NaCl水培脅迫下棉花苗期耐鹽指標篩選與分析

劉祎，張海娜，錢玉源，韓軒，崔淑芳，王燕，王廣恩，金衛平，李俊蘭

（河北省農林科學院棉花研究所，農業部黃淮海半干旱區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，河北石家莊050051）

NaCl水培脅迫下棉花苗期耐鹽指標篩選與分析

劉祎，張海娜，錢玉源，韓軒，崔淑芳，王燕，王廣恩，金衛平，李俊蘭*

（河北省農林科學院棉花研究所，農業部黃淮海半干旱區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，河北石家莊050051）

對棉花苗期耐鹽指標進行篩選與分析，可以簡化棉花耐鹽性鑒定的程序、縮短耐鹽棉花品種的篩選周期。以5個鹽耐受程度不同的棉花品種為試材，在水培條件下，比較了不同濃度NaCl脅迫對棉花幼苗地上部和地下部生長性狀的影響，篩選出適宜棉花幼苗期耐鹽性鑒定的NaCl濃度；通過分析該濃度脅迫下參試棉花品種幼苗生長相關性狀的差異，篩選出與清水對照差異顯著的性狀指標，并對其進行主成分分析，篩選出對第1主成分貢獻較大的性狀指標作為棉花耐鹽性評價的適宜指標；依據這些指標，計算參試棉花品種的平均隸屬度，評價其耐鹽性順序。結果表明：適宜棉花苗期耐鹽性鑒定的NaCl濃度為150 mmol/L；該脅迫濃度下，除根系長度外，參試棉花品種的其他性狀指標（幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積和根系平均直徑）均與清水對照存在顯著差異，其中，地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積和根系平均直徑5個地下部因子對第1主成分貢獻較大。根據參試棉花品種5個地下部因子的平均隸屬度得到其耐鹽性順序為中棉所23＞冀棉27＞中9807＞中S9612＞中棉所12，與各品種的耐鹽相對成活率順序一致。幼苗地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積和根系平均直徑可以作為棉花苗期耐鹽性的評價指標。

棉花；苗期；鹽分脅迫；耐鹽性；主成分分析；隸屬函數

棉花（Gossypium hirsutum L.）為耐鹽的先鋒作物，但其種間耐鹽性差異較大[1]。棉花耐鹽種質資源的評價與篩選是耐鹽育種的基礎和前提條件。發掘棉花自身的耐鹽能力，篩選和種植耐鹽品種，對提高現有鹽漬地棉田產量、推進開發鹽漬地植棉進程具有重要意義。

一般認為，棉花在幼苗階段和開花結鈴時期對鹽分較為敏感，特別是三葉期前的幼苗，因此，幼苗期是鑒定棉花耐鹽性的重要階段。葉武威等[2]將土壤基質含鹽量0.4%作為棉花耐鹽性鑒定的濃度，統計施鹽10 d后的棉花相對成活苗率，將棉花耐鹽性分為4級。劉雅輝等[3]通過調查幼苗長勢、鹽害癥狀以及二葉期的株高和葉片數，對棉苗分類并計算鹽害指數。另外，已知的棉花耐鹽性評價方法還有離子比值法、整體植株鑒定法、花粉萌發率測定法、多標記組合鑒定法等[4～9]。但是，以上苗期棉花耐鹽性篩選的操作周期較長。為了縮短篩選周期、簡化鑒定程序，采用干物重和根系指標綜合評價棉花品種的耐鹽性，旨為篩選、培育耐鹽棉花品種，以及開展棉花耐鹽遺傳研究提供參考。

1 材料與方法

參試棉花品種為中棉所23、冀棉27、中9807、中S9612和中棉所12，其耐鹽程度（用耐鹽相對成活苗率表示）不同（表1），其中，中9807、中S9612和中棉所12的耐鹽相對成活苗率由中國農業科學院棉花研究所提供。

表1 5個參試棉花品種的耐鹽相對成活苗率（%）Table 1 Relative survival rate of salt tolerance of 5 cotton cultivars

選擇當年收獲的健康、均一、飽滿棉花種子，采用沙培法進行試驗。種子和沙土均事先用3%的H2O2進行消毒。先將棉花種子用去離子水浸種20 h，而后于28℃恒溫條件下，在發芽盒中用沙土培養；待子葉展開后，選擇生長狀況一致的幼苗，移入Hoagland’s營養液中培養，進行不同濃度的NaCl脅迫處理，直至真葉長出。試驗NaCl濃度設0（CK）、50、100、150和200 mmol/L計5個處理，3次重復。每天9：00進行補水，以確保培養液中NaCl濃度的相對穩定。脅迫15 d后，采用直接測量法測定幼苗高度，采用干物質測定法分別測定幼苗的地上部和地下部干重，采用根系掃描法測定幼苗根系的長度、投影面積、表面積、體積、平均直徑。

利用SAS軟件對試驗數據進行方差分析和主成分分析，確定棉花品種耐鹽的主導因素，并劃定不同的耐鹽范圍；通過隸屬函數分析法，建立以干物重和根系指標為主的耐鹽性篩選體系。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫對棉花幼苗生長的影響

2.1.1 對幼苗高度及地上部干重的影響NaCl脅迫處理的參試棉花品種幼苗高度和地上部干重相對生長量均＜CK，且指標值均隨NaCl脅迫濃度的升高而逐漸降低（表2）。表明NaCl脅迫會影響棉花幼苗的高度生長和地上部干物質積累，且影響程度隨NaCl脅迫濃度的升高而逐漸增大。

2.1.2 對根系生長的影響隨著NaCl脅迫濃度的升高，參試棉花品種的地下部干重、根系長度、根系投影面積、根系表面積和根系體積均基本呈逐漸下降趨勢，根系平均直徑呈先降低后升高的曲線變化。表明NaCl脅迫會影響棉花幼苗的根系生長和地下部的干物質積累，其中，≥150 mmol/L的高濃度脅迫下根系平均直徑有所增大。

2.2 棉花品種的耐鹽性評價

2.2.1 適宜NaCl濃度的篩選多重比較結果顯示，除地上部干重外，棉花幼苗其他性狀指標與CK差異均達到顯著水平的NaCl脅迫濃度最低值為150mmol/L。因此認為，選用150 mmol/L的NaCl溶液進行棉花幼苗期的耐鹽性鑒定較為適宜。

表2 不同濃度NaCl脅迫對棉花幼苗相對生長量的影響Table 2 The effect of different concentrations of NaCl stress on the relative growth rate of cotton seedling

2.2.2 適宜耐鹽指標的篩選調查結果（表3）顯示，150 mmol/L NaCl脅迫下，參試棉花品種除根系長度外，其他指標差異均達到了顯著水平。因此，選擇幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系平均直徑7個指標進行主成分分析。主成分分析在原始組合中利用新轉換組合的較少綜合指標，能夠較好地反映棉花的耐鹽性[11，12]。主成分的特征值和貢獻率是選擇主成分的依據，其中，各特征值大小代表了各綜合指標對總遺傳方差貢獻的大小，特征向量表示各性狀對綜合指標貢獻的大小。將與棉花耐鹽性有關的7個性狀指標轉化為4個主成分，其中，第1主成分累計貢獻率為62.20%，前3個主成分的累計貢獻率達到94.59%（表4）。表明前3個主成分可以反映出棉花耐鹽性90%以上的信息，其中，第1主成分代表了62.20%的信息。因此，選取前3個主成分作為耐鹽性評價的綜合指標。

表3 150 mmol/L NaCl脅迫對參試棉花幼苗和根系生長的影響Table 3 The effect of 150 mmol/L NaCl stress on the seedling and root growth of cotton

表4 主成分的特征值和累計貢獻率Table 4 Eigenvalues and cumulative contribution of principal components

結合主成分分析公式[13]，由表5可知，第1主成分的表達式為Prin1＝0.232x1＋0.085x2＋0.422x3＋0.456x4＋0.456x5＋0.468x6＋0.353x7，其中，x3（地下部干重）、x4（根系投影面積）、x5（根系表面積）、x6（根系體積）和x7（根系平均直徑）的系數較大，而這些指標反映了地下部的生長發育情況，表明地下部生長發育對第1主成分貢獻較大，因此，可以將第1主成分稱為地下部因子。第2主成分特征值為1.460，貢獻率為20.85%，其中，較大特征向量對應的指標是地上部干重，因此，可以將第2主成分稱為地上部干重因子。第3主成分特征值為0.808，貢獻率為11.54%，其中，較大特征向量對應的指標是幼苗高度，因此，可以將第3主成分稱為幼苗高度因子。

表5 150 mmol/L NaCl脅迫下棉花品種耐鹽指標主成分分析結果Table 5 Principal component analysis of salt tolerance of cotton cultivars under 150 mmol/L NaCl stress

2.2.3 參試棉花品種的耐鹽性評價隸屬函數綜合值可以比較直觀地反映出參試棉花品種的耐鹽性，且綜合值越大，耐鹽性越強[14，15]。第1主成分代表了棉花耐鹽性62.20%的信息，因此，選擇第1主成分中特征向量較大的5個指標地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系平均直徑進行隸屬函數分析。通過計算參試棉花品種在150 mmol/L NaCl脅迫下5個根系性狀的隸屬函數值對其耐鹽性進行綜合評價，結果（表6）顯示，150 mmol/L NaCl脅迫下，參試棉花品種的耐鹽性順序為中棉所23＞冀棉27＞中9807＞中S9612＞中棉所12。該評價結果與參試棉花品種的耐鹽相對成活苗率順序一致，表明用地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系平均直徑5個指標來評價棉花品種的耐鹽性具有可行性。

表6 150 mmol/L NaCl脅迫下參試棉花品種耐鹽性的隸屬函數值Table 6 The mean membership function value of salt tolerance of cotton cultivars under 150 mmol/L NaCl stress

3 結論與討論

棉花耐鹽性是1個復雜的數量性狀，由多基因控制[16]，其耐鹽表現通過多個性狀表達，從而構成1個較為復雜的綜合性狀，其中每個性狀均與棉花耐鹽性存在一定的聯系或相關性[17]。長期以來，如何提高棉花耐鹽性，篩選棉花耐鹽指標一直是人們關注的焦點。

植物根系是固定植株、吸收養分水分、合成氨基酸等有機化合物以及其他養分的重要器官，是與地上部進行物質交流的代謝器官，其生長發育直接影響到地上部性狀，進而影響產量[18]。由于棉花根系直接與土壤環境接觸，因此其細胞受到鹽脅迫的影響較大[19]。重度鹽脅迫可使棉花根系細胞結構發生較大程度的改變，進而抑制生長發育，甚至導致棉花死亡。在長期的進化過程中，棉花根系形成了一系列抵御鹽脅迫環境的機制，且具備了可塑性，當遇到鹽脅迫時，棉花根系可在分子水平、細胞水平以及組織器官水平上啟動一系列不同的應答反應，而其根系感知與響應鹽脅迫的能力很大程度上決定了棉花在鹽脅迫環境下的適應程度[20]。鹽脅迫下棉花根系的可塑性有助于棉花根系對鹽脅迫產生適應，這種方式是棉花在逆境中成功生存的重要前提。

在生產實踐中，鹽脅迫受多種因素的影響。為了避免試驗誤差，本研究選用NaCl溶液進行單一因素脅迫處理，脅迫濃度梯度設5個水平，測定了不同濃度NaCl脅迫下棉花的幼苗高度、地上部干重、地下部干重和根系生長發育指標，結果顯示，隨著NaCl脅迫濃度的提高，棉花幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系長度、根系投影面積、根系表面積和根系體積均基本呈逐漸下降趨勢，而根系平均直徑呈先降低后升高的曲線變化，方差分析結果表明，NaCl濃度≤50 mmol/L時對參試棉花品種大部分性狀影響不明顯，而棉花幼苗除地上部干重外的其他性狀與清水對照均產生顯著差異的NaCl最低濃度為150 mmol/L。由此認為，適宜棉花幼苗期耐鹽性鑒定的NaCl濃度為150 mmol/L。在150 mmol/L NaCl脅迫下，選擇與清水對照具有顯著差異的7個指標（幼苗高度、地上部干重、地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系平均直徑）進行主成分分析，結果顯示，前3個主成分累計貢獻率達到94.59%，可以選取前3個主成分作為耐鹽性評價的綜合指標。其中，第1主成分的貢獻率為62.20%，代表了棉花耐鹽性62.20%的信息。隸屬函數綜合值可以比較直觀地反映棉花品種的耐鹽性，綜合值越大，耐鹽性越強。選擇第1主成分中特征向量較大的5個指標（地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系平均直徑）進行隸屬函數分析，根據隸屬函數值順序評價棉花品種的耐鹽性順序，結果顯示，150 mmol/L NaCl脅迫下參試棉花品種的耐鹽性順序為中棉所23＞冀棉27＞中9807＞中S9612＞中棉所12。通過隸屬度對參試棉花品種的耐鹽性綜合評價結果與參試棉花品種的耐鹽相對成活苗率順序一致，表明選擇地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積和根系平均直徑5個指標評價棉花品種的耐鹽性具有可行性，且具有試驗周期短、試驗環境易于控制、測定方法簡便、可重復性高等優點。

通過方差分析、主成分分析和隸屬函數分析3種方法，明確了適宜棉花苗期耐鹽性篩選的NaCl濃度為150 mmol/L，確定棉花耐鹽性篩選的指標為地下部干重、根系投影面積、根系表面積、根系體積和根系平均直徑，可以利用該體系對棉花品種的耐鹽性進行苗期鑒定篩選。與此同時，應更加深入系統地了解棉花耐鹽的機制，探明其對鹽脅迫的反應機理，以便更好地將實驗室鑒定指標與田間生產緊密結合，培育出真正的耐鹽品種。隨著學科間交叉網絡的發展，基因工程應用、理化方法結合、遙感監測系統開發等都將給棉花的耐鹽工作提出新的思考和契機。

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Screening and Analysis of Salt Tolerance Indexes of Cotton Seedling in Hydroponic Culture under NaCl Stress

LIU Yi，ZHANG Hai-na，QIAN Yu-yuan，HAN Xuan，CUI Shu-fang，WANG Yan，WANG Guang-en，JIN Wei-ping，LI Jun-lan*
（Institute of Cotton of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Cotton in Huanghuaihai Semiarid Area，Ministry of Agriculture，Shijiazhuang 050051，China）

In order to simplify the identification process of salt tolerance of cotton and shorten the selection cycle of salt tolerant cotton cultivars,the suitable NaCl concentration and salt tolerance indexes of cotton at seedling stage were screened and analyzed.Five cotton cultivars with different salt tolerance were tested，the effects of different concentrations of NaCl stress on the growth of ground and underground of cotton seedlings were compared to screen out the appropriate concentration of NaCl for salt tolerance identification at cotton seedling stage.Under NaCl stress with the screened concentration，the differences on growth related traits of tested cotton seedlings were analyzed，the indexes which had significant differences with those of control were screened.The principal component analysis was carried out，and the indexes which had larger contribution to thefirstprincipalcomponentwereappropriatefor cottonsalttoleranceevaluation.Accordingtothese indexes，the average membership degree of the tested cultivars was calculated，and the salt tolerance was evaluated.The results showed that 150 mmol/L was suitable for the determination of salt tolerance.At that concentration，except root system length，there were significantdifferencesintheseindexesincluding seedling height，dry weight of shoot and root，root projection area，root surface area，root volume andaverage diameter of root system.Five underground factors including the dry weight of root，root projection area，root surface area，root volume and average diameter of root system were contributed to the first principal component.The average membership degree of the tested cotton cultivars was ranked in the order of Zhongmiansuo23＞Jimian27＞Zhong9807＞ZhongS9612＞Zhongmiansuo12，which was same as the order of relative survival rate. The dry weight of underground，root projection area，root surface area，root volume and average diameter of root system could be used to assess the salt tolerance of cotton seedling.

Cotton；Seedling stage；Salt stress；Salt tolerance；Principal component analysis；Membership function

S562

A

1008-1631（2017）03-0030-05

2016-12-30

河北省農林科學院科學技術研究與發展計劃項目（A2015070104）；河北省現代農業產業技術體系“棉花種質資源創新與評價”項目

劉祎（1983-），女，河北石家莊人，助理研究員，碩士，主要從事棉花種質資源搜集、篩選及鑒定研究。E-mail：liuyi1105@126.com。

李俊蘭（1963-），女，河北清河人，研究員，碩士，主要從事棉花新品種選育及種質資源創新方面的研究。E-mail：li-junlan@sohu.com。