花铃期干旱胁迫对棉花陆海RIL群体光合的影响

姜梦辉，孙丰磊，范 蓉，石颖颖，刘亚丽，赵柯柯，曲延英，陈全家

(新疆农业大学 农学院 棉花教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830052)

由于缺水环境和气候变化的复杂性而导致水资源短缺是全球农业生产面临的最严重问题之一[1-2]。干旱是一种极端天气事件，是影响植物生长发育和繁殖的一种非生物胁迫。棉花是世界上最重要的纺织纤维作物，提供了纺织工业中使用的大部分纤维。干旱限制了棉花的产量和纤维品质[3-4]。中国是世界上最大的棉花生产国和消费国之一，随着棉花种植面积的快速调整，主要棉花种植区逐渐搬到西北地区[5]。近年来，棉花在西北地区的种植有了长足的发展，西北地区已成为全国最大的棉花种植区域[6]。水是干旱、半干旱地区农业的重要资源之一。西北内陆棉区地处干旱地区，是中国干旱胁迫最严重的地区之一。

在棉花生长周期中，花铃期是水肥需求最关键的时期，此时期缺水对棉花的生长发育产生重大影响。因此，研究花铃期干旱条件下的光合特性，可为挖掘抗旱性强的棉花提供理论依据。大量的研究证明，干旱胁迫会导致棉花叶面积、叶绿素含量下降，导致气孔关闭和CO2摄入量减少，影响光合速率，从而降低生长和产量[7]。孙丰磊等[8]以28份抗旱性不同的陆地棉品种为材料，通过大田花铃期水分胁迫，对材料进行抗旱性评价及等级划分。通过聚类分析，将材料分成4类，并筛选出与抗旱性相关的7个光合指标。棉花陆海重组自交系群体材料是既兼有陆地棉优良的产量性状和广泛的适应性，又具有海岛棉优良的纤维品质的群体。目前对陆海群体的研究主要在杂种优势方面[9-14]，对陆海群体进行抗旱评价性的研究很少。

研究以抗旱型的陆地棉材料中07为母本、干旱敏感型的海岛棉材料新海20为父本构建的F2∶ 6陆海重组自交系群体为试验材料，采用田间干旱胁迫的试验方案，设置正常浇水和干旱处理两个水平对棉花的光合特性进行研究，采用抗旱指数、主成分分析、聚类分析和综合抗旱评价体系相结合的方式[15-16]，对棉花材料进行抗旱性鉴定，以期为棉花抗旱鉴定和抗旱育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

参试棉花材料是由新疆农业大学遗传育种实验室提供的抗旱型的陆地棉材料中07为母本、干旱敏感型的海岛棉材料新海20为父本构建的F2∶ 6陆海重组自交系群体，共70份。

1.2 方法

1.2.1 试验设置方案

试验于2018年在新疆奎屯农七师农科所试验田进行，播种前在试验区划分干旱胁迫与正常灌水两个区域，材料采用随机排列方式种植，每膜种植3个品种，株距为10 cm，2种处理均重复2次，以保护行隔离。在花铃期对照组正常浇水(浇水时间在7月10日左右)，胁迫组不浇水处理。之后一切正常浇水(在8月7日左右)。

1.2.2 测定项目

采用便携式光合测定仪(CIRAS-3，汉莎，英国)，在棉花花铃期水分胁迫第10天(早晨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)选取倒3叶进行光合测量。测定时设定光量子通量密度为1 100 μmol/m2·s，环境温度为31 ℃±2 ℃，相对湿度为50%±3%，CO2浓度为(370±5)μmol/mol。主要测定的光合指标有净光合速率(Assimilation rate，A)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(Transpiration rate,E)、水分利用效率(Water use efficiency,WUE)、细胞间二氧化碳浓度(Internal CO2,Ci)、水蒸气压亏缺(Vapor pressure deficit,VPD)，每份材料重复3次。

1.3 数据处理

(1)

μ(x)=(DC-DCmin)/(DCmax-DCmin)

(2)

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 亲本及群体在不同水分条件下的光合性状分析

在不同水分条件下，对亲本进行描述性统计发现(表1)：A指标，新海20在正常水分条件下的测定均值高于中07，而中07在干旱条件下的测定均值高于新海20；E指标，在正常水分条件下中07的测定均值高于新海20，而在干旱胁迫条件下新海20的测定均值高于中07；WUE指标，在正常水分条件下新海20的测定均值高于中07，而在干旱胁迫条件下中07的测定均值高于新海20；Ci指标，在正常水分条件下中07的测定均值高于新海20，而在干旱胁迫条件下新海20的测定均值高于中07；gs指标，中07在不同水分条件下的测定均值高于新海20；VPD指标，新海20在不同水分条件下的测定均值高于中07。

表1 亲本及群体在不同水分条件下的光合性状分析

通过对陆海重组自交系群体光合性状描述性分析可知，群体各性状在不同水分条件下的均值都高于或低于亲本的均值，群体表现出超亲分离现象。对群体光合性状指标测定值的平均值进行配对样本t检验差异显著性分析。结果表明:各性状在水分胁迫前后表现差异显著或极显著水平，表明试验处理效果明显，具有较好代表性。

变异系数是反映各指标在不同棉花材料间存在的差异。通过对变异系数的分析发现：各性状的变异系数范围为0.05～0.30，其中变异系数变化范围最大的是E，正常灌水条件下分别为0.30，水分胁迫条件条件下是0.11；其次是VPD，正常灌水条件下为0.10，水分胁迫条件条件下是0.24。

2.2 群体光合性状的方差分析及遗传力分析

不同水分条件下的光合指标方差分析结果显示：在不同水分条件下，各性状受材料和不同水分处理的影响均达到极显著的水平，说明这几个性状受材料和不同水分处理的影响效应比较大。通过计算各项指标的广义遗传率，结果所示：广义遗传率的范围为0.53～0.72，Ci和gs的遗传率最大，A的遗传率最小。说明Ci和gs性状受基因型的影响很大，环境的变化对其影响较小；A受环境变化的影响很大，见表2。

表2 各性状的方差及广义遗传力分析

2.3 群体光合性状的抗旱系数相关性分析

为进一步分析干旱条件下各性状变化趋势，分别对各环境中各性状抗旱系数进行相关分析。由表3可知，A与E、WUE、gs，E与gs、VPD，gs与VPD均呈显著或者极显著的正相关，表明这些性状之间在环境中均对干旱胁迫的反应存在稳定的极强的协同变化趋势。E与Ci，Ci与VPD呈显著的负相关，表明这些性状在环境中均对干旱胁迫的反应存在稳定的拮抗变化趋势。

表3 各性状抗旱系数值相关性分析

2.4 群体光合性状的主成分分析

对环境中的各性状DC值进行主成分分析，根据特征值>1和主成分载荷矩阵，获得因子载荷和贡献率，以此来进一步评价抗旱的重要指标。根据主成分载荷及其绝对值的大小分析，得到了两个成分，累计贡献率达到62.01%。在PC1中，特征值为2.11，贡献率为35.22%，E的载荷最大，其次是gs；在PC2中，特征值为1.61，贡献率为26.79%，A的载荷最大，其次是WUE(表4)。通过对环境中DC值的主成分分析，可以得出在干旱胁迫状态下群体材料在A、E、WUE的变化较为明显。

表4 主成分分析因子载荷矩阵和贡献率

2.5 抗旱性综合评价

D值是供试材料在干旱胁迫条件下用综合指标评价所得的抗旱性综合评价。通过主成分分析对各性状指标抗旱系数DC值进一步分析，获得特征值向量、因子载荷和贡献率，根据贡献率计算权重，并结合隶属函数值计算出抗旱性综合度量值D值。根据D值的大小对供试材料抗旱性强弱进行排序，D值越大，抗旱性越强；相反，D值越小，其抗旱性也就越弱。根据D值对群体棉花进行排序(表5)，发现D值最大的5份材料分别是HL-3、HL-69、HL-28、HL-22和HL-70，D值最小的5份材料分别是HL-8、HL-42、HL-46、HL-12和HL-16。其中亲本中07的D值是0.72，新海20的D值是0.44。

表5 棉花品种抗旱性评价的D值

2.6 聚类分析和抗旱性等级划分

以各个材料的D值为大小，通过聚类分析，将材料划分为5个类群(图1)：第Ⅰ类群为强抗旱型，有HL-3、HL-13、HL-57等7份材料；第Ⅱ类群为中抗旱型，有HL-4、HL-7、HL-10等14份材料；第Ⅲ类群为抗旱型，有HL-1、HL-2、HL-53等7份材料；第Ⅳ类群为干旱敏感型，有HL-5、HL-15、HL-29等26份材料；第Ⅴ类群为干旱极敏感型，有HL-5、HL-15、HL-29等16份材料。亲本中07通过聚类划分在第Ⅲ抗旱型类群；新海20通过聚类划分在第Ⅳ干旱敏感型类群。

Z07:中07；XH20:新海20

3 讨论与结论

光合作用是绿色植物生长发育的最基础、最重要的化学反应，是决定绿色植物干物质积累的基础。棉花的抗旱性是由多基因控制的复杂数量性状。在干旱胁迫条件下，棉花会通过改变其形态特征和光合生理特性来适应干旱环境[17-18]。研究表明，花铃期是棉花水分需求的关键时期，与棉花最终的产量和品质有着密切的联系[19-20]。研究参考刘鹏鹏、林汉明等[21-22]的研究方法，选用干旱胁迫条件下棉花花铃期的6项光合指标(A、E、gs、Ci、WUE、VPD)的测定值，采用方差分析、主成分分析、聚类分析的方法对棉花材料的抗旱性进行鉴定，以此来解释干旱胁迫对棉花光合作用产生的影响。

陆地棉和海岛棉是中国棉花两大主要种植品种，陆地棉拥有优良的产量性状和广泛的适应性，而海岛棉拥有优良的纤维品质。而陆海杂交可以将陆地棉与海岛棉各自的优势结合，目前对棉花海陆杂种优势的研究多集中在农艺性状的优势表现，张小全等[23]研究认为海陆种间杂交在株高、果枝数、果节数、单株结铃数显著高于陆陆杂交。菲力申[11]和常俊香[24]认为陆海杂种F1代较亲本在产量和品质性状均具有超亲优势。而关于陆海杂交光合特性方面的研究仍相对较少，因此研究以陆地棉材料中07为母本、海岛棉材料新海20为父本构建的 F2:6陆海重组自交系群体为试验材料，在田间花铃期进行干旱胁迫处理，通过测定光合指标，鉴定棉花陆海群体的抗旱性。

通过选择众多学者普遍认可的综合抗旱性评价体系[25-26]，参考罗俊杰、刘光辉和祁旭升等[27-29]的研究方法，选用了D值对棉花材料的抗旱性进行评价(表5)。根据D值利用系统聚类分析方法将群体材料划为5个类群(图1)。亲本中07划分在第Ⅲ类群(抗旱型)，新海20划分在第Ⅳ类群(干旱敏感型)。通过聚类分析，得到陆海群体中比亲本中07在光合方面抗旱性强的材料有21份，比亲本新海20在光合方面抗旱性敏感的材料有16份，可为后期研究棉花抗旱育种提供依据。