陸地棉花鈴期抗旱指標篩選及評價

閆成川， 曾慶濤， 陳琴， 付錦程， 王婷偉， 陳全家， 曲延英

（1.新疆農業大學農學院，棉花教育部工程研究中心，烏魯 木齊 830052；2.新疆生產建設兵團第七師農業科學研究所，新疆 奎屯 833200）

棉花屬于錦葵科棉屬，作為天然纖維的主要來源，在80 多個國家及地區均有種植，同時在我國經濟作物中占有重要地位[1]。據國家統計局數據，2021年新疆棉花播種面積 250.61 萬 hm2，產量512.9 萬 t，比上年減少 3.2 萬 t，下降 0.6%，主要由于春季低溫時間長、局部階段性干旱對棉花生產造成不利影響[2]。新疆作為我國最大的產棉區，屬于干旱、半干旱地區，水資源短缺嚴重影響棉花的生產。近幾年來，出現極端干旱天氣的頻率升高，作物受到干旱脅迫的次數增加，對棉花生產構成了極大的威脅[3]。棉花抗旱性由多基因控制及多種途徑調控[4]，屬于復雜的數量性狀[5]，其中產量性狀以及眾多生理生化和形態性狀受影響最大[6]。棉花在生育時期的不同階段中抗旱機制不同,其抗旱性最終體現在產量上，因此抗旱性主要通過與產量相關的指標（包括形態性狀、生理生化和光合指標等）共同表現出來。

在棉花的幼苗時期進行干旱脅迫后發現，輕度干旱（土壤相對濕度指數為55%～65%）對于葉片光合作用沒有顯著影響，但中度(土壤相對濕度指數45%～55%)以上的持續干旱脅迫會致使葉片光合能力下降、光抑制程度加重，說明隨著干旱程度的加劇，棉花幼苗的生長發育狀況受到進一步抑制，葉片含水量、葉片水勢、凈光合速率逐漸降低[7]。沈杰等[8]研究發現，花鈴期受到干旱脅迫后，因蒸騰作用加大，水分供需失調，葉片開始出現萎蔫，使得花鈴加速脫落，嚴重影響棉花單株產量和纖維品質。王俊娟等[9]研究發現，干旱脅迫使籽棉、皮棉重均降低，同時花鈴期的干旱脅迫會使纖維品質產生極大變化，如纖維長度、斷裂比強度極顯著降低，整齊度極顯著下降，馬克隆值和伸長率極顯著升高。干旱脅迫會降低葉面積指數，且丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性與品種的抗旱指數呈顯著或極顯著負相關[10]。近年來，隨著棉花抗旱性鑒定技術逐步發展，由原來的直接鑒定和抗旱隸屬函數鑒定發展到由多個指標結合主成分分析、相關性分析、逐步回歸分析、灰色關聯度分析和聚類分析等進行綜合評價，使抗旱性評價的結果更加準確[11-14]。

本研究以新疆農業大學農學院作物遺傳改良與種質創新重點實驗室收集和本實驗室自育的優質棉花品種共253 份為供試材料，以棉花花鈴期作為抗旱的關鍵時期，設置干旱脅迫和正常對照2個處理，通過比較這2個處理下的光合指標和農藝性狀等15個指標，結合主成分分析、相關性分析、抗旱隸屬函數分析和聚類分析方法，篩選出棉花抗旱性關鍵指標，對品種抗旱性進行評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料共253份（表1），包括黃河流域棉區68 份、西北內陸棉區62 份、長江流域棉區43 份、東北特早熟棉區7 份、國外引進材料49 份和本實驗室自育材料24 份，由新疆農業大學農學院作物遺傳改良與種質創新重點實驗室收集并提供。

表1 253份國內外陸地棉資源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources

表1 253份國內外陸地棉資源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources 續表Continued

表1 253份國內外陸地棉資源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources 續表Continued

1.2 試驗設計

試驗于2021年在沙灣縣144 團3 連新疆農業大學棉花育種基地（43°20′—45°20′N，84°45′—86°40′E）進行。試驗設置干旱脅迫(drought stress,DS)和正常對照(check，CK)2個處理，各 2個重復，干旱脅迫與正常對照之間設2 m 的保護行。小區行長 2 m，1 區 14 膜，1 膜 3 行，1 膜 1 份材料種植，采用膜下滴灌澆水。試驗材料于4月26日播種，5月 5日出苗，7月 7日打頂。脅迫處理在 7月4日開始，脅迫前在干旱區主管道安裝水表來記錄控水量。栽培期間管理方法同大田。

1.3 測定指標與方法

花鈴期（7月4日）開始脅迫處理，干旱脅迫15 d 后采用5 點取樣法對土壤 0—20、20—40、40—60 cm的土層進行取樣稱重，放入烘箱內烘至恒重稱量，對含水量進行測定。

干旱脅迫15 d 后，選取棉花倒3 葉，用光合儀（英國漢莎，CIRAS-3）測定光合指標，包括蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、胞間二氧化碳濃度（intercellular carbon dioxide concentration，C）i、凈光合速率（photosynthetic net，Pn）、氣孔導度（gas cavity，Gs）、水蒸氣壓虧缺（vapor pressure deficit，VPD）和 水 分 利 用 效 率（water use efficiency，WUE），每個材料連續測5 株取平均值為1個重復。

7月 20日，用 SPAD 儀（日本賽亞斯，SYSSPAD-502Plus）測定葉綠素相對值（SPAD 值），選取棉花倒3 葉，在倒3 葉上、中、下測量取平均值，連續測5株，再取平均值記為1個重復。

9月17日，測定干旱脅迫和正常對照的農藝性狀，包括株高（plant height，PH）、有效果枝數（efficiency fruit branch number，EFBN）、始節高(height of the first node of fruit branch，HFNFB)、果枝 數（fruit branch number，FBN）、鈴 數（boll number，BN）、有 效 鈴 數 (efficiency fruit boll number，EFNB)；9月 25日，開始測定混收 20 鈴籽棉重（seed cotton weight，SCW）和皮棉重（lint weight，LW），測定方法參照《棉花種質資源描述規范和數據標準》[15]。

1.4 數據處理

采用EXCEL 2010軟件和SPSS 25.0軟件對數據進行統計分析。抗旱評價包括抗旱系數(DC)、抗旱指數(DI)及抗旱性度量值(D)，按照以下公式進行計算[16]。

式中，Xd為某指標干旱脅迫條件下測定值,Xw為某指標正常對照條件下測定值為某指標在干旱脅迫條件下的平均值。

式中，DIimin、DIimax分別為各材料某性狀指標抗旱指數的最小值和最大值。

式中，ri為第i個綜合指標的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量分析

在脅迫 15 d 后對 0—20、20—40、40—60 cm的土層進行取樣稱重，結果見表2。干旱脅迫后0—20 cm土層的含水量變化最大，下降了8.257個百分點，3個土層含水量平均下降了7.921個百分點，在干旱脅迫處理的主管道安裝水表，脅迫期間2個干旱脅迫處理總共控水566 m3，達到干旱脅迫條件。

表2 土壤干旱脅迫后水分含量變化Table 2 Changes in soil moisture content after drought stress

2.2 單一指標統計

對253份陸地棉15個單一指標進行統計分析如表3所示。通過t檢驗分析表明，15個指標均受到了顯著影響，正常對照和干旱脅迫表現為顯著性差異。不同處理下的變異系數范圍為6.56%～64.44%，氣孔導度、果枝數、鈴數和有效鈴數的變異系數超過了12%，其中氣孔導度變異系數最高，正常對照下為33.67%，干旱脅迫條件下為64.44%；葉綠素相對值的變異系數最小，正常對照下為6.56%，干旱脅迫條件下為14.20%。由此可知，選取的253 份陸地棉資源材料類型比較豐富，在干旱脅迫下變異系數差異較大，對水分脅迫較敏感，所選取的指標可以為抗旱評價奠定基礎。

表3 不同處理下各種性狀的統計Table 3 Statistics of various traits surveyed under different treatments

2.3 主成分分析和相關性分析

主成分分析是將多個指標進行降維分析得出幾個關鍵指標，而不會丟失信息。因此，所有指標的主成分分析代表了脅迫后指標的變化情況。由表4 可知，將15個指標進行主成分分析，提取出7個主成分（PC1～PC7），累計貢獻率為82.442%。第1 主成分特征值為3.335，與有效鈴數、鈴數和有效果枝數等農藝性狀相關，可以作為篩選花鈴期棉花抗旱的特征指標。因此，第1 主成分中的有效鈴數（0.801）、鈴數（0.779）及有效果枝數（0.748），第2 和第3 主成分中的氣孔導度（0.690和0.558），第4 主成分中的皮棉重（0.750），第5 主成分中的蒸騰速率（0.647），第6 主成分中的始節高（0.773），第7 主成分中的葉綠素相對值（0.660）和株高（0.566）等，以上主成分分別與農藝性狀、光合指標及生理特征指標相關，可以作為棉花花鈴期抗旱篩選的關鍵指標。

由表4 結合表5 可知，有效鈴數與有效果枝數、鈴數、果枝數、水分利用效率和凈光合速率呈極顯著正相關，與胞間二氧化碳濃度呈極顯著負相關；氣孔導度與蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度呈極顯著正相關，與水蒸氣壓虧缺呈極顯著負相關；皮棉重與籽棉重呈極顯著正相關；蒸騰速率與凈光合速率和氣孔導度呈極顯著正相關；始節高與果枝數呈顯著負相關；SPAD 值與籽棉重及鈴數呈極顯著負相關。

表4 主成分分析因子載荷矩陣和貢獻率Table 4 Principal component analysis factor loading matrix and contribution rate

析分性關相狀性各5 orrelation analysis of each trait表Table 5 C壓D氣VP蒸缺水虧度導Gs 孔氣合Pn光率凈速化氧Ci度間二碳濃胞數EFNB 鈴效有BN數鈴0.774**數FBN 枝果0.438**0.344**高HFNFB節始-0.155*0.040 0.059 LW重棉0.024 0.001 0.055 0.077皮重SCW 棉籽0.726**0.031-0.062 0.092 0.119率速Tr 騰蒸0.050-0.060 0.078 0.175**0.203**0.204**枝果效EF BN有數0.209**-0.040 0.032-0.017 0.653**0.776**0.638**PH高株0.182**0.114 0.095 0.074 0.133*0.24**0.212**0.244**相AD素SP綠值葉對-0.009-0.093-0.044-0.175**-0.122-0.009-0.027-0.204**-0.130*Trait BN B NB PH EF Tr率SC W LW N FB NF BN 數EF狀 高枝速重重HF數數數性 株果騰棉棉高枝鈴鈴效蒸籽皮節果 效有始有-0.070-0.564**-0.131*0.170**-0.102 0.623**-0.460**0.395**-0.514**-0.595**-0.249**0.362**-0.069 0.074 0.210**-0.149*0.312**0.034 0.032 0.160*-0.081 0.115 0.003 0.049 0.024-0.022 0.173**0.042-0.067 0.041-0.148*0.100-0.085-0.001 0.171**-0.120 0.108-0.022 0.035 0.038 respetively.0.151*0.289**0.529**-0.108-0.340**-0.180**0.251**-0.021 0.094 0.105。＜0.01 levels，關相著-0.087 0.171**-0.002-0.015 0.057顯0.01水0.149**＜0.05 and P平-0.198**0.027 0.031-0.136**P＜0.05和P＜D VP E 在碳Pn 示化Ci Gs 率 缺WU表率度氧度速 別虧indicate significant correlation at P用**分合二濃 導 效**間 光孔壓氣胞 凈氣蒸利水水分：*和注Note：*and

2.4 抗旱性綜合評價、聚類分析及等級劃分

以抗旱性度量值（D值）為參數，D值的大小代表棉花的抗旱性強弱，D值越大代表棉花的抗旱性越強。用15個指標計算的D值記做D15，7個關鍵指標計算的D值記做D7，利用主成分分析結合抗旱性隸屬函數分析將棉花的抗旱性分為5個等級，D15和D7值在棉花抗旱等級劃分上基本一致，說明主成分和相關性選取的7個指標可以作為棉花抗旱篩選的關鍵指標。以D15值進行聚類分析，結果如表6 和圖1 所示，第Ⅰ類為強抗旱材料，包括 JK625、庫車 7946 和肯尼亞 2 號等 14 份，占供試資源材料的5.53%；第Ⅱ類為抗旱材料，包括133K1、蘇徐138（旱熟）和滇中-7 陸等46 份，占供試資源材料的18.19%；第Ⅲ類為耐旱材料，包括撫榮紫 164、農大棉 7 號和 Y2012004 等 116 份，占供試資源材料的45.85%；第Ⅳ類為較敏感材料，包括中 507145、石 128 和新棉 5 號等 58 份，占供試資源材料的22.92%；第Ⅴ類為敏旱材料，包括 HT-176、鄂棉 18 號和川 R128 等 19 份，占供試資源材料的7.51%。

圖1 棉花品種資源綜合抗旱性聚類分析Fig.1 Comprehensive drought resistance cluster analysis of cotton variety resource

表6 棉花資源材料的D15值、D7值及分類Table 6 D15，D7 value and classification of cotton resource material

表6 棉花資源材料的D15 值、D7 值及分類Table 6 D15，D7 value and classification of cotton resource material 續表Continued

3 討論

3.1 棉花花鈴期抗旱指標的篩選

棉花的各個生育時期受到干旱都會對其產量造成影響，尤其是在花鈴期受到干旱脅迫時，會使植株矮化，葉片生長緩慢，果枝生長受到抑制，果枝數量減少，嚴重時落花、落鈴率升高，甚至導致棉花死亡[17]。李海明[18]在棉花花鈴期開始干旱脅迫，最終篩選出株高、籽棉重、單鈴重、有效鈴數和果枝數5個性狀可以作為陸地棉抗旱評價指標。趙福相等[19]對海島棉花鈴期進行干旱脅迫，發現單株產量、單鈴重和株高3個抗旱性評價指標能直觀、簡單并可靠地評價海島棉花鈴期種質資源的抗旱性。本研究以253 份國內外陸地棉資源材料為研究對象，遺傳背景更加豐富，通過測定蒸騰速率、氣孔導度、株高和有效果枝數等15個指標，結合主成分分析篩選出有效果枝數、蒸騰速率、葉綠素相對值和株高關鍵指標，與孫豐磊[20]、鄭巨云等[16]和李憬霖等[21]花鈴期抗旱關鍵指標一致。另外，葉綠素相對值、株高、氣孔導度和蒸騰速率可作為棉花花鈴期抗旱的顯著性立測指標。

3.2 棉花抗旱性評價方法

棉花的抗旱性評價方法不是基于單一指標就可完成，它是由多種指標和各種分析方法結合完成的，不同的指標和分析方法得到的評價結果可能不一致。隨著統計方法的發展，國內外學者開始采用抗旱系數、抗旱指數、主成分分析、隸屬函數分析、灰色關聯分析及聚類分析相結合的方法對棉花抗旱性進行評價[16]，這可以有效避免單一指標或單一分析方法帶來的誤差。本試驗用抗旱性隸屬函數結合主成分分析對棉花花鈴期抗旱性進行鑒定，篩選出強抗旱材料14 份，抗旱材料46份，耐旱材料116 份，較敏感材料58 份，敏旱材料19 份。與鄭巨云等[16]、李海明等[14]和孫豐磊[20]研究強抗旱和敏旱材料少，耐旱、抗旱和較敏感材料多一致；在抗旱等級劃分上，蘇棉12、新陸早49號及新陸早58 號一致，但有些品種抗旱等級分類不一致，如關農1 號、新陸早45 號及中棉41，與鄭巨云等[16]及李憬霖等[21]評價結果不一致，有可能是由于生育期、評價指標、干旱脅迫環境以及本試驗基地不對黃萎病和枯萎病管理所致。

棉花作為新疆大規模種植的經濟作物，近年來種植面積逐年增加，種植方式采用1 膜6 行、株距10 cm 的高密度種植模式，棉花旱情的監測工作越來越嚴峻。傳統的旱情監測工作量大、費時費力，不適宜大規模、高密度的種植模式。隨著小型無人機的出現和技術的成熟，已經應用于越來越多的領域。無人機作為具有高靈活性、低成本的新型農業監測工具，為我國向農業現代化、精準化轉變提供了極大的幫助[22-23]。本文所篩選的棉花花鈴期抗旱關鍵指標葉綠素相對值、株高、氣孔導度和蒸騰速率，可以為無人機監測指標選擇提供基礎。