棉花品種資源花鈴期抗旱性鑒定與評價

鄭巨云，王俊鐸，龔照龍,梁亞軍,張澤良,艾先濤,郭江平，莫 明，李雪源

(1.新疆農業科學院經濟作物研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農業大學農學院，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆是我國最大棉花生產區，2019年新疆棉花面積2.54×106hm2，占全國的76.1%，總產500.2萬t，占全國的84.9%[1]。新疆的棉花生產對我國乃至世界棉花產業發展起著重要作用，肩負著維護我國棉花生產安全、滿足棉紡織工業需求以及新疆脫貧攻堅、鄉村振興、社會穩定和長治久安等重任[2]。水資源短缺已經是制約農業生產的世界性問題，干旱對農業造成的損失與其他非生物自然災害造成的損失之和相當[3]。新疆屬于干旱性大陸氣候，常年干旱少雨，干旱面積居全國之首[4]，綠洲植棉主要依靠冰山融水，因此水資源尤為匱乏，而且季節分配不均，嚴重影響了棉花生產用水，加之糧食作物、林果業及生態用水的保障需求，造成新疆棉花生產用水更加緊張。干旱已成為制約新疆棉花產業高質量發展的關鍵因子，因此研究干旱脅迫對棉花農藝性狀、生理生化代謝的影響及棉花抗旱響應機制，明確與抗旱密切相關的指標，篩選抗旱能力強的特異種質資源、挖掘抗旱優異等位基因,對新疆棉花抗旱遺傳改良具有重要意義[5]。

國內外學者研究發現，棉花現蕾期、花鈴期受干旱脅迫時植株的生長減緩，生理代謝顯著降低，甚至產生自然封頂現象，導致產量顯著下降[6-10]。近年來，針對棉花抗旱指標鑒定及統計分析方法開展了相關研究，篩選與鑒定出多個棉花抗旱性綜合評價方法和鑒定指標，通過綜合抗旱系數、綜合抗旱指數、綜合隸屬函數值、抗旱性綜合評價值、聚類分析、因子分析法、灰色關聯度和廣義遺傳力分析等評價方法對不同棉花種質資源進行了抗旱性綜合評價、分級及指標篩選[11-14]。通過多種算法的抗旱性評價分析，可以更加準確、全面地鑒定和評價不同棉花種質資源的抗旱特性。本研究收集了國內外272份主栽品種及特異資源，以花鈴期作為抗旱鑒定評價的關鍵時期，設立干旱脅迫和正常灌水2個處理條件，測定花鈴期與棉花抗旱性相關的農藝性狀及生理生化指標，以性狀抗旱指數(DI)為基礎指標，利用綜合抗旱指數(CDI值)、抗旱綜合度量值(D值)、加權綜合抗旱指數(WDI值)、灰色關聯度及聚類分析等多種方法相結合，對272份品種資源進行抗旱性綜合評價，避免了單一指標及方法易造成評價結果不準確的問題，通過來源廣泛、類型豐富的試驗材料及多種方法結合的綜合抗旱評價，篩選出與花鈴期抗旱相關的重要指標及抗旱能力強的品種資源，為陸地棉的花鈴期抗旱性遺傳改良提供理論依據和特異親本。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗材料

供試材料來自新疆農業科學院經濟作物研究所陸地棉團隊從國內外收集到的272份品種資源材料，品種資源編號及來源地見附表1。

試驗區屬于暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區,降水稀少,年降水量48.5 mm左右，年均蒸發量2 558.9 mm。旱池土質為沙壤，有機質15.4 g·kg-1，全氮0.4 g·kg-1，堿解氮64.9 mg·kg-1，速效磷28.6 mg·kg-1，速效鉀158 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗于2019年在新疆農科院16團試驗基地干旱鑒定池(80°50′31″E ，40°30′13″N)開展。

旱池劃分干旱脅迫區與對照區，中間設置3 m隔離區，均采用一膜兩行(窄膜，膜寬0.70 m)種植模式，每個材料種1行，隨機排列，3次重復，小區面積0.9 m2，行長3 m，行距0.3 m，株距0.12 m。旱池邊緣設二膜保護行，采用膜下滴灌灌水方式。

試驗材料于4月8日播種，4月20日出苗，7月5日打頂。對照組6月25日第1次滴水，滴灌周期同大田生產，每7～10 d滴1次水。干旱脅迫組不澆水，至田間土壤含水量達3%并持續脅迫20 d后復水1次。全生育期滴灌10次，滴灌總量5 500 m3·hm-2；共施純氮600 kg·hm-2，磷肥用量124.5 kg·hm-2，有機肥用量150 kg·hm-2，鉀肥用量129 kg·hm-2；全生育期化控7次，縮節胺用量360 g·hm-2。栽培期田間管理同一般大田管理。

1.3 測定指標及方法

8月25日測定干旱脅迫組及對照組的農藝性狀，包括株高(PH)、果枝數(FB)、果節數(FN)、果枝始節高(HFNFB)、果枝始節數(HFNFB)、葉面積(LA)、果枝數(FB)、果節(FN)、單株結鈴數(BN)，每個材料取10株的平均值為1次重復。

9月25日每個材料摘取20個中上部棉鈴，測定單鈴重(BW)、衣分(LP)。

纖維品質數據由中國農業科學院棉花研究所利用HVI900大容量纖維檢測儀測定，包括纖維長度(FL)、纖維比強度(FS)、馬克隆值(MIC)、整齊度(UNI)、伸長率(EL)。

8月25日測定葉綠素SPAD值，采用SPAD-502葉綠素計(Minolta，JPN)測定干旱脅迫組及對照組盛花期棉花功能葉(打頂后測主莖倒2葉)的葉綠素含量SPAD值，3次重復，每份材料選10株，分別在葉主脈及兩側各測定1次，取3次平均值。

土壤含水量達3%并持續脅迫20 d后，每個材料取10株主莖倒2葉，利用茚三酮法測定游離脯氨酸含量(Pro)[15]，硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量(MDA)[15]，比色法測定超氧化物歧化酶(SOD)含量[15]，10株平均值為1次重復。

1.4 數據處理

采用EXCLE 2010軟件和SAS 9.0軟件對田間測試數據進行統計分析。根據鄭巨云[4]、李忠旺[11]、劉光輝[12]、李海明[13]、孫豐磊[14]、Blum[16]等采用的數據處理方法，計算抗旱系數(DC) 、抗旱指數(DI)、綜合抗旱指數(CDI) 、隸屬函數值(μ(x))、抗旱性綜合度量值(D)、關聯度(γi) 、權重系數(ωi(γ))和加權抗旱指數(WDI)，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，DIimin、DIimax分別為各材料某性狀指標抗旱指數的最小值和最大值。

(5)

式中,ri為第i個綜合指標的貢獻率。

關聯度

(6)

式中，Li(k)為關聯系數。

(7)

(8)

2 結果與分析

2.1 單一性狀指標統計分析

測定正常處理組及干旱脅迫組的19個農藝性狀及生理指標，對不同環境下各性狀指標平均值進行成對樣本t檢驗分析，由表1可知，除始節高、葉綠素含量、MDA含量、PRO含量、SOD含量外，其他15個性狀指標不同處理條件下均呈極顯著差異(p<0.01)，結果說明始節高、葉綠素含量、MDA含量、PRO含量、SOD含量等性狀受干旱脅迫影響較小。

對各性狀指標抗旱指數(DI)進行分析，由表1可知，各性狀指標DI值范圍為0.72～1.09，除始節數、始節高、衣分、馬克隆值、MDA含量、PRO含量DI值>1，其他性狀DI值<1，馬克隆值最高為1.09，單株產量最低為0.72；各性狀指標DI值變異系數范圍為0.02～0.52，SOD含量變異系數最大為0.52，其次是PRO含量、MDA含量，分別為0.45，0.40，結果說明，干旱脅迫對棉花不同性狀的影響存在較大差異，MDA含量、PRO含量、SOD含量等生理指標對干旱脅迫最敏感，其次是單株產量、結鈴數、果節數等產量性狀，而纖維品質性狀指標最不敏感。

對不同性狀DI值頻分布統計分析，由表2可知，除整齊度、伸長率DI值分布在0.9≤DI≤1.2以外，其他性狀DI值在不同區間有所分布，但分布頻率不同；多數性狀DI值分布在0.6≤DI≤0.9、0.9≤DI≤1.2這2個區間，株高、始節高、MDA含量、PRO含量、SOD含量在5個區間均有分布，說明不同品種資源的株高、始節高、MDA含量、PRO含量、SOD含量等性狀抗旱性差異較大。

表2 不同性狀抗旱指數頻次分布

2.2 單項性狀抗旱指數相關性分析

由表3可知：不同性狀抗旱指數之間相關性存在顯著差異。葉綠素含量與始節數、單鈴重分別呈顯著、極顯著正相關，與衣分呈極顯著負相關；果節數與結鈴數、株高、始節高、葉面積、單株產量呈極顯著正相關，與PRO呈顯著正相關；結鈴數與單株產量呈極顯著正相關，與株高、葉面積呈顯著正相關；株高與始節高、果枝數、葉面積呈極顯著正相關，與衣分、單株產量、馬克隆值、SOD含量呈顯著正相關；始節高與始節數呈極顯著正相關，與葉面積、衣分呈顯著正相關；始節數與葉面積呈極顯著正相關；果枝數與單鈴重呈極顯著正相關，與馬克隆值呈顯著正相關；葉面積與單鈴重、衣分、單株產量、馬克隆值、伸長率呈極顯著正相關，與整齊度呈顯著正相關；單鈴重與單株產量、絨長、整齊度、馬克隆值、伸長率呈極顯著正相關，與比強度呈顯著正相關；衣分與馬克隆值呈極顯著正相關，與MDA含量呈顯著正相關，與絨長及比強度均呈極顯著負相關；單株產量與絨長、PRO含量呈極顯著正相關，與整齊度呈顯著正相關；絨長與比強度、整齊度、伸長率呈極顯著正相關，與馬克隆值呈顯著負相關；整齊度與比強度、伸長率呈極顯著正相關；比強度與伸長率呈極顯著正相關，與馬克隆值呈極顯著負相關；MDA含量與SOD含量呈極顯著負相關。

2.3 不同評價結果相關性分析

由表4可知,抗旱性綜合評價值(D)與綜合抗旱指數(CDI)、加權抗旱指數(WDI)3種評價結果相互之間都存在極顯著正相關，相關系數為0.958～0.997，說明3種抗旱性分析方法的結果具有高度一致性，可以用來相互驗證抗旱性評價結果。

表4 不同評價結果相關性分析

2.4 灰色關聯度分析

通過各性狀指標抗旱指數與D值及WDI值進行灰色關聯度分析，由表5可知，其關聯度排序依次為:整齊度、比強度、葉綠素含量、果節數、結鈴數、單鈴重、MDA含量、始節高、始節數、單株產量、株高、伸長率、果枝數、SOD含量、葉面積、馬克隆值、PRO含量、纖維長度；兩種排序位次相同的有整齊度、比強度和果枝數，此外，葉綠素含量、果節數、結鈴數等前3個性狀與D值關聯度和與WDI關聯度是基本一致或差別不大，而伸長率、葉面積、始節數差異比較大。

表5 各性狀抗旱指數與D值、WDI值關聯度分析

2.5 品種資源抗旱性綜合評價

利用各性狀指標隸屬函數值及權重系數計算各品種資源抗性綜合度量值(D值)，根據D值抗旱分級標準，將抗旱等級分為強抗旱(D≥0.59)、抗旱(0.51≤D<0.59)、中抗旱(0.41≤D<0.51)、較敏感(0.31≤D<0.41)和敏感(D<0.31)5 級[13]，D值范圍為0.153～0.689,平均值為0.400，變異系數為0.189，強抗旱、抗旱、中抗旱、較敏感、敏感的材料分別為2、17、112、112、30份，占總材料數的0.74%、5.88%、41.18%、41.18%、11.03%，強抗旱品種資源為關農1號、渝棉1號。

利用各性狀指標DI及其關聯度所占權重系數計算CDI值和WDI值，CDI值范圍為0.621～1.247，平均值為0.952，變異系數為0.086；WDI值范圍為0.351～1.229，平均值為0.924，平均值為0.952，變異系數為0.117。CDI值與WDI值評價結果基本一致，個別品種資源存在較大差異，如中棉所12(CDI-1.043，WDI-0.586)，根據CDI值、WDI值抗旱分級標準，強抗旱材料為關農1號、渝棉1號。D值、CDI值、WDI值3種方法評價結果基本具有一致性，某些品種資源存在差異，但3種方法篩選的強抗旱材料均為關農1號、渝棉1號，而敏感材料均為晉棉19。由于品種較多，因篇幅問題，在此省略各品種3類抗旱指標評價值的具體數據。

2.6 聚類分析結果

利用D值對272份棉花品種資源綜合抗旱性進行聚類分析，可將272份資源材料聚為5大類，基本將抗旱能力一致的品種資源聚為一類，包括:第一大類屬強抗旱類別，含關農1號、渝棉1號、遼棉9號、遼棉16號共4個品種，占總資源數的1.47%；第二大類屬抗旱類別，含銀棉2、岱字棉16、新陸中10等24個品種，占總資源數的8.82%；第三大類屬耐旱類別，含18N3、司6524、新陸中82等134個品種，占總資源數的49.26%；第四大類屬較敏旱類別，包括鄂抗棉8、新陸中65、新陸中22等100個品種，占總資源數的36.76%；第五類大類屬于敏旱類別，包括150030、鄂抗棉10、晉棉12等10個品種，占總資源數的3.68%(見圖1)。結果表明，絕大多數材料為耐旱材料及較敏感材料，占總資源數的86.03%，強抗旱材料占比較小，只占為1.47%。

3 討 論

3.1 棉花花鈴期抗旱相關指標

前人對國內外棉花品種資源不同生育期的農藝性狀、生理生化等性狀指標的抗旱性鑒定評價開展了相關研究，俞希根[17]，李少昆[18]等研究發現，不同生育期干旱脅迫對棉花生長的影響不同，蕾期、花鈴期對干旱最敏感，此時期持續干旱脅迫會嚴重影響棉花營養生長及生殖生長，造成植株矮小，果枝數減少，蕾、花、鈴脫落嚴重，生理代謝異常，棉花葉片的顏色逐漸由深綠變淺綠，葉綠素含量明顯下降。馮方劍等[19]對不同品種苗期生理指標進行苗期抗旱性的綜合評價，田又升等[9]對棉花蕾期至初花期17個農藝及生理指標進行抗旱性評價及指標篩選,孫豐磊[14]、劉光輝[12]、馮方劍[19]等對花鈴期農藝性狀及生理生化指標抗旱性進行綜合評價并聚類分析，發現抗旱研究指標主要為農藝性狀指標和生理指標，農藝性狀指標包括株高、葉面積、蕾鈴脫落、葉片數、有效果枝數、果節數、結鈴數等，生理生化指標包括光合速率、Fv/Fm、葉綠素含量、丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)等[8,12]。因此，針對不同生育期選擇合理的指標進行抗旱性鑒定評價，是評價結果準確與否的關鍵所在。

本研究以國內外272份主栽品種及特異資源為研究材料，選用的試驗材料類型及數量超過前人相關研究[11，12-14],遺傳背景更加豐富，在干旱及對照條件下測試了各品種資源的株高、果枝始節高、果枝始節數等15個農藝性狀指標，葉綠素含量(Chl)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、超氧化物歧化酶(SOD)等4個生理生化指標進行了單項性狀抗旱指數統計分析和各性狀抗旱指數與D值及WDI值灰色關聯度分析，結果表明，各性狀指標抗旱指數變異系數差異明顯，其中DI(SOD)、DI(PRO)、DI(MDA)變異系數最大，DI(伸長率)、DI(整齊度)、DI(纖維長度)變異系數最小，說明干旱脅迫對生理生化指標的影響差異較大，而對纖維品質值影響差異較小，產量結構性狀、果枝數、株高抗旱性差異居中，這與李海明等[13]研究結果具有一致性。各性狀之間存在不同的相關性，其中果節數、株高、葉面積、單鈴重與其他性狀的相關性較強，與8～11個性狀呈顯著或極顯著正相關，這與果節數、結鈴數、單鈴重與D值和WDI值關聯度較高是一致的。

各性狀指標與D值和WDI值的關聯度基本一致，整齊度、比強度、葉綠素含量、果節數、結鈴數等前5個性狀與D值和WDI值關聯度是相同的，伸長率、葉面積、始節數與D值關聯度和WDI關聯度差異比較大。整齊度、比強度與D值具有較強的關聯性這與李海明等[13]研究結果存在不一致。結鈴數、單鈴重、果節數等產量結構指標與抗旱性存在較強的關聯性，這與前人[13-14]研究結果一致；葉綠素含量、MDA含量與抗旱性也存在較強的關聯性，這與孫豐磊等[14]發現MDA含量、葉綠素含量這 2 個指標對干旱脅迫反應比其他生理生化指標敏感是一致的，說明丙二醛含量、葉綠素含量這2個生理指標與抗旱性密切相關，這也驗證了葉綠素含量、MDA含量可作為抗旱性鑒定的生理指標。

3.2 棉花抗旱性的評價方法

棉花抗旱性是一個復雜的數量性狀，單一的評價方法難以評價棉花的抗旱特性，不同的分析方法評價結果可能不一致。隨著統計方法的發展，國內外學者開始采用抗旱系數、抗旱指數、主成分分析、隸屬函數分析、灰色關聯分析及聚類分析相結合的方法對棉花抗旱性進行評價[11-12,17]，抗旱性綜合評價方法可以避開單一方法的缺陷，系統而準確地評價棉花抗旱性。

抗旱指數綜合考慮了各性狀指標的相對抗旱能力及絕對抗旱情況，本研究以各性狀抗旱指數為基本指標，利用綜合抗旱指數、抗旱性度量值(D值)及加權抗旱指數3種評價方法綜合評價棉花花鈴期抗旱特性，與李忠旺等[11]的以抗旱系數為基本指標，綜合抗旱系數、綜合抗旱指數、綜合抗旱隸屬函數值和抗旱性綜合度量值綜合評價的方法不一致，本研究使用的3種方法之間的相關性達到極顯著，說明此3種方法具有較強的一致性，進行綜合分析可以做到相互驗證，能夠較準確、全面地揭示盛花鈴期農藝性狀及生理指標與綜合抗旱性的關系。用抗旱性度量值(D值)進行聚類，劃分為5級，包含4個強抗旱品種、24個抗旱品種、134個耐旱品種、100個較敏旱品種、10個敏旱品種，這與李忠旺[11]、李海明[13]、孫豐磊[14]等研究認為強抗旱、敏感材料較少，中間材料較多是一致的，但與其鑒定的各抗旱類型的品種及數量并不一致，可能是由于品種資源、生育期、評價指標及干旱脅迫環境條件不同而造成的。

4 結 論

本研究以抗旱指數為單項評價指標，采用綜合抗旱指數、抗旱綜合度量值、加權抗旱指數，結合灰色關聯度及聚類分析對272份棉花品種資源進行抗旱綜合評價，根據D值分類結果，將272份品種資源分為5個抗旱級別:4份強抗旱、24份抗旱、174份耐旱、100份較敏感、10份敏旱。D值、CDI值、WDI值3種方法評價結果具有較強一致性，3種方法篩選的強抗旱材料均為關農1號、渝棉1號，敏感材料均為晉棉19，上述材料可以為棉花抗旱遺傳改良提供特異資源。整齊度、比強度、葉綠素含量、果節數、結鈴數、單鈴重可以作為花鈴期抗旱性鑒定重要指標。