棉花品種資源全生育期抗旱性評價及抗旱指標篩選

李憬霖,劉紹東,張思平,陳靜,劉瑞華,沈倩,李陽,馬慧娟,趙新華,龐朝友

(中國農業科學院棉花研究所，河南 安陽 455000)

隨著全球氣溫逐漸升高，作為世界性的非生物脅迫因子之一，干旱發生的頻率不斷上升。研究發現，由于干旱具有發生頻率高、持續時間長、影響范圍廣等特點，對農業生產和發展具有極高的危害[1-3]。棉花對于干旱的耐受性相較于其他作物更強，但在干旱脅迫條件下，棉花的生長發育及纖維質量都會顯著降低。因此，選育優良抗旱棉花品種、改進棉花抗旱品種的質量及產量，對于棉花產業發展具有深遠意義。

作物抗旱性是指其在受到干旱脅迫后，對環境的適應和抵御能力。作物抗旱性狀表型復雜，而且多為數量性狀，受多因素影響[4-6]，在不同生長階段表現不同。研究發現，相比較于蕾期干旱，花鈴期干旱對于棉花鈴數、蕾數的影響更大[7-8]；而相比較于敏旱品種，抗旱品種的側根數、根苗比都要更高一些[9-10]。也有研究表明，棉花花鈴期干旱會降低總干物質量[11-13]。生理方面，棉花相對含水量高、離體葉片失水量較低和細胞膜穩定性強，棉花抗旱性高[14]。在干旱條件下，可溶性糖作為滲透調節物質，會大量積累[15-16]。在受到干旱脅迫時，脯氨酸的含量與植物受干旱脅迫程度的高低呈現正相關關系[17]。

作物抗旱性的強弱多通過研究產量及其相關指標的變化來評價[18]。研究認為，棉花產量主要受到鈴數、鈴重及衣分等性狀影響[19]，并且單株鈴數比單株鈴重及衣分對產量的影響更大[20]。近年來，隨著鑒定技術的不斷發展及統計方法的改進，抗旱性鑒定從最開始的直接鑒定、抗旱性隸屬函數法[18,21]逐步發展到目前多個表型指標，采用主成分分析、灰度分析、聚類分析等多多手段的綜合評價方法，使得抗旱鑒定結果更為科學準確。

本試驗收集西北內陸棉區、黃河流域棉區、長江流域棉區、遼寧特早熟棉區及國外優良棉花種質資源共238份，通過比較正常灌溉和干旱脅迫條件下的單鈴重、鈴數、可溶性糖含量等性狀的變化、相關性及對產量的影響，研究棉花全生育期干旱對棉花產量的影響，并篩選出與棉花抗旱能力緊密關聯的抗旱性評價指標，為優質高產的抗旱棉花品種評價和選育理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料共238份(表1)，包含黃河流域棉區58份，西北內陸棉區81份，長江流域棉區25份，北部特早熟棉區15份，以及國外引進材料21份和收集到的材料38份。由中國農科院棉花研究所早熟課題組及生理生態課題組收集并提供。

1.2 試驗設計

供試材料于2019年4月下旬播種在中國農業科學院棉花研究所新疆胡楊河試驗站。試驗采用裂區設計，設正常灌水和干旱脅迫兩種處理，膜下滴灌，一膜三行三帶。每個材料種植一行，行長 3 m，行距76 cm，株距7.2～7.3 cm，密度180 000株·hm-2，重復3次。

所有材料6月18日開始第一次灌水，生育期總計灌水10次(表2)。在生育期內，正常灌溉處理灌水4 083 m3·hm-2，水分脅迫處理灌水1 810.5 m3·hm-2。灌水和施肥同時進行，于9月25日收獲籽棉。

表2 正常灌水處理和干旱脅迫灌溉量Table 2 Irrigation volume of drought stress and normal irrigation treatments

1.3 測定內容與方法

7月4日第三次灌水前，每個材料每個處理中選取長勢均勻的5株，取主莖倒四葉，烘干后采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[23]；待到棉花完全吐絮后，每行選取長勢均勻的10株，調查株高、營養枝長度和鈴數；每行選取中部棉鈴20個，用于測定單鈴重和衣分；于成熟收獲后，調查小區籽棉產量。農藝性狀調查方法參照《棉花種質資源描述規范和數據標準》[24]。

1.4 指標計算

將各供試棉花品種農藝性狀測定值作為基礎數據，將農藝性狀測定值求平均。利用Microsoft Excel 2010軟件進行初步分析及差異顯著性分析，SPSS 24.0軟件進行主成分分析、相關性分析及聚類分析，用DPS 9.5進行灰色關聯度分析[25-26]。

抗旱評價指標包括抗旱系數(DC，drought resistance coefficient)、抗旱指數(DI，drought resistance index)、綜合抗旱系數(CDC，comprehensive drought coefficient)、抗旱性度量值(D，drought resistance comprehensive evaluation values)及加權抗旱系數(WDC，weight drought resistance coefficient)，計算公式[27]如下。

(1)

(2)

(3)

式中，Xi、CKi分別表示干旱和正常處理中性狀測定值，XMi表示某一性狀干旱處理所有測定值的平均值。

按照公式(4)計算各品種的單項指標抗旱隸屬函數值μ(Xi)(drought resistance membership function value)。

(4)

式中，Xi、Ximax、Ximin分別代表第i個綜合指標和第i個綜合指標的最大值和最小值。

按公式(5)計算因子權重系數(ωi)，在隸屬函數值μ(Xi)和因子權重系數(ωi)的基礎上，計算抗旱性綜合度量值(D)。

(5)

(6)

式中，Pi為第i個綜合指標貢獻率，表示其在所有指標中的重要程度。

關聯度(γi)、權重系數[ωi(γ)]和加權抗旱系數(WDC)。

(7)

(8)

(9)

式中，Li(k)表示關聯系數。

2 結果與分析

2.1 不同棉花品種(系)在水分脅迫下主要農藝性狀的變化

238份陸地棉種質資源8個農藝性狀如表3所示。分析發現：8個農藝性狀在干旱脅迫和正常灌水處理間的差異均極顯著(P<0.01)。不同處理的所有農藝性狀變異系數范圍為0.07～0.23。其中全營養枝長度變異系數最高，干旱脅迫條件下為0.21，正常灌水條件下為0.23；而衣分的變異系數最低，干旱脅迫和正常灌水條件下均為0.07。可以認為，本試驗所選238份棉花品種(系)類型較為豐富，所選取的農藝性狀可以為抗旱性評價提供支持。

表3 正常灌水處理和干旱脅迫條件下各主要農藝性狀Table 3 Statistics analysis of main agronomic traits under drought stress and normal irrigation treatments

2.2 單項指標分析

不同品種(系)農藝性狀的DC值和DI值如表4～5所示，根據表4可知，8個農藝性狀的DC值介于0.65～0.99之間，變異系數則介于0.03～0.21。其中衣分的DC值最高，為0.99；而單株第一營養枝長度的DC值最低，僅為0.65。將238份材料的DC值進行連續變數次數分布統計分析發現，不同指標間差異較大。在0.4

表5 棉花品種(系)各主要農藝性狀指標抗旱系數及區間分布Table 5 Drought resistance index of main agronomic traits and its distribution in upland cotton cultivar(line)

綜合分析(表4～5)可以發現，各項農藝性狀對于干旱脅迫的敏感程度依次為：單株第一營養枝長度>株高>單株全營養枝長度>籽棉產量>鈴數>單鈴重>衣分>可溶性糖含量。此外，各個性狀在干旱脅迫和正常灌水條件下的相關系數介于0.437～0.937之間。這說明在干旱脅迫的條件下，不同農藝性狀對干旱的敏感性存在差異，表明僅用單一農藝性狀指標無法客觀、準確的評價品種(系)抗旱性，必需綜合多個農藝性狀進行評價才較為科學、準確。

表4 棉花品種(系)各主要農藝性狀指標抗旱系數區間分布Table 4 Drought resistance coefficient of main agronomic trait and its distribution in upland cotton cultivar(line)

2.3 農藝性狀主成分分析

對238份品種(系)的農藝性狀進行主成分分析，得到不同農藝性狀的因子載荷和貢獻率(表6)。提取特征值>1的主成分得到P1、P2和P3，總貢獻率為61.006%，包含了大部分的農藝性狀信息。

表6 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻率Table 6 Component matrix and contribution rate of principal component analysis

根據對主成分因子絕對載荷值的分析發現，P1的特征值為2.085，貢獻率為26.057%，其中，株高和全營養枝長度的載荷絕對值(0.978)并列第一，其次為單株第一營養枝長度(0.977)，最小的為鈴數(0.009)，可以將其作為植株發育因子，P1特征值越大，植株發育越旺盛。P2的特征值為1.709，貢獻率為21.359%，其中，籽棉產量的載荷值(0.476)最高，其次為株高(0.663)和單鈴重(0.567)，最低的是全營養枝長度(0.075)，因此可將其作為產量因子，P2特征值越大，產量越高。F3的特征值為1.087，貢獻率為13.590%，其中，載荷值最高的為衣分(0.664)，其次為鈴數(0.590)和單鈴重(0.476)，最低的是籽棉產量(0.091)，可以將其作為產量構成因子，P3得到特征值越大，以衣分為代表的產量構成因子值越高。

2.4 抗旱性綜合評價、聚類分析及抗旱性等級劃分

D值的大小可以評價供試品種的抗旱性，D值越大，代表該品種抗旱性越強。所有供試的不同品種(系)的D值區間為0.197～0.624，均值為0.377，變異系數為0.217；CDC值的區間為0.712～0.972，均值為0.829，變異系數為0.059；WDC值的區間為0.739～0.985，均值為0.843，變異系數為0.053。

D值的排序前五名分別為農墾5號、FM1735、新陸中22號、遼陽短節和岱字棉20。CDC值前五名分別為FM1735、農墾5號、岱字棉20、新陸中22號和中17。WDC值前五名則分別為FM1735、農墾5號、新陸中22號、中17和魯研棉28。從排序結果可知，D值、CDC值和WDC值三者對于各品種(系)的抗旱性評價略有差異，但通過三者的排名可以看出，農墾5號、FM1735和新陸中22號這三個品種在不同的排名中均排在前列，可以認為這三個品種抗旱性較強。

根據D值、WDC值和CDC值將各品種(系)進行聚類分析，在λ=4處可以將全部品種(系)劃分為5類。結合抗旱性分析的結果(表7)可知：第Ⅰ類為高抗旱性種質，包括農墾5號、FM1735、新陸中22號等10份，占供試種質的4.20%；第Ⅱ類為抗旱種質，包括中棉所37、遼棉9號、新陸早42號等共61份，占供試種質的25.63%；第Ⅲ類為中等抗旱種質，包括浙棉11號、魯棉研36號、鄂荊1號等共84份，占供試種質的35.29%；第Ⅳ類為敏感種質，包括新陸早60號、魯研棉24號、蘇棉4號等共78份，占供試種質的32.77%；第Ⅴ類為高度敏感種質，包括新陸早76、新陸早58號共5份，占供試種質的2.10%。

表7 基于聚類結果的WDC值、D值和CDC值的均值、標準差和變異系數Table 7 Mean value,standard deviation and variable coefficient of WDC,D and CDC values based on clustering results

2.5 灰色關聯度分析

對各品種(系)做灰色關聯度分析，分辨系數設置為0.1，比較數列為各農藝性狀的DC值，參考數列為D值，數據需經過均值化，得到不同農藝性狀的DC值與D值的關聯度(γi)。由表8可以看出，不同農藝性狀DC值與D值的關聯度依次為：單鈴重、衣分、株高、可溶性糖含量、籽棉產量、鈴數、單株第一營養枝長度、單株全營養枝長度。用同樣的方法對DC值與WDC值進行灰色關聯度分析，得到不同農藝性狀DC值與WDC值的關聯度依次為衣分、單鈴重、株高、可溶性糖含量、籽棉產量、單株第一營養枝長度、鈴數、單株全營養枝長度。根據各性狀DC值與D值和WDC值的密切程度可以看出，棉花各主要農藝性狀的DC值與抗旱系數D和加權抗旱系數WDC之間的關聯度最高的是單鈴重，其次分別為衣分、株高、可溶性糖含量、籽棉產量、鈴數和單株第一營養枝長度，單株全營養枝長度的關聯度最低。

圖1 基于D值、WDC值和CDC值的棉花種質抗旱性系統聚類Fig.1 Fuzzy cluster of drought resistance of upland cotton culticars and lines based on D value，WDC and CDC values

表8 棉花品種(系)各主要農藝性狀指標D值和WDC值的關聯度及位次Table 8 Correlation degree between DC of main agronomic traits and WDC of upland cotton cultivars and lines

2.6 不同綜合抗旱性評價指標的比較

根據D值、WDC值和CDC值的回歸方程(表9)可以看出，在棉花品種(系)的抗旱性鑒定中，所檢測的8個指標(株高X1、籽棉產量X2、單鈴重X3、鈴數X4、衣分X5、可溶性糖X6、單株第一營養枝長度X7和、全營養枝長度X8)都可以用于鑒定棉花品種(系)的抗旱性。但是，各性狀指標對抗旱指標的反應程度不同，僅就反映程度排名靠前的指標來說，對D值的反映程度表現為X1>X5>X4>X3；對WDC值的反映程度表現為X3>X5>X1>X6；對CDC值的反映程度表現為X3>X1>X2>X5。由此可見，株高、單鈴重、衣分對干旱脅迫的反應更為敏感，這與灰色關聯度分析的結果相一致。

表9 棉花品種(系)抗旱性模型預測和不同綜合評價指標間的相關性Table 9 Model predict of drought resistance and correlation of different comprehensive valuation indices of upland cotton cultivars

同時，將D值、WDC值和CDC值與籽棉產量進行相關性分析，可以看出，三個抗旱指標之間、各抗旱指標與產量之間均呈現極顯著相關。由此可見，棉花品種的抗旱性直接影響產量。

3 討論

3.1 棉花種質資源全生育期多指標相結合評價抗旱性

在評價作物抗旱性時，針對不同作物所采取的鑒定方法各不相同。近年來，采用多方法、多指標相互結合的綜合性方法來評價作物抗旱性被廣泛使用[26-28]。

為了能夠較為準確地評價棉花的抗旱性，通常以D值為綜合性的評價指標，而WDC值和CDC值作為輔助[29-31]。本研究選擇了與棉花全生育期干旱相關的8個農藝性狀，首先計算DC值和DI值，其次采用隸屬函數法和主成分分析得到D值，同時得到WDC值和CDC值。同時，本實驗采用逐步回歸的方法分別得到D值、WDC值和CDC值與各性狀的回歸方程，這樣不僅能夠直觀地看出各項農藝性狀與棉花抗旱性的關系，也能夠更準確地評價棉花品種(系)的抗旱性。因此，采用抗旱系數(DC)、綜合抗旱系數(CDC)、抗旱指數(DI)、加權抗旱系數(WDC)和抗旱性度量值(D)等多元多種算法相結合，能夠更為準確地評價棉花全生育期抗旱性，同時直觀地體現了各指標與棉花抗旱性之間的關系。

3.2 抗旱性評價指標選擇

抗旱性是由多基因控制的復雜的綜合性狀。不僅受到自身種類、形態等影響，還受到干旱脅迫持續時間、干旱脅迫程度等影響[32-34]。因此，在作物抗旱性的鑒定過程中，能否篩選出與作物抗旱性密切程度高的指標才是關鍵。

鑒定棉花的抗旱性指標主要分為形態指標、生理指標和產量指標三大類[35-37]。本研究選擇棉花8個農藝性狀進行綜合評價，形態指標為株高、第一營養枝長度和全營養枝長度；生理指標為可溶性糖含量；產量指標為籽棉產量、單鈴重、鈴數、衣分。利用灰色關聯度分析得到了D值、WDC值同各項農藝性狀指標抗旱系數的密切程度，從結果可以看出，兩者的關聯結果基本相同。采用逐步回歸分析的方法建立了D值、WDC值和CDC值同各項指標抗旱系數的多元回歸方程，得到了3個擬合程度高的方程。通過關聯度分析及回歸分析可以發現，本試驗所選擇的8項指標與棉花的抗旱性均呈正相關，其中，衣分、鈴重和株高三項指標排名靠前，說明其與棉花的抗旱性具有較為密切的聯系。

3.3 不同棉花種質資源全生育期抗旱性評價

抗旱性鑒定是為了將所有供試的品種(系)根據其抗旱的能力和等級進行劃分，從而篩選出抗旱能力強的品種(系)[38-40]。本研究將238份來源不同棉花品種(系)，利用D值、WDC值和CDC值對其抗旱性進行排序，最終得到的排序結果基本一致，說明結果是可靠的。然后，利用D值、WDC值和CDC值進行聚類分析，將所有材料劃分成5個等級，從中篩選出了高抗旱性品種農墾5號、FM1735等和抗旱品種中棉所37、遼棉9號等，從而為下一步的應用提供了基礎。

3.4 抗旱品種的選擇應用應該服從生產需要

在棉花逆境研究中，抗旱性一直是主要研究方向之一。近年來，隨著研究的不斷深入，抗旱性鑒定方法已經從表型鑒定、生理生化指標測定逐步發展到分子調控、信號轉導等。本研究通過全面比較不同來源棉花種質資源的抗旱性，篩選出相關性較強的農藝性狀指標，主要包括株高、衣分和鈴重，對棉花科研和生產具有一定的指導意義。但是，通過比較不同抗旱性品種的產量可以發現，抗旱品種如農墾5號其產量并不高，并不能夠作為主栽品種；而某些敏感品種其產量很高，更適宜大面積推廣種植。這說明，目前的抗旱性評價結果雖然能夠反映某一品種的抗旱性，但抗旱品種并不等于高產品種，在優良品種選育過程中可為親本選擇提供參考，大田應用的抗旱性品種應當綜合考慮品種的抗旱性、豐產性、纖維品質等指標。