黃淮棉區(qū)棉花品種種子萌發(fā)期低溫耐受性評價

高利英 ，鄧永勝 ，韓宗福 ，孔凡金 ，申貴芳 ，李汝忠 *，尹燕枰

（1.山東棉花研究中心/農業(yè)部黃淮海棉花遺傳改良與栽培生理重點實驗室，濟南250100；2.山東農業(yè)大學農學院/作物生物學國家重點實驗室/山東省作物生物學重點實驗室，山東泰安271018）

自新中國成立至21世紀的頭10余年間，黃淮棉區(qū)一直是我國第一大產(chǎn)棉區(qū)[1]。該區(qū)在20世紀90年代中期之前，先后進行過6次棉花品種大更換[2]。20世紀90年代中后期，引進推廣美國轉基因抗蟲棉，隨后迅速被國產(chǎn)抗蟲棉品種取代[3]，又進行了2次棉花品種大更換。每次品種更換都使該區(qū)棉花產(chǎn)量得到不同程度的提高，棉花品種改良在該區(qū)棉花生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。關于新中國成立以來我國黃淮棉區(qū)棉花品種改良的成效，前人已做過一些研究報道[4-5]，但就某一重要性狀進行系統(tǒng)研究評價卻未見報道。近年來，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，該區(qū)農業(yè)勞動力成本大幅上升，棉花生產(chǎn)改精耕細作的傳統(tǒng)種植方式為輕簡化種植已勢在必行。精量播種，省去間苗、定苗環(huán)節(jié)，是棉花輕簡化種植的重要內容之一[6-7]，這對棉種質量提出了更高的要求。一播全苗、苗勻苗壯，是實現(xiàn)棉花高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎。黃淮棉區(qū)棉花的適宜播期一般在4月中上旬，此期氣溫波動較大，如遇“倒春寒”常使棉花出土時間長、出苗不齊、苗弱多病。因而，提高棉種萌發(fā)期低溫耐受性，對實現(xiàn)精量播種條件下的一播全苗具有重要的意義和作用。前人關于棉花低溫冷害研究報道大多集中在幼苗期[8-10]，少數(shù)對種子萌發(fā)期低溫冷害的研究是以新疆棉花品種為主[11-12]。高巧麗等[13]對棉屬D基因組5個野生種萌發(fā)期低溫評價表明，隨著溫度降低，5個品種的發(fā)芽指標均呈降低趨勢。閆強等[14]對17個主栽棉花品種（系）低溫萌發(fā)試驗證實，低溫對種子萌發(fā)與幼苗生長勢具有抑制作用，且品種（系）間具有較大的差異。

本文通過對黃淮棉區(qū)不同時期種植的38個代表性棉花品種在不同低溫脅迫下萌發(fā)指標的研究，綜合評價其在萌發(fā)期對低溫脅迫的耐受能力，以期為選育耐低溫萌發(fā)的棉花新品種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇新中國成立以來黃淮棉區(qū)不同時期代表性棉花品種38個（表1，這38個品種均是曾在生產(chǎn)上大面積推廣應用或有重要影響的品種。系譜信息見本文在《棉花學報》網(wǎng)站的電子資源附表1）。其中：1～13為新中國成立初期從國外引進的品種以及從中經(jīng)系統(tǒng)選擇育成的品種；14～32主要是以1～13等材料為親本，經(jīng)有性雜交育成的品種；34～38為國產(chǎn)轉基因抗蟲棉品種。試驗材料主要來源于國家棉花種質資源庫，其余從育種家征集。參試品種在山東棉花研究中心試驗站（山東臨清）與海南基地（海南三亞南濱農場）連續(xù)2代自交提純、恢復活力。2015年在臨清試驗站集中種植，選收棉株中部內圍棉鈴籽棉，軋花脫絨后選擇顆粒飽滿、無損傷種子作為本次試驗用種。

1.2 種子萌發(fā)試驗

種子萌發(fā)試驗采用砂培法。將棉種均勻整齊地擺放于預先置好的發(fā)芽盒內砂床上，然后加蓋相同質量的濕砂。每個發(fā)芽盒擺放1個品種的50粒種子，3次重復，將發(fā)芽盒置于光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)。設置3個脅迫溫度：18℃、15℃與12℃，以25℃為對照（CK），連續(xù)處理12 d。從種子置床后第4天起每天記錄種子出苗情況，第12天洗苗后經(jīng)105℃殺青30 min，80℃烘干至質量恒定，稱量全苗干物質質量。25℃和18℃溫度下萌發(fā)試驗中，苗高達4cm及以上視為正常發(fā)芽[15]；15℃和12℃低溫萌發(fā)試驗中，以芽長超過0.5 cm、顏色為白色、無腐爛的芽為正常發(fā)芽[11]。

1.3 測定指標與計算方法

洗苗后稱取全苗干物質質量（g），并計算單苗干物質質量、發(fā)芽率（Germination rate，GR）、發(fā)芽指數(shù) （Germination index，GI）以及活力指數(shù)（Vigor index，VI）。各個指標的計算公式參照高榮岐等[15]的方法。GR（%）＝（G/N）×100%；GI＝ ∑（Gt/Dt）；VI＝GI×S。式中：G為正常發(fā)芽種子數(shù)，N為種子總數(shù)；Gt為t日內發(fā)芽的種子數(shù)；Dt為Gt相對應的種子出苗經(jīng)歷的時間 （d）；S為單苗平均干物質質量（g）。

1.4 統(tǒng)計分析

1.4.1抗逆系數(shù)。采用儀小梅等[16]的方法計算各品種的耐低溫萌發(fā)指標抗逆系數(shù)（Adversity resistance coefficient，AC）。AC=DH/CK×100%。式中：CK為對照測定值，DH為脅迫處理測定值。

1.4.2低溫萌發(fā)指標模糊隸屬函數(shù)值。低溫萌發(fā)指標模糊隸屬函數(shù)值計算參照孟慶立等[17]的方法。μ（xj）＝（xj－xjmin）/（xjmax－xjmin）（j＝1，2，...，n）。式中：μ（xj）為第j個低溫萌發(fā)指標抗逆系數(shù)的模糊隸屬函數(shù)值，xj為第j個低溫萌發(fā)指標的抗逆系數(shù)；xjmax為第j個低溫萌發(fā)指標抗逆系數(shù)的最大值；xjmin為第j個低溫萌發(fā)指標抗逆系數(shù)的最小值。

1.4.3各品種綜合耐低溫萌發(fā)能力的評價。參照王蘭芬等[18]的方法，以該品種測定指標的平均隸屬函數(shù)值為耐低溫萌發(fā)能力的評價值，該值越大，表明該材料的耐低溫萌發(fā)能力越強。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 22.0分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析以及聚類分析。發(fā)芽率經(jīng)反正弦轉換后做方差分析。聚類分析采用歐式距離平方法。

表1 參試品種的編號與名稱Table 1 The numbers and names of the tested varieties

2 結果與分析

2.1 不同低溫脅迫下不同品種萌發(fā)特性的差異

在不同低溫脅迫條件下，隨著溫度降低，各品種的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢，不同品種的下降幅度存在顯著差異（表2）。在對照溫度（25℃）條件下，魯棉6號、高密933發(fā)芽率最高，均達到100%；斯字棉2B的發(fā)芽率最低，為90.00%。隨著溫度降低，魯棉6號、高密933高發(fā)芽率的優(yōu)勢逐漸減弱；魯棉研37號發(fā)芽率受影響最小，分別為97.33% （25℃）、96.00%（18 ℃）、84.67% （15 ℃）、69.33% （12 ℃）；斯字棉2B在各處理溫度下的發(fā)芽率均較低，分別為90.00%（25 ℃）、73.33%（18 ℃）、40.67%（15 ℃）、0.00%（12℃）。在發(fā)芽指數(shù)方面，在25℃處理下，以魯棉研37號最高，為13.14；在18℃和15℃低溫脅迫條件下，魯棉研37號排名雖有下降，但在12℃低溫脅迫條件下又上升為第1位。從活力指數(shù)來看，在對照溫度（25℃）下，魯棉研36號和魯棉研37號2個品種活力指數(shù)高，分別為1.12和1.05。在12℃條件下，魯棉研37號、魯棉研36號的活力指數(shù)分別為0.13和0.12，同樣表現(xiàn)出較強優(yōu)勢；斯字棉5A、斯字棉2B等品種活力指數(shù)為0，均未萌發(fā)。

表2 各品種萌發(fā)指標及顯著性分析Table 2 Germination indexes and significance analysis of 38 varieties

2.2 不同低溫脅迫下各品種耐低溫萌發(fā)特性抗逆系數(shù)的差異

與對照相比，幾乎所有品種的各萌發(fā)指標在不同低溫脅迫下均呈下降趨勢（表3），但下降程度有較大差異。從發(fā)芽率抗逆系數(shù)看，魯棉研37號在不同脅迫溫度下的抗逆系數(shù)分別為98.6%（18 ℃）、87.0%（15 ℃）、71.2%（12 ℃），均屬于高值組，說明魯棉研37號在發(fā)芽率指標方面具有較強的耐低溫優(yōu)勢。定陶621在18℃條件下發(fā)芽率抗逆系數(shù)為66.2%，為最低，15℃條件下，發(fā)芽率抗逆系數(shù)又有所上升，為73.6%，但是12℃條件下，發(fā)芽率抗逆系數(shù)僅為9.5%，說明該品種在一定溫度范圍內抗低溫能力較強。在15℃條件下，魯棉2號發(fā)芽率抗逆系數(shù)最小，為22.4%。在12℃條件下，斯字棉2B、斯字棉5A、中棉所17、魯棉4號、濱棉1號等7個品種均未發(fā)芽。在18℃與15℃條件下，魯棉研37號發(fā)芽指數(shù)抗逆系數(shù)分別45.1%與32.3%，在參試品種間屬中等偏上；而活力指數(shù)抗逆系數(shù)分別為25.7%和18.1%，在參試品種間偏下位。而在12℃條件下，魯棉研37號發(fā)芽指數(shù)抗逆系數(shù)為22.0%，居第1位；活力指數(shù)抗逆系數(shù)為12.4%，仍為第1位，表明魯棉研37號具有較強的抗低溫能力。在18℃下，定陶621發(fā)芽指數(shù)抗逆系數(shù)為29.7%；活力指數(shù)抗逆系數(shù)為17.9%，為最低。在15℃下，魯棉2號發(fā)芽指數(shù)抗逆系數(shù)和活力指數(shù)抗逆系數(shù)均最低，分別為9.2%和8.7%。12℃下，斯字棉2B、斯字棉5A、中棉所2、中棉所 17、中棉所35、魯棉 4號、濱棉1號的發(fā)芽指數(shù)抗逆系數(shù)均為0；其活力指數(shù)抗逆系數(shù)也為0。

表3 各品種耐低溫萌發(fā)指標的抗逆系數(shù)（AC）Table 3 Adversity resistance coefficient（AC）to low temperature germination of varieties

2.3 不同品種種子萌發(fā)期耐低溫綜合評價及聚類分析

各品種耐低溫萌發(fā)能力評價值列入表4。以魯棉研37號的評價值最大，為0.879 1；魯棉研36號的評價值位居第二，為0.782 4，說明這2個品種耐低溫萌發(fā)能力較強。早期引進的斯字棉5A、斯字棉2B等品種的評價值較低，表明該類品種種子萌發(fā)時低溫耐受性較差。而近期育成的5個轉基因抗蟲棉品種排位比較靠前，其中有2個居前2位，2個分別排在第9位與第19位，只有1個排位較靠后，位于第37位。

為了綜合評價不同品種耐低溫萌發(fā)的抗逆能力，根據(jù)各品種的低溫評價值進行聚類分析，將38個棉花品種分為3類（圖1）。聚入第一類的品種只有魯棉研37號和魯棉研36號，為高抗品種。聚入第二類的有34個品種，分為4個亞類。第一亞類包括中棉所13、中棉所16、魯棉5號、86-1等共10個品種，為抗性品種，在種子萌發(fā)時具有較強的抗低溫能力。第二亞類的品種有中棉所 17、中棉所 12、魯棉 9號、中棉所 35等共 10個，為中抗性品種。第三亞類的品種有臨清1526、魯棉4號、高密933、魯棉研12號等共9個，為不抗品種。第四亞類的品種有魯棉2號、中棉所2、80-9等5個，為低溫敏感品種。聚入第三類的僅有2個品種，為魯棉研28號、斯字棉2B，為低溫極敏感品種。

表4 各品種的耐低溫萌發(fā)評價值及排序Table 4 Comprehensive measurement and ranking of varieties

3 討論與結論

溫度是影響種子萌發(fā)的關鍵因素之一[19]。研究表明，棉花種子萌發(fā)的最適溫度為28℃左右，而最低溫度為10.5～12℃[20-21]。在10℃以下，棉花種子不萌發(fā)[11]。25℃是種子萌發(fā)最適溫度的下限，在許多耐低溫冷害的研究報道中，此溫度大多作為對照溫度[11,22-23]。本研究表明，在25℃條件下，不同時期育成的棉花品種發(fā)芽率雖有差異，但均在90%以上。隨著溫度降低，所有棉花品種的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均呈下降趨勢，下降幅度存在顯著差異。不同品種，尤其是不同時期育成品種的種子萌發(fā)期低溫耐受能力大不相同。

棉花品種種子萌發(fā)期低溫耐受性是品種的優(yōu)良特性，是重要的遺傳性狀。種子低溫萌發(fā)能力評價值聚類分析結果，反映了不同時期品種對低溫耐受性強弱的變化趨勢。黃淮地區(qū)近期育成棉花品種的耐低溫萌發(fā)能力評價值較高，聚類分析大多歸于第一類以及第二類的前2個亞類，種子萌發(fā)期抵御低溫脅迫能力較強，而早期引進品種以及從早期引進品種內系統(tǒng)選育的品種則耐低溫萌發(fā)能力評價值較低，聚類分析多歸于第二類的后2個亞類以及第三類，其在應對低溫脅迫時，明顯弱于近期雜交選育的新品種，尤以早期引進的斯字棉與岱字棉品種抵御低溫脅迫的能力最弱。根據(jù)模糊隸屬函數(shù)評價結果，魯棉研37號、36號為強耐低溫萌發(fā)品種，斯字棉5A、斯字棉2B等品種為低溫敏感品種。這一結果還說明，在漫長的棉花品種改良過程中，在對棉花品種綜合性狀改良的同時，種子萌發(fā)期低溫耐受性也得到了顯著提高。今后棉花育種應針對性地加強對種子萌發(fā)期低溫耐受性狀選擇。

種子萌發(fā)期低溫耐受性是品種多種抗逆性狀的綜合表現(xiàn)，利用單一指標評價具有片面性，不能全面反映其抗逆能力，模糊隸屬函數(shù)法是鑒定抗逆性的1種有效科學的統(tǒng)計方法，在多種作物的抗逆性評價上得到了廣泛的應用[18,24-26]。根據(jù)模糊隸屬函數(shù)評價結果，魯棉研37號、36號為強耐低溫萌發(fā)的品種，斯字棉5A、斯字棉2B為不耐低溫萌發(fā)的品種。