陸地棉種質(zhì)資源材料的耐熱性評(píng)價(jià)及指標(biāo)篩選

王 朋,鄭 凱,趙杰銀,高文舉,龍遺磊,陳全家,曲延英

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】高溫影響棉花纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3]。新疆經(jīng)常周期性在6～8月出現(xiàn)不同程度的高溫脅迫。高溫脅迫會(huì)嚴(yán)重影響棉花花粉發(fā)育過程,并阻礙棉花生殖生長(zhǎng),引起棉花花鈴期蕾鈴脫落,產(chǎn)量和纖維品質(zhì)下降[4-7]。采用田間和室內(nèi)鑒定相結(jié)合的方法鑒定耐熱種質(zhì)資源,對(duì)提高棉花熱脅迫的耐受性品種選擇有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前,鑒定棉花高溫耐性主要有花粉離體培養(yǎng)、人工模擬高溫和田間自然遭遇高溫的方法[8]。可通過果枝著生高度、早熟性等指標(biāo)直接選擇,通過生理指標(biāo)(如細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性、葉綠素含量等)以及紅外、遙感手段進(jìn)行間接選擇。耐性分析評(píng)價(jià)主要有單指標(biāo)鑒定和多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)等方法[9]。【本研究切入點(diǎn)】前人鑒定方法多是單指標(biāo)或者幾個(gè)指標(biāo)的方式衡量棉花的耐熱性,采用多指標(biāo)綜合分析方法的研究較少,難以全面地反映不同品種的耐熱性。且多為國(guó)內(nèi)材料,至今尚未形成統(tǒng)一的棉花耐熱性鑒定和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。需篩選評(píng)價(jià)陸地棉種質(zhì)資源材料的耐熱性指標(biāo)。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于國(guó)內(nèi)外具有代表性的24份陸地棉種質(zhì)資源,其中巴基斯坦材料14份,中國(guó)材料10份。人工模擬高溫條件,調(diào)查田間性狀指標(biāo),采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法,建立棉花耐熱性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),選取極端材料,篩選室內(nèi)生理指標(biāo),為快速選育耐熱性棉花品種及研究棉花耐熱性機(jī)理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

采用2018年和2020年中國(guó)新疆沙灣(https://www.tianqi.com/shawan/)和巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德(https://en.climate-data.org/asia/pakistan/punjab/faisalabad-764568/#climate-table)的氣象數(shù)據(jù),在棉花生育期內(nèi),試驗(yàn)地區(qū)氣候條件除溫度外其它并無明顯的差異。其中2018年在巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德地區(qū)6～8月月平均氣溫均在39～41℃,屬于熱應(yīng)激環(huán)境。

24份棉花種質(zhì)資源均由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花遺傳育種團(tuán)隊(duì)收集提供。表1

表1 不同陸地棉來源品種(系)名稱

1.2 方 法

1.2.1 大田試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年和2020年的4～11月在中國(guó)新疆沙灣市新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種試驗(yàn)田進(jìn)行,2018年3～10月在巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德農(nóng)業(yè)大學(xué)主校區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行。均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每份材料采用5 m×3行種植方式,設(shè)置3個(gè)重復(fù)。在棉花吐絮成熟期,對(duì)小區(qū)中每份材料均一穩(wěn)定具有代表性的5株測(cè)定株高;每個(gè)材料選擇長(zhǎng)勢(shì)均一的5個(gè)植株收取中下部20朵棉鈴,測(cè)量籽棉、皮棉、衣分。每份材料連續(xù)摘取下部、中部和上部各30朵鈴計(jì)算單鈴重。

1.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇耐熱極端4份棉花資源材料,選取大小均一,籽粒飽滿的棉花種子,常規(guī)土壤培養(yǎng)。待棉花3葉1心時(shí)期,放入人工氣候培養(yǎng)箱,溫度40℃,相對(duì)濕度濕度60%,光照8 h,于脅迫0、6和12 h取真葉用液氮冰凍,并保存在-80℃冰箱中。測(cè)定葉片含水量(LWC)、丙二醛(MDA)、相對(duì)電導(dǎo)率、葉綠素總含量、游離脯氨酸含量(Pro)、過氧化物酶(POD)活性[10-12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2007整理數(shù)據(jù),R-4.0.5語言進(jìn)行分析和作圖。耐熱性綜合評(píng)價(jià)D值計(jì)算[13,14]:

(1)隸屬函數(shù)值u(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin);i=1,2,3,…,n;其中Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo),Xmin和Xmax分別表示每個(gè)主成分上各性狀指標(biāo)得分值的最小值和最大值;

(2)Wj表示第j個(gè)主成分的權(quán)重;Pj表示提取的主成分所對(duì)應(yīng)的特征值;

D值表示各陸地棉資源材料高溫處理下所得的耐熱性綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 24份陸地棉品種(系)性狀描述

研究表明,巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德的陸地棉變異系數(shù)明顯大于中國(guó)新疆沙灣的陸地棉。且巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德種植區(qū)陸地棉各性狀變異系數(shù)都大于10%。2018年中國(guó)新疆沙灣試驗(yàn)田中來自巴基斯坦陸地棉資源材料各指標(biāo)的變異系數(shù)范圍是8.23%～14.22%,變異系數(shù)超過10%的性狀指標(biāo)包括皮棉產(chǎn)量(14.22%)與株高(14.24%)。來自中國(guó)的陸地棉種質(zhì)資源材料各指標(biāo)變異系數(shù)的范圍是10.70%～33.65%,所有農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)均超過10%。中國(guó)的陸地棉材料更加適應(yīng)是中國(guó)的環(huán)境。

2018年在巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德試驗(yàn)田的24份陸地棉資源材料各農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)范圍是18.34%～25.08%,各指標(biāo)變異系數(shù)依次為皮棉產(chǎn)量(25.08%)>株高(21.25%)>籽棉產(chǎn)量(20.09%)>單鈴重(18.91%)>衣分(18.34%)。其中,來自中國(guó)陸地棉資源材料各指標(biāo)的變異系數(shù)為9.92%～27.03%,變異系數(shù)最大的性狀指標(biāo)是單鈴重(27.03%)與籽棉產(chǎn)量(26.96%)。所有性狀的變異系數(shù)均接近20%。巴基斯坦陸地棉種質(zhì)資源材料的變異系數(shù)明顯大于中國(guó)陸地棉材料,巴基斯坦陸地棉材料更適宜巴基斯坦的自然環(huán)境。

2020年在中國(guó)新疆沙灣試驗(yàn)田24份陸地棉資源材料各性狀的變異系數(shù)范圍是7.78%～16.49%,各指標(biāo)變異系數(shù)依次為皮棉產(chǎn)量(16.49%)>株高(16.05%)>衣分(11.91%)>單鈴重(10.10%)>籽棉產(chǎn)量(7.78%)。表2

表2 24份陸地棉資源材料各性狀描述

2.2 耐熱性綜合評(píng)價(jià)及多元逐步回歸

研究表明,24份陸地棉資源材料可明顯聚為3類,其中第一類為耐熱材料,第二類為中間型材料,第三類為敏熱材料。其中第一類巴基斯坦陸地棉材料主要包括Cyto-179和BAHAR-2017,第三類主要包括中國(guó)陸地棉材料新陸早49號(hào)、新陸中24號(hào)、中棉所35號(hào)和中棉49號(hào)。巴基斯坦陸地棉材料相比于中國(guó)陸地棉材料其耐熱性更好。圖1

圖1 24份陸地棉資源材料的耐熱性評(píng)價(jià)

以耐熱性綜合評(píng)價(jià)值(D)作因變量,把各單項(xiàng)指標(biāo)2年變化率的平均值作自變量,采用逐步回歸方法建立了最優(yōu)回歸方程:D=-0.111+0.175X2+0.470X3+1.211X4(F=71.54,R2=0.914 8,P<0.001)。5個(gè)指標(biāo)中,3個(gè)指標(biāo)對(duì)陸地棉耐熱性有顯著影響,分別是籽棉產(chǎn)量(X2)、單鈴重(X3)和皮棉產(chǎn)量(X4)。籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量對(duì)棉花的耐熱性有影響。耐熱材料Cyto-179和BAHAR-2017皮棉產(chǎn)量?jī)H僅下降了30.09%和37.87%,籽棉產(chǎn)量和單鈴重與對(duì)照相比下降也較少。敏熱材料新陸早49號(hào)、新陸中24號(hào)、中棉所35號(hào)和中棉49號(hào)其籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量的下降都超過70%。表3

表3 2018年和2020年24份陸地棉材料各性狀變化百分率平均值

2.3 各指標(biāo)變化率與綜合評(píng)價(jià)D值的相關(guān)性

研究表明,籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量和D值之間呈明顯的正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)均大于0.77。籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量之間也呈明顯的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)均大于0.69。其中株高和衣分與籽棉產(chǎn)量、單鈴重、皮棉產(chǎn)量和D值之間的相關(guān)系數(shù)均較小,株高和衣分與棉花的耐熱性無關(guān)。圖2

圖2 各指標(biāo)變化率與綜合評(píng)價(jià)D值相關(guān)性

2.4 不同種植地區(qū)各農(nóng)藝性狀差異

研究表明,2018年和2020年中國(guó)新疆沙灣之間都沒有顯著性差異,2個(gè)重復(fù)可靠。其中株高和衣分之間在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都無顯著性差異。籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量,在中國(guó)新疆沙灣和巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德種植都有顯著性差異,3個(gè)指標(biāo)受熱脅迫的顯著影響。籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量可以作為陸地棉田間耐熱和敏熱材料篩選的指標(biāo)。圖3

圖3 不同種植地區(qū)各農(nóng)藝性狀差異

2.5 棉花產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量的回歸擬合

研究表明,在3個(gè)環(huán)境點(diǎn),籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量的R2均大于0.52。其中2018年中國(guó)新疆沙灣單鈴重和籽棉產(chǎn)量的R2最高(0.93)。2018年巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德單鈴重和籽棉產(chǎn)量的R2為0.89。雖然2020年中國(guó)新疆沙灣3個(gè)指標(biāo)的R2較小,但均超過0.5,3個(gè)指標(biāo)之間聯(lián)系緊密,可作為陸地棉熱脅迫的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖4

圖4 棉花產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量的回歸擬合

2.6 生理指標(biāo)變化趨勢(shì)

研究表明,耐熱材料Cyto-179和BAHAR-2017和敏熱材料中棉49號(hào)和新陸中24號(hào),在40℃脅迫的過程中,過氧化物酶、葉片含水量和葉綠素含量都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛和脯氨酸含量都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。除葉片含水量和游離脯氨酸含量外的生理指標(biāo)在耐熱性材料中的變化趨勢(shì)明顯小于敏熱材料。過氧化物酶、丙二醛和葉綠素含量可作為室內(nèi)篩選的指標(biāo)。圖5

注:*和**分別表示在 P<0.05 和 P<0.01 水平差異顯著

3 討 論

3.1高于最適溫度的溫度會(huì)導(dǎo)致小花不育,從而降低作物產(chǎn)量[15]。溫度高于35℃時(shí),產(chǎn)量會(huì)大大降低[15]。隨著高溫發(fā)生的頻率增加,植物的耐熱性評(píng)價(jià)及耐高溫品種的篩選已有相關(guān)報(bào)道,在馬鈴薯、甜瓜、小麥、水稻和玉米等作物上用多個(gè)指標(biāo)多種方法判斷其耐熱性[16-20]。徐如強(qiáng)等[21]、陳希勇等[22]用熱感指數(shù)法來鑒定多個(gè)品種的耐熱性,通過計(jì)算熱感指數(shù)鑒定品種的耐熱性,雖然簡(jiǎn)單易行,但只是用單一指標(biāo)判定參試品種的耐熱性,忽略了品種的耐熱性受多種因素的影響。耿曉麗等[23]以細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性、容重?zé)岣兄笖?shù)、千粒重?zé)岣兄笖?shù)對(duì)小麥耐熱性品種進(jìn)行篩選,鑒定出不同類型的耐熱品種。但該方法只是用單一的分析方式比較不同品種的耐熱性,缺乏多元統(tǒng)計(jì)分析。

3.2光照、溫度和水分影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。中國(guó)新疆沙灣和巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德基本處于同一緯度,光照是相近的。2018年和2020年,中國(guó)新疆沙灣兩年的降雨、灌水與施肥量基本一致,但2020年的病害稍大于2018年,2020年的籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量明顯低于2018年。但是2年間各性狀的相關(guān)系數(shù)較高且各指標(biāo)并無顯著性差異。雖然中國(guó)新疆沙灣和巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德降雨和田間灌溉方式不同,但供水量都能夠保證棉花的正常的生長(zhǎng),溫度是限制棉花生長(zhǎng)的主要限制因素。

3.3吾甫爾·阿不都等[24]以60個(gè)國(guó)內(nèi)陸地棉種質(zhì)資源材料為基礎(chǔ),對(duì)其生長(zhǎng)及產(chǎn)量等綜合性狀進(jìn)行耐熱性鑒定。任茂等[25]以13份陸地棉品種為材料,在花鈴期模擬高溫?zé)岷?篩選出散粉率、衣分、孕籽率、單鈴重、成鈴率等5個(gè)耐熱性鑒定指標(biāo)。研究基于24份陸地棉種質(zhì)資源,于室內(nèi)和大田同時(shí)進(jìn)行耐熱指標(biāo)的篩選與評(píng)價(jià)。相較于棉花或者其他作物的耐熱性鑒定[26-28],研究進(jìn)行了不同種植環(huán)境的性狀檢測(cè),完善了陸地棉耐熱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3.4結(jié)果表明,巴基斯坦陸地棉種質(zhì)資源材料的變異系數(shù)明顯大于中國(guó)陸地棉資源材料,巴基斯坦的陸地棉資源材料可能更適宜耐熱的自然環(huán)境,與材料的來源表現(xiàn)一致。差異分析發(fā)現(xiàn)籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量無論是中國(guó)陸地棉材料、巴基斯坦陸地棉材料,在中國(guó)新疆沙灣和巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德種植都有顯著性差異,3個(gè)指標(biāo)受熱脅迫的影響,且其可以作為田間耐熱和敏熱材料篩選的指標(biāo),且多元逐步回歸分析、相關(guān)性分析與差異分析結(jié)果一致。

3.5高溫脅迫下,植物細(xì)胞膜透性增加為高溫脅迫的本質(zhì)現(xiàn)象之一[26]。結(jié)果顯示,相對(duì)電導(dǎo)率變化值較小的材料耐熱性較強(qiáng)。可溶性糖作為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在試驗(yàn)中耐熱性和相對(duì)電導(dǎo)率均呈極顯著相關(guān)[26]。丙二醛含量的高低能反映膜脂過氧化的程度,可作為衡量植物組織抗氧化能力高低的指標(biāo)[26]。脯氨酸在植物抗逆脅迫中具有防止水分散失和提高原生質(zhì)體穩(wěn)定性的作用。但試驗(yàn)中,脯氨酸含量均沒有發(fā)生顯著的變化,不適合作為陸地棉耐熱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

4 結(jié) 論

24份陸地棉材料分為三類:耐熱材料、中間型材料和敏熱型材料。建立耐熱性的評(píng)價(jià)模型:D= -0.111+0.175X2+0.470X3+1.211X4(R2=0.914 8),籽棉產(chǎn)量、單鈴重和皮棉產(chǎn)量作為棉花大田耐熱性評(píng)價(jià)的指標(biāo),而株高和衣分與耐熱性無關(guān)。篩選出4份耐熱陸地棉材料,并建立了室內(nèi)耐熱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。