基于主成分分析和隶属函数的棉花种子萌发期耐涝性鉴定评价

罗礽兰，胡道武，王静静，潘兆娥，贾银华，何守朴，王立如，庞保印，陈全家，杜雄明*

（1.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；2.中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000）

棉花是我国重要的经济作物之一，2021 年全国棉花播种面积为302.81 万hm2，棉花总产量为573.1 万t[1]。棉花的生长发育易受涝渍影响。根系是直接遭受涝渍胁迫的器官，短期的涝渍胁迫会诱导植物根系变粗壮[2]，而长时间的淹涝胁迫则会使主根变短，严重时甚至会发生沤根而导致植株萎蔫、死苗。涝害胁迫使土壤中缺乏氧气，引起根系呼吸作用减弱、根系细胞死亡、细胞膜质过氧化加剧、抗氧化物酶活性降低、叶绿素降解、植株干物质的积累与转运受到抑制[3]。研究表明棉花生长发育期间遭遇阶段性的淹水后产量损失可达40%[4]，持续淹水会引起棉花减产甚至绝收。培育耐涝性棉花品种是应对涝害胁迫最为经济有效的方法，因此筛选和鉴定耐涝性棉花种质资源尤为重要。

植物耐涝性的鉴定方法主要有田间直接鉴定法[5]、盆栽模拟淹水法[6]、人工模拟气候箱法[7]、高通量表型平台法[8]等。田间直接鉴定法操作简单、无需特殊设备，但是受环境因子的影响较大，往往需要多年多点的重复鉴定才能准确评价品种的耐涝性，所需时间长、工作量大[9]。盆栽模拟淹水法简单易行，可通过调整注水量造成不同程度的涝渍胁迫，且可在环境可控的玻璃温室或人工气候室中进行，重复性较好，适合苗期大规模群体的耐涝性鉴定，但是长期处理下植物根系的生长发育易受抑制[10]。人工模拟气候箱法可有效控制环境条件，耐涝性鉴定结果较为可靠且重复性较好，但需要特殊设备、能源消耗较大，且不适于大批量种质材料的鉴定[11]。高通量表型平台法克服了传统表型鉴定方法效率低、误差大、费时费力、鉴定材料规模较小等缺点，但是技术复杂、成本较高[12]。而室内鉴定法简便易行，周期短，受地势、气候等环境因素干扰也较小，适用于批量棉花种质资源材料的耐涝性鉴定。

种子萌发期的生长状况直接影响植物后续的生长发育。目前关于棉花苗期、蕾期、花铃期遭受涝害胁迫后的形态特征、生理生化指标变化等方面已有报道[13]，但关于棉花种子萌发期涝渍胁迫的相关研究还未见报道。2021 年7-9 月，河南省安阳市、郑州市和新乡市等地遭受了洪涝的袭击，给当地的作物生产带来了较大的影响。2021 年9 月份，笔者团队在安阳市对受涝后的棉花群体做了初步的田间调查，发现不同的棉花品种（系）的耐涝性有所不同，其中402 和晋棉36 等受涝害的影响相对较小，而苏棉9 号和宛棉3 号等受涝害的影响较大。为能批量地对棉花种质资源的耐涝性进行室内鉴定，选取了晋棉36、冀丰908、宛棉3 号、TM-1、402 和苏棉9 号这6 个陆地棉品种（系），以萌发期的出苗率、株高、主根长、叶绿素含量（SPAD 值，soil and plant analyzer development value）、幼苗鲜物质质量、幼苗干物质质量为指标，鉴定并评价其耐涝性，初步探索适用于大批量棉花种质资源材料耐涝性鉴定的方法。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用6 个陆地棉品种（系）晋棉36、冀丰908、宛棉3 号、TM-1、苏棉9 号和402，均由国家棉花种质中期库（河南省安阳市）提供。

1.2 试验方法

参照 《棉花耐渍涝性鉴定技术规程》（NY/T 3567-2020）[14]，选取颗粒饱满、大小一致的棉花种子，用蒸馏水浸泡4 h 后，播种于装有沙土的发芽盒中，每个发芽盒播种8 粒种子。所有发芽盒均置于人工气候室（28 ℃，光照/ 黑暗时间为16 h/8 h，相对湿度65%）中培养，设置对照和淹水处理，每个材料设置3 个重复。对照处理按标准发芽试验进行发芽；淹水处理为向塑料盆中灌水，至水面高于发芽盒中沙面1 cm 为止。每日换水以防止棉种腐烂影响试验结果。淹水6 d 后排去多余水分并在正常环境下恢复生长8 d。于排水后的第9 天，随机选取对照和淹水处理的植株进行性状调查或测定。

1.3 测定指标与方法

测定对照处理组和淹水处理组中各供试材料的出苗率、株高、主根长、子叶SPAD 值、幼苗鲜物质质量和幼苗干物质质量。其中，出苗率＝（出苗数÷播种种子数）×100%。选取3 株幼苗，使用叶绿素计SPAD-502 PLUS（日本柯尼卡美能达）测定子叶的SPAD 值，每片子叶选取3 个位点进行测量。选取8～12 株棉花，采用直尺直接测量法测定其株高（从植株基部至主茎顶端的长度）和主根长。选取8～12 株棉苗，使用电子天平称量幼苗鲜物质质量；于105 ℃烘箱中杀青20 min，然后在80 ℃下烘干至质量恒定后称量幼苗干物质质量。幼苗鲜物质质量和干物质质量均是以单株平均值数据来表现的。

1.4 相关指标的计算

以陆地棉萌发期各性状的耐涝系数来评价其耐涝性。耐涝系数＝处理组指标值÷对照组指标值×100%。

参考程建权[15]模糊数学建模的方法计算综合指标式中：CIi表示第i个综合指标；Eij表示第i个主成分第j个单项指标对应的特征向量；xj表示第j个单项指标值。

隶属函数μi、综合指标权重Wi及综合评价隶属函数值D参照王贺正[16]的方法计算。μi＝（Xi-Ximin）/（Ximax-Ximin），i＝1，2，…，n。式中：μi表示i综合指标的隶属值；Xi表示某品种（系）i综合指标，即CIi；Ximax、Ximin分 别 表 示i综 合 指 标 的 最 大 值 和 最小值，即CIimax和CIimin。Wi＝Pi/ΣPi。式中：Wi为第i个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；Pi为各基因型材料第i个综合指标的贡献率。D＝∑（μi×Wi）。式中：D值为各基因型棉花材料在涝渍胁迫条件下根据综合指标评价所得的耐涝性综合评价值，可用来表示综合耐涝能力的强弱。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2021 进行数据处理，利用SPSS 24.0 软件进行主成分分析及聚类分析（组内联接法）。

2 结果与分析

2.1 淹涝胁迫对不同陆地棉材料萌发期生长的影响

淹涝胁迫处理6 d 恢复8 d 后，6 个供试棉花品种（系）的出苗率、株高、主根长、子叶SPAD 值、幼苗鲜物质质量、幼苗干物质质量与对照组相比均有所下降（耐涝系数＜100%），但不同品种（系）的各单项指标的变化幅度不同，因此用不同单项指标的耐涝系数来评价各品种（系）萌发期的耐涝性，其结果可能不同（表1）。例如：若从出苗率、株高、主根长、SPAD 值以及幼苗鲜物质质量这5 个指标的耐涝系数来评价，供试材料402 的耐涝系数均较高，表明其耐涝性可能较强；而若从幼苗干物质质量的耐涝系数来看，则其耐涝性相对较弱。

表1 淹涝胁迫处理后供试棉花品种（系）各性状及其耐涝系数的比较

2.2 棉花种子萌发期耐涝性综合评价

2.2.1主成分分析。利用SPSS 24.0 软件对6 个单项指标的耐涝系数进行主成分分析，前2 个主成分的贡献率分别为71.344%和18.367%。第1 主成分得分表达式为CI1＝0.424x1＋0.445x2＋0.435x3-0.195x4＋0.466x5＋0.421x6；第2 主成分得分表达式为CI2＝-0.025x1＋0.367x2-0.129x3＋0.853x4-0.140x5＋0.320x6。在第1 主成分得分表达式中，幼苗鲜物质质量（x5）、株高（x2）、主根长（x3）、出苗率（x1）、幼苗干物质质量（x6）的特征值较大，分别为0.466、0.445、0.435、0.424 和0.421。在第2 主成分得分表达式中，SPAD 值 （x4）的特征值最大，为0.853（表2）。表明幼苗鲜物质质量、株高、主根长、出苗率、幼苗干物质质量和SPAD 值这6 个指标的方差贡献率较大，可作为棉种耐涝性评价的依据。

表2 各指标主成分的特征向量、贡献率及权重

2.2.2隶属函数分析。对每个品种（系）的综合指标、隶属函数值和综合评价值分别进行计算，结果见表3。供试材料的综合评价值表现为402＞晋棉36＞冀丰908＞宛棉3 号＞苏棉9 号＞TM-1。其中402 的综合评价值最大（1.000 00），说明它是耐涝性较强的品系；其次是晋棉36，其综合评价值为0.630 08；TM-1 的综合评价值最小（0.059 18），说明它是耐涝性较弱的材料。

表3 供试棉花品种（系）的耐涝性综合评价结果

2.2.3聚类分析。基于综合评价值（D值），采用系统分类的组内联接法，对各参试材料的耐涝性进行聚类分析（图1）。结果表明：当欧式距离为10 时，6个参试材料可分为2 大类。第1 类（C1）包括晋棉36 和402，可视为高耐涝品种（系）；第2 类（C2）包含苏棉9 号、TM-1、宛棉3 号以及冀丰908，可视为低耐涝品种（系）。

图1 6 个供试陆地棉品种（系）基于耐涝性的聚类分析

3 讨论与结论

在外界环境胁迫下，植物会启动一些应激反应以缓解自身所受损伤，从而导致农艺性状发生不同程度的改变。本研究发现，淹涝胁迫下6 个陆地棉品种（系）的出苗率、株高、主根长、子叶SPAD 值、幼苗干物质质量、幼苗鲜物质质量与对照组相比均有所下降，这与已报道的研究结果类似，但本研究中不同品种（系）的各单项指标的变化幅度不尽相同。蔡艾君[17]对729 份棉花材料苗期的耐湿性进行鉴定，筛选出28 份死苗率为0 的高耐湿材料。罗振等[18]指出，在苗期棉花受到涝渍胁迫后，植株干物质质量和叶片净光合速率逐渐降低，叶片的叶绿素含量也降低。梁哲军等[19]指出苗期遭遇湿害会显著降低棉花的株高和叶片光合速率。棉花的产量、纤维品质、抗逆性等农艺性状是由多基因控制的复杂性状[20]。其中耐涝性通过多个性状表现出来，是较为复杂的综合性状。因此，要准确鉴定棉花材料的抗性，应根据多个指标进行综合分析，不能仅根据某个单一生理生化指标进行判定。

主成分分析是数据降维的一种方法，采用主成分分析既能减少变量的个数，又能体现变量间的内在联系[21-22]。陈杰等[23]采用主成分分析法对西瓜砧木幼苗的株高、茎粗、根长、地上部鲜物质质量、根系鲜物质质量、地上部干物质质量、根系干物质质量、叶绿素含量等12 个性状指标进行了分析，发现以根长、地上部干物质质量、根系干物质质量、叶绿素含量和光合速率作为耐涝性鉴定的综合指标评价效果较好。本研究对萌发期涝渍胁迫下6 个棉花品种（系）的6 个单项指标进行主成分分析，结果表明前2 个主成分的累计方差贡献率为89.71%，其中主成分1 的方差贡献率为71.34%；幼苗鲜物质质量、株高、主根长、出苗率、幼苗干物质质量和SPAD 值可作为萌发期棉花耐涝性的鉴定指标。

隶属函数分析是在多指标测定基础上对材料的特性进行综合评价的途径之一[24]。刘小玲等[25]利用铃重、干物质质量等为指标，通过隶属函数值的比较，从9 个棉花品种中筛选出2 个耐涝品种。本研究通过隶属函数法计算棉种萌发期6 个指标的综合得分，进行隶属函数值的比较，发现棉花品系402 的耐涝性最强，而TM-1 的耐涝性最差。

聚类分析被视为是一种无管理模式的识别方法，可对相同或相似的一类数据进行划分[26]。佳秋等[27]以叶绿素、可溶性蛋白和可溶性糖的含量以及多种酶的活性等为指标，通过主成分分析及聚类分析，基于耐涝性强弱将10 个辣椒品种（系）分成了3 大类，并从中筛选出了1 个最耐涝的辣椒品种。本研究通过聚类分析将6 个参试棉花材料分为2大类：第1 类（C1）包括晋棉36 和402，可视为高耐涝品种（系）；第2 类（C2）包含苏棉9 号、TM-1、宛棉3 号以及冀丰908，可视为低耐涝品种。本研究的耐涝性鉴定评价结果与2021 年7 月份河南省安阳市棉田受淹涝胁迫后供试材料的性状表现相一致。

迄今为止，关于棉花萌发期的耐涝性研究鲜有报道。本研究基于《棉花耐渍涝性鉴定技术规程》，并在此基础上加入了株高、主根长、子叶SPAD 值、幼苗鲜物质质量和幼苗干物质质量这5 个指标进行综合分析，最后根据综合得分进行聚类分析以评价棉种的相对耐涝性。本研究的方法具有简便易行的优点，适于大批量棉花种质资源的耐涝性鉴定。但本研究因选择的材料较少且测定指标较少，仅仅是批量种质资源耐涝性鉴定方法的前期探索。后续，将根据本研究的方法继续对大批量棉花种质资源的耐涝性进行鉴定和评价，并对筛选出的部分耐涝性强（弱）的代表材料进行相关生理生化指标（如光合作用、根系活力、过氧化物酶活性等）的测定[28-29]。