基于PEG脅迫的不同棉花資源幼苗根系特征與抗旱性鑒定

張清華，韓永亮，孫 璐，劉紅耀，高彩虹，唐光雷

（邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北省作物雜種優(yōu)勢(shì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∕邯鄲市種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子輔助育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056000）

中國(guó)是一個(gè)人多地少水資源匱乏的國(guó)家，人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1∕4［1］，農(nóng)業(yè)用水的利用率僅占35%左右［2］，而發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)用水的利用率在70%～90%，由于中國(guó)人均水量少、利用效率低，缺水矛盾和受旱問(wèn)題更加激化［3］。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，旱情有加重趨勢(shì)。作為植棉大國(guó)，中國(guó)常年棉田面積約500萬(wàn)hm2［4］，其中雨養(yǎng)棉田200萬(wàn)hm2，約占總面積的40%［5］，主要分布在華北平原、黃土高原、長(zhǎng)江中游丘陵地帶；華北平原耕地面積占17%，而水資源僅占2.3%［5］。黃淮海平原每年干旱成災(zāi)面積約占全國(guó)旱災(zāi)面積的50.5%［5］；為了緩解糧棉爭(zhēng)水爭(zhēng)地的矛盾，多數(shù)棉田種植在水資源較少的地帶。在華北黃淮棉區(qū)，春旱夏澇常交替出現(xiàn)，導(dǎo)致棉花（Gossypium spp.）苗期經(jīng)常遇到干旱少雨的情況，因苗期受旱，棉花生長(zhǎng)受到抑制，加重了病、蟲危害甚至出現(xiàn)死苗、缺苗斷壟，造成了棉田生產(chǎn)上巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決上述問(wèn)題，選育節(jié)水抗旱棉花品種不僅是經(jīng)濟(jì)有效地增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)措施，而且對(duì)擴(kuò)大植棉面積提高水分利用率、促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。

關(guān)于作物抗旱性的可遺傳性研究，衛(wèi)云宗等［6］以不同類型小麥進(jìn)行雙列雜交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抗旱性遺傳背景是由加性基因、非加性基因和細(xì)胞質(zhì)基因共同構(gòu)成，抗旱性的廣義遺傳力為76.10%，而狹義遺傳力則為17.51%，所以抗旱性的鑒定和選擇應(yīng)在高世代；棉花方面，王俊娟等［7］在15.0%PEG脅迫條件下分析41份陸地棉種質(zhì)資源萌發(fā)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)胚根長(zhǎng)與抗旱性顯著相關(guān)；孫瑤等［8］利用PEG模擬干旱脅迫對(duì)73份棉花種質(zhì)芽期的抗旱性進(jìn)行篩選鑒定，認(rèn)為發(fā)芽率、下胚軸長(zhǎng)度和48 h吸水率的相對(duì)值可作為抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)；李憬霖等［9］分析了238份棉花資源的全生育期抗旱性，認(rèn)為株高、單鈴重、衣分及可溶性糖含量對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)較其他指標(biāo)更為敏感。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)棉花抗旱性鑒定研究多集中在萌發(fā)期、苗期和花鈴期，而PEG脅迫下棉花幼苗期內(nèi)不同階段的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)變化和抗旱性鑒定的研究則鮮見報(bào)道。本研究利用17個(gè)不同基因型的陸地棉花種質(zhì)資源，分別在苗期的1葉1心期、2葉1心期各自進(jìn)行PEG脅迫處理，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)觀察和測(cè)量指標(biāo)，分析棉花根系根長(zhǎng)、根表面積、根總體積、根直徑等指標(biāo)的相對(duì)增長(zhǎng)率，探討營(yíng)養(yǎng)缽條件下模擬干旱對(duì)棉花根系的影響，篩選出抗旱品系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試棉花種子來(lái)源于綜合性狀良好的新品系及部分育成品種、雜交組合一代，遺傳背景豐富，具有一定的代表性，材料共17份，編號(hào)分別為HL27、HL28、HL29、HL31、HL33、HL34、HL42、HL43、HL44、HL45、HL47、HL59、HL60、HL64、HL66、HL68、HL69，由邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院早熟棉研究室提供。

Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，青島海博生物技術(shù)有限公司；PEG6000，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2021年1—3月在邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的人工氣候室中進(jìn)行。采用二因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)［10］，2因素分別為品種（系）（17個(gè)水平）、PEG脅迫時(shí)間。其中PEG脅迫時(shí)間設(shè)2個(gè)水平：1葉1心期（t1）、2葉1心期（t2），每個(gè)水平各設(shè)1個(gè)對(duì)照。

1.2.2 試驗(yàn)過(guò)程取17份棉花材料的種子，每個(gè)品種（系）分為4份，其中2份用于處理，2份用于對(duì)照。先進(jìn)行育苗，選取子粒健康、飽滿、大小一致的棉花毛子，用75%的乙醇消毒1 min，再經(jīng)30%的H2O2表面滅菌30 min，用去離子水沖洗4次，27.5℃下浸種24 h，種在裝有石英砂的營(yíng)養(yǎng)缽中。保持營(yíng)養(yǎng)缽濕潤(rùn)，待長(zhǎng)出2片子葉后，用1∕2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液灌根，光照室中培養(yǎng)，12 h∕12 h（光照∕黑暗）、溫度27.5℃，保持相對(duì)濕度為60%～80%。每個(gè)棉花品種（系）每隔2 d補(bǔ)充1次營(yíng)養(yǎng)液，觀察記錄棉花的生長(zhǎng)勢(shì)、整齊度，第一組于1葉1心期時(shí)用7.5% PEG6000營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行模擬干旱脅迫預(yù)處理48 h，再用15.0%PEG6000營(yíng)養(yǎng)液（與之對(duì)應(yīng)的溶液水勢(shì)約為-0.4 MPa）對(duì)17份材料進(jìn)行連續(xù)灌根，5 d后對(duì)棉花各品種（系）苗期抗旱情況進(jìn)行表型鑒定、指標(biāo)測(cè)量；第二組于2葉1心期時(shí)開始上述預(yù)處理48 h+處理5 d；第三組（CK）僅用1∕2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，對(duì)17份材料進(jìn)行連續(xù)灌根；每組材料處理與對(duì)照均設(shè)3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的棉苗定苗5株。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)量測(cè)量的參數(shù)指標(biāo)及計(jì)算方法如下。

株高：試驗(yàn)終止時(shí)用直尺測(cè)量植株基部石英砂平面至植株頂端的高度。

利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)和i800型根莖掃描儀測(cè)量根全長(zhǎng)、根表面積、根總體積和根部平均直徑。所有處理、對(duì)照的測(cè)量指標(biāo)均取3株長(zhǎng)勢(shì)最好的幼苗進(jìn)行測(cè)量。各重復(fù)取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

根部性狀相對(duì)增長(zhǎng)率=（處理的根部性狀測(cè)量值-對(duì)照根部性狀測(cè)量值）∕對(duì)照根部性狀測(cè)量值

株高相對(duì)增長(zhǎng)率=（處理的株高測(cè)量值-對(duì)照株高測(cè)量值）∕對(duì)照株高測(cè)量值

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算出平均數(shù)、方差、變異系數(shù)，DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)方差分析、多重比較和系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花幼苗不同時(shí)期PEG脅迫對(duì)根系特性的影響

棉花幼苗不同時(shí)期PEG脅迫與對(duì)照的生長(zhǎng)指標(biāo)表現(xiàn)見表1。由表1可知，在15.0% PEG6000脅迫條件下，17份棉花幼苗材料，t1期處理組與對(duì)照組的5個(gè)指標(biāo)中根長(zhǎng)度顯著大于對(duì)照、根平均直徑和株高均顯著小于對(duì)照，根總體積明顯減小但未達(dá)到顯著水平，根表面積差異不顯著，表明t1期模擬干旱脅迫下植株地下部分和地上部均受到不同程度的抑制；t2期處理組與對(duì)照組的5個(gè)指標(biāo)中株高同樣顯著小于對(duì)照，其他4個(gè)根部指標(biāo)與對(duì)照差異均不顯著，表明t2期模擬干旱脅迫下僅有植株地上部分受到顯著抑制。

表1 棉花幼苗不同時(shí)期PEG干旱脅迫與對(duì)照的生長(zhǎng)指標(biāo)表現(xiàn)

從各性狀的變異系數(shù)可以看出，t1期處理組變異系數(shù)平均值為90.48%，變化幅度為14.68%～188.35%，對(duì)照組變異系數(shù)平均值為40.04%，變化幅度為19.60%～75.42%，表明模擬干旱脅迫加劇了品種間的根部形態(tài)及株高的差異；t2處理組變異系數(shù)平均值為24.87%，變化幅度為14.75%～34.81%，對(duì)照組變異系數(shù)平均值為32.09%，變化幅度為14.92%～50.93%，表明t2期模擬干旱脅迫使品種間根部的形態(tài)變異幅度趨于減小，各性狀以抑制為主。棉苗的根部性狀在干旱脅迫下不能正常表達(dá)而趨于一致。

2.2 PEG干旱脅迫下不同時(shí)期棉花幼苗根長(zhǎng)度的相對(duì)增長(zhǎng)率

PEG干旱脅迫下棉花幼苗根長(zhǎng)度的相對(duì)增長(zhǎng)率見表2。由表2可知，17個(gè)供試材料幼苗根長(zhǎng)度的相對(duì)增長(zhǎng)率品種間差異明顯，t1時(shí)期干旱脅迫下HL28的根長(zhǎng)增長(zhǎng)率為-0.14%，表明該品種在PEG脅迫下根的生長(zhǎng)略小于對(duì)照；其他品種的根長(zhǎng)增長(zhǎng)率均為正值，表明在PEG脅迫下根的生長(zhǎng)大于對(duì)照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根反而生長(zhǎng)加快。t2時(shí) 期 在15.0%PEG6000脅 迫 下HL33、HL42、HL43、HL44、HL59的根長(zhǎng)增長(zhǎng)率均為正值，表明根的生長(zhǎng)大于相應(yīng)對(duì)照；其他品種根長(zhǎng)增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下根的生長(zhǎng)小于相應(yīng)對(duì)照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根系長(zhǎng)度生長(zhǎng)變緩。

表2 PEG干旱脅迫下棉花幼苗根長(zhǎng)度的相對(duì)增長(zhǎng)率

2.3 PEG干旱脅迫下不同時(shí)期棉花幼苗根表面積的相對(duì)增長(zhǎng)率

棉花幼苗根表面積相對(duì)增長(zhǎng)率見表3。由表3可知，17個(gè)供試材料的幼苗根表面積相對(duì)增長(zhǎng)率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根表面積增長(zhǎng)率均為正值，表明這些品種在PEG脅迫下根的表面積生長(zhǎng)大于相應(yīng)對(duì)照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根的表面積增大；其他品種根表面積增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下根的表面積增長(zhǎng)小于相應(yīng)對(duì)照。t2期干旱脅迫下HL33、HL42、HL43、HL59的根表面積增長(zhǎng)率均為正值，HL44、HL64為0，表明6個(gè)品種的根表面積大于或等于相應(yīng)對(duì)照，在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根表面積增加較快或基本不受影響；其他品種表面積增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下根的表面積小于相應(yīng)對(duì)照。t2期比t1期負(fù)值的品種減少，表明根表面積抗旱性隨著棉花的生長(zhǎng)而增強(qiáng)。

表3 棉花幼苗根表面積相對(duì)增長(zhǎng)率

2.4 PEG干旱脅迫下不同時(shí)期棉花幼苗根總體積的相對(duì)增長(zhǎng)率

棉花幼苗根總體積的相對(duì)增長(zhǎng)率見表4。由表4可知，17個(gè)供試材料的幼苗根總體積相對(duì)增長(zhǎng)率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根總體積增長(zhǎng)率均為正值，表明這4個(gè)品種在PEG脅迫下根的總體積大于相應(yīng)對(duì)照，其他品種根體積增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下根的體積小于相應(yīng)對(duì)照。t2期干旱脅迫下HL33、HL43、HL59、HL64、HL69的根體積增長(zhǎng)率均為正值，其他品種根體積增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下根的體積小于相應(yīng)對(duì)照，即在干旱脅迫條件下這12個(gè)品種的根系體積受到抑制。

表4 棉花幼苗根體積相對(duì)增長(zhǎng)率

2.5 PEG干旱脅迫下不同時(shí)期棉花幼苗根直徑的相對(duì)增長(zhǎng)率

棉花幼苗根的平均直徑相對(duì)增長(zhǎng)率見表5。由表5可知，17個(gè)供試材料的幼苗根平均直徑相對(duì)增長(zhǎng)率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根直徑增長(zhǎng)率均為正值，表明該品種在PEG脅迫下根直徑大于相應(yīng)對(duì)照；其他品種根直徑增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下根的直徑小于相應(yīng)對(duì)照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根的直徑受到抑制。t2期干旱脅迫下HL27、HL28、HL33、HL34、HL43、HL45、HL59、HL64、HL68、HL69的根平均直徑均為正值，表明根的直徑大于相應(yīng)對(duì)照；其他品種均為負(fù)值表明在PEG脅迫下根直徑小于相應(yīng)對(duì)照，即在15.0%PEG6000水分脅迫條件下根系直徑生長(zhǎng)變緩。t2期比t1期正值的品種數(shù)量增加，表明根直徑抗旱性隨著棉花的生長(zhǎng)而增強(qiáng)。

表5 棉花幼苗根平均直徑相對(duì)增長(zhǎng)率

2.6 PEG干旱脅迫下不同時(shí)期棉花幼苗株高的相對(duì)增長(zhǎng)率

棉花幼苗株高的相對(duì)增長(zhǎng)率見表6。由表6可知，17個(gè)供試材料的幼苗株高相對(duì)增長(zhǎng)率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL31、HL42、HL47、HL43、HL59、HL64、HL66的株高增長(zhǎng)率大于或等于0，表明這些品種受旱脅迫影響較?。黄渌贩N株高增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明在PEG脅迫下棉花地上部分生長(zhǎng)受到抑制。t2期干旱脅迫下HL27、HL28、HL31、HL33、HL34、HL42、HL60、HL64、HL66、HL68、HL69的株高增長(zhǎng)率均為負(fù)值，表明這些品種在干旱脅迫下株高受到抑制。

表6 棉花幼苗株高相對(duì)增長(zhǎng)率

2.7 干旱脅迫下17個(gè)棉花品種5個(gè)主要指標(biāo)的系統(tǒng)聚類分析

以17個(gè)棉花品種根系的根長(zhǎng)度、株高、根系平均直徑、根總體積、根表面積的相對(duì)增長(zhǎng)率5個(gè)指標(biāo)作為變量，在DPS 7.05軟件中進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，在歐氏距離1.97～3.95下，將供試17個(gè)棉花品種（系）可以分為3類：第一類HL64單獨(dú)為一類，在t1期、t2期均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性；第二類包括LH28、HL59、HL66、HL60，這4個(gè)品種在t1期抗旱性表現(xiàn)較好，t2期抗旱性指標(biāo)有所下降但仍表現(xiàn)抗旱性；第三類為HL31、HL47、HL68、HL27、HL45、HL33、HL44、HL29、HL69、HL34、HL43、HL42，該類下又可以分為2類，一類為HL31、HL47、HL68，這3個(gè)品種在2個(gè)時(shí)期對(duì)干旱脅迫均較敏感，表現(xiàn)較差；另一類為HL27、HL45、HL33、HL44、HL29、HL69、HL34、HL43、HL42，這9個(gè)品種普遍在t1期較敏感，t2期抗旱性略有增強(qiáng)。

圖1 17個(gè)棉花品種聚類分析

3 討論

作物干旱的發(fā)生通常是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，由于土壤水分逐漸減少，干旱癥狀逐漸顯出。本研究采用7.5%PEG6000預(yù)處理48 h模擬輕度干旱，再由15.0%、7.5%PEG6000處理5 d模擬中度干旱條件，發(fā)現(xiàn)在t1期和t2期輕度干旱處理下的植株表型與對(duì)照均無(wú)差別，這與李平等［11］、南建福等［12］的研究結(jié)果基本一致。說(shuō)明PEG分梯度脅迫模擬干旱的方法更接近田間的干旱表現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)處理組與對(duì)照組進(jìn)行比較，結(jié)合顯著性分析發(fā)現(xiàn)，t1期的根長(zhǎng)度、根平均直徑、株高指標(biāo)差異顯著，t2期僅有株高差異顯著，表明t1期比t2期更容易受到PEG的影響。這與張雪妍等［13］的棉花從萌發(fā)期到真葉期的抗旱性呈先下降再升高的趨勢(shì)的結(jié)論有一定的相似性，說(shuō)明在真葉期，棉花抗旱性隨著棉花的生長(zhǎng)發(fā)育而呈增強(qiáng)趨勢(shì)。本研究通過(guò)對(duì)根系相對(duì)增長(zhǎng)率的比較分析發(fā)現(xiàn)，棉花抗旱性由多個(gè)根部指標(biāo)綜合表現(xiàn)決定。在t1期雖然大部分品種的根長(zhǎng)明顯增長(zhǎng)，但是僅有少數(shù)能表現(xiàn)出抗旱性。綜合其他根部性狀來(lái)看，能在干旱條件下維持較大的根體積和表面積并具有穩(wěn)定的根直徑的棉花品種，均具有較好的抗（耐）旱性。這與張海燕等［14］的抗旱棉花品種的根系在旱脅迫條件下依然能夠保持較好生長(zhǎng)趨勢(shì)的研究結(jié)果非常相近。

4 小結(jié)

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%的PEG6000脅迫供試棉花幼苗，從17個(gè)材料中篩選出抗旱性最好的品種為L(zhǎng)H64，較好的品種為L(zhǎng)H28、HL59、HL66、HL60。隨著棉花苗期的生長(zhǎng)發(fā)育，供試棉花幼苗對(duì)15.0%PEG6000耐受性有所提高。