棉花萌發(fā)出苗期耐鹽性鑒定和評價

關(guān)鍵詞：棉花；耐鹽鑒定；萌發(fā)出苗期；主成分分析；聚類分析；綜合評價

中圖分類號：S562 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2025）02-0029-09

易溶性鹽分離子在土壤表層積聚導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化的現(xiàn)象稱為土壤鹽漬化或土壤鹽堿化。據(jù)2021年10月聯(lián)合國糧農(nóng)組織發(fā)布的世界鹽堿土壤分布圖估計，全球鹽堿地面積超過8.33×108公頃，約占地球面積的8.7%。我國具有各類可利用鹽堿地資源3.67×10⁷公頃，其中有開發(fā)利用潛力的面積為6.67×10⁶公頃，范圍覆蓋東北、西北、華北等地區(qū)。土壤鹽漬化嚴(yán)重影響植物正常生長發(fā)育，降低農(nóng)作物產(chǎn)量。合理利用這些鹽堿地，充分開發(fā)鹽堿耕地潛力，對改善生態(tài)環(huán)境、維持國家耕地面積和保障農(nóng)業(yè)安全有重要的實踐意義。

棉花是鹽堿地的先鋒作物，其耐鹽性受基因型影響顯著。萌發(fā)期和幼苗期是植物對鹽脅迫較敏感的時期，也是棉花能否在鹽堿地上一播全苗的關(guān)鍵時期。作為篩選培育耐鹽品種的基礎(chǔ)工作，耐鹽性鑒定一直是耐鹽研究的熱點。前人的研究通常將棉花萌發(fā)期和苗期作為兩個不同的階段分別進(jìn)行鑒定。他們或只鑒定棉花萌發(fā)期耐鹽性，或使用不同的方法分別對萌發(fā)期和苗期進(jìn)行處理和性狀調(diào)查，再進(jìn)行綜合分析。實際上，棉花從異養(yǎng)向自養(yǎng)過渡的時期也極易受鹽脅迫影響，該階段遭遇鹽脅迫時會造成棉苗畸形和葉綠素合成困難。以往的研究難以反映棉花該階段的耐鹽性。本研究采用沙培法開展萌發(fā)試驗，在前人研究基礎(chǔ)上將性狀調(diào)查的時間延長至12d，時間覆蓋棉花種子萌發(fā)到出苗、異養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng)的全過程，這更有利于反映棉花整個萌發(fā)出苗階段的耐鹽性。

本研究選取建國以來黃淮海地區(qū)育成推廣的棉花品種或其育種材料共58份，通過主成分分析、因子分析、聚類分析對其進(jìn)行耐鹽性分級，并在此基礎(chǔ)上通過正態(tài)分布和逐步回歸分析建立性狀指標(biāo)與耐鹽綜合評分D值的最優(yōu)回歸方程，構(gòu)建棉花萌發(fā)出苗期耐鹽性鑒定方法，以期為棉花耐鹽種質(zhì)鑒定和鹽堿地植棉研究提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗所用的58份棉花材料由課題組多年征集得到，并于2020年在三亞南濱農(nóng)場統(tǒng)一種植、管理、自交繁殖和收獲，種子具有較高的一致性。

1.2試驗方法

1.2.1最適鹽脅迫濃度確定 本研究設(shè)置6個鹽處理濃度（0、100、200、300、400、500 mmol/LNaCl）進(jìn)行試驗以確定最適鹽脅迫試驗濃度，分別表示為CK、T1、T2、T3、T4、T5。參考高利英等的沙培萌發(fā)法，隨機選擇6份材料進(jìn)行NaCl溶液脅迫處理，其中CK為等體積清水。稱取一定量滅菌烘干后的沙子，按干沙：溶液（質(zhì)量：體積）= 1：0.18的比例加入處理溶液，充分?jǐn)嚢杌靹颉Ｔ诿總€發(fā)芽盒中加入等量的濕沙并鋪平，將種子整齊擺放在沙床上，每盒50粒，再加蓋200g濕沙，25℃、16 h光照/8 h黑暗條件下培養(yǎng)。以子葉頂端露出沙面作為種子萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，在播種后3～12d間每天同一時間統(tǒng)計每個發(fā)芽盒內(nèi)的萌發(fā)種子數(shù)。

播種后12d，小心地將棉花幼苗從沙子中洗出，每個發(fā)芽盒隨機選擇10株測定株高（莖基部至兩子葉間生長點的長度）。同時，分離盒內(nèi)所有萌發(fā)植株的地上和地下部分，分別烘干并稱重。調(diào)查統(tǒng)計相關(guān)指標(biāo)后確定最適鹽脅迫濃度。

1.2.2材料處理和性狀指標(biāo)調(diào)查 用1.2.1確定的最適鹽脅迫濃度對其他待測棉花材料進(jìn)行處理。棉花材料種植、萌發(fā)種子數(shù)量調(diào)查及株高、地上部和地下部干重的測定同1.2.1中的方法。

1.3測定指標(biāo)及方法

1.3.1種子萌發(fā)和幼苗生長相關(guān)指標(biāo) 參考高利英等的方法計算不同材料的種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，地上部或地下部干重除以萌發(fā)植株數(shù)得到地上部或地下部單株干重，所得數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步分析。為了避免待測材料種子質(zhì)量對鑒定結(jié)果的影響，使用各指標(biāo)的相對值評價材料的耐鹽性。相對發(fā)芽率（GR）、相對發(fā)芽勢（GE）、相對發(fā)芽指數(shù)（GI）、相對株高（PH）、地上部相對干重（SW）、地下部相對干重（RW）的計算公式如下：

耐鹽綜合評價：對所有待測材料的耐鹽綜合評分D_i進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，聚類方法選擇組之間的鏈接（Between-groups linkage），測量（Measure）方法使用平方Euclidean距離（Squared Euclidean distance）。根據(jù)聚類分析結(jié)果，對待測材料進(jìn)行分組，根據(jù)耐鹽綜合評分D_i進(jìn)行耐鹽性分級。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理和分析，用SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行主成分分析、聚類分析、正態(tài)分布分析和逐步回歸分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度鹽脅迫對棉花萌發(fā)出苗期表型性狀的影響

鹽脅迫顯著影響棉花種子萌發(fā)和幼苗生長，隨脅迫濃度升高萌發(fā)種子數(shù)量減少，棉花幼苗株高降低、生長速度減緩（圖1）。T1、T2（100、200mmol/L）處理棉花種子萌發(fā)和幼苗生長受影響較?。畸}脅迫濃度為300 mmol/L（T3）時，種子萌發(fā)和幼苗生長受到明顯抑制；當(dāng)鹽脅迫濃度為400、500 mmol/L（T4、T5）時，各指標(biāo)值顯著減小，500mmol/L時，6份材料的GR、GE、GI、PH、RW和SW均為零。由于400 mmol/L及以上鹽濃度處理時大部分材料幼苗的相對株高較低、幼苗太小，因此未調(diào)查400、500 mmol/L鹽脅迫下的幼苗地上部和地下部干重。

2.2最適鹽脅迫濃度的確定

為了確定耐鹽鑒定的最適鹽脅迫濃度，首先計算不同脅迫濃度下6份棉花材料GR、GE、GI、PH、SW、RW的四分位差（表1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)GI和PH的四分位差極值均出現(xiàn)在200mmol/L鹽脅迫處理時，GE、SW、RW的四分位差極值均出現(xiàn)在300 mmol/L鹽脅迫時，而GR的四分位差在400mmol/L鹽脅迫時達(dá)到極值。400mmol/L鹽脅迫時，大部分材料的發(fā)芽率極低，有的甚至不發(fā)芽（圖1、圖2、表1），因此該濃度不具有比較價值；300 mmol/L鹽處理與200 mmol/L處理相比，其處理組與對照組的表型差異更顯著，故本試驗選擇300 mmol/L作為棉花耐鹽鑒定的最適鹽脅迫濃度。

2.3鹽脅迫下棉花耐鹽性鑒定指標(biāo)的主成分分析和因子分析

計算58份棉花材料6個指標(biāo)的相對值，并對其進(jìn)行主成分分析和因子分析，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)，提取到了2個主成分（表2）。第一個主成分特征值為3.217，可解釋53.618%的總體方差；第二個主成分特征值為1.241，可解釋20.680%的總體方差。兩者累計可解釋74.298%的變異方差，表明這兩個主成分可進(jìn)一步用于計算耐鹽綜合評分。

第一個主成分中GR、GE、GI、PH的因子載荷值分別為0.946、0.969、0.965、0.660，均大于0.4，表明第一個主成分對GR、GE、GI、PH有較高的解釋度。由于GR、GE、GI是與棉花種子萌發(fā)相關(guān)的性狀指標(biāo)，PH則與種子的萌發(fā)時間有關(guān)，因此第一個主成分是與種子萌發(fā)相關(guān)的因子（F1）。第二個主成分中SW、RW的因子載荷值分別為0.769、0.763，表明第二個主成分對RW、SW有較高的解釋度，該主成分是與棉苗干物質(zhì)積累相關(guān)的因子（F2）。由各主成分的方差貢獻(xiàn)率計算權(quán)重，F(xiàn)1的權(quán)重w1=53.618%/（53.618%+20.680%）×100%，F(xiàn)2的權(quán)重w2=20.680%/（53.618%+20.680%）×100%，最終計算得到兩個主成分的權(quán)重分別為72.166%和27.834%。

2.4棉花耐鹽性綜合評價

根據(jù)因子分析結(jié)果（表3），由公式（2）可得因子得分方程，即種子萌發(fā)相關(guān)因子F1=0.376X_GR+0.510X_GE+0.126X_GI+0.061X_PH+0.068X_SW+0.076X_RW，干物質(zhì)積累相關(guān)因子F2=0.169X_GR-0.037X_GE-0.016X_GI+0.006X_PH+0.654X_SW+0.639X_RW。由F1、F2的權(quán)重72.166%、27.834%計算各材料的因子綜合得分F=72.166%×F1+27.834%×F2。最后，根據(jù)公式（3）和公式（4）計算棉花材料的因子綜合得分和耐鹽綜合評分D值，見表4。

2.5基于棉花耐鹽綜合評分（D值）的聚類分析

用計算得到的耐鹽綜合評分（D值）進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，并構(gòu)建樹系圖（圖3）。根據(jù)樹系圖將58份棉花材料的耐鹽性分為五類：高抗、抗、耐、不耐、敏感。高抗鹽材料有5份，耐鹽綜合評分范圍為0.888～1.000;抗鹽材料有11份，耐鹽綜合評分范圍為0.648～0.817；耐鹽材料有22份，耐鹽綜合評分范圍為0.437～0.615：不耐鹽材料有16份，耐鹽綜合評分范圍為0.223～0.373，鹽敏感材料有4份，耐鹽綜合評分范圍為0.000～0.108。

2.6棉花萌發(fā)出苗期耐鹽鑒定方法的建立

本研究中，耐鹽綜合評價值的計算要經(jīng)過主成分分析、因子分析、主成分權(quán)重計算等過程，每次有新的鑒定材料加入，就需要重新分析數(shù)據(jù)和計算耐鹽綜合得分。為了解決這一問題，本研究以6個性狀指標(biāo)的相對值為自變量，耐鹽性綜合評分（D）為因變量，進(jìn)行逐步回歸分析，構(gòu)建性狀指標(biāo)與耐鹽綜合評分的最優(yōu)回歸方程式：D=-0.775+0.569X_GR+0.720X_GE+0.404X_SW+0.410X_RW。該公式中引入了4個性狀指標(biāo)，方程決定系數(shù)R²=0.999，Plt;0.0001。

同時，對本試驗58份材料的耐鹽綜合評價值進(jìn)行正態(tài)分布統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其分布偏度和峰度均小于1（偏度=0.009，峰度=-0.259），說明所測材料的耐鹽性符合正態(tài)分布，本試驗所用的58份材料可以反映棉花材料整體的耐鹽情況，則根據(jù)本試驗建立的耐鹽性分級標(biāo)準(zhǔn)原則上也適用于所有棉花材料萌發(fā)出苗期的耐鹽性鑒定。由本研究棉花材料的D值和聚類分析結(jié)果確定的棉花萌發(fā)出苗期耐鹽性分級標(biāo)準(zhǔn)見表5。

綜上可建立棉花萌發(fā)出苗期耐鹽鑒定體系，即采用沙培萌發(fā)法，調(diào)查300mmol/L鹽脅迫處理時棉花材料的發(fā)芽和生長情況，計算GR、GE、SW、RW這4個性狀指標(biāo)的相對值，代入回歸方程式D=-0.775+0.569X_GR+0.720X_CE+0.404X_SW+0.410X_RW，計算耐鹽綜合評分D值，然后參考表5中的棉花耐鹽性分級標(biāo)準(zhǔn)即可對棉花萌發(fā)出苗期的耐鹽性進(jìn)行綜合評價。

3討論

3.1鹽脅迫對棉花萌發(fā)出苗的影響

萌發(fā)期是植物對鹽脅迫較敏感的時期。本研究結(jié)果表明，隨著鹽脅迫濃度升高，棉花種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)總體均呈下降趨勢，且當(dāng)鹽脅迫濃度在300 mmol/L及以上時，棉花相對株高、地上部相對干重和地下部相對干重均出現(xiàn)急劇下降，表明鹽脅迫對棉花種子萌發(fā)有明顯抑制作用。這與王寧等的結(jié)論一致。較低濃度（100、200mmol/L）鹽脅迫時，部分棉花材料的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢等指標(biāo)與對照無明顯差異，甚至相對株高、地上部相對干重明顯高于對照，這與前人的研究結(jié)果一致，表明棉花具有一定的耐鹽性，這為鹽堿地植棉提供了理論支持。

鹽脅迫對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響機制不同。種子萌發(fā)時，高鹽環(huán)境對種子造成滲透脅迫，影響種子吸脹而抑制萌發(fā)，而幼苗生長同時受滲透脅迫和離子毒害的影響。本研究中，通過主成分分析從6個性狀指標(biāo)中提取到兩個分別與種子萌發(fā)和棉苗干物質(zhì)積累有關(guān)的因子，這也說明鹽脅迫下種子萌發(fā)與幼苗生長可能是兩個相對獨立的過程。

3.2棉花耐鹽性與育成年份、地區(qū)的相關(guān)性

品種的抗逆性與育成地點、年份、育種目標(biāo)等多種因素有關(guān)。邵桂花等對來自國內(nèi)外的3600多個大豆品種進(jìn)行耐鹽鑒定，發(fā)現(xiàn)山東、河南的品種耐鹽性較強，推測可能是山東、河南鹽堿地較多且所種植的品種在這些地區(qū)經(jīng)過了長期自然選擇的原因。高利英等對黃淮海地區(qū)45個棉花材料進(jìn)行萌發(fā)期耐旱鑒定，發(fā)現(xiàn)山東、河北選育的品種旱脅迫下種子萌發(fā)能力較強，認(rèn)為可能與當(dāng)?shù)孛藁劝l(fā)期降水較少有關(guān)。高利英對黃淮海地區(qū)38個代表性棉花品種進(jìn)行耐低溫萌發(fā)能力評價，發(fā)現(xiàn)黃淮海棉區(qū)新育成品種耐低溫萌發(fā)能力顯著強于早期引進(jìn)的品種（如斯字棉、岱字棉），表明在棉花改良過程中，種子萌發(fā)期對低溫的抗性逐漸增強。

本研究通過主成分分析和聚類分析將58份棉花材料分為高抗鹽、抗鹽、耐鹽、不耐鹽、鹽敏感5個等級，每個等級內(nèi)的棉花材料數(shù)分別為5、11、22、16、4份。其中，脫字棉、徐州1818、定陶621、濱棉1號、冀668表現(xiàn)出高抗鹽性，可以作為耐鹽棉花品種選育的優(yōu)異種質(zhì)資源。進(jìn)一步分析棉花萌發(fā)出苗期耐鹽性與育成或推廣年份的關(guān)系，未發(fā)現(xiàn)品種耐鹽性與育成或推廣年份有明顯的相關(guān)性，這可能與育種習(xí)慣有關(guān)。棉花育種田大都選擇在土質(zhì)良好、氣候適宜的地區(qū)，并在選育過程中進(jìn)行精細(xì)化栽培和管理，這有利于最大限度發(fā)揮種質(zhì)資源的產(chǎn)量潛力，從中選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)棉花品種。由于全球極端氣候頻發(fā)，冷害、干旱等不可控氣候因素?zé)o形之中對品種進(jìn)行了自然選擇，從而促進(jìn)了近年來所選育棉花品種的抗冷性和抗旱性方面均有大幅提升。與冷害和干旱不同，鹽堿地具有地域性，因此品種的耐鹽性更易在不同地區(qū)間存在差異。但由于本研究試驗材料覆蓋地區(qū)較少，難以分析棉花耐鹽性與種植區(qū)域間的相關(guān)性，該部分內(nèi)容有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

隨著氣候變化和棉花主產(chǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)移，濱海和內(nèi)陸地區(qū)鹽堿地棉花的種植面積越來越大，因此當(dāng)前僅僅關(guān)注棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的育種方向已明顯不能滿足未來棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于缺乏針對性的耐鹽鑒定和篩選，某些耐鹽基因（尤其是與其他不良性狀連鎖的耐鹽基因）可能會在多年人工選擇的過程中逐漸丟失。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的改變，精簡化和機械化將成為未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。為了培育適于未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的棉花品種，棉花育種過程中應(yīng)盡可能與棉花主產(chǎn)區(qū)生態(tài)條件和當(dāng)?shù)鼐喕脑耘喙芾砟Ｊ浇榆墸⒊浞掷米匀荒婢常ㄈ绺珊?、鹽堿地）保留抗逆種質(zhì)資源，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、適于機械化生產(chǎn)的棉花新品種。

4結(jié)論

本研究通過對鹽脅迫下棉花的6個相對指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，將58份棉花材料分為高抗鹽、抗鹽、耐鹽、不耐鹽、鹽敏感5個等級，各等級內(nèi)材料數(shù)分別為5、11、22、16、4份。其中，脫字棉、徐州1818、定陶621、濱棉1號、冀668在萌發(fā)出苗期表現(xiàn)出高抗鹽性，可作為棉花耐鹽育種的優(yōu)異種質(zhì)資源。本研究在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了棉花萌發(fā)出苗期耐鹽鑒定體系和耐鹽性分級標(biāo)準(zhǔn)，可為棉花萌發(fā)出苗期室內(nèi)耐鹽性鑒定提供新的方法和思路。