棉花品种资源花铃期抗旱性鉴定与评价

郑巨云，王俊铎，龚照龙,梁亚军,张泽良,艾先涛,郭江平，莫 明，李雪源

(1.新疆农业科学院经济作物研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆农业大学农学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

新疆是我国最大棉花生产区，2019年新疆棉花面积2.54×106hm2，占全国的76.1%，总产500.2万t，占全国的84.9%[1]。新疆的棉花生产对我国乃至世界棉花产业发展起着重要作用，肩负着维护我国棉花生产安全、满足棉纺织工业需求以及新疆脱贫攻坚、乡村振兴、社会稳定和长治久安等重任[2]。水资源短缺已经是制约农业生产的世界性问题，干旱对农业造成的损失与其他非生物自然灾害造成的损失之和相当[3]。新疆属于干旱性大陆气候，常年干旱少雨，干旱面积居全国之首[4]，绿洲植棉主要依靠冰山融水，因此水资源尤为匮乏，而且季节分配不均，严重影响了棉花生产用水，加之粮食作物、林果业及生态用水的保障需求，造成新疆棉花生产用水更加紧张。干旱已成为制约新疆棉花产业高质量发展的关键因子，因此研究干旱胁迫对棉花农艺性状、生理生化代谢的影响及棉花抗旱响应机制，明确与抗旱密切相关的指标，筛选抗旱能力强的特异种质资源、挖掘抗旱优异等位基因,对新疆棉花抗旱遗传改良具有重要意义[5]。

国内外学者研究发现，棉花现蕾期、花铃期受干旱胁迫时植株的生长减缓，生理代谢显著降低，甚至产生自然封顶现象，导致产量显著下降[6-10]。近年来，针对棉花抗旱指标鉴定及统计分析方法开展了相关研究，筛选与鉴定出多个棉花抗旱性综合评价方法和鉴定指标，通过综合抗旱系数、综合抗旱指数、综合隶属函数值、抗旱性综合评价值、聚类分析、因子分析法、灰色关联度和广义遗传力分析等评价方法对不同棉花种质资源进行了抗旱性综合评价、分级及指标筛选[11-14]。通过多种算法的抗旱性评价分析，可以更加准确、全面地鉴定和评价不同棉花种质资源的抗旱特性。本研究收集了国内外272份主栽品种及特异资源，以花铃期作为抗旱鉴定评价的关键时期，设立干旱胁迫和正常灌水2个处理条件，测定花铃期与棉花抗旱性相关的农艺性状及生理生化指标，以性状抗旱指数(DI)为基础指标，利用综合抗旱指数(CDI值)、抗旱综合度量值(D值)、加权综合抗旱指数(WDI值)、灰色关联度及聚类分析等多种方法相结合，对272份品种资源进行抗旱性综合评价，避免了单一指标及方法易造成评价结果不准确的问题，通过来源广泛、类型丰富的试验材料及多种方法结合的综合抗旱评价，筛选出与花铃期抗旱相关的重要指标及抗旱能力强的品种资源，为陆地棉的花铃期抗旱性遗传改良提供理论依据和特异亲本。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验材料

供试材料来自新疆农业科学院经济作物研究所陆地棉团队从国内外收集到的272份品种资源材料，品种资源编号及来源地见附表1。

试验区属于暖温带大陆干旱荒漠气候区,降水稀少,年降水量48.5 mm左右，年均蒸发量2 558.9 mm。旱池土质为沙壤，有机质15.4 g·kg-1，全氮0.4 g·kg-1，碱解氮64.9 mg·kg-1，速效磷28.6 mg·kg-1，速效钾158 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2019年在新疆农科院16团试验基地干旱鉴定池(80°50′31″E ，40°30′13″N)开展。

旱池划分干旱胁迫区与对照区，中间设置3 m隔离区，均采用一膜两行(窄膜，膜宽0.70 m)种植模式，每个材料种1行，随机排列，3次重复，小区面积0.9 m2，行长3 m，行距0.3 m，株距0.12 m。旱池边缘设二膜保护行，采用膜下滴灌灌水方式。

试验材料于4月8日播种，4月20日出苗，7月5日打顶。对照组6月25日第1次滴水，滴灌周期同大田生产，每7～10 d滴1次水。干旱胁迫组不浇水，至田间土壤含水量达3%并持续胁迫20 d后复水1次。全生育期滴灌10次，滴灌总量5 500 m3·hm-2；共施纯氮600 kg·hm-2，磷肥用量124.5 kg·hm-2，有机肥用量150 kg·hm-2，钾肥用量129 kg·hm-2；全生育期化控7次，缩节胺用量360 g·hm-2。栽培期田间管理同一般大田管理。

1.3 测定指标及方法

8月25日测定干旱胁迫组及对照组的农艺性状，包括株高(PH)、果枝数(FB)、果节数(FN)、果枝始节高(HFNFB)、果枝始节数(HFNFB)、叶面积(LA)、果枝数(FB)、果节(FN)、单株结铃数(BN)，每个材料取10株的平均值为1次重复。

9月25日每个材料摘取20个中上部棉铃，测定单铃重(BW)、衣分(LP)。

纤维品质数据由中国农业科学院棉花研究所利用HVI900大容量纤维检测仪测定，包括纤维长度(FL)、纤维比强度(FS)、马克隆值(MIC)、整齐度(UNI)、伸长率(EL)。

8月25日测定叶绿素SPAD值，采用SPAD-502叶绿素计(Minolta，JPN)测定干旱胁迫组及对照组盛花期棉花功能叶(打顶后测主茎倒2叶)的叶绿素含量SPAD值，3次重复，每份材料选10株，分别在叶主脉及两侧各测定1次，取3次平均值。

土壤含水量达3%并持续胁迫20 d后，每个材料取10株主茎倒2叶，利用茚三酮法测定游离脯氨酸含量(Pro)[15]，硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量(MDA)[15]，比色法测定超氧化物歧化酶(SOD)含量[15]，10株平均值为1次重复。

1.4 数据处理

采用EXCLE 2010软件和SAS 9.0软件对田间测试数据进行统计分析。根据郑巨云[4]、李忠旺[11]、刘光辉[12]、李海明[13]、孙丰磊[14]、Blum[16]等采用的数据处理方法，计算抗旱系数(DC) 、抗旱指数(DI)、综合抗旱指数(CDI) 、隶属函数值(μ(x))、抗旱性综合度量值(D)、关联度(γi) 、权重系数(ωi(γ))和加权抗旱指数(WDI)，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，DIimin、DIimax分别为各材料某性状指标抗旱指数的最小值和最大值。

(5)

式中,ri为第i个综合指标的贡献率。

关联度

(6)

式中，Li(k)为关联系数。

(7)

(8)

2 结果与分析

2.1 单一性状指标统计分析

测定正常处理组及干旱胁迫组的19个农艺性状及生理指标，对不同环境下各性状指标平均值进行成对样本t检验分析，由表1可知，除始节高、叶绿素含量、MDA含量、PRO含量、SOD含量外，其他15个性状指标不同处理条件下均呈极显著差异(p<0.01)，结果说明始节高、叶绿素含量、MDA含量、PRO含量、SOD含量等性状受干旱胁迫影响较小。

对各性状指标抗旱指数(DI)进行分析，由表1可知，各性状指标DI值范围为0.72～1.09，除始节数、始节高、衣分、马克隆值、MDA含量、PRO含量DI值>1，其他性状DI值<1，马克隆值最高为1.09，单株产量最低为0.72；各性状指标DI值变异系数范围为0.02～0.52，SOD含量变异系数最大为0.52，其次是PRO含量、MDA含量，分别为0.45，0.40，结果说明，干旱胁迫对棉花不同性状的影响存在较大差异，MDA含量、PRO含量、SOD含量等生理指标对干旱胁迫最敏感，其次是单株产量、结铃数、果节数等产量性状，而纤维品质性状指标最不敏感。

对不同性状DI值频分布统计分析，由表2可知，除整齐度、伸长率DI值分布在0.9≤DI≤1.2以外，其他性状DI值在不同区间有所分布，但分布频率不同；多数性状DI值分布在0.6≤DI≤0.9、0.9≤DI≤1.2这2个区间，株高、始节高、MDA含量、PRO含量、SOD含量在5个区间均有分布，说明不同品种资源的株高、始节高、MDA含量、PRO含量、SOD含量等性状抗旱性差异较大。

表2 不同性状抗旱指数频次分布

2.2 单项性状抗旱指数相关性分析

由表3可知：不同性状抗旱指数之间相关性存在显著差异。叶绿素含量与始节数、单铃重分别呈显著、极显著正相关，与衣分呈极显著负相关；果节数与结铃数、株高、始节高、叶面积、单株产量呈极显著正相关，与PRO呈显著正相关；结铃数与单株产量呈极显著正相关，与株高、叶面积呈显著正相关；株高与始节高、果枝数、叶面积呈极显著正相关，与衣分、单株产量、马克隆值、SOD含量呈显著正相关；始节高与始节数呈极显著正相关，与叶面积、衣分呈显著正相关；始节数与叶面积呈极显著正相关；果枝数与单铃重呈极显著正相关，与马克隆值呈显著正相关；叶面积与单铃重、衣分、单株产量、马克隆值、伸长率呈极显著正相关，与整齐度呈显著正相关；单铃重与单株产量、绒长、整齐度、马克隆值、伸长率呈极显著正相关，与比强度呈显著正相关；衣分与马克隆值呈极显著正相关，与MDA含量呈显著正相关，与绒长及比强度均呈极显著负相关；单株产量与绒长、PRO含量呈极显著正相关，与整齐度呈显著正相关；绒长与比强度、整齐度、伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈显著负相关；整齐度与比强度、伸长率呈极显著正相关；比强度与伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈极显著负相关；MDA含量与SOD含量呈极显著负相关。

2.3 不同评价结果相关性分析

由表4可知,抗旱性综合评价值(D)与综合抗旱指数(CDI)、加权抗旱指数(WDI)3种评价结果相互之间都存在极显著正相关，相关系数为0.958～0.997，说明3种抗旱性分析方法的结果具有高度一致性，可以用来相互验证抗旱性评价结果。

表4 不同评价结果相关性分析

2.4 灰色关联度分析

通过各性状指标抗旱指数与D值及WDI值进行灰色关联度分析，由表5可知，其关联度排序依次为:整齐度、比强度、叶绿素含量、果节数、结铃数、单铃重、MDA含量、始节高、始节数、单株产量、株高、伸长率、果枝数、SOD含量、叶面积、马克隆值、PRO含量、纤维长度；两种排序位次相同的有整齐度、比强度和果枝数，此外，叶绿素含量、果节数、结铃数等前3个性状与D值关联度和与WDI关联度是基本一致或差别不大，而伸长率、叶面积、始节数差异比较大。

表5 各性状抗旱指数与D值、WDI值关联度分析

2.5 品种资源抗旱性综合评价

利用各性状指标隶属函数值及权重系数计算各品种资源抗性综合度量值(D值)，根据D值抗旱分级标准，将抗旱等级分为强抗旱(D≥0.59)、抗旱(0.51≤D<0.59)、中抗旱(0.41≤D<0.51)、较敏感(0.31≤D<0.41)和敏感(D<0.31)5 级[13]，D值范围为0.153～0.689,平均值为0.400，变异系数为0.189，强抗旱、抗旱、中抗旱、较敏感、敏感的材料分别为2、17、112、112、30份，占总材料数的0.74%、5.88%、41.18%、41.18%、11.03%，强抗旱品种资源为关农1号、渝棉1号。

利用各性状指标DI及其关联度所占权重系数计算CDI值和WDI值，CDI值范围为0.621～1.247，平均值为0.952，变异系数为0.086；WDI值范围为0.351～1.229，平均值为0.924，平均值为0.952，变异系数为0.117。CDI值与WDI值评价结果基本一致，个别品种资源存在较大差异，如中棉所12(CDI-1.043，WDI-0.586)，根据CDI值、WDI值抗旱分级标准，强抗旱材料为关农1号、渝棉1号。D值、CDI值、WDI值3种方法评价结果基本具有一致性，某些品种资源存在差异，但3种方法筛选的强抗旱材料均为关农1号、渝棉1号，而敏感材料均为晋棉19。由于品种较多，因篇幅问题，在此省略各品种3类抗旱指标评价值的具体数据。

2.6 聚类分析结果

利用D值对272份棉花品种资源综合抗旱性进行聚类分析，可将272份资源材料聚为5大类，基本将抗旱能力一致的品种资源聚为一类，包括:第一大类属强抗旱类别，含关农1号、渝棉1号、辽棉9号、辽棉16号共4个品种，占总资源数的1.47%；第二大类属抗旱类别，含银棉2、岱字棉16、新陆中10等24个品种，占总资源数的8.82%；第三大类属耐旱类别，含18N3、司6524、新陆中82等134个品种，占总资源数的49.26%；第四大类属较敏旱类别，包括鄂抗棉8、新陆中65、新陆中22等100个品种，占总资源数的36.76%；第五类大类属于敏旱类别，包括150030、鄂抗棉10、晋棉12等10个品种，占总资源数的3.68%(见图1)。结果表明，绝大多数材料为耐旱材料及较敏感材料，占总资源数的86.03%，强抗旱材料占比较小，只占为1.47%。

3 讨 论

3.1 棉花花铃期抗旱相关指标

前人对国内外棉花品种资源不同生育期的农艺性状、生理生化等性状指标的抗旱性鉴定评价开展了相关研究，俞希根[17]，李少昆[18]等研究发现，不同生育期干旱胁迫对棉花生长的影响不同，蕾期、花铃期对干旱最敏感，此时期持续干旱胁迫会严重影响棉花营养生长及生殖生长，造成植株矮小，果枝数减少，蕾、花、铃脱落严重，生理代谢异常，棉花叶片的颜色逐渐由深绿变浅绿，叶绿素含量明显下降。冯方剑等[19]对不同品种苗期生理指标进行苗期抗旱性的综合评价，田又升等[9]对棉花蕾期至初花期17个农艺及生理指标进行抗旱性评价及指标筛选,孙丰磊[14]、刘光辉[12]、冯方剑[19]等对花铃期农艺性状及生理生化指标抗旱性进行综合评价并聚类分析，发现抗旱研究指标主要为农艺性状指标和生理指标，农艺性状指标包括株高、叶面积、蕾铃脱落、叶片数、有效果枝数、果节数、结铃数等，生理生化指标包括光合速率、Fv/Fm、叶绿素含量、丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)等[8,12]。因此，针对不同生育期选择合理的指标进行抗旱性鉴定评价，是评价结果准确与否的关键所在。

本研究以国内外272份主栽品种及特异资源为研究材料，选用的试验材料类型及数量超过前人相关研究[11，12-14],遗传背景更加丰富，在干旱及对照条件下测试了各品种资源的株高、果枝始节高、果枝始节数等15个农艺性状指标，叶绿素含量(Chl)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、超氧化物歧化酶(SOD)等4个生理生化指标进行了单项性状抗旱指数统计分析和各性状抗旱指数与D值及WDI值灰色关联度分析，结果表明，各性状指标抗旱指数变异系数差异明显，其中DI(SOD)、DI(PRO)、DI(MDA)变异系数最大，DI(伸长率)、DI(整齐度)、DI(纤维长度)变异系数最小，说明干旱胁迫对生理生化指标的影响差异较大，而对纤维品质值影响差异较小，产量结构性状、果枝数、株高抗旱性差异居中，这与李海明等[13]研究结果具有一致性。各性状之间存在不同的相关性，其中果节数、株高、叶面积、单铃重与其他性状的相关性较强，与8～11个性状呈显著或极显著正相关，这与果节数、结铃数、单铃重与D值和WDI值关联度较高是一致的。

各性状指标与D值和WDI值的关联度基本一致，整齐度、比强度、叶绿素含量、果节数、结铃数等前5个性状与D值和WDI值关联度是相同的，伸长率、叶面积、始节数与D值关联度和WDI关联度差异比较大。整齐度、比强度与D值具有较强的关联性这与李海明等[13]研究结果存在不一致。结铃数、单铃重、果节数等产量结构指标与抗旱性存在较强的关联性，这与前人[13-14]研究结果一致；叶绿素含量、MDA含量与抗旱性也存在较强的关联性，这与孙丰磊等[14]发现MDA含量、叶绿素含量这 2 个指标对干旱胁迫反应比其他生理生化指标敏感是一致的，说明丙二醛含量、叶绿素含量这2个生理指标与抗旱性密切相关，这也验证了叶绿素含量、MDA含量可作为抗旱性鉴定的生理指标。

3.2 棉花抗旱性的评价方法

棉花抗旱性是一个复杂的数量性状，单一的评价方法难以评价棉花的抗旱特性，不同的分析方法评价结果可能不一致。随着统计方法的发展，国内外学者开始采用抗旱系数、抗旱指数、主成分分析、隶属函数分析、灰色关联分析及聚类分析相结合的方法对棉花抗旱性进行评价[11-12,17]，抗旱性综合评价方法可以避开单一方法的缺陷，系统而准确地评价棉花抗旱性。

抗旱指数综合考虑了各性状指标的相对抗旱能力及绝对抗旱情况，本研究以各性状抗旱指数为基本指标，利用综合抗旱指数、抗旱性度量值(D值)及加权抗旱指数3种评价方法综合评价棉花花铃期抗旱特性，与李忠旺等[11]的以抗旱系数为基本指标，综合抗旱系数、综合抗旱指数、综合抗旱隶属函数值和抗旱性综合度量值综合评价的方法不一致，本研究使用的3种方法之间的相关性达到极显著，说明此3种方法具有较强的一致性，进行综合分析可以做到相互验证，能够较准确、全面地揭示盛花铃期农艺性状及生理指标与综合抗旱性的关系。用抗旱性度量值(D值)进行聚类，划分为5级，包含4个强抗旱品种、24个抗旱品种、134个耐旱品种、100个较敏旱品种、10个敏旱品种，这与李忠旺[11]、李海明[13]、孙丰磊[14]等研究认为强抗旱、敏感材料较少，中间材料较多是一致的，但与其鉴定的各抗旱类型的品种及数量并不一致，可能是由于品种资源、生育期、评价指标及干旱胁迫环境条件不同而造成的。

4 结 论

本研究以抗旱指数为单项评价指标，采用综合抗旱指数、抗旱综合度量值、加权抗旱指数，结合灰色关联度及聚类分析对272份棉花品种资源进行抗旱综合评价，根据D值分类结果，将272份品种资源分为5个抗旱级别:4份强抗旱、24份抗旱、174份耐旱、100份较敏感、10份敏旱。D值、CDI值、WDI值3种方法评价结果具有较强一致性，3种方法筛选的强抗旱材料均为关农1号、渝棉1号，敏感材料均为晋棉19，上述材料可以为棉花抗旱遗传改良提供特异资源。整齐度、比强度、叶绿素含量、果节数、结铃数、单铃重可以作为花铃期抗旱性鉴定重要指标。