棉花抗逆性鉴定技术标准体系的建立

郑曙峰，王延琴，徐道青，彭 军，阚画春，刘小玲，王 维，陈 敏，李淑英

（1安徽省农业科学院棉花研究所，合肥 230031；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）

0 引言

逆境是作物生产的主要限制因素，逆境可以限制作物的分布，降低作物的产量和品质，甚至造成绝收。广义上，超出作物生存与发育适宜临界范围的环境因素统称为逆境，根据环境因素的不同可将逆境分为生物逆境、非生物因素逆境或生态逆境、人为逆境和复合逆境。狭义上，作物生产上所称的逆境一般指非生物逆境或生态逆境，主要有干旱、渍涝、盐碱、高温热害和低温冻害冷害等[1-2]。逆境对作物的作用称为环境胁迫。棉花是中国主要的经济作物，分布区域广，生产周期长，受逆境胁迫影响大。培育和筛选抗逆性强的棉花品种是降低逆境灾害影响的主要途径，而研究棉花品种的抗逆性鉴定技术和标准是至关重要的基础工作。近年来，国内外学者研究了多种棉花抗逆性鉴定方法，主要包括直接鉴定法和间接鉴定法，但这些鉴定方法存在技术复杂、鉴定指标不统一且难以获得、试验重现性差等问题，难以形成具有共同使用和重复使用、经充分协商一致等特征的技术标准。为此，本研究分析了棉花5种常发易发非生物逆境（生态逆境）抗逆性鉴定的鉴定内容、鉴定时期、鉴定方法、鉴定指标和抗逆性判定级别等，总结了抗逆性鉴定标准制定和标准体系建立的基本原则、框架和内容等，提出了进一步研究的基本思路，为棉花抗（耐）非生物逆境遗传改良和品种筛选、引种、大面积推广应用提供技术和标准支撑。

1 抗逆性鉴定概述

抗逆性鉴定是作物抗（耐）非生物逆境遗传改良和品种筛选的基础。研究作物抗逆性鉴定方法，就是找出不同作物品种在不同逆境中表现出的产量、品质、形态、解剖、生理生化等指标的差异，并进行分级。抗逆性鉴定一是要找出作物对逆境胁迫的敏感期和敏感组织部位，从而确定最佳鉴定时期，如在作物水分临界期进行抗旱性鉴定，而非水分临界期只作参考；二是要找出鉴定方法，目前作物抗逆性鉴定方法主要有直接鉴定和间接鉴定两大类。

1.1 直接鉴定法

直接鉴定法是在自然逆境或人工模拟逆境条件下，研究不同作物品种的受害程度（形态、发育阶段、生长速度的变化）、产量降低程度和作物植株（整株或分蘖）死亡率或存活指数(FSI)等，并与对照品种比较，然后划分出鉴定品种的抗逆性级别。人工模拟逆境难以完全代表千变万化的自然逆境，多数人工模拟逆境条件下只能通过盆栽或小区对植株个体进行鉴定，其鉴定结果往往难以反映逆境下植株群体特征，因此，人工模拟逆境的鉴定结果还需与自然逆境条件下的鉴定结果相印证[1-2]。

除常用的直接鉴定法外，还有些独特的鉴定方法，例如：在抗寒性鉴定方面，根据冬小麦分蘖节的埋土深度、幼苗匍匐性、叶片宽窄、半致死温度(LD50)等鉴定抗冻性，利用冷水串灌法鉴定水稻的抗冷性；在抗旱性鉴定方面，一是通过反复干旱处理进行鉴定，二是模拟逆境对作物的某个生育期或植株器官进行鉴定，如利用聚乙二醇(PEG6000)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等高渗溶液可对植物产生生理性缺水干旱的特性，通过测定种子在高渗溶液中的发芽率和幼苗生长状况来鉴定其抗旱性；在耐盐碱性鉴定方面，采用不同浓度盐溶液、盐培养基模拟盐逆境，调查计算作物盐害指数，从而鉴定其耐盐碱性[3-4]。

1.2 间接鉴定法

从解剖学、细胞学、植物生理生化等不同方面找到反映作物的实际抗逆性水平的方法称为间接鉴定法[3-4]，如通过测定作物生物膜的成分和结构，以及对高温逆境特异蛋白质等辅助指标进行快速鉴定耐热性。

通过研究不同逆境条件下起主导作用和最先开始的生理生化指标变化，研究出更简捷更早期的鉴定方法是间接鉴定法的关键，也是其优势所在。其中，有些方法适应于所有作物不同逆境的抗逆性鉴定，如利用作物在逆境条件下细胞膜结构的变化情况而采用的电解质外渗法（电导法），测定作物体内水分（自由水和束缚水）的变化规律、脯氨酸含量、呼吸强度的改变等来鉴定抗逆性。有些方法是专门用于测定某些作物对某种逆境的抗性，如采用高渗溶液（甘露醇）处理，测定叶片相对含水量及饱和水亏、叶水势、气孔阻力和蒸腾速度鉴定作物的抗旱性；用氯化三苯四氮唑(TTC)还原，测定分蘖节处的细胞液浓度的变化、β-呋喃果糖酶活性、含磷量等鉴定小麦的抗冻性；用细胞质壁分离、植物体内K+/Na+比值、甘氨酸甜菜碱含量等鉴定耐盐性。

由于生物体的发育时期和抗逆差异一般比种属间的差异小，往往被难以控制的环境因素干扰而不易区分。因此，采用多项指标的综合评价，才能比较准确地鉴定作物的抗逆性。

2 棉花抗逆性鉴定标准体系

2.1 标准制定的基本原则

棉花抗逆性鉴定标准的制定，需要遵循如下的基本原则，一是按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草，具有规范性；二是需在多年的棉花科学研究获得的技术、方法和参数等综合成果的基础上制定，具有科学性；三是试验方法简捷、成熟、经济高效、易操作，所需要的仪器、设施设备通用性好，鉴定指标易获得，试验重现性好、结果可靠，具有实用性；四是既要考虑现实需要，又要兼顾未来发展的趋势，具有现实性和适度前瞻性；五是形成的标准须经充分协商一致，可以被共同使用和重复使用。

2.2 标准体系的框架和内容

棉花抗逆性鉴定标准体系主要包括鉴定内容（棉花对干旱、渍涝、盐碱、高温和低温等非生物逆境或生态逆境的抗性）、鉴定时期、设施设备、鉴定方法、判定指标和抗逆性分级，详见表1。

表1 棉花抗逆性鉴定技术标准体系

2.3 抗逆性鉴定方法

2.3.1 抗旱性鉴定 前人研究了一些棉花抗旱性鉴定方法[9-11]，采用形态特征如株高、果节数、单株成铃数、花铃期叶片数、有效果枝数等）、产量如籽指、单铃重、收获指数等和生理生化指标如脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、过氧化氢酶等作为抗旱鉴定指标，但这些鉴定方法因技术复杂、判定指标获取难等原因，难以形成技术标准。王延琴等[12]通过多年研究、示范和验证，参考棉花[13-15]、玉米[16-17]、水稻[18]、小麦[19]、油菜[20]和大豆[21]等作物抗旱性鉴定方法和标准，遵照标准制定的基本原则，确定了棉花抗旱性鉴定标准采用的如下3种方法[5]：一是种子萌发期采用15%PEG6000 高渗溶液模拟干旱胁迫法，以种子的相对发芽率作为抗旱性鉴定指标；该方法具有鉴定速度快、结果可靠、效率高等特点，适宜对大批量棉花品种资源的抗旱性鉴定筛选。二是幼苗期采用“3 次干旱胁迫——复水”法，以相对存活率作为抗旱性鉴定指标；该方法简单易行而且经济，结果比较可靠，是大批量鉴定品系苗期抗旱性的有效方法。三是全生育期干旱处理法，用干旱处理和对照的子棉单产来计算抗旱指数，以抗旱指数作为抗旱性鉴定指标；该方法符合生产实际，评价更可靠。在进行品种大面积推广应用和引种时，将3种方法相结合，综合评定各生育期的抗旱性，从而提高抗旱鉴定结果的可靠性和科学性。

2.3.2 耐渍涝性鉴定 刘小玲等[22-23]通过多年研究、示范和验证，参考前人研究的棉花耐渍涝性鉴定方法[24-26]和其他作物[27]、芝麻[28]、油菜[29-30]等耐渍涝性鉴定方法和标准，遵照标准制定的基本原则，确定了棉花耐渍涝性鉴定标准采用的如下2种方法[6]：一是种子萌发期淹水处理下进行发芽实验法，正常发芽作为对照，用供试样品淹水处理下的出苗率和对照处理出苗率来计算耐涝指数，以耐涝指数作为耐涝性鉴定指标。二是盛蕾期淹水处理法，不淹水处理为对照，用供试样品淹水处理下的子棉产量和对照处理子棉产量来计算耐涝指数，以耐涝指数作为耐涝性鉴定指标。根据试验条件，鉴定大批量样品时，宜采用室内发芽出苗期鉴定；鉴定小批量样品时，可采用室内发芽出苗期鉴定和田间盛蕾期鉴定相结合，田间盛蕾期鉴定结果作为验证。

2.3.3 耐盐性鉴定 王延琴等[12]通过多年研究、示范和验证，参考前人研究的棉花[31-35]、花生[36]耐盐性鉴定方法和标准，遵照标准制定的基本原则，确定了棉花耐盐性鉴定标准采用的如下3 种方法[7]：一是种子萌发期，用1.5%NaCl 溶液模拟盐分胁迫进行发芽实验，以相对发芽率作为耐盐性鉴定指标。二是苗期0.4%NaCl溶液模拟盐分胁迫，以棉苗相对存活苗率作为耐盐性鉴定指标。三是全生育期0.4%NaCl溶液模拟盐分胁迫，用待测品种盐胁迫处理下子棉产量和对照子棉产量来计算耐盐指数，以耐盐指数作为耐盐性鉴定指标。

2.3.4 耐冷性鉴定 通过多年研究、示范和验证[8]，参考前人研究的棉花[37-40]、花生[41]耐冷性鉴定方法，遵照标准制定的基本原则，确定了棉花耐盐性鉴定标准采用的如下方法[8]：12℃低温胁迫下进行发芽实验，25℃发芽试验为对照，相对发芽率作为耐冷性鉴定指标。

2.3.5 耐热性鉴定 通过多年研究、示范和验证[8]，参考前人研究的棉花[42-44]、玉米[45]、水稻[46]等耐热性鉴定方法和标准，遵照标准制定的基本原则，确定了棉花耐盐性鉴定标准采用的如下方法[8]：盛花期40℃高温胁迫处理15～20 d，用成铃数和脱落数计算耐热指数，以耐热指数作为耐热性鉴定指标。

3 展望

近年来，国内外学者对棉花干旱、渍涝、盐碱、高温热害和低温冻害冷害等5种非生物逆境抗性鉴定方法开展了研究，但这些鉴定方法存在技术复杂、鉴定指标不统一且难以获得、试验重现性差等问题，难以形成具有共同使用和重复使用、经充分协商一致等特征的技术标准。郑曙峰、王延琴、阚画春等人通过多年研究、示范和验证，并总结参考前人研究成果，制定了5种非生物逆境抗性鉴定方法标准，形成了棉花抗逆性鉴定标准体系。但是，这些标准所采用的鉴定方法试验周期长、不能鉴定复合逆境抗性，因此，还需进一步优化和完善。笔者认为，进一步研究的方向主要包括[47]：（1）探索基于光谱/高光谱等新技术监测逆境条件下生理生化指标差异从而快速便捷无损鉴定抗逆性的技术；（2）进一步研究作物在复合逆境下（如：低温+病害、高温热害+干旱、干旱+盐碱、渍涝+高温、低温+寡照、等）抗逆性的鉴定方法；（3）抗逆性鉴定时，除考察逆境对产量性状的影响外，还需研究对品质性状的影响，从而更进一步研究更全面和更深层次的抗逆性；（4）研究通过分子生物学手段直接找出相关抗逆基因[48-50]，以此来鉴定抗逆性。