棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性差異研究及種質(zhì)鑒定

杜 磊, 雄東畢, 趙海紅, 李成奇

(1.運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系, 山西 運(yùn)城 044000; 2.阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 新疆 阿克蘇 843000)

我國(guó)鹽堿地面積約為1億hm2,位居世界第三,土壤鹽堿化已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一。棉花作為耐鹽先鋒植物,不僅可以在鹽堿地種植,還可改良土壤,近年來(lái),種植區(qū)域逐漸向鹽堿地轉(zhuǎn)移[1]。研究表明,萌發(fā)期和苗期棉花的耐鹽能力較差,比較適合進(jìn)行耐鹽材料的篩選鑒定[2]?；诖?通過(guò)萌發(fā)期和苗期棉花品種耐鹽性鑒定,篩選優(yōu)良材料,進(jìn)而培育適合在鹽堿地種植的新品種,不僅能提高棉花產(chǎn)量和棉纖維品質(zhì),確保我國(guó)棉花產(chǎn)業(yè)安全,也可以更加充分有效地利用鹽堿地,提高我國(guó)土地資源利用率。

前人已開展了很多關(guān)于棉花萌發(fā)期和苗期種質(zhì)資源的耐鹽篩選鑒定以及鑒定方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究,但試驗(yàn)多數(shù)是在室內(nèi)進(jìn)行,室內(nèi)環(huán)境同大田環(huán)境差異較大[3-6]。本研究萌發(fā)期耐鹽鑒定在室內(nèi)進(jìn)行,苗期耐鹽鑒定在大田鹽堿地進(jìn)行,以確保試驗(yàn)結(jié)果更客觀、更科學(xué)。以246份棉花種質(zhì)資源為材料,在因子分析基礎(chǔ)上,采用單項(xiàng)因子分析和綜合因子分析,力求更全面客觀地分析棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性的區(qū)別與聯(lián)系;在此基礎(chǔ)上,采用聚類分析進(jìn)行棉花耐鹽性鑒定,以期為耐鹽棉花種質(zhì)資源的收集、評(píng)價(jià)和利用工作提供參考,為棉花耐鹽新品種的培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為246份棉花品種(系),分別來(lái)自黃河流域(139個(gè))、長(zhǎng)江流域(63個(gè))、西北內(nèi)陸(21個(gè))和北部特早熟(15個(gè))等四大棉區(qū),另有6個(gè)引自美國(guó),2個(gè)材料來(lái)源未知。所有材料均經(jīng)過(guò)多代自交。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1萌發(fā)期耐鹽鑒定

萌發(fā)期耐鹽鑒定采用雙層濾紙培養(yǎng)法。每個(gè)品種采用0 mmol/L(ck)和150 mmol/L的NaCl溶液處理。每處理50粒種子,共3次重復(fù)。以胚根長(zhǎng)達(dá)到種子1/2長(zhǎng)度為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),分別統(tǒng)計(jì)第3天、第7天的發(fā)芽數(shù)目。以所有已發(fā)芽種子的平均胚根長(zhǎng)為指標(biāo),測(cè)定第7天的胚根長(zhǎng)度[7-8]。

1.2.2苗期耐鹽鑒定

試驗(yàn)于2020—2021年在運(yùn)城鹽湖附近的許賈村鹽堿地進(jìn)行,通過(guò)2018—2019年監(jiān)測(cè)土壤含鹽量和觀測(cè)棉花長(zhǎng)相,確定了試驗(yàn)地塊,在試驗(yàn)當(dāng)年雨水偏少的6—7月份其土壤總鹽含量7.135 g/kg,電導(dǎo)率為3 128.1 μS/cm,pH值8.35,有機(jī)質(zhì)7.63 g/kg,速效鉀286.8 mg/kg,堿解氮18.64 mg/kg,速效磷10.46 mg/kg。對(duì)照處理在正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地塊種植。土壤總鹽含量1.835 g/kg,電導(dǎo)率為1 599 μS/cm,pH值7.66,有機(jī)質(zhì)15.39 g/kg,速效鉀303 mg/kg,堿解氮28.45 mg/kg,速效磷20.7 mg/kg。每個(gè)棉花品種(系)設(shè)為1個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)2次重復(fù)。田間管理同大田常規(guī)管理。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)《國(guó)家種子檢驗(yàn)規(guī)程》,以胚根長(zhǎng)≥1/2種子長(zhǎng)作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率等。

發(fā)芽勢(shì)/%=(3 d發(fā)芽種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率/%=(7 d發(fā)芽種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù))×100%;

胚根長(zhǎng)度:以所有已發(fā)芽種子的平均胚根長(zhǎng)為指標(biāo),用WinRhizo Pro根系掃描儀分析掃描圖片獲取根長(zhǎng),測(cè)定第7天的胚根長(zhǎng)度;

根冠比:地下部的鮮重/地上部的鮮重;

出苗率/%=(出苗種子數(shù)/試驗(yàn)播種數(shù))×100%;

成苗率/%=(兩葉一心時(shí)成苗種子數(shù)/試驗(yàn)播種數(shù))×100%;

相對(duì)值=鹽脅迫處理數(shù)值/對(duì)照處理數(shù)值;

變異系數(shù)/%=(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)×100%[7-10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件和SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、相關(guān)性分析、因子分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下棉花萌發(fā)期和苗期各性狀變化分析

前人研究顯示,本試驗(yàn)涉及的6個(gè)性狀中,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、胚根長(zhǎng)、出苗率、成苗率的數(shù)值變化同棉花耐鹽性呈正相關(guān),根冠比的數(shù)值變化同棉花耐鹽性呈負(fù)相關(guān)[3-6,11-12]。由表1可知,各性狀試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)同預(yù)期一致,但鹽脅迫對(duì)其影響程度差異較大。

胚根長(zhǎng)、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、成苗率和出苗率在鹽脅迫下所得數(shù)據(jù)的均值同對(duì)照組相比,依次降低了70.14%、26.56%、12.98%、8.81%和5.77%,其中胚根長(zhǎng)降幅最大,表明鹽脅迫對(duì)萌發(fā)期種子胚根伸長(zhǎng)存在明顯抑制作用。胚根長(zhǎng)在鹽脅迫處理下的變異系數(shù)為24.94%,數(shù)值依然比較大,表明鹽脅迫處理的濃度比較合適,在抑制棉花種子萌發(fā)的同時(shí),又使品種間的耐鹽性差異充分展現(xiàn)。

根冠比在鹽脅迫下所得數(shù)據(jù)的均值同對(duì)照組相比,增加了37.03%。說(shuō)明鹽脅迫對(duì)棉花地上部分的生長(zhǎng)抑制作用大于地下部分。

對(duì)照組和鹽脅迫處理下,大部分性狀的變異系數(shù)絕對(duì)值較大,表明本試驗(yàn)所研究的246份棉花品種(系)的耐鹽性存在較大差異。大部分性狀在鹽脅迫處理下的變異系數(shù)比對(duì)照組大,表明在150 mmol/L的NaCl溶液處理時(shí),246份棉花品種(系)的耐鹽性差異比0 mmol/L的 NaCl溶液處理時(shí)大,說(shuō)明本試驗(yàn)鹽脅迫濃度比較合適,在此濃度下不同品種間的耐鹽性差異被更好地展現(xiàn)出來(lái)。

表1 鹽脅迫下246份棉花種質(zhì)資源性狀統(tǒng)計(jì)Table 1 Character statistics of 246 cotton germplasm resources under salt stress

2.2 耐鹽性狀的相關(guān)性分析

由表2可知,鹽脅迫條件下,相對(duì)出苗率和相對(duì)成苗率,相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率均存在極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.823和0.880。種子萌發(fā)需要胚根伸長(zhǎng)去突破種皮,因此相對(duì)胚根長(zhǎng)和相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率之間均存在極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.665和0.571。棉花的根系屬于直根系,其主根發(fā)達(dá),主根主要由胚根發(fā)育而來(lái),因此相對(duì)胚根長(zhǎng)和相對(duì)根冠比之間也存在極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.284。

相對(duì)根冠比、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)出苗率和相對(duì)成苗率之間相關(guān)性較強(qiáng)。因?yàn)槊藁ㄓ酌珙愋蛯儆谧尤~出土幼苗,在出苗過(guò)程中需要胚根和下胚軸的伸長(zhǎng)才能把子葉頂出土,所以他們之間相關(guān)性較強(qiáng)。但相關(guān)系數(shù)不是很大,因?yàn)槌雒缏?、立苗率受外界環(huán)境影響較大。

2.3 耐鹽性狀的因子分析

由表2可知,多個(gè)性狀間相關(guān)性較高,具備提取公共因子的條件,可以采用因子分析的方法。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述6個(gè)性狀是否適合進(jìn)行因子分析,通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行KMO檢測(cè)和Bartlett球度檢測(cè)分析性狀間相關(guān)性。結(jié)果如表3所示,KMO值為0.583,大于0.5,表明因子分析可以進(jìn)行。Bartlett球度檢測(cè)值為865.486,大于100,且對(duì)應(yīng)的伴隨概率為0.00,小于顯著水平0.05,表明變量之間存在相關(guān)性[13]。

表2 6個(gè)性狀間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis among 6 traits

表3 KMO 和 Bartlett 的檢驗(yàn)Table 3 KMO and Bartlett test

由表4可知,通過(guò)因子分析從6個(gè)性狀中提取出3個(gè)公共因子,特征值分別為1.881、1.827和1.225,均大于1。3個(gè)公共因子分別解釋了6個(gè)性狀總方差的31.352%、30.455%和20.432%,共同解釋了6個(gè)性狀總方差的82.239%。放棄的其他3個(gè)因子解釋的總方差不到18%,信息丟失較少。

表4 3個(gè)公共因子的特征值及貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues of 3 common factors and their contribution rate

圖1 246個(gè)棉花品種鹽脅迫聚類分析Fig.1 Salt stress cluster analysis of 246 cotton varieties

表5為因子載荷矩陣,顯示了提取的3個(gè)公共因子與6個(gè)性狀間的相關(guān)性,可知公共因子1在相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率上載荷大,稱為萌發(fā)期公共因子。公共因子2在相對(duì)出苗率和相對(duì)成苗率上載荷大,稱為苗期公共因子,公共因子3在相對(duì)根冠比和相對(duì)胚根長(zhǎng)上載荷大,稱為根相關(guān)性狀公共因子。

2.4 耐鹽材料聚類分析及種質(zhì)資源篩選

各公共因子的得分系數(shù)矩陣見(jiàn)表6。據(jù)此可獲得各公共因子的得分函數(shù):

萌發(fā)期公共因子F1=-0.018X1-0.029X2-0.061X3+0.011X4+0.517X5+0.516X6

苗期公共因子F2=0.524X1+0.522X2+0.046X3-0.032X4-0.036X5-0.010X6

根相關(guān)性狀公共因子F3=0.027X1-0.026X2+0.756X3+0.618X4-0.002X5-0.027X6

將3個(gè)公共因子的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)分析,可得各棉花品種的耐鹽綜合得分:F=(31.352F1+30.455F2+20.432F3)/82.239。

表5 公共因子載荷矩陣Table 5 Loading matrix of common factors

表6 公共因子得分系數(shù)矩陣Table 6 Coefficient matrix of common factor scoring

利用系統(tǒng)分析法的組間聯(lián)接平均法進(jìn)行聚類分析,將246份棉花品種分為四類。如圖1所示,蘇棉9號(hào)、鄂棉14、冀邯3號(hào)、魯棉10號(hào)、魯棉11號(hào)、52-128、邯4849、鄂抗棉10號(hào)、遼棉13號(hào)、南通5號(hào)等10個(gè)品種為耐鹽材料(F值范圍為0.798～1.464),鹽棉48、中棉所40號(hào)、豫早73、冀棉20號(hào)、新陸早26號(hào)、新陸中8號(hào)、新陸中21號(hào)、黑山棉1號(hào)、蘇棉3號(hào)、遼棉17號(hào)、錦育5號(hào)、錦棉6號(hào)、朝陽(yáng)棉1號(hào)、邯棉559等14個(gè)品種為鹽敏材料(F值范圍為-2.103～-1.329)。

3 結(jié)論與討論

在因子分析中,可依據(jù)各因子得分進(jìn)行單項(xiàng)比較,也可依據(jù)綜合因子得分進(jìn)行綜合比較[13]。本試驗(yàn)分別通過(guò)單項(xiàng)和多項(xiàng)比較,分析了三種條件下棉花的耐鹽性。依據(jù)萌發(fā)期公共因子F1對(duì)材料萌發(fā)期耐鹽性進(jìn)行評(píng)價(jià)。F1值越大,材料萌發(fā)期耐鹽性越好;F1值越小,材料萌發(fā)期鹽敏性越好。依據(jù)苗期公共因子F2,對(duì)材料苗期耐鹽性進(jìn)行評(píng)價(jià)。F2值越大,材料苗期耐鹽性越好;F2值越小,材料苗期鹽敏性越好。依據(jù)綜合因子F,對(duì)材料的綜合耐鹽性進(jìn)行評(píng)價(jià)。F值越大,材料綜合耐鹽性越好;F值越小,材料綜合鹽敏性越好。

3.1 棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性差異分析

以綜合耐鹽性為判斷標(biāo)準(zhǔn),萌發(fā)期耐鹽性和綜合耐鹽性各自排名均屬于前30的有中棉所40號(hào)、邯棉559、鑫秋4號(hào)、錦育5號(hào)、蘇棉3號(hào)、遼棉14號(hào)、豫早73、新陸早26號(hào)、陜401和岱字棉15等10個(gè)材料,即在萌發(fā)期進(jìn)行棉花耐鹽性鑒定,準(zhǔn)確率為33.33%;苗期耐鹽性和綜合耐鹽性各自排名均屬于前30的有遼棉17號(hào)、百棉1號(hào)、新陸中21號(hào)和冀棉228等4個(gè)材料,即在苗期進(jìn)行棉花耐鹽性鑒定,準(zhǔn)確率為13.33%。表明在萌發(fā)期和苗期,可以優(yōu)先選擇萌發(fā)期進(jìn)行耐鹽性鑒定。

以綜合耐鹽性為判斷標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有三種條件下各自排名均屬于前30的材料,說(shuō)明本試驗(yàn)材料中沒(méi)有萌發(fā)期和苗期耐鹽性都很強(qiáng)的棉花品種。可以推測(cè)耐鹽性強(qiáng)的棉花品種,一般是萌發(fā)期或者苗期耐鹽性很強(qiáng),很少有品種在這兩個(gè)時(shí)期的耐鹽性都很強(qiáng);棉花萌發(fā)期耐鹽性和苗期耐鹽性不存在顯著相關(guān)性。其原因可能是兩個(gè)時(shí)期棉花的耐鹽機(jī)理不同,萌發(fā)期耐鹽性的主要機(jī)理是棉株抵抗?jié)B透脅迫,而苗期耐鹽性的主要機(jī)理是棉株通過(guò)拒鹽、離子區(qū)域化、滲透調(diào)節(jié)和活性氧清除等方式來(lái)抵抗離子毒害和滲透脅迫,同時(shí)苗期耐鹽性也體現(xiàn)了不同棉花品種的光合產(chǎn)物積累能力[14-15]。

3.2 棉花萌發(fā)期和苗期鹽敏性差異分析

以綜合鹽敏性為標(biāo)準(zhǔn),三種條件下各自排名均屬于前30的材料有52-128、邯4849、遼棉13號(hào)、南通5號(hào)、新陸中26、錦科棉9號(hào)和國(guó)欣棉11號(hào)等7個(gè)品種,即鹽敏材料中,萌發(fā)期和苗期都鹽敏的比例為7/30。表明棉花萌發(fā)期鹽敏性和苗期鹽敏性相關(guān)性較大。推測(cè)鹽敏材料一般萌發(fā)期和苗期的耐鹽性都較差,只要苗期或者萌發(fā)期耐鹽性強(qiáng),不會(huì)被認(rèn)定為鹽敏材料。

以綜合鹽敏性為標(biāo)準(zhǔn),萌發(fā)期鹽敏性和綜合鹽敏性各自排名均屬于前30的材料有52-128、邯4849、遼棉13號(hào)、奧棉618、金字棉、銀山7號(hào)、南通5號(hào)、中棉所35號(hào)、新陸中26、鄂抗棉10號(hào)、湘棉12號(hào)、徐州142、中棉所49號(hào)、錦科棉9號(hào)和國(guó)欣棉11號(hào)等15個(gè),即以萌發(fā)期判定材料鹽敏性,準(zhǔn)確率為50%。苗期鹽敏性和綜合鹽敏性各自排名均屬于前30的材料有南通5號(hào)、蘇棉9號(hào)、邯4849、冀邯3號(hào)、52-128、鄂棉14、魯棉10號(hào)、遼棉13號(hào)、魯棉11號(hào)、國(guó)欣棉11號(hào)、徐州514、嘉星1號(hào)、新陸中26、滬棉204、中棉所30號(hào)、錦科棉9號(hào)、川棉45、一樹紅和鄂抗棉3號(hào)等19個(gè),即以苗期判定材料鹽敏性,準(zhǔn)確率為63.33%。表明在萌發(fā)期和苗期,可以優(yōu)先選擇苗期進(jìn)行鹽敏鑒定。