棉花蕾期至初花期抗旱性评价及指标筛选

田又升，叶春秀，张国丽，董永梅，李全胜，王志军，赵曾强，马盼盼，孙国清，谢宗铭

(新疆农垦科学院生物技术研究所/作物种质创新与基因资源利用兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

【研究意义】干旱是影响新疆棉花产量和品质的主要环境因素，培育抗旱品种是应对干旱环境提高棉花产量的有效手段，寻找其中的有效抗旱指标是抗旱种质鉴定及品种选育的前提[1]，开展棉花抗旱性评价及指标筛选工作，为棉花抗旱品种选育提供依据。【前人研究进展】目前已有大量文献报道棉花的抗旱性评价指标，形态学上有根系发达程度、茎的水分输导能力、叶的形态(如叶片大小、形状、角度、叶片卷曲程度等)[2-3]、农艺性状(株高、果枝数、铃数、果枝始节节位、始节高)等[4-5]，生理生化方面有脯氨酸含量、甜菜碱含量、可溶性糖含量、MDA含量、叶绿素含量、SOD活性和POD活性[6-7]、PSⅡ的原初光能转化效率(Fv/Fm)[8]、电导率、叶气孔数量[9]、离体叶片失水速率[10]等，以及单株成铃数、成铃率、单铃重等[11]产量性状指标均可应用于棉花的抗旱性评价。棉花的抗旱性是多基因、多因素控制的复杂生物性状，任何单一指标对抗旱性作出的评价都有一定的局限性[12-14]。选用综合指标能够增加评价结果的可靠性[15]，庄振刚等[9]采用电导率和叶片气孔数量评价40份早熟陆地棉的抗旱性，筛选出新陆早8号和新陆早27号的抗旱性较强；陈玉梁等[14]将农艺性状和产量性状指标相结合评价10份彩色棉花抗旱性，并筛选出有效果枝数、株高、果节数、收获指数和籽指可作为彩色棉花抗旱评价指标。【本研究切入点】不同生育期棉花的抗旱机制及评价体系存在差异[16-17]，棉花在蕾期和初花期对干旱胁迫比较敏感[18]，目前针对该生育期的田间抗旱性评价和指标筛选的研究较少。【拟解决的关键问题】在棉花蕾期至初花期进行干旱胁迫，采用形态学指标、生理指标和产量指标相结合，对68份棉花材料进行抗旱性评价，筛选出抗旱性综合评价指标，为棉花抗旱品种选育和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试材料68份，其中棉花品种5份，引进抗病材料1份，自育品系62份，均由新疆农垦科学院生物技术研究所提供。品种(系)名称见表1，品系名称为田间编号。

1.2 试验方法

试验于2015年在新疆农垦科学院生物技术研究所二轮五试验田进行。4月18日播种，每品种(系)连续种植3行，5 m行长，株距12 cm，各品种(系)随机排列种植。正常大田生产管理为4月22日滴出苗水，之后蹲苗至蕾期(6月12日左右)进行第2次滴水，此后每隔10 d左右滴水1次直至收获，本试验的处理为：将第二水推迟至6月25日，造成棉花蕾期至初花期的干旱胁迫。在6月17日至6月24日完成所有品种(系)株高、茎粗、SPAD、电导率、荧光参数、叶片正、背面气孔数量等指标的测定。9月20日进行收获测产。本试验对照为新陆早61号。

叶片气孔数量参照叶春秀(2014)的方法；电导率的测定方法为取棉花倒三叶叶片，用蒸馏水清洗干净后，滤纸轻轻吸干叶表面水分，用直径为1 cm的打孔器，避开叶脉打孔，每片叶打10孔，样品完全浸泡在盛有50 mL蒸馏水的三角瓶中，浸泡1 h后测定浸泡液电导率R1。然后将样品放入高压灭菌锅内，100 ℃高温10 min，放凉后测定浸泡液电导率R2。相对电导率(%)=R1/R2×100。

利用Mini-PAM荧光仪(WALZ，Germany)，以叶脉为轴对称点测量叶绿素荧光参数。于上午12：00-13：00测定光适应下的最大荧光值(Fm′)、最小荧光(Fo′)、稳态荧光(Fs)等荧光参数，于次日凌晨4时测定暗适应下的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)。参照Demming-Adams等[19]方法，最大光化学效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，实际量子产量ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′，光化学猝灭系数qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)，非光化学猝灭系数qN=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)，NPQ=Fm/Fm′-1，Y(NPQ)=F/Fm′-F/Fm，Y(NO)=F/Fm。每个材料重复5次。

表1 棉花品种(系)编号及名称Table 1 Code and name of cotton varieties (strains)

表2 干旱胁迫下棉花各项指标的变异系数Table 2 Variation coefficient of cotton indexes under drought stress

采用隶属函数法进行棉花抗旱性鉴定和评价，隶属函数值X(μ) =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，式中X为指标测定值，Xmax和Xmin为所有参试材料某一指标的最大值和最小值，如果某一指标与棉花抗旱性呈负相关，则可以通过反隶属函数计算其抗性隶属函数值，公式为X(v) =1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。以所有参试指标隶属值的平均值作为干旱胁迫下棉花材料抗旱性强弱的综合评价结果。棉花抗旱性分级标准为隶属值≥0.600为高抗，在0.500～0.599之间为中抗，≤0.499为弱抗[15,20]。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对棉花品种 (系) 各项指标的影响

如表2所示，Y(NO)的变异系数最大，为28.12 %，Fv/Fm的变异系数最小，为1.06 %。变异系数大于20 %的指标有2个，分别为Y(NO)和电导率；变异系数在10 %～20 %的指标有8个，分别为NPQ、qP、Y(NPQ)、株高、叶面积、产量、背面气孔数量和正面气孔数量；变异系数小于10 %的指标有7个，分别为ΦPSⅡ、Fv/Fm、qN、茎粗、SPAD、背面气孔面积和正面气孔面积。

2.2 相关性分析

干旱胁迫下棉花各项指标间存在一定相关性(表3)，产量与Y(NPQ)和茎粗呈显著正相关，相关系数均为0.25，与电导率呈极显著负相关，相关系数为-0.40，与qP、叶背面气孔数量、叶正面气孔数量呈显著负相关，相关系数分别为-0.24、-0.24和-0.28。株高与Y(NPQ)呈显著负相关，相关系数为-0.30，与叶正面气孔数量呈极显著负相关，相关系数为-0.37，与茎粗呈极显著正相关，相关系数为0.33。正面气孔面积与背面气孔面积呈极显著正相关，相关系数为0.63；叶背面气孔数量与叶正面气孔数量呈极显著正相关，相关系数为0.62。各荧光参数间大多存在显著相关性，而与其他指标间达到显著相关性的较少，仅qP与电导率呈极显著正相关，相关系数为0.31，与茎粗呈显著负相关，相关系数为-0.24。Y(NPQ)与电导率呈极显著负相关，相关系数为-0.42，与茎粗呈显著正相关，相关系数为0.30。Y(NO)与电导率呈显著负相关，相关系数为-0.28，与茎粗呈显著正相关，相关系数为0.24。叶面积与所有测定指标间的相关性均未达到显著水平。

2.3 棉花抗旱性评价

采用各指标隶属函数值的平均值评价棉花品种(系)的抗旱性(表4)，抗旱性排名第一的品系为2360，隶属值为0.642，排名最后为品系2323，隶属值为0.261。根据隶属值抗旱性分级标准，在68份材料中，高抗材料7份，中抗材料20份，弱抗材料41份。对照品种新陆早61号的抗旱性排名为23，隶属值为0.506，新陆早62号的抗旱排名为19，隶属值为0.524，表现为中等抗旱性。其他品种均为弱抗材料，新陆早10号的隶属值为0.487，抗旱性排名33；新陆中51号的隶属值为0.419，抗旱性排名58；新陆早36号的隶属值为0.399，抗旱性排名61。

表3 干旱胁迫下棉花各项指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of cotton indexes under drought stress

注：X1：ΦPSⅡ；X2：Fv/Fm；X3：NPQ；X4：qP；X5：qN；X6：Y(NPQ)；X7：Y(NO)；X8：株高(cm)；X9：叶面积(cm2)；X10：电导率(%)；X11：茎粗(mm)；X12：SPAD；X13：背面气孔数量；X14：正面气孔数量；X15：背面气孔面积；X16：正面气孔面积；X17：产量(kg/667 m2)。
Notes:X1:ΦPSⅡ;X2:Fv/Fm;X3:NPQ;X4:qP;X5:qN;X6:Y(NPQ);X7:Y(NO);X8:Height;X9:Leaf area;X10:Conductivity;X11:Stem diameter;X12:SPAD;X13:Stomatal number on the back;X14:Stomatal number on the front;X15:Stomatal area on the back;X16:Stomatal area on the front;X17:Yield.

表4 棉花的抗旱性评价Table 4 Evaluation of drought resistance of cotton

续表4(Continued table 4)

品种(系)名称Variety(Strain)name隶属函数值Membershipvalue排名Rank抗旱性分级Droughtresistanceclassification品种(系)名称Variety(Strain)name隶属函数值Membershipvalue排名Rank抗旱性分级Droughtresistanceclassification品种(系)名称Variety(Strain)name隶属函数值Membershipvalue排名Rank抗旱性分级Droughtresistanceclassification28530 56411中抗Mediumresistance2740 48734弱抗Weakresistance28410 42057弱抗Weakresistance09010 55512中抗Mediumresistance23580 48335弱抗Weakresistance新陆中510 41958弱抗Weakresistance23510 55513中抗Mediumresistance17400 48036弱抗Weakresistance18670 40959弱抗Weakresistance28190 54614中抗Mediumresistance库尔勒0 47837弱抗Weakresistance26360 40860弱抗Weakresistance19340 54515中抗Mediumresistance27370 47738弱抗Weakresistance早360 39961弱抗Weakresistance22580 54316中抗Mediumresistance26950 47539弱抗Weakresistance27420 38562弱抗Weakresistance28670 53817中抗Mediumresistance26830 46840弱抗Weakresistance00670 38563弱抗Weakresistance19440 53618中抗Mediumresistance01510 46341弱抗Weakresistance26650 37564弱抗Weakresistance早620 52419中抗Mediumresistance26710 46242弱抗Weakresistance27310 36865弱抗Weakresistance2390 52120中抗Mediumresistance00610 46143弱抗Weakresistance27250 36266弱抗Weakresistance27580 51621中抗Mediumresistance28270 45844弱抗Weakresistance26620 34567弱抗Weakresistance26530 51322中抗Mediumresistance27200 45045弱抗Weakresistance23230 26168弱抗Weakresistance早610 50623中抗Mediumresistance22870 44146弱抗Weakresistance

2.4 主成分分析

前3个主成分贡献率分别为48.491 %，25.739 %，7.4799 %(表5)，其累计贡献率为81.710 %，其余贡献率较小可以忽略不计。这样就把原来的17个指标转换成3个新的相互独立的综合指标，代表了原来17个单项指标81.710 %的信息。这3个主成分与17个抗旱性状的相关系数(即特征向量)，反映了他们之间的相关性(表5)。

第Ⅰ主成分的特征根λ1= 8.244，贡献率为48.491 %，对应特征向量中的，数值较大的性状为Fv/Fm、Y(NPQ)和ΦPSⅡ，相关系数分别为0.332、0.259和0.185，主要反映了干旱胁迫下棉花叶片的光合相关情况，可作为棉花蕾期至初花期的抗旱性评价指标。

第Ⅱ主成分的特征根λ2=4.376，贡献率为25.739 %，对应特征向量中，数值较大的性状为茎粗和电导率，相关系数为0.170、0.137，可作为棉花蕾期至初花期的抗旱性评价指标。

第Ⅲ主成分的特征根λ3=1.272，贡献率为7.480 %，对应特征向量中，数值较大的性状为叶背面气孔数量和正面气孔面积，相关系数为0.624、0.361，主要反映干旱胁迫下叶片的气孔状况，可作为棉花蕾期至初花期抗旱性鉴定的参考指标。

表5 棉花各指标的特征向量值及贡献率Table 5 Eigenvector value and contribution rate of cotton indexes

续表5 Continued table 5

指标Indexes编号Codes特征向量EigenvectorPrin1Prin2Prin3Y(NPQ)X60 2590 1520 024Y(NO)X70 068-0 0730 011株高(cm)HeightX8-0 718-0 0050 067叶面积(cm2)LeafareaX9-0 1670 0610 123电导率(%)ConductivityX100 1470 1370 069茎粗(mm)StemdiameterX11-0 3050 1700 097SPADX12-0 009-0 2180 143背面气孔数量StomatalnumberonthebackX130 184-0 610 624正面气孔数量StomatalnumberonthefrontX140 131-0 525-0 452背面气孔面积StomatalareaonthebackX150 026-0 062-0 237正面气孔面积StomatalareaonthefrontX16-0 0220 0720 361产量(kg/667m2)YieldX17-0 0040 0150 020特征值Eigenvalues8 2444 3761 272百分率(%)Percentage48 49125 7397 480累计百分率(%)Cumulativepercentage48 49174 23081 710

3 讨 论

棉花不同生育期干旱对其生长的影响有所不同[21-22]，黄云等[23]认为蕾期干旱对棉株影响较小，而王娟[18]认为棉花在蕾期和初花期对干旱胁迫比较敏感。在本试验中，棉花蕾期经历干旱胁迫后，测定的17个指标均受到不同程度的影响，品种(系)间变异系数最大的指标为Y(NO)和电导率，说明Y(NO)和电导率对干旱胁迫的敏感性存在较大的品种差异。主成分分析将17个指标归类为3大因子，各因子中又以Fv/Fm、Y(NPQ)、ΦPSⅡ，茎粗、电导率、叶背面气孔数量和叶正面气孔面积为负荷量较大的指标，可作为棉花蕾期至初花期抗旱性鉴定的主要指标，筛选出的部分指标与前人的研究结果一致[8-9,24]。

冀天会等[25]认为生理生化指标受环境影响较大，只能间接地反映作物的抗旱性，因此，需多个指标综合评价作物抗旱性。产量指标是对于评价以实现经济产量为目的的作物必须考虑的指标。本试验所筛选的棉花蕾期至初花期的抗旱性评价指标Y(NPQ)、茎粗、电导率、叶背面气孔数和叶正面气孔面积与棉花产量存在显著相关性，但是，干旱胁迫后棉花的产量指标不是评价其抗旱性的有效指标，说明由生理指标评价出的棉花抗旱性不能预测棉花的最终产量。总之，采用多个指标综合评价得出的结果更接近于实际抗旱性，同时对于以获得经济产量的作物应考虑产量因素。

4 结 论

可采用Fv/Fm、Y(NPQ)、ΦPSⅡ、茎粗、电导率、叶背面气孔数量和叶正面气孔面积综合评价棉花蕾期至初花期的抗旱性。

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