62份陸地棉種質(zhì)資源苗期抗旱性綜合評價及耐旱種質(zhì)篩選

韓永亮，李世云，路正營，孫 璐，楊玉楓，尹 國，李 平，崔紅印,常金華

(1.邯鄲市農(nóng)業(yè)科學院，河北省作物雜種優(yōu)勢研究與利用重點實驗室, 邯鄲市種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子輔助育種重點實驗室,河北 邯鄲 056000；2.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071001)

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物，常年棉田面積約500萬hm2，其中雨養(yǎng)棉田200萬hm2，約占總面積的40%，主要分布在華北平原、黃土高原、長江中游丘陵地區(qū)。其中華北平原是重要的糧棉基地，耕地面積占17%，水資源占2.3%,水資源匱乏，糧棉爭水爭地矛盾突出[1]。中國地域情況復雜,旱情變化多樣[2]，在華北黃淮棉區(qū)，棉花苗期經(jīng)常遇到干旱少雨的情況，導致棉花生長受到抑制，加重病蟲害危害甚至出現(xiàn)死苗、缺苗，無法有效利用光、溫、熱資源，造成了巨大的經(jīng)濟損失。為解決上述問題，選育節(jié)水抗旱棉花品種是增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效措施，而且對擴大植棉面積提高土地資源、水資源利用率，促進節(jié)水農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前各單位在棉花抗旱育種中取得了一定進展，育成了以‘晉棉23’、‘中棉所10’等為代表的一系列耐旱品種[1]，但高抗品種數(shù)量較少。在棉花抗旱性鑒定上多采用田間鑒定法、反復干旱法，其方法受季節(jié)限制、所需時間長、工作量大[3]，不利于早代材料的大規(guī)模篩選。PEG模擬抗旱法在玉米、小麥、高粱、苜蓿等作物上均有報道，并取得了一定進展[4-5]。因此，PEG模擬抗旱鑒定可以用于抗旱資源的篩選鑒定和綜合評價。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，利用15% PEG 6000高滲溶液模擬苗期干旱脅迫，通過對62份陸地棉材料18個指標的抗旱性進行綜合分析與評價，以期為建立棉花種質(zhì)資源苗期抗旱性評價體系、篩選或選育抗旱性強的棉花品系和品種提供理論依據(jù)和材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為邯鄲市農(nóng)業(yè)科學院早熟棉研究室自選綜合性狀良好的新品系以及部分育成品種、雜交組合一代(表1)，材料共62份，遺傳背景豐富，具有一定的代表性，種子為2019年大田收獲。

表1 試驗材料系譜及主要親本來源

續(xù)表1

試驗藥品PEG 6000由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2020年10―12月在邯鄲市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)重點實驗室人工氣候室中進行。棉花苗期抗旱鑒定參考已發(fā)表的方法[7-11]并加以改進：取62份棉花材料的種子，每個品種(系)分為2份，1份用于處理，1份用于對照。選取籽粒健康、飽滿、大小一致的棉花毛籽，用75%的酒精消毒5 min，再經(jīng)30%的H2O2表面滅菌1 h，用無菌水沖洗4～5次放入三角瓶里浸種，24 h后種植于裝有石英砂的營養(yǎng)缽中進行育苗，保持營養(yǎng)缽濕潤，待長出兩片子葉后，用1/2 Hoagland 營養(yǎng)液灌根，光照室中進行培養(yǎng)。育苗培養(yǎng)條件:14 h/10 h(光照/黑暗)、27.5℃、光強12 000 lx以上，保持相對濕度60%～80%。處理組每隔2 d補充營養(yǎng)液觀察記錄棉花的生長勢、整齊度[6]，待長至一葉一心時用7.5% PEG 6000營養(yǎng)液進行模擬干旱脅迫預處理48 h，再用15% PEG 6000營養(yǎng)液(與之對應(yīng)的溶液水勢約為-0.4 MPa[12])對62份材料進行連續(xù)灌根處理，在處理5 d后對棉花各個品種(系)苗期抗旱情況進行表型鑒定、指標測量；對照組僅用1/2 Hoagland營養(yǎng)液對62份材料進行連續(xù)灌根；每份材料處理與對照均設(shè)3個重復，分別調(diào)查處理與對照組抗旱相關(guān)的18個指標。

1.2.2 指標測量 試驗結(jié)束時用直尺測量棉花植株地上部高度、子葉柄長、子葉長寬、第一真葉長寬；洗去石英砂后用吸水紙吸水，稱量棉花植株鮮質(zhì)量；用直尺測量棉花植株全長(地上部分長度加主根長度)、棉花幼苗主根長度；測量后的幼苗利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)i800根莖掃描儀測量植株根系參數(shù)檢測各個品系幼苗根部的根全長、投影面積、像素面積、表面積、體積、根部平均直徑等指標[13-14]；最后將幼苗于80℃烘干至恒重，稱量棉花植株總干物質(zhì)量和根部干物質(zhì)量。所有處理測量指標均取3株長勢最好的幼苗進行測量。各個重復平均值進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

根冠比(%)=根生物量(g)/地上部生物量(g)

根冠長度比(%)=主根根長度(mm)/地上部長度(mm)

植株含水量(%)=(植株鮮質(zhì)量-植株干質(zhì)量)(g)/植株鮮質(zhì)量(g)×100%

子葉面積(mm2)=子葉長(mm)×子葉寬(mm)

第一真葉葉面積(mm2)=第一真葉長(mm)×第一真葉寬(mm)

1.2.3 抗旱性綜合評價 抗旱性綜合評價采用隸屬函數(shù)法，按公式(1)計算與抗旱性相關(guān)的指標具體隸屬值。

U(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

式中，Xij為i材料的j性狀值；Ximin為j性狀的最小值；Ximax為j性狀的最大值;U(Xij)為i材料j性狀的抗旱隸屬值。將抗旱隸屬值進行累加求得平均數(shù)，見公式( 2) :

Xi=∑U(Xij)/n

(2)

式中，Xi為平均抗旱隸屬值，隸屬值越大，抗旱性越強。

1.2.4 統(tǒng)計分析 利用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行整理，計算出平均數(shù)、方差、變異系數(shù)，利用統(tǒng)計分析軟件為SPSS 17.0進行因子分析[15]，采用隸屬函數(shù)法對62份陸地棉種質(zhì)進行萌發(fā)期抗旱性綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG 脅迫條件下陸地棉種質(zhì)資源幼苗生長指標的變化

由表2可知，在15% PEG 6000脅迫條件下，62份棉花幼苗材料，處理組與對照組的18個指標中有根干重、植株總干物質(zhì)量、根冠長度比3個指標差異不顯著；根冠比、根總長2個指標處理組大于對照組36.3%和386.0%，表明模擬干旱脅迫下植株生長優(yōu)先地下部分生長；其他13個指標均為處理組小于對照組，平均減小33.4%，變化幅度為2.0%～75.1%，表明模擬干旱脅迫下棉花植株生長均受到了不同程度的抑制。從指標的變異系數(shù)可以看出，處理組的植株總干物質(zhì)量和第一真葉面積變異大于對照組40.8%和32.5%，表明模擬干旱脅迫增大了品種(系)間生物量、生長速率的變異幅度；根系掃描的6個指標中投根影面積、根像素面積、根表面積、根體積、根平均直徑5個指標的變異系數(shù)高于對照組119.8%，變化幅度為17.3%～295.0%,表明模擬干旱脅迫加劇了品種根部的形態(tài)變異。

2.2 各抗旱相關(guān)指標因子分析結(jié)果

圖1～圖2為本試驗因子分析特征和貢獻率結(jié)果，根據(jù)主因子累積方差貢獻率大于80% 的原則[16]，選取前6個主因子(貢獻率達85.977%)，基本上能綜合評價陸地棉苗期的抗旱性，在此基礎(chǔ)上可以比較可靠地鑒定出不同材料抗旱性的大小。通過因子分析可以用6個復合因子來反映原有18個性狀的信息(見表3)。因子1中根部投影面積、根像素面積、根表面積、根體積、根平均直徑5個性狀值具有最大載荷，表明因子1主要對這5個性狀起直接控制作用，并且這5個性狀之間存在著密切作用關(guān)系，從生物學意義來看，這5個性狀反映根系生長情況，可稱之為根系生長因子。在因子2中植株全長和主根根長2個性狀具有最大載荷，這兩個性狀均反映植株長勢，可稱為長勢因子。因子3中的根干重、植株總干重和植株含水量3個性狀具有最大載荷，植株含水量的值為負值，根干重、植株總干重的值為正值，表明根干重、植株總干重與植株含水量之間可能存在一定的抑制關(guān)系，可以把因子3稱為生物量因子。因子4的子葉柄長、子葉面積、第一真葉葉面積3個性狀具有最大載荷，這3個性狀反映植株光合能力，可以把因子4稱為光合因子。因子5中地上部長度和根冠長度比2個性狀具有最大載荷，因子6中的根冠比具有最大載荷，這3個性狀均反映棉花苗期干旱脅迫下，地上部與地下部分長勢協(xié)調(diào)性，即在品種間地上部生物量較大的情況下，具有較高根冠比的品種抗旱性較好。

表3 陸地棉種質(zhì)資源苗期各生長指標的因子分析

2.3 隸屬函數(shù)及相關(guān)系數(shù)分析

根據(jù)因子分析的結(jié)果，各特征值大小代表各綜合指標即主因子對方差貢獻的大小，特征向量表示各性狀對綜合指標的貢獻大小[16]。選1～6主因子中的較大特征向量:根部投影面積、根部像素面積、根表面積、根體積、根部平均直徑、根冠比、根干重、總干物質(zhì)量、地上部高度、植株全長、主根根長、植株含水量、根冠長度比、子葉柄長、子葉面積、第一真葉葉面積16個指標進行隸屬函數(shù)分析，并求平均值，以評價其苗期抗旱順序。根據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小對陸地棉不同供試材料進行苗期抗旱性排序，其抗旱能力強弱見表4，可以看出62份棉花材料的苗期抗旱順序，其中HL59、HL662、HL58、HL28、HL64、HL50、HL48等品系排序靠前，表明抗旱性相對較強。

2.4 品種表型分析與隸屬分析綜合篩選研究

在光照培養(yǎng)室內(nèi)15% PEG 6000脅迫120 h后根據(jù)對供試材料生長勢、整齊度、株高、子葉、真葉平展度等性狀進行表型鑒定，從62份材料中進行分組，將材料分為相對抗旱組、相對耐旱組、敏感類型組，實驗室表型鑒定可以直觀地對棉花苗期材料抗旱性進行分組，但是同一組內(nèi)的品種(系)間抗旱性強弱無法準確區(qū)分，隸屬分析可以對每個材料抗旱強弱進行排序，因此將實驗室表型觀察分組結(jié)果與各個性狀隸屬分析綜合評價結(jié)果結(jié)合，篩選出相對抗旱品系7個、相對耐旱品系4個、敏感品系6個(見表5)。根據(jù)各品種(系)在模擬干旱脅迫下的表現(xiàn)相對值進行品種聚類，得到品種聚類圖(圖3)，多數(shù)抗(耐)旱品系聚在一起，結(jié)果與表5基本一致，表5中HL60來源于邯663，該品種經(jīng)大田試驗鑒定為耐旱品種，在此次試驗中光照培養(yǎng)表型鑒定為相對抗旱，但綜合排序靠后，主要是由于其前期長速緩慢，生物量積累較少，造成了一定偏差。

表5 PEG 6000脅迫下表型鑒定與隸屬分析綜合結(jié)果

3 討 論

棉花苗期是以根、莖、葉生長為主的營養(yǎng)生長階段，在2～3片真葉期開始花芽分化，進入孕蕾期[17]。苗期的生長情況關(guān)系到植株的形態(tài)建成和生長發(fā)育，直接影響到豐產(chǎn)群體的構(gòu)建。華北黃淮棉區(qū)常有春季初夏連旱的氣候影響，正是棉花的苗期階段，對干旱敏感[18]，雖然棉田苗期輕微受旱有利于扎根，壯苗早發(fā)，但持續(xù)嚴重干旱，造成弱苗、死苗、缺苗斷壟，直接影響產(chǎn)量。抗旱性是一個復雜的生理現(xiàn)象，與植物類型、基因型等緊密相關(guān)，并且容易受環(huán)境因素影響；根部是干旱環(huán)境條件下最早接收到信號的部位，根系又是苗期的生長中心。因此，在棉花苗期對其進行抗旱性鑒定在生產(chǎn)上具有非常重要的現(xiàn)實意義。吳文榮等[19-20]測定了苗期玉米的抗旱性相關(guān)生理指標,并研究了這些指標的綜合評價與干旱脅迫處理下產(chǎn)量抗旱指數(shù)的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)抗旱性強的品種種子產(chǎn)量較對照下降較少，而抗旱性弱的品種產(chǎn)量則下降較多，從而說明研究植物苗期的抗旱性相關(guān)生理指標的強弱可以用來快速預測品種抗旱性。

在本試驗的研究結(jié)果中，16個指標與棉花苗期抗旱性有關(guān)系，除根冠比、根冠長度比、主根根長、植株含水量4個指標外，剩余12個指標與棉花苗期綜合抗旱性存在顯著和極顯著相關(guān)。本研究利用隸屬函數(shù)多指標進行綜合評價，能更好地評價不同品種苗期對水分脅迫的適應(yīng)性，提高了抗旱鑒定的區(qū)分度和準確性，使試驗結(jié)果更加可靠。本研究在15% PEG 6000 脅迫條件下，不同品種的棉苗地上部長度受到抑制程度平均為9.48%，主根長度的抑制程度為1.55%，表明主莖伸長受抑制程度遠大于主根伸長的受抑制程度，這與嚴美玲等[21]、王俊娟等[12]的研究結(jié)果有一定的相似性，這也許是棉花在進化過程中保留這樣一種適應(yīng)機制，即在不利的條件下優(yōu)先保證根的生長[22-25]，同時株高降低也節(jié)省了水分運輸?shù)木嚯x，節(jié)省了根系吸水所需的能量。在本研究中抗旱材料雖然主根伸長受到抑制但側(cè)根長度增加(見表2)，根全長顯著增加，根部表面積增大、根體積增大，這與李文嬈等[25]研究干旱脅迫使得紫花苜蓿根系表現(xiàn)為主根伸長生長受到抑制、主根直徑變細、側(cè)根和根系總長度伸長生長則被促進、根系表面積顯著增加的結(jié)果一致。另有研究表明，當水分成為限制植物生長的條件時，根系會產(chǎn)生形態(tài)、生理等方面的變化來維持其功能行為[26-29]。在本試驗中，7.5% PEG 6000干旱脅迫處理48 h后, 對照組和干旱脅迫處理組沒有明顯差異；隨后15% PEG 6000干旱脅迫處理48 h后，處理組部分品種葉片邊緣發(fā)生輕微卷曲，葉片顏色加深，生長緩慢，96 h以后處理組的個別敏感品種葉片出現(xiàn)壞死的小斑點，邊緣卷曲，120 h后多數(shù)品種(系)出現(xiàn)干旱萎蔫形態(tài)。處理組大部分品種根尖由白色轉(zhuǎn)為褐色，有些敏感品種轉(zhuǎn)為深褐色，然而相對抗旱耐旱的品種(系)雖然根部也有變色，但變色程度輕且部分根尖仍然為白色。由此可知，面對干旱，根系的適應(yīng)性變化可能是陸地棉能忍耐一定程度干旱的主要機制。對于作物的抗旱性評價，大多數(shù)研究者認為，基于抗旱性是多種因素綜合作用的結(jié)果，采用多指標的綜合評價比單指標評價更為科學和客觀，但從材料篩選和育種效率出發(fā)，考慮到育種早代對大量遺傳變異材料的選擇，抗旱性鑒定也必須重視簡單、快捷的鑒定。根據(jù)沈嘉等[30]研究，隨著干旱處理時間的延長, 根系各細胞器形態(tài)變化的時間普遍晚于葉片, 并且各細胞器的降解程度也明顯小于葉片，在受到干旱脅迫時根系抗旱的能力大于葉片。結(jié)合本研究中子葉柄長、子葉面積、第一真葉葉面積的抗旱隸屬函數(shù)值較高，可以選這3個性狀作為早代抗旱鑒定的指標。在育種的早期世代，每個植株代表一個基因型，選用這3個性狀表型鑒定不需要破壞性取樣。因此育種早期選用子葉柄長、子葉面積、第一真葉葉面積這3個指標對干旱脅迫下的陸地棉進行苗期抗旱性鑒定，可以達到高效、快速的目的；而在育種的高代材料篩選中，應(yīng)考慮16個指標的綜合效應(yīng)，對其抗旱性進行綜合評價。

4 結(jié) 論

15% PEG 6000脅迫處理棉花幼苗可以對棉花品種進行簡單、快速的抗旱性篩選；62份材料中選出相對抗旱品系7個：HL21、HL28、HL47、HL59、HL60、HL63、HL662；相對耐旱品系4個：HL13、HL14、HL64、HL66；敏感品系6個：HL31、HL34、HL40、HL42、HL68、HL73；剩余材料為介于耐旱與敏感之間的過渡類型。