基于主成分分析的不同棉花品种低温萌发关键期研究

李 进，梁 晶，翟梦华，王 莉，金 嵘，张军高，周小云，雷 斌

(1.新疆农业科学院核技术生物技术研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

棉花产业是新疆农业农村经济中不可或缺的支柱产业，2019年种植面积为254.05万hm2，总产为500.20万t，分别占全国棉花种植面积和总产的76.0%和84.9%，已然形成了“世界棉花看中国，中国棉花看新疆”的格局[1]。与此同时，新疆棉花生产中也面临许多问题和挑战，特别是棉花萌发成苗期低温冷害造成的烂种、烂芽和死苗等问题亟待解决[2-4]。因此，明确低温为害棉花种子萌发过程的关键期，为品种布局和棉花丰产提供科学依据，对促进新疆棉花产业高质量持续健康发展具有重要的理论和实践意义。

研究实践证实，棉花播种后遭遇低温为害导致种子萌发期延长和出苗率降低，严重时造成烂种、烂芽和死苗，最终影响棉花品质和产量[5-7]。近年来前人围绕棉花品种萌发期抗冷性比较、种子抗冷生理及外源物质提高棉种活力等方面开展了大量研究[8-12]，但就棉花种子萌发成苗过程中低温为害关键时期研究相对较少。基于此，本研究以新陆中46号、新陆早57号、新陆早74号和新陆早82号为试验材料，以25 ℃为对照温度，通过室内发芽试验，研究12 ℃低温处理下4个棉花品种在萌发成苗过程中不同阶段的种子萌发特性，探明低温为害关键期，为丰富棉花耐低温机理和高产栽培理论提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试棉花品种为新陆中46号、新陆早57号、新陆早74号和新陆早82号，购于昌吉州农资市场，供试发芽纸为“发芽纸38号”，购于北京懋嘉龙农业科技有限公司。

1.2 方 法

2019年4—6月在农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室(乌鲁木齐)进行。挑选籽粒饱满均匀的4个品种棉花种子，75%酒精浸泡2 min，无菌水冲洗3次备用。试验设计以常温(25 ℃)作为对照(ck)，Tn表示第n天12 ℃处理24 h，即T 1～T 7分别代表为第1天～第7天12 ℃处理24 h，每处理其余6 d时间为常温处理(25 ℃)。按照试验设计取各处理棉种均匀置于3层充分吸水的发芽纸上，每张发芽纸上均匀放置50粒，各处理重复3次。密封袋封口放入不同温度发芽箱中进行发芽试验。每天记录各处理种子萌发数，以芽长超过1 cm，色白、无腐烂的芽为正常芽；第4天计算发芽势，第7天计算发芽率、发芽指数和活力指数，并于第7天随机选取各处理样品10株，用直尺测定胚根长，用万分之一天平测定胚根鲜重和胚根干重。

发芽势(%)=(前4 d内种子发芽数/供试种子总数)×100%；

发芽率(%)=(前7 d内种子发芽数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)；

活力指数=S×∑(Gt/Dt)；

式中，Gt表示第t天的发芽种子数，Dt表示发芽试验第t天；S表示第7天时各处理单株胚根鲜重。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2010软件进行数据计算，SPSS 17.0软件进行方差分析，Duncan法进行多重比较检验(p<0.05)，Origin Pro 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对4个棉花品种种子活力的影响

低温处理抑制了各棉花品种种子活力，不同品种间低温耐受力不同(图1)。发芽率方面，新陆中46号的T 2和T 3显著低于ck，较ck减少7.53%，其余处理与ck差异不显著；新陆早57号、新陆早74号和新陆早82号各处理较ck略有降低，但与ck无差异。发芽势方面，新陆中46号的T 2～T 5显著低于ck，较ck减少7.53%～10.27%，其余处理与ck差异不显著；新陆早57号和新陆早74号各处理较ck略有降低，但与ck无显著差异；新陆早82号的T 1显著低于ck，较ck减少6.16%，其余处理与ck差异不显著，但较ck减少0.68%～4.79%。发芽指数方面，新陆中46号的T 2和T 3显著低于ck，较ck减少14.46%～37.81%，其余处理与ck无差异；新陆早57号除T 2和T 3外，其余处理显著高于ck；新陆早74号的T 2和T 3显著低于ck，较ck减少12.33%～16.51%，T 7与ck无差异，其余处理与ck差异不显著；新陆早82号的T 2与ck差异不显著，T 3显著低于ck，其余处理显著高于ck。活力指数方面，新陆中46号的T 3显著低于ck，较ck减少44.11%，T 2、T 4与ck差异不显著，其他处理与ck无差异；新陆早57号除T 2和T 3外，其余处理显著高于ck；新陆早74号的T 1和T 2显著低于ck，较ck减少14.89%～23.82%，T 3～T 5与ck差异不显著，但较ck减少11.24%～13.54%，T 6、T 7与ck无差异；新陆早82号的T 3与ck无差异，其余处理显著高于ck，较对照增加23.06%～48.45%。综上所述，新陆早57号低温耐受力最强。

2.2 不同处理对4个棉花品种胚根生长的影响

不同时期低温处理对棉花胚根生长影响不同(图2)。胚根干重方面，新陆中46号的T 1～T 7间无差异，但显著低于ck，较ck减少9.25%～21.72%；新陆早57号的T 1、T 6与ck差异不显著，T 2～T 5显著低于ck，较ck减少10.84%～14.61%，T 7与ck无差异；新陆早74号的T 1、T 6、T 7与ck差异不显著，其余处理显著低于ck，较ck减少11.19%～17.51%；新陆早82号的T 1、T 2与ck差异不显著，而T 3显著低于ck，其余处理与ck无差异。胚根鲜重方面，新陆中46号、新陆早57号与ck无差异；新陆早74号的T 1、T 5～T 7与ck差异不显著，T 2～T 4与ck差异显著，较ck减少11.63%；新陆早82号的T 1与ck无差异，T 2、T 3、T 5、T 6与ck差异不显著，T 4和T 7显著高于ck。胚根长方面，新陆中46号的T 1～T 6显著低于ck，较ck减少3.81%～15.48%，T 7与ck无差异；新陆早57号与ck无差异；新陆早74号的T 1、T 6、T 7与ck无差异，T 2、T 4、T 5与ck差异不显著，T 3较ck差异显著，较ck减少13.13%；新陆早82号的T 1、T 7与ck差异不显著，T 2～T 6显著低于ck，较ck减少14.12%～30.21%。

2.3 不同棉花品种萌发成苗期耐低温性状指标的相关矩阵

以上述12 ℃下不同棉花品种各处理的测定值(T 1～T 7)与25 ℃下不同棉花品种各处理的测定值(ck)的比值作为相对值进行相关性分析，得出不同棉花品种在萌发成苗期各指标的相关矩阵，如表1。研究表明，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚根鲜重、胚根干重和胚根长各指标之间均存在一定的正相关关系，新陆中46号、新陆早57号和新陆早82号的发芽指数和活力指数相关性最大，分别为0.990、0.972和0.932，新陆早74号的胚根鲜重和胚根干重相关性最大，为0.964；新陆中46号和新陆早74号的发芽指数与胚根长相关性最小，分别为0.484和0.099，新陆早57号和新陆早82号的发芽势与胚根长相关性最小，分别为0.171和0.025。

表1 不同棉花品种萌发成苗期各指标的相关矩阵Table 1 Correlation matrix analysis of each index at germination stage of different cotton varieties

2.4 不同棉花品种萌发成苗期耐低温性状指标的主成分分析

对4个棉花品种7个处理的7个测定指标进行主成分分析得到主成分特征值。由表2可以看出，新陆中46号第1和第2主成分的特征值分别为5.525和0.821，贡献率分别为78.934%和11.734%，前2个主成分的累积贡献率为90.668%；此外新陆早57号、新陆早74号和新陆早82号前2个主成分的累积贡献率分别为83.914%、84.339%和88.163%，即4个棉花品种前2个主成分的累计贡献率均超过80%，可以反映大部分信息，故本研究提取各品种前2个主成分作综合评价。

表2 主成分特征值Table 2 Characteristic value of pincipal component

2.5 不同棉花品种主成分得分和排序

4个棉花品种7个处理的得分和排序见表3。棉花种子萌发期受低温影响不同，新陆中46号和新陆早57号在第3天低温时对种子萌发影响最大，其次为第2天；新陆早74号和新陆早82号在第2天低温时对种子萌发影响最大，其次为第3天；4个品种在第7天低温时均对种子萌发影响最小。以4个棉花品种综合得分为排序依据，结果为T 2

表3 各棉花品种主成分得分和排序情况Table 3 Main component score and ranking of each cotton variety

3 讨 论

温度是调控作物种子萌发的关键因子，棉种在萌发期遇低温时种子活力显著降低，特别是低于10 ℃低温时停止萌发[13-15]。新疆棉花生产中预防低温为害最关键的做法是抗冷品种选育[14]和种子包衣[16]等。因此，选择耐低温品种，明确低温为害关键期，是防灾减灾、高产丰产的关键因素。本研究表明，12 ℃低温处理的4个棉花品种的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均有不同程度降低，分别较对照减少0.66%～7.53%、0.67%～10.27%、1.74%～37.81%和1.73%～44.11%，且不同品种间萌发期低温耐受力也不同，新陆早57号低温耐受力最强，这与高利英等[9]、李星星等[17]研究结果一致。此外12 ℃低温处理的4个棉花品种的胚根鲜重、胚根干重和胚根长较对照分别减少0～11.63%、2.43%～21.72%和0.25%～30.21%，与雷斌等[3]研究结果相似。本研究还发现供试4个棉花品种在第2天和第3天低温处理时，对种子活力和棉花胚根生长影响较大，随着低温处理时间的推移影响逐渐变小。

主成分分析是将起初数量较多的单项指标转换成综合指标，来解释起初指标中所携带的信息，种子萌发过程中低温为害关键阶段的确定应该是种子萌发期多项指标的综合表现，不能利用某个指标来确定。已有研究表明，利用主成分分析可以鉴定与评价作物种子萌发期耐冷性、抗旱性和耐盐碱能力[18-20]。本研究以12 ℃下不同棉花品种各处理的测定值与常温下不同棉花品种各处理的测定值的比值作为相对值，对4个棉花品种7个处理的7个测定指标进行主成分分析，试验表明，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚根鲜重、胚根干重和胚根长各指标之间均存在一定的正相关关系，其中发芽指数与活力指数、胚根鲜重与胚根干重相关性最大，发芽指数与胚根长、发芽势与胚根长相关性最小。研究还发现，4个棉花品种主成分初始特征值前2个主成分的累计贡献率均超过80%，已然能反映大部分信息，4个棉花品种得分和排序结果较相似，不同棉花品种主成分综合得分排序为T 2

4 结 论

本试验研究了低温处理下4个棉花品种萌发成苗期萌发特性，并对各指标相对值进行主成分分析和评价。研究发现12 ℃处理能降低棉花种子活力和抑制胚根生长，品种间耐低温能力也存在差异，以新陆早57号低温耐受力最强。棉花各品种间发芽指数与活力指数、胚根鲜重与胚根干重相关性最大，发芽势与胚根长、发芽指数与胚根长相关性最小。不同棉花品种主成分综合得分排序为T 2