不同基因型棉花苗期耐磷性評價及鑒定指標篩選

王培培， 姬俊華， 付軍亮， 李雪林， 張富厚， 孟超敏*， 劉逢舉

(1.河南科技大學 農學院，河南 洛陽 471003； 2.洛陽理工學院 環境工程與化學系，河南 洛陽 471023； 3.中國農業科學院 棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室, 河南 安陽 455000)

磷作為植物生長發育不可缺少的礦質元素之一[1]，不僅是植物體及體內能量載體的主要組成部分，在植物的呼吸、光合和生理生化調節過程中也發揮著重要的作用[2-3]，對作物的產量和品質也有重要影響[4]，同時還是土壤肥力形成的原始啟動因子[5]。馬進川[6]研究認為，化肥磷素是農田磷素輸入的主要來源。由于磷素在土壤中的移動性弱，且極易以無機態的形式被固定起來，使植物能夠吸收利用的磷素很少，從而導致當季磷肥的利用率僅為10%左右，造成缺磷現象，這種現象稱為遺傳學缺磷[7-10]。磷資源屬于不可再生資源[11]，目前全球可供開采的磷礦資源僅能維持到22世紀中葉[12]，因此篩選耐磷性品種，挖掘磷高效基因成為解決遺傳學缺磷的有效途徑之一，而合理選擇耐磷性鑒定指標則是進行耐磷性品種篩選和耐磷機理研究的基礎。

近年來，關于磷脅迫對棉花干物質的積累、分配規律和生長發育的影響均有研究[13-15]，李衛華等[16-17]通過對各指標變異系數分析，篩選出相對整株干物質、相對吸磷量、相對含磷量和相對磷吸收效率、相對磷利用效率、相對地上部干重、相對根干重、相對生物量為棉花耐磷性鑒定指標。但由于試驗方法不同，得到的鑒定指標也有所不同。雖然前人對棉花耐磷性指標的篩選有一定的研究，但總體缺乏系統性，因此目前對棉花耐磷材料的快速判斷還存在一定的困難。為快速進行大批量耐磷材料篩選，筆者等采用棉株先砂培后水培的磷脅迫處理方式，運用隸屬函數、主成分分析和線性回歸對低磷脅迫下的12個棉花品種苗期耐磷性進行綜合評價，并對生理指標和耐磷能力的關系進行探討，同時基于各生理指標與耐磷性關系建立棉花苗期耐磷性數學評價模型，以期為棉花耐磷品種的選育和耐磷機理的研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為12個棉花品種(系)，分別為新陸早42號、新陸早46號、新陸早19號、中棉所21號、中棉所32號、冀航8號、錦科棉11號、GK99、邯218、冀H170、棉鄉雜3號和苗寶21號，由中國農業科學院安陽棉花研究所和新疆石河子棉花研究所提供。

1.2 試驗設計

以棉花幼苗期磷脅迫為試驗處理，設置2個磷脅迫水平，即低磷水平和適磷水平。低磷水平處理：KH2PO4濃度為0.01 mmol/L；適磷水平處理：KH2PO4濃度為 1.0 mmol/L。

1.3 試驗過程

試驗于2018年于河南科技大學農學院實驗室進行。采用營養液水培方式，精選飽滿完整的棉種在溫開水中浸泡30 min，用去離子水浸泡過夜至露白。將細沙與蛭石的混合基質高溫滅菌24 h，加蒸餾水充分攪拌使其含水量達35%，播種于塑料培養缽常溫萌發，待其長至8 cm左右，將棉苗沖洗干凈，用海綿裹住根莖結合處移至水培盆中，每個品種每盆移栽3株棉苗，每盆移栽4個品種，各處理設3個重復，室內放置2 d后逐步過渡至室外遮陽棚培養。前期用改良的1/2 Hongland營養液培養，每周更換1次營養液；當大多數棉苗第4片真葉能進行光合作用后，開始進行磷脅迫全營養液處理(表1)，處理期間每5 d更換1次營養液，連續更換3次后收取棉苗并對其各項生理指標進行測定。K+的缺失用KCl補充，每天加入5滴30% H2O2以提供根系呼吸所需氧氣，調節pH至6.0～6.5。

表1 棉花磷脅迫試驗不同處理的Hoagland營養液配方

1.4 測定指標

棉苗在磷脅迫處理15 d后開始進行各項生理指標測定。株高(PH)：利用刻度尺量取，由子葉節至生長點；葉面積(TFA)：利用長寬乘積法測定；植株鮮重及干重：棉苗用自來水沖洗干凈，稱取地上部鮮重(FWO)、地下部鮮重(UFW)、子葉鮮重(FWC)和真葉鮮重(FWTL)，然后將地上部和地下部分別包裝好于105℃殺青30 min，在70℃烘48 h至恒重，測定地上部干物重(DWO)和地下部干物重(UDW)；植株磷含量(PC)：利用釩鉬黃比色法測得。根據測定結果，計算以下指標：總鮮重(TFW)=地上部鮮重(FWO)+地下部鮮重(UFW)；總干重(TDW)=地上部干物重(DWO)+地下部干物重(UDW)；根冠比(RSR)=地下部干物重(UDW)/地上部干物重(DWO)；磷積累量(PA)=總干重(RCR)×磷含量(PC)；磷利用效率(PUE)=總干重(RCR)/磷積累量 (PA)。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理與分析，SPSS 22.0進行主成分分析、聚類分析和線性回歸分析。根據楊春婷等[18-19]的方法對原始數據進行定量轉換。

1.5.1 指標耐磷系數 (PTC) 各測定指標的耐磷系數PTC=磷脅迫測定值/適磷測定值。

1.5.2 各基因型棉花的綜合指標F(Xj)=a1jX1j+a2jX2j+…+aijXij。i=1,2,…n,j=1,2,…n。式中，F(Xj)為第j個棉花品系的綜合指標值，aij表示各單一指標的特征值所對應的特征向量，Xij為各單一指標的標準化處理值。

1.5.3 各基因型棉花綜合指標隸屬函數的計算u(Fj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。j=1,2,…n。式中，Fj為第j個棉花品系的綜合指標，Xmax為第j個綜合指標最大值，Xmin為第j個綜合指標最小值。

2 結果與分析

2.1 棉花單項指標耐磷系數及其相關性

2.1.1 耐磷系數 從表2可知，不同基因型(品系)棉花經磷脅迫處理后，磷含量(PC)和磷積累量(PA)的耐磷系數絕大多數小于1，說明磷含量和磷積累量低磷處理總體上較適磷處理有所下降；磷利用效率(PUE)的耐磷系數絕大多數大于1，說明低磷處理的磷利用效率高于適磷處理。其余各單項指標的耐磷系數在各品種上的變化幅度不盡相同。

表2 磷脅迫下棉花幼苗各單項生理指標的耐磷系數

2.1.2 相關性 通過相關性分析可直觀揭示指標間的關系及其相關關系的方向和強度[20]。由表3看出，棉花各指標間均有不同程度的相關性，說明各指標所提供的信息發生重疊。綜合其耐磷系數變化情況可知，各指標在不同棉花品種中所起的作用也有所不同，表明棉花耐磷性是一個復雜的綜合性狀，直接對各單項指標作出評價不能準確反應棉花的耐磷性，因此需在此基礎上進一步利用多元統計法進行分析。

表3 磷脅迫下棉花幼苗各單項生理指標的相關系數矩陣

2.2 棉花耐磷指標的主成分分析

主成分分析可通過各指標間的偏相關性化繁為簡，將大量單一指標提煉為可表述各指標間關系的新指標，彌補單項指標耐磷性評價的不足。一般認為，偏相關性值大于0.9時，代表該指標在此主成分中起主要作用，當偏相關性值大于0.7小于0.9時則認為該指標在此主成分中所起作用尚可，當偏相關性值小于0.7時則認為該指標在此主成分中所起作用較差。主成分分析將棉花14個單項耐磷性指標轉化為4個主成分，4個主成分的貢獻率分別為59.344%、15.368%、8.696%和7.666%，累積貢獻率達91.074%。4個主成分是相互獨立的綜合指標，同時還攜帶原始指標的大部分信息。從表4看出，第一主成分中起主作用的指標有地上部鮮重(FWO)、地下部鮮重(UFW)、真葉鮮重(FWTL)、地上部干重(DWO)、地下部干重(UDW)、總鮮重(TFW)、葉面積(TFA)和總干重(TDW)，說明耐磷能力較好的棉花幼苗在磷脅迫下會促使自身生理生長；第二主成分中起主作用的指標有磷含量(PC)和磷利用效率(PUE)，說明耐磷能力較好的棉花幼苗在磷脅迫下會適當增加植株磷含量，但磷利用率卻有所降低，可能是種子攜帶磷素的原因；第三主成分中起主作用的指標為根冠比(RSR)，說明耐磷性較強的品種在磷脅迫下會促使根部生長，加大根冠比以獲得更多的磷元素。第四主成分中起主作用的指標是株高(PH)，說明耐磷性較強的棉花會加快幼苗植株的生長。

表4磷脅迫下棉花幼苗各指標的成分矩陣

Table 4 Component matrix of each single physiological index of cotton seedlings under phosphorus stress

指標Index主成分Principal component1234株高 PH 0.031 0.191 0.219 0.922 地上部鮮重 FWO 0.987 -0.056 -0.055 0.040 地下部鮮重 UFW 0.939 0.049 0.190 -0.137 子葉鮮重 FWC 0.551 0.214 -0.192 -0.316 真葉鮮重 FWTL 0.963 -0.125 -0.059 0.026 地上部干重 DWO 0.970 -0.136 -0.119 0.006 地下部干重 UDW 0.887 0.105 0.406 0.022 總鮮重 TFW 0.993 -0.037 -0.012 0.008 葉面積 TFA 0.971 -0.101 -0.058 0.028 總干重 TDW 0.980 -0.112 -0.069 0.017 根冠比 RSR -0.057 0.365 0.875 -0.275 磷含量 PC -0.075 0.936 -0.089 -0.060 磷干積累量 PA 0.766 0.563 -0.075 0.145 磷利用效率 PUE 0.064 -0.817 0.351 0.022

2.3 棉花品種耐磷性綜合評價

從表5看出，棉花耐磷性評價指標D值最大的是新路早19號，其次是錦科棉11號，冀H170最低。D值越大，耐磷性越強，反之，耐磷性越弱。由此可看出，12個棉花品種耐磷性排序為新陸早19號>錦科棉11號>棉鄉雜3號>苗寶21>中棉所21號>新陸早46號>中棉所32號>新陸早42號>冀航8號>GK99>邯218>冀H170。

表5各基因型棉花的耐磷性評價指標D值和排序

Table 5Dvalue and ranking of phosphorus tolerance evaluation index of tested cotton varieties with different genotypes

品種Variety (line)D值D valueD值排序Ranking of D value新路早42號 Xinluzao 42 0.356 8新路早46號 Xinluzao 46 0.420 6新路早19號 Xinluzao 19 0.868 1中棉所21號 Zhongmiansuo 21 0.453 5中棉所32號Zhongmiansuo 32 0.381 7冀航8號 Jihang 8 0.240 9錦科棉11號 Jinkemian 11 0.748 2GK99 0.217 10邯218 Han 218 0.215 11冀H170 Ji H170 0.193 12棉鄉雜3號 Miaxiangza 3 0.660 3苗寶21號 Miaobao 21 0.569 4

2.4 棉花品種耐磷性分類

利用系統聚類法對棉花耐磷評價指標(D值)進行聚類分析[21-22]，將12棉花品種分為4類，第一類僅有新陸早19號，屬強耐磷類型；第二類有苗寶21、棉鄉雜3號和錦科棉11號，屬中度耐磷類型；第三類有中棉所21號、新陸早46號、中棉所32號和新陸早42號，屬弱耐磷類型；第四類有翼航8號、翼H170、邯218和GK99，屬磷敏感類型(圖1)。

圖1 12個棉花品種耐磷性聚類樹狀圖

Fig.1 The dendrogram of 12 cotton varieties in phosphorus tolerance

2.5 棉花耐磷指標回歸模型建立及鑒定指標篩選

為分析指標與品種耐磷性關系，篩選耐磷性指標，建立棉花苗期耐磷性評價模型，把D值作為因變量，各指標的耐磷系數作為自變量，進行逐步回歸分析，建立回歸方程：D=-3.329+1.773PH-7.724FWTL+10.826TFA-2.37UDW+1.212RSR，方程決定系數R2=0.965。由方程可知，12個單項指標內有5個指標對棉花幼苗的耐磷性有顯著影響，分別是株高、真葉鮮重、總葉面積、地下部干重和根冠比。

3 結論與討論

磷是植物生長發育所必需的營養元素，缺磷直接影響植物的形態發育和生物量[23]，因此，在低磷脅迫下植物形成一定的適應性機制，如根系伸長、根毛增多等從而擴大根系吸收面積，提高磷素吸收效率[24]。作物的耐磷性受眾多因素影響，苗期又是作物群體建成的關鍵時期，同時苗期篩選棉花耐磷性品種不僅時間短，而且容量大，所以苗期篩選棉花耐磷性具有重要意義。

由于該研究的磷脅迫發生在幼苗期，且持續時間較短，使種子中的磷素可能發揮一定的作用，對試驗結果可能造成一定誤差。董合林[25]研究指出，棉花磷素吸收的高峰期在花鈴期，且吸收百分率一般在60%以上，遠超苗期、蕾期和吐絮期，因此今后還需對參試棉花品種各時期耐磷性進行研究以進一步驗證。由于試驗采用水培方法進行，可能與田間耐磷性表現不完全一致。因此，準確篩選磷高效品種還需田間進一步試驗鑒定。

主成分分析將磷脅迫下棉花幼苗的14個單項指標轉化為4個獨立的綜合指標，并得到耐磷性綜合評價值(D值)，客觀反映了12個棉花品種苗期的耐磷性。通過聚類分析將12個棉花品種劃分成磷敏感、弱耐磷、中度耐磷和高度耐磷4個類型。高度耐磷型品種1個，即新陸早19號；中度耐磷型品種3個，分別為苗寶21、棉鄉雜3號和錦科棉11號；弱耐磷型品種4個，分別為中棉所21號、新陸早46號、中棉所32號和新陸早42號；磷敏感型品種4個，分別為冀航8號、冀H170、邯218和GK99。建立棉花幼苗耐磷性評價回歸模型：D=-3.329+1.773PH-7.724FWTL+10.826FDW-2.37UDW+1.212PC(R2=0.964)，篩選出影響棉花幼苗耐磷能力的5個單項指標，分別為株高、真葉鮮重、總葉面積、地下干重和根冠比。