不同棉花基因型根系表型差異分析

薛惠云，李倩，王果，陳雪，張志勇，王清連

(河南科技學院，河南省現代生物育種協同創新中心/河南省棉麥分子生態和種質創新重點實驗室，河南 新鄉 453003)

根系是植物吸收水分和養分的主要器官，其發育情況直接關系著植株整體生長發育的好壞。但前人對改善作物和農業技術的研究熱點主要集中在增加地上部干物重和收獲產量[1, 2]，往往忽視根系與作物產量的關系[3]。干旱脅迫、土壤鹽漬化、養分缺失、病蟲害等嚴重威脅作物根系和植株整體生長發育，影響其產量，增加水肥、農藥投入雖然可以在一定程度上緩解上述問題，但利用效率低、成本高，限制了其經濟收益，而且造成嚴重的生態環境污染。因此，分析作物根系表型，篩選影響其水肥吸收利用效率的主要性狀，對創制水分和養分利用效率高的新種質具有重要意義[4]。

作物根系表型同時受基因型和環境的影響，表型不同，其對氮、磷、鉀及水分的吸收利用效率也不同[5]。廖紅等[6]研究認為磷素在土壤中不容易發生轉移，有效磷一般分布在土壤表層，具有淺根系的作物能更好地吸收利用土壤中的磷素。趙首萍等[7]分析指出，當作物的根系表現為根干重較大、總根長較長、側根在土壤中分布范圍較廣以及根系的吸收表面積較大時，能夠更加高效地吸收氮素和水分。York等[8]研究表明，相對較多的側根數量和較長的根毛有助于對土壤表層養分的吸收，而減少側根數量、減小側根進入土壤的角度則有助于根系吸收更深層土壤中的養分。閆映宇等[9]研究認為土壤含水量較大時，根系主要分布在淺層，側根橫向生長比較旺盛，根冠比較??；土壤含水量降低后，總根長增加，根系傾向于縱向伸長生長，從而導致根冠比也增大?？梢?，根系形態特征可以影響其對水分、氮和無機鹽的吸收，根據不同根系表型合理灌水、施肥，協調營養生長和生殖生長間的關系，可以實現低肥高效，在提高產量同時減少對環境的污染[10]。

棉花是我國重要的經濟作物，在國民經濟中發揮著重要作用。前人對棉花根系表型的研究多選用常規的大田品種，且品種比較單一。本研究選用從國內外收集的88個基因型棉花種質，通過室內試驗，對其主要根系表型性狀，如總根長、主根長、側根長、根表面積、根體積、平均根夾角、平均根直徑、根冠比、側根密度及主根根尖區比例等的差異性及相關性進行比較分析，以期為選育水肥高效利用種質育種，提高水肥利用效率、保護環境提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選用88個棉花基因型作為試驗材料(表1)。其中，78個基因型來自中國農業科學院棉花研究所國家棉花種質資源庫，10個基因型由河南科技學院棉花研究所提供；來自國內三大棉區(西北流域、黃河流域、長江流域)的基因型72個，國外基因型16個。

1.2 幼苗培養

每個基因型取30粒飽滿的光籽，用10%的過氧化氫25 mL消毒30 min后用水沖洗干凈，再用無菌水浸泡12 h進行催芽；然后每個基因型選取6顆露白的種子，均勻放置在用改良霍格蘭氏營養液浸透的無菌吸水紙中，將吸水紙卷在無菌PVC管周圍，然后豎直放入盛有5 L改良霍格蘭氏營養液的塑料容器中，表面覆蓋透氣的塑料薄膜以防止水分蒸發過快，置于溫室中進行培養。

首先在冷光源下(光照12 h，黑暗12 h，白天溫度28℃，晚上溫度26℃)培養5 d，至棉花出苗且子葉由黃轉綠；之后調節為強光(光照12 h，黑暗12 h，光強為328 μE·m-2·s-1，白天溫度30 ℃，晚上溫度26℃)，培養7 d，至棉花主根與側根發育完全。每天定時在紙筒表面噴施多菌靈，防止種子出現霉變。

表1 不同棉花基因型編號

1.3 指標測定

1.3.1 地上部干重 將棉苗地上部分莖、葉放入105℃烘箱殺青30 min， 80℃烘至恒重，待樣品冷卻到室溫后，用萬分之一天平對莖、葉分別稱重，并記錄數據，兩者之和為地上部干重。

1.3.2 根系表型性狀 用Epson掃描儀在彩色模式下透射掃描棉苗根部，獲得根系照片，然后用Image J軟件測量獲取根系夾角，用WinRhizo圖像分析軟件分析計算，獲得主根長、總根長、根表面積、平均根直徑、根體積、側根數、側根長、側根區長、主根根尖區長、側根密度、主根根尖區比例。其中，側根密度=側根數/側根區長，主根根尖區長=總根長-側根區長，主根根尖區比例=主根根尖區長/主根長。將掃描后的根系烘至恒重，稱重并計算根冠比(根冠比=根干重/地上部干重)。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2003進行數據整理，用SPSS 22.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 根系表型性狀的變異分析

對88個基因型的10個主要性狀進行統計分析，結果(表2)顯示，除平均根夾角外，其它表型性狀不同基因型間均達到差異極顯著水平(P<0.01)。變異系數是衡量農藝性狀變異程度的重要標準[11]。本研究結果表明，除平均根夾角外其他9個性狀的變異系數均超過10%，其中，側根長變異系數最大，為86.07%；其次為總根長、根表面積、主根長，變異系數分別為60.42%、44.57%、41.42%；根體積、側根密度、主根根尖區比例、根冠比、平均根直徑的變異系數也較大，分別為35.10%、33.65%、31.72%、18.85%、17.93%。說明參試棉花基因型根表型存在豐富的遺傳變異，尤其側根長，改良潛力較大；而平均根夾角在各基因型之間差異最小，離散程度最低，穩定性最好，改良潛力較小。

表2 參試基因型根系表型性狀的變異情況

2.2 根系表型性狀間的相關性

通過相關性分析可揭示性狀間是否存在依存關系及相關關系的方向與強度[12]。結果(表3)表明，除主根根尖區比例外，平均根夾角與其它根系表型性狀間均相關不顯著?？偢L、主根長、側根長、根表面積、根體積之間均極顯著正相關(P<0.01)。平均根直徑與除側根密度及主根根尖區比例外的其它根系表型性狀均存在負相關關系，其中與總根長、主根長、側根長、根表面積的相關性達到極顯著水平(P<0.01)。根冠比與總根長、主根長、側根長、根表面積、根體積、平均根直徑、主根根尖區比例均存在負相關關系，其中，與主根長顯著相關(P<0.05)，與根表面積、根體積、主根根尖區比例極顯著相關(P<0.01)。側根密度與總根長、主根長、側根長、根表面積、根體積呈負相關關系，其中與總根長、根表面積顯著相關(P<0.05)，與主根長極顯著相關(P<0.01)。主根根尖區比例除與根冠比、側根長極顯著或顯著負相關(P<0.01，P<0.05)、與平均根夾角顯著正相關(P<0.05)外，與其余性狀間無顯著相關性。

可見，根系表型是一個復雜的綜合性狀，彼此之間相互影響，且多個根系表型性狀都會通過影響根冠比而影響地上部干重，可通過對根系表型性狀的直接選擇改善地上部。

表3 參試基因型根系表型性狀的相關性

2.3 主成分分析

通過相關性分析可知，根系表型性狀之間存在信息重疊，因此利用主成分分析法進行降維，并對88個基因型進行綜合評價。結果(表4)表明，依據特征值大于1的原則選取前3個主成分，其累積貢獻率達77.872%，包含了上述表型性狀的絕大部分信息。其中，第1主成分的貢獻率最高，為47.928%，根表面積、總根長、側根長、主根長及根體積對其正向影響較大，特征向量值分別為0.980、0.977、0.913、0.863和0.822，而平均根直徑對其負向影響較大，特征向量值為-0.660。第2主成分的貢獻率為17.341%，主根根尖區比例對其正向影響最大，特征向量值為0.719，而根冠比對其負向影響最大，特征向量值為-0.818。第3主成分的貢獻率為12.603%，平均根夾角、側根密度對其正向影響最大，特征向量值分別為0.783、0.521，而平均根直徑具有負向影響，特征向量值為-0.374。

表4 各根系表型性狀的特征根向量、特征根和貢獻率

2.4 聚類分析

依據上述分析結果，根表面積、總根長、側根長、主根長、根體積、主根根尖區比例、平均根夾角、側根密度對3個主成分的影響較大，而根表面積、總根長、根體積與主根長和側根長密切相關，因此，依據主根長、側根長、平均根夾角、側根密度、主根根尖區比例對參試88個基因型進行聚類分析，可將其分為5類(表5)。第Ⅰ類包括16個基因型，該類棉花基因型平均根夾角小、主根長中等、側根短、側根密度小、主根根尖區比例中等。第Ⅱ類包括32個基因型，該類棉花基因型平均根夾角大、主根長中等、側根短、側根密度大、主根根尖區比例大。第Ⅲ類包括10個基因型，該類棉花基因型平均根夾角中等、主根短、側根短、側根密度大、主根根尖區比例小。第Ⅳ類包括4個基因型，該類棉花基因型平均根夾角小、主根長、側根長、側根密度中等、主根根尖區比例中等。第Ⅴ類包括26個基因型，該類棉花基因型平均根夾角中等、主根長中等、側根長中等、側根密度小、主根根尖區比例中等。

表5 聚類分析結果

3 討論

表型性狀研究是了解生物特性最簡單、最直接的方式之一，已成為評價、鑒定、篩選優異生物種質的基礎[13]。根系是植物吸收水分和養分的主要器官，長度、形狀、在土壤中的空間分布等表現型與植物對水分及礦質元素的吸收功能密切相關[14]，因此，分析作物根系表型不僅能為農業合理灌溉、節約水資源提供指導，還可為農田科學施肥、提高肥料利用效率提供依據。

棉花是直根系深根作物，由入土很深的主根、分布較廣的側根和眾多的根毛組成發達的根系網[15]。本研究對88個基因型的10個主要根系表型性狀進行了分析，結果表明，參試基因型存在豐富的遺傳變異，除平均根夾角外其它9個性狀的變異系數均超過10%，其中側根長、總根長、根表面積、主根長的變異系數較高，這為特定目的基因型篩選提供了可能。但根表面積、總根長、側根長、主根長、根體積之間存在顯著相關性，經主成分分析降維[16]，得到3個主成分，其累積貢獻率可達77.872%，可解釋根表面積、總根長、側根長、主根長、根體積、主根根尖區比例、平均根夾角及側根密度的主要變異?；谏鲜鼋Y果，選擇平均根夾角、主根長、側根長、側根密度和主根根尖區比例5個參數對88個基因型進行聚類分析，可將其分為根系表型各具特點的5類。

土壤表層的水分和氮肥資源隨著時間的推移會逐漸滲透到深層土壤，因此在大田生長環境中，根系能快速延伸到深層土壤的品種往往能最優地利用水分和氮肥資源[17-20]。Lynch[17]提出玉米理想的吸收水分和氮肥的根系特征是“夾角小、資源利用高效、分布深”。Zhan等[21]提出側根少但長的根系表型可以作為篩選氮高效品種的一項可行性指標。按此標準，參試第Ⅳ類棉花基因型的平均根夾角小、主根長、側根長、側根密度中等、主根根尖區比例中等，屬于水氮高效基因型，符合水氮高效育種的目標。

磷素和鉀素在土壤中較為穩定，不易發生滲漏，多分布在土壤的淺層。當作物淺層根系的數量較多同時側根長度較大時，根系有著較大的表面積且主要集中在地表附近，更有利于磷的高效吸收利用[22]。在低磷和低鉀條件下，側根密度大且土壤淺層中根系分布多的玉米基因型，磷和鉀吸收效率高，生物產量高[23]。根夾角大、側根密度大及低的代謝成本有利于淺層土壤中磷的獲取[24]，而利于磷吸收的根系表型同樣利于鉀的吸收[25]。因此，本研究中參試第Ⅱ類棉花基因型更有利于磷素和鉀素的高效吸收，符合磷和鉀高效育種的目標。

4 結論

參試88個棉花基因型的側根長、總根長、根表面積和主根長變異程度較大，受基因型的影響較為顯著，改良潛力較大。10個根系表型性狀之間存在信息重疊，總根長、根表面積、根體積與主根長、側根長顯著相關，可經主成分分析降維為3個綜合指標，根表面積、總根長、側根長、主根長、根體積、主根根尖區比例、平均根夾角、側根密度是其主導因子?；谄骄鶌A角、主根長、側根長、側根密度、主根根尖區比例可將88個棉花基因型聚為5類，其中，第Ⅳ類屬于水氮高效基因型，第Ⅱ類屬于磷、鉀高效基因型。本研究結果可為棉花水肥高效利用種質的選育以及闡述其水分和養分高效吸收利用機制提供依據。