陸地棉種質資源材料的耐熱性評價及指標篩選

王 朋,鄭 凱,趙杰銀,高文舉,龍遺磊,陳全家,曲延英

(新疆農業大學農學院/棉花教育部工程研究中心,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】高溫影響棉花纖維的產量和品質[1-3]。新疆經常周期性在6～8月出現不同程度的高溫脅迫。高溫脅迫會嚴重影響棉花花粉發育過程,并阻礙棉花生殖生長,引起棉花花鈴期蕾鈴脫落,產量和纖維品質下降[4-7]。采用田間和室內鑒定相結合的方法鑒定耐熱種質資源,對提高棉花熱脅迫的耐受性品種選擇有重要意義。【前人研究進展】目前,鑒定棉花高溫耐性主要有花粉離體培養、人工模擬高溫和田間自然遭遇高溫的方法[8]。可通過果枝著生高度、早熟性等指標直接選擇,通過生理指標(如細胞膜熱穩定性、葉綠素含量等)以及紅外、遙感手段進行間接選擇。耐性分析評價主要有單指標鑒定和多指標綜合評價等方法[9]。【本研究切入點】前人鑒定方法多是單指標或者幾個指標的方式衡量棉花的耐熱性,采用多指標綜合分析方法的研究較少,難以全面地反映不同品種的耐熱性。且多為國內材料,至今尚未形成統一的棉花耐熱性鑒定和評價標準。需篩選評價陸地棉種質資源材料的耐熱性指標。【擬解決的關鍵問題】基于國內外具有代表性的24份陸地棉種質資源,其中巴基斯坦材料14份,中國材料10份。人工模擬高溫條件,調查田間性狀指標,采用多元統計分析方法,建立棉花耐熱性綜合評價指標,選取極端材料,篩選室內生理指標,為快速選育耐熱性棉花品種及研究棉花耐熱性機理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

采用2018年和2020年中國新疆沙灣(https://www.tianqi.com/shawan/)和巴基斯坦費薩拉巴德(https://en.climate-data.org/asia/pakistan/punjab/faisalabad-764568/#climate-table)的氣象數據,在棉花生育期內,試驗地區氣候條件除溫度外其它并無明顯的差異。其中2018年在巴基斯坦費薩拉巴德地區6～8月月平均氣溫均在39～41℃,屬于熱應激環境。

24份棉花種質資源均由新疆農業大學棉花遺傳育種團隊收集提供。表1

表1 不同陸地棉來源品種(系)名稱

1.2 方 法

1.2.1 大田試驗設計

試驗于2018年和2020年的4～11月在中國新疆沙灣市新疆農業大學棉花育種試驗田進行,2018年3～10月在巴基斯坦費薩拉巴德農業大學主校區試驗田進行。均采用隨機區組設計,每份材料采用5 m×3行種植方式,設置3個重復。在棉花吐絮成熟期,對小區中每份材料均一穩定具有代表性的5株測定株高;每個材料選擇長勢均一的5個植株收取中下部20朵棉鈴,測量籽棉、皮棉、衣分。每份材料連續摘取下部、中部和上部各30朵鈴計算單鈴重。

1.2.2 室內試驗設計

選擇耐熱極端4份棉花資源材料,選取大小均一,籽粒飽滿的棉花種子,常規土壤培養。待棉花3葉1心時期,放入人工氣候培養箱,溫度40℃,相對濕度濕度60%,光照8 h,于脅迫0、6和12 h取真葉用液氮冰凍,并保存在-80℃冰箱中。測定葉片含水量(LWC)、丙二醛(MDA)、相對電導率、葉綠素總含量、游離脯氨酸含量(Pro)、過氧化物酶(POD)活性[10-12]。

1.3 數據處理

利用Excel2007整理數據,R-4.0.5語言進行分析和作圖。耐熱性綜合評價D值計算[13,14]:

(1)隸屬函數值u(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin);i=1,2,3,…,n;其中Xj表示第j個綜合指標,Xmin和Xmax分別表示每個主成分上各性狀指標得分值的最小值和最大值;

(2)Wj表示第j個主成分的權重;Pj表示提取的主成分所對應的特征值;

D值表示各陸地棉資源材料高溫處理下所得的耐熱性綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 24份陸地棉品種(系)性狀描述

研究表明,巴基斯坦費薩拉巴德的陸地棉變異系數明顯大于中國新疆沙灣的陸地棉。且巴基斯坦費薩拉巴德種植區陸地棉各性狀變異系數都大于10%。2018年中國新疆沙灣試驗田中來自巴基斯坦陸地棉資源材料各指標的變異系數范圍是8.23%～14.22%,變異系數超過10%的性狀指標包括皮棉產量(14.22%)與株高(14.24%)。來自中國的陸地棉種質資源材料各指標變異系數的范圍是10.70%～33.65%,所有農藝性狀的變異系數均超過10%。中國的陸地棉材料更加適應是中國的環境。

2018年在巴基斯坦費薩拉巴德試驗田的24份陸地棉資源材料各農藝性狀的變異系數范圍是18.34%～25.08%,各指標變異系數依次為皮棉產量(25.08%)>株高(21.25%)>籽棉產量(20.09%)>單鈴重(18.91%)>衣分(18.34%)。其中,來自中國陸地棉資源材料各指標的變異系數為9.92%～27.03%,變異系數最大的性狀指標是單鈴重(27.03%)與籽棉產量(26.96%)。所有性狀的變異系數均接近20%。巴基斯坦陸地棉種質資源材料的變異系數明顯大于中國陸地棉材料,巴基斯坦陸地棉材料更適宜巴基斯坦的自然環境。

2020年在中國新疆沙灣試驗田24份陸地棉資源材料各性狀的變異系數范圍是7.78%～16.49%,各指標變異系數依次為皮棉產量(16.49%)>株高(16.05%)>衣分(11.91%)>單鈴重(10.10%)>籽棉產量(7.78%)。表2

表2 24份陸地棉資源材料各性狀描述

2.2 耐熱性綜合評價及多元逐步回歸

研究表明,24份陸地棉資源材料可明顯聚為3類,其中第一類為耐熱材料,第二類為中間型材料,第三類為敏熱材料。其中第一類巴基斯坦陸地棉材料主要包括Cyto-179和BAHAR-2017,第三類主要包括中國陸地棉材料新陸早49號、新陸中24號、中棉所35號和中棉49號。巴基斯坦陸地棉材料相比于中國陸地棉材料其耐熱性更好。圖1

圖1 24份陸地棉資源材料的耐熱性評價

以耐熱性綜合評價值(D)作因變量,把各單項指標2年變化率的平均值作自變量,采用逐步回歸方法建立了最優回歸方程:D=-0.111+0.175X2+0.470X3+1.211X4(F=71.54,R2=0.914 8,P<0.001)。5個指標中,3個指標對陸地棉耐熱性有顯著影響,分別是籽棉產量(X2)、單鈴重(X3)和皮棉產量(X4)。籽棉產量、單鈴重和皮棉產量對棉花的耐熱性有影響。耐熱材料Cyto-179和BAHAR-2017皮棉產量僅僅下降了30.09%和37.87%,籽棉產量和單鈴重與對照相比下降也較少。敏熱材料新陸早49號、新陸中24號、中棉所35號和中棉49號其籽棉產量、單鈴重和皮棉產量的下降都超過70%。表3

表3 2018年和2020年24份陸地棉材料各性狀變化百分率平均值

2.3 各指標變化率與綜合評價D值的相關性

研究表明,籽棉產量、單鈴重和皮棉產量和D值之間呈明顯的正相關,且相關系數均大于0.77。籽棉產量、單鈴重和皮棉產量之間也呈明顯的正相關,相關系數均大于0.69。其中株高和衣分與籽棉產量、單鈴重、皮棉產量和D值之間的相關系數均較小,株高和衣分與棉花的耐熱性無關。圖2

圖2 各指標變化率與綜合評價D值相關性

2.4 不同種植地區各農藝性狀差異

研究表明,2018年和2020年中國新疆沙灣之間都沒有顯著性差異,2個重復可靠。其中株高和衣分之間在3個試驗點都無顯著性差異。籽棉產量、單鈴重和皮棉產量,在中國新疆沙灣和巴基斯坦費薩拉巴德種植都有顯著性差異,3個指標受熱脅迫的顯著影響。籽棉產量、單鈴重和皮棉產量可以作為陸地棉田間耐熱和敏熱材料篩選的指標。圖3

圖3 不同種植地區各農藝性狀差異

2.5 棉花產量、單鈴重和皮棉產量的回歸擬合

研究表明,在3個環境點,籽棉產量、單鈴重和皮棉產量的R2均大于0.52。其中2018年中國新疆沙灣單鈴重和籽棉產量的R2最高(0.93)。2018年巴基斯坦費薩拉巴德單鈴重和籽棉產量的R2為0.89。雖然2020年中國新疆沙灣3個指標的R2較小,但均超過0.5,3個指標之間聯系緊密,可作為陸地棉熱脅迫的評價指標。圖4

圖4 棉花產量、單鈴重和皮棉產量的回歸擬合

2.6 生理指標變化趨勢

研究表明,耐熱材料Cyto-179和BAHAR-2017和敏熱材料中棉49號和新陸中24號,在40℃脅迫的過程中,過氧化物酶、葉片含水量和葉綠素含量都呈現下降的趨勢,而相對電導率、丙二醛和脯氨酸含量都呈現上升的趨勢。除葉片含水量和游離脯氨酸含量外的生理指標在耐熱性材料中的變化趨勢明顯小于敏熱材料。過氧化物酶、丙二醛和葉綠素含量可作為室內篩選的指標。圖5

注:*和**分別表示在 P<0.05 和 P<0.01 水平差異顯著

3 討 論

3.1高于最適溫度的溫度會導致小花不育,從而降低作物產量[15]。溫度高于35℃時,產量會大大降低[15]。隨著高溫發生的頻率增加,植物的耐熱性評價及耐高溫品種的篩選已有相關報道,在馬鈴薯、甜瓜、小麥、水稻和玉米等作物上用多個指標多種方法判斷其耐熱性[16-20]。徐如強等[21]、陳希勇等[22]用熱感指數法來鑒定多個品種的耐熱性,通過計算熱感指數鑒定品種的耐熱性,雖然簡單易行,但只是用單一指標判定參試品種的耐熱性,忽略了品種的耐熱性受多種因素的影響。耿曉麗等[23]以細胞膜熱穩定性、容重熱感指數、千粒重熱感指數對小麥耐熱性品種進行篩選,鑒定出不同類型的耐熱品種。但該方法只是用單一的分析方式比較不同品種的耐熱性,缺乏多元統計分析。

3.2光照、溫度和水分影響作物的產量和品質。中國新疆沙灣和巴基斯坦費薩拉巴德基本處于同一緯度,光照是相近的。2018年和2020年,中國新疆沙灣兩年的降雨、灌水與施肥量基本一致,但2020年的病害稍大于2018年,2020年的籽棉產量和皮棉產量明顯低于2018年。但是2年間各性狀的相關系數較高且各指標并無顯著性差異。雖然中國新疆沙灣和巴基斯坦費薩拉巴德降雨和田間灌溉方式不同,但供水量都能夠保證棉花的正常的生長,溫度是限制棉花生長的主要限制因素。

3.3吾甫爾·阿不都等[24]以60個國內陸地棉種質資源材料為基礎,對其生長及產量等綜合性狀進行耐熱性鑒定。任茂等[25]以13份陸地棉品種為材料,在花鈴期模擬高溫熱害,篩選出散粉率、衣分、孕籽率、單鈴重、成鈴率等5個耐熱性鑒定指標。研究基于24份陸地棉種質資源,于室內和大田同時進行耐熱指標的篩選與評價。相較于棉花或者其他作物的耐熱性鑒定[26-28],研究進行了不同種植環境的性狀檢測,完善了陸地棉耐熱性評價指標體系。

3.4結果表明,巴基斯坦陸地棉種質資源材料的變異系數明顯大于中國陸地棉資源材料,巴基斯坦的陸地棉資源材料可能更適宜耐熱的自然環境,與材料的來源表現一致。差異分析發現籽棉產量、單鈴重和皮棉產量無論是中國陸地棉材料、巴基斯坦陸地棉材料,在中國新疆沙灣和巴基斯坦費薩拉巴德種植都有顯著性差異,3個指標受熱脅迫的影響,且其可以作為田間耐熱和敏熱材料篩選的指標,且多元逐步回歸分析、相關性分析與差異分析結果一致。

3.5高溫脅迫下,植物細胞膜透性增加為高溫脅迫的本質現象之一[26]。結果顯示,相對電導率變化值較小的材料耐熱性較強。可溶性糖作為主要的滲透調節物質,在試驗中耐熱性和相對電導率均呈極顯著相關[26]。丙二醛含量的高低能反映膜脂過氧化的程度,可作為衡量植物組織抗氧化能力高低的指標[26]。脯氨酸在植物抗逆脅迫中具有防止水分散失和提高原生質體穩定性的作用。但試驗中,脯氨酸含量均沒有發生顯著的變化,不適合作為陸地棉耐熱性評價的指標。

4 結 論

24份陸地棉材料分為三類:耐熱材料、中間型材料和敏熱型材料。建立耐熱性的評價模型:D= -0.111+0.175X2+0.470X3+1.211X4(R2=0.914 8),籽棉產量、單鈴重和皮棉產量作為棉花大田耐熱性評價的指標,而株高和衣分與耐熱性無關。篩選出4份耐熱陸地棉材料,并建立了室內耐熱性評價的指標。