棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性差異研究及種質(zhì)鑒定

杜 磊, 雄東畢, 趙海紅, 李成奇

(1.運城學院生命科學系, 山西 運城 044000; 2.阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 新疆 阿克蘇 843000)

我國鹽堿地面積約為1億hm2,位居世界第三,土壤鹽堿化已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一。棉花作為耐鹽先鋒植物,不僅可以在鹽堿地種植,還可改良土壤,近年來,種植區(qū)域逐漸向鹽堿地轉(zhuǎn)移[1]。研究表明,萌發(fā)期和苗期棉花的耐鹽能力較差,比較適合進行耐鹽材料的篩選鑒定[2]。基于此,通過萌發(fā)期和苗期棉花品種耐鹽性鑒定,篩選優(yōu)良材料,進而培育適合在鹽堿地種植的新品種,不僅能提高棉花產(chǎn)量和棉纖維品質(zhì),確保我國棉花產(chǎn)業(yè)安全,也可以更加充分有效地利用鹽堿地,提高我國土地資源利用率。

前人已開展了很多關(guān)于棉花萌發(fā)期和苗期種質(zhì)資源的耐鹽篩選鑒定以及鑒定方法和評價指標的研究,但試驗多數(shù)是在室內(nèi)進行,室內(nèi)環(huán)境同大田環(huán)境差異較大[3-6]。本研究萌發(fā)期耐鹽鑒定在室內(nèi)進行,苗期耐鹽鑒定在大田鹽堿地進行,以確保試驗結(jié)果更客觀、更科學。以246份棉花種質(zhì)資源為材料,在因子分析基礎(chǔ)上,采用單項因子分析和綜合因子分析,力求更全面客觀地分析棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性的區(qū)別與聯(lián)系;在此基礎(chǔ)上,采用聚類分析進行棉花耐鹽性鑒定,以期為耐鹽棉花種質(zhì)資源的收集、評價和利用工作提供參考,為棉花耐鹽新品種的培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為246份棉花品種(系),分別來自黃河流域(139個)、長江流域(63個)、西北內(nèi)陸(21個)和北部特早熟(15個)等四大棉區(qū),另有6個引自美國,2個材料來源未知。所有材料均經(jīng)過多代自交。

1.2 試驗方法

1.2.1萌發(fā)期耐鹽鑒定

萌發(fā)期耐鹽鑒定采用雙層濾紙培養(yǎng)法。每個品種采用0 mmol/L(ck)和150 mmol/L的NaCl溶液處理。每處理50粒種子,共3次重復。以胚根長達到種子1/2長度為發(fā)芽標準,分別統(tǒng)計第3天、第7天的發(fā)芽數(shù)目。以所有已發(fā)芽種子的平均胚根長為指標,測定第7天的胚根長度[7-8]。

1.2.2苗期耐鹽鑒定

試驗于2020—2021年在運城鹽湖附近的許賈村鹽堿地進行,通過2018—2019年監(jiān)測土壤含鹽量和觀測棉花長相,確定了試驗地塊,在試驗當年雨水偏少的6—7月份其土壤總鹽含量7.135 g/kg,電導率為3 128.1 μS/cm,pH值8.35,有機質(zhì)7.63 g/kg,速效鉀286.8 mg/kg,堿解氮18.64 mg/kg,速效磷10.46 mg/kg。對照處理在正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地塊種植。土壤總鹽含量1.835 g/kg,電導率為1 599 μS/cm,pH值7.66,有機質(zhì)15.39 g/kg,速效鉀303 mg/kg,堿解氮28.45 mg/kg,速效磷20.7 mg/kg。每個棉花品種(系)設(shè)為1個處理,每個處理設(shè)2次重復。田間管理同大田常規(guī)管理。

1.3 指標測定

根據(jù)《國家種子檢驗規(guī)程》,以胚根長≥1/2種子長作為發(fā)芽標準,統(tǒng)計發(fā)芽勢、發(fā)芽率等。

發(fā)芽勢/%=(3 d發(fā)芽種子數(shù)/試驗種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率/%=(7 d發(fā)芽種子數(shù)/試驗種子數(shù))×100%;

胚根長度:以所有已發(fā)芽種子的平均胚根長為指標,用WinRhizo Pro根系掃描儀分析掃描圖片獲取根長,測定第7天的胚根長度;

根冠比:地下部的鮮重/地上部的鮮重;

出苗率/%=(出苗種子數(shù)/試驗播種數(shù))×100%;

成苗率/%=(兩葉一心時成苗種子數(shù)/試驗播種數(shù))×100%;

相對值=鹽脅迫處理數(shù)值/對照處理數(shù)值;

變異系數(shù)/%=(標準差/平均值)×100%[7-10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件和SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析、相關(guān)性分析、因子分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下棉花萌發(fā)期和苗期各性狀變化分析

前人研究顯示,本試驗涉及的6個性狀中,發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚根長、出苗率、成苗率的數(shù)值變化同棉花耐鹽性呈正相關(guān),根冠比的數(shù)值變化同棉花耐鹽性呈負相關(guān)[3-6,11-12]。由表1可知,各性狀試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢同預期一致,但鹽脅迫對其影響程度差異較大。

胚根長、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、成苗率和出苗率在鹽脅迫下所得數(shù)據(jù)的均值同對照組相比,依次降低了70.14%、26.56%、12.98%、8.81%和5.77%,其中胚根長降幅最大,表明鹽脅迫對萌發(fā)期種子胚根伸長存在明顯抑制作用。胚根長在鹽脅迫處理下的變異系數(shù)為24.94%,數(shù)值依然比較大,表明鹽脅迫處理的濃度比較合適,在抑制棉花種子萌發(fā)的同時,又使品種間的耐鹽性差異充分展現(xiàn)。

根冠比在鹽脅迫下所得數(shù)據(jù)的均值同對照組相比,增加了37.03%。說明鹽脅迫對棉花地上部分的生長抑制作用大于地下部分。

對照組和鹽脅迫處理下,大部分性狀的變異系數(shù)絕對值較大,表明本試驗所研究的246份棉花品種(系)的耐鹽性存在較大差異。大部分性狀在鹽脅迫處理下的變異系數(shù)比對照組大,表明在150 mmol/L的NaCl溶液處理時,246份棉花品種(系)的耐鹽性差異比0 mmol/L的 NaCl溶液處理時大,說明本試驗鹽脅迫濃度比較合適,在此濃度下不同品種間的耐鹽性差異被更好地展現(xiàn)出來。

表1 鹽脅迫下246份棉花種質(zhì)資源性狀統(tǒng)計Table 1 Character statistics of 246 cotton germplasm resources under salt stress

2.2 耐鹽性狀的相關(guān)性分析

由表2可知,鹽脅迫條件下,相對出苗率和相對成苗率,相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率均存在極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.823和0.880。種子萌發(fā)需要胚根伸長去突破種皮,因此相對胚根長和相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率之間均存在極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.665和0.571。棉花的根系屬于直根系,其主根發(fā)達,主根主要由胚根發(fā)育而來,因此相對胚根長和相對根冠比之間也存在極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.284。

相對根冠比、相對胚根長、相對出苗率和相對成苗率之間相關(guān)性較強。因為棉花幼苗類型屬于子葉出土幼苗,在出苗過程中需要胚根和下胚軸的伸長才能把子葉頂出土,所以他們之間相關(guān)性較強。但相關(guān)系數(shù)不是很大,因為出苗率、立苗率受外界環(huán)境影響較大。

2.3 耐鹽性狀的因子分析

由表2可知,多個性狀間相關(guān)性較高,具備提取公共因子的條件,可以采用因子分析的方法。為進一步驗證上述6個性狀是否適合進行因子分析,通過SPSS軟件進行KMO檢測和Bartlett球度檢測分析性狀間相關(guān)性。結(jié)果如表3所示,KMO值為0.583,大于0.5,表明因子分析可以進行。Bartlett球度檢測值為865.486,大于100,且對應的伴隨概率為0.00,小于顯著水平0.05,表明變量之間存在相關(guān)性[13]。

表2 6個性狀間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis among 6 traits

表3 KMO 和 Bartlett 的檢驗Table 3 KMO and Bartlett test

由表4可知,通過因子分析從6個性狀中提取出3個公共因子,特征值分別為1.881、1.827和1.225,均大于1。3個公共因子分別解釋了6個性狀總方差的31.352%、30.455%和20.432%,共同解釋了6個性狀總方差的82.239%。放棄的其他3個因子解釋的總方差不到18%,信息丟失較少。

表4 3個公共因子的特征值及貢獻率Table 4 Eigenvalues of 3 common factors and their contribution rate

圖1 246個棉花品種鹽脅迫聚類分析Fig.1 Salt stress cluster analysis of 246 cotton varieties

表5為因子載荷矩陣,顯示了提取的3個公共因子與6個性狀間的相關(guān)性,可知公共因子1在相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率上載荷大,稱為萌發(fā)期公共因子。公共因子2在相對出苗率和相對成苗率上載荷大,稱為苗期公共因子,公共因子3在相對根冠比和相對胚根長上載荷大,稱為根相關(guān)性狀公共因子。

2.4 耐鹽材料聚類分析及種質(zhì)資源篩選

各公共因子的得分系數(shù)矩陣見表6。據(jù)此可獲得各公共因子的得分函數(shù):

萌發(fā)期公共因子F1=-0.018X1-0.029X2-0.061X3+0.011X4+0.517X5+0.516X6

苗期公共因子F2=0.524X1+0.522X2+0.046X3-0.032X4-0.036X5-0.010X6

根相關(guān)性狀公共因子F3=0.027X1-0.026X2+0.756X3+0.618X4-0.002X5-0.027X6

將3個公共因子的方差貢獻率作為權(quán)數(shù)進行加權(quán)分析,可得各棉花品種的耐鹽綜合得分:F=(31.352F1+30.455F2+20.432F3)/82.239。

表5 公共因子載荷矩陣Table 5 Loading matrix of common factors

表6 公共因子得分系數(shù)矩陣Table 6 Coefficient matrix of common factor scoring

利用系統(tǒng)分析法的組間聯(lián)接平均法進行聚類分析,將246份棉花品種分為四類。如圖1所示,蘇棉9號、鄂棉14、冀邯3號、魯棉10號、魯棉11號、52-128、邯4849、鄂抗棉10號、遼棉13號、南通5號等10個品種為耐鹽材料(F值范圍為0.798～1.464),鹽棉48、中棉所40號、豫早73、冀棉20號、新陸早26號、新陸中8號、新陸中21號、黑山棉1號、蘇棉3號、遼棉17號、錦育5號、錦棉6號、朝陽棉1號、邯棉559等14個品種為鹽敏材料(F值范圍為-2.103～-1.329)。

3 結(jié)論與討論

在因子分析中,可依據(jù)各因子得分進行單項比較,也可依據(jù)綜合因子得分進行綜合比較[13]。本試驗分別通過單項和多項比較,分析了三種條件下棉花的耐鹽性。依據(jù)萌發(fā)期公共因子F1對材料萌發(fā)期耐鹽性進行評價。F1值越大,材料萌發(fā)期耐鹽性越好;F1值越小,材料萌發(fā)期鹽敏性越好。依據(jù)苗期公共因子F2,對材料苗期耐鹽性進行評價。F2值越大,材料苗期耐鹽性越好;F2值越小,材料苗期鹽敏性越好。依據(jù)綜合因子F,對材料的綜合耐鹽性進行評價。F值越大,材料綜合耐鹽性越好;F值越小,材料綜合鹽敏性越好。

3.1 棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性差異分析

以綜合耐鹽性為判斷標準,萌發(fā)期耐鹽性和綜合耐鹽性各自排名均屬于前30的有中棉所40號、邯棉559、鑫秋4號、錦育5號、蘇棉3號、遼棉14號、豫早73、新陸早26號、陜401和岱字棉15等10個材料,即在萌發(fā)期進行棉花耐鹽性鑒定,準確率為33.33%;苗期耐鹽性和綜合耐鹽性各自排名均屬于前30的有遼棉17號、百棉1號、新陸中21號和冀棉228等4個材料,即在苗期進行棉花耐鹽性鑒定,準確率為13.33%。表明在萌發(fā)期和苗期,可以優(yōu)先選擇萌發(fā)期進行耐鹽性鑒定。

以綜合耐鹽性為判斷標準,沒有三種條件下各自排名均屬于前30的材料,說明本試驗材料中沒有萌發(fā)期和苗期耐鹽性都很強的棉花品種。可以推測耐鹽性強的棉花品種,一般是萌發(fā)期或者苗期耐鹽性很強,很少有品種在這兩個時期的耐鹽性都很強;棉花萌發(fā)期耐鹽性和苗期耐鹽性不存在顯著相關(guān)性。其原因可能是兩個時期棉花的耐鹽機理不同,萌發(fā)期耐鹽性的主要機理是棉株抵抗?jié)B透脅迫,而苗期耐鹽性的主要機理是棉株通過拒鹽、離子區(qū)域化、滲透調(diào)節(jié)和活性氧清除等方式來抵抗離子毒害和滲透脅迫,同時苗期耐鹽性也體現(xiàn)了不同棉花品種的光合產(chǎn)物積累能力[14-15]。

3.2 棉花萌發(fā)期和苗期鹽敏性差異分析

以綜合鹽敏性為標準,三種條件下各自排名均屬于前30的材料有52-128、邯4849、遼棉13號、南通5號、新陸中26、錦科棉9號和國欣棉11號等7個品種,即鹽敏材料中,萌發(fā)期和苗期都鹽敏的比例為7/30。表明棉花萌發(fā)期鹽敏性和苗期鹽敏性相關(guān)性較大。推測鹽敏材料一般萌發(fā)期和苗期的耐鹽性都較差,只要苗期或者萌發(fā)期耐鹽性強,不會被認定為鹽敏材料。

以綜合鹽敏性為標準,萌發(fā)期鹽敏性和綜合鹽敏性各自排名均屬于前30的材料有52-128、邯4849、遼棉13號、奧棉618、金字棉、銀山7號、南通5號、中棉所35號、新陸中26、鄂抗棉10號、湘棉12號、徐州142、中棉所49號、錦科棉9號和國欣棉11號等15個,即以萌發(fā)期判定材料鹽敏性,準確率為50%。苗期鹽敏性和綜合鹽敏性各自排名均屬于前30的材料有南通5號、蘇棉9號、邯4849、冀邯3號、52-128、鄂棉14、魯棉10號、遼棉13號、魯棉11號、國欣棉11號、徐州514、嘉星1號、新陸中26、滬棉204、中棉所30號、錦科棉9號、川棉45、一樹紅和鄂抗棉3號等19個,即以苗期判定材料鹽敏性,準確率為63.33%。表明在萌發(fā)期和苗期,可以優(yōu)先選擇苗期進行鹽敏鑒定。