陆地棉耐涝相关性状主成分及聚类分析

贠平　杨婷　李晓龙　张文英

摘要：以34份陆地棉（Gossypium hirsutum Linn.）品种为材料，考查苗期涝渍胁迫及正常供水对照的苗高、主茎红绿比、茎粗、叶片数、叶面积、SPAD值、地上部分鲜重、地上部分干重、地下部分鲜重、地下部分干重等性状，以耐涝系数作为评价指标，采用主成分分析及聚类分析进行耐涝性综合评价。利用耐涝度量值进行模糊聚类，将34个供试棉花品种耐涝性划分为3类，聚类结果基本与供试材料的选育和种植区域的特点相符，其中新陆早19相对耐涝，新陆早36和苏棉20相对敏感。

关键词：陆地棉（Gossypium hirsutum Linn.）；耐涝性；主成分分析；聚类分析

中图分类号：S324 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）22-5520-05

Abstract： The morphological traits of seedling stage under waterlogging stress were studied for identifying and screening waterlogging-tolerance cotton cultivars. Principal component analysis and clustering analysis were used to evaluate the ability in waterlogging tolerance of 34 upland cotton cultivars based on the morphological traits in waterlogging stress. This included seedling height， red and green ratio， stem diameter， number of leaf， chlorophyll content， above-ground fresh weight， above-ground dry weight， underground fresh weight， underground dry weight and leaf area. The 34 cultivars could be divided into 3 clusters by Fuzzy Clustering based on their Waterlogging-tolerance Value（DV）， which could match with the waterlogging characteristics of the origins and planting areas of those cultivars.

Key words： cotton（Gossypium hirsutum Linn.）；flooding tolerance；principal component analysis；cluster analysis

棉花（Gossypium hirsutum Linn.）是全球最重要的纤维作物，也是重要的油料作物。然而，中国长江流域棉区常常遭受涝渍危害，这成为当前长江流域棉花产业稳定发展的一大挑战[1，2]。为了应对涝渍胁迫，对耐涝性进行针对性遗传改良已迫在眉睫，其中耐湿种质资源的鉴定与筛选至关重要。

近年来，针对作物耐湿性鉴定国内外提出多种鉴定方法，在生理、生化、形态、产量等鉴定指标上开展了研究[3-9]。利用单一指标鉴定品种耐湿性易受环境影响，利用隶属函数法进行多指标评价时又会因为各指标间存在不同程度的相关性，导致各单项指标提供的信息发生重叠，难以得出可靠的结果，影响鉴定效果[10]。主成分分析是将多指标线性组合为较少的综合指标，这些综合指标彼此间既不相关，又能反映原来多指标的信息[11]，已有应用于作物多指标耐湿性综合评价的报道[12-15]。目前关于棉花湿害耐性方面的研究主要停留在子叶期鉴定[16]。在大田生产中，子叶期多处于集中育苗阶段，该生育期鉴定结果是否适用于其他生育期尚不得而知。涝渍胁迫下棉花的形态指标是耐湿性强弱的直接表现，由于棉花耐湿机制的复杂性，仅用某一形态指标对其衡量有失偏颇。本研究在棉花苗期进行，利用多个形态指标，采用主成分分析和聚类分析的方法，以期为棉花耐湿性开展综合评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料来源于国家棉花种质中期库和自育材料。利用双套盆模拟淹水方法，即将盆栽花盆放入略大于其口径的塑料桶中模拟淹水，从263份陆地棉种质材料中鉴定出17份耐涝、17份涝敏感共计34份材料参与试验（表1）。

试验在长江大学农科基地（30°21′N，112°09′E）遮雨棚中进行。该基地位于湖北省荆州市，属东部季风农业气候大区、北亚热带农业气候带、长江中下游农业气候区，年平均气温16.5 ℃，≥10 ℃年均积温5 094.9～5 204.3℃，年均降水量 1 095 mm，年均日照时数 1 718 h。

采用育苗盘育苗，移栽前将土、基质、蛭石按质量比2∶1∶1混匀，每盆装1 kg。每盆定植3株，淹水前每个品种选较健壮且长势一致的8盆苗参与试验，4～5叶期开始淹水处理。其中4盆作为对照（正常供水），另外4盆参与双套盆淹水试验。淹水前进行形态指标调查，上水后控制水面高于根际土面2 cm，淹水42 d后测量相关性状并撤水。

1.2 形态指标调查

形态指标的测定，包括株高、主茎红绿比、茎粗、真叶数、SPAD值、地上部分鲜重、地上部分干重、地下部分鲜重、地下部分干重、单株叶面积。使用SPAD仪及直尺、天平测量所需数据，SPAD值及叶片长宽均来自倒四叶。除主要形态指标的测量外，在淹水期间根据目测叶片萎蔫状况、叶片色泽及长势等方面综合做出比较、鉴定、评级，作为对形态指标分析结果的参考。

1.3 数据分析

形态指标耐涝系数计算方法：

2 结果与分析

2.1 棉花苗期主要形态指标的耐涝系数

参试材料分为两组，涝渍处理组和正常供水组，正常供水为对照。表2中的数据为经过公式1计算后的耐涝系数，当耐涝系数小于1时，可认为涝渍胁迫下形态指标值有所下降。利用棉花苗期形态指标计算其耐涝系数（表2）。由表2可知，涝渍胁迫下绝大部分形态指标值与对照相比有一定下降，但主茎红绿比、地下部分干重及地下部分鲜重有所增长。由此表明在涝渍胁迫下，棉苗会启动一些适应机制以缓解自身所受伤害。根据耐涝系数的平均变化幅度将各形态指标在涝渍胁迫方面的敏感度排序：主茎红绿比>单株叶面积总和>地上部分鲜重>株高增长量>地上部分干重>处理结束后真叶数>处理结束后株高>处理结束后SPAD值>地下部分鲜重>地下部分干重>处理结束后茎粗。由此可知，主茎红绿比对涝渍胁迫最敏感，其次是单株叶面积总和、地上部分鲜重和株高增长量等性状。

2.2 主成分分析

以34份供试材料耐涝相关形态指标的耐涝系数为基础，利用DPS软件计算各主成分的特征向量和贡献率（表3），并根据各向量的绝对值将不同形态指标划分到不同的主成分中。同一形态指标在各因子中的最大绝对值所在位置即为其所属主成分。由表3可知，主成分分析中的5个成分的累计百分率为87.904 7%，即具有较强的代表性，可代表11个原始性状的绝大部分信息。主成分1的大小主要取决于单株叶面积总和、地上部分鲜重、地上部分干重、真叶数4个指标，主成分1相当于4.492 2个原始性状的作用，可反映全部数据40.838 1%的信息。主成分2的大小主要取决于地下部分干重和地下部分鲜重，主成分2相当于2.005 1个原始性状的作用，可反映全部数据18.228 2%的信息。主成分3的大小主要取决于株高、株高增长量、主茎红绿比4个指标，主成分3相当于1.360 8个原始性状的作用，可反映全部数据12.3709%的信息。主成分4的大小主要取决于淹水处理结束后茎粗，主成分5的大小主要取决于处理结束后SPAD值。

2.3 耐涝性度量值的模糊聚类

根据耐涝系数可算得各材料性状的模糊隶属函数值（公式2），将主成分1各指标的特征值作为各性状的权数与其相乘，按材料求和算得耐涝性度量值（D值）（表4）。由表4可知，新陆早19具有较强的耐涝性。为全面评价各参试棉花材料的耐涝性，本研究用各材料的耐涝性度量值（D值）进行模糊聚类，可将34份材料的耐涝性分为2大类（图1）。第一大类为耐涝材料，可分为2小类，第一小类是相对极端耐涝的新陆早19，第二小类是包括Z5到CX082在内的19份一般耐涝材料。第一大类的20份材料基本都对涝渍胁迫有不同程度的耐性，其中Z23、Z11、PM1均为目测鉴定耐涝性较好的材料。第二大类为涝敏感材料，也可分为2小类，第一小类是相对极端涝敏感的新陆早36，第二小类是包括苏棉22号到PM20的13份一般涝敏感材料。第二大类的14份材料在淹水过程中均较早出现叶片萎蔫、较晚形成或不形成气生根。其中，苏棉22号、华中91217、新陆早38和苏棉20号均为目测鉴定对涝渍敏感性较强的材料。该结果与征集材料时所标结果以及目测鉴定结果大致相同，基本反映了参试材料的耐涝类型。

3 小结

耐湿性是指植物通过生理上和代谢上的改变，从而忍耐因水淹缺氧所导致的胁迫[18，19]。作物耐湿性是一个复杂的综合性状，湿害可发生于作物生长发育的多个阶段。作物在不同生育时期对涝渍胁迫的响应可能不同，抗性机制也可能不尽一致。对作物耐湿性进行鉴定，不仅需要将形态、生理、产量等指标结合起来，也需要对各个时期的耐湿性进行评价。淹水条件会诱发植株产生形态学适应，如形成不定根、根际通气组织，从而使地下部分的鲜、干重均有所增加，由于涝渍胁迫对根际的伤害使得棉苗对养分的吸收等受到干扰，从而对SPAD值、株高增长量、叶面积、茎粗及地上部分鲜干重造成不同程度影响。同一性状不同材料的耐涝系数及同一材料不同性状的耐涝系数均有较大变幅，因而难以根据各性状的耐涝系数直接判断耐湿性。

耐涝性鉴定需选用合适的鉴定指标和评价方法对不同基因型进行鉴定、评价、筛选和归类。在大量种质资源耐涝性鉴定及耐涝品种选育的早期世代，筛选简单、有效的鉴定指标是至关重要的环节。近年来，国内外学者已筛选出一些与芝麻[3]、小麦[10]、大豆[13]等作物耐涝性有关的形态及生理指标。在棉花耐涝指标研究中，有研究认为根系生长[20]、抗氧化酶活性、内源激素含量[4]、叶片光合作用与产量[21]等都可以作为棉花耐涝性鉴定的单项指标。然而，作物耐涝性是由多基因控制的数量遗传性状，受到基因和环境的共同影响，不同基因型间、同一基因型不同发育阶段耐涝机制不尽相同，耐涝相关性状表现也不尽相同。因此，单一指标很难全面准确地评价耐涝性的强弱，而仅利用多指标隶属函数法评价作物耐涝性时，虽能更全面地反映作物耐涝所表现的众多耐涝相关性状，但也存在一定的局限性。本研究在棉花最容易发生涝害的苗期选用11个形态指标，利用主成分分析将各单项指标综合成为5个相互独立的综合指标，对34份材料苗期耐涝性进行鉴定，利用聚类分析对34份陆地棉种质苗期耐涝性进行了归类。

棉花苗期主要形态指标对涝渍胁迫的敏感度排序中，主茎红绿比最为敏感，因此在田间看苗时根据此项指标评判棉苗生长状况可信度较高。单株叶面积总和、地上部分鲜重、地上部分干重、处理后叶片数、地下部分干重在主要形态指标中具有较大的代表性，因此在棉花苗期耐涝性鉴定中可考虑优先采用。根据耐涝性度量值得到的棉花耐涝性排序、模糊聚类分析结果与实际观测基本相符，因此可作为棉花耐涝性强弱的评价方法。

参考文献：

[1] 符广群，周日明.苏沿海棉区棉花抗逆栽培技术探讨[J].江西棉花，2008，30（2）：25-28.

[2] CONATY W C，TAN D K Y， CONSTABLE G A， et al. Agronomy & soils genetic variation for waterlogging tolerance in cotton[J]. Cotton Science，2008，12：53-61.

[3] 张根峰，张 翼.渍涝胁迫对芝麻生理指标及产量性状的影响[J].作物杂志，2010，1：84-86.

[4] 郭文琦，陈兵林，刘瑞显，等.施氮量对花铃期短期渍水棉花叶片抗氧化酶活性和内源激素含量的影响[J].应用生态学报，2010，21（1）：53-60.

[5] ZOU X L， JIANG Y Y， LIU L， et al. Identification of transcriptome induced in roots of maize seedlings at the late stage of waterlogging[J]. BMC Plant Biology，2010，10：189.

[6] AKIHIKO K， EIJI N. Role of plant height in the submergence tolerance of rice： a simulation analysis using an empirical model[J]. Agricaltural Water Management 2007，89：49-58.

[7] TAKESHI F， JULIA B S. Ethylene-a key regulator of submergence responses in rice[J]. Plant Science，2008，175：43-51.

[8] BANSAL R， SRIVASTAVA J P. Antioxidative defense system in pigeon pea roots under waterlogging stress[J]. Acta Physiologiae Plantarum，2012，34（2）：515-522，1595.

[9] VICENT A， MAT？魱AS M， CARLOS D O， et al. Metabolomics as a tool to investigate abiotic stress tolerance in plants[J]. Molecular Sciences，2013，14：4885-4911.

[10] 周广生，梅方竹，周竹青，等.小麦不同品种耐湿性生理指标综合评价及其预测[J].中国农业科学，2003，36（11）：1378-1382.

[11] 袁志发，周静芋.多元统计分析[M].北京：科学出版社，2002.

[12] 王 军，周美学，许如根.大麦耐湿性鉴定指标和评价方法研究[J].中国农业科学，2007，40（10）：2145-2152.

[13] 孙慧敏，赵团结，盖钧镒.大豆苗期耐淹性的遗传与QTL分析[J].作物学报，2010，36（4）：590-595.

[14] 曾小玲，方淑桂，陈文辉，等.不同基因型菜心耐湿性综合评价[J].热带作物学报，2010，31（4）：572-576.

[15] 齐晓花，陈嵘峰，徐 强.黄瓜种质资源苗期耐涝性鉴定研究初探[J].中国蔬菜，2011（4）：23-28.

[16] 蔡艾君.棉苗耐湿性鉴定及其与气象因子的关系[J].湖北农业科学，1996（6）：7-8.

[17] 唐启义，冯明光.DPS数据处理系统：实验设计、统计分析及数据挖掘[M].北京：科学出版社，2006.

[18] 王宝山.逆境植物生物学[M].北京：高等教育出版社， 2010.

[19] AHMED F， RAFII M Y， ISMAIL M R，et al. Waterlogging tolerance of crops： breeding， mechanism of tolerance，molecular approaches，and future prospects[J]. BioMed Research International，2013，1：1-10.

[20] 郭文琦，赵新华，陈兵林，等.氮素对花铃期短期渍水棉花根系生长的影响[J].作物学报，2009，35（6）：1078-1085.

[21] 刘凯文，朱建强，吴启侠.蕾铃期涝渍相随对棉花叶片光合作用与产量的影响[J].灌溉排水学报，2010，29（1）：23-26.

（责任编辑 韩 雪）