棉花抗旱性綜合評(píng)價(jià)及其相關(guān)性分析

王月平, 徐劍文, 趙 君, 劉劍光, 王寧山, 程俊凌, 馮國(guó)禮, 艾尼江, 陳全家, 肖松華,

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游棉花和油菜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210014; 3.石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,新疆 石河子 832000)

棉花是新疆重要的經(jīng)濟(jì)作物,對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的增收致富具有重要意義,同時(shí)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全布局中的重要一環(huán)。新疆是中國(guó)最大的產(chǎn)棉區(qū),年產(chǎn)量在5.0×106t左右,占國(guó)內(nèi)棉花產(chǎn)量的80%以上,占國(guó)內(nèi)紡織業(yè)總需求的64%以上,承擔(dān)了中國(guó)棉花供給的重任。得益于農(nóng)業(yè)科技的提升以及本地良好的光熱條件,新疆地區(qū)棉花的產(chǎn)量逐年提升[1]。但由于當(dāng)?shù)鬲?dú)特的地理環(huán)境,有限的降雨極大地限制了新疆棉花的生產(chǎn),同時(shí)也對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源環(huán)境帶來(lái)愈加嚴(yán)峻的壓力。進(jìn)一步提高棉花的抗旱性是解決這一困境積極有效的方式,因此建立一套準(zhǔn)確高效的抗旱鑒定方法對(duì)棉花品系進(jìn)行鑒定篩選是完成這一育種目標(biāo)不可或缺的途徑。

作物在受到干旱脅迫時(shí),對(duì)環(huán)境的適應(yīng)和抵御能力被稱(chēng)為抗旱性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在各種作物的各個(gè)生育時(shí)期,針對(duì)作物抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選開(kāi)展了大量研究[2-6]。在抗旱性鑒定方法上,目前主要采用室內(nèi)盆栽反復(fù)干旱法、大田直接鑒定法和聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)滲透脅迫法等在不同的空間、脅迫程度、脅迫方式、生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)作物的抗旱性進(jìn)行鑒定。PEG水溶液作為一種高滲溶液調(diào)節(jié)劑,具有保持穩(wěn)定滲透壓、不含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、無(wú)毒害、重復(fù)性好、使活細(xì)胞緩慢吸水、可模擬田間干旱環(huán)境等特征,被廣泛應(yīng)用于各種植物的抗旱性研究中[6-12]。在棉花中,PEG也被用于各生育期的抗旱性鑒定。張雪妍等[13]利用PEG-6000滲透脅迫法進(jìn)行棉花萌發(fā)期的抗旱性鑒定;王晨[14]利用PEG-6000處理棉花植株,發(fā)現(xiàn)在相同的干旱脅迫條件下,耐旱棉花品種具有更強(qiáng)的生理調(diào)控和生長(zhǎng)維持能力。室內(nèi)PEG滲透脅迫具有簡(jiǎn)單易行、環(huán)境條件可控、重復(fù)性好、試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn),適用于棉花抗旱性的篩選工作。

與抗旱相關(guān)的表型性狀多為數(shù)量性狀,受環(huán)境和多基因控制。在作物的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段,不同的鑒定指標(biāo)被用于抗旱性鑒定。作物受到干旱脅迫時(shí),表型形態(tài)和生存能力會(huì)發(fā)生變化,表型差異和成活率常被用作抗旱性的鑒定指標(biāo)[15-16]。在棉花的各生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期,不同的鑒定指標(biāo)被選擇用來(lái)對(duì)抗旱性進(jìn)行鑒定。在萌發(fā)期,隨著水勢(shì)的下降,棉花的發(fā)芽率、發(fā)芽速度、發(fā)芽指數(shù)等均出現(xiàn)不同程度的降低,常被選擇用于抗旱性鑒定[17];在苗期,棉花的植株干質(zhì)量、根干質(zhì)量、主根根長(zhǎng)常被選擇作為抗旱性鑒定指標(biāo)[18];在成株期,單株產(chǎn)量、果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)、始節(jié)位和始節(jié)高度等農(nóng)藝性狀常作為抗旱性鑒定的評(píng)價(jià)指標(biāo)[19]。

植物在受到干旱脅迫后,會(huì)發(fā)生包括光合作用、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝、抗氧化酶活性等在內(nèi)的一系列生理生化響應(yīng),從而改變植株的外部形態(tài)。這些生理指標(biāo)的變化反映了作物在干旱脅迫下受到的不同程度的影響[2,20-21]。研究結(jié)果表明,可溶性糖(Soluble saccharide, SS)會(huì)在受到干旱脅迫的植物體內(nèi)積累,通過(guò)降低滲透勢(shì)保持植物細(xì)胞水分,從而提高植物抗旱性;植物體內(nèi)各種抗氧化物酶的活性差異也與植物的抗旱能力緊密相關(guān),其中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD)具有清除氧自由基的能力,其活性的提高能夠增強(qiáng)植物的抗逆性[22]。此外,作物葉片的相對(duì)含水量、可溶性蛋白質(zhì)含量、丙二醛(Malonaldehyde, MDA)含量也是與抗旱性顯著相關(guān)的重要生化指標(biāo),其中MDA是膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一,它的積累會(huì)加劇生物膜的損傷[23]。在棉花中,POD活性、MDA含量、脯氨酸(Proline, PRO)含量、葉片相對(duì)電導(dǎo)率、離體葉片失水速率等均是抗旱鑒定的重要指標(biāo)[19]。

為建立棉花資源抗旱性鑒定評(píng)價(jià)體系,本研究擬利用PEG滲透脅迫法對(duì)苗期陸地棉品系進(jìn)行模擬干旱處理,在調(diào)查苗期植株表型性狀的同時(shí),對(duì)生理指標(biāo)也進(jìn)行測(cè)定,通過(guò)主成分分析法、隸屬函數(shù)法、聚類(lèi)分析等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)棉花抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),建立苗期綜合抗旱鑒定模型。進(jìn)一步與成株期田間抗旱鑒定結(jié)果進(jìn)行比較,對(duì)模型的精度進(jìn)行評(píng)價(jià),篩選抗旱資源和干旱敏感資源,為棉花抗旱育種工作提供重要理論和材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用50份棉花資源中11份(中資1061、中資1091、中資1149、中資1155、中資1161、中資1194、中資1205、中資2017、中資2130、中資4120、中資6170)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供,6份(通大007、通大049、通大050、通大414、通大521、泗抗1號(hào))由南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供,其余33份材料由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所多年收集并保存。

1.2 苗期指標(biāo)的測(cè)定

稱(chēng)量50 g育苗基質(zhì)裝入底部帶有孔洞的紙杯(上口徑7 cm,下口徑5 cm,高5.8 cm)。挑選大小一致且飽滿的棉花種子浸泡在清水中催芽24 h后播種,1杯1粒。設(shè)3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)15粒種子,在托盤(pán)上隨機(jī)擺放。

表型性狀的調(diào)查:待幼苗生長(zhǎng)到兩葉一心,澆灌25% PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,每杯50 ml,以清水處理作為對(duì)照。處理當(dāng)天和7 d后分別取子葉、第二片真葉和莖,測(cè)定地上部鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量,105 ℃殺青15 min,60 ℃烘干72 h之后測(cè)定干質(zhì)量;測(cè)量地上部最低處到第一個(gè)子葉節(jié)的高度為子葉節(jié)高度,同時(shí)測(cè)量棉花幼苗主根長(zhǎng)度。

生理指標(biāo)的測(cè)定:參考《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》,采用酸性茚三酮法測(cè)定植物體內(nèi)PRO含量,采用黃嘌呤氧化酶法測(cè)定SOD活性,采用POD催化過(guò)氧化氫的原理來(lái)測(cè)定POD活性,采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量,采用蒽酮比色法測(cè)定SS含量[24]。本試驗(yàn)中生理指標(biāo)均使用南京建成生物工程研究所的試劑盒進(jìn)行測(cè)定,檢測(cè)所用酶標(biāo)儀為瑞士TECAN公司生產(chǎn)的SPARK 10M型,每5株葉片等量混合為1次重復(fù),設(shè)3次重復(fù)。

1.3 成株期指標(biāo)的測(cè)定

試驗(yàn)于2021年在新疆石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院干旱鑒定田開(kāi)展。播種前在試驗(yàn)區(qū)劃分干旱脅迫區(qū)與對(duì)照區(qū),中間設(shè)置3 m隔離區(qū),均采用1膜2行(窄膜,膜寬0.70 m) 種植。每個(gè)材料種1行,隨機(jī)排列,3次重復(fù),小區(qū)面積0.9 m2,行長(zhǎng)3 m,行距0.3 m,株距0.1 m。旱池邊緣設(shè)二膜保護(hù)行,采用膜下滴灌灌水方式。對(duì)照組第1次澆水時(shí)間為6月20日,每7～10 d澆1次水。干旱脅迫組不澆水,當(dāng)田間土壤含水量達(dá)3%時(shí),持續(xù)脅迫20 d后復(fù)水1次。

農(nóng)藝性狀指標(biāo)的測(cè)定:調(diào)查干旱脅迫處理和對(duì)照的株高、果枝數(shù)、果枝始節(jié)高、果枝始節(jié)數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù),每個(gè)品種選取均一穩(wěn)定的10株進(jìn)行測(cè)定,取平均值。

產(chǎn)量性狀的測(cè)定:每個(gè)品種(品系)于成熟期收取中上部棉鈴20個(gè),調(diào)查單鈴質(zhì)量,并計(jì)算理論產(chǎn)量;收取各品種(品系)全部籽棉,計(jì)算實(shí)際籽棉產(chǎn)量和實(shí)際皮棉產(chǎn)量。

纖維品質(zhì)數(shù)據(jù)委托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)定,檢測(cè)指標(biāo)包括纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、整齊度、伸長(zhǎng)率和成熟度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的整理,并利用SPSS 26軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)分析并計(jì)算抗旱系數(shù)(Drought resistance coefficient,DC),對(duì)具有顯著差異的指標(biāo)的DC值進(jìn)行主成分分析,得到成分矩陣以及總方差解釋表。根據(jù)公式計(jì)算抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)(Drought resistance indexes,DI)、抗旱隸屬函數(shù)值(Drought resistance membership function value,DM)、綜合抗旱系數(shù)(Comprehensive drought resistance coefficient,CDC)和綜合抗旱指數(shù)(Comprehensive drought resistance index,CDI)。采用模糊隸屬函數(shù)法計(jì)算抗旱性綜合度量值(Comprehensive drought resistance measure value,D)和加權(quán)抗旱性系數(shù)(Weighted drought resistance coefficient,WDC),對(duì)50份材料進(jìn)行抗旱綜合評(píng)價(jià)[25]。計(jì)算廣義遺傳力(Broad-sense heritability,H2),根據(jù)排名選擇最佳抗旱性評(píng)價(jià)模型,并根據(jù)其統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行聚類(lèi)分析。

抗旱系數(shù):

(1)

式中,Xi為在干旱脅迫下單個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值,CKi為正常澆水條件下指標(biāo)的測(cè)定值。

抗旱指數(shù):

(2)

式中,Xai為單個(gè)指標(biāo)的平均值。

抗旱隸屬函數(shù)值:

(3)

式中,DCmin和DCmax分別代表某單個(gè)指標(biāo)抗旱系數(shù)的最小值和最大值。

綜合抗旱系數(shù):

(4)

綜合抗旱指數(shù):

(5)

綜合抗旱度量值:

(6)

式中,Pi為單個(gè)指標(biāo)貢獻(xiàn)率,DMi為第i個(gè)指標(biāo)的抗旱隸屬函數(shù)值。

關(guān)聯(lián)系數(shù):

ηi(k)=

(7)

關(guān)聯(lián)度:

(8)

權(quán)重系數(shù):

(9)

加權(quán)抗旱系數(shù):

(10)

廣義遺傳力:

(11)

式中,VG為遺傳方差,VP為表型方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期抗旱指標(biāo)的篩選

在苗期對(duì)50份棉花資源進(jìn)行PEG模擬干旱處理后,分別測(cè)定表型性狀和生理指標(biāo),并對(duì)抗旱性進(jìn)行單指標(biāo)分析。結(jié)果(表1)表明,各性狀/指標(biāo)的變異系數(shù)為0.092～0.551,跨度較大,對(duì)干旱脅迫的敏感程度存在較大差異。各表型性狀變異系數(shù)為0.092～0.441,各生理指標(biāo)的變異系數(shù)為0.115～0.551。

棉花受到干旱脅迫后,共8個(gè)性狀(地上部鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、PRO含量、SOD活性、POD活性、MDA含量、SS含量)在處理前后差異極顯著(P<0.01),受到干旱脅迫顯著影響(表1)。根據(jù)這8個(gè)指標(biāo)計(jì)算抗旱系數(shù),對(duì)苗期抗旱性進(jìn)行單指標(biāo)分析。結(jié)果顯示,50份材料各性狀單指標(biāo)的DC值存在較大差異(0.284～4.580),其中表型性狀的DC值為0.284～1.952,生理指標(biāo)的DC值為0.569～4.580,各指標(biāo)對(duì)干旱脅迫的敏感程度存在差異。不同棉花品種(品系)各性狀/指標(biāo)下的DC值變異系數(shù)為0.052～0.976,所選取的50份棉花資源的抗旱性具有差異,可以用于進(jìn)一步分析。

表1 苗期抗旱性的單指標(biāo)分析

2.2 苗期抗旱性綜合評(píng)價(jià)

為降低單一指標(biāo)的偏差和系統(tǒng)誤差,本研究利用主成分分析對(duì)50份棉花品種(品系)進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)配對(duì)樣本t檢驗(yàn),對(duì)50份材料苗期具有顯著性差異的8個(gè)測(cè)定性狀的DC值進(jìn)行因子分析。主成分分析結(jié)果中,8個(gè)性狀的前3個(gè)主成分的特征值>1.000(2.818、1.205、1.067),累積貢獻(xiàn)率達(dá)63.63%(35.23%、50.29%、63.63%)。進(jìn)一步將這3個(gè)主成分中具有相同本質(zhì)的變量歸為一類(lèi),獲得3個(gè)相互獨(dú)立的公因子作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(表2)。

表2 苗期抗旱指標(biāo)的因子分析

根據(jù)所篩選的抗旱指標(biāo),對(duì)鑒定材料的CDC值、CDI值和WDC值進(jìn)行計(jì)算。在主成分分析獲得的各公因子的特征向量的基礎(chǔ)上,利用模糊隸屬函數(shù)法計(jì)算各因子的隸屬函數(shù)值,并根據(jù)各因子的權(quán)重系數(shù),為各因子的隸屬函數(shù)值賦予相應(yīng)權(quán)重系數(shù),計(jì)算加權(quán)隸屬函數(shù)值,作為D值。分別以CDC值、CDI值、WDC值和D值作為因變量,8個(gè)指標(biāo)抗旱系數(shù)DC值作為自變量,進(jìn)行逐步回歸分析,計(jì)算對(duì)應(yīng)的回歸方程(表3)。其中,CDC、CDI、WDC、D的回歸方程決定系數(shù)(R2)分別為0.92、1.00、1.00和0.87,各回歸方程F檢驗(yàn)具有極顯著差異,模型擬合度較好,回歸方程對(duì)變量的解釋能力強(qiáng)。比較4種綜合評(píng)價(jià)計(jì)算方法后發(fā)現(xiàn),50份品種(品系)根據(jù)不同綜合評(píng)價(jià)方法的排序存在差異(表4)。為確定最適綜合評(píng)價(jià)體系,分別以D值、CDC值、CDI值和WDC值作為綜合性狀,計(jì)算50份棉花材料的廣義遺傳力,分別為68.90%、57.30%、60.0%和60.75%,根據(jù)排名,D值為最適合的綜合抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 苗期綜合抗旱鑒定模型

表4 各品種(品系)苗期綜合抗旱評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 成株期抗旱指標(biāo)的篩選

對(duì)50份棉花品種(品系)在成株期干旱條件下的農(nóng)藝、纖維品質(zhì)及產(chǎn)量等有關(guān)性狀進(jìn)行調(diào)查,并進(jìn)行均值差異顯著性分析。通過(guò)計(jì)算各性狀均值的差異顯著性對(duì)棉花成株期的抗旱性進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)分析。結(jié)果(表5)表明,各性狀的變異系數(shù)為0.012～0.242,跨度較大,對(duì)干旱脅迫的敏感程度存在較大差異。棉花受到干旱脅迫后,成株期共12個(gè)性狀(株高、果枝始節(jié)高、果枝始節(jié)、馬克隆值、纖維長(zhǎng)度、成熟度、單株結(jié)鈴數(shù)、衣分、籽棉單鈴質(zhì)量、皮棉單鈴質(zhì)量、單株籽棉產(chǎn)量、單株皮棉產(chǎn)量)處理前后差異極顯著(P<0.01),受到干旱脅迫極顯著影響(表5)。選擇這12個(gè)指標(biāo)對(duì)苗期抗旱性進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表5 成株期抗旱性的單指標(biāo)分析

2.4 成株期抗旱性綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)配對(duì)樣本進(jìn)行t檢驗(yàn),對(duì)50份材料成株期具有顯著性影響的12個(gè)性狀的DC值進(jìn)行因子分析。主成分分析結(jié)果顯示,12個(gè)性狀的前3個(gè)主成分的特征值>1.000(4.929、1.959、1.353),累積貢獻(xiàn)率達(dá)68.67%(41.08%、57.40%、68.67%),其特征值大于1.353。進(jìn)一步將這3個(gè)主成分中具有相同本質(zhì)的變量歸為一類(lèi),獲得3個(gè)相互獨(dú)立的公因子作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(表6)。

表6 成株期抗旱指標(biāo)的因子分析

根據(jù)所篩選的抗旱指標(biāo),對(duì)成株期的CDC值、CDI值和WDC值進(jìn)行計(jì)算,并利用隸屬函數(shù)法計(jì)算D值。通過(guò)逐步回歸分析,求出回歸方程。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表7)顯示,基于CDC值、CDI值、WDC值和D值的回歸方程決定系數(shù)(R2)分別為0.92、0.99、0.99和0.87,各回歸方程F檢驗(yàn)結(jié)果具有極顯著差異,模型擬合度較好。比較4種綜合評(píng)價(jià)計(jì)算方法后發(fā)現(xiàn),50份棉花品種(品系)根據(jù)不同抗旱綜合評(píng)價(jià)方法的抗旱性排名存在差異(表8)。進(jìn)一步計(jì)算廣義遺傳力,根據(jù)廣義遺傳力排名選擇D值作為最適綜合抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí),利用篩選到的8個(gè)苗期和12個(gè)成株期抗旱相關(guān)指標(biāo)對(duì)全生育期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并對(duì)4種評(píng)價(jià)方法的廣義遺傳力進(jìn)行計(jì)算。基于CDC值、CDI值、WDC值和D值的廣義遺傳力分別為40.73%、43.11%、38.34%、60.13%,選擇D值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表7 成株期綜合抗旱鑒定模型

表8 各品種(品系)成株期綜合抗旱評(píng)價(jià)結(jié)果

續(xù)表8 Continued 8

2.5 苗期抗旱鑒定模型精度評(píng)價(jià)

干旱脅迫對(duì)棉花生產(chǎn)的影響最終反映在產(chǎn)量和纖維品質(zhì)上,因此我們基于這2個(gè)性狀對(duì)所建立的抗旱鑒定模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)?；谶@2個(gè)性狀的CDC值、CDI值、WDC值和D值的廣義遺傳力分別為43.83%、42.16%、47.73%、48.00%和47.11%、45.05%、46.32%、48.59%,因此選擇D值對(duì)抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)各類(lèi)抗旱評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,以評(píng)價(jià)在苗期建立的抗旱鑒定模型的精度。結(jié)果(表9)顯示,苗期抗旱性綜合評(píng)價(jià)D值與基于產(chǎn)量、纖維品質(zhì)性狀的抗旱性綜合評(píng)價(jià)D值相關(guān)性較高。進(jìn)一步對(duì)基于纖維品質(zhì)和產(chǎn)量性狀中各單指標(biāo)的DC值與苗期抗旱性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)D值分別進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,纖維品質(zhì)性狀和產(chǎn)量性狀中,與苗期綜合評(píng)價(jià)相關(guān)性最高的指標(biāo)分別為馬克隆值和單株籽棉產(chǎn)量。進(jìn)一步將苗期抗旱綜合性評(píng)價(jià)拆解為表型數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)評(píng)價(jià),結(jié)果顯示生理數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果與產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀相關(guān)性更高,在提高綜合評(píng)價(jià)精度中起到重要作用。

表9 各評(píng)價(jià)方法間的相關(guān)性分析

分別根據(jù)不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)抗旱性進(jìn)行聚類(lèi)分析。結(jié)果(表10)顯示,50份材料共分為5類(lèi)(Ⅰ:高抗旱型,Ⅱ:抗旱型,Ⅲ:中抗旱型,Ⅳ:較敏感型,Ⅴ:干旱敏感型)。其中根據(jù)苗期生理指標(biāo)的分類(lèi)與單株籽棉產(chǎn)量的分類(lèi)一致性最高,達(dá)90%(表11)。比較聚類(lèi)結(jié)果后發(fā)現(xiàn):根據(jù)單株籽棉產(chǎn)量分類(lèi)為高抗旱的3個(gè)品系(蘇資2175、蘇資0266、蘇資1016)和分類(lèi)為干旱敏感的5個(gè)品系(中資1091、通大007、蘇資1333、蘇資2109、蘇資2261)根據(jù)苗期生理指標(biāo)D值均被分類(lèi)為相應(yīng)級(jí)別(表10)。

表10 各品種(品系)基于不同D值的分類(lèi)

3 討 論

大部分植物在苗期對(duì)環(huán)境脅迫非常敏感,干旱脅迫是其中一種重要的非生物脅迫。形態(tài)、生化特性、產(chǎn)量性狀等指標(biāo)都被用來(lái)評(píng)價(jià)植物的抗旱性[2,6,26-27]。在棉花中有超過(guò)20種指標(biāo)可用于抗旱性鑒定[6]。分散的單項(xiàng)指標(biāo)只能代表作物的某一性狀在脅迫時(shí)期對(duì)干旱的敏感程度,而不能有效地反映該作物對(duì)干旱脅迫的綜合表現(xiàn),故前人提出了綜合抗旱系數(shù),利用多個(gè)抗旱鑒定指標(biāo)綜合反映作物整體的抗旱性[21]。本研究通過(guò)單項(xiàng)指標(biāo)分析,在苗期共篩選出地上部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量3項(xiàng)表型性狀和PRO含量、SOD活性、POD活性、MDA含量、SS含量5項(xiàng)生化性狀用于對(duì)棉花資源抗旱性的綜合評(píng)價(jià)。

表11 苗期與成株期一致性比較

使用單一指標(biāo)進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定誤差,無(wú)法全面反映作物的抗旱性。對(duì)作物抗旱性的綜合分析主要采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法、因子分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法等多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的方法來(lái)判斷參試品種的抗旱性[6, 19, 28-30]。主成分分析法因具有數(shù)據(jù)降維能力、評(píng)價(jià)客觀、注重綜合評(píng)價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本研究對(duì)棉花抗旱性狀進(jìn)行主成分分析,并利用綜合抗旱度量值在苗期對(duì)棉花品系進(jìn)行評(píng)價(jià),既考慮了各個(gè)指標(biāo)的重要性,又考慮了各個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系,有利于提高綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,本研究依據(jù)D值進(jìn)行聚類(lèi)分析,將各個(gè)材料根據(jù)綜合抗旱性劃分為不同的類(lèi)別,為篩選抗感品系提供了有效的參考。

作物抗旱性鑒定的準(zhǔn)確性,一方面取決于評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),另一方面篩選合適的鑒定指標(biāo)也尤為重要。在抗旱評(píng)價(jià)鑒定體系中,農(nóng)藝性狀是簡(jiǎn)單直觀的鑒定指標(biāo),單株鈴數(shù)、單株鈴質(zhì)量和葉片數(shù)被用于鑒定成株期棉花的抗旱性[19]。在花鈴期,葉片含水量、葉綠素和可溶性糖含量等指標(biāo)被用于抗旱性鑒定[6, 19]。與農(nóng)藝性狀相比,生理生化指標(biāo)的測(cè)定具有穩(wěn)定、精確、微量等特點(diǎn)。馮方劍等[31]研究發(fā)現(xiàn),PRO含量、SS含量、SOD活性和POD活性可作為棉花苗期抗旱性鑒定的指標(biāo)。程林梅等[32]發(fā)現(xiàn),在干旱條件下抗旱種質(zhì)材料PRO積累量比對(duì)照增加3倍以上。本研究的抗旱性狀主成分分析結(jié)果顯示,生理指標(biāo)具有最高貢獻(xiàn)率,其中POD含量在每個(gè)公因子中都具有較高載荷,表明在干旱條件下這些生理性狀在不同品種(品系)的陸地棉中具有顯著差異,是合適的抗旱鑒定指標(biāo)。

植物中的生理生化物質(zhì)在對(duì)逆境的抗性中起到不同的作用[33-34]。SOD和POD是細(xì)胞膜的保護(hù)酶,在維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)過(guò)程中起到重要作用[19]。在面對(duì)逆境脅迫時(shí),為了保持細(xì)胞膨壓,植物會(huì)積累PRO和SS等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)滲透壓,使之維持在一個(gè)正常的水平,緩解干旱對(duì)植物造成的傷害,而細(xì)胞內(nèi)MDA含量可以反映生物膜的受損程度[23]。在不同的生育期,抗氧化酶系統(tǒng)與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都發(fā)揮著重要作用。棉花苗期葉片在受干旱脅迫時(shí),SOD和POD是重要的保護(hù)酶,它們分別在中度脅迫和高度脅迫下起主導(dǎo)作用,且在不同材料之間表現(xiàn)出活性差異[35]。Sun等[19]的研究結(jié)果表明,棉花在花鈴期受到干旱脅迫時(shí),MDA含量、PRO含量、SOD活性對(duì)干旱脅迫最為敏感。本研究中,抗旱材料蘇資2175的SOD活性和PRO含量在干旱處理后顯著增加,SS含量大量積累,而MDA含量增幅較小;干旱敏感材料蘇資2261在干旱脅迫后SOD活性降低,PRO和可溶性糖少量積累,MDA含量卻大幅度增加。

棉花的抗旱機(jī)制是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,但在生產(chǎn)上最終以產(chǎn)量和纖維品質(zhì)表現(xiàn)。對(duì)成株期這2個(gè)性狀的調(diào)查,周期長(zhǎng),工作量大。因此需要建立一套高效穩(wěn)定的鑒定評(píng)價(jià)體系,對(duì)棉花種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。生理生化物質(zhì)在棉花各生育時(shí)期的抗旱性中都發(fā)揮著重要作用。在苗期,干旱脅迫后,耐旱棉花品種葉片中的PRO含量、SS含量、SOD活性、POD活性均高于敏感型品種[35-36];在花鈴期,抗旱性強(qiáng)的棉花品種在干旱脅迫以后,葉片中SOD活性、POD活性和PRO含量顯著高于抗旱性弱的品種[37]。對(duì)抗旱和干旱敏感棉花品種的全生育期進(jìn)行干旱脅迫以后,SOD和POD活性、SS含量和PRO含量等呈增加趨勢(shì)[38]。因此,棉花苗期干旱脅迫下的生理指標(biāo)和成株期的抗旱性之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。本研究選擇在苗期引入生理指標(biāo)建立抗旱性綜合評(píng)價(jià)模型,通過(guò)與成株期產(chǎn)量和纖維品質(zhì)抗旱性比較后發(fā)現(xiàn):苗期生理生化性狀在提高模型精度上具有重要作用,基于此類(lèi)性狀的抗旱鑒定模型能夠很好地預(yù)測(cè)成株期產(chǎn)量性狀的抗旱性。

4 結(jié) 論

本研究在苗期共篩選到8個(gè)與抗旱相關(guān)的表型性狀和生理指標(biāo),采用單項(xiàng)指標(biāo)抗旱系數(shù)法、綜合抗旱系數(shù)、綜合抗旱指數(shù)和綜合抗旱度量值法對(duì)50份陸地棉材料的抗旱性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),通過(guò)聚類(lèi)分析將50份材料依據(jù)抗旱級(jí)別分為5類(lèi),共鑒定出3份高抗材料和5份干旱敏感材料。與成株期抗旱性鑒定結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn),基于苗期生理指標(biāo)所建立的抗旱鑒定模型能夠很好地預(yù)測(cè)成株期產(chǎn)量性狀的抗旱性,在棉花資源和品種的抗旱性快速鑒定中具有很高的應(yīng)用潛力。