海岛棉资源自然复合盐胁迫综合评价
2021-08-11李生梅黄雅婕崔进鑫高文伟
杨 涛 李生梅 黄雅婕 任 丹 崔进鑫 庞 博 高文伟
(新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052)
土壤盐渍化是主要的非生物胁迫因子之一[1-2]，不合理的种植制度、施用化肥及灌溉致使土壤产生更严重的次生盐渍化，影响作物生长发育，进而导致作物减产[3]。新疆是我国唯一的海岛棉生产基地，盐渍化及次生盐渍化耕地占全部可垦荒地面积的40%[4]，严重制约了海岛棉的正常生产，因此筛选海岛棉耐盐性种质成为目前合理利用盐碱地的主要手段之一，对我国海岛棉持续健康发展有重要意义。
棉花作为盐碱地先锋作物，本身具有一定的耐盐性，但盐分含量过高将影响棉花种子萌发[5]，持续盐碱胁迫使棉花发育缓慢、生长期缩短，进而影响棉花产量[6]。复合盐胁迫下棉花不同生育时期对盐的忍耐性不同[5]，部分学者认为[7]棉花萌发期较为敏感，也有部分学者认为[8-9]苗期较为敏感。而大田盐胁迫是多种盐离子持续共同作用，有别于室内鉴定，直接利用自然复合盐综合评价海岛棉资源耐受性更鲜有报道。直接产量鉴定、主成分分析综合得分(F)、隶属函数(μ)、综合得分D值评价已在多种作物上应用。乔海龙等[10]利用直接法鉴定了3个强耐盐大麦品种，高春华等[11]利用综合得分D值筛选到5个强耐盐高粱品种；薛晓强等[12]利用隶属函数鉴定了5份高粱的耐盐性；任茂等[13]利用主成分综合得分鉴定了13个棉花品种花铃期的耐热性。但上述研究评价方法均较单一，而基于直接鉴定与间接鉴定海岛棉耐复合盐的4种方法是否具有统一性仍不明确。因此，本研究结合4种方法评价复合盐胁迫下海岛棉花铃期耐盐碱强弱，以期了解4种方法的相关性，更准确地筛选海岛棉耐盐品种，为海岛棉品种筛选提供方法，为抗性育种提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验203份海岛棉资源材料：国外75份，涵盖亚洲、美洲等5个国家，分别来自阿尔巴尼亚(3份)、美国(16份)、前苏联(44份)、埃及(12份)，中国(103份)以及未知来源(25份)。基于株高(plant height，PH)、衣分(lint percent，LP)、始节高(height of the first node，HPN)、铃数(boll number，BN)、始节数(first node of fruit branch，FNB)、果枝数(fruit branch number，FBN)、有效果枝数(effective fruit branch number，EFBN)、有效铃数(effective boll number，EBN)、蕾铃脱落数(number of boll drop，NOBD)、蕾铃脱落脱率(NOBD/EBN+BN)、单铃籽棉产量(yield of single boll seed cotton，YOSBSC)、单铃皮棉产量(yield of single boll lint yield，YOSBLY)、单株籽棉产量(seed cotton yield per plant，SCYPP)、单株皮棉产量(lint yield per plant，LYPP)14个数量性状耐盐系数，利用直接产量比较、主成分综合得分(F)、隶属函数(μ)、主成分分析和隶属函数产生综合得分D值4种方法结合的综合值(CEV)进行海岛棉花铃期耐盐资源筛选。
表1(续)
表1(续)
表1(续)
表1(续)
1.2 试验设计
1.3 数据处理
直接产量鉴定法是利用单株皮棉产量直接鉴定，隶属函数值(μ)利用各材料14个数量性状的耐盐系数平均值进行评价，主成分综合得分及多指标降维，利用权重达到评价目的，综合得分D是利用权重及隶属函数结合以达到评价目的。在分析之前所有的指标处理为耐盐系数(耐盐系数C=复合盐胁迫某一性状观测值/对照某一性状观测值)。
采用SPSS 19.0统计各指标耐盐系数的均值、标准差及变异系数等描述性指标、相关分析、主成分分析及聚类分析[15]。
隶属函数值[15]计算公式：
μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，…，n
(1)
式中，Xi为第i个综合指标；Xmin为第i个综合指标的最小值；Xmax为第i个综合指标的最大值。
指标权重[15]计算公式：
(2)
式中，wi为第i个综合指标在所有综合指标中的权重；Pi为各品种第i个综合指标的贡献率。指标优劣计算公式：
(3)
2 结果与分析
2.1 复合盐对海岛棉花铃期耐盐系数的影响
由表2可知，在复合盐胁迫下，203份海岛棉资源数量性状中PH、HPN、FBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC略有下降，但下降幅度不同；LP、BN、FNB、EBN、EFBN、YOSBLY、SCYPP、LYPP呈现略上升，上升幅度也不同。海岛棉数量性状的变异系数在14.336%～51.043%之间，其中变异幅度较大的性状有LYPP、SCYPP、FNB，变异系数分别为51.043%、46.807%、46.169%；变异幅度较小的性状有NOBD/EBN+BN、YOSBSC，变异系数分别为14.336%、18.797%。
表2 海岛棉耐盐系数描述性统计
2.2 海岛棉耐盐系数相关性分析
对14个数量性状耐盐系数进行相关性分析(表3)，发现PH与BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、SCYPP、LYPP存在显著相关性，其中，PH与NOBD/EBN+BN存在显著负相关，其余性状间存在极显著正相关；FNB与HPN存在极显著正相关；FBN与BN、HPN存在极显著正相关；EBN与BN、FNB存在极显著正相关；EFBN与BN、FBN、EBN存在极显著正相关；NOBD与BN、HPN、FNB、EBN、EFBN存在极显著正相关。NOBD/EBN+BN与BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD存在显著相关性，其中HPN与NOBN存在极显著正相关，其余性状间存在显著负相关。YOSBSC与NOBD/EBN+BN存在显著负相关；YOSBLY与LP、YOSBSC存在极显著正相关。SCYPP与BN、FNB、FNB、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY存在显著相关性，其中，SCYPP与NOBD/EBN+BN存在极显著负相关，其余性状间存在显著正相关。LYPP与LP、BN、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY、SCYPP存在极显著相关，其中，LYPP与NOBD/EBN+BN存在极显著负相关，其余性状间存在极显著正相关。综上，不同数量性状间存在不同程度的相关性，说明数量性状之间存在信息重叠。
表3 14个数量性状耐盐系数相关性
2.3 主成分分析结果
主成分分析是将存在相关的变量进行降维，变为互不相关的综合性因子，用较少的综合性因子来代表原变量。耐盐系数降维，改变成几个综合性因子来评价海岛棉耐盐性，避免了单一指标无法代表海岛棉整体耐盐性。本试验根据特征根(>1.00)及累计贡献率为(>75%)筛选到5个综合因子(表4)，第1因子贡献率为40.613%，第2因子贡献率为16.456%，第3因子贡献率为12.171%，第4因子贡献率为9.777%，第5因子贡献率为7.309%，这5个因子符合变量变化趋势，适合做主成分分析。
表4 前5个主成分的特征值及特征向量描述
结合特征向量相关系数，第1因子特征根为5.686，贡献率为40.613%，与BN(0.930)、FBN(0.673)、EBN(0.949)、EFBN(0.897)、SCYPP(0.952)、LYPP(0.893)呈正相关，与NOBD/EBN+BN呈负相关，主要反映生长状况，代表生长因子；第2因子特征根为2.304，贡献率为16.456%，与YOSBSC(0.613)、YOSBLY(0.830)呈正相关，与NOBD(-0.501)呈负相关，主要反映单铃单量，代表单铃产量因子；第3因子特征根为1.704，贡献率为12.171%，与HPN(0.680)、NOBD/EBN+BN(0.545)呈正相关，主要反映单株铃数脱落，代表铃脱落因子；第4因子特征根为1.369 ，贡献率为9.777%，与FNB呈负相关(-0.720)，主要反映始节高，代表适合机采因子；第5因子特征根为1.023，贡献率为7.309%，与LP呈正相关(0.675)，与YOSBSC(-0.573)呈负相关，主要反映出绒率，代表有效产量因子。
2.4 海岛棉耐盐系数综合得分及评价
根据主成分得分系数矩阵(表5)，获得5个主成分因子方程，求得主成分综合得分F=0.470F1+0.191F2+0.141F3+0.113F4+0.085F5，根据主成分综合得分公式分别计算各海岛棉材料综合得分F值，并进行排序。由表1可知，耐盐性排名前10的品种依次为Pimas-4、比马1、8704依、新海4号、海南长绒棉、司-6011、C-6024、卡那壳、海92-1、75-86，耐盐最差的5个品种依次为4399、PI野生棉、Pimas-3、洛赛雅、云南3号。
表5 主成分得分系数矩阵
2.5 海岛棉耐复合盐模糊隶属函数值评价
模糊隶属函数是系统的统计学评价方法，因此，利用公式(1)，分别计算各数量性状耐盐系数隶属函数值进行评价。
通过计算203份海岛棉各数量性状耐盐系数隶属函数值(μ)，隶属函数值大小代表耐盐强弱，分别计算海岛棉耐盐系数隶属函数平均值。由表1可知，耐盐最强的10个品种依次为Pimas-4、吉1、卡那壳、新海4号、海92-1、吉2、比马1、司-6011、75-86、埃及棉424；耐盐最差的5个品种依次为Pimas-3、4399、8813依、DJ-07-136、洛赛雅。
2.6 海岛棉耐复合盐单株皮棉产量评价
利用LYPP耐盐系数进行评价，由表1可知，耐盐最强的10个品种依次为Pimas-4、比马1、8704依、新海4号、C-6024、司-6011、海南长绒棉、海92-1、卡那壳、跃零2号；耐盐最弱的5个品种依次为4399、云南3号、Pimas-3、大35、新海27。
2.7 海岛棉耐复合盐D值评价
利用4个主成分因子(1-5)及公式(1)分别算出μ(Xi),利用贡献率结合公式(2)求得权重分别为0.470、0.191、0.141、0.113、0.085，利用权重及μ(X1)-μ(X5)，结合公式(3)求得综合评价值D(表1)。结果表明，耐盐最强的10个品种依次为Pimas-4、比马1、8704依、新海4号、海南长绒棉、司-6011、C-6024、卡那壳、海92-1、75-86；耐盐最弱的5个品种依次为4399、Pimas-3、PI野生棉、洛赛雅、云南3号。
2.8 耐盐性综合评价
主成分分析综合得分值(F)、隶属函数均值(μ)、产量鉴定值(LYPP)及D值，属于4类不同的评价方法，结果是否客观合理需多方验证。由表6可知，通过主成分综合得分值、隶属函数均值、LYPP值及D值进行Person相关性分析，发现4个评价值之间存在极显著正相关(P<0.01)，表明4种方法结合评价海岛棉耐盐性是可行且统一的，也表明直接鉴定法与间接鉴定法之间是统一的。将4类评价值进行标准化，求得平均值作为综合评价值(CEV)进行评价。
表6 4类评价系数相关性分析
2.8.1 海岛棉资源耐盐性综合评价 由表7可知，203份海岛棉资源耐盐性分为4类：敏感(CEV≤-1.000)、中耐盐(-1.000
表7 海岛棉复合盐碱综合评价
2.8.2 不同果枝类型海岛棉资源耐盐性 利用不同果枝类型，将海岛棉资源分为松散型、紧凑型。由表8可知，海岛棉整体表现为耐盐最高、中耐盐次之，敏感、高耐盐资源偏少。不同果枝类型海岛棉资源耐盐性不一致，其中果枝紧凑型海岛棉资源材料中耐盐资源最多，耐盐资源次之，敏感、高耐盐资源相对较丰富；果枝松散型海岛棉资源中耐盐资源最多，中耐盐资源次之，极端资源相对较少。
表8 不同果枝类型海岛棉耐盐性
2.9 聚类分析
利用组间连距，遗传欧式距离进行聚类(图1)，在欧氏距离为13时分为4类，其中，第Ⅰ类在盐胁迫下对铃数、有效铃数、单株籽棉产量、单株皮棉产量、单铃籽棉重和单铃皮棉重影响极小的1份极强耐盐材料Pimas-4；第Ⅱ类有15份资源材料，包括吉2、阿什蒙、埃及棉424、7045、吉1、跃零2号、75-86、海南长绒棉、海92-1、C-6024、司-6011、卡那壳、8704依、新海4号、比马1均属于强耐盐材料；第Ⅲ类有63份资源材料，包括4399、Pimas-3、PI野生棉、洛赛雅、云南3号、DJ-07-136、8813依、2365B等；第Ⅳ类包括124份资源材料，包括吉扎30、NMGB-14、E24-3389、65-3030-4、MOC-1号、孔雀202、大8、华东海岛棉、新海36等。
图1 综合评价聚类
2.10 回归模型的建立及指标筛选
利用综合评价值作为因变量，各指标耐盐系数作为自变量建立最优回归方程，其中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14分别代表PH、LP、BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY、SCYPP、LYPP。建立逐步回归方程：
Y=0.611X2+0.190X4+0.4886+0.410X9+0.476X11+1.339X14-3.640,R2=0.988,F=2667.378(P<0.01)，这6个数量性状耐盐系数均可作为花铃期海岛棉耐复合盐的指标。
3 讨论
本研究结果表明，在盐胁迫下，海岛棉数量性状耐盐系数如株高、始节高、果枝数、蕾铃脱落数、蕾铃脱落率及单铃籽棉产量呈现下降，衣分、铃数、始节数、有效铃数、有效果枝数、单铃皮棉产量、单株籽棉产量及单株皮棉产量略有上升。研究发现，盐胁迫下Ca2+的存在一定程度上减少了植物对Na+的吸收，K+的选择性向地上部运输，以维持叶片中较高的K+/Na+[18-19]，这可能是致使部分数量性状略上升的主要原因；蕾铃脱落数下降幅度最大，始节数上升幅度最大，表明海岛棉始节数与蕾铃脱落数对复合盐较为敏感；单铃皮棉产量变化幅度较弱，说明对复合盐胁迫反应较为迟钝。研究表明，变异系数大于10.00%，说明群体样本差异明显[20]。复合盐胁迫下还发现各性状变异系数均大于10.00%，单株皮棉产量及单株籽棉产量变异系数最大，表明单株皮棉、籽棉产量变异最大，群体耐盐遗传基础较丰富。株高与果枝数、始节高、铃数呈极显著正相关，与衣分无显著相关，这与王俊铎等[6]的研究一致；果枝数与铃数呈极显著正相关。本研究结果表明，蕾铃脱落率与铃数、始节高、始节数、果枝数、有效铃数、有效果枝数、蕾铃脱落数呈显著相关，其中始节高、蕾铃脱落数呈显著正相关；单铃皮棉产量与衣分呈显著正相关。单株皮棉产量与衣分、铃数、果枝数、有效铃数、有效果枝数、蕾铃脱落数、蕾铃脱落率、单铃籽棉产量、单铃皮棉产量、单株籽棉产量呈显著相关，其中单株皮棉产量与蕾铃脱落率呈显著负相关，其余性状间呈显著正相关。
本研究中，经综合评价发现203份海岛棉资源敏感、中耐盐、耐盐及高耐盐品种各有32、68、79、24份，分别占15.764%、33.498%、38.916%、11.823%。整体来看，大部分海岛棉品种以耐盐及中耐盐品种为主，强耐盐、敏感盐品种相对较少，这与部分学者研究[6,21-22]结果不一致，可能是海岛棉与陆地棉耐盐机理不同及评价指标不同所导致[21,23]。
本研究还发现，不同果枝类型海岛棉资源耐盐性不一致，其中果枝紧凑型海岛棉资源：中耐盐资源最多，耐盐资源次之，敏感、高耐盐资源相对较少；果枝松散型海岛棉资源：耐盐资源最多，中耐盐资源次之，极端资源相对较少。说明果枝松散型较紧凑型海岛棉资源整体耐盐性较好，这可能是所选取松散型海岛棉资源较多所导致，具体原因需进一步深入探究。
海岛棉耐盐属于多指标控制的数量性状。部分学者利用产量直接鉴定种质资源耐盐性[24]，但直接鉴定法忽略了其余指标对耐盐的贡献；还有部分学者利用隶属函数值(μ)来比较种质资源耐盐性[23]，但忽略了各指标对耐盐贡献率的大小；更有部分学者利用主成分综合得分F进行种质资源耐盐性评价[13]和利用主成分及隶属函数结合产生D值来评价种质资源耐性[25-26]。本试验结合利用4种方法分别进行海岛棉耐盐性分类，经相关分析发现，4类耐盐得分值之间存在极显著正相关(P<0.01)，可以统一整合进行综合评价。通过分析发现主成分综合得分、综合得分D较优，隶属函数法及直接鉴定法弊端明显。通过结合4类方法耐盐得分值进行聚类，将海岛棉资源分为4类：第Ⅰ、第Ⅱ类包括16份强耐盐品种；第Ⅲ类以敏感盐品种为主，包括Pimas-3、PI野生棉、洛赛雅等63份；第Ⅳ类以中耐盐品种为主，包括吉扎30、NMGB-14、E24-3389等124份。
植物耐盐是受多指标影响的数量性状[27-28]，因此进行多指标筛选海岛棉耐复合盐指标是有必要的，本试验利用海岛棉综合评价值(CEV)为因变量，14个数量性状耐盐系数为自变量进行逐步回归，发现衣分、始节高、果枝数、蕾铃脱落数、单铃籽棉产量、单株皮棉产量单铃皮棉产量和单株籽棉产量可作为鉴定海岛棉耐复合盐胁迫的指标。
4 结论
海岛棉耐盐是一个复杂的数量性状，因此应选取多指标进行海岛棉耐盐评价。产量是评价的关键影响因子之一，合理利用产量性状进行评价是必要的。本试验利用4类方法结合综合评价海岛棉耐盐性是可行的，并筛选到1份强耐盐材料Pimas-4，其在盐胁迫下表现为铃数、有效铃数、单铃籽棉重、单铃皮棉重、单株籽棉及单株皮棉产量影响较小，株高、始节高、果枝数、蕾铃脱落数和蕾铃脱落率影响较大。本试验结果为花铃期海岛棉耐盐品种的筛选提供了理论基础及鉴定方法。
