棉花抗旱性综合评价及其相关性分析

王月平, 徐剑文, 赵 君, 刘剑光, 王宁山, 程俊凌, 冯国礼, 艾尼江, 陈全家, 肖松华,

(1.新疆农业大学农学院,新疆 乌鲁木齐 830052; 2.江苏省农业科学院经济作物研究所/农业农村部长江中下游棉花和油菜重点实验室,江苏 南京 210014; 3.石河子农业科学研究院,新疆 石河子 832000)

棉花是新疆重要的经济作物,对当地农民的增收致富具有重要意义,同时是中国经济发展和粮食安全布局中的重要一环。新疆是中国最大的产棉区,年产量在5.0×106t左右,占国内棉花产量的80%以上,占国内纺织业总需求的64%以上,承担了中国棉花供给的重任。得益于农业科技的提升以及本地良好的光热条件,新疆地区棉花的产量逐年提升[1]。但由于当地独特的地理环境,有限的降雨极大地限制了新疆棉花的生产,同时也对当地水资源环境带来愈加严峻的压力。进一步提高棉花的抗旱性是解决这一困境积极有效的方式,因此建立一套准确高效的抗旱鉴定方法对棉花品系进行鉴定筛选是完成这一育种目标不可或缺的途径。

作物在受到干旱胁迫时,对环境的适应和抵御能力被称为抗旱性。国内外学者在各种作物的各个生育时期,针对作物抗旱性鉴定及抗旱指标筛选开展了大量研究[2-6]。在抗旱性鉴定方法上,目前主要采用室内盆栽反复干旱法、大田直接鉴定法和聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)渗透胁迫法等在不同的空间、胁迫程度、胁迫方式、生长时期对作物的抗旱性进行鉴定。PEG水溶液作为一种高渗溶液调节剂,具有保持稳定渗透压、不含营养物质、无毒害、重复性好、使活细胞缓慢吸水、可模拟田间干旱环境等特征,被广泛应用于各种植物的抗旱性研究中[6-12]。在棉花中,PEG也被用于各生育期的抗旱性鉴定。张雪妍等[13]利用PEG-6000渗透胁迫法进行棉花萌发期的抗旱性鉴定;王晨[14]利用PEG-6000处理棉花植株,发现在相同的干旱胁迫条件下,耐旱棉花品种具有更强的生理调控和生长维持能力。室内PEG渗透胁迫具有简单易行、环境条件可控、重复性好、试验周期短等优点,适用于棉花抗旱性的筛选工作。

与抗旱相关的表型性状多为数量性状,受环境和多基因控制。在作物的不同生长发育阶段,不同的鉴定指标被用于抗旱性鉴定。作物受到干旱胁迫时,表型形态和生存能力会发生变化,表型差异和成活率常被用作抗旱性的鉴定指标[15-16]。在棉花的各生长发育时期,不同的鉴定指标被选择用来对抗旱性进行鉴定。在萌发期,随着水势的下降,棉花的发芽率、发芽速度、发芽指数等均出现不同程度的降低,常被选择用于抗旱性鉴定[17];在苗期,棉花的植株干质量、根干质量、主根根长常被选择作为抗旱性鉴定指标[18];在成株期,单株产量、果枝数、果节数、始节位和始节高度等农艺性状常作为抗旱性鉴定的评价指标[19]。

植物在受到干旱胁迫后,会发生包括光合作用、渗透调节物质代谢、抗氧化酶活性等在内的一系列生理生化响应,从而改变植株的外部形态。这些生理指标的变化反映了作物在干旱胁迫下受到的不同程度的影响[2,20-21]。研究结果表明,可溶性糖(Soluble saccharide, SS)会在受到干旱胁迫的植物体内积累,通过降低渗透势保持植物细胞水分,从而提高植物抗旱性;植物体内各种抗氧化物酶的活性差异也与植物的抗旱能力紧密相关,其中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和过氧化物酶(Peroxidase,POD)具有清除氧自由基的能力,其活性的提高能够增强植物的抗逆性[22]。此外,作物叶片的相对含水量、可溶性蛋白质含量、丙二醛(Malonaldehyde, MDA)含量也是与抗旱性显著相关的重要生化指标,其中MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一,它的积累会加剧生物膜的损伤[23]。在棉花中,POD活性、MDA含量、脯氨酸(Proline, PRO)含量、叶片相对电导率、离体叶片失水速率等均是抗旱鉴定的重要指标[19]。

为建立棉花资源抗旱性鉴定评价体系,本研究拟利用PEG渗透胁迫法对苗期陆地棉品系进行模拟干旱处理,在调查苗期植株表型性状的同时,对生理指标也进行测定,通过主成分分析法、隶属函数法、聚类分析等统计方法对棉花抗旱性进行综合评价,建立苗期综合抗旱鉴定模型。进一步与成株期田间抗旱鉴定结果进行比较,对模型的精度进行评价,筛选抗旱资源和干旱敏感资源,为棉花抗旱育种工作提供重要理论和材料基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用50份棉花资源中11份(中资1061、中资1091、中资1149、中资1155、中资1161、中资1194、中资1205、中资2017、中资2130、中资4120、中资6170)由中国农业科学院棉花研究所提供,6份(通大007、通大049、通大050、通大414、通大521、泗抗1号)由南通大学生命科学学院提供,其余33份材料由江苏省农业科学院经济作物研究所多年收集并保存。

1.2 苗期指标的测定

称量50 g育苗基质装入底部带有孔洞的纸杯(上口径7 cm,下口径5 cm,高5.8 cm)。挑选大小一致且饱满的棉花种子浸泡在清水中催芽24 h后播种,1杯1粒。设3次重复,每个重复15粒种子,在托盘上随机摆放。

表型性状的调查:待幼苗生长到两叶一心,浇灌25% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫,每杯50 ml,以清水处理作为对照。处理当天和7 d后分别取子叶、第二片真叶和茎,测定地上部鲜质量和根鲜质量,105 ℃杀青15 min,60 ℃烘干72 h之后测定干质量;测量地上部最低处到第一个子叶节的高度为子叶节高度,同时测量棉花幼苗主根长度。

生理指标的测定:参考《植物生理学实验指导》,采用酸性茚三酮法测定植物体内PRO含量,采用黄嘌呤氧化酶法测定SOD活性,采用POD催化过氧化氢的原理来测定POD活性,采用硫代巴比妥酸法测定MDA含量,采用蒽酮比色法测定SS含量[24]。本试验中生理指标均使用南京建成生物工程研究所的试剂盒进行测定,检测所用酶标仪为瑞士TECAN公司生产的SPARK 10M型,每5株叶片等量混合为1次重复,设3次重复。

1.3 成株期指标的测定

试验于2021年在新疆石河子农业科学研究院干旱鉴定田开展。播种前在试验区划分干旱胁迫区与对照区,中间设置3 m隔离区,均采用1膜2行(窄膜,膜宽0.70 m) 种植。每个材料种1行,随机排列,3次重复,小区面积0.9 m2,行长3 m,行距0.3 m,株距0.1 m。旱池边缘设二膜保护行,采用膜下滴灌灌水方式。对照组第1次浇水时间为6月20日,每7～10 d浇1次水。干旱胁迫组不浇水,当田间土壤含水量达3%时,持续胁迫20 d后复水1次。

农艺性状指标的测定:调查干旱胁迫处理和对照的株高、果枝数、果枝始节高、果枝始节数和单株结铃数,每个品种选取均一稳定的10株进行测定,取平均值。

产量性状的测定:每个品种(品系)于成熟期收取中上部棉铃20个,调查单铃质量,并计算理论产量;收取各品种(品系)全部籽棉,计算实际籽棉产量和实际皮棉产量。

纤维品质数据委托农业农村部棉花品质监督检验测试中心测定,检测指标包括纤维长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度、伸长率和成熟度。

1.4 统计分析

利用Excel进行原始数据的整理,并利用SPSS 26软件进行统计分析。对各指标进行单项指标分析并计算抗旱系数(Drought resistance coefficient,DC),对具有显著差异的指标的DC值进行主成分分析,得到成分矩阵以及总方差解释表。根据公式计算抗旱系数、抗旱指数(Drought resistance indexes,DI)、抗旱隶属函数值(Drought resistance membership function value,DM)、综合抗旱系数(Comprehensive drought resistance coefficient,CDC)和综合抗旱指数(Comprehensive drought resistance index,CDI)。采用模糊隶属函数法计算抗旱性综合度量值(Comprehensive drought resistance measure value,D)和加权抗旱性系数(Weighted drought resistance coefficient,WDC),对50份材料进行抗旱综合评价[25]。计算广义遗传力(Broad-sense heritability,H2),根据排名选择最佳抗旱性评价模型,并根据其统计值进行聚类分析。

抗旱系数:

(1)

式中,Xi为在干旱胁迫下单个指标的测定值,CKi为正常浇水条件下指标的测定值。

抗旱指数:

(2)

式中,Xai为单个指标的平均值。

抗旱隶属函数值:

(3)

式中,DCmin和DCmax分别代表某单个指标抗旱系数的最小值和最大值。

综合抗旱系数:

(4)

综合抗旱指数:

(5)

综合抗旱度量值:

(6)

式中,Pi为单个指标贡献率,DMi为第i个指标的抗旱隶属函数值。

关联系数:

ηi(k)=

(7)

关联度:

(8)

权重系数:

(9)

加权抗旱系数:

(10)

广义遗传力:

(11)

式中,VG为遗传方差,VP为表型方差。

2 结果与分析

2.1 苗期抗旱指标的筛选

在苗期对50份棉花资源进行PEG模拟干旱处理后,分别测定表型性状和生理指标,并对抗旱性进行单指标分析。结果(表1)表明,各性状/指标的变异系数为0.092～0.551,跨度较大,对干旱胁迫的敏感程度存在较大差异。各表型性状变异系数为0.092～0.441,各生理指标的变异系数为0.115～0.551。

棉花受到干旱胁迫后,共8个性状(地上部鲜质量、根干质量、地上部干质量、PRO含量、SOD活性、POD活性、MDA含量、SS含量)在处理前后差异极显著(P<0.01),受到干旱胁迫显著影响(表1)。根据这8个指标计算抗旱系数,对苗期抗旱性进行单指标分析。结果显示,50份材料各性状单指标的DC值存在较大差异(0.284～4.580),其中表型性状的DC值为0.284～1.952,生理指标的DC值为0.569～4.580,各指标对干旱胁迫的敏感程度存在差异。不同棉花品种(品系)各性状/指标下的DC值变异系数为0.052～0.976,所选取的50份棉花资源的抗旱性具有差异,可以用于进一步分析。

表1 苗期抗旱性的单指标分析

2.2 苗期抗旱性综合评价

为降低单一指标的偏差和系统误差,本研究利用主成分分析对50份棉花品种(品系)进行抗旱性综合评价。通过配对样本t检验,对50份材料苗期具有显著性差异的8个测定性状的DC值进行因子分析。主成分分析结果中,8个性状的前3个主成分的特征值>1.000(2.818、1.205、1.067),累积贡献率达63.63%(35.23%、50.29%、63.63%)。进一步将这3个主成分中具有相同本质的变量归为一类,获得3个相互独立的公因子作为综合评价指标(表2)。

表2 苗期抗旱指标的因子分析

根据所筛选的抗旱指标,对鉴定材料的CDC值、CDI值和WDC值进行计算。在主成分分析获得的各公因子的特征向量的基础上,利用模糊隶属函数法计算各因子的隶属函数值,并根据各因子的权重系数,为各因子的隶属函数值赋予相应权重系数,计算加权隶属函数值,作为D值。分别以CDC值、CDI值、WDC值和D值作为因变量,8个指标抗旱系数DC值作为自变量,进行逐步回归分析,计算对应的回归方程(表3)。其中,CDC、CDI、WDC、D的回归方程决定系数(R2)分别为0.92、1.00、1.00和0.87,各回归方程F检验具有极显著差异,模型拟合度较好,回归方程对变量的解释能力强。比较4种综合评价计算方法后发现,50份品种(品系)根据不同综合评价方法的排序存在差异(表4)。为确定最适综合评价体系,分别以D值、CDC值、CDI值和WDC值作为综合性状,计算50份棉花材料的广义遗传力,分别为68.90%、57.30%、60.0%和60.75%,根据排名,D值为最适合的综合抗旱评价指标。

表3 苗期综合抗旱鉴定模型

表4 各品种(品系)苗期综合抗旱评价结果

2.3 成株期抗旱指标的筛选

对50份棉花品种(品系)在成株期干旱条件下的农艺、纤维品质及产量等有关性状进行调查,并进行均值差异显著性分析。通过计算各性状均值的差异显著性对棉花成株期的抗旱性进行单项指标分析。结果(表5)表明,各性状的变异系数为0.012～0.242,跨度较大,对干旱胁迫的敏感程度存在较大差异。棉花受到干旱胁迫后,成株期共12个性状(株高、果枝始节高、果枝始节、马克隆值、纤维长度、成熟度、单株结铃数、衣分、籽棉单铃质量、皮棉单铃质量、单株籽棉产量、单株皮棉产量)处理前后差异极显著(P<0.01),受到干旱胁迫极显著影响(表5)。选择这12个指标对苗期抗旱性进行进一步分析。

表5 成株期抗旱性的单指标分析

2.4 成株期抗旱性综合评价

通过对配对样本进行t检验,对50份材料成株期具有显著性影响的12个性状的DC值进行因子分析。主成分分析结果显示,12个性状的前3个主成分的特征值>1.000(4.929、1.959、1.353),累积贡献率达68.67%(41.08%、57.40%、68.67%),其特征值大于1.353。进一步将这3个主成分中具有相同本质的变量归为一类,获得3个相互独立的公因子作为综合评价指标(表6)。

表6 成株期抗旱指标的因子分析

根据所筛选的抗旱指标,对成株期的CDC值、CDI值和WDC值进行计算,并利用隶属函数法计算D值。通过逐步回归分析,求出回归方程。统计分析结果(表7)显示,基于CDC值、CDI值、WDC值和D值的回归方程决定系数(R2)分别为0.92、0.99、0.99和0.87,各回归方程F检验结果具有极显著差异,模型拟合度较好。比较4种综合评价计算方法后发现,50份棉花品种(品系)根据不同抗旱综合评价方法的抗旱性排名存在差异(表8)。进一步计算广义遗传力,根据广义遗传力排名选择D值作为最适综合抗旱评价指标。同时,利用筛选到的8个苗期和12个成株期抗旱相关指标对全生育期抗旱性进行综合评价,并对4种评价方法的广义遗传力进行计算。基于CDC值、CDI值、WDC值和D值的广义遗传力分别为40.73%、43.11%、38.34%、60.13%,选择D值进行综合评价。

表7 成株期综合抗旱鉴定模型

表8 各品种(品系)成株期综合抗旱评价结果

续表8 Continued 8

2.5 苗期抗旱鉴定模型精度评价

干旱胁迫对棉花生产的影响最终反映在产量和纤维品质上,因此我们基于这2个性状对所建立的抗旱鉴定模型进行精度评价。基于这2个性状的CDC值、CDI值、WDC值和D值的广义遗传力分别为43.83%、42.16%、47.73%、48.00%和47.11%、45.05%、46.32%、48.59%,因此选择D值对抗旱性进行综合评价。对各类抗旱评价结果进行相关性分析,以评价在苗期建立的抗旱鉴定模型的精度。结果(表9)显示,苗期抗旱性综合评价D值与基于产量、纤维品质性状的抗旱性综合评价D值相关性较高。进一步对基于纤维品质和产量性状中各单指标的DC值与苗期抗旱性综合评价指标D值分别进行相关性分析,结果显示,纤维品质性状和产量性状中,与苗期综合评价相关性最高的指标分别为马克隆值和单株籽棉产量。进一步将苗期抗旱综合性评价拆解为表型数据和生理数据评价,结果显示生理数据评价结果与产量性状和纤维品质性状相关性更高,在提高综合评价精度中起到重要作用。

表9 各评价方法间的相关性分析

分别根据不同的评价方法对抗旱性进行聚类分析。结果(表10)显示,50份材料共分为5类(Ⅰ:高抗旱型,Ⅱ:抗旱型,Ⅲ:中抗旱型,Ⅳ:较敏感型,Ⅴ:干旱敏感型)。其中根据苗期生理指标的分类与单株籽棉产量的分类一致性最高,达90%(表11)。比较聚类结果后发现:根据单株籽棉产量分类为高抗旱的3个品系(苏资2175、苏资0266、苏资1016)和分类为干旱敏感的5个品系(中资1091、通大007、苏资1333、苏资2109、苏资2261)根据苗期生理指标D值均被分类为相应级别(表10)。

表10 各品种(品系)基于不同D值的分类

3 讨 论

大部分植物在苗期对环境胁迫非常敏感,干旱胁迫是其中一种重要的非生物胁迫。形态、生化特性、产量性状等指标都被用来评价植物的抗旱性[2,6,26-27]。在棉花中有超过20种指标可用于抗旱性鉴定[6]。分散的单项指标只能代表作物的某一性状在胁迫时期对干旱的敏感程度,而不能有效地反映该作物对干旱胁迫的综合表现,故前人提出了综合抗旱系数,利用多个抗旱鉴定指标综合反映作物整体的抗旱性[21]。本研究通过单项指标分析,在苗期共筛选出地上部鲜质量、地上部干质量、根干质量3项表型性状和PRO含量、SOD活性、POD活性、MDA含量、SS含量5项生化性状用于对棉花资源抗旱性的综合评价。

表11 苗期与成株期一致性比较

使用单一指标进行抗旱性评价会使评价结果存在一定误差,无法全面反映作物的抗旱性。对作物抗旱性的综合分析主要采用主成分分析法、隶属函数法、因子分析法、灰色关联度分析法等多指标综合评价的方法来判断参试品种的抗旱性[6, 19, 28-30]。主成分分析法因具有数据降维能力、评价客观、注重综合评价等优点而被广泛应用。本研究对棉花抗旱性状进行主成分分析,并利用综合抗旱度量值在苗期对棉花品系进行评价,既考虑了各个指标的重要性,又考虑了各个指标之间的相互关系,有利于提高综合评价的准确性。在此基础上,本研究依据D值进行聚类分析,将各个材料根据综合抗旱性划分为不同的类别,为筛选抗感品系提供了有效的参考。

作物抗旱性鉴定的准确性,一方面取决于评价方法和评价标准,另一方面筛选合适的鉴定指标也尤为重要。在抗旱评价鉴定体系中,农艺性状是简单直观的鉴定指标,单株铃数、单株铃质量和叶片数被用于鉴定成株期棉花的抗旱性[19]。在花铃期,叶片含水量、叶绿素和可溶性糖含量等指标被用于抗旱性鉴定[6, 19]。与农艺性状相比,生理生化指标的测定具有稳定、精确、微量等特点。冯方剑等[31]研究发现,PRO含量、SS含量、SOD活性和POD活性可作为棉花苗期抗旱性鉴定的指标。程林梅等[32]发现,在干旱条件下抗旱种质材料PRO积累量比对照增加3倍以上。本研究的抗旱性状主成分分析结果显示,生理指标具有最高贡献率,其中POD含量在每个公因子中都具有较高载荷,表明在干旱条件下这些生理性状在不同品种(品系)的陆地棉中具有显著差异,是合适的抗旱鉴定指标。

植物中的生理生化物质在对逆境的抗性中起到不同的作用[33-34]。SOD和POD是细胞膜的保护酶,在维持细胞内稳态过程中起到重要作用[19]。在面对逆境胁迫时,为了保持细胞膨压,植物会积累PRO和SS等渗透调节物质来调节渗透压,使之维持在一个正常的水平,缓解干旱对植物造成的伤害,而细胞内MDA含量可以反映生物膜的受损程度[23]。在不同的生育期,抗氧化酶系统与渗透调节物质都发挥着重要作用。棉花苗期叶片在受干旱胁迫时,SOD和POD是重要的保护酶,它们分别在中度胁迫和高度胁迫下起主导作用,且在不同材料之间表现出活性差异[35]。Sun等[19]的研究结果表明,棉花在花铃期受到干旱胁迫时,MDA含量、PRO含量、SOD活性对干旱胁迫最为敏感。本研究中,抗旱材料苏资2175的SOD活性和PRO含量在干旱处理后显著增加,SS含量大量积累,而MDA含量增幅较小;干旱敏感材料苏资2261在干旱胁迫后SOD活性降低,PRO和可溶性糖少量积累,MDA含量却大幅度增加。

棉花的抗旱机制是一个非常复杂的过程,但在生产上最终以产量和纤维品质表现。对成株期这2个性状的调查,周期长,工作量大。因此需要建立一套高效稳定的鉴定评价体系,对棉花种质资源的抗旱性进行评价。生理生化物质在棉花各生育时期的抗旱性中都发挥着重要作用。在苗期,干旱胁迫后,耐旱棉花品种叶片中的PRO含量、SS含量、SOD活性、POD活性均高于敏感型品种[35-36];在花铃期,抗旱性强的棉花品种在干旱胁迫以后,叶片中SOD活性、POD活性和PRO含量显著高于抗旱性弱的品种[37]。对抗旱和干旱敏感棉花品种的全生育期进行干旱胁迫以后,SOD和POD活性、SS含量和PRO含量等呈增加趋势[38]。因此,棉花苗期干旱胁迫下的生理指标和成株期的抗旱性之间存在很强的相关性。本研究选择在苗期引入生理指标建立抗旱性综合评价模型,通过与成株期产量和纤维品质抗旱性比较后发现:苗期生理生化性状在提高模型精度上具有重要作用,基于此类性状的抗旱鉴定模型能够很好地预测成株期产量性状的抗旱性。

4 结 论

本研究在苗期共筛选到8个与抗旱相关的表型性状和生理指标,采用单项指标抗旱系数法、综合抗旱系数、综合抗旱指数和综合抗旱度量值法对50份陆地棉材料的抗旱性进行了综合评价,通过聚类分析将50份材料依据抗旱级别分为5类,共鉴定出3份高抗材料和5份干旱敏感材料。与成株期抗旱性鉴定结果比较后发现,基于苗期生理指标所建立的抗旱鉴定模型能够很好地预测成株期产量性状的抗旱性,在棉花资源和品种的抗旱性快速鉴定中具有很高的应用潜力。