棉花種子耐鹽堿能力快速篩選研究

陳 瑩 王 萌 王曉禹 張紅霞 梁 琪 那仁巴特 馬媛媛 王方永 羅宏海

（1 石河子大學農(nóng)學院，新疆石河子 832003；2 新疆農(nóng)墾科學院棉花研究所，石河子 832000）

棉花是國計民生不可或缺的基礎產(chǎn)品、基礎產(chǎn)業(yè)[1]，對新疆和兵團經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)揮著不可替代的重要作用。鹽堿是影響農(nóng)作物生長發(fā)育、產(chǎn)量的主要非生物脅迫因素之一[2]。新疆被稱為世界鹽堿土的博物館，是土壤積鹽最重、鹽堿化類型最多、土壤鹽堿化分布面積最廣的地區(qū)[3]。棉花相對其他作物更耐鹽堿，同時也是改良鹽堿地的主要作物之一[4]。因此，合理改良與開發(fā)利用新疆鹽堿地植棉，成為新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的主要問題。

種子是植物得以保存的重要的傳播者，也是植物生長發(fā)育的基礎[5]。影響種子耐鹽堿能力的因素較多，其中遺傳因素占主導作用[6]。植物體內(nèi)的遺傳物質(zhì)也會受鹽堿脅迫影響，如小麥核酸含量會隨脅迫濃度的增加而減少[7]。幾億年來，隨著時間、地理和氣候的不斷變化，種子植物種類逐漸增多，即使是同一種植物，也因為地理、氣候等因子而發(fā)生變異和進化[8]。種子大小變異是植物適應環(huán)境和進化的結果[9]，在對鷹嘴豆種子的分級研究中發(fā)現(xiàn)，小粒鷹嘴豆種子在低濃度NaCl 脅迫下的發(fā)芽和生長速度較大粒種子快[10]。時偉芳等[11]發(fā)現(xiàn)小麥小粒種子活力高于大粒種子活力。種子的內(nèi)在物質(zhì)與種子的物理性質(zhì)及種子品質(zhì)有密切的關系[12]。張麗[13]研究發(fā)現(xiàn)，植物細胞通過增強蛋白質(zhì)合成代謝能力，參與滲透調(diào)節(jié)，從而適應鹽脅迫環(huán)境。鹽堿脅迫對植物代謝的影響主要包括脂類、蛋白質(zhì)代謝。脂類物質(zhì)在植物逆境耐受性方面起著重要作用[14]。棉花蛋白質(zhì)代謝受鹽堿脅迫的影響主要表現(xiàn)為鹽分抑制棉花對氮的吸收，同時降低棉株體內(nèi)的氨基酸和蛋白質(zhì)的合成速率[15]。

鹽堿脅迫對棉花的危害和棉花耐鹽機理方面的研究報道已有很多，但關于棉種物理指標、種子貯藏物質(zhì)指標與種子耐鹽堿能力關系的研究鮮有報道。基于此，本研究以41 份新疆棉種為試材，通過混合鹽堿脅迫處理棉花種子，利用人工測定的方法、聚類分析、主成分分析和逐步回歸，通過數(shù)學分析方法與棉種發(fā)芽率相結合，探討棉花種質(zhì)物理特性與種子耐鹽堿能力關系，旨在為棉花種子的無損傷分級篩選奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料試驗材料為41 份新疆棉種，品種名稱和種子來源信息見表1。

表1 41 份棉種材料名稱及來源

1.2 試驗設計試驗在新疆農(nóng)業(yè)科學院人工氣候室進行，人工氣候室模擬大田條件下棉花種子萌發(fā)的環(huán)境，用復合鹽堿溶液模擬鹽脅迫條件，設4 個鹽堿濃度，混合鹽堿溶液濃度分別為365mmol/L、390mmol/L、415mmol/L 和465mmol/L。混合鹽堿溶液的組成（表2）參考新疆圖木舒克地區(qū)鹽堿地土壤離子含量組成（表3），參照許艷超等[16]的方法有所改進。

表2 混合鹽堿溶液組成

表3 圖木舒克地區(qū)鹽堿地成分

對41 個供試品種，各選取籽粒飽滿、種胚完整、無霉變、大小一致的種子，用1%次氯酸鈉浸泡消毒10min，用蒸餾水沖洗4次，將種子放在超凈工作臺處晾干，恢復至種皮表面無水分。蛭石與混合鹽堿溶液以1∶3 的比例進行攪拌后放入發(fā)芽盒中，每個發(fā)芽盒擺放40 粒種子，每個處理重復4 次。氣候室設定相對濕度60%，溫度25～28℃，14h 光照/10h 黑暗，光照強度283μmol/m2s。第7 天調(diào)查發(fā)芽數(shù)，胚芽長度大于棉種長度的1/2 時視為發(fā)芽。

1.2 測試指標及方法從41 份供試品種中隨機選取籽粒飽滿、無霉變、無機械損傷的種子，使用考種儀（SC-A 型，中國）對種子外部形態(tài)進行測定，每個材料取100 粒，重復4 次，取平均值。棉種形態(tài)指標有面積（SA，單位為mm2）、直徑（D，mm）、寬（W，mm）、長（L，mm）、千 粒重（SW，g）、長寬比（L/W）、周長（P，mm）、圓度（C）。

隨機選取1000 粒籽粒飽滿、無霉變、無機械損傷的種子，去掉種子外殼，稱取重量為千種仁重（KW，g），重復4 次，取平均值。

使用近紅外分析儀（DA7250，瑞典）對棉籽的含水量（S，%）、油分（Y，%）、蛋白含量（B，%）、粗蛋白含量（CB，%）進行測量，每個材料20g，重復4 次，取平均值。

發(fā)芽率（PG，%）=（發(fā)芽種子數(shù)/供試棉種數(shù)）×100

1.3 數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)采用Excel 軟件處理，采用SPSS 19.0 進行聚類分析（組間聯(lián)接法）、方差分析（Duncan′s test）、主成分分析與回歸分析（逐步回歸），使用Excel 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同棉花品種棉種形態(tài)指標統(tǒng)計由表4 可知，41 個棉花品種的圓度為0.57、面積為23.39mm2、周長為19.83mm、長寬比為1.80、長為7.31mm、直徑為5.44mm、寬為4.12mm、千粒重為82.76g、千種仁重為48.74g。變異系數(shù)最大的是千種仁重，變化范圍在39.23～58.87g 之間，而圓度的變異系數(shù)最小，統(tǒng)計值在0.54～0.60 之間，變異系數(shù)僅為2.55%。面積、千粒重、千種仁重的變異系數(shù)分別為6.29%、7.54%、9.19%，表明41 份棉花品種的大小差異較大，大小不均。圓度、周長、長寬比、長、直徑、寬的變異系數(shù)均低于5%，說明圓度、周長、長寬比、長、直徑、寬等6 個形態(tài)指標在41 份棉花品種間較穩(wěn)定。

表4 41 份棉花種子形態(tài)指標描述統(tǒng)計

2.2 不同棉花品種的貯藏物質(zhì)與含水量根據(jù)表5可知，所有供試品種的含水量為7.56%，粗蛋白含量27.35%，蛋白含量8.62%，油分含量16.18%，此外，不同品種的同一性狀以及各個性狀間都存在較大差異，變異系數(shù)處于5.11%～22.88%之間。其中蛋白含量的變異系數(shù)最大，變幅在3.28%～11.66%之間，蛋白含量可能影響棉種的耐鹽堿能力，而含水量的變異系數(shù)最小，變幅在6.2%～8.23%之間，說明含水量在品種間穩(wěn)定。

表5 41 份棉花種子貯藏物質(zhì)與含水量描述統(tǒng)計 （%）

2.3 不同品種資源耐鹽堿級別的分類由圖1 可知，在365mmol/L、390mmol/L、415mmol/L 和465mmol/L鹽堿條件下種子萌發(fā)受到抑制，隨濃度的增加發(fā)芽率平均降低30.62%、48.39%、97.14%。在465mmol/L濃度鹽堿脅迫下只有L6 種子萌發(fā)，其余種子均無法萌發(fā)，說明此濃度鹽堿混合脅迫是新疆棉花品種所能承受的最大脅迫濃度。在365mmol/L 濃度鹽堿脅迫下，L6、L7、L10、L9、L19、L14、L30、L11和L27 的發(fā)芽率均分別是44.25%、36.25%、20%、16%、15%、15%、13.75%、11.25%、11.25%，其中L6、L7、L9、L10、L11 均來自一師農(nóng)科所，說明地理位置或生態(tài)環(huán)境影響棉種生長發(fā)育，從而影響耐鹽堿能力。

圖1 不同濃度混合鹽堿脅迫下棉籽的發(fā)芽率

根據(jù)棉種在365mmol/L、390mmol/L、415mmol/L和465mmol/L 混合鹽堿濃度下的發(fā)芽率將41 份供試材料進行聚類分析，采用組間聯(lián)接法將供試材料分成3 類（表6），第I 類為高耐鹽堿品種L6 和L7；第II 類為耐鹽堿品種L9、L10、L14、L19 和L30；其余品種分為第III 類，為鹽堿敏感品種。

表6 41 份品種聚類分析結果

2.4 棉花種子耐鹽堿性能與種子基礎表型特征指標相關性對365mmol/L 混合鹽堿濃度下棉種的13 個物理指標（面積、直徑、寬、長、千粒重、長寬比、千種仁重、周長、圓度、蛋白含量、粗蛋白含量、含水量、油分含量），使用Pearson 相關分析篩選出鹽堿條件下與發(fā)芽率極顯著相關的指標，篩選出面積、直徑、寬、長、長寬比、周長、圓度、蛋白含量、粗蛋白含量共9 個指標。由表7 可知，鹽堿發(fā)芽率與棉種的面積、直徑、長、長寬比、周長呈極顯著負相關，與棉種寬呈顯著負相關，而與圓度、蛋白含量、粗蛋白含量呈極顯著正相關；棉種的面積與長、寬、直徑、周長呈極顯著正相關，而與圓度、蛋白含量、粗蛋白含量呈極顯著負相關；棉種的直徑與長、寬、周長呈極顯著正相關；棉種的長與長寬比、周長呈極顯著正相關，與圓度、蛋白含量、粗蛋白含量呈極顯著負相關；千粒重與千種仁重呈極顯著正相關，與油分含量顯著負相關；棉種的周長與圓度、蛋白含量、粗蛋白含量呈極顯著負相關；棉種的圓度與蛋白含量、粗蛋白含量呈極顯著正相關；棉種的蛋白含量與粗蛋白含量呈極顯著正相關。

表7 365mmol/L 鹽堿脅迫下棉種發(fā)芽率與棉種物理指標的相關性

2.5 棉花種子物理指標與種子發(fā)芽率回歸建模由表8 公因子方差比可知，9 個變量的公因子方差比提取量均大于0.65，說明表中指標提取量較為充分，可用于后續(xù)分析。棉種的形態(tài)指標面積、周長、長、直徑、寬提取量分別為0.99、0.97、0.97、0.99、0.98；圓度的提取量最少，為0.68；棉種貯藏物質(zhì)蛋白、粗蛋白的提取量為0.79、0.71，小于外部形態(tài)指標。

表8 各公因子方差比

由表9 可知，棉種的物理指標前2 個主成分C1、C2貢獻率分別為70.28%、18.40%，累計貢獻率已到達88.68%，涵蓋所有指標的的基本信息，所以，將由這2 個相互獨立的主成分代替原本的9 個物理單項指標。圓度（C）、面積（SA）、周長（P）、長寬比（L/W）、長（L）、直徑（D）、寬（W）、蛋白含量（B）、粗蛋白含量（CB）的線性組合，其中變量均已標準化。分別為：

表9 種子物理特性主成分分析

C1=-0.09C+0.11SA+0.12P+0.06（L/W）+0.11L+0.11D+0.08W-0.10B-0.10CB

C2=0.05C+0.04SA+0.01P-0.09（L/W）-0.01L+0.04D+0.08W+0.04B+0.02CB

根據(jù)主成分分析可知，第1 和第2 主成分的貢獻率α 分別為0.7028 與0.1840，并作為權數(shù)，可構建F=C1α1+C2α2的綜合模型，既F=0.7028C1+0.184C2。采用逐步回歸分析法，構建綜合評價F值和發(fā)芽率與各物理因子指標的回歸方程：F=0.29+0.12L-0.07CB+0.10W-0.06B+0.09SA+0.07P-0.15C。根 據(jù)方程可以看出對綜合值F 影響較大的是棉種的長、粗蛋白含量、寬、蛋白含量、面積、周長和圓度，其中棉種的寬、長、面積和周長呈極顯著正相關（P<0.01），而棉種的圓度和蛋白含量呈極顯著負相關（P<0.01）；發(fā)芽率PG=50.19-23.75L+223.81C，根據(jù)方程得出，影響發(fā)芽率的主要指標是棉種圓度和長，且與棉種的長呈極顯著負相關，與棉種的圓度呈極顯著正相關，說明發(fā)芽率隨棉種長度的增大而降低，隨圓度增大而增大（0.54mm

3 討論與結論

種子的形態(tài)特征可以作為植物分類的主要標準之一，種子形態(tài)對于種子的鑒定具有重要意義[17]。在不同的生理環(huán)境下，種子形態(tài)也會有所不同[18]。種子的飽滿度會響應植物的生長發(fā)育以及生物量[19]。種子的分類依據(jù)包括：種子大小、種子顏色、表面紋飾[20]等。種子的貯藏物質(zhì)積累受海拔、氣溫、降水、外界環(huán)境和地理位置不同的影響[21]。由于環(huán)境條件差異光合同化產(chǎn)物向種子中貯藏物的分配和轉化也就不同。本研究發(fā)現(xiàn)，41 份供試品種為新疆大面積種植品種，范圍分布廣泛，鹽堿條件、地理和氣候等方面存在較大差異。在不同區(qū)域中，41 份棉花品種蛋白含量、千粒重、種仁重變幅較大，個體差異較大，即使是同一品種在不同的地區(qū)仍存在差異。說明棉種形態(tài)和貯藏物質(zhì)以及飽滿度受地理環(huán)境等因子影響較大。

在NaCl 脅迫下小種子的發(fā)芽指數(shù)均高于大種子[10]，種子大小影響水分吸收，進而影響品種的生長參數(shù)。時偉芳等[11]研究表明逆境條件下小麥小粒種子活力高于大粒種子活力，小麥小粒種子的吸水速率比大粒種子快。本研究表明365mmol/L 鹽堿脅迫下的發(fā)芽率與棉種的面積、直徑、長、周長等呈極顯著負相關，說明相對較小的棉花品種的耐鹽堿能力更強，可能是由于鹽堿形成滲透屏障，從而抑制水分吸收，而小種子萌發(fā)所需水分較少，更易萌發(fā)。

棉花是耐鹽堿能力較強的經(jīng)濟作物之一[22]，但目前研究多集中在單鹽[23-24]或單堿[25]的研究中，自然界中的鹽堿更多是以混合的形式出現(xiàn)[26]。因此，棉花耐鹽堿鑒定工作面臨巨大挑戰(zhàn)。從早期的直接鑒定：田間鹽池鑒定[27]、產(chǎn)量比較[28]、形態(tài)觀察，到后來的間接鑒定法都涉及很多生理生化指標以及Na+、K+[4]等含量的測定。存在耗時長、成本高、可操作性不強等缺點。而種子無損檢測在優(yōu)化農(nóng)作物生產(chǎn)成本中則起著重要作用[29]，同時，使用耐鹽堿能力強的種子是在鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得豐產(chǎn)的先決條件之一。因此，本研究通過將棉種的耐鹽堿能力與棉種貯藏物質(zhì)和形態(tài)特征關聯(lián)，分析方法也從單一的系統(tǒng)聚類法[30]、隸屬性函數(shù)[31]和主成分[32]分析法，變成結合上述方法，通過相關性分析剔除與發(fā)芽率相關性差的指標，再使用主成分分析篩選，最后構建完整的回歸方程，達到對棉花品種耐鹽堿能力的快速篩選。

鹽堿條件下與發(fā)芽率極顯著相關的指標有面積、直徑、寬、長、長寬比、周長、圓度、蛋白含量、粗蛋白含量共9 個指標，其中棉種的長與圓度對發(fā)芽率的影響大于其他的指標。由于指標間的關系太弱，棉種的千粒重、千種仁重、含水量與油分含量未能與發(fā)芽率建立理想的回歸模型。構建的回歸方程：PG=50.19-23.75L+223.81C，棉種的長與圓度可作為棉種耐鹽堿能力篩選的參照指標。