不同基因型棉花苗期耐磷性评价及鉴定指标筛选

王培培， 姬俊华， 付军亮， 李雪林， 张富厚， 孟超敏*， 刘逢举

(1.河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471003； 2.洛阳理工学院 环境工程与化学系，河南 洛阳 471023； 3.中国农业科学院 棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室, 河南 安阳 455000)

磷作为植物生长发育不可缺少的矿质元素之一[1]，不仅是植物体及体内能量载体的主要组成部分，在植物的呼吸、光合和生理生化调节过程中也发挥着重要的作用[2-3]，对作物的产量和品质也有重要影响[4]，同时还是土壤肥力形成的原始启动因子[5]。马进川[6]研究认为，化肥磷素是农田磷素输入的主要来源。由于磷素在土壤中的移动性弱，且极易以无机态的形式被固定起来，使植物能够吸收利用的磷素很少，从而导致当季磷肥的利用率仅为10%左右，造成缺磷现象，这种现象称为遗传学缺磷[7-10]。磷资源属于不可再生资源[11]，目前全球可供开采的磷矿资源仅能维持到22世纪中叶[12]，因此筛选耐磷性品种，挖掘磷高效基因成为解决遗传学缺磷的有效途径之一，而合理选择耐磷性鉴定指标则是进行耐磷性品种筛选和耐磷机理研究的基础。

近年来，关于磷胁迫对棉花干物质的积累、分配规律和生长发育的影响均有研究[13-15]，李卫华等[16-17]通过对各指标变异系数分析，筛选出相对整株干物质、相对吸磷量、相对含磷量和相对磷吸收效率、相对磷利用效率、相对地上部干重、相对根干重、相对生物量为棉花耐磷性鉴定指标。但由于试验方法不同，得到的鉴定指标也有所不同。虽然前人对棉花耐磷性指标的筛选有一定的研究，但总体缺乏系统性，因此目前对棉花耐磷材料的快速判断还存在一定的困难。为快速进行大批量耐磷材料筛选，笔者等采用棉株先砂培后水培的磷胁迫处理方式，运用隶属函数、主成分分析和线性回归对低磷胁迫下的12个棉花品种苗期耐磷性进行综合评价，并对生理指标和耐磷能力的关系进行探讨，同时基于各生理指标与耐磷性关系建立棉花苗期耐磷性数学评价模型，以期为棉花耐磷品种的选育和耐磷机理的研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为12个棉花品种(系)，分别为新陆早42号、新陆早46号、新陆早19号、中棉所21号、中棉所32号、冀航8号、锦科棉11号、GK99、邯218、冀H170、棉乡杂3号和苗宝21号，由中国农业科学院安阳棉花研究所和新疆石河子棉花研究所提供。

1.2 试验设计

以棉花幼苗期磷胁迫为试验处理，设置2个磷胁迫水平，即低磷水平和适磷水平。低磷水平处理：KH2PO4浓度为0.01 mmol/L；适磷水平处理：KH2PO4浓度为 1.0 mmol/L。

1.3 试验过程

试验于2018年于河南科技大学农学院实验室进行。采用营养液水培方式，精选饱满完整的棉种在温开水中浸泡30 min，用去离子水浸泡过夜至露白。将细沙与蛭石的混合基质高温灭菌24 h，加蒸馏水充分搅拌使其含水量达35%，播种于塑料培养钵常温萌发，待其长至8 cm左右，将棉苗冲洗干净，用海绵裹住根茎结合处移至水培盆中，每个品种每盆移栽3株棉苗，每盆移栽4个品种，各处理设3个重复，室内放置2 d后逐步过渡至室外遮阳棚培养。前期用改良的1/2 Hongland营养液培养，每周更换1次营养液；当大多数棉苗第4片真叶能进行光合作用后，开始进行磷胁迫全营养液处理(表1)，处理期间每5 d更换1次营养液，连续更换3次后收取棉苗并对其各项生理指标进行测定。K+的缺失用KCl补充，每天加入5滴30% H2O2以提供根系呼吸所需氧气，调节pH至6.0～6.5。

表1 棉花磷胁迫试验不同处理的Hoagland营养液配方

1.4 测定指标

棉苗在磷胁迫处理15 d后开始进行各项生理指标测定。株高(PH)：利用刻度尺量取，由子叶节至生长点；叶面积(TFA)：利用长宽乘积法测定；植株鲜重及干重：棉苗用自来水冲洗干净，称取地上部鲜重(FWO)、地下部鲜重(UFW)、子叶鲜重(FWC)和真叶鲜重(FWTL)，然后将地上部和地下部分别包装好于105℃杀青30 min，在70℃烘48 h至恒重，测定地上部干物重(DWO)和地下部干物重(UDW)；植株磷含量(PC)：利用钒钼黄比色法测得。根据测定结果，计算以下指标：总鲜重(TFW)=地上部鲜重(FWO)+地下部鲜重(UFW)；总干重(TDW)=地上部干物重(DWO)+地下部干物重(UDW)；根冠比(RSR)=地下部干物重(UDW)/地上部干物重(DWO)；磷积累量(PA)=总干重(RCR)×磷含量(PC)；磷利用效率(PUE)=总干重(RCR)/磷积累量 (PA)。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理与分析，SPSS 22.0进行主成分分析、聚类分析和线性回归分析。根据杨春婷等[18-19]的方法对原始数据进行定量转换。

1.5.1 指标耐磷系数 (PTC) 各测定指标的耐磷系数PTC=磷胁迫测定值/适磷测定值。

1.5.2 各基因型棉花的综合指标F(Xj)=a1jX1j+a2jX2j+…+aijXij。i=1,2,…n,j=1,2,…n。式中，F(Xj)为第j个棉花品系的综合指标值，aij表示各单一指标的特征值所对应的特征向量，Xij为各单一指标的标准化处理值。

1.5.3 各基因型棉花综合指标隶属函数的计算u(Fj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。j=1,2,…n。式中，Fj为第j个棉花品系的综合指标，Xmax为第j个综合指标最大值，Xmin为第j个综合指标最小值。

2 结果与分析

2.1 棉花单项指标耐磷系数及其相关性

2.1.1 耐磷系数 从表2可知，不同基因型(品系)棉花经磷胁迫处理后，磷含量(PC)和磷积累量(PA)的耐磷系数绝大多数小于1，说明磷含量和磷积累量低磷处理总体上较适磷处理有所下降；磷利用效率(PUE)的耐磷系数绝大多数大于1，说明低磷处理的磷利用效率高于适磷处理。其余各单项指标的耐磷系数在各品种上的变化幅度不尽相同。

表2 磷胁迫下棉花幼苗各单项生理指标的耐磷系数

2.1.2 相关性 通过相关性分析可直观揭示指标间的关系及其相关关系的方向和强度[20]。由表3看出，棉花各指标间均有不同程度的相关性，说明各指标所提供的信息发生重叠。综合其耐磷系数变化情况可知，各指标在不同棉花品种中所起的作用也有所不同，表明棉花耐磷性是一个复杂的综合性状，直接对各单项指标作出评价不能准确反应棉花的耐磷性，因此需在此基础上进一步利用多元统计法进行分析。

表3 磷胁迫下棉花幼苗各单项生理指标的相关系数矩阵

2.2 棉花耐磷指标的主成分分析

主成分分析可通过各指标间的偏相关性化繁为简，将大量单一指标提炼为可表述各指标间关系的新指标，弥补单项指标耐磷性评价的不足。一般认为，偏相关性值大于0.9时，代表该指标在此主成分中起主要作用，当偏相关性值大于0.7小于0.9时则认为该指标在此主成分中所起作用尚可，当偏相关性值小于0.7时则认为该指标在此主成分中所起作用较差。主成分分析将棉花14个单项耐磷性指标转化为4个主成分，4个主成分的贡献率分别为59.344%、15.368%、8.696%和7.666%，累积贡献率达91.074%。4个主成分是相互独立的综合指标，同时还携带原始指标的大部分信息。从表4看出，第一主成分中起主作用的指标有地上部鲜重(FWO)、地下部鲜重(UFW)、真叶鲜重(FWTL)、地上部干重(DWO)、地下部干重(UDW)、总鲜重(TFW)、叶面积(TFA)和总干重(TDW)，说明耐磷能力较好的棉花幼苗在磷胁迫下会促使自身生理生长；第二主成分中起主作用的指标有磷含量(PC)和磷利用效率(PUE)，说明耐磷能力较好的棉花幼苗在磷胁迫下会适当增加植株磷含量，但磷利用率却有所降低，可能是种子携带磷素的原因；第三主成分中起主作用的指标为根冠比(RSR)，说明耐磷性较强的品种在磷胁迫下会促使根部生长，加大根冠比以获得更多的磷元素。第四主成分中起主作用的指标是株高(PH)，说明耐磷性较强的棉花会加快幼苗植株的生长。

表4磷胁迫下棉花幼苗各指标的成分矩阵

Table 4 Component matrix of each single physiological index of cotton seedlings under phosphorus stress

指标Index主成分Principal component1234株高 PH 0.031 0.191 0.219 0.922 地上部鲜重 FWO 0.987 -0.056 -0.055 0.040 地下部鲜重 UFW 0.939 0.049 0.190 -0.137 子叶鲜重 FWC 0.551 0.214 -0.192 -0.316 真叶鲜重 FWTL 0.963 -0.125 -0.059 0.026 地上部干重 DWO 0.970 -0.136 -0.119 0.006 地下部干重 UDW 0.887 0.105 0.406 0.022 总鲜重 TFW 0.993 -0.037 -0.012 0.008 叶面积 TFA 0.971 -0.101 -0.058 0.028 总干重 TDW 0.980 -0.112 -0.069 0.017 根冠比 RSR -0.057 0.365 0.875 -0.275 磷含量 PC -0.075 0.936 -0.089 -0.060 磷干积累量 PA 0.766 0.563 -0.075 0.145 磷利用效率 PUE 0.064 -0.817 0.351 0.022

2.3 棉花品种耐磷性综合评价

从表5看出，棉花耐磷性评价指标D值最大的是新路早19号，其次是锦科棉11号，冀H170最低。D值越大，耐磷性越强，反之，耐磷性越弱。由此可看出，12个棉花品种耐磷性排序为新陆早19号>锦科棉11号>棉乡杂3号>苗宝21>中棉所21号>新陆早46号>中棉所32号>新陆早42号>冀航8号>GK99>邯218>冀H170。

表5各基因型棉花的耐磷性评价指标D值和排序

Table 5Dvalue and ranking of phosphorus tolerance evaluation index of tested cotton varieties with different genotypes

品种Variety (line)D值D valueD值排序Ranking of D value新路早42号 Xinluzao 42 0.356 8新路早46号 Xinluzao 46 0.420 6新路早19号 Xinluzao 19 0.868 1中棉所21号 Zhongmiansuo 21 0.453 5中棉所32号Zhongmiansuo 32 0.381 7冀航8号 Jihang 8 0.240 9锦科棉11号 Jinkemian 11 0.748 2GK99 0.217 10邯218 Han 218 0.215 11冀H170 Ji H170 0.193 12棉乡杂3号 Miaxiangza 3 0.660 3苗宝21号 Miaobao 21 0.569 4

2.4 棉花品种耐磷性分类

利用系统聚类法对棉花耐磷评价指标(D值)进行聚类分析[21-22]，将12棉花品种分为4类，第一类仅有新陆早19号，属强耐磷类型；第二类有苗宝21、棉乡杂3号和锦科棉11号，属中度耐磷类型；第三类有中棉所21号、新陆早46号、中棉所32号和新陆早42号，属弱耐磷类型；第四类有翼航8号、翼H170、邯218和GK99，属磷敏感类型(图1)。

图1 12个棉花品种耐磷性聚类树状图

Fig.1 The dendrogram of 12 cotton varieties in phosphorus tolerance

2.5 棉花耐磷指标回归模型建立及鉴定指标筛选

为分析指标与品种耐磷性关系，筛选耐磷性指标，建立棉花苗期耐磷性评价模型，把D值作为因变量，各指标的耐磷系数作为自变量，进行逐步回归分析，建立回归方程：D=-3.329+1.773PH-7.724FWTL+10.826TFA-2.37UDW+1.212RSR，方程决定系数R2=0.965。由方程可知，12个单项指标内有5个指标对棉花幼苗的耐磷性有显著影响，分别是株高、真叶鲜重、总叶面积、地下部干重和根冠比。

3 结论与讨论

磷是植物生长发育所必需的营养元素，缺磷直接影响植物的形态发育和生物量[23]，因此，在低磷胁迫下植物形成一定的适应性机制，如根系伸长、根毛增多等从而扩大根系吸收面积，提高磷素吸收效率[24]。作物的耐磷性受众多因素影响，苗期又是作物群体建成的关键时期，同时苗期筛选棉花耐磷性品种不仅时间短，而且容量大，所以苗期筛选棉花耐磷性具有重要意义。

由于该研究的磷胁迫发生在幼苗期，且持续时间较短，使种子中的磷素可能发挥一定的作用，对试验结果可能造成一定误差。董合林[25]研究指出，棉花磷素吸收的高峰期在花铃期，且吸收百分率一般在60%以上，远超苗期、蕾期和吐絮期，因此今后还需对参试棉花品种各时期耐磷性进行研究以进一步验证。由于试验采用水培方法进行，可能与田间耐磷性表现不完全一致。因此，准确筛选磷高效品种还需田间进一步试验鉴定。

主成分分析将磷胁迫下棉花幼苗的14个单项指标转化为4个独立的综合指标，并得到耐磷性综合评价值(D值)，客观反映了12个棉花品种苗期的耐磷性。通过聚类分析将12个棉花品种划分成磷敏感、弱耐磷、中度耐磷和高度耐磷4个类型。高度耐磷型品种1个，即新陆早19号；中度耐磷型品种3个，分别为苗宝21、棉乡杂3号和锦科棉11号；弱耐磷型品种4个，分别为中棉所21号、新陆早46号、中棉所32号和新陆早42号；磷敏感型品种4个，分别为冀航8号、冀H170、邯218和GK99。建立棉花幼苗耐磷性评价回归模型：D=-3.329+1.773PH-7.724FWTL+10.826FDW-2.37UDW+1.212PC(R2=0.964)，筛选出影响棉花幼苗耐磷能力的5个单项指标，分别为株高、真叶鲜重、总叶面积、地下干重和根冠比。