棉花抗旱品種篩選鑒定及抗旱性綜合評價方法

李忠旺，陳玉梁，羅俊杰，石有太，馮克云，陳子萱

（1.甘肅省農業科學院生物技術研究所，甘肅蘭州730070；2.甘肅省農業科學院作物研究所，甘肅蘭州730070）

棉花抗旱品種篩選鑒定及抗旱性綜合評價方法

李忠旺1，陳玉梁1，羅俊杰1，石有太1，馮克云2，陳子萱1

（1.甘肅省農業科學院生物技術研究所，甘肅蘭州730070；2.甘肅省農業科學院作物研究所，甘肅蘭州730070）

從甘肅敦煌、新疆的棉花栽培品種和國內外引進材料中選出76個遺傳來源不同的棉花品種（系）作為參試材料，在年降雨量不足40mm的甘肅省敦煌市設置了干旱脅迫和正常灌水兩個處理，篩選出與棉花抗旱性密切相關的10個農藝性狀和產量指標，采用綜合抗旱系數（CDC）、綜合抗旱指數（CDI）、綜合隸屬函數值（CDM）、抗旱性綜合評價值（D）等四種綜合評價方法對76份種質材料進行抗旱性評價。結果顯示，四種綜合評價方法兩兩之間的Pearson相關系數都在0.88以上，相關性均達到了極顯著水平；再利用四種抗旱評價體系得分值對76個受試棉花品種（系）進行K－means劃分聚類，最終將76個品種分為高抗（Ⅰ類，5個品種）、抗（Ⅱ類，9個品種）、中等（Ⅲ類，17個品種）、敏感（Ⅳ類，31個品種）、高敏（Ⅴ類，14個品種）5個抗旱等級。為進一步方便育種家簡單準確地評價選育材料的抗旱性，利用篩選出的10個農藝性狀指標的抗旱系數作為自變量，四種抗旱性綜合評價體系得分值為因變量，采用逐步回歸的方式建立了棉花抗旱性預測模型回歸方程。

棉花；抗旱性；篩選；評價

棉花作為世界上最重要的天然纖維作物和最重要的經濟作物，它既是紡織工業的主要原料，也是國防、醫藥、化工等工業部門的原料。近年來由于全球氣候變化影響造成生態環境的日益惡化和頻繁發生的持續干旱，嚴重影響了我國棉花生產，尤其是在西北內陸棉區，干旱已成為影響棉花生產的主要環境因素。選育抗旱性好的棉花品種是降低干旱危害的有效手段，栽培抗旱品種是促進西北內陸棉區棉花生產持續穩定發展的有效途徑之一。因此，篩選抗旱種質資源和基因資源，為進一步選育豐產抗旱新品種奠定基礎是非常迫切和必要的。

農作物的抗旱性是一個復雜的綜合性狀，使用單一指標判斷作物的抗旱性極易受到外界環境及自身基因型差異影響而導致結果不可靠。研究結果表明，棉花花鈴期受旱時，棉株增長緩慢，葉片數減少，葉片變小、新生葉片生長速率慢，果枝量少，且伸展慢，嚴重受旱時棉花植株停止生長，產生自然封頂現象［1－4］。全生育各階段缺水會使棉花株高降低、果枝數、果節數、單株成鈴數減少，鈴期變短，脫落增加，產量下降［5－7］。陳玉梁等的研究結果表明，干旱脅迫下彩色棉的抗旱指數與株高、果節數、單株成鈴數、花鈴期葉片數、有效果枝數、籽指、單鈴重等農藝性狀呈極顯著正相關，且這些農藝性狀與彩色棉的水分利用效率也呈極顯著相關［8－10］。而抗旱性評價方法的選擇上越來越多的研究者采用了多指標綜合評定的方法來判斷參試品種抗旱性的強弱，各種抗旱性綜合評價方法已在小麥［11－12］、大豆［13］、油菜［14］、谷子［15］、玉米［16－17］、胡麻［18－20］、棉花［21］、水

稻［22］、萬壽菊［23］等作物上應用。其中最常用的有抗旱系數、抗旱指數、隸屬函數法［24］以及基于主成分分析和權重分析的加權隸屬函數值，也就是抗旱性綜合評價D值。

本研究從甘肅敦煌、新疆的栽培品種和引進材料中收集了76個遺傳來源不同的棉花品種（系），設置了干旱脅迫和正常灌水兩個處理條件，考察與棉花抗旱性密切相關的農藝性狀，利用抗旱系數、抗旱指數、模糊函數隸屬值、抗旱性綜合評價D值等幾種綜合評價方法結合聚類分析將供試品種劃分成5個抗旱等級，以期篩選出抗旱性較強的棉花種質資源，并對抗旱性指標進行回歸分析，總結出一套方便快捷的棉花抗旱鑒定技術體系，為棉花資源抗旱性的鑒定和篩選以及農業生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 參試材料與實驗設計

從中國農業科學院棉花研究所國家棉花種質資源中期庫、酒泉市農業科學院敦煌棉花試驗站、新疆農墾科學院引進國內外棉花種質資源共計76份（見附表2），2014年在甘肅省敦煌市肅州鎮魏家橋村開展試驗。敦煌市年平均降水量約39.9 mm，而蒸發量達2 486 mm，局地年均降雨量僅有10 m，故被稱為中國旱極。試驗地前茬為谷子抗旱試驗田，基礎土壤物理特性和養分狀況如下：土壤為灌淤土，最大田間持水量18.35%、飽和持水量30.33%、土層平均土壤容重1.52 g·m－3、pH值8.93、有機質13.2 g·kg－1、全氮0.60 g·kg－1、堿解氮47 mg·kg－1、有效磷27.99 mg·kg－1、速效鉀187 mg·kg－1。為消除水肥互作影響，播前10天澆足水后結合整地施入復合肥（N∶P2O5∶K2O＝21∶10∶14）600 kg·hm－2，尿素150 kg·hm－2，之后全生育期不施肥。地膜覆蓋以寬窄行方式種植110 cm（地膜）×30 cm（露地），株距為15 cm（密度約166 700株·hm－2）。將同一塊地一分為二，中間開1 m寬、1 m深的溝作為隔離帶，一半為全生育期不灌水的干旱處理，另一半為正常灌水處理（生育期灌水3次，總灌水量約4 500 m3·hm－2）。每一品種（系）種植5 m長2行，3次重復，隨機分布。

1.2 土壤含水量測定

采用5點取樣及烘干法測定干旱脅迫處理始花期、花鈴期和吐絮期0～60 cm的土壤含水量（表1），其中土層絕對含水量是指100 g烘干土中含有若干克水分，利用烘干稱重法測得；土壤相對含水量是指將土壤絕對含水量換算成占田間持水量的百分比，計算公式為土壤相對含水量（%）＝土壤含水量／田間持水量×100%。

1.3 性狀指標測定方法

從每個品種／處理的3個重復內無缺苗處各取連續3株棉苗作為考察樣株，按照《棉花種質資源描述規范和數據標準》［25］分別對正常灌溉和干旱脅迫處理的各品種生長勢及產量相關性狀考察記錄。

1.4 數據處理與計算

參考謝小玉［14］、孟慶立［15］、田山君［17］、羅俊杰［19］、蘭巨生［26］、王興榮［27］等的統計計算方法，供試棉花品種各小區農藝性狀測定值作為基礎數據進行分析。

按公式（1）、（2）、（3）計算各單項指標抗旱系數（drought resistance coefficient，DC）、抗旱指數（drought resistance index）和抗旱隸屬函數值（drought resistance membership function value，DM）作為直接評價參考數據，然后按照公式（4）、（5）、（6）、（7）分別計算綜合抗旱系數（comprehensive drought resistance coefficient，CDC）、綜合抗旱指數（comprehensive drought resistance index，CDI）、綜合抗旱隸屬函數值（comprehensive drought resistance membership function value，CDM）以及抗旱性綜合度量值（drought resistance comprehensive evaluation values，D）對各品種的抗旱性進行綜合評價，并作為聚類劃分抗旱等級的變量因子。

以上計算公式中，Id、Iw為在干旱脅迫處理和正常灌溉條件下某一指標測定值，Iɑd為干旱條件下所有品種某一指標測定值的平均值，DCmax和DCmin分別代表所有品種某一考察指標抗旱系數DC的最大值和最小值，Pi為第i個綜合指標貢獻率，表示第i個指標在所有指標中的重要程度。

采用Microsoft Excel2010和SPSS 18.0分析軟件處理數據。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對棉花主要農藝性狀指標的影響

試驗地土壤為灌淤土，田間持水量18.65%，干旱脅迫處理棉花在始花期、花鈴期、吐絮期0～60 cm土壤平均含水量分別為10.54%、7.56%、4.74%（表1），相對土壤含水量分別為56.51%、40.54%、25.42%，全生育期平均相對含水量為40.82%，達到了重度干旱脅迫條件。

表1 干旱脅迫處理下不同生育期土壤含水量／%Table 1 Soilwater contents at the differentgrowth stage under drought stress

考察了在脅迫處理期間不同時期與長勢相關的農藝性狀及收獲后的產量相關指標如始花期葉片數、始花期株高、始花期倒四葉面積、花鈴期株高、花鈴期葉片數、單株鈴數、單鈴重、單株籽棉產量、單株皮棉產量、籽指、果枝數、衣分等，與正常灌水處理相比，各供試品種在生育期持續干旱處理后，所選性狀均發生了不同程度變化。計算所有品種各農藝性狀在干旱脅迫處理及正常灌溉條件下的平均值，再進行方差分析，結果顯示（見表2），其中果枝數、衣分兩個性狀在品種間差異不明顯（P值＞0.05，F值＜1），其余10個指標在脅迫處理前后差異均達到極顯著水平（P值＜0.01，F值＞10）。

變異系數反映了各農藝性狀在不同基因型棉花品種間存在的差異。植株在遭受干旱脅迫后，相關指標必然會產生變化；某一指標變異系數改變的幅度越大，說明它對干旱脅迫越敏感。為了進一步衡量這種變化幅度，用脅迫和對照處理下的指標變異系數的差值除以均值消除量綱，引入干旱變異指數，其計算方法如下：干旱變異指數VId＝｜CVd－CVw｜／［（CVd＋CVw）／2］，式中CVd為所有品種某一指標在干旱脅迫下的變異系數，CVw為所有品種此指標在正常灌溉條件下的變異系數。結果顯示，只有果枝數、衣分兩個性狀的干旱變異指數小于10%，其余10個指標的干旱變異指數在10%～65%之間，這與差異顯著性分析結果一致。說明始花期葉片數、始花期株高、始花期倒四葉面積、花鈴期株高、花鈴期葉片數、單株鈴數、單鈴重、單株籽棉產量、單株皮棉產量、籽指等10個指標對干旱脅迫較為敏感，具有較好的代表性。

2.2 不同抗旱性綜合評價方法及其度量值的比較

根據對所考察農藝性狀指標的統計分析，篩選出了10個在干旱脅迫處理后有顯著變化的農藝性狀指標，計算出不同品種各指標的抗旱系數、抗旱指數、抗旱隸屬函數值，再分別計算每個品種各指標抗旱系數、抗旱指數、抗旱隸屬函數值的平均值作為抗旱性綜合評價指標綜合抗旱系數（CDC）、綜合抗旱指數（CDI）和綜合抗旱隸屬函數值（CDM）。再采用因子分析對各性狀指標抗旱系數DC值進一步分析，獲得特征向量、因子載荷和貢獻率，根據貢獻率結合隸屬函數值計算出抗旱性綜合度量值D。

結果顯示（見表4），CDC、CDI、CDM、D值等四種抗旱性綜合評價體系所得的抗旱性鑒定結果基本一致。同時，相關性分析表明，CDC、CDI、CDM、D值等四種抗旱性綜合評價體系兩兩之間的Pearson相關性均達到了極顯著水平（P＜0.01）（表3）。這說明四種抗旱性綜合評價體系具有高度一致性，都能夠較為準確地反映出品種間抗旱性的差異。

表2 干旱脅迫處理與正常灌溉條件下各農藝性狀測定值差異分析Table 2 Agronomic traits between drought stress treatment and normal irrigation

表3 各抗旱性評價體系間相關性分析Table 3 Correlation coefficients between drought-resistance parameters

2.3 參試棉花品種（系）抗旱等級劃分

利用綜合抗旱系數（CDC）、綜合抗旱指數（CDI）、綜合抗旱隸屬函數值（CDM）和抗旱性綜合度量值D等四種抗旱評價體系得分值對76個參試棉花品種（系）進行K－means劃分聚類，最終將76個品種分為高抗（Ⅰ類）、抗（Ⅱ類）、中等（Ⅲ類）、敏感（Ⅳ類）、高敏（Ⅴ類）五類，其中高抗（Ⅰ類）有5個品種（系），抗（Ⅱ類）有9個品種（系），中等（Ⅲ類）有17個品種（系），敏感（Ⅳ類）有31個品種（系），高敏（Ⅴ類）有14個品種（系）。高抗和抗性材料大多為新疆、甘肅等地選育推廣的品種（系），而敏感型材料大多為來自湖北、河北及山西等地的品種（系），詳細結果見表4。

2.4 不同品種棉花抗旱性預測模型建立

為方便在品種選育過程中簡單準確地預測選育材料的抗旱性，利用篩選出的10個農藝性狀指標的抗旱系數作為自變量，四種抗旱性綜合評價體系得分值為因變量，采用逐步回歸的方式建立抗旱性預測模型回歸方程。選擇相關系數達到0.99以上，且所需性狀指標數最少的方程作為最終預測模型方程。統計分析結果顯示，各模型方程的F值和顯著性概率Sig.值均達到極顯著水平，結果如表5所示。

根據4個預測模型的回歸方程可知，在棉花品種（系）抗旱性鑒定中，可以有選擇地測定如始花期葉片數、始花期株高、始花期倒四葉面積、花鈴期株高、花鈴期葉片數、單鈴重、單株籽棉產量等7個指標，就可以有效地預測、鑒定棉花品種（系）的抗旱性，從而使鑒定工作簡單化。

表4 參試品種（系）各類抗旱性評價值及抗旱等級Table 4 Evaluation parameters and drought-resistantgrades of varieties（line）

續表1

3 討論

3.1 棉花抗旱相關農藝性狀指標選擇

干旱脅迫是一種廣泛存在且嚴重影響棉花生長和產量的一種自然現象。杜傳莉等［4］通過對國內外研究結果的收集、整理和分析認為，株高、出葉速率、干物質累積量、葉面積、主莖生長速度、主莖高度、果枝數、三桃的比重以及蕾鈴脫落率等生長發育指標和主要農藝性狀指標可用作棉花抗旱性鑒定的參考指標。陳玉梁等［8，10］也提出單株成鈴數、單鈴重、株高、花鈴期葉片數、有效果枝數、果節數、籽指、衣分、莖粗和果莖節間長度等主要農藝性狀可作為彩色棉花抗旱評價指標。但是棉花不同發育時期的干旱脅迫、不同脅迫程度對棉花生長發育的影響不同，如俞希根等［1］研究得出中旱對產量的影響大小趨勢是：苗期＜成熟期＜蕾期＜花鈴期和全生育期，認為花鈴期時干旱脅迫對棉花的生長影響最大，棉株增長緩慢，葉片也相應變小，果枝量少，且伸展慢，重旱時生長停止，產生自然封頂現象。

本研究綜合分析了前人的研究成果，結合農業生產的實際情況，選擇考察了76個參試品種與棉花抗旱性密切相關的12個不同生育期的農藝性狀指標在干旱脅迫與正常灌溉條件下的變化情況，顯著性分析和干旱變異指數分析結果顯示，始花期葉片數、始花期株高、始花期倒四葉面積、花鈴期株高、花鈴期葉片數、單株鈴數、單鈴重、單株籽棉產量、單株皮棉產量、籽指等10個農藝性狀指標在脅迫處理前后差異均達到極顯著水平（P值＜0.01，F值＞10），干旱變異系數在10%～65%之間，對干旱脅迫較為敏感，在抗旱性評價中具有較好的代表性。

3.2 作物抗旱性評價方法

對于作物生產來說，其抗旱與否主要體現在產量方面，因而有關學者提出了以產量指標為依據的多種抗旱性直接評價方法，如抗旱系數（DC）［28］和抗旱指數（DI）［26］曾被許多研究者用來衡量作物的抗旱性。而黎裕等［24，29］認為作物抗旱性和產量都是由數量性狀位點所控制，遺傳網絡系統不同，因而在抗旱品種篩選時需對這兩個系統進行綜合考慮，且重點考慮抗旱性本身而不是產量潛力。近年來，國內外學者普遍認為多指標多方法相結合的抗旱性綜合評價更加真實、可靠，也研究和提出了基于抗旱系數、抗旱指數、主成分分析法、聚類分析法、隸屬函數法等多種分析方法的作物抗旱性鑒定評價方法，并應用在多種作物的抗旱性評價上［11－19，30－31］。

本研究利用抗旱指數和抗旱系數的算法，與棉花抗旱性評價相關指標結合，計算出了不同品種各個指標的平均抗旱系數和平均抗旱指數作為綜合評價值，再進一步結合了模糊函數隸屬值和基于主成分分析的抗旱性綜合評價D值，對收集到的76個棉花種質資源進行抗旱性評價，再利用四種抗旱評價體系得分值對76個受試棉花品種（系）進行K－means劃分聚類，最終將76個品種分為高抗（Ⅰ類）、抗（Ⅱ類）、中等（Ⅲ類）、敏感（Ⅳ類）、高敏（Ⅴ類）五類。Pearson相關性分析結果表明，這四種抗旱性綜合評價體系兩兩之間的Pearson相關性均達到了極顯著水平（P＜0.01），說明四種抗旱性綜合評價體系具有高度一致性，都能夠較為準確地反映出品種間抗旱性的差異，本研究對所列棉花品種資源的抗旱性評價結果具有較高的參考價值。

3.3 棉花抗旱性預測模型建立

近年來由于全球氣候變化影響造成生態環境的日益惡化和頻繁發生的持續干旱，干旱脅迫已成為影響棉花生產的主要環境因素。篩選和利用棉花抗旱種質資源、培育抗旱性強的棉花品種及挖掘現有主栽品種的抗旱潛力是解決棉花生產問題的一個有效途徑。但是，育種家們在品種選育過程中如何快速準確地預測新材料的抗旱性是一個關鍵問題。本研究利用篩選出的10個農藝性狀指標的抗旱系數作為自變量，四種抗旱性綜合評價體系得分值為因變量，采用逐步回歸的方式建立抗旱性預測模型回歸方程。結果顯示，各模型方程的F值和顯著性概率Sig.值均達到極顯著水平，模型的評價預測效果很好，在棉花品種（系）抗旱性鑒定中，可以有選擇地測定如始花期葉片數、始花期株高、始花期倒四葉面積、花鈴期株高、花鈴期葉片數、單鈴重、單株籽棉產量等7個指標，就可以有效地預測、鑒定棉花品種（系）的抗旱性，從而使鑒定工作簡單化。

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Screening and evaluation for drought resistance of cotton varieties

LIZhong-wang1，CHEN Yu-liang1，LUO Jun-jie1，SHIYou-tai1，FENG Ke-yun2，CHEN Zi-xuan1
（1.Biotechnology Institute，Gɑnsu Acɑdemy of Agriculturɑl Sciences，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.Institute of Crop Sciences，Gɑnsu Acɑdemy of Agriculturɑl Sciences，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ）

In order to screen the drought resistance of germplasm resources and develop cotton drought resistance evaluation system，76 different cotton varieties（lines）were planted under drought stress and normal irrigation in Dunhuang City，Gansu province，where the annual rainfall is less than 40mm.Drought resistance of76 varieties（lines）was evaluated by the investigation on 10 agronomic traits and yield index which is closely related to drought resistance of cotton，in combination with the comprehensive drought resistant coefficient（CDC），comprehensive drought resistant index（CDI），membership function values（CDM）and drought resistance，drought resistance comprehensive evaluation values（D）fourmethod.The evaluation results of the fourmethods were basically the same，and then clustering analysis was performed.The 76 varietieswere divided into High Resistance（class I），Resistance（classⅡ），Middle（classⅢ），Sensitive（class IV）and High Sensitivity（class V）.The resulting 10 agronomic traits of drought resistance coefficientas the independent variable，four kinds of comprehensive evaluation of drought resistance of score values as the dependent variable，can be used to establish the regression equation using stepwise regressionmethod for predict drought resistance of cotton，facilitating the simple and accurate evaluation of the drought resistance of breeding germplasms.

cotton；drought resistance；screening；evaluation

S562

：A

1000-7601（2017）01-0240-08

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.36

2016-01-10

甘肅省科技重大專項（1207NCXA264）；國家自然科學基金（31460365）；甘肅省農業科學院“現代農業生物技術集成與應用”創新團隊（2015GAAS02）

李忠旺（1980—），男，助理研究員，碩士，主要從事作物抗逆生理研究。E-mail：lizhongwang33＠163.com。

陳玉梁（1972—），男，主要從事農業生物技術研究。E-mail：chenyl925＠163.com。