zhì)資源的RGR的分布比較集中，主要分布在20%～90%，≥50%的品種有22個。RGP分布比較集中，主要分布在0%～70%，≥50%的品種有7個。RGI分布比較集中，主要分布在10%～60%，≥50%的品種有7個。RFW分布比較分散，主要分布在20%～40%、60%～80%和100%，≥50%的品種有14個。

圖1 不同海島棉品種相對耐鹽指數(shù)頻率的分布圖Fig.1 Frequency distribution of relative salt tolerance indexes of different sea-island cotton varieties

SIRGR分布比較分散（圖2），主要分布在10%、30%～70%。SIRGP分布比較集中主要分布在30%～100%。SIRGI的分布比較集中，主要分布在30%～90%。鮮重鹽害率的分布比較分散，主要分布在10%～40%和60%～80%。

圖2 不同海島棉品種鹽害率頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of salt damage rates of different sea-island cotton varieties

2.4 鹽脅迫下海島棉各指標(biāo)主成分分析

根據(jù)主成分分析選取2個主成分（表3）。第Ⅰ主成分貢獻(xiàn)率為74.91%，第Ⅱ主成分貢獻(xiàn)率為17.63%，2個主成分累計貢獻(xiàn)率為92.54%，能有效地反映數(shù)據(jù)變化的傾向，滿足主成分分析的必要條件。

表3 2個主成分的特征根值及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of two principal components

2個主成分與載荷矩陣反映出它們之間的相關(guān)性（表4）。第Ⅰ主成分與RGR、RGP、RGI和RFW呈極顯著或顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.908、0.911、0.978和0.621；與鹽害率呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.908、0.911、0.978和0.621。因此第Ⅰ主成分主要反映海島棉萌發(fā)和干物質(zhì)積累因子。第Ⅱ主成分與RFW呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.783；與SIRFW呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.783，主要反映含水量，因此可稱為海島棉含水量因子。

表4 各因子載荷矩陣Table 4 Load matrix of each factor

2.5 利用主成分綜合得分評價海島棉耐鹽性

根據(jù)主成分得分矩陣（表5），獲得第Ⅰ主成分的計算公式F1=0.151X1+0.152X2+0.163X3+0.104X4-0.151X5-0.152X6-0.163X7-0.104X8，第Ⅱ主成分的計算公式F2=-0.139X1-0.109X2-0.122X3+0.555X4+0.139X5+0.109X6+0.122X7-0.555X8。

表5 成份得分系統(tǒng)矩陣Table 5 Component score system matrix

主成分的綜合得分值（F）=0.7491F1+0.1763F2。根據(jù)主成分得分計算公式依次計算出海島棉各品種的F值，并進(jìn)行排序。由表6可知，耐鹽性最好的品種為吐82-5-9，軍海1號次之，塔07-152的耐鹽性最差。

表6 海島棉各品種耐鹽性主成分得分值和排序Table 6 Score and order of main components of salt tolerance of sea-island cotton varieties

2.6 利用模糊隸屬函數(shù)均值評價海島棉耐鹽性

42個海島棉種質(zhì)8個耐鹽指標(biāo)的隸屬函數(shù)值如表7所示。隸屬值越高，品種的耐鹽性越強(qiáng)，計算隸屬函數(shù)均值，確定了各品種的耐鹽性及綜合排序。吐82-5-9的隸屬函數(shù)均值最高，軍海1號次之，新海36的隸屬函數(shù)均值最低，耐鹽性最差。

表7 海島棉各品種耐鹽性指標(biāo)的隸屬函數(shù)均值Table 7 membership function mean of salt tolerance indexes of sea-island cotton varieties

2.7 不同海島棉品種耐鹽性的綜合性評價及聚類分析

由圖3可知，主成分綜合得分值和模糊隸屬函數(shù)均值呈極顯著正相關(guān)（R2=0.9719，P＜0.01），因此2種方法結(jié)合評價海島棉耐鹽性是可行和統(tǒng)一的。通過將主成分綜合得分值和模糊隸屬函數(shù)均值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并求平均值，獲得綜合評價值及其排序（表8）。由表8可知，耐鹽性綜合評價值最高的是吐82-5-9，其次是軍海1號，與主成分分析和隸屬函數(shù)分析結(jié)果一致，進(jìn)一步說明綜合性評價是可行的。

表8 海島棉品種耐鹽的綜合評價值及排序Table 8 Comprehensive evaluation value and ranking of salt tolerance of sea-island cotton varieties

圖3 不同海島棉品種隸屬函數(shù)均值和F值的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of membership function mean values and F-values of different sea-island cotton varieties

根據(jù)2種方法結(jié)合的綜合評價值進(jìn)行聚類分析，將42個海島棉種質(zhì)劃分為4類（圖4）。第Ⅰ類高耐鹽品種，為吐82-5-9；第Ⅱ類耐鹽品種，分別為軍海1號、新海30、新海31、吐77-55和新海35；第Ⅲ類弱耐鹽品種，分別為新海21、吐75-238、V9-2、新海26、孔雀202、新海5號、巴238、吐77-104、巴州-324、新海25、新海24、新海27、N9247、新海33、孔雀201、新海32、吐75-193、吐75-6和墨-1413；第Ⅳ類鹽敏感品種，分別為新海36、塔07-152、新海34、巴66-284、巴-5507、新海2號、新海14、新海28、新海29、孔雀200、塔海901、N9107、巴州-302、06-146、巴州-376、新海13和吐79-713。

圖4 42個海島棉品種聚類圖Fig.4 Cluster diagram of 42 sea-island cotton varieties

3 討論

本研究以新疆自育的42個海島棉種質(zhì)為試驗材料，進(jìn)行萌發(fā)期海島棉耐鹽性鑒定。結(jié)果表明，在鹽脅迫下RGR、RGP、RGI和RFW均受到不同程度的抑制，這與楊濤等[11]和蘇秀娟等[20]的研究結(jié)果一致。本研究表明，在鹽脅迫下棉花的耐鹽性指標(biāo)和鮮重鹽害率間均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

不同海島棉種質(zhì)的各耐鹽指標(biāo)頻率分布不均，RGR、RGP、RGI和RFW≥50%的品種數(shù)分別為22、7、7和14，表明鹽脅迫對發(fā)芽勢的影響大于發(fā)芽率，與前人[21]研究一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對發(fā)芽指數(shù)的影響大于鮮重。發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)應(yīng)作為海島棉耐鹽性的首要指標(biāo)。

本研究中，主成分對應(yīng)較大的特征因子是RGR、RGP、RGI和RFW，這與王寧等[22]研究結(jié)果一致。同時表明這4個指標(biāo)應(yīng)作為棉花萌發(fā)期耐鹽性指標(biāo)。多種分析方法綜合評價能有效彌補(bǔ)單一指標(biāo)造成評價片面的缺陷[23]。部分學(xué)者[14]用隸屬函數(shù)法評價棉花耐鹽性，但忽略了不同指標(biāo)的權(quán)重。主成分分析作為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)分析方法，是一種常用的多變量分析方法[24]。吳文超等[15]用此方法評價棉花耐鹽性，但當(dāng)主成分的因子符號有正有負(fù)時，反映原始變量意義不明確。本研究通過這2種方法比較了海島棉種質(zhì)的耐鹽性，并發(fā)現(xiàn)二者之間呈極顯著正相關(guān)（R2=0.9719，P＜0.01），與前人[16]研究結(jié)果一致。本研究認(rèn)為，吐82-5-9為高耐鹽品種，這與部分學(xué)者[21,25]評價結(jié)果不一致，可能是前人研究材料較多，分布范圍較廣有關(guān)。

4 結(jié)論

通過對42份海島棉種質(zhì)進(jìn)行萌發(fā)期耐鹽性脅迫，表明在鹽脅迫下各海島棉的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和鮮重均受到不同程度的抑制；鹽脅迫對相對發(fā)芽勢的影響大于相對發(fā)芽率，對相對發(fā)芽指數(shù)的影響大于相對鮮重；確定相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對鮮重可以作為海島棉萌發(fā)期耐鹽性指標(biāo)。

海島棉萌發(fā)期各指標(biāo)主成分分析和隸屬函數(shù)值法存在相關(guān)性，通過二者的綜合評價值，將42份海島棉種質(zhì)聚成4類，第Ⅰ類包括1個高耐鹽品種吐82-5-9，第Ⅱ類包括5個中耐鹽品種，分別為軍海1號、新海30和新海31等，第Ⅲ類包括19個弱耐鹽品種，分別為新海21、吐75-238和V9-2等，第Ⅳ類包括17個鹽敏感品種，分別為新海36、塔07-152和新海34等。