姜夢(mèng)輝，孫豐磊，范 蓉，石穎穎，劉亞麗，趙柯柯，曲延英，陳全家

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院 棉花教育部工程研究中心，烏魯木齊 830052)

由于缺水環(huán)境和氣候變化的復(fù)雜性而導(dǎo)致水資源短缺是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的最嚴(yán)重問題之一[1-2]。干旱是一種極端天氣事件，是影響植物生長發(fā)育和繁殖的一種非生物脅迫。棉花是世界上最重要的紡織纖維作物，提供了紡織工業(yè)中使用的大部分纖維。干旱限制了棉花的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)[3-4]。中國是世界上最大的棉花生產(chǎn)國和消費(fèi)國之一，隨著棉花種植面積的快速調(diào)整，主要棉花種植區(qū)逐漸搬到西北地區(qū)[5]。近年來，棉花在西北地區(qū)的種植有了長足的發(fā)展，西北地區(qū)已成為全國最大的棉花種植區(qū)域[6]。水是干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的重要資源之一。西北內(nèi)陸棉區(qū)地處干旱地區(qū)，是中國干旱脅迫最嚴(yán)重的地區(qū)之一。

在棉花生長周期中，花鈴期是水肥需求最關(guān)鍵的時(shí)期，此時(shí)期缺水對(duì)棉花的生長發(fā)育產(chǎn)生重大影響。因此，研究花鈴期干旱條件下的光合特性，可為挖掘抗旱性強(qiáng)的棉花提供理論依據(jù)。大量的研究證明，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致棉花葉面積、葉綠素含量下降，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉和CO2攝入量減少，影響光合速率，從而降低生長和產(chǎn)量[7]。孫豐磊等[8]以28份抗旱性不同的陸地棉品種為材料，通過大田花鈴期水分脅迫，對(duì)材料進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)及等級(jí)劃分。通過聚類分析，將材料分成4類，并篩選出與抗旱性相關(guān)的7個(gè)光合指標(biāo)。棉花陸海重組自交系群體材料是既兼有陸地棉優(yōu)良的產(chǎn)量性狀和廣泛的適應(yīng)性，又具有海島棉優(yōu)良的纖維品質(zhì)的群體。目前對(duì)陸海群體的研究主要在雜種優(yōu)勢(shì)方面[9-14]，對(duì)陸海群體進(jìn)行抗旱評(píng)價(jià)性的研究很少。

研究以抗旱型的陸地棉材料中07為母本、干旱敏感型的海島棉材料新海20為父本構(gòu)建的F2∶ 6陸海重組自交系群體為試驗(yàn)材料，采用田間干旱脅迫的試驗(yàn)方案，設(shè)置正常澆水和干旱處理兩個(gè)水平對(duì)棉花的光合特性進(jìn)行研究，采用抗旱指數(shù)、主成分分析、聚類分析和綜合抗旱評(píng)價(jià)體系相結(jié)合的方式[15-16]，對(duì)棉花材料進(jìn)行抗旱性鑒定，以期為棉花抗旱鑒定和抗旱育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

參試棉花材料是由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳育種實(shí)驗(yàn)室提供的抗旱型的陸地棉材料中07為母本、干旱敏感型的海島棉材料新海20為父本構(gòu)建的F2∶ 6陸海重組自交系群體，共70份。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置方案

試驗(yàn)于2018年在新疆奎屯農(nóng)七師農(nóng)科所試驗(yàn)田進(jìn)行，播種前在試驗(yàn)區(qū)劃分干旱脅迫與正常灌水兩個(gè)區(qū)域，材料采用隨機(jī)排列方式種植，每膜種植3個(gè)品種，株距為10 cm，2種處理均重復(fù)2次，以保護(hù)行隔離。在花鈴期對(duì)照組正常澆水(澆水時(shí)間在7月10日左右)，脅迫組不澆水處理。之后一切正常澆水(在8月7日左右)。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

采用便攜式光合測(cè)定儀(CIRAS-3，漢莎，英國)，在棉花花鈴期水分脅迫第10天(早晨10：30—12：30之間，此時(shí)間段為當(dāng)?shù)販y(cè)量最佳時(shí)間，避免“光合午休”現(xiàn)象)選取倒3葉進(jìn)行光合測(cè)量。測(cè)定時(shí)設(shè)定光量子通量密度為1 100 μmol/m2·s，環(huán)境溫度為31 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度為50%±3%，CO2濃度為(370±5)μmol/mol。主要測(cè)定的光合指標(biāo)有凈光合速率(Assimilation rate，A)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate,E)、水分利用效率(Water use efficiency,WUE)、細(xì)胞間二氧化碳濃度(Internal CO2,Ci)、水蒸氣壓虧缺(Vapor pressure deficit,VPD)，每份材料重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)

μ(x)=(DC-DCmin)/(DCmax-DCmin)

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及群體在不同水分條件下的光合性狀分析

在不同水分條件下，對(duì)親本進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表1)：A指標(biāo)，新海20在正常水分條件下的測(cè)定均值高于中07，而中07在干旱條件下的測(cè)定均值高于新海20；E指標(biāo)，在正常水分條件下中07的測(cè)定均值高于新海20，而在干旱脅迫條件下新海20的測(cè)定均值高于中07；WUE指標(biāo)，在正常水分條件下新海20的測(cè)定均值高于中07，而在干旱脅迫條件下中07的測(cè)定均值高于新海20；Ci指標(biāo)，在正常水分條件下中07的測(cè)定均值高于新海20，而在干旱脅迫條件下新海20的測(cè)定均值高于中07；gs指標(biāo)，中07在不同水分條件下的測(cè)定均值高于新海20；VPD指標(biāo)，新海20在不同水分條件下的測(cè)定均值高于中07。

表1 親本及群體在不同水分條件下的光合性狀分析

通過對(duì)陸海重組自交系群體光合性狀描述性分析可知，群體各性狀在不同水分條件下的均值都高于或低于親本的均值，群體表現(xiàn)出超親分離現(xiàn)象。對(duì)群體光合性狀指標(biāo)測(cè)定值的平均值進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)差異顯著性分析。結(jié)果表明:各性狀在水分脅迫前后表現(xiàn)差異顯著或極顯著水平，表明試驗(yàn)處理效果明顯，具有較好代表性。

變異系數(shù)是反映各指標(biāo)在不同棉花材料間存在的差異。通過對(duì)變異系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)：各性狀的變異系數(shù)范圍為0.05～0.30，其中變異系數(shù)變化范圍最大的是E，正常灌水條件下分別為0.30，水分脅迫條件條件下是0.11；其次是VPD，正常灌水條件下為0.10，水分脅迫條件條件下是0.24。

2.2 群體光合性狀的方差分析及遺傳力分析

不同水分條件下的光合指標(biāo)方差分析結(jié)果顯示：在不同水分條件下，各性狀受材料和不同水分處理的影響均達(dá)到極顯著的水平，說明這幾個(gè)性狀受材料和不同水分處理的影響效應(yīng)比較大。通過計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的廣義遺傳率，結(jié)果所示：廣義遺傳率的范圍為0.53～0.72，Ci和gs的遺傳率最大，A的遺傳率最小。說明Ci和gs性狀受基因型的影響很大，環(huán)境的變化對(duì)其影響較小；A受環(huán)境變化的影響很大，見表2。

表2 各性狀的方差及廣義遺傳力分析

2.3 群體光合性狀的抗旱系數(shù)相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析干旱條件下各性狀變化趨勢(shì)，分別對(duì)各環(huán)境中各性狀抗旱系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。由表3可知，A與E、WUE、gs，E與gs、VPD，gs與VPD均呈顯著或者極顯著的正相關(guān)，表明這些性狀之間在環(huán)境中均對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)存在穩(wěn)定的極強(qiáng)的協(xié)同變化趨勢(shì)。E與Ci，Ci與VPD呈顯著的負(fù)相關(guān)，表明這些性狀在環(huán)境中均對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)存在穩(wěn)定的拮抗變化趨勢(shì)。

表3 各性狀抗旱系數(shù)值相關(guān)性分析

2.4 群體光合性狀的主成分分析

對(duì)環(huán)境中的各性狀DC值進(jìn)行主成分分析，根據(jù)特征值>1和主成分載荷矩陣，獲得因子載荷和貢獻(xiàn)率，以此來進(jìn)一步評(píng)價(jià)抗旱的重要指標(biāo)。根據(jù)主成分載荷及其絕對(duì)值的大小分析，得到了兩個(gè)成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到62.01%。在PC1中，特征值為2.11，貢獻(xiàn)率為35.22%，E的載荷最大，其次是gs；在PC2中，特征值為1.61，貢獻(xiàn)率為26.79%，A的載荷最大，其次是WUE(表4)。通過對(duì)環(huán)境中DC值的主成分分析，可以得出在干旱脅迫狀態(tài)下群體材料在A、E、WUE的變化較為明顯。

表4 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻(xiàn)率

2.5 抗旱性綜合評(píng)價(jià)

D值是供試材料在干旱脅迫條件下用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)所得的抗旱性綜合評(píng)價(jià)。通過主成分分析對(duì)各性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)DC值進(jìn)一步分析，獲得特征值向量、因子載荷和貢獻(xiàn)率，根據(jù)貢獻(xiàn)率計(jì)算權(quán)重，并結(jié)合隸屬函數(shù)值計(jì)算出抗旱性綜合度量值D值。根據(jù)D值的大小對(duì)供試材料抗旱性強(qiáng)弱進(jìn)行排序，D值越大，抗旱性越強(qiáng)；相反，D值越小，其抗旱性也就越弱。根據(jù)D值對(duì)群體棉花進(jìn)行排序(表5)，發(fā)現(xiàn)D值最大的5份材料分別是HL-3、HL-69、HL-28、HL-22和HL-70，D值最小的5份材料分別是HL-8、HL-42、HL-46、HL-12和HL-16。其中親本中07的D值是0.72，新海20的D值是0.44。

表5 棉花品種抗旱性評(píng)價(jià)的D值

2.6 聚類分析和抗旱性等級(jí)劃分

以各個(gè)材料的D值為大小，通過聚類分析，將材料劃分為5個(gè)類群(圖1)：第Ⅰ類群為強(qiáng)抗旱型，有HL-3、HL-13、HL-57等7份材料；第Ⅱ類群為中抗旱型，有HL-4、HL-7、HL-10等14份材料；第Ⅲ類群為抗旱型，有HL-1、HL-2、HL-53等7份材料；第Ⅳ類群為干旱敏感型，有HL-5、HL-15、HL-29等26份材料；第Ⅴ類群為干旱極敏感型，有HL-5、HL-15、HL-29等16份材料。親本中07通過聚類劃分在第Ⅲ抗旱型類群；新海20通過聚類劃分在第Ⅳ干旱敏感型類群。

Z07:中07；XH20:新海20

3 討論與結(jié)論

光合作用是綠色植物生長發(fā)育的最基礎(chǔ)、最重要的化學(xué)反應(yīng)，是決定綠色植物干物質(zhì)積累的基礎(chǔ)。棉花的抗旱性是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀。在干旱脅迫條件下，棉花會(huì)通過改變其形態(tài)特征和光合生理特性來適應(yīng)干旱環(huán)境[17-18]。研究表明，花鈴期是棉花水分需求的關(guān)鍵時(shí)期，與棉花最終的產(chǎn)量和品質(zhì)有著密切的聯(lián)系[19-20]。研究參考劉鵬鵬、林漢明等[21-22]的研究方法，選用干旱脅迫條件下棉花花鈴期的6項(xiàng)光合指標(biāo)(A、E、gs、Ci、WUE、VPD)的測(cè)定值，采用方差分析、主成分分析、聚類分析的方法對(duì)棉花材料的抗旱性進(jìn)行鑒定，以此來解釋干旱脅迫對(duì)棉花光合作用產(chǎn)生的影響。

陸地棉和海島棉是中國棉花兩大主要種植品種，陸地棉擁有優(yōu)良的產(chǎn)量性狀和廣泛的適應(yīng)性，而海島棉擁有優(yōu)良的纖維品質(zhì)。而陸海雜交可以將陸地棉與海島棉各自的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，目前對(duì)棉花海陸雜種優(yōu)勢(shì)的研究多集中在農(nóng)藝性狀的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，張小全等[23]研究認(rèn)為海陸種間雜交在株高、果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)顯著高于陸陸雜交。菲力申[11]和常俊香[24]認(rèn)為陸海雜種F1代較親本在產(chǎn)量和品質(zhì)性狀均具有超親優(yōu)勢(shì)。而關(guān)于陸海雜交光合特性方面的研究仍相對(duì)較少，因此研究以陸地棉材料中07為母本、海島棉材料新海20為父本構(gòu)建的 F2:6陸海重組自交系群體為試驗(yàn)材料，在田間花鈴期進(jìn)行干旱脅迫處理，通過測(cè)定光合指標(biāo)，鑒定棉花陸海群體的抗旱性。

通過選擇眾多學(xué)者普遍認(rèn)可的綜合抗旱性評(píng)價(jià)體系[25-26]，參考羅俊杰、劉光輝和祁旭升等[27-29]的研究方法，選用了D值對(duì)棉花材料的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)(表5)。根據(jù)D值利用系統(tǒng)聚類分析方法將群體材料劃為5個(gè)類群(圖1)。親本中07劃分在第Ⅲ類群(抗旱型)，新海20劃分在第Ⅳ類群(干旱敏感型)。通過聚類分析，得到陸海群體中比親本中07在光合方面抗旱性強(qiáng)的材料有21份，比親本新海20在光合方面抗旱性敏感的材料有16份，可為后期研究棉花抗旱育種提供依據(jù)。