棉花抗逆性鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立

鄭曙峰，王延琴，徐道青，彭 軍，闞畫春，劉小玲，王 維，陳 敏，李淑英

（1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，合肥 230031；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽 455000）

0 引言

逆境是作物生產(chǎn)的主要限制因素，逆境可以限制作物的分布，降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至造成絕收。廣義上，超出作物生存與發(fā)育適宜臨界范圍的環(huán)境因素統(tǒng)稱為逆境，根據(jù)環(huán)境因素的不同可將逆境分為生物逆境、非生物因素逆境或生態(tài)逆境、人為逆境和復(fù)合逆境。狹義上，作物生產(chǎn)上所稱的逆境一般指非生物逆境或生態(tài)逆境，主要有干旱、漬澇、鹽堿、高溫?zé)岷偷蜏貎龊浜Φ萚1-2]。逆境對作物的作用稱為環(huán)境脅迫。棉花是中國主要的經(jīng)濟(jì)作物，分布區(qū)域廣，生產(chǎn)周期長，受逆境脅迫影響大。培育和篩選抗逆性強的棉花品種是降低逆境災(zāi)害影響的主要途徑，而研究棉花品種的抗逆性鑒定技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的基礎(chǔ)工作。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了多種棉花抗逆性鑒定方法，主要包括直接鑒定法和間接鑒定法，但這些鑒定方法存在技術(shù)復(fù)雜、鑒定指標(biāo)不統(tǒng)一且難以獲得、試驗重現(xiàn)性差等問題，難以形成具有共同使用和重復(fù)使用、經(jīng)充分協(xié)商一致等特征的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為此，本研究分析了棉花5種常發(fā)易發(fā)非生物逆境（生態(tài)逆境）抗逆性鑒定的鑒定內(nèi)容、鑒定時期、鑒定方法、鑒定指標(biāo)和抗逆性判定級別等，總結(jié)了抗逆性鑒定標(biāo)準(zhǔn)制定和標(biāo)準(zhǔn)體系建立的基本原則、框架和內(nèi)容等，提出了進(jìn)一步研究的基本思路，為棉花抗（耐）非生物逆境遺傳改良和品種篩選、引種、大面積推廣應(yīng)用提供技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)支撐。

1 抗逆性鑒定概述

抗逆性鑒定是作物抗（耐）非生物逆境遺傳改良和品種篩選的基礎(chǔ)。研究作物抗逆性鑒定方法，就是找出不同作物品種在不同逆境中表現(xiàn)出的產(chǎn)量、品質(zhì)、形態(tài)、解剖、生理生化等指標(biāo)的差異，并進(jìn)行分級。抗逆性鑒定一是要找出作物對逆境脅迫的敏感期和敏感組織部位，從而確定最佳鑒定時期，如在作物水分臨界期進(jìn)行抗旱性鑒定，而非水分臨界期只作參考；二是要找出鑒定方法，目前作物抗逆性鑒定方法主要有直接鑒定和間接鑒定兩大類。

1.1 直接鑒定法

直接鑒定法是在自然逆境或人工模擬逆境條件下，研究不同作物品種的受害程度（形態(tài)、發(fā)育階段、生長速度的變化）、產(chǎn)量降低程度和作物植株（整株或分蘗）死亡率或存活指數(shù)(FSI)等，并與對照品種比較，然后劃分出鑒定品種的抗逆性級別。人工模擬逆境難以完全代表千變?nèi)f化的自然逆境，多數(shù)人工模擬逆境條件下只能通過盆栽或小區(qū)對植株個體進(jìn)行鑒定，其鑒定結(jié)果往往難以反映逆境下植株群體特征，因此，人工模擬逆境的鑒定結(jié)果還需與自然逆境條件下的鑒定結(jié)果相印證[1-2]。

除常用的直接鑒定法外，還有些獨特的鑒定方法，例如：在抗寒性鑒定方面，根據(jù)冬小麥分蘗節(jié)的埋土深度、幼苗匍匐性、葉片寬窄、半致死溫度(LD50)等鑒定抗凍性，利用冷水串灌法鑒定水稻的抗冷性；在抗旱性鑒定方面，一是通過反復(fù)干旱處理進(jìn)行鑒定，二是模擬逆境對作物的某個生育期或植株器官進(jìn)行鑒定，如利用聚乙二醇(PEG6000)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等高滲溶液可對植物產(chǎn)生生理性缺水干旱的特性，通過測定種子在高滲溶液中的發(fā)芽率和幼苗生長狀況來鑒定其抗旱性；在耐鹽堿性鑒定方面，采用不同濃度鹽溶液、鹽培養(yǎng)基模擬鹽逆境，調(diào)查計算作物鹽害指數(shù)，從而鑒定其耐鹽堿性[3-4]。

1.2 間接鑒定法

從解剖學(xué)、細(xì)胞學(xué)、植物生理生化等不同方面找到反映作物的實際抗逆性水平的方法稱為間接鑒定法[3-4]，如通過測定作物生物膜的成分和結(jié)構(gòu)，以及對高溫逆境特異蛋白質(zhì)等輔助指標(biāo)進(jìn)行快速鑒定耐熱性。

通過研究不同逆境條件下起主導(dǎo)作用和最先開始的生理生化指標(biāo)變化，研究出更簡捷更早期的鑒定方法是間接鑒定法的關(guān)鍵，也是其優(yōu)勢所在。其中，有些方法適應(yīng)于所有作物不同逆境的抗逆性鑒定，如利用作物在逆境條件下細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的變化情況而采用的電解質(zhì)外滲法（電導(dǎo)法），測定作物體內(nèi)水分（自由水和束縛水）的變化規(guī)律、脯氨酸含量、呼吸強度的改變等來鑒定抗逆性。有些方法是專門用于測定某些作物對某種逆境的抗性，如采用高滲溶液（甘露醇）處理，測定葉片相對含水量及飽和水虧、葉水勢、氣孔阻力和蒸騰速度鑒定作物的抗旱性；用氯化三苯四氮唑(TTC)還原，測定分蘗節(jié)處的細(xì)胞液濃度的變化、β-呋喃果糖酶活性、含磷量等鑒定小麥的抗凍性；用細(xì)胞質(zhì)壁分離、植物體內(nèi)K+/Na+比值、甘氨酸甜菜堿含量等鑒定耐鹽性。

由于生物體的發(fā)育時期和抗逆差異一般比種屬間的差異小，往往被難以控制的環(huán)境因素干擾而不易區(qū)分。因此，采用多項指標(biāo)的綜合評價，才能比較準(zhǔn)確地鑒定作物的抗逆性。

2 棉花抗逆性鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系

2.1 標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則

棉花抗逆性鑒定標(biāo)準(zhǔn)的制定，需要遵循如下的基本原則，一是按照GB/T 1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1 部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草，具有規(guī)范性；二是需在多年的棉花科學(xué)研究獲得的技術(shù)、方法和參數(shù)等綜合成果的基礎(chǔ)上制定，具有科學(xué)性；三是試驗方法簡捷、成熟、經(jīng)濟(jì)高效、易操作，所需要的儀器、設(shè)施設(shè)備通用性好，鑒定指標(biāo)易獲得，試驗重現(xiàn)性好、結(jié)果可靠，具有實用性；四是既要考慮現(xiàn)實需要，又要兼顧未來發(fā)展的趨勢，具有現(xiàn)實性和適度前瞻性；五是形成的標(biāo)準(zhǔn)須經(jīng)充分協(xié)商一致，可以被共同使用和重復(fù)使用。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)體系的框架和內(nèi)容

棉花抗逆性鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括鑒定內(nèi)容（棉花對干旱、漬澇、鹽堿、高溫和低溫等非生物逆境或生態(tài)逆境的抗性）、鑒定時期、設(shè)施設(shè)備、鑒定方法、判定指標(biāo)和抗逆性分級，詳見表1。

表1 棉花抗逆性鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

2.3 抗逆性鑒定方法

2.3.1 抗旱性鑒定 前人研究了一些棉花抗旱性鑒定方法[9-11]，采用形態(tài)特征如株高、果節(jié)數(shù)、單株成鈴數(shù)、花鈴期葉片數(shù)、有效果枝數(shù)等）、產(chǎn)量如籽指、單鈴重、收獲指數(shù)等和生理生化指標(biāo)如脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、過氧化氫酶等作為抗旱鑒定指標(biāo)，但這些鑒定方法因技術(shù)復(fù)雜、判定指標(biāo)獲取難等原因，難以形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。王延琴等[12]通過多年研究、示范和驗證，參考棉花[13-15]、玉米[16-17]、水稻[18]、小麥[19]、油菜[20]和大豆[21]等作物抗旱性鑒定方法和標(biāo)準(zhǔn)，遵照標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則，確定了棉花抗旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)采用的如下3種方法[5]：一是種子萌發(fā)期采用15%PEG6000 高滲溶液模擬干旱脅迫法，以種子的相對發(fā)芽率作為抗旱性鑒定指標(biāo)；該方法具有鑒定速度快、結(jié)果可靠、效率高等特點，適宜對大批量棉花品種資源的抗旱性鑒定篩選。二是幼苗期采用“3 次干旱脅迫——復(fù)水”法，以相對存活率作為抗旱性鑒定指標(biāo)；該方法簡單易行而且經(jīng)濟(jì)，結(jié)果比較可靠，是大批量鑒定品系苗期抗旱性的有效方法。三是全生育期干旱處理法，用干旱處理和對照的子棉單產(chǎn)來計算抗旱指數(shù)，以抗旱指數(shù)作為抗旱性鑒定指標(biāo)；該方法符合生產(chǎn)實際，評價更可靠。在進(jìn)行品種大面積推廣應(yīng)用和引種時，將3種方法相結(jié)合，綜合評定各生育期的抗旱性，從而提高抗旱鑒定結(jié)果的可靠性和科學(xué)性。

2.3.2 耐漬澇性鑒定 劉小玲等[22-23]通過多年研究、示范和驗證，參考前人研究的棉花耐漬澇性鑒定方法[24-26]和其他作物[27]、芝麻[28]、油菜[29-30]等耐漬澇性鑒定方法和標(biāo)準(zhǔn)，遵照標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則，確定了棉花耐漬澇性鑒定標(biāo)準(zhǔn)采用的如下2種方法[6]：一是種子萌發(fā)期淹水處理下進(jìn)行發(fā)芽實驗法，正常發(fā)芽作為對照，用供試樣品淹水處理下的出苗率和對照處理出苗率來計算耐澇指數(shù)，以耐澇指數(shù)作為耐澇性鑒定指標(biāo)。二是盛蕾期淹水處理法，不淹水處理為對照，用供試樣品淹水處理下的子棉產(chǎn)量和對照處理子棉產(chǎn)量來計算耐澇指數(shù)，以耐澇指數(shù)作為耐澇性鑒定指標(biāo)。根據(jù)試驗條件，鑒定大批量樣品時，宜采用室內(nèi)發(fā)芽出苗期鑒定；鑒定小批量樣品時，可采用室內(nèi)發(fā)芽出苗期鑒定和田間盛蕾期鑒定相結(jié)合，田間盛蕾期鑒定結(jié)果作為驗證。

2.3.3 耐鹽性鑒定 王延琴等[12]通過多年研究、示范和驗證，參考前人研究的棉花[31-35]、花生[36]耐鹽性鑒定方法和標(biāo)準(zhǔn)，遵照標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則，確定了棉花耐鹽性鑒定標(biāo)準(zhǔn)采用的如下3 種方法[7]：一是種子萌發(fā)期，用1.5%NaCl 溶液模擬鹽分脅迫進(jìn)行發(fā)芽實驗，以相對發(fā)芽率作為耐鹽性鑒定指標(biāo)。二是苗期0.4%NaCl溶液模擬鹽分脅迫，以棉苗相對存活苗率作為耐鹽性鑒定指標(biāo)。三是全生育期0.4%NaCl溶液模擬鹽分脅迫，用待測品種鹽脅迫處理下子棉產(chǎn)量和對照子棉產(chǎn)量來計算耐鹽指數(shù)，以耐鹽指數(shù)作為耐鹽性鑒定指標(biāo)。

2.3.4 耐冷性鑒定 通過多年研究、示范和驗證[8]，參考前人研究的棉花[37-40]、花生[41]耐冷性鑒定方法，遵照標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則，確定了棉花耐鹽性鑒定標(biāo)準(zhǔn)采用的如下方法[8]：12℃低溫脅迫下進(jìn)行發(fā)芽實驗，25℃發(fā)芽試驗為對照，相對發(fā)芽率作為耐冷性鑒定指標(biāo)。

2.3.5 耐熱性鑒定 通過多年研究、示范和驗證[8]，參考前人研究的棉花[42-44]、玉米[45]、水稻[46]等耐熱性鑒定方法和標(biāo)準(zhǔn)，遵照標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則，確定了棉花耐鹽性鑒定標(biāo)準(zhǔn)采用的如下方法[8]：盛花期40℃高溫脅迫處理15～20 d，用成鈴數(shù)和脫落數(shù)計算耐熱指數(shù)，以耐熱指數(shù)作為耐熱性鑒定指標(biāo)。

3 展望

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對棉花干旱、漬澇、鹽堿、高溫?zé)岷偷蜏貎龊浜Φ?種非生物逆境抗性鑒定方法開展了研究，但這些鑒定方法存在技術(shù)復(fù)雜、鑒定指標(biāo)不統(tǒng)一且難以獲得、試驗重現(xiàn)性差等問題，難以形成具有共同使用和重復(fù)使用、經(jīng)充分協(xié)商一致等特征的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。鄭曙峰、王延琴、闞畫春等人通過多年研究、示范和驗證，并總結(jié)參考前人研究成果，制定了5種非生物逆境抗性鑒定方法標(biāo)準(zhǔn)，形成了棉花抗逆性鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)所采用的鑒定方法試驗周期長、不能鑒定復(fù)合逆境抗性，因此，還需進(jìn)一步優(yōu)化和完善。筆者認(rèn)為，進(jìn)一步研究的方向主要包括[47]：（1）探索基于光譜/高光譜等新技術(shù)監(jiān)測逆境條件下生理生化指標(biāo)差異從而快速便捷無損鑒定抗逆性的技術(shù)；（2）進(jìn)一步研究作物在復(fù)合逆境下（如：低溫+病害、高溫?zé)岷?干旱、干旱+鹽堿、漬澇+高溫、低溫+寡照、等）抗逆性的鑒定方法；（3）抗逆性鑒定時，除考察逆境對產(chǎn)量性狀的影響外，還需研究對品質(zhì)性狀的影響，從而更進(jìn)一步研究更全面和更深層次的抗逆性；（4）研究通過分子生物學(xué)手段直接找出相關(guān)抗逆基因[48-50]，以此來鑒定抗逆性。