王志軍，董永梅，趙曾強(qiáng)，孔 新，謝宗銘

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所/作物種質(zhì)創(chuàng)新與基因資源利用兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

【研究意義】新疆棉區(qū)棉花品種較多，掌握不同品種的光合作用特點和光合效能差異，有利于高光效親本的選擇和優(yōu)良品種的篩選[1]。前人研究表明，不同作物品種間光合葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異主要是由于基因型差異造成的，因此，可以利用葉綠素?zé)晒夥治鱿到y(tǒng)，測定作物葉片的光合作用效率，作為選育和鑒定優(yōu)良品種的重要指標(biāo)[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】光合作用是作物產(chǎn)量的原動力，一直受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，研究種類涉及幾乎所有主要農(nóng)作物，研究發(fā)現(xiàn)，光合速率與植物的產(chǎn)量密切聯(lián)系[3]。植物葉綠素?zé)晒馀c植物光合作用的整個過程緊密相關(guān)，能夠探測許多有關(guān)植物光合作用的信息，是光合作用研究的有效探針之一[4]。通過植物葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)可以快速、靈敏、可靠、無損傷地了解植物光合作用生理狀況及其與環(huán)境的關(guān)系[5]，實現(xiàn)了在現(xiàn)場或自然條件下，以完整植物整體或含有葉綠素的部分器官為材料，精確的研究光合作用動態(tài)變化的可能性[6]。植物生產(chǎn)過程中超過90 %的干物質(zhì)都是來自葉片的光合作用[7]，近年來，國內(nèi)外利用葉綠素?zé)晒庠诠夂献饔脵C(jī)理，植物抗性生理，環(huán)境保護(hù)，作物增產(chǎn)潛力預(yù)測和果蔬儲藏等方面進(jìn)行了廣泛的研究[8]?；疑到y(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度分析是對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行量化比較的分析方法，系統(tǒng)中因素之間的關(guān)聯(lián)度大，說明其變化態(tài)勢接近，相互關(guān)系密切，反之，其相互關(guān)系疏遠(yuǎn)[9]。葉綠素含量、光合指標(biāo)、葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)與棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)分析克服了以往對性狀進(jìn)行評判的主觀性和粗放性。同時，當(dāng)樣本的個體發(fā)生變化時，關(guān)聯(lián)度的值也隨之發(fā)生變化，而關(guān)聯(lián)度排序基本保持穩(wěn)定，即因子的相對重要性保持穩(wěn)定，能夠充分揭示各性狀對產(chǎn)量影響的大小[10]。【本研究切入點】選取新疆廣泛種植的陸地棉品種和生物技術(shù)研究所多年選育的品種(系)和一些特異的育種資源材料，進(jìn)行葉片光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀相關(guān)性和灰色關(guān)聯(lián)度分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探討品種間光合生理差異，旨在了解不同棉花品種的光合生產(chǎn)力，以期為棉花的優(yōu)良品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計

以新疆棉花區(qū)域?qū)嶒灣Ｓ玫膶φ掌贩N新陸早36號和新陸早61號為對照，生物技術(shù)所育成的新墾棉1號，6個高代品系，1個紅葉棉，1個海島棉，1個多茸毛品系為實驗材料。

實驗于2018-2019年度在新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所實驗地(45°19′ N,86°03′ E，≧10 ℃活動積溫為3570～3729 ℃，7月平均氣溫23.9～25.5 ℃)進(jìn)行，土壤有機(jī)質(zhì)含量24.55 g/kg，pH 8.42，水解性氮84.3 mg/kg，有效磷24.88 mg/kg，全鹽量1.3 g/kg，速效鉀409.75 mg/kg，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，行長5 m，膜下滴灌栽培，膜寬2.05 m，1膜3管(滴灌帶)6行，株距10 cm，行距20 cm，每材料播種6行，3次重復(fù)，灌水方式為有壓滴灌。6月13日滴頭水，之后每隔7～10 d滴水1次，全生育期滴水8次，總滴水量300 m3/667m2，隨水施肥8次，全生育期施尿素38.62 kg/667m2，磷酸鉀胺24.58 kg/667m2，病蟲害防治同大田。

1.2 實驗方法

1.2.1 SPAD值測定 使用葉綠素計(SPAD.502Plus)測定，選取棉花倒二葉，將葉片放入測量頭部，確定樣品完全覆蓋接收窗。其探頭夾住葉脈之間的葉肉，每個材料測10片葉，每片葉測定位置相同，求平均數(shù)代表整個材料的SPAD值。

1.2.2 光合參數(shù) 選擇晴天上午10：00-11：00，使用德國WALZ公司的GFS-3000光合儀，太陽光強(qiáng)約為 1200 μmol/(m2·s)，大氣CO2濃度為(370±10)μmol/mol，葉室溫度25 ℃，測定展開葉的凈光合速率[Pn,μmol/(m2·s]、氣孔導(dǎo)度[Gs,mmol/(m2·s]、胞間CO2濃度(Ci,μmol/mol)等光合參數(shù)，分別測定6株，每株重復(fù)測3次，取平均值。

1.2.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 選擇晴天上午9:30-13:00利用德國WALZ公司的MINI-PAM熒光儀，測量上述標(biāo)記葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，利用暗適應(yīng)葉夾(DLC-B)黑暗處理30 min，打開測量光，測定暗適應(yīng)下的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)得到Fv/Fm，此時再打開光化學(xué)光，可測定對應(yīng)光強(qiáng)下葉片的實際光量子產(chǎn)量ΦPSII及其它所有的熒光參數(shù)，每個處理測6株，每個葉片重復(fù)測3次，取平均值。

1.2.4 花鈴期田間農(nóng)藝性狀調(diào)查 花鈴期測定株高(cm)子葉結(jié)至打頂端長度、始節(jié)高(cm)子葉結(jié)至第一果枝長度、始節(jié)位(個)、果枝數(shù)(個)、單株鈴數(shù)(個)，吐絮期采摘棉株中部內(nèi)圍鈴30個，晾干稱重，軋花稱皮棉重，計算單鈴重(g)，衣分(%)，皮棉送至新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所纖維檢測室測定上半部平均絨長(mm)、整齊度(%)、馬克隆值、斷裂比比強(qiáng)(cN/tex)、伸長率(%)等參數(shù)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel2007計算試驗數(shù)據(jù)平均值，SPSS19進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，LSD法多重比較，Microsoft Excel2007軟件繪圖，DPS7.05進(jìn)行相關(guān)性分析，灰色關(guān)聯(lián)度分析。

表1 12個棉花品種(系)SPAD及光合參數(shù)比較

2 結(jié)果與分析

2.1 光合色素測定

新陸早36號，是由新疆石河子棉花研究所育成，2007年2月通過新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)作物品種審定委員會審定。新陸早61號，早熟陸地棉品種，2013年10月通過新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)作物品種審定委員會審定。新陸早36、61均為新疆維吾爾自治區(qū)棉花品種區(qū)域?qū)嶒灥膶φ掌贩N，新墾棉1號是由新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所育成，2018年1月通過甘肅省農(nóng)作物品種審定委員會審定。墾生5148、181411、181447、181723、181735、181747，5個品系為生物技術(shù)所自育材料，紅葉棉、多茸毛、新海12(海島棉)為重要的育種材料，在棉花抗旱、抗蟲方面有重要的作用。由表1 可見，181723的SPAD值最高，顯著高于對照早36、早61，分別是早36和早61的113.22 %、117.15 %，墾生5148、新墾棉1號、181411、181447、181735、181747和對照新陸早36差異不顯著(P>0.05), 墾生5148、新墾棉1號、181411、181447、181735、181747、紅葉棉、新海12(海島棉)和對照早61差異不顯著。

181447的蒸騰速率(Tr)最高，但其和對照新陸早36和新陸早61差異都不顯著，和墾生5148、181411、181447、181723、多茸毛、新海12(海島棉)差異也不顯著(P>0.05)，剩余的3個材料，181735、181747、紅葉棉和兩個對照差異也不顯著。12個材料中，墾生5148的氣孔導(dǎo)度值(Gs)最高，顯著高于對照早36和早61，分別是對照早36和早61的133.70 %、112.67 %，對照早61的Gs顯著高于早36，和新墾棉1號，181447差異不顯著，181411、181723、181735、181747、多茸毛、新海12(海島棉)和對照早36差異均不顯著，紅葉棉顯著低于兩個對照(P<0.05)。12個材料中新墾棉1號的光合速率(Pn)最高，顯著高于對照早36，和新陸早61差異不顯著(P<0.05)，分別是對照早36、早61的115.17 %、100.16 %。墾生5148、181411、181447與對照早61差異均不顯著，但顯著高于早36，181735、181747、紅葉棉、多茸毛、新海12(海島棉)與對照早36差異不顯著，但顯著低于早61。12個材料中，181723胞間CO2濃度(Ci)最高，顯著高于對照早36和早61，分別是其138.34 %和134.85 %，其余材料和兩個對照差異均不顯著。181747的水分利用效率最高(WUE)，分別是對照早36、早61的107.89 %、108.30 %。

光系統(tǒng)Ⅱ的有效量子產(chǎn)量用ΦPSII表示，12個材料的ΦPSII差異都不顯著，墾生5148和紅葉棉的ΦPSII最高，都是0.80，分別是對照早36和早61的102.56 %、101.27 %。12個材料的光化學(xué)猝滅系數(shù)qP差異均不顯著(P>0.05)，新海12(海島棉)非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ最高為0.04，顯著高于其它材料，分別是對照早36、早61的2和4倍。紅葉棉的Fm值最大，分別是對照早36和早61的105.22 %、104.41 %。12個材料暗適應(yīng)PSⅡ最大量子產(chǎn)量Fv/Fm差異均不顯著，高等植物的Fv/Fm一般在0.8～0.84之間，說明植物比較健康，沒有受到逆境脅迫。

表2 12個棉花品種(系)葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

由表4可知，181723的衣分最高，達(dá)到48.7 %，顯著高于對照早36和早61，分別是對照早36和早61的109.68 %和110.43 %，新墾棉1號、181411、181447、181735、181747、多茸毛材料與兩個對照品種差異均不顯著，紅葉棉和新海12顯著低于對照。12個材料中181411的子棉產(chǎn)量最高，顯著高于對照品種早36和早61，分別是其108.25%、114.13%。181735的子棉產(chǎn)量也顯著高于對照新陸早61，是其110.33 %，墾生5148、新墾棉1號和兩個對照差異都不顯著，181447、181723、181747、紅葉棉、多茸毛、新海12(海島棉)顯著低于對照。12個材料中，181747的纖維上半部平均長度最大，顯著高于對照早36和早61分別是其，125 %和119.15 %，新海12(海島棉)也顯著高于兩個對照，分別是其116.57 %和111.11 %，新墾棉1號，181411，181447，紅葉棉與兩個對照差異均不顯著(P>0.05)，多茸毛的纖維長度顯著低于對照。12個材料的整齊度差異均不顯著，新海12(海島棉)的纖維整齊度最大，分別是對照早36和早61的105.13 %和102.68 %。馬克隆值A(chǔ)級取值范圍為3.7～4.2，品質(zhì)最好；B級取值范圍為3.5～3.6和4.3～4.9；C級取值范圍為3.4及以下和5.0及以上，品質(zhì)最差，墾生5148、181723、181735、紅葉棉和新陸早61(CK2)這5個材料馬克隆值屬于A級，品質(zhì)最好，新陸早36(CK1)、新墾棉1號、181411、181447、1817475、新海12(海島棉)這6個材料馬克隆值屬于B級，品質(zhì)次之，多茸毛的馬克隆值屬于C級品質(zhì)最差。12個材料的纖維伸長率均沒有顯著差異。

表3 測定指標(biāo)及對應(yīng)編號

表4 12個棉花品種(系)產(chǎn)量及品質(zhì)的比較分析

表5 光合葉綠素?zé)晒鈪?shù)與產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)性分析

續(xù)表5 Continued table 5

由表5可知，SPAD值與纖維長度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與馬克隆值呈顯著負(fù)相關(guān)。蒸騰速率(Tr)與氣孔導(dǎo)度(GH2O)，光合速率(Pn)呈極顯著正相關(guān)。氣孔導(dǎo)度(Gs)與光合速率(Pn)也呈極顯著正相關(guān)，胞間CO2濃度(Ci)與水分利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)，ΦPSII與最小熒光Fo呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)。最小熒光Fo與Fv/Fm呈極顯著負(fù)相關(guān)。纖維長度與整齊度呈極顯著正相關(guān)。纖維整齊度與纖維比強(qiáng)、伸長率呈極顯著正相關(guān)，纖維比強(qiáng)與纖維生長率呈極顯著正相關(guān)。

光合葉綠素?zé)晒鈪?shù)與產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的關(guān)聯(lián)度分析見表6，棉花衣分的關(guān)聯(lián)度順序依次為，F(xiàn)v/Fm>ΦPSII>qP>SPAD>Fm>WUE>Ci>Pn>Fo>Tr>Gs>NPQ。棉花子棉產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度順序為Pn>Tr>SPAD>Gs>Fm>NPQ>Fv/Fm>ΦPSII>qP>WUE>Ci>Fo，棉花纖維長度關(guān)聯(lián)度順序為SPAD>qP>Fv/Fm>ΦPSII>Ci>Fo>WUE>Fm>Tr>Gs>Pn>NPQ。棉花纖維整齊度關(guān)聯(lián)大小排序為qP>Fv/Fm>ΦPSII>Fo>Fm>SPAD>WUE>Ci>Pn>Tr>Gs>NPQ。馬克隆值關(guān)聯(lián)度大小排序為qP>Fv/Fm>ΦPSII>SPAD>Fm>Pn>Fo>Ci>Gs>Tr>WUE>NPQ。斷裂比強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度大小排序為qP>Tr>Fv/Fm>Pn>Fm>ΦPSII>SPAD>Ci>Fo>Gs>WUE>NPQ。棉花纖維伸長率關(guān)聯(lián)度大小排序為qP>Fv/Fm>ΦPSII>Fo>Fm>SPAD>WUE>Ci>Pn>Tr>Gs>NPQ。

表6 光合葉綠素?zé)晒鈪?shù)與產(chǎn)量纖維品質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

3 討 論

本研究是在正常的大田栽培條件下，利用葉綠素計、GFS-3000光合儀和MINI-PAM葉綠素?zé)晒鈨x對12個陸地棉品種(系)進(jìn)行葉綠素含量、光合葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)測定，并結(jié)合產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀，對測定的12個光合生理指標(biāo)和7個纖維品質(zhì)、子棉產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性及灰色關(guān)聯(lián)度分析。

在有關(guān)棉花的光合速率與產(chǎn)量之間的相關(guān)性研究中，因研究材料不同結(jié)果不一，結(jié)論有3種類型：顯著正相關(guān)、呈正相關(guān)但不顯著、呈負(fù)相關(guān)，支持第二種的結(jié)論較多[11]。本研究中，所有測定性狀均沒有與產(chǎn)量顯著相關(guān)的指標(biāo)，產(chǎn)量與衣分相關(guān)性最高為0.51，這與張建福[12]等在水稻上的結(jié)果有差異。

本研究中，棉花纖維長度與整齊度呈極顯著正相關(guān)，纖維整齊度與纖維斷裂比強(qiáng)度、伸長率呈極顯著正相關(guān)，這與王義青[13]，馬俊召[14]的研究結(jié)果一致，纖維斷裂比強(qiáng)度與纖維生長率呈極顯著正相關(guān)[15]，這與陳旭升的研究結(jié)果一致，其他纖維指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

利用SPAD葉綠素儀測定葉片單位面積的相對葉綠素含量，該方法操作簡單，葉片無損。大量研究表明，SPAD值與葉綠素含量的具有良好的相關(guān)性[16]。SPAD值與纖維長度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與張勇在雜交棉上的研究結(jié)果一致[11]，SPAD值與馬克隆值呈顯著負(fù)相關(guān)，與郭衍龍[17]在棉花蕾期SPAD值與馬克隆值呈顯著正相關(guān)，花期呈負(fù)相關(guān)，鈴期呈正相關(guān)的結(jié)果不同。

光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)與氣孔導(dǎo)度(Gs)呈極顯著正相關(guān)，這與莫凌在獼猴桃[18]，王瑞云[19]在糜子上的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步說明這3個指標(biāo)可作為篩選高光效品種的關(guān)鍵指標(biāo)。胞間CO2濃度(Ci)與水分利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與趙慧[20]在水稻上的研究結(jié)果一致?？赡苋~片細(xì)胞內(nèi)CO2濃度較高，蒸騰速率加大，葉片耗水過多，不利于WUE的提高。ΦPSII與最小熒光Fo呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)，這與魏亞娟[21]在榆葉梅上的研究結(jié)果一致。最小熒光Fo與Fv/Fm呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與劉磊在楊樹上的研究結(jié)果一致[22]。

運用灰色關(guān)聯(lián)分析，可以對棉花品種的各個性狀進(jìn)行綜合分析，所有性狀都能進(jìn)行品系優(yōu)劣評定，由定性分析變?yōu)槎糠治觯瑥亩_定品種優(yōu)劣，為棉花育種提供科學(xué)依據(jù)，與常用的數(shù)量統(tǒng)計特征分析方法(回歸分析、方差分析、因子分析等)相比，灰色關(guān)聯(lián)分析有自身的優(yōu)點：計算量小、樣本數(shù)據(jù)要求寬泛、變量數(shù)據(jù)不需要服從某個典型分布等，其是一種重要的數(shù)理統(tǒng)計分析方法[23]。

灰色系統(tǒng)理論常用于指導(dǎo)作物多元性狀相對重要性的研究，且分析方法簡便、易行、準(zhǔn)確。前人在棉花、玉米、大豆等方面關(guān)于產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀的灰色關(guān)聯(lián)度分析的研究較多[24]。

韓永亮等研究表明，衣分與棉花產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度最高，其次是霜前花率[25]，本研究灰色關(guān)聯(lián)度分析表明，棉花衣分與Fv/Fm關(guān)聯(lián)度最高，這可能是本文分析的指標(biāo)較多，不僅有產(chǎn)量性狀，還有光合葉綠素?zé)晒庑誀?，分析對象增多，?dǎo)致結(jié)果不一致。棉花子棉產(chǎn)量與光合速率關(guān)聯(lián)度最高，這與本文相關(guān)性分析中，沒有與產(chǎn)量顯著相關(guān)的結(jié)果不一致，可能是兩種分析方法對指標(biāo)的計算權(quán)重不同導(dǎo)致的。

棉花纖維長度與SPAD關(guān)聯(lián)度最高，本研究表明，棉花纖維整齊度、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度、棉花纖維伸長率都與qP關(guān)聯(lián)度最高。qP和NPQ為葉綠素?zé)晒獯銣绲膬煞N形式，其中qP為光化學(xué)淬滅系數(shù)，反映了植物光合活性的高低，qP值越高，功能葉具有更強(qiáng)的光捕獲能力和光化學(xué)效率。劉蕾蕾等研究表明，小麥葉片的相對葉片凈光合速率(Pn)與相對光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與相對非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[26]，這也說明，植物葉片qP值越高，越有利于光合產(chǎn)物積累，從而使纖維發(fā)育得到了更多的營養(yǎng)物質(zhì)，最終促進(jìn)纖維品質(zhì)提升。

4 結(jié) 論

在同一生態(tài)環(huán)境條件下，不同品種間光合葉綠素?zé)晒夂娃r(nóng)藝性狀的差異，以及與產(chǎn)量性狀的關(guān)系緊密程度不同，通過相關(guān)性和灰色關(guān)聯(lián)度分析，最終篩選出Fv/Fm、Pn、SPAD、qP為豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的評價標(biāo)準(zhǔn)，因此，在棉花高光效新品種選育、種質(zhì)資源評價以及產(chǎn)量預(yù)測等實踐中，這些葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)可以作為重要的評價指標(biāo)。