不同棉花品种(系)叶片光合生理参数与产量及纤维品质的灰色关联度分析

王志军，董永梅，赵曾强，孔 新，谢宗铭

(新疆农垦科学院生物技术研究所/作物种质创新与基因资源利用兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

【研究意义】新疆棉区棉花品种较多，掌握不同品种的光合作用特点和光合效能差异，有利于高光效亲本的选择和优良品种的筛选[1]。前人研究表明，不同作物品种间光合叶绿素荧光参数的差异主要是由于基因型差异造成的，因此，可以利用叶绿素荧光分析系统，测定作物叶片的光合作用效率，作为选育和鉴定优良品种的重要指标[2]。【前人研究进展】光合作用是作物产量的原动力，一直受到国内外广泛关注，研究种类涉及几乎所有主要农作物，研究发现，光合速率与植物的产量密切联系[3]。植物叶绿素荧光与植物光合作用的整个过程紧密相关，能够探测许多有关植物光合作用的信息，是光合作用研究的有效探针之一[4]。通过植物叶绿素荧光动力学可以快速、灵敏、可靠、无损伤地了解植物光合作用生理状况及其与环境的关系[5]，实现了在现场或自然条件下，以完整植物整体或含有叶绿素的部分器官为材料，精确的研究光合作用动态变化的可能性[6]。植物生产过程中超过90 %的干物质都是来自叶片的光合作用[7]，近年来，国内外利用叶绿素荧光在光合作用机理，植物抗性生理，环境保护，作物增产潜力预测和果蔬储藏等方面进行了广泛的研究[8]。灰色系统理论中的关联度分析是对动态系统进行量化比较的分析方法，系统中因素之间的关联度大，说明其变化态势接近，相互关系密切，反之，其相互关系疏远[9]。叶绿素含量、光合指标、叶绿素荧光动力学参数与棉花产量和纤维品质的灰色关联分析克服了以往对性状进行评判的主观性和粗放性。同时，当样本的个体发生变化时，关联度的值也随之发生变化，而关联度排序基本保持稳定，即因子的相对重要性保持稳定，能够充分揭示各性状对产量影响的大小[10]。【本研究切入点】选取新疆广泛种植的陆地棉品种和生物技术研究所多年选育的品种(系)和一些特异的育种资源材料，进行叶片光合参数、叶绿素荧光参数及棉花产量和纤维品质性状相关性和灰色关联度分析。【拟解决的关键问题】探讨品种间光合生理差异，旨在了解不同棉花品种的光合生产力，以期为棉花的优良品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

以新疆棉花区域实验常用的对照品种新陆早36号和新陆早61号为对照，生物技术所育成的新垦棉1号，6个高代品系，1个红叶棉，1个海岛棉，1个多茸毛品系为实验材料。

实验于2018-2019年度在新疆农垦科学院生物技术研究所实验地(45°19′ N,86°03′ E，≧10 ℃活动积温为3570～3729 ℃，7月平均气温23.9～25.5 ℃)进行，土壤有机质含量24.55 g/kg，pH 8.42，水解性氮84.3 mg/kg，有效磷24.88 mg/kg，全盐量1.3 g/kg，速效钾409.75 mg/kg，采用随机区组设计，行长5 m，膜下滴灌栽培，膜宽2.05 m，1膜3管(滴灌带)6行，株距10 cm，行距20 cm，每材料播种6行，3次重复，灌水方式为有压滴灌。6月13日滴头水，之后每隔7～10 d滴水1次，全生育期滴水8次，总滴水量300 m3/667m2，随水施肥8次，全生育期施尿素38.62 kg/667m2，磷酸钾胺24.58 kg/667m2，病虫害防治同大田。

1.2 实验方法

1.2.1 SPAD值测定 使用叶绿素计(SPAD.502Plus)测定，选取棉花倒二叶，将叶片放入测量头部，确定样品完全覆盖接收窗。其探头夹住叶脉之间的叶肉，每个材料测10片叶，每片叶测定位置相同，求平均数代表整个材料的SPAD值。

1.2.2 光合参数 选择晴天上午10：00-11：00，使用德国WALZ公司的GFS-3000光合仪，太阳光强约为 1200 μmol/(m2·s)，大气CO2浓度为(370±10)μmol/mol，叶室温度25 ℃，测定展开叶的净光合速率[Pn,μmol/(m2·s]、气孔导度[Gs,mmol/(m2·s]、胞间CO2浓度(Ci,μmol/mol)等光合参数，分别测定6株，每株重复测3次，取平均值。

1.2.3 叶绿素荧光参数 选择晴天上午9:30-13:00利用德国WALZ公司的MINI-PAM荧光仪，测量上述标记叶片的叶绿素荧光参数，利用暗适应叶夹(DLC-B)黑暗处理30 min，打开测量光，测定暗适应下的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)得到Fv/Fm，此时再打开光化学光，可测定对应光强下叶片的实际光量子产量ΦPSII及其它所有的荧光参数，每个处理测6株，每个叶片重复测3次，取平均值。

1.2.4 花铃期田间农艺性状调查 花铃期测定株高(cm)子叶结至打顶端长度、始节高(cm)子叶结至第一果枝长度、始节位(个)、果枝数(个)、单株铃数(个)，吐絮期采摘棉株中部内围铃30个，晾干称重，轧花称皮棉重，计算单铃重(g)，衣分(%)，皮棉送至新疆农垦科学院棉花研究所纤维检测室测定上半部平均绒长(mm)、整齐度(%)、马克隆值、断裂比比强(cN/tex)、伸长率(%)等参数。

1.2.5 数据处理 采用Microsoft Excel2007计算试验数据平均值，SPSS19进行数据方差分析，LSD法多重比较，Microsoft Excel2007软件绘图，DPS7.05进行相关性分析，灰色关联度分析。

表1 12个棉花品种(系)SPAD及光合参数比较

2 结果与分析

2.1 光合色素测定

新陆早36号，是由新疆石河子棉花研究所育成，2007年2月通过新疆维吾尔自治区农作物品种审定委员会审定。新陆早61号，早熟陆地棉品种，2013年10月通过新疆维吾尔自治区农作物品种审定委员会审定。新陆早36、61均为新疆维吾尔自治区棉花品种区域实验的对照品种，新垦棉1号是由新疆农垦科学院生物技术研究所育成，2018年1月通过甘肃省农作物品种审定委员会审定。垦生5148、181411、181447、181723、181735、181747，5个品系为生物技术所自育材料，红叶棉、多茸毛、新海12(海岛棉)为重要的育种材料，在棉花抗旱、抗虫方面有重要的作用。由表1 可见，181723的SPAD值最高，显著高于对照早36、早61，分别是早36和早61的113.22 %、117.15 %，垦生5148、新垦棉1号、181411、181447、181735、181747和对照新陆早36差异不显著(P>0.05), 垦生5148、新垦棉1号、181411、181447、181735、181747、红叶棉、新海12(海岛棉)和对照早61差异不显著。

181447的蒸腾速率(Tr)最高，但其和对照新陆早36和新陆早61差异都不显著，和垦生5148、181411、181447、181723、多茸毛、新海12(海岛棉)差异也不显著(P>0.05)，剩余的3个材料，181735、181747、红叶棉和两个对照差异也不显著。12个材料中，垦生5148的气孔导度值(Gs)最高，显著高于对照早36和早61，分别是对照早36和早61的133.70 %、112.67 %，对照早61的Gs显著高于早36，和新垦棉1号，181447差异不显著，181411、181723、181735、181747、多茸毛、新海12(海岛棉)和对照早36差异均不显著，红叶棉显著低于两个对照(P<0.05)。12个材料中新垦棉1号的光合速率(Pn)最高，显著高于对照早36，和新陆早61差异不显著(P<0.05)，分别是对照早36、早61的115.17 %、100.16 %。垦生5148、181411、181447与对照早61差异均不显著，但显著高于早36，181735、181747、红叶棉、多茸毛、新海12(海岛棉)与对照早36差异不显著，但显著低于早61。12个材料中，181723胞间CO2浓度(Ci)最高，显著高于对照早36和早61，分别是其138.34 %和134.85 %，其余材料和两个对照差异均不显著。181747的水分利用效率最高(WUE)，分别是对照早36、早61的107.89 %、108.30 %。

光系统Ⅱ的有效量子产量用ΦPSII表示，12个材料的ΦPSII差异都不显著，垦生5148和红叶棉的ΦPSII最高，都是0.80，分别是对照早36和早61的102.56 %、101.27 %。12个材料的光化学猝灭系数qP差异均不显著(P>0.05)，新海12(海岛棉)非光化学猝灭系数NPQ最高为0.04，显著高于其它材料，分别是对照早36、早61的2和4倍。红叶棉的Fm值最大，分别是对照早36和早61的105.22 %、104.41 %。12个材料暗适应PSⅡ最大量子产量Fv/Fm差异均不显著，高等植物的Fv/Fm一般在0.8～0.84之间，说明植物比较健康，没有受到逆境胁迫。

表2 12个棉花品种(系)叶绿素荧光参数比较

由表4可知，181723的衣分最高，达到48.7 %，显著高于对照早36和早61，分别是对照早36和早61的109.68 %和110.43 %，新垦棉1号、181411、181447、181735、181747、多茸毛材料与两个对照品种差异均不显著，红叶棉和新海12显著低于对照。12个材料中181411的子棉产量最高，显著高于对照品种早36和早61，分别是其108.25%、114.13%。181735的子棉产量也显著高于对照新陆早61，是其110.33 %，垦生5148、新垦棉1号和两个对照差异都不显著，181447、181723、181747、红叶棉、多茸毛、新海12(海岛棉)显著低于对照。12个材料中，181747的纤维上半部平均长度最大，显著高于对照早36和早61分别是其，125 %和119.15 %，新海12(海岛棉)也显著高于两个对照，分别是其116.57 %和111.11 %，新垦棉1号，181411，181447，红叶棉与两个对照差异均不显著(P>0.05)，多茸毛的纤维长度显著低于对照。12个材料的整齐度差异均不显著，新海12(海岛棉)的纤维整齐度最大，分别是对照早36和早61的105.13 %和102.68 %。马克隆值A级取值范围为3.7～4.2，品质最好；B级取值范围为3.5～3.6和4.3～4.9；C级取值范围为3.4及以下和5.0及以上，品质最差，垦生5148、181723、181735、红叶棉和新陆早61(CK2)这5个材料马克隆值属于A级，品质最好，新陆早36(CK1)、新垦棉1号、181411、181447、1817475、新海12(海岛棉)这6个材料马克隆值属于B级，品质次之，多茸毛的马克隆值属于C级品质最差。12个材料的纤维伸长率均没有显著差异。

表3 测定指标及对应编号

表4 12个棉花品种(系)产量及品质的比较分析

表5 光合叶绿素荧光参数与产量指标的相关性分析

续表5 Continued table 5

由表5可知，SPAD值与纤维长度呈显著正相关(P<0.05)，与马克隆值呈显著负相关。蒸腾速率(Tr)与气孔导度(GH2O)，光合速率(Pn)呈极显著正相关。气孔导度(Gs)与光合速率(Pn)也呈极显著正相关，胞间CO2浓度(Ci)与水分利用效率呈极显著负相关，ΦPSII与最小荧光Fo呈极显著负相关，与Fv/Fm呈极显著正相关。最小荧光Fo与Fv/Fm呈极显著负相关。纤维长度与整齐度呈极显著正相关。纤维整齐度与纤维比强、伸长率呈极显著正相关，纤维比强与纤维生长率呈极显著正相关。

光合叶绿素荧光参数与产量及纤维品质的关联度分析见表6，棉花衣分的关联度顺序依次为，Fv/Fm>ΦPSII>qP>SPAD>Fm>WUE>Ci>Pn>Fo>Tr>Gs>NPQ。棉花子棉产量的关联度顺序为Pn>Tr>SPAD>Gs>Fm>NPQ>Fv/Fm>ΦPSII>qP>WUE>Ci>Fo，棉花纤维长度关联度顺序为SPAD>qP>Fv/Fm>ΦPSII>Ci>Fo>WUE>Fm>Tr>Gs>Pn>NPQ。棉花纤维整齐度关联大小排序为qP>Fv/Fm>ΦPSII>Fo>Fm>SPAD>WUE>Ci>Pn>Tr>Gs>NPQ。马克隆值关联度大小排序为qP>Fv/Fm>ΦPSII>SPAD>Fm>Pn>Fo>Ci>Gs>Tr>WUE>NPQ。断裂比强度关联度大小排序为qP>Tr>Fv/Fm>Pn>Fm>ΦPSII>SPAD>Ci>Fo>Gs>WUE>NPQ。棉花纤维伸长率关联度大小排序为qP>Fv/Fm>ΦPSII>Fo>Fm>SPAD>WUE>Ci>Pn>Tr>Gs>NPQ。

表6 光合叶绿素荧光参数与产量纤维品质的灰色关联度分析

3 讨 论

本研究是在正常的大田栽培条件下，利用叶绿素计、GFS-3000光合仪和MINI-PAM叶绿素荧光仪对12个陆地棉品种(系)进行叶绿素含量、光合叶绿素荧光指标测定，并结合产量和纤维品质性状，对测定的12个光合生理指标和7个纤维品质、子棉产量指标进行相关性及灰色关联度分析。

在有关棉花的光合速率与产量之间的相关性研究中，因研究材料不同结果不一，结论有3种类型：显著正相关、呈正相关但不显著、呈负相关，支持第二种的结论较多[11]。本研究中，所有测定性状均没有与产量显著相关的指标，产量与衣分相关性最高为0.51，这与张建福[12]等在水稻上的结果有差异。

本研究中，棉花纤维长度与整齐度呈极显著正相关，纤维整齐度与纤维断裂比强度、伸长率呈极显著正相关，这与王义青[13]，马俊召[14]的研究结果一致，纤维断裂比强度与纤维生长率呈极显著正相关[15]，这与陈旭升的研究结果一致，其他纤维指标相关性不显著。

利用SPAD叶绿素仪测定叶片单位面积的相对叶绿素含量，该方法操作简单，叶片无损。大量研究表明，SPAD值与叶绿素含量的具有良好的相关性[16]。SPAD值与纤维长度呈显著正相关(P<0.05)，这与张勇在杂交棉上的研究结果一致[11]，SPAD值与马克隆值呈显著负相关，与郭衍龙[17]在棉花蕾期SPAD值与马克隆值呈显著正相关，花期呈负相关，铃期呈正相关的结果不同。

光合速率(Pn)与蒸腾速率(Tr)与气孔导度(Gs)呈极显著正相关，这与莫凌在猕猴桃[18]，王瑞云[19]在糜子上的研究结果一致，进一步说明这3个指标可作为筛选高光效品种的关键指标。胞间CO2浓度(Ci)与水分利用效率呈极显著负相关，这与赵慧[20]在水稻上的研究结果一致。可能叶片细胞内CO2浓度较高，蒸腾速率加大，叶片耗水过多，不利于WUE的提高。ΦPSII与最小荧光Fo呈极显著负相关，与Fv/Fm呈极显著正相关，这与魏亚娟[21]在榆叶梅上的研究结果一致。最小荧光Fo与Fv/Fm呈极显著负相关，这与刘磊在杨树上的研究结果一致[22]。

运用灰色关联分析，可以对棉花品种的各个性状进行综合分析，所有性状都能进行品系优劣评定，由定性分析变为定量分析，从而确定品种优劣，为棉花育种提供科学依据，与常用的数量统计特征分析方法(回归分析、方差分析、因子分析等)相比，灰色关联分析有自身的优点：计算量小、样本数据要求宽泛、变量数据不需要服从某个典型分布等，其是一种重要的数理统计分析方法[23]。

灰色系统理论常用于指导作物多元性状相对重要性的研究，且分析方法简便、易行、准确。前人在棉花、玉米、大豆等方面关于产量与农艺性状的灰色关联度分析的研究较多[24]。

韩永亮等研究表明，衣分与棉花产量的关联度最高，其次是霜前花率[25]，本研究灰色关联度分析表明，棉花衣分与Fv/Fm关联度最高，这可能是本文分析的指标较多，不仅有产量性状，还有光合叶绿素荧光性状，分析对象增多，导致结果不一致。棉花子棉产量与光合速率关联度最高，这与本文相关性分析中，没有与产量显著相关的结果不一致，可能是两种分析方法对指标的计算权重不同导致的。

棉花纤维长度与SPAD关联度最高，本研究表明，棉花纤维整齐度、马克隆值、断裂比强度、棉花纤维伸长率都与qP关联度最高。qP和NPQ为叶绿素荧光淬灭的两种形式，其中qP为光化学淬灭系数，反映了植物光合活性的高低，qP值越高，功能叶具有更强的光捕获能力和光化学效率。刘蕾蕾等研究表明，小麦叶片的相对叶片净光合速率(Pn)与相对光化学猝灭系数(qP)间均存在显著的正相关关系，而与相对非光化学猝灭系数(NPQ)呈显著的负相关关系[26]，这也说明，植物叶片qP值越高，越有利于光合产物积累，从而使纤维发育得到了更多的营养物质，最终促进纤维品质提升。

4 结 论

在同一生态环境条件下，不同品种间光合叶绿素荧光和农艺性状的差异，以及与产量性状的关系紧密程度不同，通过相关性和灰色关联度分析，最终筛选出Fv/Fm、Pn、SPAD、qP为丰产优质品种的评价标准，因此，在棉花高光效新品种选育、种质资源评价以及产量预测等实践中，这些叶绿素荧光动力学参数可以作为重要的评价指标。