NaCl水培胁迫下棉花苗期耐盐指标筛选与分析

刘祎，张海娜，钱玉源，韩轩，崔淑芳，王燕，王广恩，金卫平，李俊兰

（河北省农林科学院棉花研究所，农业部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室，河北石家庄050051）

NaCl水培胁迫下棉花苗期耐盐指标筛选与分析

刘祎，张海娜，钱玉源，韩轩，崔淑芳，王燕，王广恩，金卫平，李俊兰*

（河北省农林科学院棉花研究所，农业部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室，河北石家庄050051）

对棉花苗期耐盐指标进行筛选与分析，可以简化棉花耐盐性鉴定的程序、缩短耐盐棉花品种的筛选周期。以5个盐耐受程度不同的棉花品种为试材，在水培条件下，比较了不同浓度NaCl胁迫对棉花幼苗地上部和地下部生长性状的影响，筛选出适宜棉花幼苗期耐盐性鉴定的NaCl浓度；通过分析该浓度胁迫下参试棉花品种幼苗生长相关性状的差异，筛选出与清水对照差异显著的性状指标，并对其进行主成分分析，筛选出对第1主成分贡献较大的性状指标作为棉花耐盐性评价的适宜指标；依据这些指标，计算参试棉花品种的平均隶属度，评价其耐盐性顺序。结果表明：适宜棉花苗期耐盐性鉴定的NaCl浓度为150 mmol/L；该胁迫浓度下，除根系长度外，参试棉花品种的其他性状指标（幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积和根系平均直径）均与清水对照存在显著差异，其中，地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积和根系平均直径5个地下部因子对第1主成分贡献较大。根据参试棉花品种5个地下部因子的平均隶属度得到其耐盐性顺序为中棉所23＞冀棉27＞中9807＞中S9612＞中棉所12，与各品种的耐盐相对成活率顺序一致。幼苗地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积和根系平均直径可以作为棉花苗期耐盐性的评价指标。

棉花；苗期；盐分胁迫；耐盐性；主成分分析；隶属函数

棉花（Gossypium hirsutum L.）为耐盐的先锋作物，但其种间耐盐性差异较大[1]。棉花耐盐种质资源的评价与筛选是耐盐育种的基础和前提条件。发掘棉花自身的耐盐能力，筛选和种植耐盐品种，对提高现有盐渍地棉田产量、推进开发盐渍地植棉进程具有重要意义。

一般认为，棉花在幼苗阶段和开花结铃时期对盐分较为敏感，特别是三叶期前的幼苗，因此，幼苗期是鉴定棉花耐盐性的重要阶段。叶武威等[2]将土壤基质含盐量0.4%作为棉花耐盐性鉴定的浓度，统计施盐10 d后的棉花相对成活苗率，将棉花耐盐性分为4级。刘雅辉等[3]通过调查幼苗长势、盐害症状以及二叶期的株高和叶片数，对棉苗分类并计算盐害指数。另外，已知的棉花耐盐性评价方法还有离子比值法、整体植株鉴定法、花粉萌发率测定法、多标记组合鉴定法等[4～9]。但是，以上苗期棉花耐盐性筛选的操作周期较长。为了缩短筛选周期、简化鉴定程序，采用干物重和根系指标综合评价棉花品种的耐盐性，旨为筛选、培育耐盐棉花品种，以及开展棉花耐盐遗传研究提供参考。

1 材料与方法

参试棉花品种为中棉所23、冀棉27、中9807、中S9612和中棉所12，其耐盐程度（用耐盐相对成活苗率表示）不同（表1），其中，中9807、中S9612和中棉所12的耐盐相对成活苗率由中国农业科学院棉花研究所提供。

表1 5个参试棉花品种的耐盐相对成活苗率（%）Table 1 Relative survival rate of salt tolerance of 5 cotton cultivars

选择当年收获的健康、均一、饱满棉花种子，采用沙培法进行试验。种子和沙土均事先用3%的H2O2进行消毒。先将棉花种子用去离子水浸种20 h，而后于28℃恒温条件下，在发芽盒中用沙土培养；待子叶展开后，选择生长状况一致的幼苗，移入Hoagland’s营养液中培养，进行不同浓度的NaCl胁迫处理，直至真叶长出。试验NaCl浓度设0（CK）、50、100、150和200 mmol/L计5个处理，3次重复。每天9：00进行补水，以确保培养液中NaCl浓度的相对稳定。胁迫15 d后，采用直接测量法测定幼苗高度，采用干物质测定法分别测定幼苗的地上部和地下部干重，采用根系扫描法测定幼苗根系的长度、投影面积、表面积、体积、平均直径。

利用SAS软件对试验数据进行方差分析和主成分分析，确定棉花品种耐盐的主导因素，并划定不同的耐盐范围；通过隶属函数分析法，建立以干物重和根系指标为主的耐盐性筛选体系。

2 结果与分析

2.1 NaCl胁迫对棉花幼苗生长的影响

2.1.1 对幼苗高度及地上部干重的影响NaCl胁迫处理的参试棉花品种幼苗高度和地上部干重相对生长量均＜CK，且指标值均随NaCl胁迫浓度的升高而逐渐降低（表2）。表明NaCl胁迫会影响棉花幼苗的高度生长和地上部干物质积累，且影响程度随NaCl胁迫浓度的升高而逐渐增大。

2.1.2 对根系生长的影响随着NaCl胁迫浓度的升高，参试棉花品种的地下部干重、根系长度、根系投影面积、根系表面积和根系体积均基本呈逐渐下降趋势，根系平均直径呈先降低后升高的曲线变化。表明NaCl胁迫会影响棉花幼苗的根系生长和地下部的干物质积累，其中，≥150 mmol/L的高浓度胁迫下根系平均直径有所增大。

2.2 棉花品种的耐盐性评价

2.2.1 适宜NaCl浓度的筛选多重比较结果显示，除地上部干重外，棉花幼苗其他性状指标与CK差异均达到显著水平的NaCl胁迫浓度最低值为150mmol/L。因此认为，选用150 mmol/L的NaCl溶液进行棉花幼苗期的耐盐性鉴定较为适宜。

表2 不同浓度NaCl胁迫对棉花幼苗相对生长量的影响Table 2 The effect of different concentrations of NaCl stress on the relative growth rate of cotton seedling

2.2.2 适宜耐盐指标的筛选调查结果（表3）显示，150 mmol/L NaCl胁迫下，参试棉花品种除根系长度外，其他指标差异均达到了显著水平。因此，选择幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积、根系平均直径7个指标进行主成分分析。主成分分析在原始组合中利用新转换组合的较少综合指标，能够较好地反映棉花的耐盐性[11，12]。主成分的特征值和贡献率是选择主成分的依据，其中，各特征值大小代表了各综合指标对总遗传方差贡献的大小，特征向量表示各性状对综合指标贡献的大小。将与棉花耐盐性有关的7个性状指标转化为4个主成分，其中，第1主成分累计贡献率为62.20%，前3个主成分的累计贡献率达到94.59%（表4）。表明前3个主成分可以反映出棉花耐盐性90%以上的信息，其中，第1主成分代表了62.20%的信息。因此，选取前3个主成分作为耐盐性评价的综合指标。

表3 150 mmol/L NaCl胁迫对参试棉花幼苗和根系生长的影响Table 3 The effect of 150 mmol/L NaCl stress on the seedling and root growth of cotton

表4 主成分的特征值和累计贡献率Table 4 Eigenvalues and cumulative contribution of principal components

结合主成分分析公式[13]，由表5可知，第1主成分的表达式为Prin1＝0.232x1＋0.085x2＋0.422x3＋0.456x4＋0.456x5＋0.468x6＋0.353x7，其中，x3（地下部干重）、x4（根系投影面积）、x5（根系表面积）、x6（根系体积）和x7（根系平均直径）的系数较大，而这些指标反映了地下部的生长发育情况，表明地下部生长发育对第1主成分贡献较大，因此，可以将第1主成分称为地下部因子。第2主成分特征值为1.460，贡献率为20.85%，其中，较大特征向量对应的指标是地上部干重，因此，可以将第2主成分称为地上部干重因子。第3主成分特征值为0.808，贡献率为11.54%，其中，较大特征向量对应的指标是幼苗高度，因此，可以将第3主成分称为幼苗高度因子。

表5 150 mmol/L NaCl胁迫下棉花品种耐盐指标主成分分析结果Table 5 Principal component analysis of salt tolerance of cotton cultivars under 150 mmol/L NaCl stress

2.2.3 参试棉花品种的耐盐性评价隶属函数综合值可以比较直观地反映出参试棉花品种的耐盐性，且综合值越大，耐盐性越强[14，15]。第1主成分代表了棉花耐盐性62.20%的信息，因此，选择第1主成分中特征向量较大的5个指标地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积、根系平均直径进行隶属函数分析。通过计算参试棉花品种在150 mmol/L NaCl胁迫下5个根系性状的隶属函数值对其耐盐性进行综合评价，结果（表6）显示，150 mmol/L NaCl胁迫下，参试棉花品种的耐盐性顺序为中棉所23＞冀棉27＞中9807＞中S9612＞中棉所12。该评价结果与参试棉花品种的耐盐相对成活苗率顺序一致，表明用地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积、根系平均直径5个指标来评价棉花品种的耐盐性具有可行性。

表6 150 mmol/L NaCl胁迫下参试棉花品种耐盐性的隶属函数值Table 6 The mean membership function value of salt tolerance of cotton cultivars under 150 mmol/L NaCl stress

3 结论与讨论

棉花耐盐性是1个复杂的数量性状，由多基因控制[16]，其耐盐表现通过多个性状表达，从而构成1个较为复杂的综合性状，其中每个性状均与棉花耐盐性存在一定的联系或相关性[17]。长期以来，如何提高棉花耐盐性，筛选棉花耐盐指标一直是人们关注的焦点。

植物根系是固定植株、吸收养分水分、合成氨基酸等有机化合物以及其他养分的重要器官，是与地上部进行物质交流的代谢器官，其生长发育直接影响到地上部性状，进而影响产量[18]。由于棉花根系直接与土壤环境接触，因此其细胞受到盐胁迫的影响较大[19]。重度盐胁迫可使棉花根系细胞结构发生较大程度的改变，进而抑制生长发育，甚至导致棉花死亡。在长期的进化过程中，棉花根系形成了一系列抵御盐胁迫环境的机制，且具备了可塑性，当遇到盐胁迫时，棉花根系可在分子水平、细胞水平以及组织器官水平上启动一系列不同的应答反应，而其根系感知与响应盐胁迫的能力很大程度上决定了棉花在盐胁迫环境下的适应程度[20]。盐胁迫下棉花根系的可塑性有助于棉花根系对盐胁迫产生适应，这种方式是棉花在逆境中成功生存的重要前提。

在生产实践中，盐胁迫受多种因素的影响。为了避免试验误差，本研究选用NaCl溶液进行单一因素胁迫处理，胁迫浓度梯度设5个水平，测定了不同浓度NaCl胁迫下棉花的幼苗高度、地上部干重、地下部干重和根系生长发育指标，结果显示，随着NaCl胁迫浓度的提高，棉花幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系长度、根系投影面积、根系表面积和根系体积均基本呈逐渐下降趋势，而根系平均直径呈先降低后升高的曲线变化，方差分析结果表明，NaCl浓度≤50 mmol/L时对参试棉花品种大部分性状影响不明显，而棉花幼苗除地上部干重外的其他性状与清水对照均产生显著差异的NaCl最低浓度为150 mmol/L。由此认为，适宜棉花幼苗期耐盐性鉴定的NaCl浓度为150 mmol/L。在150 mmol/L NaCl胁迫下，选择与清水对照具有显著差异的7个指标（幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积、根系平均直径）进行主成分分析，结果显示，前3个主成分累计贡献率达到94.59%，可以选取前3个主成分作为耐盐性评价的综合指标。其中，第1主成分的贡献率为62.20%，代表了棉花耐盐性62.20%的信息。隶属函数综合值可以比较直观地反映棉花品种的耐盐性，综合值越大，耐盐性越强。选择第1主成分中特征向量较大的5个指标（地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积、根系平均直径）进行隶属函数分析，根据隶属函数值顺序评价棉花品种的耐盐性顺序，结果显示，150 mmol/L NaCl胁迫下参试棉花品种的耐盐性顺序为中棉所23＞冀棉27＞中9807＞中S9612＞中棉所12。通过隶属度对参试棉花品种的耐盐性综合评价结果与参试棉花品种的耐盐相对成活苗率顺序一致，表明选择地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积和根系平均直径5个指标评价棉花品种的耐盐性具有可行性，且具有试验周期短、试验环境易于控制、测定方法简便、可重复性高等优点。

通过方差分析、主成分分析和隶属函数分析3种方法，明确了适宜棉花苗期耐盐性筛选的NaCl浓度为150 mmol/L，确定棉花耐盐性筛选的指标为地下部干重、根系投影面积、根系表面积、根系体积和根系平均直径，可以利用该体系对棉花品种的耐盐性进行苗期鉴定筛选。与此同时，应更加深入系统地了解棉花耐盐的机制，探明其对盐胁迫的反应机理，以便更好地将实验室鉴定指标与田间生产紧密结合，培育出真正的耐盐品种。随着学科间交叉网络的发展，基因工程应用、理化方法结合、遥感监测系统开发等都将给棉花的耐盐工作提出新的思考和契机。

［1］师恭曜.对比根系转录组研究棉花盐胁迫应答及耐受机理［D］.北京：中国农业大学，2015.

［2］叶武威.棉花种质的耐盐性及其耐盐基因表达的研究［D］.北京：中国农业科学院，2007.

［3］刘雅辉，王秀萍，张国新，鲁雪林，张亚丽.棉花苗期耐盐性评价方法研究［J］.现代农业科技，2011，（7）：11，16.

［4］王刚.棉花幼苗盐胁迫条件下Solexa转录组测序结果的分析及验证［D］.泰安：山东农业大学，2011.

［5］张丽娜，叶武威，王俊娟，樊保香.棉花耐盐性的SSR鉴定研究［J］.分子植物育种，2010，8（5）：891-898.

［6］JohnKHemphill，HuseyinBasal，CWayneSmith. Screening method for salt tolerance in cotton［J］.American Journal of Plant Pathology，2006，（1）：107-112.

［7］沈法富，于元杰，毕建杰，刘凤珍，尹承佾.棉花耐盐性的双列杂交分析［J］.作物学报，2001，27（1）：50-54.

［8］孟超敏，蔡彩平，郭旺珍.棉花抗逆育种研究进展［J］.南京农业大学学报，2012，35（5）：25-34.

［9］沈法富，尹承佾，于元杰.棉花植株和花粉耐盐性的鉴定［J］.作物学报，1997，23（5）：620-624.

［10］刘金定，叶武威，樊宝相.中国棉花抗逆研究及其利用［J］.中国棉花，1998，25（3）：5-6.

［11］戴海芳，武辉，阿曼古丽·买买提阿力，王立红，麦麦提·阿皮孜，张巨松.不同基因型棉花苗期耐盐性分析及其鉴定指标筛选［J］.中国农业科学，2014，47（7）：1290-1300.

［12］张雷，张思平，刘志红.一种棉花品种耐盐性筛选方法：中国，CN104521474A［P］.2015-04-22.

［13］何晓群.多元统计分析：第3版［M］.北京：中国人民大学出版社，2012.

［14］张士超，袁芳，郭建荣，韩国良，孙利珍，王帅.利用隶属函数值法对甜高粱苗期耐盐性的综合评价［J］.植物生理学报，2015，（6）：893-902.

［15］李寒暝，白灯莎·买买提艾力，张少民，阿依夏木·沙吾尔，蒋平安.新疆棉花品种的耐盐性综合评价［J］.核农学报，2010，24（1）：160-165.

［16］李宁.盐胁迫下棉花幼苗的差异蛋白组学分析［D］.郑州：郑州大学，2015.

［17］刘祎，崔淑芳，张海娜，钱玉源，王广恩，金卫平，李俊兰.棉花对盐胁迫的响应机制及缓解措施的研究进展［J］.农学学报，2015，5（11）：10-16.

［18］李垚垚，刘海荷，陈金湘，李颖.棉花根系研究进展［J］.作物研究，2008，22（5）：449-452.

［19］束红梅，郭书巧，巩元勇，倪万潮，沈新莲，张香桂.盐胁迫对作物根系的影响及基因工程改良［J］.分子植物育种，2013，11（5）：657-662.

［20］郭金艳.耐盐性不同的棉花根系转录组比较分析及耐盐基因挖掘［D］.北京：中国农业大学，2016.

Screening and Analysis of Salt Tolerance Indexes of Cotton Seedling in Hydroponic Culture under NaCl Stress

LIU Yi，ZHANG Hai-na，QIAN Yu-yuan，HAN Xuan，CUI Shu-fang，WANG Yan，WANG Guang-en，JIN Wei-ping，LI Jun-lan*
（Institute of Cotton of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Cotton in Huanghuaihai Semiarid Area，Ministry of Agriculture，Shijiazhuang 050051，China）

In order to simplify the identification process of salt tolerance of cotton and shorten the selection cycle of salt tolerant cotton cultivars,the suitable NaCl concentration and salt tolerance indexes of cotton at seedling stage were screened and analyzed.Five cotton cultivars with different salt tolerance were tested，the effects of different concentrations of NaCl stress on the growth of ground and underground of cotton seedlings were compared to screen out the appropriate concentration of NaCl for salt tolerance identification at cotton seedling stage.Under NaCl stress with the screened concentration，the differences on growth related traits of tested cotton seedlings were analyzed，the indexes which had significant differences with those of control were screened.The principal component analysis was carried out，and the indexes which had larger contribution to thefirstprincipalcomponentwereappropriatefor cottonsalttoleranceevaluation.Accordingtothese indexes，the average membership degree of the tested cultivars was calculated，and the salt tolerance was evaluated.The results showed that 150 mmol/L was suitable for the determination of salt tolerance.At that concentration，except root system length，there were significantdifferencesintheseindexesincluding seedling height，dry weight of shoot and root，root projection area，root surface area，root volume andaverage diameter of root system.Five underground factors including the dry weight of root，root projection area，root surface area，root volume and average diameter of root system were contributed to the first principal component.The average membership degree of the tested cotton cultivars was ranked in the order of Zhongmiansuo23＞Jimian27＞Zhong9807＞ZhongS9612＞Zhongmiansuo12，which was same as the order of relative survival rate. The dry weight of underground，root projection area，root surface area，root volume and average diameter of root system could be used to assess the salt tolerance of cotton seedling.

Cotton；Seedling stage；Salt stress；Salt tolerance；Principal component analysis；Membership function

S562

A

1008-1631（2017）03-0030-05

2016-12-30

河北省农林科学院科学技术研究与发展计划项目（A2015070104）；河北省现代农业产业技术体系“棉花种质资源创新与评价”项目

刘祎（1983-），女，河北石家庄人，助理研究员，硕士，主要从事棉花种质资源搜集、筛选及鉴定研究。E-mail：liuyi1105@126.com。

李俊兰（1963-），女，河北清河人，研究员，硕士，主要从事棉花新品种选育及种质资源创新方面的研究。E-mail：li-junlan@sohu.com。