海島棉種質資源抗旱性評價

趙福相,劉康永,曲延英,高文偉,陳全家

(新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】干旱已經成為限制世界范圍內農作物增產的重要問題[1]。新疆植棉歷史悠久，是我國最大的棉花生產基地，棉花生產在新疆經濟發展中占有十分重要的地位[2]。棉花花鈴期是決定棉花品質和產量的關鍵時期，此時期水分虧缺對棉花生長發育的影響最為明顯[3]。新疆作為主要棉區，極易遭受干旱的影響，導致棉花減產和品質下降，培育抗旱性強的棉花品種，在棉區水資源短缺十分緊缺地區，對棉花材料進行抗旱性評價具有十分重要的意義。【前人研究進展】李海明等[4]采用綜合抗旱系數，模糊隸屬函數，主成分分析，關聯分析和聚類分析等統計分析方法相結合進行陸地棉品種抗旱性鑒定和抗旱指標的篩選。馮方劍等[5]通過研究與抗旱性相關的生理生化指標，采用主成分分析及D值分類的方法，對32個棉花品種進行了抗旱性評價。劉鵬鵬等[6]采用綜合抗旱系數、抗旱指數及隸屬函數相結合的方法，綜合評價了棉花種質資源的抗旱性。【本研究切入點】大多數研究對棉花的抗旱性評價研究主要是陸地棉材料，對海島棉進行抗旱評價性評價研究的比較少。研究采用抗旱系數、抗旱指數、主成分分析、綜合抗旱系數、D值評價法等方法，對棉花品種進行抗旱性分級評價。【擬解決的關鍵問題】對203份海島棉種質資源脅迫田間表型性狀進行多指標綜合分析，并作抗旱性評價鑒定。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為203份海島棉資源材料，其中：前蘇聯材料48份，占23.6%；內地材料54份，占26.6%；美國材料15份，占7.4%；中國新疆材料48份，占23.6%；埃及材料19份，占9.4%；不詳材料17份，占8.4%；阿爾法尼亞材料2份，占1%。

1.2 方 法

203份海島棉資源材料由新疆農業大學重點實驗室提供，于2018年種植于新疆阿克蘇16團試驗地。于4月中旬播種，隨機區組試驗設計，穴播(行長2 m×行寬0.6 m)，設置2次重復，每個重復間以70 cm寬的走道隔離。所有材料開花期在7月2～25日，于7月2日(花鈴期)對照組正常澆水，脅迫組不澆水，根據土壤中水分含量變化，7月25日對脅迫組復水，其后2個處理都正常澆水。于10月2號(吐絮期)收花，每個材料先收取15鈴，以獲得衣分和鈴重數據，收花后測產并調查株高、果枝數、第一果枝高度等農藝性狀。

1.3 數據處理

所有數據的統計和分析均在SPSS22.0和Excel 2013上完成，Excel 2013進行繪圖；運用SPSS 21.0進行方差分析、主成分分析等,數據處理時進行標準化處理，消除遺傳背景對抗旱性研究的影響。參照蘭巨生[7]方法，計算抗旱系數(公式 1) 、抗旱指數(公式 2) 、綜合抗旱指數(公式 3) 、隸屬函數值(公式 4) 、抗旱性量度值(公式 5) 、對綜合抗旱指數、抗旱度量值進行分析，劃分抗旱等級。

(1)

(2)

(3)

(4)

=1,2,3,…，n.

(5)

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對主要農藝性狀的影響

對203份供試海島棉材料主要農藝性狀，株高、果枝始節高、果枝數、有效果枝數、鈴數、有效鈴數、單鈴重、衣分和單株產量分別進行均值，方差以及變異系數計算，利用其均值進行配對樣本T檢驗，對數據進行描述性分析。研究表明，在花鈴期進行旱脅迫處理后，除果枝始節高在旱脅迫處理與正常處理間無顯著性差異，其余性狀均存在極顯著差異，各性狀均有一定程度的下降，變異系數方面：正常處理下，變異系數在0.09～0.27，最大的是單株產量，為0.27，最小的是衣分，為0.09；旱脅迫處理下，變異系數在0.06～0.28，最大的是單株產量,為0.28,最小的是衣分,為0.06，說明干旱脅迫條件對單株產量的影響較大，對衣分的影響較小。對兩種水分條件下農藝性狀的比較，除果枝始節高外，都存在顯著差異，試驗所選的203個品種(系)的各農藝性狀對水分脅迫比較敏感，所選農藝性狀具有較好的代表性。表1

2.2 單項指標分析

根據公式(1)抗旱系數、(2)抗旱指數獲得各性狀抗旱系數(DC值)和抗旱指數(DI值)，研究表明，抗旱系數與正常處理相比，各品種在花鈴期干旱處理后，所選性狀均發生了不同程度變化，DC值介于0.77～1.01，變異系數分別介于0.08～0.39。抗旱指數與正常處理相比，各品種在花鈴期干旱處理后，所選性狀均發生了不同程度變化，DI值介于0.58～1.01，變異系數分別介于0.12～0.47，變異系數的變化大小在一定程度上反應不同農藝指標對水分脅迫的敏感程度，單株產量和有效鈴數兩指標的變異系數比較大，這兩個性狀對水分脅迫較敏感。表2

根據DC值與DI值的范圍，將各性狀的DC值和DI值以組距為0.3分成5個組區間，制成連續次數分布表DC值分布較集中，DC值在區間0.6

表1 主要農藝性狀描述性
Table 1 Descriptive analysis of main agronomic traits

項目Item株高Plantheight(cm)果枝始節高Heightofthefirstbranch(cm)果枝數Fruitbranchnumber有效果枝數EffectiveFruitbranchnumber單株產量Grainweightperplant(g)WDWDWDWDWD均值Meanvalue79.9275.455.985.887.186.457.176.0824.05 19.35標準差Standarddeviation12.6611.790.930.681.391.031.391.0495.297.68變異系數Coefficientofvariation0.160.160.160.110.190.160.190.170.270.28T5.735??1.1897.42??11.812??13.391??P0.0010.2360.0010.0010.001相關系數Correlationcoefficient0.590.060.360.440.278DCAverage0.951.010.920.870.77DCCV0.150.200.220.200.39DI Average0.971.001.010.890.58DICV0.280.280.320.320.47項目Item鈴數Bollnumber有效鈴數Effectivebollnumber衣分Lintpercent(%)單鈴重Singlebollweight(g)WDWDWDWD均值Meanvalue8.67.158.576.990.350.323.202.78標準差Standarddeviation1.731.621.731.640.0310.020.520.33變異系數Coefficientofvariation0.200.230.200.230.090.060.160.12T10.838??11.717??16.686??12.464??P0.0010.0010.0010.001相關系數Correlationcoefficient0.350.350.510.44DCAverage0.850.840.910.89DCCV0.250.260.080.20DIAverage0.900.870.910.89DICV0.420.440.120.24

注：W:旱脅迫處理；D:正常處理；*：顯著；**:極顯著

Note:W:Drought stress treatment;D:Normal processing;*Notable;**:very significant

表2 棉花品種(系)各主要農藝性狀指標抗旱系數(DC)及區間分布
Table 2 Drought resistance coefficient of main agronomic traits and different distributions of upland cotton cultivars and line

性狀Character0.3

表3 棉花品種(系)各主要農藝性狀指標抗旱指數(DI)及區間分布
Table 3 Drought resistance index of main agronomic traits and different distributions of upland cotton cultivars and lines

性狀Character0.3

表4 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻率
Table 4 Component matrix and contribution rate of principal component analysis

性狀Character因子載荷FactorpatternTraitPC1PC2PC3株高Plantheight0.135-0.009-0.043果枝始節高Heightofthefirstbranch0.015-0.3290.618果枝數Fruitbranchnumber0.2-0.13-0.082有效果枝數EffectiveFruitbranchnumbe0.203-0.194-0.009鈴數Bollnumber0.214-0.073-0.079有效鈴數Effectivebollnumber0.212-0.077-0.071衣分Lintpercent0.0340.268-0.582單鈴重Singlebollweight0.0570.5990.423單株產量Grainweightperplant0.1760.3440.239特征值Characteristicvalue4.4291.3851.025貢獻率Contributionrate(%)49.21115.38611.386累計貢獻率Accumulatedcontributionrate(%)49.21164.59775.983因子權重Factorweight0.6390.2080.153

2.3 主成分分析

使用統計分析軟件對各農藝性狀的DC值進行主成分分析，獲得因子載荷和貢獻率，進一步評價抗旱的重要農藝指標。根據特征值>1和主成分載荷矩陣，最終得到3個主成分PC1、PC2和PC3，將具有相同本質的農藝性狀歸為一類根據主成分載荷及其絕對值的大小分析，在PC1中，第5項載荷最大，第6、4和第3載荷次之，其對應的農藝指標分別是鈴數，有效鈴數，有效果枝數和果枝數。在PC2中，第8項載荷最大，第9和7項載荷次之，其對應的農藝指標分別為單鈴重，單株產量和衣分。在PC3中，第2項載荷最大，第8項次之，其對應的農藝指標分別是果枝始節高和單鈴重。PC1主要概括鈴數及果枝數指標，PC2主要概括單鈴重和單株產量，PC3主要概括了果枝始節高和單鈴重指標,單鈴重在PC2、PC3中載荷均較大。表4

2.4 隸屬函數分析及其品種的綜合抗旱性評價

CDC值雖然避免了單項指標的片面性，但是對于各指標之間關系及各指標對抗旱能力的貢獻率并不能反映出來，后經改進以“加權隸屬函數法”來評價作物抗旱性。通過D值來評價供試種質資源的抗旱性，D值越大，抗旱性越強。供試種質資源D值介于0.08～0.98，均值為0.392，變異系數為0.362。根據D值和CDC對供試203份棉花材料進行排序，兩者結果基本相同。表5

圖1 基于D值的棉花材料抗旱性系統聚類
Fig．1 Based on the value of D and drought resistance of cotton varieties of system clustering figure

表 5 不同棉花品種抗旱性評價的 D 值、CDC 值(部分)
Table 5 D and DC values of drought resistance of different cotton varieties(part)

品種名Varietyname隸屬函數值μ1μ2μ3D排序SortCDC排序Sort新海14號Xinhai140.5730.1840.4520.473551.01536新海13號Xinhai130.6710.1820.0570.476540.99643新海21號Xinhai210.7180.2330.1550.531311.04127新海24號Xinhai240.4550.3520.0000.3651100.858113新海25號Xinhai250.3930.1720.2040.3181340.832129新海26號Xinhai260.7160.2010.3630.555271.06520新海27號Xinhai270.4960.2950.1050.395940.88598新海28號Xinhai280.6940.2720.3630.556261.03429新海29號Xinhai290.6840.3430.0990.524331.01337新海30號Xinhai300.9480.2010.2610.68861.1715新海31號Xinhai310.2850.2580.1740.2631670.775167新海33號Xinhai330.3460.1880.3280.311380.824137新海34號Xinhai340.5140.3650.2320.441680.9181

2.5 聚類分析

根據各個材料的綜合抗旱性D值，在系統聚類中采用ward法分為5類，第Ⅰ類為強抗旱(0.86>D≥0.53)，包括新海21號、豐產2號、躍零1號、海輻6號 等35 份材料，第Ⅱ類為抗旱(0.53>D≥0.41)，包括新海32號、軍海1號、勝利1號、墨-1413等55份材料，第Ⅲ類為中抗旱型(0.41>D≥0.32)，包括躍51-10、抗萎2號、新海4號等46份材料，第Ⅳ為較敏感型(0.32>D≥0.25)，包括新海24 號、新海36號、巴州-3244等33份材料，第Ⅴ為敏感型(0.25>D≥0.11)，包括雞爪海島棉長、海92-2、巴-329等33份材料。圖1

3 討 論

棉花抗旱為數量遺傳控制，抗旱機理復雜，選擇合理的指標性狀是抗旱性鑒定的關鍵，指標選擇不同，評價結果也不相同，很多研究者在指標選擇上從各個方面做了大量研究[9]，主要有生理生化指標、農藝性狀指標等，但在不同研究中得出各類指標與抗旱性關系不同的結論不盡一致。海島棉和陸地棉是目前世界上廣泛栽培的兩個四倍體棉種。陸地棉以其適應性性廣，產量高而被廣泛種植，與陸地棉相比，海島棉具有纖維長、細、強等突出特點，是紡織高支紗和特種植物不可缺少的原料，而且具有高抗病蟲，尤其抗黃萎病等優點，研究其抗旱性，對培育高品質棉花品種具有十分重要的意義。

目前，苗期、花鈴期、蕾期及產量形成后期是學者對棉花抗旱性研究的主要時期[10-12]。李志博等[12]研究發現棉花各個生育期抗旱能力排序為盛蕾期>苗期>花鈴期>吐絮期。試驗將花鈴期作為棉花抗旱的重要脅迫時期，符合新疆當地干旱實際情況。通過在花鈴期篩選有關棉花抗旱性強弱的指標，為海島棉抗旱材料的篩選提供參考。試驗農藝性狀指標可以看出，單株產量、鈴數、有效鈴數對水分脅迫反應敏感，衣分和株高對水分脅迫反應遲鈍，單項指標之間差異大，不能單獨作為決定性抗旱指標與其他作物抗旱性一樣，不同農藝性狀對水分脅迫的敏感程度存在差異，其抗旱系數和抗旱指數并不完全一樣。因此，使用任何一個單項農藝性狀指標的抗旱系數和抗旱指數都不能對棉花的抗旱性進行很好評價，必須使用多個農藝指標進行綜合抗旱性評價才較為可靠、準確和科學。研究將綜合抗旱系數和干旱脅迫條件下的 9個指標視為一個整體，用灰色關聯度分析進行棉花抗旱性評價，結果表明,灰色關聯分析和抗旱性度量值分析結果基本一致，單株產量、單鈴重和株高三個抗旱性評價指標，能夠評價棉花花鈴期種質資源的抗旱性。劉光輝等[13]通過研究花鈴期控水下棉花抗旱的指標篩選，分別計算D值、WDC值、CDC值、Y值幾個綜合性狀的廣義遺傳率，發現D值遺傳率最高，是最適合的綜合抗旱評價指標。李海明等通過花鈴期控水，通過主成分分析、關聯度分析和逐步回歸分析方法篩選出株高、籽棉產量、單鈴重、有效鈴數和果枝始節高度5個抗旱性評價指標，能直觀、簡單和可靠的評價棉花花鈴期種質資源的抗旱性。

4 結 論

通過以農藝性狀為依據的綜合抗旱系數、主成分分析、隸屬函數值相結合的方式及在隸屬函數基礎上賦予其權重的抗旱度量值(D 值) ,對203份海島棉種質資源進行了綜合的抗旱性鑒定，篩選出強抗旱型品種為新海21號、豐產2號、躍零1號、海輻6號 等35 份材料，為棉花生產和棉花抗旱分子機理研究提供基礎材料。主成分分析篩選出單株產量、單鈴重和株高3個抗旱性評價指標，能直觀、簡單和可靠的評價棉花花鈴期種質資源的抗旱性。