陸地棉耐澇相關性狀主成分及聚類分析

贠平　楊婷　李曉龍　張文英

摘要：以34份陸地棉（Gossypium hirsutum Linn.）品種為材料，考查苗期澇漬脅迫及正常供水對照的苗高、主莖紅綠比、莖粗、葉片數、葉面積、SPAD值、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重、地下部分干重等性狀，以耐澇系數作為評價指標，采用主成分分析及聚類分析進行耐澇性綜合評價。利用耐澇度量值進行模糊聚類，將34個供試棉花品種耐澇性劃分為3類，聚類結果基本與供試材料的選育和種植區域的特點相符，其中新陸早19相對耐澇，新陸早36和蘇棉20相對敏感。

關鍵詞：陸地棉（Gossypium hirsutum Linn.）；耐澇性；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：S324 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）22-5520-05

Abstract： The morphological traits of seedling stage under waterlogging stress were studied for identifying and screening waterlogging-tolerance cotton cultivars. Principal component analysis and clustering analysis were used to evaluate the ability in waterlogging tolerance of 34 upland cotton cultivars based on the morphological traits in waterlogging stress. This included seedling height， red and green ratio， stem diameter， number of leaf， chlorophyll content， above-ground fresh weight， above-ground dry weight， underground fresh weight， underground dry weight and leaf area. The 34 cultivars could be divided into 3 clusters by Fuzzy Clustering based on their Waterlogging-tolerance Value（DV）， which could match with the waterlogging characteristics of the origins and planting areas of those cultivars.

Key words： cotton（Gossypium hirsutum Linn.）；flooding tolerance；principal component analysis；cluster analysis

棉花（Gossypium hirsutum Linn.）是全球最重要的纖維作物，也是重要的油料作物。然而，中國長江流域棉區常常遭受澇漬危害，這成為當前長江流域棉花產業穩定發展的一大挑戰[1，2]。為了應對澇漬脅迫，對耐澇性進行針對性遺傳改良已迫在眉睫，其中耐濕種質資源的鑒定與篩選至關重要。

近年來，針對作物耐濕性鑒定國內外提出多種鑒定方法，在生理、生化、形態、產量等鑒定指標上開展了研究[3-9]。利用單一指標鑒定品種耐濕性易受環境影響，利用隸屬函數法進行多指標評價時又會因為各指標間存在不同程度的相關性，導致各單項指標提供的信息發生重疊，難以得出可靠的結果，影響鑒定效果[10]。主成分分析是將多指標線性組合為較少的綜合指標，這些綜合指標彼此間既不相關，又能反映原來多指標的信息[11]，已有應用于作物多指標耐濕性綜合評價的報道[12-15]。目前關于棉花濕害耐性方面的研究主要停留在子葉期鑒定[16]。在大田生產中，子葉期多處于集中育苗階段，該生育期鑒定結果是否適用于其他生育期尚不得而知。澇漬脅迫下棉花的形態指標是耐濕性強弱的直接表現，由于棉花耐濕機制的復雜性，僅用某一形態指標對其衡量有失偏頗。本研究在棉花苗期進行，利用多個形態指標，采用主成分分析和聚類分析的方法，以期為棉花耐濕性開展綜合評價提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料來源于國家棉花種質中期庫和自育材料。利用雙套盆模擬淹水方法，即將盆栽花盆放入略大于其口徑的塑料桶中模擬淹水，從263份陸地棉種質材料中鑒定出17份耐澇、17份澇敏感共計34份材料參與試驗（表1）。

試驗在長江大學農科基地（30°21′N，112°09′E）遮雨棚中進行。該基地位于湖北省荊州市，屬東部季風農業氣候大區、北亞熱帶農業氣候帶、長江中下游農業氣候區，年平均氣溫16.5 ℃，≥10 ℃年均積溫5 094.9～5 204.3℃，年均降水量 1 095 mm，年均日照時數 1 718 h。

采用育苗盤育苗，移栽前將土、基質、蛭石按質量比2∶1∶1混勻，每盆裝1 kg。每盆定植3株，淹水前每個品種選較健壯且長勢一致的8盆苗參與試驗，4～5葉期開始淹水處理。其中4盆作為對照（正常供水），另外4盆參與雙套盆淹水試驗。淹水前進行形態指標調查，上水后控制水面高于根際土面2 cm，淹水42 d后測量相關性狀并撤水。

1.2 形態指標調查

形態指標的測定，包括株高、主莖紅綠比、莖粗、真葉數、SPAD值、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重、地下部分干重、單株葉面積。使用SPAD儀及直尺、天平測量所需數據，SPAD值及葉片長寬均來自倒四葉。除主要形態指標的測量外，在淹水期間根據目測葉片萎蔫狀況、葉片色澤及長勢等方面綜合做出比較、鑒定、評級，作為對形態指標分析結果的參考。

1.3 數據分析

形態指標耐澇系數計算方法：

2 結果與分析

2.1 棉花苗期主要形態指標的耐澇系數

參試材料分為兩組，澇漬處理組和正常供水組，正常供水為對照。表2中的數據為經過公式1計算后的耐澇系數，當耐澇系數小于1時，可認為澇漬脅迫下形態指標值有所下降。利用棉花苗期形態指標計算其耐澇系數（表2）。由表2可知，澇漬脅迫下絕大部分形態指標值與對照相比有一定下降，但主莖紅綠比、地下部分干重及地下部分鮮重有所增長。由此表明在澇漬脅迫下，棉苗會啟動一些適應機制以緩解自身所受傷害。根據耐澇系數的平均變化幅度將各形態指標在澇漬脅迫方面的敏感度排序：主莖紅綠比>單株葉面積總和>地上部分鮮重>株高增長量>地上部分干重>處理結束后真葉數>處理結束后株高>處理結束后SPAD值>地下部分鮮重>地下部分干重>處理結束后莖粗。由此可知，主莖紅綠比對澇漬脅迫最敏感，其次是單株葉面積總和、地上部分鮮重和株高增長量等性狀。

2.2 主成分分析

以34份供試材料耐澇相關形態指標的耐澇系數為基礎，利用DPS軟件計算各主成分的特征向量和貢獻率（表3），并根據各向量的絕對值將不同形態指標劃分到不同的主成分中。同一形態指標在各因子中的最大絕對值所在位置即為其所屬主成分。由表3可知，主成分分析中的5個成分的累計百分率為87.904 7%，即具有較強的代表性，可代表11個原始性狀的絕大部分信息。主成分1的大小主要取決于單株葉面積總和、地上部分鮮重、地上部分干重、真葉數4個指標，主成分1相當于4.492 2個原始性狀的作用，可反映全部數據40.838 1%的信息。主成分2的大小主要取決于地下部分干重和地下部分鮮重，主成分2相當于2.005 1個原始性狀的作用，可反映全部數據18.228 2%的信息。主成分3的大小主要取決于株高、株高增長量、主莖紅綠比4個指標，主成分3相當于1.360 8個原始性狀的作用，可反映全部數據12.3709%的信息。主成分4的大小主要取決于淹水處理結束后莖粗，主成分5的大小主要取決于處理結束后SPAD值。

2.3 耐澇性度量值的模糊聚類

根據耐澇系數可算得各材料性狀的模糊隸屬函數值（公式2），將主成分1各指標的特征值作為各性狀的權數與其相乘，按材料求和算得耐澇性度量值（D值）（表4）。由表4可知，新陸早19具有較強的耐澇性。為全面評價各參試棉花材料的耐澇性，本研究用各材料的耐澇性度量值（D值）進行模糊聚類，可將34份材料的耐澇性分為2大類（圖1）。第一大類為耐澇材料，可分為2小類，第一小類是相對極端耐澇的新陸早19，第二小類是包括Z5到CX082在內的19份一般耐澇材料。第一大類的20份材料基本都對澇漬脅迫有不同程度的耐性，其中Z23、Z11、PM1均為目測鑒定耐澇性較好的材料。第二大類為澇敏感材料，也可分為2小類，第一小類是相對極端澇敏感的新陸早36，第二小類是包括蘇棉22號到PM20的13份一般澇敏感材料。第二大類的14份材料在淹水過程中均較早出現葉片萎蔫、較晚形成或不形成氣生根。其中，蘇棉22號、華中91217、新陸早38和蘇棉20號均為目測鑒定對澇漬敏感性較強的材料。該結果與征集材料時所標結果以及目測鑒定結果大致相同，基本反映了參試材料的耐澇類型。

3 小結

耐濕性是指植物通過生理上和代謝上的改變，從而忍耐因水淹缺氧所導致的脅迫[18，19]。作物耐濕性是一個復雜的綜合性狀，濕害可發生于作物生長發育的多個階段。作物在不同生育時期對澇漬脅迫的響應可能不同，抗性機制也可能不盡一致。對作物耐濕性進行鑒定，不僅需要將形態、生理、產量等指標結合起來，也需要對各個時期的耐濕性進行評價。淹水條件會誘發植株產生形態學適應，如形成不定根、根際通氣組織，從而使地下部分的鮮、干重均有所增加，由于澇漬脅迫對根際的傷害使得棉苗對養分的吸收等受到干擾，從而對SPAD值、株高增長量、葉面積、莖粗及地上部分鮮干重造成不同程度影響。同一性狀不同材料的耐澇系數及同一材料不同性狀的耐澇系數均有較大變幅，因而難以根據各性狀的耐澇系數直接判斷耐濕性。

耐澇性鑒定需選用合適的鑒定指標和評價方法對不同基因型進行鑒定、評價、篩選和歸類。在大量種質資源耐澇性鑒定及耐澇品種選育的早期世代，篩選簡單、有效的鑒定指標是至關重要的環節。近年來，國內外學者已篩選出一些與芝麻[3]、小麥[10]、大豆[13]等作物耐澇性有關的形態及生理指標。在棉花耐澇指標研究中，有研究認為根系生長[20]、抗氧化酶活性、內源激素含量[4]、葉片光合作用與產量[21]等都可以作為棉花耐澇性鑒定的單項指標。然而，作物耐澇性是由多基因控制的數量遺傳性狀，受到基因和環境的共同影響，不同基因型間、同一基因型不同發育階段耐澇機制不盡相同，耐澇相關性狀表現也不盡相同。因此，單一指標很難全面準確地評價耐澇性的強弱，而僅利用多指標隸屬函數法評價作物耐澇性時，雖能更全面地反映作物耐澇所表現的眾多耐澇相關性狀，但也存在一定的局限性。本研究在棉花最容易發生澇害的苗期選用11個形態指標，利用主成分分析將各單項指標綜合成為5個相互獨立的綜合指標，對34份材料苗期耐澇性進行鑒定，利用聚類分析對34份陸地棉種質苗期耐澇性進行了歸類。

棉花苗期主要形態指標對澇漬脅迫的敏感度排序中，主莖紅綠比最為敏感，因此在田間看苗時根據此項指標評判棉苗生長狀況可信度較高。單株葉面積總和、地上部分鮮重、地上部分干重、處理后葉片數、地下部分干重在主要形態指標中具有較大的代表性，因此在棉花苗期耐澇性鑒定中可考慮優先采用。根據耐澇性度量值得到的棉花耐澇性排序、模糊聚類分析結果與實際觀測基本相符，因此可作為棉花耐澇性強弱的評價方法。

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（責任編輯 韓 雪）