陳金萍 ， 陳全家 ， 鄭凱 ， 浦元春 ， 徐江淋 ， 周婷 ， 楊椰珺 ，孫國(guó)清

1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052；

2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；

3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 晉中 030801

除去冰川，地球上可用的淡水資源僅為總水量的0.26%［1］。當(dāng)前，世界上農(nóng)業(yè)用水量超過(guò)了總用水量的70%（發(fā)展中國(guó)家占86%），隨著全球氣候的變化，這個(gè)比例還在增長(zhǎng)［2］。種子萌發(fā)期是作物對(duì)干旱的敏感時(shí)期，也是體現(xiàn)作物抗旱能力的重要時(shí)期，作物萌發(fā)期的生長(zhǎng)情況直接關(guān)系到后期出苗率以及最終的產(chǎn)量形成。萌發(fā)期的抗旱評(píng)價(jià)是篩選抗旱作物品種的重要途徑之一，抗旱性指標(biāo)可以反映農(nóng)作物抗旱性強(qiáng)弱。發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率則作為種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)，分別反映了種子的發(fā)芽速度和發(fā)芽能力。因此選擇與農(nóng)作物抗旱顯著相關(guān)的鑒定指標(biāo)是抗旱鑒定過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3］。

棉花（Gossypiumspp.）是重要的經(jīng)濟(jì)作物，同時(shí)，棉籽的含油量?jī)H次于大豆，也是重要的油料作物。干旱是影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的主要非生物脅迫之一［4］。目前，關(guān)于棉花田間種植從苗期到花鈴期的抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究很多［5-11］，在室內(nèi)針對(duì)棉花萌發(fā)期的抗旱性指標(biāo)研究較少［12-14］，且大多采用隸屬函數(shù)分析法評(píng)價(jià)作物抗旱性指標(biāo)［12，15-17］，而采用多種分析方法相結(jié)合對(duì)棉花抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的研究未見(jiàn)報(bào)道。鑒于分析單一指標(biāo)易造成結(jié)果上的片面性和不穩(wěn)定性，本試驗(yàn)將相關(guān)性分析和隸屬函數(shù)分析方法相結(jié)合，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期有效提高評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 供試棉花材料

供試40 個(gè)棉花種質(zhì)材料由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，材料詳情如表1所示。

表1 供試40個(gè)棉花品種Table 1 40 cotton varieties for testing

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所開(kāi)展。利用PEG 模擬干旱脅迫，采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法：選用15%（質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)）的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，以蒸餾水為對(duì)照。每個(gè)處理重復(fù)3 次。在試驗(yàn)開(kāi)始前1 天將試驗(yàn)所用到的所有培養(yǎng)皿和培養(yǎng)箱用70%酒精消毒處理，并將處理后的培養(yǎng)皿用蒸餾水清洗，置于培養(yǎng)箱內(nèi)晾干。將棉籽脫絨，挑選籽粒飽滿、大小均一的種子，75%酒精浸泡3 min，蒸餾水沖洗3 次，然后試驗(yàn)組和對(duì)照組分別用15%（質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)）的PEG-6000溶液和等量且適量的蒸餾水浸泡種子24 h，待種子充分吸漲后，放入直徑為9 cm培養(yǎng)皿中，鋪2層濾紙，每皿放50粒棉花種子（每個(gè)棉花品種300粒種子）。每皿中加入10 mL 液體，保持種子濕潤(rùn)，置于28 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)，16 h/8 h 光照/黑暗培養(yǎng)7 d。每天更換濾紙和處理液，以防止種子萌發(fā)過(guò)程霉變，保證滲透勢(shì)恒定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

為了測(cè)定種子萌發(fā)期的形態(tài)指標(biāo)，在種子浸泡20 h 時(shí)測(cè)定種子吸水率。從第2 天開(kāi)始每天19∶00調(diào)查一次發(fā)芽數(shù)，以胚根突破種皮2 mm作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)7 d 內(nèi)的種子萌發(fā)數(shù)量。以第2天的種子發(fā)芽數(shù)計(jì)算發(fā)芽勢(shì)，第7 天的種子發(fā)芽數(shù)計(jì)算發(fā)芽率。第7 天時(shí)從每個(gè)培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致且具有代表性的幼苗，測(cè)定幼苗的胚根鮮重、胚根干重、胚芽鮮重、胚芽干重、下胚軸長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)。105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后稱量干重。按照公式（1）～（10）計(jì)算種子吸水率、相對(duì)種子吸水率、發(fā)芽勢(shì)(ger min ation energy， GE)、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(relative ger min ation energy，RGE)、發(fā)芽率（germin ation rate， GR）、相對(duì)發(fā)芽率（relative germination rate，RGR）、萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)胚根長(zhǎng)(relative radicle length， RRL)、相對(duì)下胚軸長(zhǎng)（relative hypocotyls length， RHL）、胚根/下胚軸指數(shù)(index of RRL/RHL)。

式中：GR2、GR4和GR7分別為第2、4 和7 天的種子發(fā)芽率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及隸屬函數(shù)分析，SPSS 26.0 軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。

1.4.1抗旱性綜合評(píng)價(jià) 采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值參照溫蕊等［16］的計(jì)算方法。

（11）～（14）式中，Xij為i品種第j項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值；Xjmin為全部品種第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值；Xjmax為全部品種第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值；μ（Xij）為i品種第j項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值表示全部品種第j項(xiàng)指標(biāo)的平均值；Vj表示第j項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；Wj表示第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；D表示各品種的抗旱性綜合評(píng)價(jià)，D值越大，抗旱性越強(qiáng)［18］。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)棉花種子萌發(fā)特性的影響

40個(gè)棉花材料在15% PEG模擬的干旱條件和正常條件下48 h的萌發(fā)情況及7 d的生長(zhǎng)狀態(tài)分別如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，相比于對(duì)照，干旱處理下棉花種子的發(fā)芽及生長(zhǎng)均受到抑制。

圖1 40個(gè)棉花材料在干旱與正常條件下48 h的萌發(fā)情況Fig. 1 48 hours germination of 40 cotton materials under drought resistance and control condition

圖2 40個(gè)棉花材料在干旱與正常條件下7 d的生長(zhǎng)狀態(tài)Fig. 2 7 days growth state of 40 cotton materials under drought resistance and control condition

如表2所示，15% PEG 模擬干旱脅迫下，40個(gè)供試棉花材料相對(duì)吸水率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)胚根長(zhǎng)、相對(duì)下胚軸長(zhǎng)、相對(duì)胚根干重及相對(duì)胚芽干重的均值均低于1，表明干旱脅迫抑制了種子萌發(fā)。

表2 干旱脅迫下棉花種子萌發(fā)特性相對(duì)值Table 2 Relative values of cotton seed germination characteristics under drought stress

2.2 相關(guān)性分析

7 個(gè)測(cè)定指標(biāo)相對(duì)值的相關(guān)分析（表3）表明，相對(duì)吸水率與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)之間，相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)萌發(fā)指數(shù)與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)兩兩之間，相對(duì)胚芽干/鮮重與相對(duì)發(fā)芽率之間，相對(duì)胚根干/鮮重、相對(duì)胚芽干/鮮重與胚根/下胚軸指數(shù)兩兩之間，均呈極顯著正相關(guān)；相對(duì)吸水率與相對(duì)萌發(fā)指數(shù)之間，相對(duì)發(fā)芽率與相對(duì)胚芽干/鮮重之間，均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；相對(duì)萌發(fā)指數(shù)與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率之間，相對(duì)胚芽干/鮮重與胚根/下胚軸指數(shù)之間，表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系。雖然相對(duì)胚芽干/鮮重與胚根/下胚軸指數(shù)組合的相關(guān)系數(shù)較高（R2=0.794），但相對(duì)萌發(fā)指數(shù)與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率的相關(guān)系數(shù)都更接近1，因此選擇相對(duì)萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率這3 個(gè)指標(biāo)更能體現(xiàn)出供試40個(gè)棉花材料萌發(fā)期的抗旱能力。

表3 不同品種的7個(gè)指標(biāo)之間相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)系數(shù)）Table 3 Correlation analysis between seven indicators of different varieties (Pearson correlation coefficient)

2.3 棉花萌發(fā)期抗旱性綜合性評(píng)價(jià)

用隸屬函數(shù)法對(duì)40 個(gè)棉花材料的種子吸水率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、胚根/下胚軸指數(shù)、胚根干/鮮重、胚芽干/鮮重的相對(duì)值進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)，如表4所示，得到40個(gè)棉花材料萌發(fā)期的綜合抗旱能力D值。供試40 個(gè)棉花材料D值在0.02～0.90 范圍內(nèi)，其中NDLM289（中85271）抗旱性最強(qiáng)，D值為0.90，NDLM347（CF75 落6）抗旱性最弱，D值為0.02，NDLM071（邯284）、NDLM222（新陸中11）、NDLM287（中5765）抗旱性居中，D值分別為0.22、0.21、0.21。

2.4 7 個(gè)指標(biāo)與隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值的相關(guān)性分析

本試驗(yàn)分析了7 個(gè)種子萌發(fā)特性指標(biāo)與綜合指標(biāo)D值的相關(guān)性（表5），其中胚根/下胚軸指數(shù)與D值相對(duì)獨(dú)立，相對(duì)吸水率、胚根及胚芽干/鮮重與D值存在顯著弱正相關(guān)，可作為棉花萌發(fā)期抗旱性鑒定的參考指標(biāo)，相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及萌發(fā)指數(shù)與D值存在極顯著強(qiáng)正相關(guān)，可作為棉花萌發(fā)期抗旱性鑒定的主要指標(biāo)。綜合表3 與表5數(shù)據(jù)，我們選取相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率及相對(duì)萌發(fā)指數(shù)這3個(gè)指標(biāo)作為供試40個(gè)棉花種質(zhì)材料萌發(fā)期抗旱性鑒定指標(biāo)。

表5 棉花種子萌發(fā)期7個(gè)指標(biāo)與隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值的相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)系數(shù)）Table 5 Correlation analysis between seven indexes at the germination stage of cotton seeds and the comprehensive evaluation value of membership function(Pearson correlation coefficient)

3 討論

棉花具有一定的耐旱能力，萌發(fā)期的種子對(duì)水分尤其敏感，干旱缺水嚴(yán)重影響了種子萌發(fā)。一般在室內(nèi)進(jìn)行作物萌發(fā)期的抗旱性鑒定，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)條件易控、可操作性強(qiáng)、試驗(yàn)周期較短，現(xiàn)已在多種農(nóng)作物上開(kāi)展了相關(guān)研究［17，19-23］。PEG 作為植物抗旱性選擇劑或水分脅迫劑［24-26］，常用于模擬土壤的自然水分脅迫狀況。常用的PEG 脅迫試劑種類有PEG-2000、PEG-6000 和PEG-8000，其中以PEG-6000的研究報(bào)道最多，在相同水勢(shì)下PEG-6000 對(duì)植物水分生理產(chǎn)生的影響和土壤干旱相似［27］。因此，本試驗(yàn)采用PEG-6000模擬干旱脅迫，在人工氣候箱內(nèi)對(duì)40 個(gè)供試棉花品種進(jìn)行脅迫處理，每處理設(shè)置3次重復(fù)以減小誤差。

相關(guān)系數(shù)是衡量觀測(cè)數(shù)據(jù)之間相關(guān)程度的指標(biāo)，一般情況下，相關(guān)系數(shù)越大表明相關(guān)程度越高，相關(guān)系數(shù)在0.3～0.5 范圍內(nèi)為弱相關(guān)、在0.5～0.7 范圍內(nèi)為中度相關(guān)、在0.7～0.9 范圍內(nèi)為強(qiáng)相關(guān)。表3 中各指標(biāo)間的相關(guān)性分析表明，雖然相對(duì)胚芽干/鮮重與胚根/下胚軸指數(shù)組合的相關(guān)系數(shù)較高（R2=0.794），但相對(duì)萌發(fā)指數(shù)與相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率的相關(guān)系數(shù)都更接近1，因此選擇相對(duì)萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和相對(duì)發(fā)芽率這3個(gè)指標(biāo)更能體現(xiàn)出供試40 個(gè)棉花材料萌發(fā)期的抗旱能力。

對(duì)7 個(gè)種子萌發(fā)特性指標(biāo)與綜合指標(biāo)D值的相關(guān)性分析表明，除胚根/下胚軸指數(shù)外，其他6個(gè)指標(biāo)與D值均有相關(guān)性，均可作為萌發(fā)期抗旱性的鑒定指標(biāo)，而相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及萌發(fā)指數(shù)與D值存在極顯著的強(qiáng)正相關(guān)（0.7＜R2＜0.9，P＜0.01），因此，我們選取這3 個(gè)指標(biāo)作為供試40 個(gè)棉花種質(zhì)材料萌發(fā)期抗旱性的鑒定指標(biāo)。

孫瑤等［12］通過(guò)隸屬函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽率、下胚軸長(zhǎng)度和48 h吸水率的相對(duì)值可作為棉花的抗旱性評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)。而本研究通過(guò)相關(guān)性分析與隸屬函數(shù)法相結(jié)合的方法，證明相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及萌發(fā)指數(shù)可作為試驗(yàn)40 個(gè)棉花材料的抗旱性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。這可能是由于分析方法不同，以及供試的棉花材料不同造成的。除了萌發(fā)期外，其他生育階段對(duì)棉花最終產(chǎn)量的形成也有較大影響。陳玉梁等［28］以白棉和彩棉為材料進(jìn)行干旱處理，分別在花鈴期和吐絮盛期測(cè)定了多個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)，最終認(rèn)為單株鈴數(shù)、單鈴重和花鈴期葉片數(shù)可作為棉花抗旱性鑒定的農(nóng)藝性狀指標(biāo)。水分虧缺對(duì)于棉花全生育期的影響可綜合不同發(fā)育時(shí)期的鑒定指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。對(duì)于其他植物，如苜蓿，主要以根長(zhǎng)、發(fā)芽率和活力指數(shù)作為萌發(fā)期抗旱性鑒定的首選指標(biāo)［26］；模式植物狗尾草的萌發(fā)期抗旱性鑒定指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)［29］，依次為鮮重、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)、發(fā)芽率；糧食作物水稻在萌發(fā)期以胚芽干重、發(fā)芽率、胚芽鞘長(zhǎng)和根冠比作為水稻抗旱性鑒定的主要指標(biāo)［30］。這些結(jié)果都表明發(fā)芽率在作物萌發(fā)期的重要性。

隨著我國(guó)棉花主產(chǎn)區(qū)的“東退西進(jìn)”，2022 年新疆地區(qū)的棉花栽培面積占我國(guó)棉花總面積的83.22%。在新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)過(guò)程中主要采用膜下水肥一體化的栽培措施，利用有限的水資源保證棉花穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。尤其是棉花播種之后約2 個(gè)月不澆水，主要依賴播種前灌水和覆蓋地膜來(lái)保證棉花苗期免受干旱危害并且完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段。因此，棉花品種的抗旱性狀決定著幼苗發(fā)育狀態(tài)和后期的產(chǎn)量形成。棉花抗旱材料的選育是推進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)的重要手段。盡管目前對(duì)棉花的抗旱性研究已有較多報(bào)道，尤其是通過(guò)基因工程手段鑒定抗旱基因［31-35］，是目前棉花研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，如何評(píng)價(jià)棉花的抗旱性就顯得尤為重要，抗旱性指標(biāo)是鑒別作物抗旱能力的簡(jiǎn)單、直觀方法，無(wú)論是篩選抗旱品種，還是驗(yàn)證基因編輯材料的抗旱性，都需要這些具體評(píng)價(jià)指標(biāo)的支撐。本研究搜集了40 個(gè)棉花品種，利用PEG-6000 溶液模擬干旱脅迫，通過(guò)搜集7 個(gè)指標(biāo)對(duì)不同品種的抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽率及相對(duì)萌發(fā)指數(shù)這3 個(gè)指標(biāo)可綜合評(píng)價(jià)供試40 個(gè)棉花材料萌發(fā)期的抗旱性，并且依據(jù)這3 個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，從供試40 個(gè)棉花材料中篩選出了強(qiáng)抗旱性品種及弱抗旱性品種，分別是‘中85271’抗旱性最強(qiáng)，‘CF75 落6’抗旱性最弱。不同品種材料在萌發(fā)期的抗旱性不同，這為闡明棉花耐旱分子機(jī)制提供了較好的供體材料。對(duì)于棉花優(yōu)異新種質(zhì)的選育，可選用強(qiáng)干旱耐受品種為親本之一，利用傳統(tǒng)育種方法多年雜交，實(shí)現(xiàn)棉花耐逆與高產(chǎn)結(jié)合。本研究結(jié)果提供了棉花萌發(fā)期的抗旱性評(píng)價(jià)方法，并為抗旱棉花品種的選育提供了理論依據(jù)。