韓永亮，李世云，路正營(yíng)，孫 璐，楊玉楓，尹 國(guó)，李 平，崔紅印,常金華

(1.邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北省作物雜種優(yōu)勢(shì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 邯鄲市種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子輔助育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 邯鄲 056000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001)

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，常年棉田面積約500萬(wàn)hm2，其中雨養(yǎng)棉田200萬(wàn)hm2，約占總面積的40%，主要分布在華北平原、黃土高原、長(zhǎng)江中游丘陵地區(qū)。其中華北平原是重要的糧棉基地，耕地面積占17%，水資源占2.3%,水資源匱乏，糧棉爭(zhēng)水爭(zhēng)地矛盾突出[1]。中國(guó)地域情況復(fù)雜,旱情變化多樣[2]，在華北黃淮棉區(qū)，棉花苗期經(jīng)常遇到干旱少雨的情況，導(dǎo)致棉花生長(zhǎng)受到抑制，加重病蟲(chóng)害危害甚至出現(xiàn)死苗、缺苗，無(wú)法有效利用光、溫、熱資源，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決上述問(wèn)題，選育節(jié)水抗旱棉花品種是增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效措施，而且對(duì)擴(kuò)大植棉面積提高土地資源、水資源利用率，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前各單位在棉花抗旱育種中取得了一定進(jìn)展，育成了以‘晉棉23’、‘中棉所10’等為代表的一系列耐旱品種[1]，但高抗品種數(shù)量較少。在棉花抗旱性鑒定上多采用田間鑒定法、反復(fù)干旱法，其方法受季節(jié)限制、所需時(shí)間長(zhǎng)、工作量大[3]，不利于早代材料的大規(guī)模篩選。PEG模擬抗旱法在玉米、小麥、高粱、苜蓿等作物上均有報(bào)道，并取得了一定進(jìn)展[4-5]。因此，PEG模擬抗旱鑒定可以用于抗旱資源的篩選鑒定和綜合評(píng)價(jià)。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，利用15% PEG 6000高滲溶液模擬苗期干旱脅迫，通過(guò)對(duì)62份陸地棉材料18個(gè)指標(biāo)的抗旱性進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，以期為建立棉花種質(zhì)資源苗期抗旱性評(píng)價(jià)體系、篩選或選育抗旱性強(qiáng)的棉花品系和品種提供理論依據(jù)和材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院早熟棉研究室自選綜合性狀良好的新品系以及部分育成品種、雜交組合一代(表1)，材料共62份，遺傳背景豐富，具有一定的代表性，種子為2019年大田收獲。

表1 試驗(yàn)材料系譜及主要親本來(lái)源

續(xù)表1

試驗(yàn)藥品PEG 6000由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2020年10―12月在邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工氣候室中進(jìn)行。棉花苗期抗旱鑒定參考已發(fā)表的方法[7-11]并加以改進(jìn)：取62份棉花材料的種子，每個(gè)品種(系)分為2份，1份用于處理，1份用于對(duì)照。選取籽粒健康、飽滿、大小一致的棉花毛籽，用75%的酒精消毒5 min，再經(jīng)30%的H2O2表面滅菌1 h，用無(wú)菌水沖洗4～5次放入三角瓶里浸種，24 h后種植于裝有石英砂的營(yíng)養(yǎng)缽中進(jìn)行育苗，保持營(yíng)養(yǎng)缽濕潤(rùn)，待長(zhǎng)出兩片子葉后，用1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液灌根，光照室中進(jìn)行培養(yǎng)。育苗培養(yǎng)條件:14 h/10 h(光照/黑暗)、27.5℃、光強(qiáng)12 000 lx以上，保持相對(duì)濕度60%～80%。處理組每隔2 d補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液觀察記錄棉花的生長(zhǎng)勢(shì)、整齊度[6]，待長(zhǎng)至一葉一心時(shí)用7.5% PEG 6000營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行模擬干旱脅迫預(yù)處理48 h，再用15% PEG 6000營(yíng)養(yǎng)液(與之對(duì)應(yīng)的溶液水勢(shì)約為-0.4 MPa[12])對(duì)62份材料進(jìn)行連續(xù)灌根處理，在處理5 d后對(duì)棉花各個(gè)品種(系)苗期抗旱情況進(jìn)行表型鑒定、指標(biāo)測(cè)量；對(duì)照組僅用1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液對(duì)62份材料進(jìn)行連續(xù)灌根；每份材料處理與對(duì)照均設(shè)3個(gè)重復(fù)，分別調(diào)查處理與對(duì)照組抗旱相關(guān)的18個(gè)指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)量 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)用直尺測(cè)量棉花植株地上部高度、子葉柄長(zhǎng)、子葉長(zhǎng)寬、第一真葉長(zhǎng)寬；洗去石英砂后用吸水紙吸水，稱量棉花植株鮮質(zhì)量；用直尺測(cè)量棉花植株全長(zhǎng)(地上部分長(zhǎng)度加主根長(zhǎng)度)、棉花幼苗主根長(zhǎng)度；測(cè)量后的幼苗利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)i800根莖掃描儀測(cè)量植株根系參數(shù)檢測(cè)各個(gè)品系幼苗根部的根全長(zhǎng)、投影面積、像素面積、表面積、體積、根部平均直徑等指標(biāo)[13-14]；最后將幼苗于80℃烘干至恒重，稱量棉花植株總干物質(zhì)量和根部干物質(zhì)量。所有處理測(cè)量指標(biāo)均取3株長(zhǎng)勢(shì)最好的幼苗進(jìn)行測(cè)量。各個(gè)重復(fù)平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

根冠比(%)=根生物量(g)/地上部生物量(g)

根冠長(zhǎng)度比(%)=主根根長(zhǎng)度(mm)/地上部長(zhǎng)度(mm)

植株含水量(%)=(植株鮮質(zhì)量-植株干質(zhì)量)(g)/植株鮮質(zhì)量(g)×100%

子葉面積(mm2)=子葉長(zhǎng)(mm)×子葉寬(mm)

第一真葉葉面積(mm2)=第一真葉長(zhǎng)(mm)×第一真葉寬(mm)

1.2.3 抗旱性綜合評(píng)價(jià) 抗旱性綜合評(píng)價(jià)采用隸屬函數(shù)法，按公式(1)計(jì)算與抗旱性相關(guān)的指標(biāo)具體隸屬值。

U(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

式中，Xij為i材料的j性狀值；Ximin為j性狀的最小值；Ximax為j性狀的最大值;U(Xij)為i材料j性狀的抗旱隸屬值。將抗旱隸屬值進(jìn)行累加求得平均數(shù)，見(jiàn)公式( 2) :

Xi=∑U(Xij)/n

(2)

式中，Xi為平均抗旱隸屬值，隸屬值越大，抗旱性越強(qiáng)。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析 利用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算出平均數(shù)、方差、變異系數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件為SPSS 17.0進(jìn)行因子分析[15]，采用隸屬函數(shù)法對(duì)62份陸地棉種質(zhì)進(jìn)行萌發(fā)期抗旱性綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG 脅迫條件下陸地棉種質(zhì)資源幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的變化

由表2可知，在15% PEG 6000脅迫條件下，62份棉花幼苗材料，處理組與對(duì)照組的18個(gè)指標(biāo)中有根干重、植株總干物質(zhì)量、根冠長(zhǎng)度比3個(gè)指標(biāo)差異不顯著；根冠比、根總長(zhǎng)2個(gè)指標(biāo)處理組大于對(duì)照組36.3%和386.0%，表明模擬干旱脅迫下植株生長(zhǎng)優(yōu)先地下部分生長(zhǎng)；其他13個(gè)指標(biāo)均為處理組小于對(duì)照組，平均減小33.4%，變化幅度為2.0%～75.1%，表明模擬干旱脅迫下棉花植株生長(zhǎng)均受到了不同程度的抑制。從指標(biāo)的變異系數(shù)可以看出，處理組的植株總干物質(zhì)量和第一真葉面積變異大于對(duì)照組40.8%和32.5%，表明模擬干旱脅迫增大了品種(系)間生物量、生長(zhǎng)速率的變異幅度；根系掃描的6個(gè)指標(biāo)中投根影面積、根像素面積、根表面積、根體積、根平均直徑5個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)高于對(duì)照組119.8%，變化幅度為17.3%～295.0%,表明模擬干旱脅迫加劇了品種根部的形態(tài)變異。

2.2 各抗旱相關(guān)指標(biāo)因子分析結(jié)果

圖1～圖2為本試驗(yàn)因子分析特征和貢獻(xiàn)率結(jié)果，根據(jù)主因子累積方差貢獻(xiàn)率大于80% 的原則[16]，選取前6個(gè)主因子(貢獻(xiàn)率達(dá)85.977%)，基本上能綜合評(píng)價(jià)陸地棉苗期的抗旱性，在此基礎(chǔ)上可以比較可靠地鑒定出不同材料抗旱性的大小。通過(guò)因子分析可以用6個(gè)復(fù)合因子來(lái)反映原有18個(gè)性狀的信息(見(jiàn)表3)。因子1中根部投影面積、根像素面積、根表面積、根體積、根平均直徑5個(gè)性狀值具有最大載荷，表明因子1主要對(duì)這5個(gè)性狀起直接控制作用，并且這5個(gè)性狀之間存在著密切作用關(guān)系，從生物學(xué)意義來(lái)看，這5個(gè)性狀反映根系生長(zhǎng)情況，可稱之為根系生長(zhǎng)因子。在因子2中植株全長(zhǎng)和主根根長(zhǎng)2個(gè)性狀具有最大載荷，這兩個(gè)性狀均反映植株長(zhǎng)勢(shì)，可稱為長(zhǎng)勢(shì)因子。因子3中的根干重、植株總干重和植株含水量3個(gè)性狀具有最大載荷，植株含水量的值為負(fù)值，根干重、植株總干重的值為正值，表明根干重、植株總干重與植株含水量之間可能存在一定的抑制關(guān)系，可以把因子3稱為生物量因子。因子4的子葉柄長(zhǎng)、子葉面積、第一真葉葉面積3個(gè)性狀具有最大載荷，這3個(gè)性狀反映植株光合能力，可以把因子4稱為光合因子。因子5中地上部長(zhǎng)度和根冠長(zhǎng)度比2個(gè)性狀具有最大載荷，因子6中的根冠比具有最大載荷，這3個(gè)性狀均反映棉花苗期干旱脅迫下，地上部與地下部分長(zhǎng)勢(shì)協(xié)調(diào)性，即在品種間地上部生物量較大的情況下，具有較高根冠比的品種抗旱性較好。

表3 陸地棉種質(zhì)資源苗期各生長(zhǎng)指標(biāo)的因子分析

2.3 隸屬函數(shù)及相關(guān)系數(shù)分析

根據(jù)因子分析的結(jié)果，各特征值大小代表各綜合指標(biāo)即主因子對(duì)方差貢獻(xiàn)的大小，特征向量表示各性狀對(duì)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)大小[16]。選1～6主因子中的較大特征向量:根部投影面積、根部像素面積、根表面積、根體積、根部平均直徑、根冠比、根干重、總干物質(zhì)量、地上部高度、植株全長(zhǎng)、主根根長(zhǎng)、植株含水量、根冠長(zhǎng)度比、子葉柄長(zhǎng)、子葉面積、第一真葉葉面積16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，并求平均值，以評(píng)價(jià)其苗期抗旱順序。根據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小對(duì)陸地棉不同供試材料進(jìn)行苗期抗旱性排序，其抗旱能力強(qiáng)弱見(jiàn)表4，可以看出62份棉花材料的苗期抗旱順序，其中HL59、HL662、HL58、HL28、HL64、HL50、HL48等品系排序靠前，表明抗旱性相對(duì)較強(qiáng)。

2.4 品種表型分析與隸屬分析綜合篩選研究

在光照培養(yǎng)室內(nèi)15% PEG 6000脅迫120 h后根據(jù)對(duì)供試材料生長(zhǎng)勢(shì)、整齊度、株高、子葉、真葉平展度等性狀進(jìn)行表型鑒定，從62份材料中進(jìn)行分組，將材料分為相對(duì)抗旱組、相對(duì)耐旱組、敏感類型組，實(shí)驗(yàn)室表型鑒定可以直觀地對(duì)棉花苗期材料抗旱性進(jìn)行分組，但是同一組內(nèi)的品種(系)間抗旱性強(qiáng)弱無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分，隸屬分析可以對(duì)每個(gè)材料抗旱強(qiáng)弱進(jìn)行排序，因此將實(shí)驗(yàn)室表型觀察分組結(jié)果與各個(gè)性狀隸屬分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)合，篩選出相對(duì)抗旱品系7個(gè)、相對(duì)耐旱品系4個(gè)、敏感品系6個(gè)(見(jiàn)表5)。根據(jù)各品種(系)在模擬干旱脅迫下的表現(xiàn)相對(duì)值進(jìn)行品種聚類，得到品種聚類圖(圖3)，多數(shù)抗(耐)旱品系聚在一起，結(jié)果與表5基本一致，表5中HL60來(lái)源于邯663，該品種經(jīng)大田試驗(yàn)鑒定為耐旱品種，在此次試驗(yàn)中光照培養(yǎng)表型鑒定為相對(duì)抗旱，但綜合排序靠后，主要是由于其前期長(zhǎng)速緩慢，生物量積累較少，造成了一定偏差。

表5 PEG 6000脅迫下表型鑒定與隸屬分析綜合結(jié)果

3 討 論

棉花苗期是以根、莖、葉生長(zhǎng)為主的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，在2～3片真葉期開(kāi)始花芽分化，進(jìn)入孕蕾期[17]。苗期的生長(zhǎng)情況關(guān)系到植株的形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育，直接影響到豐產(chǎn)群體的構(gòu)建。華北黃淮棉區(qū)常有春季初夏連旱的氣候影響，正是棉花的苗期階段，對(duì)干旱敏感[18]，雖然棉田苗期輕微受旱有利于扎根，壯苗早發(fā)，但持續(xù)嚴(yán)重干旱，造成弱苗、死苗、缺苗斷壟，直接影響產(chǎn)量?？购敌允且粋€(gè)復(fù)雜的生理現(xiàn)象，與植物類型、基因型等緊密相關(guān)，并且容易受環(huán)境因素影響；根部是干旱環(huán)境條件下最早接收到信號(hào)的部位，根系又是苗期的生長(zhǎng)中心。因此，在棉花苗期對(duì)其進(jìn)行抗旱性鑒定在生產(chǎn)上具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。吳文榮等[19-20]測(cè)定了苗期玉米的抗旱性相關(guān)生理指標(biāo),并研究了這些指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)與干旱脅迫處理下產(chǎn)量抗旱指數(shù)的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)抗旱性強(qiáng)的品種種子產(chǎn)量較對(duì)照下降較少，而抗旱性弱的品種產(chǎn)量則下降較多，從而說(shuō)明研究植物苗期的抗旱性相關(guān)生理指標(biāo)的強(qiáng)弱可以用來(lái)快速預(yù)測(cè)品種抗旱性。

在本試驗(yàn)的研究結(jié)果中，16個(gè)指標(biāo)與棉花苗期抗旱性有關(guān)系，除根冠比、根冠長(zhǎng)度比、主根根長(zhǎng)、植株含水量4個(gè)指標(biāo)外，剩余12個(gè)指標(biāo)與棉花苗期綜合抗旱性存在顯著和極顯著相關(guān)。本研究利用隸屬函數(shù)多指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能更好地評(píng)價(jià)不同品種苗期對(duì)水分脅迫的適應(yīng)性，提高了抗旱鑒定的區(qū)分度和準(zhǔn)確性，使試驗(yàn)結(jié)果更加可靠。本研究在15% PEG 6000 脅迫條件下，不同品種的棉苗地上部長(zhǎng)度受到抑制程度平均為9.48%，主根長(zhǎng)度的抑制程度為1.55%，表明主莖伸長(zhǎng)受抑制程度遠(yuǎn)大于主根伸長(zhǎng)的受抑制程度，這與嚴(yán)美玲等[21]、王俊娟等[12]的研究結(jié)果有一定的相似性，這也許是棉花在進(jìn)化過(guò)程中保留這樣一種適應(yīng)機(jī)制，即在不利的條件下優(yōu)先保證根的生長(zhǎng)[22-25]，同時(shí)株高降低也節(jié)省了水分運(yùn)輸?shù)木嚯x，節(jié)省了根系吸水所需的能量。在本研究中抗旱材料雖然主根伸長(zhǎng)受到抑制但側(cè)根長(zhǎng)度增加(見(jiàn)表2)，根全長(zhǎng)顯著增加，根部表面積增大、根體積增大，這與李文嬈等[25]研究干旱脅迫使得紫花苜蓿根系表現(xiàn)為主根伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受到抑制、主根直徑變細(xì)、側(cè)根和根系總長(zhǎng)度伸長(zhǎng)生長(zhǎng)則被促進(jìn)、根系表面積顯著增加的結(jié)果一致。另有研究表明，當(dāng)水分成為限制植物生長(zhǎng)的條件時(shí)，根系會(huì)產(chǎn)生形態(tài)、生理等方面的變化來(lái)維持其功能行為[26-29]。在本試驗(yàn)中，7.5% PEG 6000干旱脅迫處理48 h后, 對(duì)照組和干旱脅迫處理組沒(méi)有明顯差異；隨后15% PEG 6000干旱脅迫處理48 h后，處理組部分品種葉片邊緣發(fā)生輕微卷曲，葉片顏色加深，生長(zhǎng)緩慢，96 h以后處理組的個(gè)別敏感品種葉片出現(xiàn)壞死的小斑點(diǎn)，邊緣卷曲，120 h后多數(shù)品種(系)出現(xiàn)干旱萎蔫形態(tài)。處理組大部分品種根尖由白色轉(zhuǎn)為褐色，有些敏感品種轉(zhuǎn)為深褐色，然而相對(duì)抗旱耐旱的品種(系)雖然根部也有變色，但變色程度輕且部分根尖仍然為白色。由此可知，面對(duì)干旱，根系的適應(yīng)性變化可能是陸地棉能忍耐一定程度干旱的主要機(jī)制。對(duì)于作物的抗旱性評(píng)價(jià)，大多數(shù)研究者認(rèn)為，基于抗旱性是多種因素綜合作用的結(jié)果，采用多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)比單指標(biāo)評(píng)價(jià)更為科學(xué)和客觀，但從材料篩選和育種效率出發(fā)，考慮到育種早代對(duì)大量遺傳變異材料的選擇，抗旱性鑒定也必須重視簡(jiǎn)單、快捷的鑒定。根據(jù)沈嘉等[30]研究，隨著干旱處理時(shí)間的延長(zhǎng), 根系各細(xì)胞器形態(tài)變化的時(shí)間普遍晚于葉片, 并且各細(xì)胞器的降解程度也明顯小于葉片，在受到干旱脅迫時(shí)根系抗旱的能力大于葉片。結(jié)合本研究中子葉柄長(zhǎng)、子葉面積、第一真葉葉面積的抗旱隸屬函數(shù)值較高，可以選這3個(gè)性狀作為早代抗旱鑒定的指標(biāo)。在育種的早期世代，每個(gè)植株代表一個(gè)基因型，選用這3個(gè)性狀表型鑒定不需要破壞性取樣。因此育種早期選用子葉柄長(zhǎng)、子葉面積、第一真葉葉面積這3個(gè)指標(biāo)對(duì)干旱脅迫下的陸地棉進(jìn)行苗期抗旱性鑒定，可以達(dá)到高效、快速的目的；而在育種的高代材料篩選中，應(yīng)考慮16個(gè)指標(biāo)的綜合效應(yīng)，對(duì)其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

15% PEG 6000脅迫處理棉花幼苗可以對(duì)棉花品種進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速的抗旱性篩選；62份材料中選出相對(duì)抗旱品系7個(gè)：HL21、HL28、HL47、HL59、HL60、HL63、HL662；相對(duì)耐旱品系4個(gè)：HL13、HL14、HL64、HL66；敏感品系6個(gè)：HL31、HL34、HL40、HL42、HL68、HL73；剩余材料為介于耐旱與敏感之間的過(guò)渡類型。