基于PEG脅迫的不同棉花資源幼苗根系特征與抗旱性鑒定

張清華，韓永亮，孫 璐，劉紅耀，高彩虹，唐光雷

（邯鄲市農業科學院，河北省作物雜種優勢研究與利用重點實驗室∕邯鄲市種質資源創新與分子輔助育種重點實驗室，河北 邯鄲 056000）

中國是一個人多地少水資源匱乏的國家，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1∕4［1］，農業用水的利用率僅占35%左右［2］，而發達國家農業用水的利用率在70%～90%，由于中國人均水量少、利用效率低，缺水矛盾和受旱問題更加激化［3］。進入20世紀80年代以來，旱情有加重趨勢。作為植棉大國，中國常年棉田面積約500萬hm2［4］，其中雨養棉田200萬hm2，約占總面積的40%［5］，主要分布在華北平原、黃土高原、長江中游丘陵地帶；華北平原耕地面積占17%，而水資源僅占2.3%［5］。黃淮海平原每年干旱成災面積約占全國旱災面積的50.5%［5］；為了緩解糧棉爭水爭地的矛盾，多數棉田種植在水資源較少的地帶。在華北黃淮棉區，春旱夏澇常交替出現，導致棉花（Gossypium spp.）苗期經常遇到干旱少雨的情況，因苗期受旱，棉花生長受到抑制，加重了病、蟲危害甚至出現死苗、缺苗斷壟，造成了棉田生產上巨大的經濟損失。為解決上述問題，選育節水抗旱棉花品種不僅是經濟有效地增產、穩產措施，而且對擴大植棉面積提高水分利用率、促進節水農業和生態的可持續發展，具有十分重要的意義。

關于作物抗旱性的可遺傳性研究，衛云宗等［6］以不同類型小麥進行雙列雜交試驗發現，抗旱性遺傳背景是由加性基因、非加性基因和細胞質基因共同構成，抗旱性的廣義遺傳力為76.10%，而狹義遺傳力則為17.51%，所以抗旱性的鑒定和選擇應在高世代；棉花方面，王俊娟等［7］在15.0%PEG脅迫條件下分析41份陸地棉種質資源萌發特點，發現胚根長與抗旱性顯著相關；孫瑤等［8］利用PEG模擬干旱脅迫對73份棉花種質芽期的抗旱性進行篩選鑒定，認為發芽率、下胚軸長度和48 h吸水率的相對值可作為抗旱性評價指標；李憬霖等［9］分析了238份棉花資源的全生育期抗旱性，認為株高、單鈴重、衣分及可溶性糖含量對干旱脅迫的反應較其他指標更為敏感。目前國內學者對棉花抗旱性鑒定研究多集中在萌發期、苗期和花鈴期，而PEG脅迫下棉花幼苗期內不同階段的根系形態結構變化和抗旱性鑒定的研究則鮮見報道。本研究利用17個不同基因型的陸地棉花種質資源，分別在苗期的1葉1心期、2葉1心期各自進行PEG脅迫處理，通過對比試驗觀察和測量指標，分析棉花根系根長、根表面積、根總體積、根直徑等指標的相對增長率，探討營養缽條件下模擬干旱對棉花根系的影響，篩選出抗旱品系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試棉花種子來源于綜合性狀良好的新品系及部分育成品種、雜交組合一代，遺傳背景豐富，具有一定的代表性，材料共17份，編號分別為HL27、HL28、HL29、HL31、HL33、HL34、HL42、HL43、HL44、HL45、HL47、HL59、HL60、HL64、HL66、HL68、HL69，由邯鄲市農業科學院早熟棉研究室提供。

Hoagland營養液，青島海博生物技術有限公司；PEG6000，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計試驗于2021年1—3月在邯鄲市農業科學院生物技術重點實驗室的人工氣候室中進行。采用二因素完全隨機設計［10］，2因素分別為品種（系）（17個水平）、PEG脅迫時間。其中PEG脅迫時間設2個水平：1葉1心期（t1）、2葉1心期（t2），每個水平各設1個對照。

1.2.2 試驗過程取17份棉花材料的種子，每個品種（系）分為4份，其中2份用于處理，2份用于對照。先進行育苗，選取子粒健康、飽滿、大小一致的棉花毛子，用75%的乙醇消毒1 min，再經30%的H2O2表面滅菌30 min，用去離子水沖洗4次，27.5℃下浸種24 h，種在裝有石英砂的營養缽中。保持營養缽濕潤，待長出2片子葉后，用1∕2 Hoagland營養液灌根，光照室中培養，12 h∕12 h（光照∕黑暗）、溫度27.5℃，保持相對濕度為60%～80%。每個棉花品種（系）每隔2 d補充1次營養液，觀察記錄棉花的生長勢、整齊度，第一組于1葉1心期時用7.5% PEG6000營養液進行模擬干旱脅迫預處理48 h，再用15.0%PEG6000營養液（與之對應的溶液水勢約為-0.4 MPa）對17份材料進行連續灌根，5 d后對棉花各品種（系）苗期抗旱情況進行表型鑒定、指標測量；第二組于2葉1心期時開始上述預處理48 h+處理5 d；第三組（CK）僅用1∕2 Hoagland營養液，對17份材料進行連續灌根；每組材料處理與對照均設3次重復，每個重復選取長勢一致的棉苗定苗5株。

1.2.3 指標測量測量的參數指標及計算方法如下。

株高：試驗終止時用直尺測量植株基部石英砂平面至植株頂端的高度。

利用WinRHIZO根系分析系統和i800型根莖掃描儀測量根全長、根表面積、根總體積和根部平均直徑。所有處理、對照的測量指標均取3株長勢最好的幼苗進行測量。各重復取平均值進行統計分析。

根部性狀相對增長率=（處理的根部性狀測量值-對照根部性狀測量值）∕對照根部性狀測量值

株高相對增長率=（處理的株高測量值-對照株高測量值）∕對照株高測量值

1.2.4 數據處理

采用Excel 2007軟件對數據進行整理，計算出平均數、方差、變異系數，DPS 7.05軟件進行統計方差分析、多重比較和系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 棉花幼苗不同時期PEG脅迫對根系特性的影響

棉花幼苗不同時期PEG脅迫與對照的生長指標表現見表1。由表1可知，在15.0% PEG6000脅迫條件下，17份棉花幼苗材料，t1期處理組與對照組的5個指標中根長度顯著大于對照、根平均直徑和株高均顯著小于對照，根總體積明顯減小但未達到顯著水平，根表面積差異不顯著，表明t1期模擬干旱脅迫下植株地下部分和地上部均受到不同程度的抑制；t2期處理組與對照組的5個指標中株高同樣顯著小于對照，其他4個根部指標與對照差異均不顯著，表明t2期模擬干旱脅迫下僅有植株地上部分受到顯著抑制。

表1 棉花幼苗不同時期PEG干旱脅迫與對照的生長指標表現

從各性狀的變異系數可以看出，t1期處理組變異系數平均值為90.48%，變化幅度為14.68%～188.35%，對照組變異系數平均值為40.04%，變化幅度為19.60%～75.42%，表明模擬干旱脅迫加劇了品種間的根部形態及株高的差異；t2處理組變異系數平均值為24.87%，變化幅度為14.75%～34.81%，對照組變異系數平均值為32.09%，變化幅度為14.92%～50.93%，表明t2期模擬干旱脅迫使品種間根部的形態變異幅度趨于減小，各性狀以抑制為主。棉苗的根部性狀在干旱脅迫下不能正常表達而趨于一致。

2.2 PEG干旱脅迫下不同時期棉花幼苗根長度的相對增長率

PEG干旱脅迫下棉花幼苗根長度的相對增長率見表2。由表2可知，17個供試材料幼苗根長度的相對增長率品種間差異明顯，t1時期干旱脅迫下HL28的根長增長率為-0.14%，表明該品種在PEG脅迫下根的生長略小于對照；其他品種的根長增長率均為正值，表明在PEG脅迫下根的生長大于對照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根反而生長加快。t2時 期 在15.0%PEG6000脅 迫 下HL33、HL42、HL43、HL44、HL59的根長增長率均為正值，表明根的生長大于相應對照；其他品種根長增長率均為負值，表明在PEG脅迫下根的生長小于相應對照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根系長度生長變緩。

表2 PEG干旱脅迫下棉花幼苗根長度的相對增長率

2.3 PEG干旱脅迫下不同時期棉花幼苗根表面積的相對增長率

棉花幼苗根表面積相對增長率見表3。由表3可知，17個供試材料的幼苗根表面積相對增長率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根表面積增長率均為正值，表明這些品種在PEG脅迫下根的表面積生長大于相應對照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根的表面積增大；其他品種根表面積增長率均為負值，表明在PEG脅迫下根的表面積增長小于相應對照。t2期干旱脅迫下HL33、HL42、HL43、HL59的根表面積增長率均為正值，HL44、HL64為0，表明6個品種的根表面積大于或等于相應對照，在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根表面積增加較快或基本不受影響；其他品種表面積增長率均為負值，表明在PEG脅迫下根的表面積小于相應對照。t2期比t1期負值的品種減少，表明根表面積抗旱性隨著棉花的生長而增強。

表3 棉花幼苗根表面積相對增長率

2.4 PEG干旱脅迫下不同時期棉花幼苗根總體積的相對增長率

棉花幼苗根總體積的相對增長率見表4。由表4可知，17個供試材料的幼苗根總體積相對增長率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根總體積增長率均為正值，表明這4個品種在PEG脅迫下根的總體積大于相應對照，其他品種根體積增長率均為負值，表明在PEG脅迫下根的體積小于相應對照。t2期干旱脅迫下HL33、HL43、HL59、HL64、HL69的根體積增長率均為正值，其他品種根體積增長率均為負值，表明在PEG脅迫下根的體積小于相應對照，即在干旱脅迫條件下這12個品種的根系體積受到抑制。

表4 棉花幼苗根體積相對增長率

2.5 PEG干旱脅迫下不同時期棉花幼苗根直徑的相對增長率

棉花幼苗根的平均直徑相對增長率見表5。由表5可知，17個供試材料的幼苗根平均直徑相對增長率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL28、HL59、HL64、HL66的根直徑增長率均為正值，表明該品種在PEG脅迫下根直徑大于相應對照；其他品種根直徑增長率均為負值，表明在PEG脅迫下根的直徑小于相應對照，即在15.0%PEG6000干旱脅迫條件下根的直徑受到抑制。t2期干旱脅迫下HL27、HL28、HL33、HL34、HL43、HL45、HL59、HL64、HL68、HL69的根平均直徑均為正值，表明根的直徑大于相應對照；其他品種均為負值表明在PEG脅迫下根直徑小于相應對照，即在15.0%PEG6000水分脅迫條件下根系直徑生長變緩。t2期比t1期正值的品種數量增加，表明根直徑抗旱性隨著棉花的生長而增強。

表5 棉花幼苗根平均直徑相對增長率

2.6 PEG干旱脅迫下不同時期棉花幼苗株高的相對增長率

棉花幼苗株高的相對增長率見表6。由表6可知，17個供試材料的幼苗株高相對增長率品種間差異明顯，t1期干旱脅迫下HL31、HL42、HL47、HL43、HL59、HL64、HL66的株高增長率大于或等于0，表明這些品種受旱脅迫影響較小；其他品種株高增長率均為負值，表明在PEG脅迫下棉花地上部分生長受到抑制。t2期干旱脅迫下HL27、HL28、HL31、HL33、HL34、HL42、HL60、HL64、HL66、HL68、HL69的株高增長率均為負值，表明這些品種在干旱脅迫下株高受到抑制。

表6 棉花幼苗株高相對增長率

2.7 干旱脅迫下17個棉花品種5個主要指標的系統聚類分析

以17個棉花品種根系的根長度、株高、根系平均直徑、根總體積、根表面積的相對增長率5個指標作為變量，在DPS 7.05軟件中進行系統聚類分析，結果見圖1。

由圖1可知，在歐氏距離1.97～3.95下，將供試17個棉花品種（系）可以分為3類：第一類HL64單獨為一類，在t1期、t2期均表現出較強的抗旱性；第二類包括LH28、HL59、HL66、HL60，這4個品種在t1期抗旱性表現較好，t2期抗旱性指標有所下降但仍表現抗旱性；第三類為HL31、HL47、HL68、HL27、HL45、HL33、HL44、HL29、HL69、HL34、HL43、HL42，該類下又可以分為2類，一類為HL31、HL47、HL68，這3個品種在2個時期對干旱脅迫均較敏感，表現較差；另一類為HL27、HL45、HL33、HL44、HL29、HL69、HL34、HL43、HL42，這9個品種普遍在t1期較敏感，t2期抗旱性略有增強。

圖1 17個棉花品種聚類分析

3 討論

作物干旱的發生通常是一個漸進的過程，由于土壤水分逐漸減少，干旱癥狀逐漸顯出。本研究采用7.5%PEG6000預處理48 h模擬輕度干旱，再由15.0%、7.5%PEG6000處理5 d模擬中度干旱條件，發現在t1期和t2期輕度干旱處理下的植株表型與對照均無差別，這與李平等［11］、南建福等［12］的研究結果基本一致。說明PEG分梯度脅迫模擬干旱的方法更接近田間的干旱表現。

通過對處理組與對照組進行比較，結合顯著性分析發現，t1期的根長度、根平均直徑、株高指標差異顯著，t2期僅有株高差異顯著，表明t1期比t2期更容易受到PEG的影響。這與張雪妍等［13］的棉花從萌發期到真葉期的抗旱性呈先下降再升高的趨勢的結論有一定的相似性，說明在真葉期，棉花抗旱性隨著棉花的生長發育而呈增強趨勢。本研究通過對根系相對增長率的比較分析發現，棉花抗旱性由多個根部指標綜合表現決定。在t1期雖然大部分品種的根長明顯增長，但是僅有少數能表現出抗旱性。綜合其他根部性狀來看，能在干旱條件下維持較大的根體積和表面積并具有穩定的根直徑的棉花品種，均具有較好的抗（耐）旱性。這與張海燕等［14］的抗旱棉花品種的根系在旱脅迫條件下依然能夠保持較好生長趨勢的研究結果非常相近。

4 小結

采用質量分數為15.0%的PEG6000脅迫供試棉花幼苗，從17個材料中篩選出抗旱性最好的品種為LH64，較好的品種為LH28、HL59、HL66、HL60。隨著棉花苗期的生長發育，供試棉花幼苗對15.0%PEG6000耐受性有所提高。