陸地棉光合和生理生化指標的耐鹽性鑒定

劉 娜,曲延英, 高文偉, 黃雅婕,楊 濤,張 茹, 安秋雙

(新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】棉花的生產在很大程度上受到環境惡化的制約。土壤鹽漬化越來越嚴重，造成了新疆耕地逐漸退化，土地大面積的荒漠化，給當地的生態環境與農業生產帶來嚴重的不良影響[1]。目前正致力于利用傳統和現代育種方法開發新品種，以提高鹽條件下的棉花產量和耐受性。建立系統全面的耐鹽性鑒定方法是棉花耐鹽育種的關鍵問題。【前人研究進展】關于棉花資源的鑒定評價的研究已經在我國廣泛開展，同時也有不少關于棉花耐鹽性鑒定方法及評價指標的研究[2-4]。王俊娟等[5]在研究不同耐鹽性的棉花時，選擇的耐鹽性鑒定指標是芽質量與芽長度；孫小芳等[6]選擇的耐鹽鑒定指標包括了相對葉面積，苗期相對株高，以及相對出苗率；沈法富等[7]采選擇的耐鹽鑒定指標包括了葉片鮮質量減少的百分數與棉花葉片總面積。【本研究切入點】由于室內研究環境有異于田間環境，而前人大多研究苗期[6]或萌發期[3]的室內研究，少有報道自然鹽堿條件下的耐鹽性指標鑒定。研究自然鹽脅迫對陸地棉生理及產量的影響。【擬解決的關鍵問題】采用直接鑒定法(產量比較法)對參試資源在鹽堿作用下光合和生理的綜合評價，篩選出耐鹽資源。研究棉花對鹽脅迫的生理響應和適應性機制,通過整合花鈴期光合及生理耐鹽性狀進行綜合評價，選擇一些先進的耐鹽品種，為耐鹽性改良育種提供優良種質。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗中所選的材料為28份陸地棉品種，分別為：D1525，TM-1，百棉1號，岱字棉16，鄂荊1號，鄂抗棉10號，鄂棉14，鄂棉17號，邯5 158，邯鄲885，冀1 516，冀91-93，冀棉20，冀棉24(石遠321)，軍棉1號，遼棉17號，遼棉19號，魯棉21，魯棉6號，棉鄉69，山西引進W1，泗棉2號，蘇7036(7-15)，湘棉10號，湘棉16號，新陸早26號，新陸早7號，中R014121。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2018年在塔城沙灣新疆農業大學實驗基地進行。該試驗田從地理位置分布來看，其處于N 43°20′～45°20′，E 84°45′～86°40′，這里的平均海拔在300 ～500 m，所屬的氣候類型為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫在7.5～8.2℃，年日照小時數在2 318～2 732 h，全年無霜期時間在147～191 d，每年的降雨量大約在125～207.7 mm，年蒸發量約在1 000～1 500 mm，北部地區中一年降水最多的月份為7月，然后是5月和6月，最少的是4月，在這段時間的平均降雨量水平大約在13 ～20 mm；但是南部地區降雨量最多的月份是在4月，然后才是5與7月，降雨量最小的是6月，這段時間的平均降水量約在21.7～27.6 mm。這里全年擁有的無霜期相對是長的，氣候條件適宜棉花種植。

試驗選地為試驗田排堿渠附近(自然鹽堿地)，試驗設計為2個處理、2個重復，其中鹽含量是根據各區組五點采樣法取40 cm處的土樣，測得處理1(鹽脅迫)總含鹽量為19 g/kg,處理2(對照)總含鹽量為4 g/kg。具體的種植方式為，每膜種植六行，寬度在20～25 cm，長度在50～60 cm，對每份材料的點播方式采取的是"1 米1行"方式，每膜上種植6份材料，株距約等于10 cm，在一個膜兩個不同材料之間隔離走道寬度為50 cm。灌溉、施肥方法采用膜下滴灌-施肥技術。

1.2.2 測定指標

在花鈴期采用便攜式光合測定系統(CIRAS-3，漢莎，英國)測定棉花光合作用，為消除人工氣候室內光源對光合作用的影響，試驗測定光合作用時，光源由儀器提供，光強為 1 100 μmol/(m2·s)。10:30～12:30此段時間為當地測量最佳時間，避免光合午休現象，進行光合測量，并摘取幼葉(均已測定到三葉為準)，液氮速凍用于生理指標的測定。吐絮期調查棉花始節位、單株鈴數、有效果枝數等農藝性狀，收獲后測定棉花單株產量和衣分等指標。通過硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量，用考馬斯藍染色法測定可溶性蛋白質含量;超氧化物歧化酶(SOD)測定采用氯化硝基四氮唑藍(NBT)比色法;選用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[8-10]。

1.3 數據處理

按公式(1)和(2)分別計算單項耐鹽系數(DC)及綜合耐鹽系數(CDC)，在該式中，Xi和 CKi分別代表鹽脅迫和對照處理的測量值。

(1)

(2)

按照公式(3)計算棉花的耐鹽指數(Y)。在該式中，鹽脅迫組中每個品種的單株產量用Yd表示; 對照組中每品種的單株產量用Yw表示; 組中所有品種的單株平均產量用Ymw表示。

Y=Yd2/YwYmw

(3)

根據公式(4)計算每個綜合指標的加權因子ωi，其中Pi表示第i個復合指數的貢獻率;使用公式(5)獲得每個綜合指數的隸屬函數值μ(xi)，其中xi表示第i個復合指數。ximin、ximax分別表示第i個綜合指標的最大值和最小值。根據公式(6)，結合公式(4)和(5)計算出耐鹽性度量值D。

(4)

(5)

=1,2,3,…,n

(6)

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對棉花生理指標的影響

鹽脅迫處理下品種的棉花葉片中可溶性蛋白、SOD含量的平均值和極值均低于對照，可溶性糖、MDA含量大于對照，POD活性略高于對照。從標準差值來看，鹽脅迫下除了可溶性蛋白含量的標準差小于對照，其余指標均大于對照。鹽脅迫下可溶性蛋白含量材料間變化幅度小，其他指標變化幅度大。表1

表1 鹽脅迫下棉花生理指標變化

Table 1 Effects of salt stress on physiological indexes of cotton

指標Index鹽脅迫Salt stress對照Control均值Mean標準差Standard deviation極小值Min極大值Max均值Mean標準差Standard deviation極小值Min極大值Max可溶性蛋白Soluble protein3.47 0.71 1.83 5.85 4.96 2.71 2.67 15.50 可溶性糖Soluble sugar39.59 5.77 28.55 51.50 35.72 5.65 21.23 47.13 SOD4.12 1.02 2.21 6.15 4.39 0.90 2.24 6.03 MDA244.03 80.00 103.90 416.14 191.68 69.53 97.46 349.63 POD0.35 0.12 0.13 0.69 0.32 0.08 0.16 0.49

2.2 鹽脅迫對棉花光合指標的影響

研究表明，花鈴期棉花各品種蒸騰速率(E)、氣孔導度(Gs)、光合速率(A)、和胞內 CO2濃度(Ci)均在鹽脅迫下低于對照。從標準差值來看，對照組的標準差均大于鹽脅迫下。表2

表2 鹽脅迫下棉花光合指標變化

Table 2 Effects of salt stress on photosynthesis index of cotton

指標Index鹽脅迫Salt stress對照Control均值Mean標準差Standard deviation極小值Min極大值Max均值Mean標準差Standard deviation極小值Min極大值MaxA21.94 3.57 14.80 33.60 24.00 3.82 15.60 36.50 E5.22 0.85 3.40 7.85 5.35 1.07 3.35 7.85 Ci177.71 37.40 91.00 264.00 187.65 53.33 89.50 506.50 Gs250.43 51.85 145.00 365.00 272.38 80.35 108.00 460.00

2.3 棉花產量與各指標間的相關性

將各品種在鹽脅迫下收獲的單株產量與各生育期的指標進行相關性分析，單株產量與凈光合速率呈顯著正相關，相關系數為0.447；與E呈極顯著正相關，相關系數為0.521；與胞間二氧化碳濃度為顯著正相關，相關系數為0.364；與Gs呈極顯著正相關，相關系數為0.516；與POD活性呈顯著正相關，相關系數為0.508；與MDA 含量呈顯著負相關，相關系數為-0.372。表3

2.4 主成分分析

計算Kaiser-Mayer-Olkin(KMO)指數并進行Bartlett測試以分析原始數據集是否適合于因子分析。KMO值為0.627(> 0.5)，Bartlett檢驗值為(χ2= 1 052.464>χ20.01,45= 69.957，Sig.0.000<0.05)，表明原始數據適用于因子分析。

基于累積貢獻率超過80%的規則，獲得了占總方差的82.71%的五因子解。因子1代表產量因子，包括與產量顯著正相關的4個光合指標等，因子2-4被稱為生理因子，包括POD活性等生理指標。因子5代表胞間二氧化碳濃度因子。因子分析的結果與相關性分析一致。

表3 棉花產量與各指標間相關性

Table 3 Correlation analysis between cotton yield and various indicators

指標Index籽棉Seed cotton皮棉Lint cotton單產Yield per plantAECiGs可溶性蛋白Soluble protein可溶性糖Soluble sugarSODMDAPOD籽棉Seed cotton1皮棉Lint cotton0.948??1單產Yield per plan0.795??0.780??1A0.2840.2350.447?1E0.433?0.446?0.521??0.496??1Ci0.3080.388?0.364?0.2380.487??1Gs0.481??0.553??0.516??0.535??0.701??0.679??1可溶性蛋白Soluble protein0.1060.0930.2000.2080.105-0.0840.1151可溶性糖Soluble sugar0.409?0.379?0.3250.529??0.567??0.1000.417?0.1141SOD0.2420.1510.0830.1290.1250.0040.0860.0230.1511MDA-0.496??-0.423?-0.372?0.189-0.407?0.1970.2670.0750.226-0.442?1POD03340.224.0508??0.1520.1370.1330.2260.408?-0.0620.286-0.366?1

注:*.在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。**.在 0.01 水平(雙側)上顯著相關

Note:*.Significantly correlated at the 0.05 level (both sides).**.Significantly correlated at 0.01 level (both sides)

表4 因子載荷

Table 4 Factor load

指標 Index成份 IngredientsF1F2F3F4F5籽棉Seed cotton0.170.13-0.25-0.01-0.35皮棉Lint cotton0.170.05-0.30-0.08-0.34單產Yield per plan0.170.10-0.08-0.23-0.20A0.12-0.170.420.080.02E0.16-0.210.120.100.16Ci0.11-0.23-0.24-0.210.53Gs0.16-0.220.03-0.120.28可溶性蛋白Soluble protein0.050.240.53-0.34-0.07可溶性糖Soluble sugar0.12-0.210.290.33-0.35SOD0.060.300.030.560.29MDA0.120.25-0.100.340.18POD0.090.410.13-0.270.29合計Total4.891.601.251.171.02方差的 (%)Variance40.7213.3510.439.748.47累積 (%)Accumulation40.7254.0764.5074.2482.71總得分公式D=0.49F1+0.16F2+0.13F3+0.12F4+0.1F5

2.5 品種綜合評價

根據公式計算不同棉花品的綜合評價，并選用ward法對D值進行聚類分析，可將28個棉花品種劃分為4類：8個品種為先進的耐鹽植物(D值范圍為0.9～1.07)，10個品種具有高等耐鹽性(D值范圍為0.78～0.87)，6個品種具有中等耐鹽性(D值范圍為0.7～0.76)，4個品種低等耐鹽性(D值范圍為0.56～0.66)。圖1

圖1 聚類分析

Fig.1 Cluster analysis

3 討 論

3.1 鹽脅迫對各指標的影響

試驗中，在鹽脅迫下光合指標均小于對照。光合作用是棉花干物質積攢和產量構成的基礎[11-13]。鹽脅迫下，土壤中的鹽分進入植物細胞中，阻止了葉綠素的合成[14]，同時加速了葉綠素分解,最終導致凈光合速率下降，這與前人研究一致[15-20]。在鹽脅迫下棉花葉片中可溶性蛋白、SOD活性的平均值和極值均低于對照，可溶性糖、MDA含量大于對照，鹽脅迫發生時，細胞內會產生大量的活性氧,它破壞了植物的滲透壓和離子平衡，導致體內代謝紊亂，引起活性氧的積累，從而導致自由基損傷，這與前人研究結果一致[21]，但是，POD活性低于對照，這與本試驗結果存在差異，試驗POD活性略高于對照。可能是由于試驗所采取的材料是耐鹽品種，存在差異。

3.2 鹽脅迫下各指標間的相關性

鹽脅迫是影響新疆棉花生長發育的主要壓力，產量及其構成因素是反映鹽脅迫對棉花影響的直接指標。鹽脅迫促進了細胞內自由基的代謝產生了大量的活性氧，當其積累量超出傷害閾值時，會引起細胞膜脂過氧化反應而產生丙二醛 (MDA),然后導致葉綠素降解和光合酶活性下降，影響植株光合能力[22- 23]；POD活性是植物中抗氧化系統的組分，其具有抵抗組織細胞中膜過氧化的作用。試驗將鹽脅迫下棉花產量和其他耐鹽性指標做相關性分析，單株產量與A、E、Ci、氣孔導度、與POD活性呈顯著正相關，與MDA 含量呈顯著負相關。由此可知，鹽脅迫下光合作用和POD活性越高，棉花品種越具有耐鹽性；而MDA含量越低耐鹽性越高。

4 結 論

采用主成分分析法(PCA)進行分析，能夠簡化問題，減少分析的變量數量，進一步簡化對多變量問題的分析。采用適當的變換后，將幾個具有代表性的綜合指標得到，以此來對對象的基本特征展開客觀的描述，也就是耐鹽綜合指標。主成分分析將12項指標歸類為5大因子，因子1代表產量因子，包括與產量顯著正相關的4個光合指標等，因子2-4被稱為生理因子，包括POD活性等生理指標。因子5代表胞間二氧化碳濃度因子。

棉花耐鹽性是多基因控制的數量性狀，耐鹽育種難度較大且評價指標尚不統一，基于產量比較法將花鈴期的光合指標和生理生化指標用主成分分析與隸屬函數法建立為綜合耐鹽系指D值，將28份耐鹽陸地棉材料所測指標數值按照本研究方法求得D值，而后用聚類分析將材料分為四類，分別為高耐鹽材料，中耐鹽材料，低耐鹽材料和先進耐鹽材料。