棉花萌發出苗期耐鹽性鑒定和評價

關鍵詞：棉花；耐鹽鑒定；萌發出苗期；主成分分析；聚類分析；綜合評價

中圖分類號：S562 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025）02-0029-09

易溶性鹽分離子在土壤表層積聚導致土壤環境惡化的現象稱為土壤鹽漬化或土壤鹽堿化。據2021年10月聯合國糧農組織發布的世界鹽堿土壤分布圖估計，全球鹽堿地面積超過8.33×108公頃，約占地球面積的8.7%。我國具有各類可利用鹽堿地資源3.67×10⁷公頃，其中有開發利用潛力的面積為6.67×10⁶公頃，范圍覆蓋東北、西北、華北等地區。土壤鹽漬化嚴重影響植物正常生長發育，降低農作物產量。合理利用這些鹽堿地，充分開發鹽堿耕地潛力，對改善生態環境、維持國家耕地面積和保障農業安全有重要的實踐意義。

棉花是鹽堿地的先鋒作物，其耐鹽性受基因型影響顯著。萌發期和幼苗期是植物對鹽脅迫較敏感的時期，也是棉花能否在鹽堿地上一播全苗的關鍵時期。作為篩選培育耐鹽品種的基礎工作，耐鹽性鑒定一直是耐鹽研究的熱點。前人的研究通常將棉花萌發期和苗期作為兩個不同的階段分別進行鑒定。他們或只鑒定棉花萌發期耐鹽性，或使用不同的方法分別對萌發期和苗期進行處理和性狀調查，再進行綜合分析。實際上，棉花從異養向自養過渡的時期也極易受鹽脅迫影響，該階段遭遇鹽脅迫時會造成棉苗畸形和葉綠素合成困難。以往的研究難以反映棉花該階段的耐鹽性。本研究采用沙培法開展萌發試驗，在前人研究基礎上將性狀調查的時間延長至12d，時間覆蓋棉花種子萌發到出苗、異養轉變為自養的全過程，這更有利于反映棉花整個萌發出苗階段的耐鹽性。

本研究選取建國以來黃淮海地區育成推廣的棉花品種或其育種材料共58份，通過主成分分析、因子分析、聚類分析對其進行耐鹽性分級，并在此基礎上通過正態分布和逐步回歸分析建立性狀指標與耐鹽綜合評分D值的最優回歸方程，構建棉花萌發出苗期耐鹽性鑒定方法，以期為棉花耐鹽種質鑒定和鹽堿地植棉研究提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗所用的58份棉花材料由課題組多年征集得到，并于2020年在三亞南濱農場統一種植、管理、自交繁殖和收獲，種子具有較高的一致性。

1.2試驗方法

1.2.1最適鹽脅迫濃度確定 本研究設置6個鹽處理濃度（0、100、200、300、400、500 mmol/LNaCl）進行試驗以確定最適鹽脅迫試驗濃度，分別表示為CK、T1、T2、T3、T4、T5。參考高利英等的沙培萌發法，隨機選擇6份材料進行NaCl溶液脅迫處理，其中CK為等體積清水。稱取一定量滅菌烘干后的沙子，按干沙：溶液（質量：體積）= 1：0.18的比例加入處理溶液，充分攪拌混勻。在每個發芽盒中加入等量的濕沙并鋪平，將種子整齊擺放在沙床上，每盒50粒，再加蓋200g濕沙，25℃、16 h光照/8 h黑暗條件下培養。以子葉頂端露出沙面作為種子萌發標準，在播種后3～12d間每天同一時間統計每個發芽盒內的萌發種子數。

播種后12d，小心地將棉花幼苗從沙子中洗出，每個發芽盒隨機選擇10株測定株高（莖基部至兩子葉間生長點的長度）。同時，分離盒內所有萌發植株的地上和地下部分，分別烘干并稱重。調查統計相關指標后確定最適鹽脅迫濃度。

1.2.2材料處理和性狀指標調查 用1.2.1確定的最適鹽脅迫濃度對其他待測棉花材料進行處理。棉花材料種植、萌發種子數量調查及株高、地上部和地下部干重的測定同1.2.1中的方法。

1.3測定指標及方法

1.3.1種子萌發和幼苗生長相關指標 參考高利英等的方法計算不同材料的種子發芽率、發芽勢和發芽指數，地上部或地下部干重除以萌發植株數得到地上部或地下部單株干重，所得數據用于進一步分析。為了避免待測材料種子質量對鑒定結果的影響，使用各指標的相對值評價材料的耐鹽性。相對發芽率（GR）、相對發芽勢（GE）、相對發芽指數（GI）、相對株高（PH）、地上部相對干重（SW）、地下部相對干重（RW）的計算公式如下：

耐鹽綜合評價：對所有待測材料的耐鹽綜合評分D_i進行系統聚類分析，聚類方法選擇組之間的鏈接（Between-groups linkage），測量（Measure）方法使用平方Euclidean距離（Squared Euclidean distance）。根據聚類分析結果，對待測材料進行分組，根據耐鹽綜合評分D_i進行耐鹽性分級。

1.4數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2019進行數據的初步整理和分析，用SPSS Statistics 22.0軟件進行主成分分析、聚類分析、正態分布分析和逐步回歸分析。

2結果與分析

2.1不同濃度鹽脅迫對棉花萌發出苗期表型性狀的影響

鹽脅迫顯著影響棉花種子萌發和幼苗生長，隨脅迫濃度升高萌發種子數量減少，棉花幼苗株高降低、生長速度減緩（圖1）。T1、T2（100、200mmol/L）處理棉花種子萌發和幼苗生長受影響較小；鹽脅迫濃度為300 mmol/L（T3）時，種子萌發和幼苗生長受到明顯抑制；當鹽脅迫濃度為400、500 mmol/L（T4、T5）時，各指標值顯著減小，500mmol/L時，6份材料的GR、GE、GI、PH、RW和SW均為零。由于400 mmol/L及以上鹽濃度處理時大部分材料幼苗的相對株高較低、幼苗太小，因此未調查400、500 mmol/L鹽脅迫下的幼苗地上部和地下部干重。

2.2最適鹽脅迫濃度的確定

為了確定耐鹽鑒定的最適鹽脅迫濃度，首先計算不同脅迫濃度下6份棉花材料GR、GE、GI、PH、SW、RW的四分位差（表1），結果發現GI和PH的四分位差極值均出現在200mmol/L鹽脅迫處理時，GE、SW、RW的四分位差極值均出現在300 mmol/L鹽脅迫時，而GR的四分位差在400mmol/L鹽脅迫時達到極值。400mmol/L鹽脅迫時，大部分材料的發芽率極低，有的甚至不發芽（圖1、圖2、表1），因此該濃度不具有比較價值；300 mmol/L鹽處理與200 mmol/L處理相比，其處理組與對照組的表型差異更顯著，故本試驗選擇300 mmol/L作為棉花耐鹽鑒定的最適鹽脅迫濃度。

2.3鹽脅迫下棉花耐鹽性鑒定指標的主成分分析和因子分析

計算58份棉花材料6個指標的相對值，并對其進行主成分分析和因子分析，以特征值大于1為標準，提取到了2個主成分（表2）。第一個主成分特征值為3.217，可解釋53.618%的總體方差；第二個主成分特征值為1.241，可解釋20.680%的總體方差。兩者累計可解釋74.298%的變異方差，表明這兩個主成分可進一步用于計算耐鹽綜合評分。

第一個主成分中GR、GE、GI、PH的因子載荷值分別為0.946、0.969、0.965、0.660，均大于0.4，表明第一個主成分對GR、GE、GI、PH有較高的解釋度。由于GR、GE、GI是與棉花種子萌發相關的性狀指標，PH則與種子的萌發時間有關，因此第一個主成分是與種子萌發相關的因子（F1）。第二個主成分中SW、RW的因子載荷值分別為0.769、0.763，表明第二個主成分對RW、SW有較高的解釋度，該主成分是與棉苗干物質積累相關的因子（F2）。由各主成分的方差貢獻率計算權重，F1的權重w1=53.618%/（53.618%+20.680%）×100%，F2的權重w2=20.680%/（53.618%+20.680%）×100%，最終計算得到兩個主成分的權重分別為72.166%和27.834%。

2.4棉花耐鹽性綜合評價

根據因子分析結果（表3），由公式（2）可得因子得分方程，即種子萌發相關因子F1=0.376X_GR+0.510X_GE+0.126X_GI+0.061X_PH+0.068X_SW+0.076X_RW，干物質積累相關因子F2=0.169X_GR-0.037X_GE-0.016X_GI+0.006X_PH+0.654X_SW+0.639X_RW。由F1、F2的權重72.166%、27.834%計算各材料的因子綜合得分F=72.166%×F1+27.834%×F2。最后，根據公式（3）和公式（4）計算棉花材料的因子綜合得分和耐鹽綜合評分D值，見表4。

2.5基于棉花耐鹽綜合評分（D值）的聚類分析

用計算得到的耐鹽綜合評分（D值）進行系統聚類分析，并構建樹系圖（圖3）。根據樹系圖將58份棉花材料的耐鹽性分為五類：高抗、抗、耐、不耐、敏感。高抗鹽材料有5份，耐鹽綜合評分范圍為0.888～1.000;抗鹽材料有11份，耐鹽綜合評分范圍為0.648～0.817；耐鹽材料有22份，耐鹽綜合評分范圍為0.437～0.615：不耐鹽材料有16份，耐鹽綜合評分范圍為0.223～0.373，鹽敏感材料有4份，耐鹽綜合評分范圍為0.000～0.108。

2.6棉花萌發出苗期耐鹽鑒定方法的建立

本研究中，耐鹽綜合評價值的計算要經過主成分分析、因子分析、主成分權重計算等過程，每次有新的鑒定材料加入，就需要重新分析數據和計算耐鹽綜合得分。為了解決這一問題，本研究以6個性狀指標的相對值為自變量，耐鹽性綜合評分（D）為因變量，進行逐步回歸分析，構建性狀指標與耐鹽綜合評分的最優回歸方程式：D=-0.775+0.569X_GR+0.720X_GE+0.404X_SW+0.410X_RW。該公式中引入了4個性狀指標，方程決定系數R²=0.999，Plt;0.0001。

同時，對本試驗58份材料的耐鹽綜合評價值進行正態分布統計，發現其分布偏度和峰度均小于1（偏度=0.009，峰度=-0.259），說明所測材料的耐鹽性符合正態分布，本試驗所用的58份材料可以反映棉花材料整體的耐鹽情況，則根據本試驗建立的耐鹽性分級標準原則上也適用于所有棉花材料萌發出苗期的耐鹽性鑒定。由本研究棉花材料的D值和聚類分析結果確定的棉花萌發出苗期耐鹽性分級標準見表5。

綜上可建立棉花萌發出苗期耐鹽鑒定體系，即采用沙培萌發法，調查300mmol/L鹽脅迫處理時棉花材料的發芽和生長情況，計算GR、GE、SW、RW這4個性狀指標的相對值，代入回歸方程式D=-0.775+0.569X_GR+0.720X_CE+0.404X_SW+0.410X_RW，計算耐鹽綜合評分D值，然后參考表5中的棉花耐鹽性分級標準即可對棉花萌發出苗期的耐鹽性進行綜合評價。

3討論

3.1鹽脅迫對棉花萌發出苗的影響

萌發期是植物對鹽脅迫較敏感的時期。本研究結果表明，隨著鹽脅迫濃度升高，棉花種子的相對發芽率、相對發芽勢、相對發芽指數總體均呈下降趨勢，且當鹽脅迫濃度在300 mmol/L及以上時，棉花相對株高、地上部相對干重和地下部相對干重均出現急劇下降，表明鹽脅迫對棉花種子萌發有明顯抑制作用。這與王寧等的結論一致。較低濃度（100、200mmol/L）鹽脅迫時，部分棉花材料的相對發芽率、相對發芽勢等指標與對照無明顯差異，甚至相對株高、地上部相對干重明顯高于對照，這與前人的研究結果一致，表明棉花具有一定的耐鹽性，這為鹽堿地植棉提供了理論支持。

鹽脅迫對種子萌發和幼苗生長的影響機制不同。種子萌發時，高鹽環境對種子造成滲透脅迫，影響種子吸脹而抑制萌發，而幼苗生長同時受滲透脅迫和離子毒害的影響。本研究中，通過主成分分析從6個性狀指標中提取到兩個分別與種子萌發和棉苗干物質積累有關的因子，這也說明鹽脅迫下種子萌發與幼苗生長可能是兩個相對獨立的過程。

3.2棉花耐鹽性與育成年份、地區的相關性

品種的抗逆性與育成地點、年份、育種目標等多種因素有關。邵桂花等對來自國內外的3600多個大豆品種進行耐鹽鑒定，發現山東、河南的品種耐鹽性較強，推測可能是山東、河南鹽堿地較多且所種植的品種在這些地區經過了長期自然選擇的原因。高利英等對黃淮海地區45個棉花材料進行萌發期耐旱鑒定，發現山東、河北選育的品種旱脅迫下種子萌發能力較強，認為可能與當地棉花萌發期降水較少有關。高利英對黃淮海地區38個代表性棉花品種進行耐低溫萌發能力評價，發現黃淮海棉區新育成品種耐低溫萌發能力顯著強于早期引進的品種（如斯字棉、岱字棉），表明在棉花改良過程中，種子萌發期對低溫的抗性逐漸增強。

本研究通過主成分分析和聚類分析將58份棉花材料分為高抗鹽、抗鹽、耐鹽、不耐鹽、鹽敏感5個等級，每個等級內的棉花材料數分別為5、11、22、16、4份。其中，脫字棉、徐州1818、定陶621、濱棉1號、冀668表現出高抗鹽性，可以作為耐鹽棉花品種選育的優異種質資源。進一步分析棉花萌發出苗期耐鹽性與育成或推廣年份的關系，未發現品種耐鹽性與育成或推廣年份有明顯的相關性，這可能與育種習慣有關。棉花育種田大都選擇在土質良好、氣候適宜的地區，并在選育過程中進行精細化栽培和管理，這有利于最大限度發揮種質資源的產量潛力，從中選育出高產、優質棉花品種。由于全球極端氣候頻發，冷害、干旱等不可控氣候因素無形之中對品種進行了自然選擇，從而促進了近年來所選育棉花品種的抗冷性和抗旱性方面均有大幅提升。與冷害和干旱不同，鹽堿地具有地域性，因此品種的耐鹽性更易在不同地區間存在差異。但由于本研究試驗材料覆蓋地區較少，難以分析棉花耐鹽性與種植區域間的相關性，該部分內容有待后續進一步研究。

隨著氣候變化和棉花主產區的轉移，濱海和內陸地區鹽堿地棉花的種植面積越來越大，因此當前僅僅關注棉花優質高產的育種方向已明顯不能滿足未來棉花產業的發展。由于缺乏針對性的耐鹽鑒定和篩選，某些耐鹽基因（尤其是與其他不良性狀連鎖的耐鹽基因）可能會在多年人工選擇的過程中逐漸丟失。隨著農業生產模式和產業結構的改變，精簡化和機械化將成為未來農業的發展方向。為了培育適于未來農業生產需求的棉花品種，棉花育種過程中應盡可能與棉花主產區生態條件和當地精簡化的栽培管理模式接軌，并充分利用自然逆境（如干旱、鹽堿地）保留抗逆種質資源，培育高產、優質、多抗、適于機械化生產的棉花新品種。

4結論

本研究通過對鹽脅迫下棉花的6個相對指標進行主成分分析和聚類分析，將58份棉花材料分為高抗鹽、抗鹽、耐鹽、不耐鹽、鹽敏感5個等級，各等級內材料數分別為5、11、22、16、4份。其中，脫字棉、徐州1818、定陶621、濱棉1號、冀668在萌發出苗期表現出高抗鹽性，可作為棉花耐鹽育種的優異種質資源。本研究在此基礎上構建了棉花萌發出苗期耐鹽鑒定體系和耐鹽性分級標準，可為棉花萌發出苗期室內耐鹽性鑒定提供新的方法和思路。