棉花抗旱相关指标综合评价及灰色关联分析

孙丰磊，曲延英，陈全家，高文伟

(新疆农业大学农学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

干旱是影响棉花生长发育和产量品质的重要非生物胁迫之一，其对农业造成的损失与其它非生物自然灾害造成的损失之和相当[1]。因此，了解棉花的抗旱性、合理评价棉花抗旱资源材料，并挖掘抗旱资源中的抗旱材料，对提高棉花抗旱性有重要意义。近年来，国内外学者在作物抗旱性鉴定及作物遗传改良方面做了大量研究[2-4]。针对抗旱性鉴定，在生理、生化、形态、产量等方面进行了深入研究[5-8]。但棉花的抗旱性是一个复杂的生物学性状，使用单一指标判断其耐旱性易受到环境及基因型差异影响导致研究结果不一致。因此，方便、简单有效的评价方法及鉴定指标是抗旱性鉴定的关键[2]。在品种抗逆性研究中，国内外学者从不同角度进行指标选择，给出评价方法以及对抗旱性进行评价[9-11]。研究结果表明，棉花花铃期受干旱胁迫时，棉花植株生长减慢，叶片数减少，叶片变小，新生叶片生长速率降低，果枝数量减少，受干旱严重时棉花植株停止生长，产生自然封顶现象[12-15]；在全生育期缺水时会造成株高降低，果枝数、单株成铃数减少，蕾铃脱落增加，导致产量下降[16-17]；陈玉梁等研究表明彩棉农艺性状与水分利用率呈极显著相关[18]。以上研究多针对单一的生理指标或农艺性状研究抗旱性。本研究通过对30份棉花资源材料进行相关分析，采用抗旱系数、抗旱指数、主成分分析法[19-21]、隶属函数[22]、灰色关联度[23]等相结合的方法，综合评价其抗旱性，避免单一指标的片面性，为抗旱性鉴定提供可借鉴的方法与指标，同时为筛选抗旱资源品种和抗旱性育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

30份棉花品种均由新疆农业大学遗传育种实验室保存提供(表1)。

表1 棉花品种来源

1.2 方 法

1.2.1 试验设计 试验于2015-2016年在石河子144团农大试验田进行，播种前在试验区划分2片区域，用于正常浇水(CK)和干旱胁迫(Drought)，每个材料采用3 m 2行规模种植，每膜种植3个品种，2种处理均重复2次，以保护行隔开。在花铃期对照组正常浇水，胁迫组不浇水处理，胁迫处理10天后复水，此后，两处理均正常浇水。

1.2.2 测定项目与方法

(1)生理生化指标测定：采用英国(汉莎)CIRAS-3便携式光合测定系统，于棉花花铃期胁迫第10天(10∶30—12∶30之间，此时间段为当地测量最佳时间，避免“光合午休”现象)进行光合测量。测定均以倒3叶为准，测定时设定光量子通量密度为1 100 μmol·m-2·s-1，环境温度为31℃±2℃，相对湿度为50%±3%，CO2浓度为370±5 μmol·mol-1。主要测定的光合指标有净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、水分利用效率(WUE,水分利用效率=净光合速率/蒸腾速率)；与此同时，摘取顶部完全展开的幼叶液氮保存，带回实验室测定丙二醛(MDA)[24]、叶绿素(Chla、Chlb、Chla+b)[24]、超氧化物歧化酶(SOD)[24]、脯氨酸(Pro)[24]4项指标，重复3次。

(2)农艺性状指标：棉花成熟吐絮后测定其农艺性状包括株高、果枝数、有效果枝数、铃数、有效铃数,参照刘光辉等[25]方法。

1.3 数据处理

数据均在Excel汇总与计算，用SPSS 21.0软件分析数据进行处理。参照鲁守平[26]、兰巨生[27]、祁旭升[2]、尹利[28]等方法，计算抗旱系数(公式1)、抗旱指数(公式2)、综合抗旱指数(公式3)、隶属函数值(公式4)、抗旱性量度值(公式5)、灰色关联度(公式6)，对综合抗旱指数、抗旱度量值进行聚类分析，划分抗旱等级。

抗旱系数

(1)

抗旱指数

(2)

综合抗旱指数

(3)

隶属函数

(4)

抗旱性度量值

(5)

灰色关联度

(6)

(7)

关联系数

(8)

2 结果与分析

试验地干旱胁迫处理后，棉花花铃期在胁迫前、胁迫中、胁迫后0～60 cm土层土壤平均含水量分别为24.108%、14.669%、17.715%(表2)。

2.1 通过综合抗旱指数评价棉花抗旱性

通过公式(1)、(2)、(3)计算出各材料的综合抗旱指数(表3)，根据综合抗旱指数排序,初步将30份材料的抗旱性分为三组：序号1～10如贝尔斯诺、川98、新陆中39、中R2015、天合2013等材料抗旱性最强；序号11～20，包括KK1543、大铃王、富依德998、早42、新陆中8号等10份材料为抗旱性中等；其余如军棉1号、早24、新陆早26等10份材料为干抗敏感材料。棉花的抗旱性表现为不同性状对干旱胁迫的敏感程度不同，同一材料的不同指标的抗旱系数不同，有一定差距，用单一指标的抗旱系数评价抗旱性有一定的片面性与不稳定性，所以采用多个指标进行综合评价较为可靠。

2.2 通过综合抗旱性度量值评价棉花抗旱性

利用主成分分析计算各个性状与综合抗旱指数的相关系数，利用公式(4)计算出各个材料的隶属函数值，再根据公式(5)计算出抗旱性度量值D，再根据D值大小对各个材料进行抗旱性排序。D值大小表示抗旱性强弱，D值越大则抗旱性越强。根据各个材料的综合抗旱性在系统聚类中采用最远邻元素的系统聚类方法对其进行聚类分析，划分抗旱等级(图1)。在距离为5处将材料分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，分别为高抗旱型、中等抗旱型、抗旱型、干旱敏感型。第Ⅰ类有贝尔斯诺、川98、库克C310-5100、KK1543、中R2015，第Ⅱ类有新陆早49、新陆中8号、中R773-1、早32、塔什干7号、早19、大铃王、天合2013、早24、108夫、新陆中39、早42、新石K7，第Ⅲ类有新陆早47、辽18、富依德998、西部4号、新陆早50、中R2009、新陆早1号、C1470，第Ⅳ类有军棉1号、新陆早26、新陆中58、CQJ-5。这与表1分析结果基本一致，抗旱性强的材料与敏感型材料排序大致相同。因此，5个抗旱性较强的品种贝尔斯诺、川98、中R2015、KK1543、库克C310-5100抗旱性较为稳定。

2.3 灰色关联度分析

根据灰色理论系统[29]对各性状单项抗旱指数(比较数列)与D值(参考数列)建立灰色系统，做灰色关联度分析，获得D值与各个单项抗旱指数间的关联度结果如表4。由表4得出，在干旱胁迫条件下，

16个指标与D值密切程度(关联序)从大到小顺序为：有效铃数、总铃数、有效果枝数、Gs、Tr、果枝数、MDA、叶绿素总量、Pn、叶绿素b、株高、WUE、叶绿素a、Pro、Ci、SOD。上述结果表明，与各个材料抗旱性关系最密切的是农艺性状表型指标，其次为光合指标及抗旱生理指标。

在计算所得的各个材料的各指标和综合抗旱指数关联度的基础上，通过关联度计算各材料指标的权重，各指标的权重分别与各个材料各指标综合抗旱指数相乘，并对结果求和，得到各个材料的加权抗旱指数[23]，并对其排序(表5)。加权抗旱指数越高则抗旱性越强，结果与表6的分析结果相似。

表2 干旱胁迫处理下土壤含水量/%

表3棉花材料品种、熟性及综合抗旱指数

Table 3 Cotton variety, maturity, and comprehensive drought-tolerance index

品种名称 Variety 品种类型 Variety typeCDI值 CDI value排序 Ranking中R2015 Zhong R2015中早熟 Mid-early maturity0.8256早19 Zao 19早熟 Early maturity0.8334新陆早49 Xinluzao 49早熟 Early maturity0.79713大铃王 Dalingwang中早熟 Mid-early maturity0.79316天合2013 Tianhe 2013中早熟 Mid-early maturity0.81610川98 Chuan 98不详 Unknown0.8473早32 Zao 32早熟 Early maturity0.79018新陆早47 Xinluzao 47早熟 Early maturity0.75025中R2009 Zhong R2009中早熟 Mid-early maturity0.77820富依德998 Fuyide 998早熟 Early maturity0.79315西部4号 Xibu 4早熟 Early maturity0.8255新陆中8号 Xinluzhong 8中熟 Middle maturity0.79317新陆中58 Xinluzhong 58中熟 Middle maturity0.72827中R773-1 Zhong R773-1中早熟 Mid-early maturity0.81411库克C310-5100 Kuke C310-5100早熟 Early maturity0.8199早42 Zao 42早熟 Early maturity0.80312新陆早50 Xinluzao 50早熟 Early maturity0.8247塔什干7号 Tashigan 1早熟 Early maturity0.76024CQJ-5早熟 Early maturity0.77123KK1543早熟 Early maturity0.79514新陆早1号 Xinluzao 1早熟 Early maturity0.77622新石K7 Xinshi K7早熟 Early maturity0.78619新陆早26 Xinluzao 26早熟 Early maturity0.73326早24 Zao 24早熟 Early maturity0.72728108夫 108 Fu早熟 Early maturity0.72329贝尔斯诺 Beiersinuo早熟 Early maturity0.8851新路中39 Xinluzhong 39早熟 Early maturity0.8482c1470中熟 Middle maturity0.77821军棉1号 Junmian 1中熟 Middle maturity0.68930辽18 Liao 18特早熟 Very early maturity0.8198

图1 棉花品种D值聚类分析结果Fig.1 Cluster analysis of different cotton varieties based on D value

指标 Parameter关联度Correlation degree关联序Correlative order株高 Plant height 0.67611果枝数 Branch number 0.7026有效果枝数 Effective branch number 0.7843总铃数 Total number of the bell 0.7982有效铃数 Effective number of bell0.7991MDA0.6957叶绿素a Chlorophyll a0.67613叶绿素b Chlorophyll b0.67910叶绿素总量 Total chlorophyll 0.6918SOD0.60916Pro0.63114Pn0.6829Tr0.7135Gs0.7524Ci0.61115WUE0.67612

3 讨 论

棉花的抗旱性是一个复杂的数量性状，选择合理的指标性状是抗旱性鉴定的关键，对此国内外学者在指标选择上从各个方面做了大量研究[30],主要有生理生化指标、农艺性状指标等，但在不同研究中得出各类指标与抗旱性关系不同的结论不尽一致。刘光辉等[25]在干旱胁迫下对90份棉花材料的6个农艺性状指标用因子分析方法，对棉花材料的抗旱性进行综合评价并聚类分析，冯剑方等[31]对32个棉花品种的7个相互关联的生理指标采用主成分分析及综合指标的隶属函数的方法进行苗期抗旱性的综合评价，王士强等[23]通过对小麦抗旱性研究表明，干旱对小麦生理生化性状的影响大于农艺性状，鲁雪林等[32]认为各指标的关联顺序为：抗旱指数>抗旱系数。基于此，本试验以棉花花铃期抗旱相关的16个指标，利用隶属函数法等得到抗旱性度量值(D值)；D值的大小不仅可以准确地评价棉花的抗旱性，同时考虑到各指标间的相互关系及各指标间的重要性；并通过聚类分析将各个材料聚为不同类别，代表不同的抗旱等级。此类方法在谷子[19]，小麦[23]等作物上均有应用。同时，本研究将综合抗旱指数和干旱胁迫条件下的16个指标视为一个整体，用灰色关联度分析进行棉花抗旱性评价，结果表明灰色关联分析和抗旱性度量值分析结果基本一致。刘光辉[25]和冯剑方等[31]对棉花研究表明，利用主成分分析、隶属函数分析及聚类分析对棉花抗旱性进行评价和分类，可筛选抗旱性强的棉花材料。因此，采用综合抗旱指数、隶属函数分析、聚类分析、灰色关联度等相结合的方法对棉花花铃期抗旱性进行评价，可较好地揭示指标性状与抗旱性的关系。

表5棉花材料加权抗旱指数及位次

Table 5 Weighted drought-tolerance indexes and rank of cotton varieties

品种名称Variety 加权抗旱指数Weighted drought-tolerance index位次Rank品种名称Variety 加权抗旱指数Weighted drought-tolerance index位次Rank中R2015 Zhong R20150.8195早42 Zao 420.79412早19 Zao 190.8244新陆早50 Xinluzao 500.8166新陆早49 Xinluzao 490.78914塔什干7号 Tashigan 70.75424大铃王 Dalingwang0.78516CQJ-5 0.75623天合2013 Tianhe 20130.80710KK1543 0.79213川98 Chuan 980.8393新陆早1号 Xinluzao 10.76222早32 Zao 320.77919新石K7 Xinshi K70.78417新陆早47 Xinluzao 470.73725新陆早26 Xinluzao 260.72826中R2009 Zhong R20090.76521早24 Zao 240.71927富依德998 Fuyide 9980.78018108夫 108 Fu0.71928西部4号 Xibu 40.8157贝尔斯诺 Beiersinuo0.8861新陆中8号 Xinluzhong 80.78815新路中39 Xinluzhong 390.8442新陆中58 Xinluzhong 580.71329c14700.76620中R773-1 Zhong R773-10.80311军棉1号 Junmian 10.67830库克C310-5100 Kuke C310-51000.8129辽18 Liao 180.8138

4 结 论

本研究采用灰色关联度、隶属函数分析、聚类分析、综合抗旱指数相结合的方法，对30 份棉花材料抗旱性进行评价。将材料分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4类，分别为高抗旱型、中等抗旱型、抗旱型、干旱敏感型，第Ⅰ类有贝尔斯诺、川98、库克C310-5100、KK1543、中R2015，第Ⅱ类有大铃王、塔什干7号、新陆早49等13个品种，第Ⅲ类有中R773-1、CQJ-5、新陆早47等8个品种，第Ⅳ类有军棉1号、新陆早26等4个品种。同时，在棉花花铃期受到干旱胁迫时，棉花农艺性状表型指标敏感，MDA、叶绿素总量这2个指标反应较其它生理生化指标敏感，气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)相对其它光合指标较敏感。因此，在评价棉花的抗旱性时，除了将农艺性状作为抗旱性筛选的最终性状外，也应该注重丙二醛、叶绿素等相关的生理生化性状及气孔导度、蒸腾速率和净光合速率的选用，在生育期内利用这些性状指标有助于抗旱性较强材料的准确选择。