閆成川， 曾慶濤， 陳琴， 付錦程， 王婷偉， 陳全家， 曲延英

（1.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；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆 奎屯 833200）

棉花屬于錦葵科棉屬，作為天然纖維的主要來(lái)源，在80 多個(gè)國(guó)家及地區(qū)均有種植，同時(shí)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物中占有重要地位[1]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年新疆棉花播種面積 250.61 萬(wàn) hm2，產(chǎn)量512.9 萬(wàn) t，比上年減少 3.2 萬(wàn) t，下降 0.6%，主要由于春季低溫時(shí)間長(zhǎng)、局部階段性干旱對(duì)棉花生產(chǎn)造成不利影響[2]。新疆作為我國(guó)最大的產(chǎn)棉區(qū)，屬于干旱、半干旱地區(qū)，水資源短缺嚴(yán)重影響棉花的生產(chǎn)。近幾年來(lái)，出現(xiàn)極端干旱天氣的頻率升高，作物受到干旱脅迫的次數(shù)增加，對(duì)棉花生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅[3]。棉花抗旱性由多基因控制及多種途徑調(diào)控[4]，屬于復(fù)雜的數(shù)量性狀[5]，其中產(chǎn)量性狀以及眾多生理生化和形態(tài)性狀受影響最大[6]。棉花在生育時(shí)期的不同階段中抗旱機(jī)制不同,其抗旱性最終體現(xiàn)在產(chǎn)量上，因此抗旱性主要通過與產(chǎn)量相關(guān)的指標(biāo)（包括形態(tài)性狀、生理生化和光合指標(biāo)等）共同表現(xiàn)出來(lái)。

在棉花的幼苗時(shí)期進(jìn)行干旱脅迫后發(fā)現(xiàn)，輕度干旱（土壤相對(duì)濕度指數(shù)為55%～65%）對(duì)于葉片光合作用沒有顯著影響，但中度(土壤相對(duì)濕度指數(shù)45%～55%)以上的持續(xù)干旱脅迫會(huì)致使葉片光合能力下降、光抑制程度加重，說明隨著干旱程度的加劇，棉花幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育狀況受到進(jìn)一步抑制，葉片含水量、葉片水勢(shì)、凈光合速率逐漸降低[7]。沈杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)，花鈴期受到干旱脅迫后，因蒸騰作用加大，水分供需失調(diào)，葉片開始出現(xiàn)萎蔫，使得花鈴加速脫落，嚴(yán)重影響棉花單株產(chǎn)量和纖維品質(zhì)。王俊娟等[9]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫使籽棉、皮棉重均降低，同時(shí)花鈴期的干旱脅迫會(huì)使纖維品質(zhì)產(chǎn)生極大變化，如纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度極顯著降低，整齊度極顯著下降，馬克隆值和伸長(zhǎng)率極顯著升高。干旱脅迫會(huì)降低葉面積指數(shù)，且丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性與品種的抗旱指數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)[10]。近年來(lái)，隨著棉花抗旱性鑒定技術(shù)逐步發(fā)展，由原來(lái)的直接鑒定和抗旱隸屬函數(shù)鑒定發(fā)展到由多個(gè)指標(biāo)結(jié)合主成分分析、相關(guān)性分析、逐步回歸分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析和聚類分析等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，使抗旱性評(píng)價(jià)的結(jié)果更加準(zhǔn)確[11-14]。

本研究以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室收集和本實(shí)驗(yàn)室自育的優(yōu)質(zhì)棉花品種共253 份為供試材料，以棉花花鈴期作為抗旱的關(guān)鍵時(shí)期，設(shè)置干旱脅迫和正常對(duì)照2個(gè)處理，通過比較這2個(gè)處理下的光合指標(biāo)和農(nóng)藝性狀等15個(gè)指標(biāo)，結(jié)合主成分分析、相關(guān)性分析、抗旱隸屬函數(shù)分析和聚類分析方法，篩選出棉花抗旱性關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)品種抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料共253份（表1），包括黃河流域棉區(qū)68 份、西北內(nèi)陸棉區(qū)62 份、長(zhǎng)江流域棉區(qū)43 份、東北特早熟棉區(qū)7 份、國(guó)外引進(jìn)材料49 份和本實(shí)驗(yàn)室自育材料24 份，由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室收集并提供。

表1 253份國(guó)內(nèi)外陸地棉資源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources

表1 253份國(guó)內(nèi)外陸地棉資源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources 續(xù)表Continued

表1 253份國(guó)內(nèi)外陸地棉資源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources 續(xù)表Continued

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年在沙灣縣144 團(tuán)3 連新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種基地（43°20′—45°20′N，84°45′—86°40′E）進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置干旱脅迫(drought stress,DS)和正常對(duì)照(check，CK)2個(gè)處理，各 2個(gè)重復(fù)，干旱脅迫與正常對(duì)照之間設(shè)2 m 的保護(hù)行。小區(qū)行長(zhǎng) 2 m，1 區(qū) 14 膜，1 膜 3 行，1 膜 1 份材料種植，采用膜下滴灌澆水。試驗(yàn)材料于4月26日播種，5月 5日出苗，7月 7日打頂。脅迫處理在 7月4日開始，脅迫前在干旱區(qū)主管道安裝水表來(lái)記錄控水量。栽培期間管理方法同大田。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

花鈴期（7月4日）開始脅迫處理，干旱脅迫15 d 后采用5 點(diǎn)取樣法對(duì)土壤 0—20、20—40、40—60 cm的土層進(jìn)行取樣稱重，放入烘箱內(nèi)烘至恒重稱量，對(duì)含水量進(jìn)行測(cè)定。

干旱脅迫15 d 后，選取棉花倒3 葉，用光合儀（英國(guó)漢莎，CIRAS-3）測(cè)定光合指標(biāo)，包括蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、胞間二氧化碳濃度（intercellular carbon dioxide concentration，C）i、凈光合速率（photosynthetic net，Pn）、氣孔導(dǎo)度（gas cavity，Gs）、水蒸氣壓虧缺（vapor pressure deficit，VPD）和 水 分 利 用 效 率（water use efficiency，WUE），每個(gè)材料連續(xù)測(cè)5 株取平均值為1個(gè)重復(fù)。

7月 20日，用 SPAD 儀（日本賽亞斯，SYSSPAD-502Plus）測(cè)定葉綠素相對(duì)值（SPAD 值），選取棉花倒3 葉，在倒3 葉上、中、下測(cè)量取平均值，連續(xù)測(cè)5株，再取平均值記為1個(gè)重復(fù)。

9月17日，測(cè)定干旱脅迫和正常對(duì)照的農(nóng)藝性狀，包括株高（plant height，PH）、有效果枝數(shù)（efficiency fruit branch number，EFBN）、始節(jié)高(height of the first node of fruit branch，HFNFB)、果枝 數(shù)（fruit branch number，F(xiàn)BN）、鈴 數(shù)（boll number，BN）、有 效 鈴 數(shù) (efficiency fruit boll number，EFNB)；9月 25日，開始測(cè)定混收 20 鈴籽棉重（seed cotton weight，SCW）和皮棉重（lint weight，LW），測(cè)定方法參照《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2010軟件和SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？购翟u(píng)價(jià)包括抗旱系數(shù)(DC)、抗旱指數(shù)(DI)及抗旱性度量值(D)，按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[16]。

式中，Xd為某指標(biāo)干旱脅迫條件下測(cè)定值,Xw為某指標(biāo)正常對(duì)照條件下測(cè)定值為某指標(biāo)在干旱脅迫條件下的平均值。

式中，DIimin、DIimax分別為各材料某性狀指標(biāo)抗旱指數(shù)的最小值和最大值。

式中，ri為第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量分析

在脅迫 15 d 后對(duì) 0—20、20—40、40—60 cm的土層進(jìn)行取樣稱重，結(jié)果見表2。干旱脅迫后0—20 cm土層的含水量變化最大，下降了8.257個(gè)百分點(diǎn)，3個(gè)土層含水量平均下降了7.921個(gè)百分點(diǎn)，在干旱脅迫處理的主管道安裝水表，脅迫期間2個(gè)干旱脅迫處理總共控水566 m3，達(dá)到干旱脅迫條件。

表2 土壤干旱脅迫后水分含量變化Table 2 Changes in soil moisture content after drought stress

2.2 單一指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

對(duì)253份陸地棉15個(gè)單一指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。通過t檢驗(yàn)分析表明，15個(gè)指標(biāo)均受到了顯著影響，正常對(duì)照和干旱脅迫表現(xiàn)為顯著性差異。不同處理下的變異系數(shù)范圍為6.56%～64.44%，氣孔導(dǎo)度、果枝數(shù)、鈴數(shù)和有效鈴數(shù)的變異系數(shù)超過了12%，其中氣孔導(dǎo)度變異系數(shù)最高，正常對(duì)照下為33.67%，干旱脅迫條件下為64.44%；葉綠素相對(duì)值的變異系數(shù)最小，正常對(duì)照下為6.56%，干旱脅迫條件下為14.20%。由此可知，選取的253 份陸地棉資源材料類型比較豐富，在干旱脅迫下變異系數(shù)差異較大，對(duì)水分脅迫較敏感，所選取的指標(biāo)可以為抗旱評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

表3 不同處理下各種性狀的統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of various traits surveyed under different treatments

2.3 主成分分析和相關(guān)性分析

主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維分析得出幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，而不會(huì)丟失信息。因此，所有指標(biāo)的主成分分析代表了脅迫后指標(biāo)的變化情況。由表4 可知，將15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出7個(gè)主成分（PC1～PC7），累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.442%。第1 主成分特征值為3.335，與有效鈴數(shù)、鈴數(shù)和有效果枝數(shù)等農(nóng)藝性狀相關(guān)，可以作為篩選花鈴期棉花抗旱的特征指標(biāo)。因此，第1 主成分中的有效鈴數(shù)（0.801）、鈴數(shù)（0.779）及有效果枝數(shù)（0.748），第2 和第3 主成分中的氣孔導(dǎo)度（0.690和0.558），第4 主成分中的皮棉重（0.750），第5 主成分中的蒸騰速率（0.647），第6 主成分中的始節(jié)高（0.773），第7 主成分中的葉綠素相對(duì)值（0.660）和株高（0.566）等，以上主成分分別與農(nóng)藝性狀、光合指標(biāo)及生理特征指標(biāo)相關(guān)，可以作為棉花花鈴期抗旱篩選的關(guān)鍵指標(biāo)。

由表4 結(jié)合表5 可知，有效鈴數(shù)與有效果枝數(shù)、鈴數(shù)、果枝數(shù)、水分利用效率和凈光合速率呈極顯著正相關(guān)，與胞間二氧化碳濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)；氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度呈極顯著正相關(guān)，與水蒸氣壓虧缺呈極顯著負(fù)相關(guān)；皮棉重與籽棉重呈極顯著正相關(guān)；蒸騰速率與凈光合速率和氣孔導(dǎo)度呈極顯著正相關(guān)；始節(jié)高與果枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；SPAD 值與籽棉重及鈴數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻(xiàn)率Table 4 Principal component analysis factor loading matrix and contribution rate

析分性關(guān)相狀性各5 orrelation analysis of each trait表Table 5 C壓D氣VP蒸缺水虧度導(dǎo)Gs 孔氣合Pn光率凈速化氧Ci度間二碳濃胞數(shù)EFNB 鈴效有BN數(shù)鈴0.774**數(shù)FBN 枝果0.438**0.344**高HFNFB節(jié)始-0.155*0.040 0.059 LW重棉0.024 0.001 0.055 0.077皮重SCW 棉籽0.726**0.031-0.062 0.092 0.119率速Tr 騰蒸0.050-0.060 0.078 0.175**0.203**0.204**枝果效EF BN有數(shù)0.209**-0.040 0.032-0.017 0.653**0.776**0.638**PH高株0.182**0.114 0.095 0.074 0.133*0.24**0.212**0.244**相AD素SP綠值葉對(duì)-0.009-0.093-0.044-0.175**-0.122-0.009-0.027-0.204**-0.130*Trait BN B NB PH EF Tr率SC W LW N FB NF BN 數(shù)EF狀 高枝速重重HF數(shù)數(shù)數(shù)性 株果騰棉棉高枝鈴鈴效蒸籽皮節(jié)果 效有始有-0.070-0.564**-0.131*0.170**-0.102 0.623**-0.460**0.395**-0.514**-0.595**-0.249**0.362**-0.069 0.074 0.210**-0.149*0.312**0.034 0.032 0.160*-0.081 0.115 0.003 0.049 0.024-0.022 0.173**0.042-0.067 0.041-0.148*0.100-0.085-0.001 0.171**-0.120 0.108-0.022 0.035 0.038 respetively.0.151*0.289**0.529**-0.108-0.340**-0.180**0.251**-0.021 0.094 0.105。＜0.01 levels，關(guān)相著-0.087 0.171**-0.002-0.015 0.057顯0.01水0.149**＜0.05 and P平-0.198**0.027 0.031-0.136**P＜0.05和P＜D VP E 在碳Pn 示化Ci Gs 率 缺WU表率度氧度速 別虧indicate significant correlation at P用**分合二濃 導(dǎo) 效**間 光孔壓氣胞 凈氣蒸利水水分：*和注Note：*and

2.4 抗旱性綜合評(píng)價(jià)、聚類分析及等級(jí)劃分

以抗旱性度量值（D值）為參數(shù)，D值的大小代表棉花的抗旱性強(qiáng)弱，D值越大代表棉花的抗旱性越強(qiáng)。用15個(gè)指標(biāo)計(jì)算的D值記做D15，7個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算的D值記做D7，利用主成分分析結(jié)合抗旱性隸屬函數(shù)分析將棉花的抗旱性分為5個(gè)等級(jí)，D15和D7值在棉花抗旱等級(jí)劃分上基本一致，說明主成分和相關(guān)性選取的7個(gè)指標(biāo)可以作為棉花抗旱篩選的關(guān)鍵指標(biāo)。以D15值進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如表6 和圖1 所示，第Ⅰ類為強(qiáng)抗旱材料，包括 JK625、庫(kù)車 7946 和肯尼亞 2 號(hào)等 14 份，占供試資源材料的5.53%；第Ⅱ類為抗旱材料，包括133K1、蘇徐138（旱熟）和滇中-7 陸等46 份，占供試資源材料的18.19%；第Ⅲ類為耐旱材料，包括撫榮紫 164、農(nóng)大棉 7 號(hào)和 Y2012004 等 116 份，占供試資源材料的45.85%；第Ⅳ類為較敏感材料，包括中 507145、石 128 和新棉 5 號(hào)等 58 份，占供試資源材料的22.92%；第Ⅴ類為敏旱材料，包括 HT-176、鄂棉 18 號(hào)和川 R128 等 19 份，占供試資源材料的7.51%。

圖1 棉花品種資源綜合抗旱性聚類分析Fig.1 Comprehensive drought resistance cluster analysis of cotton variety resource

表6 棉花資源材料的D15值、D7值及分類Table 6 D15，D7 value and classification of cotton resource material

表6 棉花資源材料的D15 值、D7 值及分類Table 6 D15，D7 value and classification of cotton resource material 續(xù)表Continued

3 討論

3.1 棉花花鈴期抗旱指標(biāo)的篩選

棉花的各個(gè)生育時(shí)期受到干旱都會(huì)對(duì)其產(chǎn)量造成影響，尤其是在花鈴期受到干旱脅迫時(shí)，會(huì)使植株矮化，葉片生長(zhǎng)緩慢，果枝生長(zhǎng)受到抑制，果枝數(shù)量減少，嚴(yán)重時(shí)落花、落鈴率升高，甚至導(dǎo)致棉花死亡[17]。李海明[18]在棉花花鈴期開始干旱脅迫，最終篩選出株高、籽棉重、單鈴重、有效鈴數(shù)和果枝數(shù)5個(gè)性狀可以作為陸地棉抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。趙福相等[19]對(duì)海島棉花鈴期進(jìn)行干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)單株產(chǎn)量、單鈴重和株高3個(gè)抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)能直觀、簡(jiǎn)單并可靠地評(píng)價(jià)海島棉花鈴期種質(zhì)資源的抗旱性。本研究以253 份國(guó)內(nèi)外陸地棉資源材料為研究對(duì)象，遺傳背景更加豐富，通過測(cè)定蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、株高和有效果枝數(shù)等15個(gè)指標(biāo)，結(jié)合主成分分析篩選出有效果枝數(shù)、蒸騰速率、葉綠素相對(duì)值和株高關(guān)鍵指標(biāo)，與孫豐磊[20]、鄭巨云等[16]和李憬霖等[21]花鈴期抗旱關(guān)鍵指標(biāo)一致。另外，葉綠素相對(duì)值、株高、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率可作為棉花花鈴期抗旱的顯著性立測(cè)指標(biāo)。

3.2 棉花抗旱性評(píng)價(jià)方法

棉花的抗旱性評(píng)價(jià)方法不是基于單一指標(biāo)就可完成，它是由多種指標(biāo)和各種分析方法結(jié)合完成的，不同的指標(biāo)和分析方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果可能不一致。隨著統(tǒng)計(jì)方法的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始采用抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、主成分分析、隸屬函數(shù)分析、灰色關(guān)聯(lián)分析及聚類分析相結(jié)合的方法對(duì)棉花抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)[16]，這可以有效避免單一指標(biāo)或單一分析方法帶來(lái)的誤差。本試驗(yàn)用抗旱性隸屬函數(shù)結(jié)合主成分分析對(duì)棉花花鈴期抗旱性進(jìn)行鑒定，篩選出強(qiáng)抗旱材料14 份，抗旱材料46份，耐旱材料116 份，較敏感材料58 份，敏旱材料19 份。與鄭巨云等[16]、李海明等[14]和孫豐磊[20]研究強(qiáng)抗旱和敏旱材料少，耐旱、抗旱和較敏感材料多一致；在抗旱等級(jí)劃分上，蘇棉12、新陸早49號(hào)及新陸早58 號(hào)一致，但有些品種抗旱等級(jí)分類不一致，如關(guān)農(nóng)1 號(hào)、新陸早45 號(hào)及中棉41，與鄭巨云等[16]及李憬霖等[21]評(píng)價(jià)結(jié)果不一致，有可能是由于生育期、評(píng)價(jià)指標(biāo)、干旱脅迫環(huán)境以及本試驗(yàn)基地不對(duì)黃萎病和枯萎病管理所致。

棉花作為新疆大規(guī)模種植的經(jīng)濟(jì)作物，近年來(lái)種植面積逐年增加，種植方式采用1 膜6 行、株距10 cm 的高密度種植模式，棉花旱情的監(jiān)測(cè)工作越來(lái)越嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的旱情監(jiān)測(cè)工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適宜大規(guī)模、高密度的種植模式。隨著小型無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的成熟，已經(jīng)應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)作為具有高靈活性、低成本的新型農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)工具，為我國(guó)向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變提供了極大的幫助[22-23]。本文所篩選的棉花花鈴期抗旱關(guān)鍵指標(biāo)葉綠素相對(duì)值、株高、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，可以為無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇提供基礎(chǔ)。