棉花品種資源全生育期抗旱性評價及抗旱指標(biāo)篩選

李憬霖,劉紹東,張思平,陳靜,劉瑞華,沈倩,李陽,馬慧娟,趙新華,龐朝友

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽 455000)

隨著全球氣溫逐漸升高，作為世界性的非生物脅迫因子之一，干旱發(fā)生的頻率不斷上升。研究發(fā)現(xiàn)，由于干旱具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展具有極高的危害[1-3]。棉花對于干旱的耐受性相較于其他作物更強，但在干旱脅迫條件下，棉花的生長發(fā)育及纖維質(zhì)量都會顯著降低。因此，選育優(yōu)良抗旱棉花品種、改進(jìn)棉花抗旱品種的質(zhì)量及產(chǎn)量，對于棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

作物抗旱性是指其在受到干旱脅迫后，對環(huán)境的適應(yīng)和抵御能力。作物抗旱性狀表型復(fù)雜，而且多為數(shù)量性狀，受多因素影響[4-6]，在不同生長階段表現(xiàn)不同。研究發(fā)現(xiàn)，相比較于蕾期干旱，花鈴期干旱對于棉花鈴數(shù)、蕾數(shù)的影響更大[7-8]；而相比較于敏旱品種，抗旱品種的側(cè)根數(shù)、根苗比都要更高一些[9-10]。也有研究表明，棉花花鈴期干旱會降低總干物質(zhì)量[11-13]。生理方面，棉花相對含水量高、離體葉片失水量較低和細(xì)胞膜穩(wěn)定性強，棉花抗旱性高[14]。在干旱條件下，可溶性糖作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，會大量積累[15-16]。在受到干旱脅迫時，脯氨酸的含量與植物受干旱脅迫程度的高低呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[17]。

作物抗旱性的強弱多通過研究產(chǎn)量及其相關(guān)指標(biāo)的變化來評價[18]。研究認(rèn)為，棉花產(chǎn)量主要受到鈴數(shù)、鈴重及衣分等性狀影響[19]，并且單株鈴數(shù)比單株鈴重及衣分對產(chǎn)量的影響更大[20]。近年來，隨著鑒定技術(shù)的不斷發(fā)展及統(tǒng)計方法的改進(jìn)，抗旱性鑒定從最開始的直接鑒定、抗旱性隸屬函數(shù)法[18,21]逐步發(fā)展到目前多個表型指標(biāo)，采用主成分分析、灰度分析、聚類分析等多多手段的綜合評價方法，使得抗旱鑒定結(jié)果更為科學(xué)準(zhǔn)確。

本試驗收集西北內(nèi)陸棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)、長江流域棉區(qū)、遼寧特早熟棉區(qū)及國外優(yōu)良棉花種質(zhì)資源共238份，通過比較正常灌溉和干旱脅迫條件下的單鈴重、鈴數(shù)、可溶性糖含量等性狀的變化、相關(guān)性及對產(chǎn)量的影響，研究棉花全生育期干旱對棉花產(chǎn)量的影響，并篩選出與棉花抗旱能力緊密關(guān)聯(lián)的抗旱性評價指標(biāo)，為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的抗旱棉花品種評價和選育理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料共238份(表1)，包含黃河流域棉區(qū)58份，西北內(nèi)陸棉區(qū)81份，長江流域棉區(qū)25份，北部特早熟棉區(qū)15份，以及國外引進(jìn)材料21份和收集到的材料38份。由中國農(nóng)科院棉花研究所早熟課題組及生理生態(tài)課題組收集并提供。

1.2 試驗設(shè)計

供試材料于2019年4月下旬播種在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所新疆胡楊河試驗站。試驗采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)正常灌水和干旱脅迫兩種處理，膜下滴灌，一膜三行三帶。每個材料種植一行，行長 3 m，行距76 cm，株距7.2～7.3 cm，密度180 000株·hm-2，重復(fù)3次。

所有材料6月18日開始第一次灌水，生育期總計灌水10次(表2)。在生育期內(nèi)，正常灌溉處理灌水4 083 m3·hm-2，水分脅迫處理灌水1 810.5 m3·hm-2。灌水和施肥同時進(jìn)行，于9月25日收獲籽棉。

表2 正常灌水處理和干旱脅迫灌溉量Table 2 Irrigation volume of drought stress and normal irrigation treatments

1.3 測定內(nèi)容與方法

7月4日第三次灌水前，每個材料每個處理中選取長勢均勻的5株，取主莖倒四葉，烘干后采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[23]；待到棉花完全吐絮后，每行選取長勢均勻的10株，調(diào)查株高、營養(yǎng)枝長度和鈴數(shù)；每行選取中部棉鈴20個，用于測定單鈴重和衣分；于成熟收獲后，調(diào)查小區(qū)籽棉產(chǎn)量。農(nóng)藝性狀調(diào)查方法參照《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[24]。

1.4 指標(biāo)計算

將各供試棉花品種農(nóng)藝性狀測定值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將農(nóng)藝性狀測定值求平均。利用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行初步分析及差異顯著性分析，SPSS 24.0軟件進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析及聚類分析，用DPS 9.5進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析[25-26]。

抗旱評價指標(biāo)包括抗旱系數(shù)(DC，drought resistance coefficient)、抗旱指數(shù)(DI，drought resistance index)、綜合抗旱系數(shù)(CDC，comprehensive drought coefficient)、抗旱性度量值(D，drought resistance comprehensive evaluation values)及加權(quán)抗旱系數(shù)(WDC，weight drought resistance coefficient)，計算公式[27]如下。

(1)

(2)

(3)

式中，Xi、CKi分別表示干旱和正常處理中性狀測定值，XMi表示某一性狀干旱處理所有測定值的平均值。

按照公式(4)計算各品種的單項指標(biāo)抗旱隸屬函數(shù)值μ(Xi)(drought resistance membership function value)。

(4)

式中，Xi、Ximax、Ximin分別代表第i個綜合指標(biāo)和第i個綜合指標(biāo)的最大值和最小值。

按公式(5)計算因子權(quán)重系數(shù)(ωi)，在隸屬函數(shù)值μ(Xi)和因子權(quán)重系數(shù)(ωi)的基礎(chǔ)上，計算抗旱性綜合度量值(D)。

(5)

(6)

式中，Pi為第i個綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率，表示其在所有指標(biāo)中的重要程度。

關(guān)聯(lián)度(γi)、權(quán)重系數(shù)[ωi(γ)]和加權(quán)抗旱系數(shù)(WDC)。

(7)

(8)

(9)

式中，Li(k)表示關(guān)聯(lián)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同棉花品種(系)在水分脅迫下主要農(nóng)藝性狀的變化

238份陸地棉種質(zhì)資源8個農(nóng)藝性狀如表3所示。分析發(fā)現(xiàn)：8個農(nóng)藝性狀在干旱脅迫和正常灌水處理間的差異均極顯著(P<0.01)。不同處理的所有農(nóng)藝性狀變異系數(shù)范圍為0.07～0.23。其中全營養(yǎng)枝長度變異系數(shù)最高，干旱脅迫條件下為0.21，正常灌水條件下為0.23；而衣分的變異系數(shù)最低，干旱脅迫和正常灌水條件下均為0.07?？梢哉J(rèn)為，本試驗所選238份棉花品種(系)類型較為豐富，所選取的農(nóng)藝性狀可以為抗旱性評價提供支持。

表3 正常灌水處理和干旱脅迫條件下各主要農(nóng)藝性狀Table 3 Statistics analysis of main agronomic traits under drought stress and normal irrigation treatments

2.2 單項指標(biāo)分析

不同品種(系)農(nóng)藝性狀的DC值和DI值如表4～5所示，根據(jù)表4可知，8個農(nóng)藝性狀的DC值介于0.65～0.99之間，變異系數(shù)則介于0.03～0.21。其中衣分的DC值最高，為0.99；而單株第一營養(yǎng)枝長度的DC值最低，僅為0.65。將238份材料的DC值進(jìn)行連續(xù)變數(shù)次數(shù)分布統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，不同指標(biāo)間差異較大。在0.4

表5 棉花品種(系)各主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)及區(qū)間分布Table 5 Drought resistance index of main agronomic traits and its distribution in upland cotton cultivar(line)

綜合分析(表4～5)可以發(fā)現(xiàn)，各項農(nóng)藝性狀對于干旱脅迫的敏感程度依次為：單株第一營養(yǎng)枝長度>株高>單株全營養(yǎng)枝長度>籽棉產(chǎn)量>鈴數(shù)>單鈴重>衣分>可溶性糖含量。此外，各個性狀在干旱脅迫和正常灌水條件下的相關(guān)系數(shù)介于0.437～0.937之間。這說明在干旱脅迫的條件下，不同農(nóng)藝性狀對干旱的敏感性存在差異，表明僅用單一農(nóng)藝性狀指標(biāo)無法客觀、準(zhǔn)確的評價品種(系)抗旱性，必需綜合多個農(nóng)藝性狀進(jìn)行評價才較為科學(xué)、準(zhǔn)確。

表4 棉花品種(系)各主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)區(qū)間分布Table 4 Drought resistance coefficient of main agronomic trait and its distribution in upland cotton cultivar(line)

2.3 農(nóng)藝性狀主成分分析

對238份品種(系)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，得到不同農(nóng)藝性狀的因子載荷和貢獻(xiàn)率(表6)。提取特征值>1的主成分得到P1、P2和P3，總貢獻(xiàn)率為61.006%，包含了大部分的農(nóng)藝性狀信息。

表6 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻(xiàn)率Table 6 Component matrix and contribution rate of principal component analysis

根據(jù)對主成分因子絕對載荷值的分析發(fā)現(xiàn)，P1的特征值為2.085，貢獻(xiàn)率為26.057%，其中，株高和全營養(yǎng)枝長度的載荷絕對值(0.978)并列第一，其次為單株第一營養(yǎng)枝長度(0.977)，最小的為鈴數(shù)(0.009)，可以將其作為植株發(fā)育因子，P1特征值越大，植株發(fā)育越旺盛。P2的特征值為1.709，貢獻(xiàn)率為21.359%，其中，籽棉產(chǎn)量的載荷值(0.476)最高，其次為株高(0.663)和單鈴重(0.567)，最低的是全營養(yǎng)枝長度(0.075)，因此可將其作為產(chǎn)量因子，P2特征值越大，產(chǎn)量越高。F3的特征值為1.087，貢獻(xiàn)率為13.590%，其中，載荷值最高的為衣分(0.664)，其次為鈴數(shù)(0.590)和單鈴重(0.476)，最低的是籽棉產(chǎn)量(0.091)，可以將其作為產(chǎn)量構(gòu)成因子，P3得到特征值越大，以衣分為代表的產(chǎn)量構(gòu)成因子值越高。

2.4 抗旱性綜合評價、聚類分析及抗旱性等級劃分

D值的大小可以評價供試品種的抗旱性，D值越大，代表該品種抗旱性越強。所有供試的不同品種(系)的D值區(qū)間為0.197～0.624，均值為0.377，變異系數(shù)為0.217；CDC值的區(qū)間為0.712～0.972，均值為0.829，變異系數(shù)為0.059；WDC值的區(qū)間為0.739～0.985，均值為0.843，變異系數(shù)為0.053。

D值的排序前五名分別為農(nóng)墾5號、FM1735、新陸中22號、遼陽短節(jié)和岱字棉20。CDC值前五名分別為FM1735、農(nóng)墾5號、岱字棉20、新陸中22號和中17。WDC值前五名則分別為FM1735、農(nóng)墾5號、新陸中22號、中17和魯研棉28。從排序結(jié)果可知，D值、CDC值和WDC值三者對于各品種(系)的抗旱性評價略有差異，但通過三者的排名可以看出，農(nóng)墾5號、FM1735和新陸中22號這三個品種在不同的排名中均排在前列，可以認(rèn)為這三個品種抗旱性較強。

根據(jù)D值、WDC值和CDC值將各品種(系)進(jìn)行聚類分析，在λ=4處可以將全部品種(系)劃分為5類。結(jié)合抗旱性分析的結(jié)果(表7)可知：第Ⅰ類為高抗旱性種質(zhì)，包括農(nóng)墾5號、FM1735、新陸中22號等10份，占供試種質(zhì)的4.20%；第Ⅱ類為抗旱種質(zhì)，包括中棉所37、遼棉9號、新陸早42號等共61份，占供試種質(zhì)的25.63%；第Ⅲ類為中等抗旱種質(zhì)，包括浙棉11號、魯棉研36號、鄂荊1號等共84份，占供試種質(zhì)的35.29%；第Ⅳ類為敏感種質(zhì)，包括新陸早60號、魯研棉24號、蘇棉4號等共78份，占供試種質(zhì)的32.77%；第Ⅴ類為高度敏感種質(zhì)，包括新陸早76、新陸早58號共5份，占供試種質(zhì)的2.10%。

表7 基于聚類結(jié)果的WDC值、D值和CDC值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Table 7 Mean value,standard deviation and variable coefficient of WDC,D and CDC values based on clustering results

2.5 灰色關(guān)聯(lián)度分析

對各品種(系)做灰色關(guān)聯(lián)度分析，分辨系數(shù)設(shè)置為0.1，比較數(shù)列為各農(nóng)藝性狀的DC值，參考數(shù)列為D值，數(shù)據(jù)需經(jīng)過均值化，得到不同農(nóng)藝性狀的DC值與D值的關(guān)聯(lián)度(γi)。由表8可以看出，不同農(nóng)藝性狀DC值與D值的關(guān)聯(lián)度依次為：單鈴重、衣分、株高、可溶性糖含量、籽棉產(chǎn)量、鈴數(shù)、單株第一營養(yǎng)枝長度、單株全營養(yǎng)枝長度。用同樣的方法對DC值與WDC值進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，得到不同農(nóng)藝性狀DC值與WDC值的關(guān)聯(lián)度依次為衣分、單鈴重、株高、可溶性糖含量、籽棉產(chǎn)量、單株第一營養(yǎng)枝長度、鈴數(shù)、單株全營養(yǎng)枝長度。根據(jù)各性狀DC值與D值和WDC值的密切程度可以看出，棉花各主要農(nóng)藝性狀的DC值與抗旱系數(shù)D和加權(quán)抗旱系數(shù)WDC之間的關(guān)聯(lián)度最高的是單鈴重，其次分別為衣分、株高、可溶性糖含量、籽棉產(chǎn)量、鈴數(shù)和單株第一營養(yǎng)枝長度，單株全營養(yǎng)枝長度的關(guān)聯(lián)度最低。

圖1 基于D值、WDC值和CDC值的棉花種質(zhì)抗旱性系統(tǒng)聚類Fig.1 Fuzzy cluster of drought resistance of upland cotton culticars and lines based on D value，WDC and CDC values

表8 棉花品種(系)各主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)D值和WDC值的關(guān)聯(lián)度及位次Table 8 Correlation degree between DC of main agronomic traits and WDC of upland cotton cultivars and lines

2.6 不同綜合抗旱性評價指標(biāo)的比較

根據(jù)D值、WDC值和CDC值的回歸方程(表9)可以看出，在棉花品種(系)的抗旱性鑒定中，所檢測的8個指標(biāo)(株高X1、籽棉產(chǎn)量X2、單鈴重X3、鈴數(shù)X4、衣分X5、可溶性糖X6、單株第一營養(yǎng)枝長度X7和、全營養(yǎng)枝長度X8)都可以用于鑒定棉花品種(系)的抗旱性。但是，各性狀指標(biāo)對抗旱指標(biāo)的反應(yīng)程度不同，僅就反映程度排名靠前的指標(biāo)來說，對D值的反映程度表現(xiàn)為X1>X5>X4>X3；對WDC值的反映程度表現(xiàn)為X3>X5>X1>X6；對CDC值的反映程度表現(xiàn)為X3>X1>X2>X5。由此可見，株高、單鈴重、衣分對干旱脅迫的反應(yīng)更為敏感，這與灰色關(guān)聯(lián)度分析的結(jié)果相一致。

表9 棉花品種(系)抗旱性模型預(yù)測和不同綜合評價指標(biāo)間的相關(guān)性Table 9 Model predict of drought resistance and correlation of different comprehensive valuation indices of upland cotton cultivars

同時，將D值、WDC值和CDC值與籽棉產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，可以看出，三個抗旱指標(biāo)之間、各抗旱指標(biāo)與產(chǎn)量之間均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)。由此可見，棉花品種的抗旱性直接影響產(chǎn)量。

3 討論

3.1 棉花種質(zhì)資源全生育期多指標(biāo)相結(jié)合評價抗旱性

在評價作物抗旱性時，針對不同作物所采取的鑒定方法各不相同。近年來，采用多方法、多指標(biāo)相互結(jié)合的綜合性方法來評價作物抗旱性被廣泛使用[26-28]。

為了能夠較為準(zhǔn)確地評價棉花的抗旱性，通常以D值為綜合性的評價指標(biāo)，而WDC值和CDC值作為輔助[29-31]。本研究選擇了與棉花全生育期干旱相關(guān)的8個農(nóng)藝性狀，首先計算DC值和DI值，其次采用隸屬函數(shù)法和主成分分析得到D值，同時得到WDC值和CDC值。同時，本實驗采用逐步回歸的方法分別得到D值、WDC值和CDC值與各性狀的回歸方程，這樣不僅能夠直觀地看出各項農(nóng)藝性狀與棉花抗旱性的關(guān)系，也能夠更準(zhǔn)確地評價棉花品種(系)的抗旱性。因此，采用抗旱系數(shù)(DC)、綜合抗旱系數(shù)(CDC)、抗旱指數(shù)(DI)、加權(quán)抗旱系數(shù)(WDC)和抗旱性度量值(D)等多元多種算法相結(jié)合，能夠更為準(zhǔn)確地評價棉花全生育期抗旱性，同時直觀地體現(xiàn)了各指標(biāo)與棉花抗旱性之間的關(guān)系。

3.2 抗旱性評價指標(biāo)選擇

抗旱性是由多基因控制的復(fù)雜的綜合性狀。不僅受到自身種類、形態(tài)等影響，還受到干旱脅迫持續(xù)時間、干旱脅迫程度等影響[32-34]。因此，在作物抗旱性的鑒定過程中，能否篩選出與作物抗旱性密切程度高的指標(biāo)才是關(guān)鍵。

鑒定棉花的抗旱性指標(biāo)主要分為形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)三大類[35-37]。本研究選擇棉花8個農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評價，形態(tài)指標(biāo)為株高、第一營養(yǎng)枝長度和全營養(yǎng)枝長度；生理指標(biāo)為可溶性糖含量；產(chǎn)量指標(biāo)為籽棉產(chǎn)量、單鈴重、鈴數(shù)、衣分。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析得到了D值、WDC值同各項農(nóng)藝性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)的密切程度，從結(jié)果可以看出，兩者的關(guān)聯(lián)結(jié)果基本相同。采用逐步回歸分析的方法建立了D值、WDC值和CDC值同各項指標(biāo)抗旱系數(shù)的多元回歸方程，得到了3個擬合程度高的方程。通過關(guān)聯(lián)度分析及回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，本試驗所選擇的8項指標(biāo)與棉花的抗旱性均呈正相關(guān)，其中，衣分、鈴重和株高三項指標(biāo)排名靠前，說明其與棉花的抗旱性具有較為密切的聯(lián)系。

3.3 不同棉花種質(zhì)資源全生育期抗旱性評價

抗旱性鑒定是為了將所有供試的品種(系)根據(jù)其抗旱的能力和等級進(jìn)行劃分，從而篩選出抗旱能力強的品種(系)[38-40]。本研究將238份來源不同棉花品種(系)，利用D值、WDC值和CDC值對其抗旱性進(jìn)行排序，最終得到的排序結(jié)果基本一致，說明結(jié)果是可靠的。然后，利用D值、WDC值和CDC值進(jìn)行聚類分析，將所有材料劃分成5個等級，從中篩選出了高抗旱性品種農(nóng)墾5號、FM1735等和抗旱品種中棉所37、遼棉9號等，從而為下一步的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3.4 抗旱品種的選擇應(yīng)用應(yīng)該服從生產(chǎn)需要

在棉花逆境研究中，抗旱性一直是主要研究方向之一。近年來，隨著研究的不斷深入，抗旱性鑒定方法已經(jīng)從表型鑒定、生理生化指標(biāo)測定逐步發(fā)展到分子調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。本研究通過全面比較不同來源棉花種質(zhì)資源的抗旱性，篩選出相關(guān)性較強的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，主要包括株高、衣分和鈴重，對棉花科研和生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。但是，通過比較不同抗旱性品種的產(chǎn)量可以發(fā)現(xiàn)，抗旱品種如農(nóng)墾5號其產(chǎn)量并不高，并不能夠作為主栽品種；而某些敏感品種其產(chǎn)量很高，更適宜大面積推廣種植。這說明，目前的抗旱性評價結(jié)果雖然能夠反映某一品種的抗旱性，但抗旱品種并不等于高產(chǎn)品種，在優(yōu)良品種選育過程中可為親本選擇提供參考，大田應(yīng)用的抗旱性品種應(yīng)當(dāng)綜合考慮品種的抗旱性、豐產(chǎn)性、纖維品質(zhì)等指標(biāo)。