基于PEG胁迫的不同棉花资源幼苗根系特征与抗旱性鉴定

2022-12-30张清华韩永亮刘红耀高彩虹唐光雷

湖北农业科学 2022年21期

张清华，韩永亮，孙璐，刘红耀，高彩虹，唐光雷

（邯郸市农业科学院，河北省作物杂种优势研究与利用重点实验室∕邯郸市种质资源创新与分子辅助育种重点实验室，河北邯郸 056000）

中国是一个人多地少水资源匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1∕4［1］，农业用水的利用率仅占35%左右［2］，而发达国家农业用水的利用率在70%～90%，由于中国人均水量少、利用效率低，缺水矛盾和受旱问题更加激化［3］。进入20世纪80年代以来，旱情有加重趋势。作为植棉大国，中国常年棉田面积约500万hm2［4］，其中雨养棉田200万hm2，约占总面积的40%［5］，主要分布在华北平原、黄土高原、长江中游丘陵地带；华北平原耕地面积占17%，而水资源仅占2.3%［5］。黄淮海平原每年干旱成灾面积约占全国旱灾面积的50.5%［5］；为了缓解粮棉争水争地的矛盾，多数棉田种植在水资源较少的地带。在华北黄淮棉区，春旱夏涝常交替出现，导致棉花（Gossypium spp.）苗期经常遇到干旱少雨的情况，因苗期受旱，棉花生长受到抑制，加重了病、虫危害甚至出现死苗、缺苗断垄，造成了棉田生产上巨大的经济损失。为解决上述问题，选育节水抗旱棉花品种不仅是经济有效地增产、稳产措施，而且对扩大植棉面积提高水分利用率、促进节水农业和生态的可持续发展，具有十分重要的意义。

关于作物抗旱性的可遗传性研究，卫云宗等［6］以不同类型小麦进行双列杂交试验发现，抗旱性遗传背景是由加性基因、非加性基因和细胞质基因共同构成，抗旱性的广义遗传力为76.10%，而狭义遗传力则为17.51%，所以抗旱性的鉴定和选择应在高世代；棉花方面，王俊娟等［7］在15.0%PEG胁迫条件下分析41份陆地棉种质资源萌发特点，发现胚根长与抗旱性显著相关；孙瑶等［8］利用PEG模拟干旱胁迫对73份棉花种质芽期的抗旱性进行筛选鉴定，认为发芽率、下胚轴长度和48 h吸水率的相对值可作为抗旱性评价指标；李憬霖等［9］分析了238份棉花资源的全生育期抗旱性，认为株高、单铃重、衣分及可溶性糖含量对干旱胁迫的反应较其他指标更为敏感。目前国内学者对棉花抗旱性鉴定研究多集中在萌发期、苗期和花铃期，而PEG胁迫下棉花幼苗期内不同阶段的根系形态结构变化和抗旱性鉴定的研究则鲜见报道。本研究利用17个不同基因型的陆地棉花种质资源，分别在苗期的1叶1心期、2叶1心期各自进行PEG胁迫处理，通过对比试验观察和测量指标，分析棉花根系根长、根表面积、根总体积、根直径等指标的相对增长率，探讨营养钵条件下模拟干旱对棉花根系的影响，筛选出抗旱品系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试棉花种子来源于综合性状良好的新品系及部分育成品种、杂交组合一代，遗传背景丰富，具有一定的代表性，材料共17份，编号分别为HL27、HL28、HL29、HL31、HL33、HL34、HL42、HL43、HL44、HL45、HL47、HL59、HL60、HL64、HL66、HL68、HL69，由邯郸市农业科学院早熟棉研究室提供。

Hoagland营养液，青岛海博生物技术有限公司；PEG6000，上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计试验于2021年1—3月在邯郸市农业科学院生物技术重点实验室的人工气候室中进行。采用二因素完全随机设计［10］，2因素分别为品种（系）（17个水平）、PEG胁迫时间。其中PEG胁迫时间设2个水平：1叶1心期（t1）、2叶1心期（t2），每个水平各设1个对照。

1.2.2 试验过程取17份棉花材料的种子，每个品种（系）分为4份，其中2份用于处理，2份用于对照。先进行育苗，选取子粒健康、饱满、大小一致的棉花毛子，用75%的乙醇消毒1 min，再经30%的H2O2表面灭菌30 min，用去离子水冲洗4次，27.5℃下浸种24 h，种在装有石英砂的营养钵中。保持营养钵湿润，待长出2片子叶后，用1∕2 Hoagland营养液灌根，光照室中培养，12 h∕12 h（光照∕黑暗）、温度27.5℃，保持相对湿度为60%～80%。每个棉花品种（系）每隔2 d补充1次营养液，观察记录棉花的生长势、整齐度，第一组于1叶1心期时用7.5% PEG6000营养液进行模拟干旱胁迫预处理48 h，再用15.0%PEG6000营养液（与之对应的溶液水势约为-0.4 MPa）对17份材料进行连续灌根，5 d后对棉花各品种（系）苗期抗旱情况进行表型鉴定、指标测量；第二组于2叶1心期时开始上述预处理48 h+处理5 d；第三组（CK）仅用1∕2 Hoagland营养液，对17份材料进行连续灌根；每组材料处理与对照均设3次重复，每个重复选取长势一致的棉苗定苗5株。

1.2.3 指标测量测量的参数指标及计算方法如下。

株高：试验终止时用直尺测量植株基部石英砂平面至植株顶端的高度。

利用WinRHIZO根系分析系统和i800型根茎扫描仪测量根全长、根表面积、根总体积和根部平均直径。所有处理、对照的测量指标均取3株长势最好的幼苗进行测量。各重复取平均值进行统计分析。

根部性状相对增长率=（处理的根部性状测量值-对照根部性状测量值）∕对照根部性状测量值

株高相对增长率=（处理的株高测量值-对照株高测量值）∕对照株高测量值

1.2.4 数据处理

采用Excel 2007软件对数据进行整理，计算出平均数、方差、变异系数，DPS 7.05软件进行统计方差分析、多重比较和系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 棉花幼苗不同时期PEG胁迫对根系特性的影响

棉花幼苗不同时期PEG胁迫与对照的生长指标表现见表1。由表1可知，在15.0% PEG6000胁迫条件下，17份棉花幼苗材料，t1期处理组与对照组的5个指标中根长度显著大于对照、根平均直径和株高均显著小于对照，根总体积明显减小但未达到显著水平，根表面积差异不显著，表明t1期模拟干旱胁迫下植株地下部分和地上部均受到不同程度的抑制；t2期处理组与对照组的5个指标中株高同样显著小于对照，其他4个根部指标与对照差异均不显著，表明t2期模拟干旱胁迫下仅有植株地上部分受到显著抑制。

表1 棉花幼苗不同时期PEG干旱胁迫与对照的生长指标表现

从各性状的变异系数可以看出，t1期处理组变异系数平均值为90.48%，变化幅度为14.68%～188.35%，对照组变异系数平均值为40.04%，变化幅度为19.60%～75.42%，表明模拟干旱胁迫加剧了品种间的根部形态及株高的差异；t2处理组变异系数平均值为24.87%，变化幅度为14.75%～34.81%，对照组变异系数平均值为32.09%，变化幅度为14.92%～50.93%，表明t2期模拟干旱胁迫使品种间根部的形态变异幅度趋于减小，各性状以抑制为主。棉苗的根部性状在干旱胁迫下不能正常表达而趋于一致。

2.2 PEG干旱胁迫下不同时期棉花幼苗根长度的相对增长率

PEG干旱胁迫下棉花幼苗根长度的相对增长率见表2。由表2可知，17个供试材料幼苗根长度的相对增长率品种间差异明显，t1时期干旱胁迫下HL28的根长增长率为-0.14%，表明该品种在PEG胁迫下根的生长略小于对照；其他品种的根长增长率均为正值，表明在PEG胁迫下根的生长大于对照，即在15.0%PEG6000干旱胁迫条件下根反而生长加快。t2时期在15.0%PEG6000胁迫下HL33、HL42、HL43、HL44、HL59的根长增长率均为正值，表明根的生长大于相应对照；其他品种根长增长率均为负值，表明在PEG胁迫下根的生长小于相应对照，即在15.0%PEG6000干旱胁迫条件下根系长度生长变缓。

表2 PEG干旱胁迫下棉花幼苗根长度的相对增长率

2.3 PEG干旱胁迫下不同时期棉花幼苗根表面积的相对增长率

棉花幼苗根表面积相对增长率见表3。由表3可知，17个供试材料的幼苗根表面积相对增长率品种间差异明显，t1期干旱胁迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根表面积增长率均为正值，表明这些品种在PEG胁迫下根的表面积生长大于相应对照，即在15.0%PEG6000干旱胁迫条件下根的表面积增大；其他品种根表面积增长率均为负值，表明在PEG胁迫下根的表面积增长小于相应对照。t2期干旱胁迫下HL33、HL42、HL43、HL59的根表面积增长率均为正值，HL44、HL64为0，表明6个品种的根表面积大于或等于相应对照，在15.0%PEG6000干旱胁迫条件下根表面积增加较快或基本不受影响；其他品种表面积增长率均为负值，表明在PEG胁迫下根的表面积小于相应对照。t2期比t1期负值的品种减少，表明根表面积抗旱性随着棉花的生长而增强。

表3 棉花幼苗根表面积相对增长率

2.4 PEG干旱胁迫下不同时期棉花幼苗根总体积的相对增长率

棉花幼苗根总体积的相对增长率见表4。由表4可知，17个供试材料的幼苗根总体积相对增长率品种间差异明显，t1期干旱胁迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根总体积增长率均为正值，表明这4个品种在PEG胁迫下根的总体积大于相应对照，其他品种根体积增长率均为负值，表明在PEG胁迫下根的体积小于相应对照。t2期干旱胁迫下HL33、HL43、HL59、HL64、HL69的根体积增长率均为正值，其他品种根体积增长率均为负值，表明在PEG胁迫下根的体积小于相应对照，即在干旱胁迫条件下这12个品种的根系体积受到抑制。

表4 棉花幼苗根体积相对增长率

2.5 PEG干旱胁迫下不同时期棉花幼苗根直径的相对增长率

棉花幼苗根的平均直径相对增长率见表5。由表5可知，17个供试材料的幼苗根平均直径相对增长率品种间差异明显，t1期干旱胁迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根直径增长率均为正值，表明该品种在PEG胁迫下根直径大于相应对照；其他品种根直径增长率均为负值，表明在PEG胁迫下根的直径小于相应对照，即在15.0%PEG6000干旱胁迫条件下根的直径受到抑制。t2期干旱胁迫下HL27、HL28、HL33、HL34、HL43、HL45、HL59、HL64、HL68、HL69的根平均直径均为正值，表明根的直径大于相应对照；其他品种均为负值表明在PEG胁迫下根直径小于相应对照，即在15.0%PEG6000水分胁迫条件下根系直径生长变缓。t2期比t1期正值的品种数量增加，表明根直径抗旱性随着棉花的生长而增强。

表5 棉花幼苗根平均直径相对增长率

2.6 PEG干旱胁迫下不同时期棉花幼苗株高的相对增长率

棉花幼苗株高的相对增长率见表6。由表6可知，17个供试材料的幼苗株高相对增长率品种间差异明显，t1期干旱胁迫下HL31、HL42、HL47、HL43、HL59、HL64、HL66的株高增长率大于或等于0，表明这些品种受旱胁迫影响较小；其他品种株高增长率均为负值，表明在PEG胁迫下棉花地上部分生长受到抑制。t2期干旱胁迫下HL27、HL28、HL31、HL33、HL34、HL42、HL60、HL64、HL66、HL68、HL69的株高增长率均为负值，表明这些品种在干旱胁迫下株高受到抑制。

表6 棉花幼苗株高相对增长率

2.7 干旱胁迫下17个棉花品种5个主要指标的系统聚类分析

以17个棉花品种根系的根长度、株高、根系平均直径、根总体积、根表面积的相对增长率5个指标作为变量，在DPS 7.05软件中进行系统聚类分析，结果见图1。

由图1可知，在欧氏距离1.97～3.95下，将供试17个棉花品种（系）可以分为3类：第一类HL64单独为一类，在t1期、t2期均表现出较强的抗旱性；第二类包括LH28、HL59、HL66、HL60，这4个品种在t1期抗旱性表现较好，t2期抗旱性指标有所下降但仍表现抗旱性；第三类为HL31、HL47、HL68、HL27、HL45、HL33、HL44、HL29、HL69、HL34、HL43、HL42，该类下又可以分为2类，一类为HL31、HL47、HL68，这3个品种在2个时期对干旱胁迫均较敏感，表现较差；另一类为HL27、HL45、HL33、HL44、HL29、HL69、HL34、HL43、HL42，这9个品种普遍在t1期较敏感，t2期抗旱性略有增强。

图1 17个棉花品种聚类分析

3 讨论

作物干旱的发生通常是一个渐进的过程，由于土壤水分逐渐减少，干旱症状逐渐显出。本研究采用7.5%PEG6000预处理48 h模拟轻度干旱，再由15.0%、7.5%PEG6000处理5 d模拟中度干旱条件，发现在t1期和t2期轻度干旱处理下的植株表型与对照均无差别，这与李平等［11］、南建福等［12］的研究结果基本一致。说明PEG分梯度胁迫模拟干旱的方法更接近田间的干旱表现。

通过对处理组与对照组进行比较，结合显著性分析发现，t1期的根长度、根平均直径、株高指标差异显著，t2期仅有株高差异显著，表明t1期比t2期更容易受到PEG的影响。这与张雪妍等［13］的棉花从萌发期到真叶期的抗旱性呈先下降再升高的趋势的结论有一定的相似性，说明在真叶期，棉花抗旱性随着棉花的生长发育而呈增强趋势。本研究通过对根系相对增长率的比较分析发现，棉花抗旱性由多个根部指标综合表现决定。在t1期虽然大部分品种的根长明显增长，但是仅有少数能表现出抗旱性。综合其他根部性状来看，能在干旱条件下维持较大的根体积和表面积并具有稳定的根直径的棉花品种，均具有较好的抗（耐）旱性。这与张海燕等［14］的抗旱棉花品种的根系在旱胁迫条件下依然能够保持较好生长趋势的研究结果非常相近。