棉花抗旱性綜合評價及其相關性分析

王月平, 徐劍文, 趙 君, 劉劍光, 王寧山, 程俊凌, 馮國禮, 艾尼江, 陳全家, 肖松華,

(1.新疆農業大學農學院,新疆 烏魯木齊 830052; 2.江蘇省農業科學院經濟作物研究所/農業農村部長江中下游棉花和油菜重點實驗室,江蘇 南京 210014; 3.石河子農業科學研究院,新疆 石河子 832000)

棉花是新疆重要的經濟作物,對當地農民的增收致富具有重要意義,同時是中國經濟發展和糧食安全布局中的重要一環。新疆是中國最大的產棉區,年產量在5.0×106t左右,占國內棉花產量的80%以上,占國內紡織業總需求的64%以上,承擔了中國棉花供給的重任。得益于農業科技的提升以及本地良好的光熱條件,新疆地區棉花的產量逐年提升[1]。但由于當地獨特的地理環境,有限的降雨極大地限制了新疆棉花的生產,同時也對當地水資源環境帶來愈加嚴峻的壓力。進一步提高棉花的抗旱性是解決這一困境積極有效的方式,因此建立一套準確高效的抗旱鑒定方法對棉花品系進行鑒定篩選是完成這一育種目標不可或缺的途徑。

作物在受到干旱脅迫時,對環境的適應和抵御能力被稱為抗旱性。國內外學者在各種作物的各個生育時期,針對作物抗旱性鑒定及抗旱指標篩選開展了大量研究[2-6]。在抗旱性鑒定方法上,目前主要采用室內盆栽反復干旱法、大田直接鑒定法和聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)滲透脅迫法等在不同的空間、脅迫程度、脅迫方式、生長時期對作物的抗旱性進行鑒定。PEG水溶液作為一種高滲溶液調節劑,具有保持穩定滲透壓、不含營養物質、無毒害、重復性好、使活細胞緩慢吸水、可模擬田間干旱環境等特征,被廣泛應用于各種植物的抗旱性研究中[6-12]。在棉花中,PEG也被用于各生育期的抗旱性鑒定。張雪妍等[13]利用PEG-6000滲透脅迫法進行棉花萌發期的抗旱性鑒定;王晨[14]利用PEG-6000處理棉花植株,發現在相同的干旱脅迫條件下,耐旱棉花品種具有更強的生理調控和生長維持能力。室內PEG滲透脅迫具有簡單易行、環境條件可控、重復性好、試驗周期短等優點,適用于棉花抗旱性的篩選工作。

與抗旱相關的表型性狀多為數量性狀,受環境和多基因控制。在作物的不同生長發育階段,不同的鑒定指標被用于抗旱性鑒定。作物受到干旱脅迫時,表型形態和生存能力會發生變化,表型差異和成活率常被用作抗旱性的鑒定指標[15-16]。在棉花的各生長發育時期,不同的鑒定指標被選擇用來對抗旱性進行鑒定。在萌發期,隨著水勢的下降,棉花的發芽率、發芽速度、發芽指數等均出現不同程度的降低,常被選擇用于抗旱性鑒定[17];在苗期,棉花的植株干質量、根干質量、主根根長常被選擇作為抗旱性鑒定指標[18];在成株期,單株產量、果枝數、果節數、始節位和始節高度等農藝性狀常作為抗旱性鑒定的評價指標[19]。

植物在受到干旱脅迫后,會發生包括光合作用、滲透調節物質代謝、抗氧化酶活性等在內的一系列生理生化響應,從而改變植株的外部形態。這些生理指標的變化反映了作物在干旱脅迫下受到的不同程度的影響[2,20-21]。研究結果表明,可溶性糖(Soluble saccharide, SS)會在受到干旱脅迫的植物體內積累,通過降低滲透勢保持植物細胞水分,從而提高植物抗旱性;植物體內各種抗氧化物酶的活性差異也與植物的抗旱能力緊密相關,其中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和過氧化物酶(Peroxidase,POD)具有清除氧自由基的能力,其活性的提高能夠增強植物的抗逆性[22]。此外,作物葉片的相對含水量、可溶性蛋白質含量、丙二醛(Malonaldehyde, MDA)含量也是與抗旱性顯著相關的重要生化指標,其中MDA是膜脂過氧化最重要的產物之一,它的積累會加劇生物膜的損傷[23]。在棉花中,POD活性、MDA含量、脯氨酸(Proline, PRO)含量、葉片相對電導率、離體葉片失水速率等均是抗旱鑒定的重要指標[19]。

為建立棉花資源抗旱性鑒定評價體系,本研究擬利用PEG滲透脅迫法對苗期陸地棉品系進行模擬干旱處理,在調查苗期植株表型性狀的同時,對生理指標也進行測定,通過主成分分析法、隸屬函數法、聚類分析等統計方法對棉花抗旱性進行綜合評價,建立苗期綜合抗旱鑒定模型。進一步與成株期田間抗旱鑒定結果進行比較,對模型的精度進行評價,篩選抗旱資源和干旱敏感資源,為棉花抗旱育種工作提供重要理論和材料基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用50份棉花資源中11份(中資1061、中資1091、中資1149、中資1155、中資1161、中資1194、中資1205、中資2017、中資2130、中資4120、中資6170)由中國農業科學院棉花研究所提供,6份(通大007、通大049、通大050、通大414、通大521、泗抗1號)由南通大學生命科學學院提供,其余33份材料由江蘇省農業科學院經濟作物研究所多年收集并保存。

1.2 苗期指標的測定

稱量50 g育苗基質裝入底部帶有孔洞的紙杯(上口徑7 cm,下口徑5 cm,高5.8 cm)。挑選大小一致且飽滿的棉花種子浸泡在清水中催芽24 h后播種,1杯1粒。設3次重復,每個重復15粒種子,在托盤上隨機擺放。

表型性狀的調查:待幼苗生長到兩葉一心,澆灌25% PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,每杯50 ml,以清水處理作為對照。處理當天和7 d后分別取子葉、第二片真葉和莖,測定地上部鮮質量和根鮮質量,105 ℃殺青15 min,60 ℃烘干72 h之后測定干質量;測量地上部最低處到第一個子葉節的高度為子葉節高度,同時測量棉花幼苗主根長度。

生理指標的測定:參考《植物生理學實驗指導》,采用酸性茚三酮法測定植物體內PRO含量,采用黃嘌呤氧化酶法測定SOD活性,采用POD催化過氧化氫的原理來測定POD活性,采用硫代巴比妥酸法測定MDA含量,采用蒽酮比色法測定SS含量[24]。本試驗中生理指標均使用南京建成生物工程研究所的試劑盒進行測定,檢測所用酶標儀為瑞士TECAN公司生產的SPARK 10M型,每5株葉片等量混合為1次重復,設3次重復。

1.3 成株期指標的測定

試驗于2021年在新疆石河子農業科學研究院干旱鑒定田開展。播種前在試驗區劃分干旱脅迫區與對照區,中間設置3 m隔離區,均采用1膜2行(窄膜,膜寬0.70 m) 種植。每個材料種1行,隨機排列,3次重復,小區面積0.9 m2,行長3 m,行距0.3 m,株距0.1 m。旱池邊緣設二膜保護行,采用膜下滴灌灌水方式。對照組第1次澆水時間為6月20日,每7～10 d澆1次水。干旱脅迫組不澆水,當田間土壤含水量達3%時,持續脅迫20 d后復水1次。

農藝性狀指標的測定:調查干旱脅迫處理和對照的株高、果枝數、果枝始節高、果枝始節數和單株結鈴數,每個品種選取均一穩定的10株進行測定,取平均值。

產量性狀的測定:每個品種(品系)于成熟期收取中上部棉鈴20個,調查單鈴質量,并計算理論產量;收取各品種(品系)全部籽棉,計算實際籽棉產量和實際皮棉產量。

纖維品質數據委托農業農村部棉花品質監督檢驗測試中心測定,檢測指標包括纖維長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度、伸長率和成熟度。

1.4 統計分析

利用Excel進行原始數據的整理,并利用SPSS 26軟件進行統計分析。對各指標進行單項指標分析并計算抗旱系數(Drought resistance coefficient,DC),對具有顯著差異的指標的DC值進行主成分分析,得到成分矩陣以及總方差解釋表。根據公式計算抗旱系數、抗旱指數(Drought resistance indexes,DI)、抗旱隸屬函數值(Drought resistance membership function value,DM)、綜合抗旱系數(Comprehensive drought resistance coefficient,CDC)和綜合抗旱指數(Comprehensive drought resistance index,CDI)。采用模糊隸屬函數法計算抗旱性綜合度量值(Comprehensive drought resistance measure value,D)和加權抗旱性系數(Weighted drought resistance coefficient,WDC),對50份材料進行抗旱綜合評價[25]。計算廣義遺傳力(Broad-sense heritability,H2),根據排名選擇最佳抗旱性評價模型,并根據其統計值進行聚類分析。

抗旱系數:

(1)

式中,Xi為在干旱脅迫下單個指標的測定值,CKi為正常澆水條件下指標的測定值。

抗旱指數:

(2)

式中,Xai為單個指標的平均值。

抗旱隸屬函數值:

(3)

式中,DCmin和DCmax分別代表某單個指標抗旱系數的最小值和最大值。

綜合抗旱系數:

(4)

綜合抗旱指數:

(5)

綜合抗旱度量值:

(6)

式中,Pi為單個指標貢獻率,DMi為第i個指標的抗旱隸屬函數值。

關聯系數:

ηi(k)=

(7)

關聯度:

(8)

權重系數:

(9)

加權抗旱系數:

(10)

廣義遺傳力:

(11)

式中,VG為遺傳方差,VP為表型方差。

2 結果與分析

2.1 苗期抗旱指標的篩選

在苗期對50份棉花資源進行PEG模擬干旱處理后,分別測定表型性狀和生理指標,并對抗旱性進行單指標分析。結果(表1)表明,各性狀/指標的變異系數為0.092～0.551,跨度較大,對干旱脅迫的敏感程度存在較大差異。各表型性狀變異系數為0.092～0.441,各生理指標的變異系數為0.115～0.551。

棉花受到干旱脅迫后,共8個性狀(地上部鮮質量、根干質量、地上部干質量、PRO含量、SOD活性、POD活性、MDA含量、SS含量)在處理前后差異極顯著(P<0.01),受到干旱脅迫顯著影響(表1)。根據這8個指標計算抗旱系數,對苗期抗旱性進行單指標分析。結果顯示,50份材料各性狀單指標的DC值存在較大差異(0.284～4.580),其中表型性狀的DC值為0.284～1.952,生理指標的DC值為0.569～4.580,各指標對干旱脅迫的敏感程度存在差異。不同棉花品種(品系)各性狀/指標下的DC值變異系數為0.052～0.976,所選取的50份棉花資源的抗旱性具有差異,可以用于進一步分析。

表1 苗期抗旱性的單指標分析

2.2 苗期抗旱性綜合評價

為降低單一指標的偏差和系統誤差,本研究利用主成分分析對50份棉花品種(品系)進行抗旱性綜合評價。通過配對樣本t檢驗,對50份材料苗期具有顯著性差異的8個測定性狀的DC值進行因子分析。主成分分析結果中,8個性狀的前3個主成分的特征值>1.000(2.818、1.205、1.067),累積貢獻率達63.63%(35.23%、50.29%、63.63%)。進一步將這3個主成分中具有相同本質的變量歸為一類,獲得3個相互獨立的公因子作為綜合評價指標(表2)。

表2 苗期抗旱指標的因子分析

根據所篩選的抗旱指標,對鑒定材料的CDC值、CDI值和WDC值進行計算。在主成分分析獲得的各公因子的特征向量的基礎上,利用模糊隸屬函數法計算各因子的隸屬函數值,并根據各因子的權重系數,為各因子的隸屬函數值賦予相應權重系數,計算加權隸屬函數值,作為D值。分別以CDC值、CDI值、WDC值和D值作為因變量,8個指標抗旱系數DC值作為自變量,進行逐步回歸分析,計算對應的回歸方程(表3)。其中,CDC、CDI、WDC、D的回歸方程決定系數(R2)分別為0.92、1.00、1.00和0.87,各回歸方程F檢驗具有極顯著差異,模型擬合度較好,回歸方程對變量的解釋能力強。比較4種綜合評價計算方法后發現,50份品種(品系)根據不同綜合評價方法的排序存在差異(表4)。為確定最適綜合評價體系,分別以D值、CDC值、CDI值和WDC值作為綜合性狀,計算50份棉花材料的廣義遺傳力,分別為68.90%、57.30%、60.0%和60.75%,根據排名,D值為最適合的綜合抗旱評價指標。

表3 苗期綜合抗旱鑒定模型

表4 各品種(品系)苗期綜合抗旱評價結果

2.3 成株期抗旱指標的篩選

對50份棉花品種(品系)在成株期干旱條件下的農藝、纖維品質及產量等有關性狀進行調查,并進行均值差異顯著性分析。通過計算各性狀均值的差異顯著性對棉花成株期的抗旱性進行單項指標分析。結果(表5)表明,各性狀的變異系數為0.012～0.242,跨度較大,對干旱脅迫的敏感程度存在較大差異。棉花受到干旱脅迫后,成株期共12個性狀(株高、果枝始節高、果枝始節、馬克隆值、纖維長度、成熟度、單株結鈴數、衣分、籽棉單鈴質量、皮棉單鈴質量、單株籽棉產量、單株皮棉產量)處理前后差異極顯著(P<0.01),受到干旱脅迫極顯著影響(表5)。選擇這12個指標對苗期抗旱性進行進一步分析。

表5 成株期抗旱性的單指標分析

2.4 成株期抗旱性綜合評價

通過對配對樣本進行t檢驗,對50份材料成株期具有顯著性影響的12個性狀的DC值進行因子分析。主成分分析結果顯示,12個性狀的前3個主成分的特征值>1.000(4.929、1.959、1.353),累積貢獻率達68.67%(41.08%、57.40%、68.67%),其特征值大于1.353。進一步將這3個主成分中具有相同本質的變量歸為一類,獲得3個相互獨立的公因子作為綜合評價指標(表6)。

表6 成株期抗旱指標的因子分析

根據所篩選的抗旱指標,對成株期的CDC值、CDI值和WDC值進行計算,并利用隸屬函數法計算D值。通過逐步回歸分析,求出回歸方程。統計分析結果(表7)顯示,基于CDC值、CDI值、WDC值和D值的回歸方程決定系數(R2)分別為0.92、0.99、0.99和0.87,各回歸方程F檢驗結果具有極顯著差異,模型擬合度較好。比較4種綜合評價計算方法后發現,50份棉花品種(品系)根據不同抗旱綜合評價方法的抗旱性排名存在差異(表8)。進一步計算廣義遺傳力,根據廣義遺傳力排名選擇D值作為最適綜合抗旱評價指標。同時,利用篩選到的8個苗期和12個成株期抗旱相關指標對全生育期抗旱性進行綜合評價,并對4種評價方法的廣義遺傳力進行計算?；贑DC值、CDI值、WDC值和D值的廣義遺傳力分別為40.73%、43.11%、38.34%、60.13%,選擇D值進行綜合評價。

表7 成株期綜合抗旱鑒定模型

表8 各品種(品系)成株期綜合抗旱評價結果

續表8 Continued 8

2.5 苗期抗旱鑒定模型精度評價

干旱脅迫對棉花生產的影響最終反映在產量和纖維品質上,因此我們基于這2個性狀對所建立的抗旱鑒定模型進行精度評價?；谶@2個性狀的CDC值、CDI值、WDC值和D值的廣義遺傳力分別為43.83%、42.16%、47.73%、48.00%和47.11%、45.05%、46.32%、48.59%,因此選擇D值對抗旱性進行綜合評價。對各類抗旱評價結果進行相關性分析,以評價在苗期建立的抗旱鑒定模型的精度。結果(表9)顯示,苗期抗旱性綜合評價D值與基于產量、纖維品質性狀的抗旱性綜合評價D值相關性較高。進一步對基于纖維品質和產量性狀中各單指標的DC值與苗期抗旱性綜合評價指標D值分別進行相關性分析,結果顯示,纖維品質性狀和產量性狀中,與苗期綜合評價相關性最高的指標分別為馬克隆值和單株籽棉產量。進一步將苗期抗旱綜合性評價拆解為表型數據和生理數據評價,結果顯示生理數據評價結果與產量性狀和纖維品質性狀相關性更高,在提高綜合評價精度中起到重要作用。

表9 各評價方法間的相關性分析

分別根據不同的評價方法對抗旱性進行聚類分析。結果(表10)顯示,50份材料共分為5類(Ⅰ:高抗旱型,Ⅱ:抗旱型,Ⅲ:中抗旱型,Ⅳ:較敏感型,Ⅴ:干旱敏感型)。其中根據苗期生理指標的分類與單株籽棉產量的分類一致性最高,達90%(表11)。比較聚類結果后發現:根據單株籽棉產量分類為高抗旱的3個品系(蘇資2175、蘇資0266、蘇資1016)和分類為干旱敏感的5個品系(中資1091、通大007、蘇資1333、蘇資2109、蘇資2261)根據苗期生理指標D值均被分類為相應級別(表10)。

表10 各品種(品系)基于不同D值的分類

3 討 論

大部分植物在苗期對環境脅迫非常敏感,干旱脅迫是其中一種重要的非生物脅迫。形態、生化特性、產量性狀等指標都被用來評價植物的抗旱性[2,6,26-27]。在棉花中有超過20種指標可用于抗旱性鑒定[6]。分散的單項指標只能代表作物的某一性狀在脅迫時期對干旱的敏感程度,而不能有效地反映該作物對干旱脅迫的綜合表現,故前人提出了綜合抗旱系數,利用多個抗旱鑒定指標綜合反映作物整體的抗旱性[21]。本研究通過單項指標分析,在苗期共篩選出地上部鮮質量、地上部干質量、根干質量3項表型性狀和PRO含量、SOD活性、POD活性、MDA含量、SS含量5項生化性狀用于對棉花資源抗旱性的綜合評價。

表11 苗期與成株期一致性比較

使用單一指標進行抗旱性評價會使評價結果存在一定誤差,無法全面反映作物的抗旱性。對作物抗旱性的綜合分析主要采用主成分分析法、隸屬函數法、因子分析法、灰色關聯度分析法等多指標綜合評價的方法來判斷參試品種的抗旱性[6, 19, 28-30]。主成分分析法因具有數據降維能力、評價客觀、注重綜合評價等優點而被廣泛應用。本研究對棉花抗旱性狀進行主成分分析,并利用綜合抗旱度量值在苗期對棉花品系進行評價,既考慮了各個指標的重要性,又考慮了各個指標之間的相互關系,有利于提高綜合評價的準確性。在此基礎上,本研究依據D值進行聚類分析,將各個材料根據綜合抗旱性劃分為不同的類別,為篩選抗感品系提供了有效的參考。

作物抗旱性鑒定的準確性,一方面取決于評價方法和評價標準,另一方面篩選合適的鑒定指標也尤為重要。在抗旱評價鑒定體系中,農藝性狀是簡單直觀的鑒定指標,單株鈴數、單株鈴質量和葉片數被用于鑒定成株期棉花的抗旱性[19]。在花鈴期,葉片含水量、葉綠素和可溶性糖含量等指標被用于抗旱性鑒定[6, 19]。與農藝性狀相比,生理生化指標的測定具有穩定、精確、微量等特點。馮方劍等[31]研究發現,PRO含量、SS含量、SOD活性和POD活性可作為棉花苗期抗旱性鑒定的指標。程林梅等[32]發現,在干旱條件下抗旱種質材料PRO積累量比對照增加3倍以上。本研究的抗旱性狀主成分分析結果顯示,生理指標具有最高貢獻率,其中POD含量在每個公因子中都具有較高載荷,表明在干旱條件下這些生理性狀在不同品種(品系)的陸地棉中具有顯著差異,是合適的抗旱鑒定指標。

植物中的生理生化物質在對逆境的抗性中起到不同的作用[33-34]。SOD和POD是細胞膜的保護酶,在維持細胞內穩態過程中起到重要作用[19]。在面對逆境脅迫時,為了保持細胞膨壓,植物會積累PRO和SS等滲透調節物質來調節滲透壓,使之維持在一個正常的水平,緩解干旱對植物造成的傷害,而細胞內MDA含量可以反映生物膜的受損程度[23]。在不同的生育期,抗氧化酶系統與滲透調節物質都發揮著重要作用。棉花苗期葉片在受干旱脅迫時,SOD和POD是重要的保護酶,它們分別在中度脅迫和高度脅迫下起主導作用,且在不同材料之間表現出活性差異[35]。Sun等[19]的研究結果表明,棉花在花鈴期受到干旱脅迫時,MDA含量、PRO含量、SOD活性對干旱脅迫最為敏感。本研究中,抗旱材料蘇資2175的SOD活性和PRO含量在干旱處理后顯著增加,SS含量大量積累,而MDA含量增幅較小;干旱敏感材料蘇資2261在干旱脅迫后SOD活性降低,PRO和可溶性糖少量積累,MDA含量卻大幅度增加。

棉花的抗旱機制是一個非常復雜的過程,但在生產上最終以產量和纖維品質表現。對成株期這2個性狀的調查,周期長,工作量大。因此需要建立一套高效穩定的鑒定評價體系,對棉花種質資源的抗旱性進行評價。生理生化物質在棉花各生育時期的抗旱性中都發揮著重要作用。在苗期,干旱脅迫后,耐旱棉花品種葉片中的PRO含量、SS含量、SOD活性、POD活性均高于敏感型品種[35-36];在花鈴期,抗旱性強的棉花品種在干旱脅迫以后,葉片中SOD活性、POD活性和PRO含量顯著高于抗旱性弱的品種[37]。對抗旱和干旱敏感棉花品種的全生育期進行干旱脅迫以后,SOD和POD活性、SS含量和PRO含量等呈增加趨勢[38]。因此,棉花苗期干旱脅迫下的生理指標和成株期的抗旱性之間存在很強的相關性。本研究選擇在苗期引入生理指標建立抗旱性綜合評價模型,通過與成株期產量和纖維品質抗旱性比較后發現:苗期生理生化性狀在提高模型精度上具有重要作用,基于此類性狀的抗旱鑒定模型能夠很好地預測成株期產量性狀的抗旱性。

4 結 論

本研究在苗期共篩選到8個與抗旱相關的表型性狀和生理指標,采用單項指標抗旱系數法、綜合抗旱系數、綜合抗旱指數和綜合抗旱度量值法對50份陸地棉材料的抗旱性進行了綜合評價,通過聚類分析將50份材料依據抗旱級別分為5類,共鑒定出3份高抗材料和5份干旱敏感材料。與成株期抗旱性鑒定結果比較后發現,基于苗期生理指標所建立的抗旱鑒定模型能夠很好地預測成株期產量性狀的抗旱性,在棉花資源和品種的抗旱性快速鑒定中具有很高的應用潛力。