海島棉資源自然復合鹽脅迫綜合評價

楊 濤 李生梅 黃雅婕 任 丹 崔進鑫 龐 博 高文偉

(新疆農業大學農學院/棉花教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

土壤鹽漬化是主要的非生物脅迫因子之一[1-2]，不合理的種植制度、施用化肥及灌溉致使土壤產生更嚴重的次生鹽漬化，影響作物生長發育，進而導致作物減產[3]。新疆是我國唯一的海島棉生產基地，鹽漬化及次生鹽漬化耕地占全部可墾荒地面積的40%[4]，嚴重制約了海島棉的正常生產，因此篩選海島棉耐鹽性種質成為目前合理利用鹽堿地的主要手段之一，對我國海島棉持續健康發展有重要意義。

棉花作為鹽堿地先鋒作物，本身具有一定的耐鹽性，但鹽分含量過高將影響棉花種子萌發[5]，持續鹽堿脅迫使棉花發育緩慢、生長期縮短，進而影響棉花產量[6]。復合鹽脅迫下棉花不同生育時期對鹽的忍耐性不同[5]，部分學者認為[7]棉花萌發期較為敏感，也有部分學者認為[8-9]苗期較為敏感。而大田鹽脅迫是多種鹽離子持續共同作用，有別于室內鑒定，直接利用自然復合鹽綜合評價海島棉資源耐受性更鮮有報道。直接產量鑒定、主成分分析綜合得分(F)、隸屬函數(μ)、綜合得分D值評價已在多種作物上應用。喬海龍等[10]利用直接法鑒定了3個強耐鹽大麥品種，高春華等[11]利用綜合得分D值篩選到5個強耐鹽高粱品種；薛曉強等[12]利用隸屬函數鑒定了5份高粱的耐鹽性；任茂等[13]利用主成分綜合得分鑒定了13個棉花品種花鈴期的耐熱性。但上述研究評價方法均較單一，而基于直接鑒定與間接鑒定海島棉耐復合鹽的4種方法是否具有統一性仍不明確。因此，本研究結合4種方法評價復合鹽脅迫下海島棉花鈴期耐鹽堿強弱，以期了解4種方法的相關性，更準確地篩選海島棉耐鹽品種，為海島棉品種篩選提供方法，為抗性育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗203份海島棉資源材料：國外75份，涵蓋亞洲、美洲等5個國家，分別來自阿爾巴尼亞(3份)、美國(16份)、前蘇聯(44份)、埃及(12份)，中國(103份)以及未知來源(25份)。基于株高(plant height，PH)、衣分(lint percent，LP)、始節高(height of the first node，HPN)、鈴數(boll number，BN)、始節數(first node of fruit branch，FNB)、果枝數(fruit branch number，FBN)、有效果枝數(effective fruit branch number，EFBN)、有效鈴數(effective boll number，EBN)、蕾鈴脫落數(number of boll drop，NOBD)、蕾鈴脫落脫率(NOBD/EBN+BN)、單鈴籽棉產量(yield of single boll seed cotton，YOSBSC)、單鈴皮棉產量(yield of single boll lint yield，YOSBLY)、單株籽棉產量(seed cotton yield per plant，SCYPP)、單株皮棉產量(lint yield per plant，LYPP)14個數量性狀耐鹽系數，利用直接產量比較、主成分綜合得分(F)、隸屬函數(μ)、主成分分析和隸屬函數產生綜合得分D值4種方法結合的綜合值(CEV)進行海島棉花鈴期耐鹽資源篩選。

表1(續)

表1(續)

表1(續)

表1(續)

1.2 試驗設計

1.3 數據處理

直接產量鑒定法是利用單株皮棉產量直接鑒定，隸屬函數值(μ)利用各材料14個數量性狀的耐鹽系數平均值進行評價，主成分綜合得分及多指標降維，利用權重達到評價目的，綜合得分D是利用權重及隸屬函數結合以達到評價目的。在分析之前所有的指標處理為耐鹽系數(耐鹽系數C=復合鹽脅迫某一性狀觀測值/對照某一性狀觀測值)。

采用SPSS 19.0統計各指標耐鹽系數的均值、標準差及變異系數等描述性指標、相關分析、主成分分析及聚類分析[15]。

隸屬函數值[15]計算公式：

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，…，n

(1)

式中，Xi為第i個綜合指標；Xmin為第i個綜合指標的最小值；Xmax為第i個綜合指標的最大值。

指標權重[15]計算公式：

(2)

式中，wi為第i個綜合指標在所有綜合指標中的權重；Pi為各品種第i個綜合指標的貢獻率。指標優劣計算公式：

(3)

2 結果與分析

2.1 復合鹽對海島棉花鈴期耐鹽系數的影響

由表2可知，在復合鹽脅迫下，203份海島棉資源數量性狀中PH、HPN、FBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC略有下降，但下降幅度不同；LP、BN、FNB、EBN、EFBN、YOSBLY、SCYPP、LYPP呈現略上升，上升幅度也不同。海島棉數量性狀的變異系數在14.336%～51.043%之間，其中變異幅度較大的性狀有LYPP、SCYPP、FNB，變異系數分別為51.043%、46.807%、46.169%；變異幅度較小的性狀有NOBD/EBN+BN、YOSBSC，變異系數分別為14.336%、18.797%。

表2 海島棉耐鹽系數描述性統計

2.2 海島棉耐鹽系數相關性分析

對14個數量性狀耐鹽系數進行相關性分析(表3)，發現PH與BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、SCYPP、LYPP存在顯著相關性，其中，PH與NOBD/EBN+BN存在顯著負相關，其余性狀間存在極顯著正相關；FNB與HPN存在極顯著正相關；FBN與BN、HPN存在極顯著正相關；EBN與BN、FNB存在極顯著正相關；EFBN與BN、FBN、EBN存在極顯著正相關；NOBD與BN、HPN、FNB、EBN、EFBN存在極顯著正相關。NOBD/EBN+BN與BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD存在顯著相關性，其中HPN與NOBN存在極顯著正相關，其余性狀間存在顯著負相關。YOSBSC與NOBD/EBN+BN存在顯著負相關；YOSBLY與LP、YOSBSC存在極顯著正相關。SCYPP與BN、FNB、FNB、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY存在顯著相關性，其中，SCYPP與NOBD/EBN+BN存在極顯著負相關，其余性狀間存在顯著正相關。LYPP與LP、BN、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY、SCYPP存在極顯著相關，其中，LYPP與NOBD/EBN+BN存在極顯著負相關，其余性狀間存在極顯著正相關。綜上，不同數量性狀間存在不同程度的相關性，說明數量性狀之間存在信息重疊。

表3 14個數量性狀耐鹽系數相關性

2.3 主成分分析結果

主成分分析是將存在相關的變量進行降維，變為互不相關的綜合性因子，用較少的綜合性因子來代表原變量。耐鹽系數降維，改變成幾個綜合性因子來評價海島棉耐鹽性，避免了單一指標無法代表海島棉整體耐鹽性。本試驗根據特征根(>1.00)及累計貢獻率為(>75%)篩選到5個綜合因子(表4)，第1因子貢獻率為40.613%，第2因子貢獻率為16.456%，第3因子貢獻率為12.171%，第4因子貢獻率為9.777%，第5因子貢獻率為7.309%，這5個因子符合變量變化趨勢，適合做主成分分析。

表4 前5個主成分的特征值及特征向量描述

結合特征向量相關系數，第1因子特征根為5.686，貢獻率為40.613%，與BN(0.930)、FBN(0.673)、EBN(0.949)、EFBN(0.897)、SCYPP(0.952)、LYPP(0.893)呈正相關，與NOBD/EBN+BN呈負相關，主要反映生長狀況，代表生長因子；第2因子特征根為2.304，貢獻率為16.456%，與YOSBSC(0.613)、YOSBLY(0.830)呈正相關，與NOBD(-0.501)呈負相關，主要反映單鈴單量，代表單鈴產量因子；第3因子特征根為1.704，貢獻率為12.171%，與HPN(0.680)、NOBD/EBN+BN(0.545)呈正相關，主要反映單株鈴數脫落，代表鈴脫落因子；第4因子特征根為1.369 ，貢獻率為9.777%，與FNB呈負相關(-0.720)，主要反映始節高，代表適合機采因子；第5因子特征根為1.023，貢獻率為7.309%，與LP呈正相關(0.675)，與YOSBSC(-0.573)呈負相關，主要反映出絨率，代表有效產量因子。

2.4 海島棉耐鹽系數綜合得分及評價

根據主成分得分系數矩陣(表5)，獲得5個主成分因子方程，求得主成分綜合得分F=0.470F1+0.191F2+0.141F3+0.113F4+0.085F5，根據主成分綜合得分公式分別計算各海島棉材料綜合得分F值，并進行排序。由表1可知，耐鹽性排名前10的品種依次為Pimas-4、比馬1、8704依、新海4號、海南長絨棉、司-6011、C-6024、卡那殼、海92-1、75-86，耐鹽最差的5個品種依次為4399、PI野生棉、Pimas-3、洛賽雅、云南3號。

表5 主成分得分系數矩陣

2.5 海島棉耐復合鹽模糊隸屬函數值評價

模糊隸屬函數是系統的統計學評價方法，因此，利用公式(1)，分別計算各數量性狀耐鹽系數隸屬函數值進行評價。

通過計算203份海島棉各數量性狀耐鹽系數隸屬函數值(μ)，隸屬函數值大小代表耐鹽強弱，分別計算海島棉耐鹽系數隸屬函數平均值。由表1可知，耐鹽最強的10個品種依次為Pimas-4、吉1、卡那殼、新海4號、海92-1、吉2、比馬1、司-6011、75-86、埃及棉424；耐鹽最差的5個品種依次為Pimas-3、4399、8813依、DJ-07-136、洛賽雅。

2.6 海島棉耐復合鹽單株皮棉產量評價

利用LYPP耐鹽系數進行評價，由表1可知，耐鹽最強的10個品種依次為Pimas-4、比馬1、8704依、新海4號、C-6024、司-6011、海南長絨棉、海92-1、卡那殼、躍零2號；耐鹽最弱的5個品種依次為4399、云南3號、Pimas-3、大35、新海27。

2.7 海島棉耐復合鹽D值評價

利用4個主成分因子(1-5)及公式(1)分別算出μ(Xi),利用貢獻率結合公式(2)求得權重分別為0.470、0.191、0.141、0.113、0.085，利用權重及μ(X1)-μ(X5)，結合公式(3)求得綜合評價值D(表1)。結果表明，耐鹽最強的10個品種依次為Pimas-4、比馬1、8704依、新海4號、海南長絨棉、司-6011、C-6024、卡那殼、海92-1、75-86；耐鹽最弱的5個品種依次為4399、Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅、云南3號。

2.8 耐鹽性綜合評價

主成分分析綜合得分值(F)、隸屬函數均值(μ)、產量鑒定值(LYPP)及D值，屬于4類不同的評價方法，結果是否客觀合理需多方驗證。由表6可知，通過主成分綜合得分值、隸屬函數均值、LYPP值及D值進行Person相關性分析，發現4個評價值之間存在極顯著正相關(P<0.01)，表明4種方法結合評價海島棉耐鹽性是可行且統一的，也表明直接鑒定法與間接鑒定法之間是統一的。將4類評價值進行標準化，求得平均值作為綜合評價值(CEV)進行評價。

表6 4類評價系數相關性分析

2.8.1 海島棉資源耐鹽性綜合評價 由表7可知，203份海島棉資源耐鹽性分為4類：敏感(CEV≤-1.000)、中耐鹽(-1.0001.000)，且存在差異。其中，耐鹽、中耐鹽資源材料所占比例最高，敏感資源材料次之，高耐鹽資源材料最少，依次為38.916%、33.498%、15.765%、11.823%。4399、Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅等32份屬于敏感鹽材料；躍51-4、3965、06E2032-24等68份屬于中耐鹽材料；65-3049、4394、躍61、E24-3353等79份屬于耐鹽材料；卡那殼、8704依、新海4號、比馬1、Pimas-4等24份屬于高耐鹽材料。

表7 海島棉復合鹽堿綜合評價

2.8.2 不同果枝類型海島棉資源耐鹽性 利用不同果枝類型，將海島棉資源分為松散型、緊湊型。由表8可知，海島棉整體表現為耐鹽最高、中耐鹽次之，敏感、高耐鹽資源偏少。不同果枝類型海島棉資源耐鹽性不一致，其中果枝緊湊型海島棉資源材料中耐鹽資源最多，耐鹽資源次之，敏感、高耐鹽資源相對較豐富；果枝松散型海島棉資源中耐鹽資源最多，中耐鹽資源次之，極端資源相對較少。

表8 不同果枝類型海島棉耐鹽性

2.9 聚類分析

利用組間連距，遺傳歐式距離進行聚類(圖1)，在歐氏距離為13時分為4類，其中，第Ⅰ類在鹽脅迫下對鈴數、有效鈴數、單株籽棉產量、單株皮棉產量、單鈴籽棉重和單鈴皮棉重影響極小的1份極強耐鹽材料Pimas-4；第Ⅱ類有15份資源材料，包括吉2、阿什蒙、埃及棉424、7045、吉1、躍零2號、75-86、海南長絨棉、海92-1、C-6024、司-6011、卡那殼、8704依、新海4號、比馬1均屬于強耐鹽材料；第Ⅲ類有63份資源材料，包括4399、Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅、云南3號、DJ-07-136、8813依、2365B等；第Ⅳ類包括124份資源材料，包括吉扎30、NMGB-14、E24-3389、65-3030-4、MOC-1號、孔雀202、大8、華東海島棉、新海36等。

圖1 綜合評價聚類

2.10 回歸模型的建立及指標篩選

利用綜合評價值作為因變量，各指標耐鹽系數作為自變量建立最優回歸方程，其中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14分別代表PH、LP、BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY、SCYPP、LYPP。建立逐步回歸方程：

Y=0.611X2+0.190X4+0.4886+0.410X9+0.476X11+1.339X14-3.640,R2=0.988,F=2667.378(P<0.01)，這6個數量性狀耐鹽系數均可作為花鈴期海島棉耐復合鹽的指標。

3 討論

本研究結果表明，在鹽脅迫下，海島棉數量性狀耐鹽系數如株高、始節高、果枝數、蕾鈴脫落數、蕾鈴脫落率及單鈴籽棉產量呈現下降，衣分、鈴數、始節數、有效鈴數、有效果枝數、單鈴皮棉產量、單株籽棉產量及單株皮棉產量略有上升。研究發現，鹽脅迫下Ca2+的存在一定程度上減少了植物對Na+的吸收，K+的選擇性向地上部運輸，以維持葉片中較高的K+/Na+[18-19]，這可能是致使部分數量性狀略上升的主要原因；蕾鈴脫落數下降幅度最大，始節數上升幅度最大，表明海島棉始節數與蕾鈴脫落數對復合鹽較為敏感；單鈴皮棉產量變化幅度較弱，說明對復合鹽脅迫反應較為遲鈍。研究表明，變異系數大于10.00%，說明群體樣本差異明顯[20]。復合鹽脅迫下還發現各性狀變異系數均大于10.00%，單株皮棉產量及單株籽棉產量變異系數最大，表明單株皮棉、籽棉產量變異最大，群體耐鹽遺傳基礎較豐富。株高與果枝數、始節高、鈴數呈極顯著正相關，與衣分無顯著相關，這與王俊鐸等[6]的研究一致；果枝數與鈴數呈極顯著正相關。本研究結果表明，蕾鈴脫落率與鈴數、始節高、始節數、果枝數、有效鈴數、有效果枝數、蕾鈴脫落數呈顯著相關，其中始節高、蕾鈴脫落數呈顯著正相關；單鈴皮棉產量與衣分呈顯著正相關。單株皮棉產量與衣分、鈴數、果枝數、有效鈴數、有效果枝數、蕾鈴脫落數、蕾鈴脫落率、單鈴籽棉產量、單鈴皮棉產量、單株籽棉產量呈顯著相關，其中單株皮棉產量與蕾鈴脫落率呈顯著負相關，其余性狀間呈顯著正相關。

本研究中，經綜合評價發現203份海島棉資源敏感、中耐鹽、耐鹽及高耐鹽品種各有32、68、79、24份，分別占15.764%、33.498%、38.916%、11.823%。整體來看，大部分海島棉品種以耐鹽及中耐鹽品種為主，強耐鹽、敏感鹽品種相對較少，這與部分學者研究[6,21-22]結果不一致，可能是海島棉與陸地棉耐鹽機理不同及評價指標不同所導致[21,23]。

本研究還發現，不同果枝類型海島棉資源耐鹽性不一致，其中果枝緊湊型海島棉資源：中耐鹽資源最多，耐鹽資源次之，敏感、高耐鹽資源相對較少；果枝松散型海島棉資源：耐鹽資源最多，中耐鹽資源次之，極端資源相對較少。說明果枝松散型較緊湊型海島棉資源整體耐鹽性較好，這可能是所選取松散型海島棉資源較多所導致，具體原因需進一步深入探究。

海島棉耐鹽屬于多指標控制的數量性狀。部分學者利用產量直接鑒定種質資源耐鹽性[24]，但直接鑒定法忽略了其余指標對耐鹽的貢獻；還有部分學者利用隸屬函數值(μ)來比較種質資源耐鹽性[23]，但忽略了各指標對耐鹽貢獻率的大小；更有部分學者利用主成分綜合得分F進行種質資源耐鹽性評價[13]和利用主成分及隸屬函數結合產生D值來評價種質資源耐性[25-26]。本試驗結合利用4種方法分別進行海島棉耐鹽性分類，經相關分析發現，4類耐鹽得分值之間存在極顯著正相關(P<0.01)，可以統一整合進行綜合評價。通過分析發現主成分綜合得分、綜合得分D較優，隸屬函數法及直接鑒定法弊端明顯。通過結合4類方法耐鹽得分值進行聚類，將海島棉資源分為4類：第Ⅰ、第Ⅱ類包括16份強耐鹽品種；第Ⅲ類以敏感鹽品種為主，包括Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅等63份；第Ⅳ類以中耐鹽品種為主，包括吉扎30、NMGB-14、E24-3389等124份。

植物耐鹽是受多指標影響的數量性狀[27-28]，因此進行多指標篩選海島棉耐復合鹽指標是有必要的，本試驗利用海島棉綜合評價值(CEV)為因變量，14個數量性狀耐鹽系數為自變量進行逐步回歸，發現衣分、始節高、果枝數、蕾鈴脫落數、單鈴籽棉產量、單株皮棉產量單鈴皮棉產量和單株籽棉產量可作為鑒定海島棉耐復合鹽脅迫的指標。

4 結論

海島棉耐鹽是一個復雜的數量性狀，因此應選取多指標進行海島棉耐鹽評價。產量是評價的關鍵影響因子之一，合理利用產量性狀進行評價是必要的。本試驗利用4類方法結合綜合評價海島棉耐鹽性是可行的，并篩選到1份強耐鹽材料Pimas-4，其在鹽脅迫下表現為鈴數、有效鈴數、單鈴籽棉重、單鈴皮棉重、單株籽棉及單株皮棉產量影響較小，株高、始節高、果枝數、蕾鈴脫落數和蕾鈴脫落率影響較大。本試驗結果為花鈴期海島棉耐鹽品種的篩選提供了理論基礎及鑒定方法。