海岛棉种质资源抗旱性评价

赵福相,刘康永,曲延英,高文伟,陈全家

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】干旱已经成为限制世界范围内农作物增产的重要问题[1]。新疆植棉历史悠久，是我国最大的棉花生产基地，棉花生产在新疆经济发展中占有十分重要的地位[2]。棉花花铃期是决定棉花品质和产量的关键时期，此时期水分亏缺对棉花生长发育的影响最为明显[3]。新疆作为主要棉区，极易遭受干旱的影响，导致棉花减产和品质下降，培育抗旱性强的棉花品种，在棉区水资源短缺十分紧缺地区，对棉花材料进行抗旱性评价具有十分重要的意义。【前人研究进展】李海明等[4]采用综合抗旱系数，模糊隶属函数，主成分分析，关联分析和聚类分析等统计分析方法相结合进行陆地棉品种抗旱性鉴定和抗旱指标的筛选。冯方剑等[5]通过研究与抗旱性相关的生理生化指标，采用主成分分析及D值分类的方法，对32个棉花品种进行了抗旱性评价。刘鹏鹏等[6]采用综合抗旱系数、抗旱指数及隶属函数相结合的方法，综合评价了棉花种质资源的抗旱性。【本研究切入点】大多数研究对棉花的抗旱性评价研究主要是陆地棉材料，对海岛棉进行抗旱评价性评价研究的比较少。研究采用抗旱系数、抗旱指数、主成分分析、综合抗旱系数、D值评价法等方法，对棉花品种进行抗旱性分级评价。【拟解决的关键问题】对203份海岛棉种质资源胁迫田间表型性状进行多指标综合分析，并作抗旱性评价鉴定。

1 材料与方法

1.1 材 料

材料为203份海岛棉资源材料，其中：前苏联材料48份，占23.6%；内地材料54份，占26.6%；美国材料15份，占7.4%；中国新疆材料48份，占23.6%；埃及材料19份，占9.4%；不详材料17份，占8.4%；阿尔法尼亚材料2份，占1%。

1.2 方 法

203份海岛棉资源材料由新疆农业大学重点实验室提供，于2018年种植于新疆阿克苏16团试验地。于4月中旬播种，随机区组试验设计，穴播(行长2 m×行宽0.6 m)，设置2次重复，每个重复间以70 cm宽的走道隔离。所有材料开花期在7月2～25日，于7月2日(花铃期)对照组正常浇水，胁迫组不浇水，根据土壤中水分含量变化，7月25日对胁迫组复水，其后2个处理都正常浇水。于10月2号(吐絮期)收花，每个材料先收取15铃，以获得衣分和铃重数据，收花后测产并调查株高、果枝数、第一果枝高度等农艺性状。

1.3 数据处理

所有数据的统计和分析均在SPSS22.0和Excel 2013上完成，Excel 2013进行绘图；运用SPSS 21.0进行方差分析、主成分分析等,数据处理时进行标准化处理，消除遗传背景对抗旱性研究的影响。参照兰巨生[7]方法，计算抗旱系数(公式 1) 、抗旱指数(公式 2) 、综合抗旱指数(公式 3) 、隶属函数值(公式 4) 、抗旱性量度值(公式 5) 、对综合抗旱指数、抗旱度量值进行分析，划分抗旱等级。

(1)

(2)

(3)

(4)

=1,2,3,…，n.

(5)

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对主要农艺性状的影响

对203份供试海岛棉材料主要农艺性状，株高、果枝始节高、果枝数、有效果枝数、铃数、有效铃数、单铃重、衣分和单株产量分别进行均值，方差以及变异系数计算，利用其均值进行配对样本T检验，对数据进行描述性分析。研究表明，在花铃期进行旱胁迫处理后，除果枝始节高在旱胁迫处理与正常处理间无显著性差异，其余性状均存在极显著差异，各性状均有一定程度的下降，变异系数方面：正常处理下，变异系数在0.09～0.27，最大的是单株产量，为0.27，最小的是衣分，为0.09；旱胁迫处理下，变异系数在0.06～0.28，最大的是单株产量,为0.28,最小的是衣分,为0.06，说明干旱胁迫条件对单株产量的影响较大，对衣分的影响较小。对两种水分条件下农艺性状的比较，除果枝始节高外，都存在显著差异，试验所选的203个品种(系)的各农艺性状对水分胁迫比较敏感，所选农艺性状具有较好的代表性。表1

2.2 单项指标分析

根据公式(1)抗旱系数、(2)抗旱指数获得各性状抗旱系数(DC值)和抗旱指数(DI值)，研究表明，抗旱系数与正常处理相比，各品种在花铃期干旱处理后，所选性状均发生了不同程度变化，DC值介于0.77～1.01，变异系数分别介于0.08～0.39。抗旱指数与正常处理相比，各品种在花铃期干旱处理后，所选性状均发生了不同程度变化，DI值介于0.58～1.01，变异系数分别介于0.12～0.47，变异系数的变化大小在一定程度上反应不同农艺指标对水分胁迫的敏感程度，单株产量和有效铃数两指标的变异系数比较大，这两个性状对水分胁迫较敏感。表2

根据DC值与DI值的范围，将各性状的DC值和DI值以组距为0.3分成5个组区间，制成连续次数分布表DC值分布较集中，DC值在区间0.6

表1 主要农艺性状描述性
Table 1 Descriptive analysis of main agronomic traits

项目Item株高Plantheight(cm)果枝始节高Heightofthefirstbranch(cm)果枝数Fruitbranchnumber有效果枝数EffectiveFruitbranchnumber单株产量Grainweightperplant(g)WDWDWDWDWD均值Meanvalue79.9275.455.985.887.186.457.176.0824.05 19.35标准差Standarddeviation12.6611.790.930.681.391.031.391.0495.297.68变异系数Coefficientofvariation0.160.160.160.110.190.160.190.170.270.28T5.735∗∗1.1897.42∗∗11.812∗∗13.391∗∗P0.0010.2360.0010.0010.001相关系数Correlationcoefficient0.590.060.360.440.278DCAverage0.951.010.920.870.77DCCV0.150.200.220.200.39DI Average0.971.001.010.890.58DICV0.280.280.320.320.47项目Item铃数Bollnumber有效铃数Effectivebollnumber衣分Lintpercent(%)单铃重Singlebollweight(g)WDWDWDWD均值Meanvalue8.67.158.576.990.350.323.202.78标准差Standarddeviation1.731.621.731.640.0310.020.520.33变异系数Coefficientofvariation0.200.230.200.230.090.060.160.12T10.838∗∗11.717∗∗16.686∗∗12.464∗∗P0.0010.0010.0010.001相关系数Correlationcoefficient0.350.350.510.44DCAverage0.850.840.910.89DCCV0.250.260.080.20DIAverage0.900.870.910.89DICV0.420.440.120.24

注：W:旱胁迫处理；D:正常处理；*：显著；**:极显著

Note:W:Drought stress treatment;D:Normal processing;*Notable;**:very significant

表2 棉花品种(系)各主要农艺性状指标抗旱系数(DC)及区间分布
Table 2 Drought resistance coefficient of main agronomic traits and different distributions of upland cotton cultivars and line

性状Character0.3

表3 棉花品种(系)各主要农艺性状指标抗旱指数(DI)及区间分布
Table 3 Drought resistance index of main agronomic traits and different distributions of upland cotton cultivars and lines

性状Character0.3

表4 主成分分析因子载荷矩阵和贡献率
Table 4 Component matrix and contribution rate of principal component analysis

性状Character因子载荷FactorpatternTraitPC1PC2PC3株高Plantheight0.135-0.009-0.043果枝始节高Heightofthefirstbranch0.015-0.3290.618果枝数Fruitbranchnumber0.2-0.13-0.082有效果枝数EffectiveFruitbranchnumbe0.203-0.194-0.009铃数Bollnumber0.214-0.073-0.079有效铃数Effectivebollnumber0.212-0.077-0.071衣分Lintpercent0.0340.268-0.582单铃重Singlebollweight0.0570.5990.423单株产量Grainweightperplant0.1760.3440.239特征值Characteristicvalue4.4291.3851.025贡献率Contributionrate(%)49.21115.38611.386累计贡献率Accumulatedcontributionrate(%)49.21164.59775.983因子权重Factorweight0.6390.2080.153

2.3 主成分分析

使用统计分析软件对各农艺性状的DC值进行主成分分析，获得因子载荷和贡献率，进一步评价抗旱的重要农艺指标。根据特征值>1和主成分载荷矩阵，最终得到3个主成分PC1、PC2和PC3，将具有相同本质的农艺性状归为一类根据主成分载荷及其绝对值的大小分析，在PC1中，第5项载荷最大，第6、4和第3载荷次之，其对应的农艺指标分别是铃数，有效铃数，有效果枝数和果枝数。在PC2中，第8项载荷最大，第9和7项载荷次之，其对应的农艺指标分别为单铃重，单株产量和衣分。在PC3中，第2项载荷最大，第8项次之，其对应的农艺指标分别是果枝始节高和单铃重。PC1主要概括铃数及果枝数指标，PC2主要概括单铃重和单株产量，PC3主要概括了果枝始节高和单铃重指标,单铃重在PC2、PC3中载荷均较大。表4

2.4 隶属函数分析及其品种的综合抗旱性评价

CDC值虽然避免了单项指标的片面性，但是对于各指标之间关系及各指标对抗旱能力的贡献率并不能反映出来，后经改进以“加权隶属函数法”来评价作物抗旱性。通过D值来评价供试种质资源的抗旱性，D值越大，抗旱性越强。供试种质资源D值介于0.08～0.98，均值为0.392，变异系数为0.362。根据D值和CDC对供试203份棉花材料进行排序，两者结果基本相同。表5

图1 基于D值的棉花材料抗旱性系统聚类
Fig．1 Based on the value of D and drought resistance of cotton varieties of system clustering figure

表 5 不同棉花品种抗旱性评价的 D 值、CDC 值(部分)
Table 5 D and DC values of drought resistance of different cotton varieties(part)

品种名Varietyname隶属函数值μ1μ2μ3D排序SortCDC排序Sort新海14号Xinhai140.5730.1840.4520.473551.01536新海13号Xinhai130.6710.1820.0570.476540.99643新海21号Xinhai210.7180.2330.1550.531311.04127新海24号Xinhai240.4550.3520.0000.3651100.858113新海25号Xinhai250.3930.1720.2040.3181340.832129新海26号Xinhai260.7160.2010.3630.555271.06520新海27号Xinhai270.4960.2950.1050.395940.88598新海28号Xinhai280.6940.2720.3630.556261.03429新海29号Xinhai290.6840.3430.0990.524331.01337新海30号Xinhai300.9480.2010.2610.68861.1715新海31号Xinhai310.2850.2580.1740.2631670.775167新海33号Xinhai330.3460.1880.3280.311380.824137新海34号Xinhai340.5140.3650.2320.441680.9181

2.5 聚类分析

根据各个材料的综合抗旱性D值，在系统聚类中采用ward法分为5类，第Ⅰ类为强抗旱(0.86>D≥0.53)，包括新海21号、丰产2号、跃零1号、海辐6号 等35 份材料，第Ⅱ类为抗旱(0.53>D≥0.41)，包括新海32号、军海1号、胜利1号、墨-1413等55份材料，第Ⅲ类为中抗旱型(0.41>D≥0.32)，包括跃51-10、抗萎2号、新海4号等46份材料，第Ⅳ为较敏感型(0.32>D≥0.25)，包括新海24 号、新海36号、巴州-3244等33份材料，第Ⅴ为敏感型(0.25>D≥0.11)，包括鸡爪海岛棉长、海92-2、巴-329等33份材料。图1

3 讨 论

棉花抗旱为数量遗传控制，抗旱机理复杂，选择合理的指标性状是抗旱性鉴定的关键，指标选择不同，评价结果也不相同，很多研究者在指标选择上从各个方面做了大量研究[9]，主要有生理生化指标、农艺性状指标等，但在不同研究中得出各类指标与抗旱性关系不同的结论不尽一致。海岛棉和陆地棉是目前世界上广泛栽培的两个四倍体棉种。陆地棉以其适应性性广，产量高而被广泛种植，与陆地棉相比，海岛棉具有纤维长、细、强等突出特点，是纺织高支纱和特种植物不可缺少的原料，而且具有高抗病虫，尤其抗黄萎病等优点，研究其抗旱性，对培育高品质棉花品种具有十分重要的意义。

目前，苗期、花铃期、蕾期及产量形成后期是学者对棉花抗旱性研究的主要时期[10-12]。李志博等[12]研究发现棉花各个生育期抗旱能力排序为盛蕾期>苗期>花铃期>吐絮期。试验将花铃期作为棉花抗旱的重要胁迫时期，符合新疆当地干旱实际情况。通过在花铃期筛选有关棉花抗旱性强弱的指标，为海岛棉抗旱材料的筛选提供参考。试验农艺性状指标可以看出，单株产量、铃数、有效铃数对水分胁迫反应敏感，衣分和株高对水分胁迫反应迟钝，单项指标之间差异大，不能单独作为决定性抗旱指标与其他作物抗旱性一样，不同农艺性状对水分胁迫的敏感程度存在差异，其抗旱系数和抗旱指数并不完全一样。因此，使用任何一个单项农艺性状指标的抗旱系数和抗旱指数都不能对棉花的抗旱性进行很好评价，必须使用多个农艺指标进行综合抗旱性评价才较为可靠、准确和科学。研究将综合抗旱系数和干旱胁迫条件下的 9个指标视为一个整体，用灰色关联度分析进行棉花抗旱性评价，结果表明,灰色关联分析和抗旱性度量值分析结果基本一致，单株产量、单铃重和株高三个抗旱性评价指标，能够评价棉花花铃期种质资源的抗旱性。刘光辉等[13]通过研究花铃期控水下棉花抗旱的指标筛选，分别计算D值、WDC值、CDC值、Y值几个综合性状的广义遗传率，发现D值遗传率最高，是最适合的综合抗旱评价指标。李海明等通过花铃期控水，通过主成分分析、关联度分析和逐步回归分析方法筛选出株高、籽棉产量、单铃重、有效铃数和果枝始节高度5个抗旱性评价指标，能直观、简单和可靠的评价棉花花铃期种质资源的抗旱性。

4 结 论

通过以农艺性状为依据的综合抗旱系数、主成分分析、隶属函数值相结合的方式及在隶属函数基础上赋予其权重的抗旱度量值(D 值) ,对203份海岛棉种质资源进行了综合的抗旱性鉴定，筛选出强抗旱型品种为新海21号、丰产2号、跃零1号、海辐6号 等35 份材料，为棉花生产和棉花抗旱分子机理研究提供基础材料。主成分分析筛选出单株产量、单铃重和株高3个抗旱性评价指标，能直观、简单和可靠的评价棉花花铃期种质资源的抗旱性。