陸地棉品種資源萌發期耐鹽性的隸屬函數法評價

鄭巨云，曾輝，王俊鐸，龔照龍，梁亞軍，艾先濤，郭江平，馮國偉，莫明，李雪源

(1.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆師范高等?？茖W校數理學院，烏魯木齊 830063；3.新疆農業大學科學技術學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆棉花生產規模居全國之首，面積占全國63%，總產占全國70%左右，在我國和世界棉產業發展中具有舉足輕重的作用，肩負著我國棉花的生產安全、滿足棉紡織工業需求、促進新疆經濟發展的重任[1]。相對其他大田作物，棉花具有一定耐鹽性，是耐鹽的先鋒作物，但棉花受較高鹽濃度的脅迫會嚴重影響種子萌發、生長、發育及生理生化代謝，最終造成不萌發、死苗及植株死亡[2]。新疆棉區屬于中溫帶至暖溫帶干旱氣候區，干旱、含鹽成土母質、水分條件及灌溉方式造成土壤普遍積鹽，鹽漬化及次生鹽漬化的耕地面積已占全部耕地的30%[3]，土壤鹽漬化已成為制約新疆棉花生產持續發展的關鍵因子。研究表明[4]，種子萌發時期是鹽脅迫最敏感時期，可以作為耐鹽性鑒定的重要時期。通過研究國內外不同陸地棉品種資源在鹽脅迫及正常灌水條件下的萌發期表型性狀差異，分析鹽脅迫對棉花萌發期相關性狀的影響，對篩選耐鹽能力強的特異材料及萌發期耐鹽基因的關聯分析有重要意義。【前人研究進展】棉花不同生育時期的耐鹽能力不同，孫小芳等[5]認為而棉花的萌發期耐鹽能力最弱。劉國強等[6]、廖震等[7]研究認為，幼苗階段和開花結鈴階段對鹽分較為敏感,特別是三葉期前的幼苗。目前對棉花萌發期耐鹽性的鑒定、評價已有研究，李雙男等[2]、徐佳陵等[4]研究了不同鹽堿濃度對不同棉花品種種子萌發期的影響。白燈莎等[8]、張國偉等[9]研究認為，150.0 mmol/L NaCl是耐鹽鑒定的臨界濃度，并用此鹽濃度對棉花種子萌發及出苗期的影響進行了研究?！颈狙芯壳腥朦c】耐鹽鑒定的方法有直接鑒定和間接鑒定兩種，直接鑒定分為形態觀察法[10]、產量比較法[11]、田間鹽池鑒定法[12]。模糊數學隸屬函數綜合分析陸地棉主要品種資源耐鹽性，綜合評價國內外陸地棉種質資源萌發期耐鹽特性，篩選耐鹽堿能力強的資源材料。【擬解決的關鍵問題】研究采用形態觀察法，對國內外收集的188份陸地棉品種資源作為材料，在萌發期測定150.0 mmol/L NaCl脅迫及清水對照的發芽勢、發芽率、芽鮮重、莖長等相關指標，通過模糊數學隸屬函數法對資源材料耐鹽性進行綜合性評價。為陸地棉耐鹽遺傳改良及機理研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料共計188份，中國三大棉區及遼北特早棉區陸地棉資源材料174份，其中新疆128份、河南11份、山東9份、遼寧5份、湖北4份、江蘇3份、四川2份、江西2份、河北2份、陜西3份、湖南2份、甘肅1份、安徽1份、北京1份；國外種質資源材料14份，其中美國9份，蘇聯3份，哥倫比亞1份，乍得1份。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

萌發期耐鹽試驗使用雙層濾紙卷直立培養[13]。裁剪長寬各20 cm的濾紙2張，把一張濾紙平鋪在試驗臺上，用裝有NaCl溶液的噴霧器把濾紙浸濕，放置15粒種子在濾紙頂部向下2 cm處，種子的尖端向下，再放置另一張濾紙，再噴少量的NaCl溶液，把濾紙卷起來呈圓柱形。在長方形的培養盒中加入2 cm的NaCl溶液，把卷好的濾紙豎直放進培養盒中，每個培養盒放入約30個卷好的濾紙。用一根細線把濾紙固定，再用黑色的袋子把濾紙罩住。把培養盒放入溫度為28℃，光周期10 h/14 h(L/D)，恒溫光照培養箱中保溫培養。在第3 d測量種子的發芽勢和每粒種子的長度，第7 d測量種子的發芽率、10 d測芽長度、莖鮮重，重復3次。NaCl溶液的處理濃度為0 NaCl(CK)、150.00 mmol/L NaCl。

1.2.2 計算公式

將鹽脅迫環境和對照的測定轉化相對值進行分析，計算公式[8,14-15]如下：

相對發芽率(%)=處理種子發芽勢 /對照種子發芽勢×100%。

相對發芽率(%)=處理種子發芽率 /對照種子發芽率×100%。

相對莖長(%)=處理莖長平均株高 /對照莖長平均株高×100%。

相對芽鮮重量(%)=處理莖鮮重 /對照莖鮮重×100%。

1.2.3 陸地棉耐鹽性分級標準

計算各指標的耐鹽指數，根據彭振等[18]陸地棉種質耐鹽性分級標準進行分級。表1

表1 陸地棉種質耐鹽性分級標準
Table 1 Classification standard of salt tolerance for upland cotton yarities resources

耐鹽級別Salt tolerence level耐鹽性Salt tolerence耐鹽指數Salt-tolerence index1高耐0.7

1.3 數據處理

棉花的耐鹽性受多個指標影響，單個指標并不能客觀的評價不同品種的耐鹽性，實驗采取模糊數學的隸屬函數法對棉花進行耐鹽性評價。隸屬函數法可以把多個指標納入一個系統進行棉花耐鹽性的綜合分析，避免單個指標評價品種的問題[9,16-17]。

1.3.1 隸屬函數分析法

隸屬函數值：Xj=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2,3……n.

式中，Xij為i品種j指標的測定值，Xmax為該指標的最大值，Xmin為該指標的最小值。利用上述公式求出每個指標的綜合隸屬函數值。

1.3.2 權重

采用標準差系數法，先計算標準差系數Yj，再計算各指標的權重系數Zj。

1.3.3 綜合評價值

式中，D值為棉花綜合指標評價得到的耐鹽性綜合評價值。數據分析采用EXCLE2010軟件和SAS9.0軟件對田間測試數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 各性狀相對值方差

研究表明，150.0 mmoL NaCl脅迫環境下，品種間各性狀的相對值存在極顯著的差異(P值均小于0.01)，而重復間差異不顯著(P值均大于0.05)。鹽脅迫環境下，不同種質資源材料的耐鹽性差異顯著，也反映了187品種資源遺傳背景差異較大。表2

表2 各性狀相對值的單因素方差
Table 2 One-way analysis of variance on morphologic traits at the seedling stage

性狀Trait差異源平方和SS自由度df均方MSF值FP-valueP相對發芽勢力RGP品種間(DC)23.2491890.1231.5362.78E-04重復間(DR)0.14020.0700.7370.479相對發芽率RGR品種間(DC)35.2031890.1861.7861.38E-06重復間(DR)0.25620.2562.1020.148相對芽重RFW品種間(DC)41.4071890.2192.7381.64E-10重復間(DR)0.23520.2351.4980.222相對芽長RSL品種間(DC)143.2981890.7582.4011.63E-12重復間(DR)1.43520.7171.5080.222

注：相對發芽勢(RGP),相對發芽率(RGR),相對芽重(RFW)，相對芽長(RSL)，品種間(DC)，重復之間(DR)

Note：Relative germination potential (RGP)，Relative germination Rate(RGR)，Relative fresh weight(RFW)，Ralative shoot length(RSL)，Different cultivars(DC)，Different replications(DR)

2.2 不同性狀相對值相關性

對發芽勢、發芽率、芽鮮重、莖長的相對值進行相關性分析。表明：相對發芽勢與相對發芽率、相對芽鮮重存在極顯著的正相關，其相關系數分別為為0.497、0.281，與相對芽長存在顯著正相關，相關系數為0.167；相對發芽率與相對芽鮮重存在極顯著正相關，相關系數為0.504，與相對芽長存在負相關，相關系數為-0.037；相對芽鮮重與相對芽長存在極顯著正相關，相關系數為0.216。除相對發芽率與相對芽長存在負相關以外，其它性狀相對值之間均存在顯著或極顯著正相關，作為萌發期耐鹽鑒定的分析指標。表3

表3 不同性狀相對值相關性
Table 3 Analysis of correlation among relative morphologic traits at the seedling stage

相對發芽勢RGP相對發芽率RGR相對芽重RFW相對芽長RSL相對發芽勢 RGP10.497??0.281??0.167?相對發芽率 RGR0.497??10.504??-0.037相對芽重 RFW0.281??0.504??10.216??相對芽長 RSL0.167?-0.0370.216??1

注：*和**分別表示0.05顯著性差異及0.01顯著性差異。相對發芽勢(RGP),相對發芽率(RGR),相對芽重(RFW)，相對芽長(RSL)

Note：*and**showed the significant level at 5% and l% respectively. Relative germination potential (RGP)，Relative germination Rate(RGR)，Relative fresh weight(RFW)，Ralative shoot length(RSL)

2.3 耐鹽性綜合評價

采用發芽勢、發芽率、莖長、莖鮮重4個指標相對值對棉花的耐鹽性進行綜合評價。用隸屬函數法求出對應的隸屬函數值，并計算耐鹽性綜合評價值D值)。研究表明，不同品種相對發芽勢(0.13～1.42)、相對發芽率(0.03～1.47)、相對芽鮮重(0.02～1.75)、相對莖長(0.18～1.05)差異極顯著，由耐鹽性綜合評價值(D值)可知，187份品種資源耐鹽性存在差異顯著，對鹽抗性級別為高耐、耐鹽、中耐、敏感的品種資源所占比例分別為0.5%、23.9%、63.8%、11.7%；其中新陸中22耐鹽級別為高耐；新陸早1號、新陸早21號、蘇棉12號等45份品種資源表現為耐鹽，新陸中21號、新陸中54號、遼棉17號等120份品種資源表現為中耐，春矮早、新陸中42號、云151075等22份材料為表現敏感。表4

2.4 耐鹽性

研究表明，從中國新疆的品種資源中篩選出1份高耐材料、27份(21.1%)耐鹽材料、81份(63.3%)中耐材料和19份(14.8%)敏感材料，與國內其它省份品種資源相比，耐鹽材料所占比例較小，中耐材料所占比例相當，而敏感材料所占比例明顯較大；與國外品種資源相比，耐鹽品種資源所占比例較低相當，中耐品種資源所占比例較小，而敏感材料所占比例也明顯較大；中國新疆品種資源總體耐鹽性較其他省份及國外差，主要是耐鹽材料所占比例相對較小，而敏感材料所占比例較大，這與中國新疆品種資源遺傳背景狹窄有關。表5

表5 不同來源品種資源耐鹽性
Table 5 The salt tolerance of Cotton varities resources accessions from different origins

高耐鹽HST占比PCT耐鹽ST占比PCT中耐MST占比PCT敏感SS占比PCT總計Total中國新疆Xinjiang China10.8%2721.1%8163.3%1914.8%128中國其他省份Other cotton-growing areas China00.0%1532.6%2860.9%36.5%46國外Foreign varieties00.0%321.4%1178.6%00.0%14

注：高耐鹽(HST)，耐鹽(ST)，中耐鹽(MST)，敏感(SS),百分比(PCT)

Note：high salt tolerance(HST)，salt tolerance(ST)，moderate salt tolerance(MST)，ssalt Sensitive(SS)，percentage(PCT)

3 討 論

研究結果顯示，除個別材料外，絕大部分品種資源在鹽脅迫下萌發期相關指標較對照下降，與白燈莎·買買提艾力[14]、李寒暝[16]等研究基本一致。經綜合評價，在188份品種資源中僅1份高耐的材料，23.9%的材料表現為耐鹽，63.8%的材料表現為中耐,大部分陸地棉品種資源為中耐，其次為耐鹽，敏感材料較少，個別材料為高耐材料，說明陸地棉具有一定的耐鹽性，但缺乏耐鹽性強的資源材料，這與徐佳陵等[20]研究結果基本一致。新疆棉區的品種資源耐鹽材料、中耐材料所占比例較國內其它省份少，這與楊淑萍等[19]研究結果基本一致，說明黃河流域、長江流域及遼寧特早熟棉區的陸地棉品種資源的耐鹽遺傳背景較新疆材料豐富。此次研究國外材料較少，并未篩選到耐鹽材料，大部分材料為中耐、其次為耐鹽，沒有敏感材料，這說明國外品種資源具有一定的耐鹽性，但耐鹽性不如國內其它省份資源材料，這與徐佳陵等[4]研究結果一致。

棉花的萌發期耐鹽性受多個指標影響，單個指標難以準確的評價棉花的耐鹽性，而用隸屬函數法就能較為客觀的評價棉花的耐鹽性，解決了單個指標的評價的片面性[9,14,16]。目前，萌發期選用發芽勢、發芽率、鮮質量是國內研究學者常用的鑒定指標[9,17]。研究發現萌發期發芽勢、發芽率、芽長、莖鮮重四個指標存在顯著正相關，選取這4個指標的耐鹽系數作為耐鹽綜合評價指標進行綜合評價，相同材料與徐佳陵等[4]用相對發芽率耐鹽指數單一指標評價結果不同，說明單一指標評價與綜合指標評價分析，耐鹽性結果存在一定差異。白燈莎·買買提艾力[14]、李寒暝[17]等用相對發芽勢、相對發芽率、相對鹽害率等指標進行耐鹽性綜合評價分析，張國偉等[9]利用發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數和鮮質量的鹽害系數進行綜合評價分析，與研究相同材料的耐鹽性評價結果不同，說明選用不同指標進行綜合評價，結果亦不同。

李雙男等[2]用NaCl、NaSO4和Na2CO3+NaHCO3三種鹽堿脅迫中對6個品種進行了耐鹽性鑒定，發現相同濃度中性鹽，NaSO4脅迫比NaCl脅迫更嚴重。由于鹽堿土陰陽八大離子之間互作復雜，新疆不同地鹽堿離子成分差異較大、加之實驗材料較多，因此，采用國內學者普遍采用的150 mmoL NaCl單鹽脅迫，鑒定結果并不能代表在鹽堿地中棉花的耐鹽性。田間鹽堿離子濃度變化受多因素影響，單鹽脅迫鑒定結果可為大田生產的耐鹽性鑒定提供理論參考。

4 結 論

萌發期發芽勢、發芽率、芽長、芽鮮重的耐鹽系數之間存在顯著或極顯著正相關，相關系數為0.167～0.504；用發芽勢、發芽率、芽長、芽鮮重的耐鹽系數隸屬函數值進行綜合分析，鑒定評價得到1份高耐材料(D值：0.726)、45份耐鹽材料(D值：0.501～0.650)、120份中耐材料(D值：0.305～0.498)、22份敏感材料(D值：0.153～0.291)，其中新陸中22號(D值：0.726)、新陸早1號(D值：0.650)、新陸中21號(D值：0.630)等45份耐鹽種質材料可作為新疆陸地棉耐鹽遺傳改良的優異親本；隸屬函數綜合評價方法可為棉花耐鹽鑒定評價提供理論指導。